متالورژی: موتور محرک پیشرفت صنعتی و فناوری
متالورژی، حوزه‌ای از علم مواد است که به مطالعه رفتار فیزیکی و شیمیایی عناصر فلزی و همچنین مخلوط و ترکیبات بین فلزها و شکل‌گیری آلیاژها می‌پردازد. شایان ذکر است که فلزات بخش جدایی ناپذیر زندگی انسان را تشکیل می‌دهند. در عصر امروز، هیچ جنبه‌ای از فلزات جهان ما، دست نخورده باقی نمانده است. از فلزات برای ساخت ظروف، وسایل نقلیه، دارو و… استفاده می‌شود. فلزات در طبیعت به صورت خالص وجود ندارند. این مواد، باید از سنگ معدن استخراج شده و سپس جهت مصارف انسانی، تحت واکنش‌های شیمیایی مختلف قرار گیرند، اینجاست که ما به متالورژی نیاز داریم. در واقع، متالورژی، یک جنبه بسیار جالب از علم و فناوری است. و دانشمندان در سراسر جهان در تلاش هستند تا این فرآیند را پایدار و مقرون‌به‌صرفه کنند. البته، با چنین تحقیقاتی در زمینه متالورژی، آینده روشن به نظر می‌رسد. به نمونه‌ای از این تلاش‌های تحقیقاتی مهندسان مواد، می‌توان به تولید فروآلیاژهای مختلف از جمله فروسیلیس، فرومنگنز، فروسیلیکو منگنز و… اشاره داشت.
تاریخچه استفاده از مواد
استفاده از مواد، در عصر حجر آغاز می‌شود. در این عصر، موادی مانند استخوان، الیاف، پر، صدف، پوست حیوانات و خاک رس معمولاً برای سلاح، ابزار، جواهرات و پناهگاه استفاده می‌شد. قدیمی‌ترین ابزار مربوط به دوران پارینه سنگی، به نام اولدوان است. این محصولات، ابزارهایی بودند که از سنگ‌های خرد شده ساخته شده بودند که برای اهداف برداشت مورد استفاده قرار می‌گرفتند. با پیشرفت تاریخ در دوران میان سنگی، ابزارها از نظر طراحی، پیچیده‌تر و متقارن‌تر شدند. با حرکت به دوران نوسنگی، بخش کشاورزی با کشف ابزارهای جدیدی، شروع به توسعه کرد. در اواخر عصر حجر، انسان‌ها شروع به استفاده از مس، طلا و نقره به‌عنوان مواد کردند. به دلیل نرمی‌این فلزات، کاربرد عمومی‌آن برای تشریفات و ایجاد زیورآلات یا تزیینات است.
حوزه فعالیت مهندسان متالورژی
مهندسان متالورژی، از طیف گسترده‌ای از مواد مهندسی برای بررسی ساختارهای فیزیکی و ارزیابی رفتار آنها در شرایطی مانند دما، فشار و تنش استفاده می‌کنند. به‌عنوان مثال، با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی و پرتوهای ایکس، ساختارهای داخلی موارد را بررسی کرده و نحوه رفتار مواد در تغییرات دماهای شدید را ارزیابی می‌کنند. و یا از رایانه برای ارزیابی و آزمایش مواد استفاده می‌کنند و مدل‌های رایانه‌ای از ساختارهای داخلی مواد و واکنش آن مواد به آزمایش‌های مختلف ایجاد می‌کنند. مهندسان مواد می‌توانند از دانش خود برای کنترل ساختار مواد استفاده کنند. این قابلیت، به آنها اجازه می‌دهد تا ویژگی‌های مواد، مانند استحکام را دستکاری کنند. در تحقیق و توسعه، مهندسان مواد، تقاضای بخش صنعت جهت دسترسی به مواد جدید و بهتر را برآورده می‌کنند. به‌عنوان مثال، صنعت هوانوردی، برای سازه‌های هواپیمایی خود، به مواد قوی‌تر و آلیاژهای سبک‌تر نیاز دارد.
نحوه خالص سازی فلز
همان‌طور که در بالا به آن اشاره شد، متالورژی علمی‌است که به احیاء، اکسیداسیون و استخراج فلزات از سنگ آهن می‌پردازد. متالورژی شاخه‌ای از شیمی است که به ما در شناخت خواص فلزات و کمک به تولید آنها کمک می‌کند. شایان ذکر است که فلز با مخلوطی از ماسه، سنگ آهک و سنگ (به این ترکیبات، کانی گفته می‌شود) از معادن استخراج می‌شود. جهت جداسازی فلز از این ترکیبات، ماده‌ای به نام فلاکس به کوره اضافه می‌شود تا ناخالصی های موجود در سنگ معدن فلز را حذف کند. در طی این فرآیند، ناخالصی‌هایی که از مخلوط خارج می‌شوند، گانگ نامیده می‌شوند. هنگامی که گانگ با استفاده از فلاکس از سنگ معدن فلز خارج شد، فلز را به شکل خالص آن بدست می‌آوریم. سپس این فلز استخراج شده، جهت استفاده در صنایع و مصارف مختلف، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اصول متالورژی :
فرآیند متالورژی در مراحل خاصی انجام می‌شود. به این مراحل، اصول متالورژی نیز گفته می‌شود. اجازه دهید در ادامه، نگاهی دقیق‌تر به این اصول داشته باشیم:
1. خرد کردن و آسیاب کردن
اولین مرحله در استخراج فلزات از سنگ معدن، خرد کردن سنگ معدن و تبدیل آن به یک پودر ریز است. این فرآیند به‌عنوان پودر شدن شناخته می‌شود.
2. غلظت سنگ معدن :
لازم به توضیح است که سنگ معدن فلزات، حاوی گنگ (ناخالصی) است که غلظت فلز را در پودری که پس از آسیاب کردن بدست می‌آوریم ( کنسانتره سنگ آهن ) کاهش می‌دهد. حذف گانگ ناخواسته از این پودر، پانسمان سنگ معدن نامیده می‌شود. درصد فلز، پس از پانسمان سنگ معدن، نسبتاً افزایش می‌یابد. دو روش متداول برای خالص سازی سنگ معدن، را می‌توان به شرح زیر ارائه داد:
روش فیزیکی
به چهار روش دیگر تقسیم بندی می‌شود که در زیر به آنها می‌پردازیم:
روش دستی
در این روش سنگ را به روش دستی و با استفاده از چکش از فلز جدا می‌کنند. این فرایند، یک روش سنتی است که از نیروی انسانی برای فرآیند پانسمان سنگ معدن استفاده می‌کند.
شستشوی هیدرولیک
در این روش، از آب برای جدا کردن فلزات سنگین‌تر از مواد ناخالصی استفاده می‌شود. به این صورت که برای شستن سنگ خرد شده، از جریان آب به سمت بالا استفاده می‌شود. گانگ با آب شسته می‌شود و پس از تکمیل فرآیند، فلز خالص باقی می‌ماند.
جداسازی مغناطیسی
در این فرآیند، سنگ معدن خرد شده روی نوار نقاله‌ای که از میدان مغناطیسی عبور می‌کند، قرار می‌گیرد. آهنربا ، گانگ یا فلز را جذب کرده و این دو را از هم جدا می‌کند. اگر گانگ یا فلز قابلیت جذب به آهنربا را داشته باشد، می‌توان از این روش استفاده کرد.
فلوتاسیون کف
فرآیند فلوتاسیون کف با مخلوط کردن سنگ پودر شده در آب و ایجاد سوسپانسیون انجام می‌شود. به این فرایند، تثبیت کننده کف اضافه می‌شود و سپس با کمک پدال چرخشی، هوا به داخل آن کشیده می‌شود. این کار مخلوط را هم زده و کف ایجاد می‌کند. سپس این کف خشک شده و آنچه پشت سر باقی می‌ماند فلز است. فلوتاسیون کف را می‌توان برای سنگ معدن سولفید فلزات مانند مس، سرب و روی استفاده کرد.
روش شیمیایی
در روش شیمیایی، برای جدا کردن فلز از مواد ناخالصی، از یک ماده شیمیایی استفاده می‌شود. در صورتی که سنگ معدن پودر شده، قابلیت حل در یک حلال مناسب را داشته باشد، آن را با آن مایع مخلوط کرده و یک معرف شیمیایی به آن اضافه می‌کنند. واکنش شیمیایی که با افزودن معرف انجام می‌شود، گنگ را جدا کرده و فلز در مایع حل شده باقی می‌ماند. سپس مایع حاصل فیلتر می‌شود تا مواد ناخالصی جدا شده و فلز خالص به دست آید.
3. کباب کردن
در این اصل از متالورژی، پس از غلیظ شدن پودر سنگ معدن، این پودر در حضور اکسیژنی بیشتر و در دمایی کمتر از نقطه ذوب فلز، حرارت داده می‌شود. به این فرآیند کباب کردن می‌گویند. این روش، معمولاً برای سنگ معدن سولفید انجام می‌شود. در طول این فرآیند، سولفیدها به‌طور موقت به اکسید تبدیل می‌شوند و ناخالصی‌های فرار حذف شده. و همچنین شکل عنصری/خالص گوگرد، آرسنیک و آنتیموان استخراج می‌شود.
4. کلسیناسیون
و در نهایت در این اصل از متالورژی، فرآیند گرم کردن سنگ معدن غلیظ در غیاب هوا، به منظور ذوب سنگ معدن را کلسینه می‌گویند. این روش، برای سنگ معدن گازدار انجام می‌شود. لازم به ذکر است که فرآیند« بو دادن» و کلسینه کردن در یک کوره طنین دار و اغلب با استفاده از الکترود گرافیتی انجام می‌شود. در تفاوت این روش با برشته کردن، لازم به ذکر است که در روش کباب کردن، سوراخ‌های هوای کوره کاملاً باز نگه داشته می‌شوند، در حالی که کلسینه کردن با سوراخ‌های هوای به طور جزئی یا کاملا بسته انجام می‌شود.
چشم‌انداز و اهداف
در نهایت، متالورژی مدرن در آستانه تحولی بزرگ قرار دارد که می‌تواند پاسخگوی نیازهای فزاینده صنایع مختلف باشد. این علم با ترکیب دانش سنتی و فناوری‌های نوین، مسیر را برای دستیابی به مواد با عملکرد فوق‌العاده هموار می‌سازد. سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه این حوزه نه تنها موجب پیشرفت صنعتی می‌شود، بلکه می‌تواند به حل چالش‌های جهانی مانند کمبود منابع و آلودگی محیط زیست کمک شایانی کند. آینده متالورژی، آینده‌ای درخشان و پر از نوآوری‌های تحول‌آفرین خواهد بود که سه هدف ذیل را دنبال می‌کند:
- ادغام فناوری‌های دیجیتال و هوش مصنوعی در فرآیندهای متالورژیکی.
- توسعه روش‌های بازیافت پیشرفته برای اقتصاد چرخه‌ای.
- تحقیق بر روی مواد کامپوزیتی و نانوساختارها.
[…] صنعت متالورژی، صنعتی با فناوری پیشرفته است که نه تنها به مواد معدنی، بلکه به محصولات مصنوعی یا مکمل‌ها نیز برای بهبود شاخص‌های فلزی نیاز دارد. به‌عنوان مثال برای تولید گریدهای مختلفی از فولاد از فروآلیاژها (مانند: فرومنگنز ، فروسیلیکومنگنز، فرومولبیدن، فروتیتانیوم و..) و آلیاژهای آهن مختلفی استفاده می‌شود. به یکی از پرکاربردترین این فروآلیاژها، می‌توان به فروسیلیس با فرمول شیمیایی (FeSi ) اشاره کرد. این فروآلیاژ، ماده‌ای ضروری برای صنعت فلز بوده و جهت اکسید زدایی، پالایش فلزات آهنی و غیر آهنی استفاده می‌شود. شایان ذکر است که اساس فرو سیلیس، آلیاژی از آهن با مواد افزودنی (منگنز، پتاسیم، مولیبدن، سیلیکون و..) است و تولید آن در دستگاه‌های خاصی انجام می‌شود. […]
[…] شد. زمانی که گاز طبیعی به طور گسترده در مجتمع معدنی و متالورژی مورد استفاده قرار گرفت، که به طور ایده‌آل برای احیای […]
[…] صنعت متالورژی با نیاز به استفاده از مواد و ابزارهای قابل اعتماد و مقاوم در برابر درجه حرارت بالا همراه است. به نمونه‌ای از این ابزارهای ضروری هنگام کار با کوره‌های فولادی می‌توان به الکترودهای گرافیتی اشاره کرد که ورودی الکتریسیته را در هنگام ذوب فلزات و آلیاژها در کوره‌های الکتریکی فراهم می کنند. جهت نیاز به خرید الکترود گرافیتی ، پیشنهاد می‌کنیم با متخصصین فروش آهن معدن در ارتباط باشید. همچنین همراهی ما تا انتهای مقاله ، به طور حتم در بهبود سطح شناخت شما از ماهیت این الکترودها مثمر ثمر خواهد بود! […]
کربنی یکی از مواد اصلی مورد استفاده در ساخت و ساز، متالورژی و تولید ماشین آلات یا ابزارهای مختلف است.