في منتصف القرن الثامن عشر بدأت تتطور الصناعة بشكل كبير، وأطلق عليها اسم الثورة الصناعية، وشملت هذه التطورات ثورة الطاقة والمعادن.

كانت كل من صناعة الحديد والحاجة المتزايدة للفحم لإنتاج فحم الكوك لصهر الحديد من العوامل الهامة المساهمة في تطور الثورة الصناعية.

نجح أبراهام داربي في صهر الحديد بالكوك منذ عام 1709 ، وأصبح هذا الابتكار التكنولوجي مهمًا للغاية في خمسينيات القرن الثامن عشر.

كانت هذه الخطوة حاسمة ومع ذلك مرت عقود عديدة قبل أن بثت هذا الوقود وجوده، نظراً لأن كميات هائلة كانت ضرورية لإنتاج الحديد والصلب.سرعان ما أحدث الفحم الصلب ثورة في عمليات التكرير.

الخطوة الثانية في إنتاج الحديد المطاوع ضرورية لأنه عندما يخرج الحديد الخام من الفرن العالي فإنه لا يزال يحتوي على نسبة عالية جدًا من الكربون.

خلال هذه العملية ، من الضروري منع الحديد الخام من الاتصال المباشر بفحم الكوك ، والذي لا يزال يحتوي على العديد من العناصر غير المرغوب بها.في عام 1740 م توصل رجل من شيفيلد اسمه بنيامين هانتسمان إلى حل.

ملأ الحديد الزهر في بوتقات مغلقة ثم تم تسخينها في فرن فحم الكوك. كانت النتيجة الفولاذ.

في عام 1784 ، توصل هنري كورت إلى بديل: صقل الحديد الخام في فرن نصف مفتوح ، حيث تم فصل الحديد عن الفحم المحترق بجدار منخفض فقط.

تم نقل الهواء الساخن من الفرن فوق الحديد الخام لتسخينه.

في نفس الوقت تم تحريكه بواسطة عامل بقضيب طويل لإطلاق الكربون في الهواء. كانت نتيجة هذه العملية “البرك” عبارة عن حديد شديد المرونة يمكن استخدامه على قدم المساواة في صنع السيوف وسكاكين المحاريث.

اخترع كورت أيضًا عملية الدرفلة الثقيلة ، حيث يمكن تشكيل الحديد إلى ألواح حديدية وأنابيب وخطوط للسكك الحديدية.

بدأ الحديد الآن يحل محل الأخشاب حيث بدأت مادة العمل الشاملة والمداخن وأفران الصهر بالظهور في مصانع الحديد في حقول الفحم في شروبشاير وستافوردشاير ، في جنوب اسكتلندا وويلز.

بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، أصبحت بريطانيا العظمى أكبر منتج للحديد في العالم.

بدأت الحكومة الفرنسية الآن في تكريس كل جهودها لإنتاج الحديد ، لأسباب ليس أقلها خوفها من تأخرها في صناعة الأسلحة. جذبت الخبراء البريطانيين إلى فرنسا .

ثم توسعت الصناعات الحديدية في باقي المناطق الأوربية، فتأسس أول فرن لفحم الكوك في شارلروا في سويسرا عام 1827 ، وبدأ إنشاء المصانع في ألمانيا بدءاً من عام 1834 .في عام 1828 ، جاء اسكتلندي اسمه جيمس بومونت نيلسون بآخر تحسين حيوي لأفران الانفجار.

اكتشف أنه من خلال نفخ الهواء الساخن ، كان من الممكن تقليل كمية فحم الكوك المطلوبة بشكل كبير.

وفي عام 1850 ، كانت بريطانيا العظمى تنتج ما لا يقل عن 10 أضعاف كمية الحديد الخام التي كانت تنتجها في بداية القرن ؛ بحلول عام 1900 أكثر من 30 مرة.

وفي عام 1879 ، نجح Wilhelm Siemens في إجراء مزيد من التحسين. كان فرن القوس الكهربائي الخاص به قادراً على إنتاج درجات حرارة عالية جداً بسهولة.

ومع ذلك ، كانت الطاقة الكهربائية أغلى من فحم الكوك. لهذا السبب ، اقتصرت العملية في البداية على تصنيع فولاذ عالي الثبات والذي كان مخلوطاً بالكروم أو النيكل أو التنجستن.

يمكن استخدام المواد الناتجة في صناعة الصفائح المموجة الكبيرة ، والمراوح البحرية ، والطلاء المدرع ، والأدوات الهندسية.

تم تصنيع الفولاذ الكهربائي بكميات كبيرة فقط بعد الحرب العالمية الأولى.

بحلول ذلك الوقت ، تجاوز إنتاج الصلب في بريطانيا العظمى ، مهد التصنيع ، الولايات المتحدة وألمانيا.      

الحديد هو معدن كثيف نسبياً ذو مظهر أبيض فضي، درجة انصهاره 1538 درجة مئوية، والمعدن النقي مرن ويمكن تشكيله بسهولة بواسطة الطرق، ولكنه نادراً ما يستخدم نقياً دون إضافة مواد أخرى.

يتم إضافة عناصر أخرى إلى الحديد من أجل تحسين خصائصه الفيزيائية والميكانيكية، فإذا أضفنا 2 بالمئة من الكربون إلى الحديد نحصل على الفولاذ الذي يتمتع بمقاومة أكبر فيصبح أشد صلابة ولكنه أقل مرونة، يمكن التحكم بكمية الكربون المضافة مما يعطينا خصائص أشد اختلافاً.

يتم إضافة الكربون أو أي مادة أخرة في الأفران المخصصة، وتدعى هذه الصناعات بصناعات التعدين، وقد تطورت صناعة الحديد عبر التاريخ وتطور شكل الأفران التي يتم فيها معالجة الحديد وتجري فيها التفاعلات الكيماوية المطلوبة.

الحديد الخام يستخرج من الصخور (الصخور النيزكية) يوضع في فرن ذي درجة حرارة عالية كي يصل لدرجة الانصهار، ثم يتم عزل المعدن عن الشوائب الترابية لنحصل على المعدن النقي.

أنواع الأفران المستخدمة في سبك المعادن:

1. فرن البوتقة.
2. فرن الدست
3. فرن الحث الكهربائي
4. فرن القوس الكهربائي.

1.فرن البوتقة:

هو عبارة عن فرن يُدن أكثر من نصفه في الأرض، ويبطن جداره من الداخل بالطوب الحراري الذي يحتوي على 42% ألومينيا، ويتوزع اللهب من خلال فتحة في الأسفل موصلة بجهاز نفخ يقوم بالتوزيع الحراري للهب داخل الفرن.

إيجابيات فرن البوتقة: يتميز بالتوزيع الحراري الجيد نتيجة لشكله الدائري.

سلبياته: يعتبر من الأفران البطيئة جداً، لذا يستخدم في المسابك الصغيرة ذات الإنتاج الضعيف، كما أنه لا يسمح لنا بالتحكم بدرجة حرارة الصهر بشكل دقيق.

يستخدم هذا النمط في صب المسبوكات بعدد محدد، كما يستخدمه الفنانون في صب المعروضات الفنية الصغيرة.

2.فرن الدست:

هو أقدم أفران صهر المعادن على الإطلاق، ويتكون من أسطوانة مبطنة بالطوب الحراري مرتكزة على قاعدة من الحديد بأربعة أرجل، مفتوح من الأعلى ومزود ببابين من الأسفل لإدخال الفحم وفتحتين إحداهما لإخراج المعدن المنصهر والأخرى لإزالة الخبث، ولكن هذا النوع من الأفران يعد الأكثر تلويثاً للبيئة حيث ينبعث منه غازا أول أوكسيد الكربون ورابع أوكسيد الكبريت، وهي غازات شديدة السمية، وللتقليل من خطرها يتم تمرير الانبعاثات على خزانات من المياه لتنقية العوادم أو عن طريق فلاتر.

3.فرن الحث الكهربائي:

هو فرن كهربائي يعتمد على توليد الحرارة من خلال التسخين بالتحريض الكهربائي:

إيجابياته: يمكن التحكم بشكل كامل بدجة الحرارة وزمن التسخين، كما أنه اقتصادي وصديق للبيئة (بمعنى أنه لا ينشر غازات سامة).

4.فرن القوس الكهربائي:

وهو من أحدث التقنيات المستخدمة في إنتاج الحديد والصلب، تعتمد التقنية على استخدام تيار كهربائي عالي التوتر، لصهر الحديد الإسفنجي الناتج عن عملية الاختزال المباشر.

الحديد الإسفنجي: هو اسن يطلق على الحديد المختزل عن طريق الاختزال المباشر، ويسمى بالإسفنجي نظراً لأنه يتم انتزاع جزيئات الأكسجين من أكاسيد الحديد، فيكون تركيبه الداخلي أشبه بالإسفنج، تبلغ نسبة الحديد في الحديد الإسفنجي حوالي 98% ، ويعتبر منتج وسيط في صناعة الحديد والصلب حيث يدخل إلى أفران القوس الكهربائي كمادة خام، حيث يتم صهرها وإضافة بعض العناصر السبائكية من أجل إكساب الصلب الخواص الميكانيكية المطلوبة.

الاختزال المباشر للحديد: هو إحدى العمليات التي تدخل في صناعة الصلب، حيث يتم فيها اختزال أكاسيد الحديد بواسطة الغاز الطبيعي لإنتاج حديد نقي تصل نسبة الحديد إلى 98% ويسمى الحديد الإسفنجي، ويدخل بعد ذلك إلى أفران القوس الكهربائي لصهره وإضافة بعض المعادن إليه.

تعرف الصناعة بأنها تحويل المواد الأولية الخام إلى منتجات ذات قيمة للإنسان، وتتنوع الصناعات وتتعدد بحسب منتجاتها، فهناك الصناعات الغذائية والإلكترونية والكهربائية والكيميائية، وهناك أيضاً الصناعات المعدنية.

سنتكلم في هذا المقال عن الصناعات المعدنية وعن تاريخها وواقعها ومستقبلها.

الصناعات المعدنية في العصر الحجري القديم:

 استغل الإنسان قديماً المواد الغير فلزية مثل الكوارتز والصوان وغيرهم من الأحجار الرخوة، من أجل صنع أدواته وأسلحته، واستخدم الطين في صناعة الفخار والطوب، وتعتبر صناعة الطوب هي أول الصناعات المعدنية على مر التاريخ. بعد ذلك انتشرت أحجار البناء واستخدمت على نطاق واسع، ومن أكبر الدلالات على صناعة الأحجار بناء الأهرامات الثلاثة التي تعد أكبر إثبات على الصناعات المعدنية الضخمة.

ومن أهم الصناعات المعدنية القديمة هي صناعة الأسلحة، فقد وجد الإنسان القديم نفسه في مواجهة حيوانات الطبيعة المتوحشة، مما جعله بحاجة إلى أن يدافع عن نفسه، كما احتاج الإنسان القديم إلى الصيد ليحصل على طعامه، فكان لا بد من صناعة أسلحة الصيد والدفاع عن النفس، ولكن مع الأخذ بعين الاعتبار أن الإنسان القديم استعمل الفلزات المعدنية مع شوائبها الحجرية أو مع تنقية يدوية بسيطة، وذلك لصعوبة الوصول إلى درجات الحرارة العالية لصهر الفلزات وتنقيتها من الشوائب.

الصناعات المعدنية في العصر الحجري الحديث:

 بعد أن عرف الإنسان الذهب والفيروز والنحاس والمعادن المختلفة، لجأ إلى الصناعة المعدنية ومنها صناعة الأحجار الكريمة التي كانت ألوانها جذابة تستدعي الاعتناء بها، وكان القدماء يستخدمونها في صناعة الحلي والأساور وغيرها من أدوات الزينة. وقديما كانت صناعة الأحجار الكريمة والذهب والنحاس تحتل مكان الصدارة، ولكن بعد أن اخترعت الآلات أصبحت الأهمية للصناعات الحديدية والرصاص والنحاس والسيليكون واليورانيوم. لذلك تضاعفت إنتاج المعادن في النصف الأول من القرن العشرين، وتضاعف الإنتاج مرة أخرى في السنوات الخمسة وعشرين الأخيرة.

دخلت الصناعات المعدنية في القرن العشرين مرحلة مهمة، فقد دخلت في كافة الصناعات، من صناعة الأدوات المنزلية إلى صناعة السيارات والمركبات الثقيلة إلى الصناعات العسكرية، مما جعل عملية التعدين أو الصناعات المعدنية واحدة من أهم الصناعات، وتعتبر سراً من أسرار الصناعات.

صناعة الحديد

يتم إنتاج الحديد على مراحل أربعة أساسية وهي: الحديد الغفل، والحديد الزهر، والحديد المطاوع، والحديد الصلب، ولكل مرحلة من هذه المراحل أفران خاصة، وتعتبر صناعة الحديد هي أساس قوة الدولة الاقتصادية والعسكرية. وقد قال الله تعالى في القرآن الكريم في أهمية الحديد { وأنزلنا الحديد فيه بأس شديد ومنافع للناس، وليعلم الله من ينصره ورسله بالغيب إن الله قوي عزيز}.

مصادر خام الحديد

يشير مصطلح خام الحديد في العادة إلى صخر أو معدن يحتوي على كمية كافية من فلز الحديد، تجعله مناسباً لإجراء عملية التعدين. وفي بعض الأحيان، ربما يَحُول موقع ترسبات الحديد وبعض مواصفاتها دون استغلالها مصدراً لخام الحديد، ولكن على الرغم من سوء الموقع وتدني درجة الحديد مما يجعلها غير مجدية من الناحية الاقتصادية.

وتتوفر خامات الحديد ومصادره في العالم بكميات كبيرة، وذلك على الرغم من أن صناعة الفولاذ المستمرة تستهلك كميات ضخمة من مخزون هذه الخامات. ونتيجة لاستخدام خامات الحديد الغنية وقرب نفادها، فقد طورت شركات صناعة الفولاذ تقنيات صناعية حديثة حتى يمكن استخدام خامات الحديد الفقيرة.

أنواع خام الحديد:

يوجد الحديد في الطبيعة بصفة دائمة في صورة مركبات كيميائية، حيث يكون الحديد متحدًا مع عناصر أخرى، وبالذات عناصر الأوكسجين والكربون والكبريت والسليكون. وتحتوي كثير من خامات الحديد على مركبات كيميائية مكونة من الحديد، وواحد أو أكثر من عناصر أخرى. وتشمل خامات الحديد الأساسية التي يستخلص منها الحديد: الهيماتيت والماجنيتيت والليمونيت والبيريت والسيدريت والتاكونيت.

ترسبات خام الحديد

تكونت أضخم ترسبات خام الحديد في العالم نتيجة عمليات مختلفة بدأت منذ أكثر من بليوني سنة مضت. وبدأت عمليات تكوين الخام في بعض المناطق من الكرة الأرضية، ثم تحولت هذه المناطق بعدئذ إلى بحار سطحية ضحلة، حيث أخذت مركبات الحديد في الترسب تدريجيًا من ماء البحار إلى القاع. وفي قاع البحار ارتبط خام الحديد المترسب مع كل من الرمال وحبيبات دقيقة من مادة الغرين في صورة صخرية. وبعد ذلك أدت الزلازل الأرضية وتنقلات القشرة الأرضية إلى رفع الصخور المتكونة في قاع البحر إلى مستوى سطح البحر. وقد تكونت خامات الحديد ذات التركيزات العالية جدًا في بعض مناطق العالم، نتيجة تقاطر الماء خلال الصخور، حيث أذاب الماء المتساقط الكثير من رمال الصخور مخلفًا وراءه الخامات مرتفعة التركيز.

وتكونت ترسبات أخرى من خامات الحديد بطرق مختلفة عن الطريقة السابقة الذكر. فعلى سبيل المثال، نتج عن انخفاض درجات حرارة الصخور البركانية ببطء، تكون ترسبات خام الحديد، كما حدث عند تكوُّن خامات الحديد في السويد، وبعض المناطق الأخرى من العالم. ويعتقد أيضًا أن وجود الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الماء، قد أدى إلى تكوين أكاسيد الحديد. ومن المعروف في الوقت الراهن حدوث ترسبات أكاسيد الحديد وتراكمها في المناطق السبخة والمناطق القريبة من الشواطئ.

وتقع معظم ترسبات الحديد ومناجمه في أمريكا الشمالية في منطقة البحيرات العظمى. وتوجد أغنى خامات الحديد في أمريكا الجنوبية في مقاطعة ميناس جيرليس في البرازيل، وكذلك في منطقة سيرو بوليفار في فنزويلا. والمنطقة بكاملها تكوينات من جبال من خام الحديد. وتوجد كميات ضخمة من خامات الحديد في حوض هامر سلي في غربي أستراليا، وأيضًا في جمهورية اوكرانيا. ويتوفر خام الحديد في الهند على حدود ولايتي بيهار ـ اوريسا غربي كلكتا. وخامات الحديد في الصين من النوع ضعيف التركيز، وتوجد ترسبات الخام الأساسية في الجنوب الشرقي من البلاد. وعلى الرغم من أن الخام من النوع الرديء إلا أنه يمثل المصدر الأساسي للحديد في الصين. وتوجد ترسبات خام الحديد بكميات كبيرة أيضًا في عدد آخر من دول العالم ومنها جنوب إفريقيا.