هل تدخل مواد أخرى في صناعة الحديد غير معدن الحديد؟

تعتبر صناعة الحديد جزءًا من العملية الصناعية والاقتصادية التي لا يمكن الاستغناء عنها في مجالات مختلفة.
تُقدم المقالة التالية أهم المعلومات الواردة عن صناعة الحديد والصلب، بالإضافة إلى كيف يتم تصنيع الحديد ومراحل صناعته.

عنصر الحديد

يعتبر الحديد رابع أكثر العناصر الموجودة في القشرة الأرضية، بعد كل من الأكسجين والسيليكون والألمنيوم، وهو المعدن الثاني الأكثر شيوعًا بعد معدن الألمنيوم. والحديد النقي معدن أبيض فضي من السهل استخدامه وتشكيله، ويتمتع بخواص فيزيائية تتشابه مع خواص المعادن الأخرى، كقدرته العالية على توصيل الحرارة والكهرباء وسهولة الجذب. ويجدر القول أنه من النادر رؤية الحديد النقي، ومن الصعب استخراجه بحالته النقية، ويعود السبب في ذلك لسهولة اتحاده مع الأكسجين، وقد يكون هذا هو العيب الأكبر لمعدن الحديد عند استخدامه في عمليات البناء، فهو يتآكل عند تعرضه للهواء الرطب، فيتشكل عنه ما يُعرف بالصدأ، وهو الأكسيد البني المحمر القشري.

وإلى جانب تفاعل الحديد النقي مع الأكسجين، فهو يتفاعل مع عناصر أخرى كالكبريت والكربون والسيليكون، لينتج عنه الهالوجينات مثل الكلور.

صناعة الحديد

يعود تاريخ صناعة الحديد للحيثيين القدامى الذين كانوا يتواجدون في آسيا الصغرى، المعروفة بتركيا حاليًا، بعدما قاموا بصهر الحديد قبل 1500 قبل الميلاد، مما زاد من قوتهم الاقتصادية والسياسية آنذاك. حتى برز العصر الحديدي وأصبح هناك تمييز واضح بين أنواع الحديد بحسب محتوى كل نوع من الكربون، وبعضها كان يحتوي على عنصر الفاناديوم الذي كان مُناسبًا جدًا في صناعة السيوف.
وشرح رينيه أنطوان فيرشولت دي ريومور في كتابه عام 1722 أنواع الحديد، ووضَّح الكيفية التي يمكن من خلالها التمييز بين كميات الكربون الموجودة في أنواع الحديد المختلفة، ومن ثم جاءت الثورة الصناعية التي اعتمدت على صناعة الحديد بشكل أساسي.

كيف يتم تصنيع الحديد؟

تتم عملية تصنيع الحديد من خلال صهر الحديد وتنقيته، في مصنع كيميائي كبير يعرف باسم فرن الصهر. ويضاف في الفرن مجموعة من العناصر من أجل تصنيع الحديد، منها الحديد الخام وفحم الكوك والحجر الجيري، في درجات عالية جدًا. وتمر المواد الخام في مراحل الذوبان بشكل تدريجي، ويصبح كل شيء ذائب في الأسفل، ومن ثم تُفصل الشوائب عن طريق الحرارة والحجر الجيري والغازات. ومن قاع الفرن يتم الحصول على الحديد الساخن السائل الأبيض، بالإضافة إلى الشوائب، وتعتبر هذه الطريقة أبرز الطرق في تصنيع الحديد وأكثرها كفاءة.

مراحل صناعة الحديد

بالاعتماد على طريقة تصنيع الحديد في فرن الصهر، تاليًا مراحل صناعة الحديد:

• يتم ملء الفرن بأكسيد خام الحديد أو أكسيد خام الحديد الأسود، بالإضافة إلى الكربون والحجر الجيري.
• يُدفع انفجار من الهواء الساخن من أسفل الفرن، من أجل خلق تباين واضح في درجات الحرارة، فتكون درجة حرارة قاع الفرن 2273 كلفن، بينما الجزء العلوي منه 473 كلفن.
• يتدفق الحديد المصهور أسفل الفرن، ويتم إزالته من فتحة. وعندما يبرد الحديد ينتج الحديد الهش في حال كان غير نقي، والحديد الطري في حال كان يحتوي على شوائب الفسفور أو الكبريت.
• هناك مرحلة من مراحل صناعة الحديد يتم فيها تنقية الحديد من الشوائب، من خلال فرن الأكسجين الأساسي الذي يعمل على مبدأ أكسدتها.

كيف يصنع الحديد الصلب؟

قبل التطرق لمعرفة كيف يتم صناعة الحديد الصلب، من المهم التعرف على ماهية الصلب أولًا. فالصلب هو أحد أشكال الحديد ولكن بخواص فيزيائية معينة، وهو حديد يحتوي على كميات معينة من الكربون أقل من تلك الموجودة في حديد الزهر، ومساوية أو أكثر بقليل من الموجودة في الحديد المطاوع، يُضاف إليه معادن أخرى لمنحه خصائص معينة في بعض الأحيان.
ويصنع الحديد الصلب بشكل أساسي من الحديد، ويوجد منه آلاف الأنواع التي تتنوع استخداماتها في مهام متعددة.

أما عن إجابة سؤال كيف يُصنع الحديد الصلب؟، فهناك ثلاث مراحل أساسية يدخل بها الحديد من أجل تحوُّله إلى صلب، أولها صناعة الصلب من الحديد، ومن ثم معالجة الصلب للحصول على خصائص معينة، وأخيرًا تشكيله. ويمكن توضيح أهم طرق صناعة الصلب كالتالي:

• عملية (BOP): تعتمد هذه العملية على الأكسجين الأساسي، إذ يتم صناعة الحديد الصلب في حاوية مفتوحة من الأعلى تشبه في هيكلها البيضة، تعمل كالفرن، ويتم تدوير الحاوية إلى جانب واحد من أجل صب المعدن في النهاية. ومن خلال رمح يستبدل تيار الهواء الموجود في فرن الصهر بحقن من الأكسجين النقي.
• عملية الموقد المفتوح: يُضاف في هذه العملية المزيد من حديد الزهر، ويتَّحد في هذه الحالة الكربون مع الأكسجين، وتُزال الشوائب، ويتحول الحديد إلى صلب ولكنه صلب مصهور. ويستمر العمال المتخصصون في صناعة الصلب بمراقبة كمية الكربون الموجودة بعد أخذ عينات منه، إلى أن يصلوا إلى النسبة المطلوبة من الكربون، للحصول على نوع معين من الفولاذ أو الصلب.
• عملية فرن القوس الكهربائي: يُستخدم فيها الأقواس الكهربائية من أجل إذابة الحديد الخام أو بقايا الصلب، وتُقدّم هذه الطريقة سبائك عالية الجودة من الصلب.

صناعة الحديد والصلب

لقد قدمت صناعة الحديد والصلب أنواعًا مختلفة منهما، والتي جعلتهما يبدوان وكأنهما مَعدَنَان مستقلان بذاتهما من بين المعادن الأخرى، إذ  يحتوي الصلب على خصائص فيزيائية تختلف عن الحديد، فما أهم الأنواع التي أنتجتها صناعة الحديد والصلب وأين يكمن الاختلاف؟

في صناعة الحديد، ينتج أنواع من الحديد التي تتمايز بحسب كمية الكربون الموجودة في كل نوع، وأهمها:

• حديد غُفْل (Pig Iron): تتم عملية صناعة حديد غفل من خلال تسخين الحديد الخام وهو حديد ُعزز بأكسيد الحديد. وبداخل فرن صناعي ضخم، يتفاعل الحديد الخام مع فحم الكوك الغني بالكربون والحجر الجيري، وبالتالي يُختَزَل الأكسجين من أكسيد الحديد لينتج عن ذلك سائل نقي نسبيًا، إلى جانب الدور الذي يتخذه الحجر الجيري في تنقية السائل من الشوائب.
• حديد زهر (Cast Iron): وهو حديد سائل مصبوب، يتم سكبه في قالب معين ومن ثم تركه ليبرد ويتصلَّب ويتشكَّل. ومن عيوبه أنه صلب وهش وهذا ما يُصعّب من عملية تشكيله، وفي حال تم تسخينه يصدأ بسرعة.
• الحديد المطاوع (Wrought iron): يُصنع من خليط ما بين الحديد السائل والنفايات أو الشوائب المتبقية ونسبة قليلة من الكربون، ويتميز بسهولة تسخينه وتشكيله، وقلة تعرضه للصدأ.

أما عن صناعة الصلب، فقد صرَّحت جمعية الصلب العالمية بوجود أكثر من 3500 نوع من الصلب باختلاف خصائص كل منها الفيزيائية والكيميائية، وفي النطاق العام هناك أربعة أنواع رئيسية من الصلب موضحة فيما يلي:

• الصلب الكربوني (Carbon Steels): يُشكّل ما نسبته 90% من إجمالي إنتاج الصلب، ويندرج تحته ثلاثة أنواع استنادًا لمحتوى كل منها من الكربون، وهي الصلب منخفض الكربون ومتوسط الكربون وعالي الكربون.
• الصلب السبائكي (Alloy Steels): يوجد فيه عناصر مختلفة غير الحديد بنِسَب متفاوتة تدخل في صناعة السبائك، كالمنغنيز والنحاس والنيكل والكروم والألمنيوم، والتي تستخدم في المحركات الكهربائية وقطع غيار السيارات، ومولدات الطاقة.
• فولاذ الأدوات (Tool Steels): يتميز هذا النوع بقدرته على مقاومة الحرارة، الأمر الذي يجعله مناسبًا في معدات الحفر، كونه تحتوي على التنجستن والموليبدينوم والكوبالت والفاناديوم بنسب مختلفة.
• الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless Steels): يحتوي على الكروم بنسبة بين 10-20٪، ويوجد منه المارتنسيتي والفريتي والأوستنيتي، ويستخدم الأوستنيتي بشكل أكبر خاصة في معدات الطبخ.

هل تدخل مواد أخرى في صناعة الحديد غير عنصر الحديد؟

صحيح، في صناعة الحديد تدخل مواد أخرى غير عنصر الحديد، إذ إن الحديد النقي النادر طري للغاية بطبيعته، وبالتالي فهو لا يُقدم الفائدة المرجوة من الحديد. وفي صناعة الحديد أو سبائك الحديد يكون هناك مزج ما بين الحديد وبعض العناصر الأخرى مثل الكربون، من أجل إكسابه خواص فيزيائية تزيد من قوته. فالصلب أو الفولاذ عبارة عن حديد مضاف إليه كربون بنسبة 2%. وهكذا يمكن القول أن صناعة الحديد تتطلب دخول مواد أخرى غير الحديد بكميات مختلفة.

اقرأ/ي أيضًا:

هل النحاس ينجذب للمغناطيس؟

هل تختلف المواد الداخلة في صناعة أنواع الزجاج؟

هل الذهب الأبيض أفضل من الأصفر؟ تعرف على الفروقات

هل يفقد الألماس قيمته عند البيع، وهل يوجد عوامل مؤثرة أخرى؟