طريقة صينية جديدة لإنتاج الحديد تحول الساعات إلى ثوانٍ

الحديد لا يزال ملك المعادن

عند مناقشة الابتكار في التصنيع، يتركز الانتباه عادةً على التكنولوجيا المتقدمة (الروبوتات, الطباعة ثلاثية الأبعاد) أو على المعادن والمواد النادرة، مثل التنغستن, التيتانيوم, الروديوم, إلخ. (اتبع الروابط للحصول على تقارير استثمارية مفصلة لكل منها).

في النهاية، وعلى الرغم من أهميتها، لا تغير هذه التطورات حقيقة أن معظم المواد التي نستخدمها أبسط بكثير— ولا معدن يُعد أساسيًا للحياة الحديثة مثل الحديد.

الحديد والصلب هما المواد الأساسية المطلوبة بكميات هائلة للبنية التحتية (الجسور، الخرسانة المسلحة، إلخ)، واللوجستيات والنقل (السيارات، السكك الحديدية، القطارات، الموانئ، السفن)، والعديد من الاستخدامات الصناعية (الأنابيب، الخزانات، الأفران، إلخ).

يمكن أن تأتي أكاسيد الحديد من معادن مثل الهيماتيت، الليمينيت، الماغنتيت، البيريت، الجوثيت، وأكثر، ويُصنع تقريبًا 90٪ من جميع المعادن المكررة اليوم من الحديد.

المصدر: FTM Machinery

لحسن الحظ، الحديد وفير جدًا على الأرض (5٪ من قشرة الأرض بالوزن) وفي الكون بشكل عام. ومع ذلك، تحويله إلى شكل قابل للاستخدام يمكن أن يكون عملية مستهلكة للطاقة ومستهلكة للوقت. لذا فإن الخبر الكبير هو أن الباحثين الصينيين أعلنوا أنهم وجدوا طريقة لزيادة خطوة مركزية في صناعة الحديد، مع زيادة الإنتاجية بمقدار 3,600 مرة.

كيف يُصنع الحديد؟

يُنتج الحديد النقي من خام غني بالحديد، يُحول إلى معدن أنقى عبر عملية الصهر.

من المفرن البدائي منخفض الحرارة في العصور القديمة، تم تطوير أفران أكثر تقدمًا في العصور الوسطى وفي العصر الحديث لإنتاج الحديد بكفاءة أكبر عند درجات حرارة تصل إلى 1,400° إلى 1,500° م (2,550° إلى 2,700° ف). يُرسل هذا الحديد الساخن المنقّى غالبًا مباشرة إلى مصنع الصلب لإنتاج الصلب، مما يقلل فقدان الحرارة.

حتى مع الطرق الحديثة، فإن صهر الحديد في أفران الانفجار عملية طويلة، تستغرق 5-6 ساعات. وهذا يجعلها مستهلكة للطاقة بشكل كبير، حيث يجب الحفاظ على درجة الحرارة العالية طوال العملية، عادةً باستخدام الفحم أو الغاز الطبيعي.

هذا أيضًا يجعل إنتاج الحديد والصلب مستهلكًا كبيرًا للوقود الأحفوري ومُصدرًا كبيرًا للغازات الدفيئة. إنتاج الحديد والصلب مسؤول عن ما يصل إلى 7٪ من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، أكثر من إجمالي انبعاثات الاتحاد الأوروبي.

اليوم، يقع معظم إنتاج الصلب العالمي في الصين، التي تنتج أكثر من 55٪ من إجمالي إنتاج الصلب في العالم، تليها الهند (7٪ من إجمالي إنتاج الصلب).

المصدر: GMK Center

كلا من الصين والهند يستخدمان الفحم في الغالب لإنتاج الحديد والصلب، مما يجعل عملياتهما مصدرًا كبيرًا لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

هل سيحل الهيدروجين محل الفحم؟

من أجل استبدال الفحم، تم اقتراح طرق تصنيع صلب خضراء، وكان أفضل مرشح هو استخدام الهيدروجين بدلاً من الفحم للوصول إلى درجات الحرارة العالية المطلوبة.

المشكلة هي أنه حتى الآن، يمكن استخدام خام الحديد عالي الجودة فقط مع الهيدروجين. سيتطلب الأمر خامًا أرخص ذات محتوى حديد أقل لتعويض التكاليف الأعلى للهيدروجين مقارنة بالفحم.

هذا صحيح، على الأقل في أفران الانفجار، لكن عملية جديدة، تُسمى صهر الحديد الفوري، قد تكون مختلفة.

الحديد الفوري

وُصف العملية من قبل الباحث الصيني الأستاذ زانغ وينهاي وفريقه في ورقة نُشرت في المجلة المحكمة “Nonferrous Metals”. وتدعي أن تُكمل عملية صناعة الحديد في ثلاث إلى ست ثوانٍ فقط، مقارنةً بخمس إلى ست ساعات المطلوبة من قبل أفران الانفجار التقليدية.

الفكرة الأساسية هي أنه بدلاً من استخدام حبيبات صغيرة من خام الحديد، يتم طحنه إلى غبار من جزيئات صغيرة جدًا. هذا يسمح للتفاعل الذي يحول خام الحديد إلى حديد نقي بأن يكون شبه فوري، أشبه بانفجار من ذوبان بطيء للخام.

هذا يؤدي إلى أكسدة فورية للجسيم خلال بضع ثوانٍ.

المصدر: MDPI

رماح دوامة الحديد

تقليل خام الحديد إلى جزيئات دقيقة ليس خطوة صعبة أو تقنية معقدة. ما هو أكثر صعوبة هو حقنها في المفاعل بأمان وكفاءة.

لحل هذه المشكلة، طور فريق الأستاذ زانغ رماح دوامية يمكنها حقن 450 طنًا من جزيئات خام الحديد في الساعة. مفاعل مجهز بثلاثة من هذه الرماح ينتج 7.11 مليون طن من الحديد سنويًا.

الأهم من ذلك، أن هذه التقنية ليست مجرد تجربة مخبرية بل هي بالفعل تدخل الإنتاج التجاري.

لم يكن هذا نجاحًا فوريًا، بل نتيجة لجهود طويلة الأمد بدأت في عام 2013 عندما حصل فريق زانغ على براءة اختراع لتقنية صهر فوري قادرة على إنتاج الحديد السائل مباشرة. استغرق الأمر عشر سنوات لتصقل الطريقة وتوسيعها إلى مصنع تجريبي، مما أظهر أن الإنتاج الآمن على نطاق واسع ممكن.

المصدر: News.com.au

كما يجب الإشارة إلى أن الأستاذ زانغ لديه خبرة في تغيير علم المعادن. لقد أحدث ثورة في إنتاج النحاس باستخدام تقنية صهر فوري مماثلة طبقها على النحاس في السبعينيات. حصل على الجائزة الأولى من جائزة التقدم العلمي والتقني الوطنية في عام 2000 وانتُخب في الأكاديمية الصينية للهندسة في عام 2003.

الأهداف الاستراتيجية للصين

انبعاثات الكربون

بما أن الصين هي الرائدة عالميًا في صناعة الصلب، فإن الاعتماد المفرط لهذه العملية على الفحم قد أعاق طموحات البلاد لتقليل انبعاثات الكربون. كما يجعل صناعتها تعتمد بشكل كبير على الفحم المستورد، خاصةً من أستراليا.

لذلك، لدى الصين حافز قوي لتطوير طرق بديلة ونشرها بسرعة، خاصة إذا سمحت باستخدام الهيدروجين بدلاً من ذلك. وبالاشتراك مع دورها كقائدة في إنتاج الطاقة الخضراء، فإن الصين في موقع جيد لتصبح الرائدة في إنتاج الصلب الأخضر.

إعادة تشكيل أسواق الحديد العالمية؟

شيء آخر يجعل هذه الطريقة فريدة هو أنها تعمل جيدًا مع الخامات منخفضة أو متوسطة العائد. يمكن أن تُعيد تشكيل أسواق الحديد العالمية بالكامل.

حاليًا، يُعد خام الحديد عالي الجودة والغني بالحديد من أستراليا هو الإمداد الرئيسي للحديد إلى أفران ومصانع الصلب الصينية.

المصدر: S&P Global

إذا تم استخدام صهر الحديد الفوري مع الهيدروجين لاستبدال أفران الانفجار التي تعمل بالفحم، يمكن استبدال الإمداد المحلي بخامات حديد أقل جودة.

العلاقة بين الصين وأستراليا تدهورت تدريجيًا خلال العقد الماضي، على الرغم من اعتماد الصين على الحديد الأسترالي. على سبيل المثال، في حرب التجارة مع أستراليا عام 2020، تم استثناء الحديد من العقوبات بسبب اعتماد البلاد العالي عليه. لذا، قد يُنظر إلى حل هذه الضعف كأمر استراتيجي حاسم للصين، بغض النظر عن الحسابات الاقتصادية.

شركة تعدين الحديد

قد يؤدي انخفاض تكاليف صهر الحديد وانبعاثات الكربون إلى جعل الصلب مادة أكثر شعبية مما هي عليه اليوم. عندما يتعلق الأمر بالتعدين، فإن الحجم والجيولوجيا الجيدة هما كل شيء، حيث تسمح تكاليف الإنتاج المنخفضة بأرباح أعلى وسلامة خلال فترات الركود، التي لا مفر منها في أسواق السلع.

الشركة البرازيلية Vale هي أكبر منتج للحديد والنيكل في العالم، بإجمالي 323-330 مليون طن تم إنتاجه في عام 2024.

كما أن الشركة منتج للمعادن ذات الصلة بـ “انتقالات الطاقة”، مثل النحاس. بينما قد تكون هذه المعادن مهمة للمستقبل، فإن الحديد هو الآن جوهر الشركة.

كانت الشركة في السابق أكثر تنوعًا لكنها أعادت تركيز نشاطها حول الحديد في السنوات الأخيرة، بعد أن تخلت عن مناجم معادن أخرى بقيمة 2 مليار دولار وسلع أخرى مثل زيت النخيل.

المصدر: Vale

قاعدة أصول كبيرة

تُصنّف Vale كشركة مرفق متوسط الحجم، تدير سكة حديدها الخاصة، قطاراتها، موانئها، وسفنها لنقل الخام من الاستخراج إلى التسليم للعملاء.

كما أنها تنتج الكثير من طاقتها الخاصة، حيث تعمل في مناطق نائية ولا يمكنها الاعتماد على الحكومة البرازيلية للقيام بعملها بشكل صحيح، خاصةً بالنظر إلى متطلبات الطاقة الضخمة لديها.

كان ذلك يُنفّذ عادةً باستخدام الطاقة المائية، حيث أن أعمال التعدين ليست مختلفة كثيرًا عن بناء محطات الطاقة المائية (أعمال حفر، تفجير الصخور، كميات هائلة من الخرسانة، آلات ثقيلة، مشاريع بناء ضخمة، إدارة الأمطار، إلخ).

تُكمل هذه البُنى التحتية مركز أبحاث الشركة، مختبراتها، مئات الجيولوجيين، مراكز التدريب، إلخ.

التغلب على المسؤوليات السابقة

أحد المخاطر الكبيرة مع شركة تعدين ضخمة مثل Vale هو وقوع حادث كبير يسبب أضرارًا هائلة.

هذا ما حدث في عام 2015، عندما انهار سد بُني بواسطة Vale، وتلاه حادث مماثل في عام 2019.

تسبب الفيضانات في أسوأ كارثة بيئية في تاريخ البرازيل، أودت بحياة 19 شخصًا، وأثرت على 39 بلدية عبر ولايتين، ودفنتهم في مخلفات التعدين.

منذ ذلك الحين، تم إصلاح وتحسين العديد من السدود المشابهة لتجنب كارثة أخرى خلال موسم الأمطار.

كما غيرت الشركة طريقة عملها، حيث استثمرت 2.5 مليار دولار في أربعة محطات ترشيح لإنشاء رواسب جافة (الصخر المطحون، الغبار، والطين) بدلاً من الرواسب الرطبة التي تتطلب السدود. لذا في المستقبل، لن تُنتج أنشطة تعدين الحديد النفايات التي تستدعي بناء السدود.

تعمل الشركة أيضًا بنشاط على إصلاح صورتها، مؤكدًة أن نشاطها التعدينى، إلى جانب محمية طبيعية كبيرة تم تمويلها من قبل الشركة، يساهم بشكل كبير في الحفاظ على غابات الأمازون البرازيلية، بدلاً من تحويلها إلى أراضي مرجية في المنطقة.

المصدر: Vale

بشكل عام، تتجاوز Vale الآن مشكلاتها السابقة المتعلقة بالكوارث البيئية وتتحول إلى أحد أكثر الأصول قيمة في البرازيل وموردًا مركزيًا للحديد للعالم، وخاصةً للصين، وهي دولة تربطها البرازيل علاقات أعمق عبر شبكة التجارة في مجموعة البريكس.