متالورژی : هر آنچه باید درباره متالورژِی بدانید!!!
متالورژی، حوزه ای 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 غیره 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 فرایند را پایدار و مقرون به صرفه 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.
آنچه در ادامه خواهید دید :
تاریخچه استفاده از مواد :
استفاده از مواد ، در عصر حجر آغاز می شود. در این عصر، موادی مانند استخوان، الیاف، پر، صدف، پوست حیوانات و خاک رس معمولا برای سلاح، ابزار، جواهرات و پناهگاه استفاده می‌شد. قدیمی ترین ابزار مربوط به دوران پارینه سنگی، به نام اولدوان است. این محصولات، ابزارهایی بودند که از سنگ های خرد شده ساخته شده بودند که برای اهداف برداشت مورد استفاده قرار می گرفتند. با پیشرفت تاریخ در دوران میان سنگی، ابزارها از نظر طراحی ، پیچیده‌تر و متقارن تر شدند. با حرکت به دوران نوسنگی، بخش کشاورزی با کشف ابزارهای جدیدی ، شروع به توسعه کرد. در اواخر عصر حجر، انسان ها شروع به استفاده از مس، طلا و نقره به عنوان مواد کردند. به دلیل نرمی این فلزات، کاربرد عمومی آن برای تشریفات و ایجاد زیورآلات یا تزیینات می‌باشد.
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. به عنوان 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 می کنند. به عنوان 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 علمی است که به احیاء، اکسیداسیون و استخراج فلزات از سنگ آهن می پردازد. 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 می شود 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 می شود. 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 می‌باشد. این فرآیند به عنوان 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 می آوریم ( کنسانتره سنگ آهن ) کاهش می‌دهد. حذف گانگ ناخواسته از این پودر، پانسمان سنگ معدن نامیده می شود. درصد فلز، پس از پانسمان سنگ معدن، نسبتا 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 می شود. به این صورت که برای شستن سنگ خرد شده، از جریان آب به سمت بالا استفاده می شود. گانگ با آب شسته می شود 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، می توان از این روش استفاده کرد.
فلوتاسیون کف
فرآیند فلوتاسیون کف با مخلوط کردن سنگ پودر شده در آب و ایجاد سوسپانسیون انجام می شود. به این فرایند، تثبیت کننده کف اضافه می‌شود و سپس با کمک پدال چرخشی، هوا به داخل آن کشیده می شود. این کار مخلوط را هم زده و کف ایجاد می‌کند. سپس این کف خشک شده و آنچه پشت سر باقی می ماند فلز است! فلوتاسیون کف را می توان 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.
