ذوب فلزات چگونه انجام می شود؟

هنر ذوب فلزات نقشی حیاتی در تمدن بشری ایفا کرده است و امکان ایجاد ابزارها، ساختارها و نوآوری هایی را فراهم کرده است که دنیای ما را شکل داده است. در این مقاله به شما می گوییم که ذوب چیست، فرآیند آن چگونه انجام می شود، و همچنین ابزار و مواد مورد نیاز و موارد دیگر را بررسی خواهیم کرد.

ذوب چیست؟

فرآیند استخراج فلز از سنگ معدن آن به عنوان ذوب شناخته می شود. وقتی این را می شنوید، ممکن است تصور کنید که کمی فلز را از یک بلوک سنگی بزرگ بردارید، اما چیزهای بیشتری در آن وجود دارد.

سنگ معدن چیزی بیش از ترکیبی از سنگ و فلز است. از آنجایی که فلز موجود در سنگ معدن اغلب اکسید می شود، برای حذف اکسیژن به یک تبدیل شیمیایی نیاز است. در نتیجه، سنگ معدن حاوی فلز باید همراه با سوخت و شار (یک ماده تمیزکننده شیمیایی) در کوره بلند قرار داده شود.

فلز مذاب به شکل “شکوفه” فرو می ریزد، که کره ای از فلز داغ است که وقتی سنگ معدن در کوره گرم می شود، با انبر کنده می شود. علاوه بر فلز مورد نظر، یک محصول جانبی نیز تولید می شود که به آن سرباره می گویند. سرباره ناخالصی است که از خود سنگ فلز استخراج می شود.

یک تاریخچه مختصر

ذوب در تاریخ باستان برای ساخت ابزار و سلاح های کلیدی استفاده می شده است. قدمت این تکنیک به 5000 سال قبل از میلاد برمی گردد، زمانی که اولین فلز، مس، در خاورمیانه ذوب شد. اکتشافات فلزی مانند مس و برنز تأثیر شگرفی بر تاریخ بشر گذاشتند.

این فلزات برای ساخت تبرهای جنگی، نیزه‌ها و نوک‌های تیر و همچنین کلاه‌خود، سپر، چوب‌دستی و سایر زره‌های بدن به اندازه کافی سخت بودند. برنز به تدریج جایگزین مواد آلی طبیعی مانند سنگ و چوب در ابزار و ظروف خانگی مانند چاقو، اسکنه، کوزه، دیگ پخت و پز و اره شد.

تفاوت بین گدازگری و ذوب

به راحتی می توان عبارات گدازگری (Smelting) و ذوب (Melting) را اشتباه گرفت، اما این دو فرآیند یکسان نیستند.

در طی فرآیند ذوب، ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می شود، در حالی که گدازگری فرآیند استخراج فلز از سنگ معدن با حرارت دادن آن بر روی نقطه ذوب آن است.

ابزار و مواد مورد نیاز برای گدازگری

ابزارها، مواد و تجهیزات مختلفی برای انجام فرآیند گدازگری مورد نیاز است. در زیر لیستی از برخی از اجزای ضروری آورده شده است:

کوره ذوب

بسته به فلزی که استخراج می شود و نیازمندی های فرآیند، یک کوره ذوب مانند کوره بلند، کوره قوس الکتریکی یا کوره طنین دار مورد نیاز است.

منبع سوخت

برای ایجاد دمای لازم برای ذوب، یک منبع سوخت مانند زغال سنگ، کک، گاز طبیعی یا برق مورد نیاز است.

عامل کاهنده

برای کمک به کاهش اکسیدهای فلزی (یعنی اکسید آهن) به شکل عنصری آنها، اغلب از یک عامل احیا کننده مانند زغال چوب یا کک استفاده می شود.

شار

به منظور حذف ناخالصی ها از فلز، یک ماده شار مانند سنگ آهک، سیلیس یا بوراکس به کوره وارد می شود. فلاکس همچنین به تشکیل سرباره مایع کمک می کند که ممکن است به راحتی از کوره خارج شود.

سنگ معدن

ماده خام اساسی برای ذوب سنگ معدن فلزی است که خرد شده، فرآوری شده و گهگاه تغلیظ شده است.

وسایل حفاظتی

تجهیزات حفاظت فردی (PPE) مانند دستکش های مقاوم در برابر حرارت، سپرهای صورت، عینک ایمنی، محافظ گوش و ماسک تنفسی برای اپراتورهایی که در کارخانه های ذوب کار می کنند برای محافظت در برابر دمای شدید، فلزات سمی، زباله ها و قرار گرفتن در معرض ترکیبات خطرناک مورد نیاز است.

کنترل و مانیتورینگ دما

برای حفظ شرایط ذوب ایده آل، ابزارها و تجهیزاتی مانند ترموکوپل ها، دماسنج های مادون قرمز یا پیرومترها برای اندازه گیری و مدیریت دمای داخل کوره مورد نیاز است.

ابزار ضربه زدن

برای ضربه زدن به فلز مذاب و سرباره از کوره، ملاقه، قاشق یا ابزارهای دیگر مورد نیاز است.

تجهیزات ریخته گری

برای شکل دادن به فلز خالص در هنگام سرد شدن و سخت شدن، قالب ها یا ریخته گری ها و همچنین انبرها یا سایر تجهیزات جابجایی مورد نیاز است.

تهویه و فیلتر هوا

تجهیزات تهویه مناسب و فیلتر هوا، مانند اسکرابرها یا رسوب‌دهنده‌های الکترواستاتیک، با جذب ذرات معلق و آلاینده‌های گازی قبل از تخلیه به محیط، به کاهش آلودگی هوا کمک می‌کنند.

مدیریت پسماند

برای کاهش اثرات زیست‌محیطی عملیات ذوب، تجهیزات و زیرساخت‌ها برای دفع صحیح، ذخیره‌سازی یا بازیافت محصولات زائد مانند سرباره، گرد و غبار، فاضلاب و سایر اجزا حیاتی است.

فرآیند ذوب

ذوب یک فرآیند پیرومتالورژیکی است که فلزات را از سنگ معدن با حرارت دادن به دمای بالا تحت تأثیر یک عامل احیا کننده مانند کربن یا کک استخراج می کند. هدف اصلی ذوب، حذف محتوای فلز از آلاینده‌های موجود در سنگ معدن، مانند اکسیدها و سیلیکات‌ها است.

آماده سازی

قبل از ذوب آهن، سنگ معدن اغلب خرد می شود تا سطح آن افزایش یابد و برهمکنش شیمیایی بین سنگ آهن و عامل احیا کننده بهبود یابد. در شرایط خاص، سنگ آهن با استفاده از روش هایی مانند شناورسازی یا جداسازی مغناطیسی برای از بین بردن ناخالصی ها و افزایش محتوای فلزی تغلیظ می شود.

برشته کردن

ممکن است یک فرآیند اولیه به نام برشته کردن (Roasting) برای سنگ معدن سولفید ضروری باشد. برای تبدیل سولفیدهای فلزی به اکسیدهای فلزی و آزادسازی گاز دی اکسید گوگرد، نیاز به گرم کردن سنگ آهن در حضور اکسیژن دارد. این کار راندمان ذوب کلی را بهبود می بخشد.

کوره ذوب

بسته به نوع فلزی که استخراج می شود و نیازهای حرارتی ویژه فرآیند، سنگ آهن آماده شده به یک کوره تغذیه می شود. این می تواند یک کوره بلند، کوره قوس الکتریکی یا کوره طنین دار باشد. بسته به نقطه ذوب فلز، کوره تا دمای 1200 تا 1600 درجه سانتیگراد (2192 تا 2912 درجه فارنهایت) گرم می شود.

کاهش (Reduction)

دمای بالا در کوره به اکسیدهای فلزی اجازه می دهد تا با عامل احیا کننده (معمولاً زغال سنگ یا کک) واکنش دهند و در نتیجه عناصر فلزی (یعنی آهن فلزی) و همچنین دی اکسید کربن یا مونوکسید کربن تشکیل شود. به دلیل افزایش چگالی، فلز مذاب به پایین کوره می‌افتد، در حالی که ناخالصی‌های سبک‌تر، سرباره، در بالای آن شناور می‌شوند.

جدایش، جدایی

فلز مذاب و سرباره به طور جداگانه از کوره استخراج می شوند. برای از بین بردن هرگونه ناخالصی و مواد باقیمانده، فلز ممکن است با استفاده از روش هایی مانند الکترولیز یا شستشوی شیمیایی بیشتر تصفیه شود.

ریخته گری

پس از آن، فلز خالص شده را در قالب ها یا ریخته گری ها قرار می دهند تا سرد و سخت شوند. شمش ها، بیلت ها یا اسلب های حاصل به عنوان مواد اولیه در تولید انواع کالاهای فلزی استفاده می شوند.

برای تضمین استخراج موثر و موفقیت آمیز فلز مورد نیاز، نظارت و مدیریت پارامترهایی مانند دما، فشار و ترکیب واکنش دهنده در طول ذوب بسیار مهم است.

کدام فلز در ذوب استفاده می شود؟

آهن یکی از معمولی ترین فلزات مورد استفاده در ذوب است. فولاد از سنگ آهن تولید می شود که نیاز به ترکیب آهن و کربن دارد. ذوب آهن خام زمانی شکل گرفت که ذوب آهن حاصله حاوی کربن بیشتری نسبت به تولید فولاد بود. برخی از فلزات پایه معمولی مورد استفاده در ذوب عبارتند از آلومینیوم، برنز، نقره و مس.

چالش های ذوب

ذوب می تواند یک روش بسیار چالش برانگیز باشد. برای شروع، هیچ تضمینی وجود ندارد که در حین ذوب، فلز مورد نظر را بدست آورید زیرا اکتشاف سنگ معدن دشوار است. شما می توانید تمام مراحل جمع آوری و ذوب سنگ آهن را فقط برای تولید ناخالصی ها و سرباره انجام دهید.

ثانیا، آهنگری فلز تازه استخراج شده شما به هر شکلی کار بسیار زیادی دارد. برای اینکه یک تکه فلز را به شکل قابل استفاده درآورید، ممکن است مجبور شوید آن را ساعت‌ها چکش کنید، دوباره گرم کنید و سپس مقداری چکش بزنید.

کاربردهای ذوب

ذوب فلزات فقط به آهنگری محدود نمی شود. چندین صنعت از ذوب فلزات در عملیات و تولید روزانه خود استفاده می کنند. ذوب تا حد زیادی در تولید فولاد، یک ماده تولیدی حیاتی برای طیف گسترده ای از صنایع، استفاده می شود.

فولاد ماده ای است که اغلب در صنعت ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرد، اما می توان آن را در بسیاری از دستگاه ها و وسایلی که ما به طور روزانه از آنها استفاده می کنیم مانند قیچی نیز یافت.

ذوب چگونه بر محیط زیست تأثیر می گذارد؟

ذوب ممکن است به دلیل تخلیه آلاینده ها، مصرف منابع و ایجاد زباله، تأثیر قابل توجهی بر محیط زیست داشته باشد. در زیر برخی از خطرات زیست محیطی عمده مرتبط با ذوب ذکر شده است:

آلودگی هوا

گازها و ذرات معلق متعددی از جمله دی اکسید گوگرد (SO2)، اکسیدهای نیتروژن (NOx)، مونوکسید کربن (CO)، دی اکسید کربن (CO2) و گرد و غبار فلزات در محیط منتشر می شوند. به عنوان مثال، باران اسیدی می تواند ناشی از دی اکسید گوگرد باشد که به اکوسیستم ها، خاک و بدنه های آبی آسیب می رساند. اکسیدهای نیتروژن در ایجاد مه دود نقش دارند و برای سیستم تنفسی انسان مضر هستند.

انتشار گازهای گلخانه ای

نیازهای انرژی بالای ذوب، به ویژه در هنگام استفاده از سوخت‌های فسیلی، انتشار گازهای گلخانه‌ای بزرگ، عمدتاً دی اکسید کربن را تولید می‌کند.

تولید زباله

ذوب، زباله های زیادی مانند سرباره تولید می کند که می تواند شامل فلزات سنگین و سایر مواد مضر باشد. دفع یا مهار نامناسب سرباره می تواند باعث آلودگی خاک و آب شود و هم اکوسیستم و هم سلامت انسان را به خطر بیندازد.

آلودگی آب

آب اغلب در عملیات ذوب برای خنک کردن، تمیز کردن و سایر عملکردها استفاده می شود. در نتیجه، فاضلاب های آلوده از جمله فلزات، اسیدها و سایر مواد ممکن است تخلیه شود و در صورت عدم تمیز کردن مناسب، حیات آبزیان را به خطر بیندازد و سلامت انسان را تهدید کند.

کاهش منابع

ذوب فلزات از سنگ معدن منجر به تخلیه منابع تجدید ناپذیر مانند سنگ معدن فلزی و سوخت های فسیلی می شود که می تواند اثرات زیست محیطی طولانی مدت داشته باشد.

عملیات ذوب مدرن از فناوری‌ها و روش‌های متعددی برای کاهش پیامدهای زیست‌محیطی مانند سیستم‌های پاک‌سازی گاز برای کاهش انتشار هوا، تصفیه فاضلاب برای جلوگیری از آلودگی آب و همچنین استراتژی‌های مدیریت پسماند مؤثر برای مدیریت سرباره و سایر محصولات جانبی استفاده می‌کند.

چارچوب های قانونی و استانداردهای صنعتی نیز برای تضمین این که فرآیندهای ذوب از الزامات حفاظت از محیط زیست پیروی می کنند و اثرات زیست محیطی آنها را محدود می کند، ابداع شده است.

جمع بندی

ذوب یک مرحله مهم در استخراج و ساخت فلزات از سنگ آهن است. با پیشرفت های تکنولوژیکی و تکنیک های موثرتر، این فرآیند قدیمی ساخت آهن در طول سال ها تکامل یافته است.