مبانی فلزشناسی

متالورژی یکی از قدیمی‌ترین هنرها و یکی از جدیدترین علوم است. از زمانی که بشر فلز را شناخت، متالورژی را به‌عنوان یک هنر فرا گرفت. 

 

 

فلزشناسی( مهندسی متالورژی )[1] :

علم متالورژی را به دو بخش کلی شامل متالورژی استخراجی[2] و متالورژی صنعتی[3] تقسیم نموده‌اند. متالورژی استخراجی و شیمیایی شامل جداکردن فلزات از سنگ معدن و تصفیه آنها – تولید فلزات –  شناخت انواع کوره‌ها، سوخت‌ها و فعل و انفعالات شیمیایی می‌باشد. این فرایند انواع متعددی از روشها را در بر می‌گیرد که از جمله می‌توان به کانه آرایی، پر عیار کردن مواد  معدنی، شستن، ذوب کردن، تصفیه فلز مذاب و تولید شمش اشاره نمود. متالورژی صنعتی شامل کار بر روی فلزات و مواد و تهیه محصول نهایی می‌باشد. در این گرایش همچنین خواص و مشخصات فیزیکی، ساختاری و مکانیکی مواد نیز بررسی می‌شوند. منظور از کار کردن روی فلزات، روشهای مختلف تولید مصنوعات فلزی می‌باشد که مهمترین شیوه‌های تولید عبارتند از: متالورژی ژودر[4]، شکل دادن، جوشکاری[5] و لحیم کاری[6]. انتخاب نوع روش تولید عمدتا به مسائل اقتصادی، خواص فلزات، زمان تولید، اندازه، شکل و تعداد قطعات مورد نیاز بستگی دارد. به‌ عنوان مثال، فلزاتی که خاصیت انعطاف پذیری کمی دارند یا قطعاتی که دارای اشکال پیچیده هستند، به روش ریخته گری شکل داده می‌شوند.

 

فرآیندهای متالورژی استخراجی را می‌توان براحتی به سه نوع عملیات اصلی تقسیم کرد:

عملیات مقدماتی:  که در آن جز مورد نظر در کانی تغلیظ و ناخالصیهای معین جدا می‌شود و یا کانی برای عملیات بعدی به شکل مناسبی در می‌آید.

کاهش:  در این مرحله ، ترکیب فلز به فلز آزاد کاهیده می‌شود

پالایش: در این مرحله ، فلز تخلیص و در مواردی اجسامی به آن اضافه می‌شوند تا خواص مورد نظر محصول نهایی بدهند.

 

عملیات مقدماتی :

بهره برداری از بسیاری از کانه‌ها مستلزم آن است که در نخستین مرحله، قسمت عمده هرزه سنگ از آنها زدوده شود. چنین روشهای تغلیظی که معمولا بر روی کانه‌های خرد و ساییده شده انجام می‌گیرند ممکن است بر اساس خواص فیزیکی یا شیمیایی باشند.

 

جداسازی فیزیکی:

این جداسازی بر اساس اختلاف بین خواص فیزیکی کانی و هرزه سنگ قرار دارد. مثلا از طریق شستشو با آب، اغلب می‌توان ذرات ناخالصیهای خاکی را از ذرات سنیگنتر کانی جدا کرد. این جداسازی را می‌توان به وسیله تکان دادن کانه خرد شده در جریانی از آب بر روی یک سطح شیبدار انجام داد. ذرات سنگینتر کانی، ته‌نشین شده جمع‌آوری می‌شوند.

 

شناورسازی :

یک روش تغلیظ است که در مورد بسیاری از کانه‌ها بویژه کانه‌های مس، سرب و روی بکار می‌رود. کانه کاملا نرم را با یک روغن مناسب و آب در شبکه‌های بزرگ مخلوط می‌کنند. ذرات کانی بوسیله روغن چرب می‌شوند، در حالی که ذرات هرزه سنگ بوسیله آب مرطوب می‌شوند. بهم زدن این مخلوط بوسیله هوا کفی ایجاد می‌کند که دارای روغن و ذرات کانی است. این کف بر روی آب شنار می‌شود که آن را جدا می‌کند.

ملغمه[7] :  

جیوه، نقره و طلا را در خود حل می‌کند و مغلمه می‌دهد. از این رو ، کانه‌های نقره و طلای طبیعی را با جیوه مجاور می‌کنند و مغلمه حاصل را که مایع است، جمع آوری و پس از تقطیر جیوه، نقره یا طلای آزاد را بازیابی می‌کنند.

 

کاهش :

تا بحال بالاترین مقدار فلزات و همچنین بیشترین تعداد آنها بوسیله عملیات ذوب کاری یعنی فرآیندهای کاهش در دمای بالا که فلز معمولا به حالت مذاب بدست می‌آید، تولید شده‌اند. در بیشتر این فرآیندها یک گدازآور مانند سنگ آهک CaCO₃ بکار برده می‌شود تا هرزه سنگی را که پس از تغلیظ کانه باقی می‌ماند، جدا کند. این گدازآور با سیلیس و ناخالصیهای سیلیکات تشکیل سرباره می‌دهد.

سرباره که در دمای ذوب کاری بصورت مایع است، عموما بر روی فلز مذاب شناور می‌شود و به سهولت از آن جدا می‌گردد. عامل کاهنده‌ای را که برای یک عمل ذوب کاری معین بکار می‌برند، از ارزانترین ماده‌ای انتخاب می‌کنند که بتواند محصول با درجه خلوص لازم بدهد. برای کانه‌های فلزاتی که واکنش پذیری شیمیایی آنها کم است، برای مثال کانه‌های سولفید جیوه، مس و سرب، هیچ عامل شیمیایی لازم نیست. جیوه از برشته کردن شنگرف[8] در هوا تولید می‌شود.بخار جیوه را در جمع کننده متراکم می‌کنند و احتیاجی به تخلیص بیشتر نیست. روشهای دیگری نیز برای کاهش وجود دارد. مثلا کوره بلند آهن.

 

پالایش :

اکثر فلزاتی که ازعملیات کاهش بدست می‌آیند، به پالایش احتیاج دارند تا از ناخالصیهای مزاحم و نامطلوب پاک شوند. فرآیندهای پالایش از فلزی به فلز دیگر بطور وسیعی تغییر می‌کنند و برای یک فلز معین روشی که بکار می‌رود، ممکن است با مورد مصرف محصول نهایی فرق کند. همراه با حذف موادی که به فلز نامطلوب می‌دهند، مرحله پالایش ممکن است شامل افزایش اجسامی باشد که به محصول ویژگیهای خالص می‌بخشند. پاره‌ای از فرآیندهای پالایش برای بازیابی ناخالصیهای فلزی پرارزش مانند طلا ، نقره و پلاتین طرح‌ریزی شده‌اند.

 

گداز جزئی

قلع، سرب و بیسموت ناخالص بوسیله گداز خالص می‌شوند. شمشهای فلز ناخالص را در بالای یک کوره سراشیب که دمای آن اندکی بالاتر از نقطه ذوب فلز است قرار می‌دهند. این فلز ذوب شده و به سمت پایین این کوره سراشیب به درون چاله‌ای جریان پیدا می‌کند و ناخالصیهای جامد پشت سر هم باقی می‌مانند.

 

تقطیر

بعضی از فلزات مانند روی و جیوه که نقطه جوش آنها پایین است بوسیله تقطیر خالص می‌شوند.

---

 

پی نوشت ها :

[1] ^Metallurgy

[2] ^{Extractive Metallurgy}                           

[3]  ^{Industrial Metallurgy}

[4] Juder Metallurgy

[5] Welding

[6] Brazing

[7] محلول طلا و جیوه.

[8] (HgS)