متالورجيا حرارية

وليد خليفة

ساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال

المتالورجية الحرارية Pyrometallurgy أو طرق الاستخلاص الحرارية هى فرع من استخلاص الفلزات يتناول استخلاص الفلزات من خاماتها باستخدام طرق حرارية، و تعتمد خصائصها الكيمياوية على مبدأين هامين هما:

• تكون طبقات منصهرة غير مَزُوْجَة (غير قابلة للامتزاج) أثناء صهر الخامات.

• دراسة الطاقات المختلفة لتحرير الفلزات من مركباتها في درجة الحرارة العالية.

عمليات المتالورجيا الحرارية تندرج عموماً تحت واحدة أو أكثر من المجموعات التالية:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الصهر

مقالة مفصلة: صهر (متالورجيا)

تكون الطبقات المنصهرة غير المَزُوْجَة

عند صهر خامة أو ركاز في فرن، تتجمع المكونات المنصهرة وتكون كل منها طبقة منصهرة منفصلة. و هي:

• الخبث: و هو الطبقة العليا و ثقله النوعى 3,6، و يتكون من السيليكات.

• المخلوط الكبريتيدى (المَتّْ) : و هو الطبقة التالية و ثقله النوعى 5,2، و يتكون من كبريتيدات.

• المخلوط الزرنيخيدى: و هو الطبقة التالية و ثقله النوعى 6، و يتكون من الزرنيخيدات.

• الفلز الخام: و هو الطبقة السفلى و ثقله النوعى > 6، و يتكون من الفلزات.

ليس بالضرورى تكون الطبقات الأربع و لكن قد تتكون طبقات الخبث و الفلز أو الخبث و المت حسب الخامة المصهورة.

المُصْهِرَات

لتسهيل عملية الصهر عادة ما يضاف مُصْهِر (صَّهُوْر) ليتحد مع المكونات عالية نقطة الانصهار مكوناً خبث منخفض نقطة الانصهار. فعلى سبيل المثال، الخامة المحتوية على شائبة معدنية من الحجر الجيرى سيؤدى تسخينها إلى تكوين أكسيد الكلسيوم الذى ينصهر عند 2580 ْم. و من الصعب صهر مثل هذه المادة . أما إذا أضيف مُصْهِر مثل السِلِيكا - نقطة انصهارها 1728 ْم – لهذه الخامة، سيحدث عند التسخين تفاعل بين أكسيد الكلسيوم و السِلِيكا فتتكون سليكات الكلسيوم، و هى خبث نقطة انصهاره قد تنخفض إلى 1500 ْم. و في هذه الحالة يتم فصل الشوائب المعدنية عن المكونات الأخرى الثمينة في الخامة في صورة خبث منخفض نقطة الانصهار. في المتالورجيا الحرارية، تعتبر السِلِيكا أكسيد حمضى و أكسيد الكلسيوم أكسيد قاعدى. و توجد أكاسيد لديها المقدرة على الاتحاد مع أى من الأكاسيد الحمضية أو القاعدية، تسمى الأكاسيد المُتَقَلِّبَة (المُتَرَدِدَة الخواص). مثل الألومينا Al2O3 .

الأَخْبَاث

مقالة مفصلة: خبث

الخبث هو نفاية المعادن و يتكون عند صهرها و يتكون من شبكة سليكات متنوعة التركيب. و يعتبر خبث حمضى عندما يكون غنياً بالسليكا، وخبث قاعدى عندما يكون غنياً بالأكاسيد القاعدية. الخبث الحمضى قادر على إذابة الأكاسيد القاعدية، بينما يمكن في المقابل للخبث القاعدى إذابة الأكاسيد الحمضية. يجب أن يكون الخبث سائلا بدرجة كافية ليسمح لكُرَيَّات الطبقة السفلى المحتجزة داخله أن تترسب بسرعة و كذلك حتى ينساب بسهولة من الفرن. وسيولة الخبث دالة في درجة الحرارة فكلما ارتفعت درجة الحرارة كلما زادت سيولة الخبث، وتعتمد لزوجة الخبث كذلك على تركيبه الكيميائي. تستخدم توصيليتة الكهربية الضئيلة في الصناعة للتسخين بغمر أقطاب كهربية في طبقة خبث منصهر فترتفع درجة حرارة الخبث مما يسمح بصهر المعادن المشحونة في الفرن.

الأفران والحراريات

كريات خام الحديد لانتاج الصلب.

الفرن هو مفاعل يستخدم لإجراء تفاعل في درجة حرارة عالية. و لمنع فقدان الحرارة، يبطن الفرن عادة بالقرميد الحرارى (الطوب أو الآجر الحرارى). عند تصميم الفرن لا بد من الأخذ في الاعتبار أولاً طريقة التسخين. و لا بد بعد ذلك من توفير وسائل لشحن الفرن و لتجميع نواتج التفاعل و لقياس درجة الحرارة و التحكم فيها، بالإضافة إلى مٌساعِدات أخرى. يمكن أن يعمل الفرن بشكل مستمر أو متقطع ، و يمكن أن تكون نواتج التفاعل غازية أو مصهورة أو صلبة.

الحراريات هى مواد إنشائية تقاوم قوى التهدم في درجات الحرارة العالية، و تقوم بدور هام في عمليات الإستخلاص الحرارية، حيث تتم معالجة مواد ساخنة أو منصهرة، و من ثم يجب إجراء هذه العمليات في معدات مبطنة بحراريات. تستخدم الحراريات في هيئة قرميد أو حبيبات. يصنع القرميد في أشكال و مقاسات عديدة، و يستخدم في إنشاء جدران الأفران و سقوفها و مواقدها و غير ذلك. أما الحراريات الحُبَيْبِيَة فَتُحْشَى في الموقع و تُلَبَّد بحرارة الفرن، فتُكَوِن طبقة حرارية واحدة القطعة.

تحرير الفلزات من مركباتها

للحصول على فلز نقى من الخامة، تتبع عادة العمليات الآتية: عملية معالجة أولية، و عملية فصل الفلز، و عملية تنقية.

المعالجة الأولية

يمكن إجراء خطوة المعالجة الأولية على خامة أو رِكَاز لتكسير بنية المعدن بحيث يصبح سهل الاستجابة للمعالجة التالية سواء أكانت بطرق مائية أو حرارية.

المعالجة الحرارية

لا تضاف أية كواشف في هذه الطرق، و تعالج الخامات فيها عادة معالجة حرارية في الهواء و ذلك لحث تحول طورى أو للتخلص من المياه الحرة أو المتحدة (الزَّمْوَهَة)، أو للتخلص من ثانى أكسيد الكربون (الكَلْسَنَة)، أو لأكسدة المواد العضوية أو أكاسيد الحديدوز، أو للصهر الانتقائى لمكونات محددة في الخامة، أو لصهر الخامة كلها.

الصهر مع القلويات

تشتمل هذه العملية على تسخين الخامات أو الرُكُز مع كاشف قلوى لجعل المعادن القيمة تستجيب لمعالجات الاستخلاص المائية. و تستعمل لمعالجة خامات الأكاسيد و السليكات. و تستخدم عموماً إما كربونات أو هيدروكسيد الصوديوم.

كبرتة الأكاسيد

الغرض من هذه العملية تحويل خامات الأكاسيد إلى كبريتات تذوب في الماء بحيث يمكن معالجتها بطرق مائية بعد ذلك. و يتم ذلك عادة بتسخين المادة الخام مع ثالث أكسيد الكبريت أو كبريتات الصوديوم أو كبريتات الأمونيوم، أو ثانى كبريتات البوتاسيوم. و يجب المحافظة على درجة الحرارة في مدى ضيق، و إلا انحلت الكبريتات المتكونة إلى نواتج لا تذوب.

أكسدة الكبريتيدات

يمكن لهذه العملية أن تفى بغرض من الثلاثة الآتية:

• الأكسدة الجزئية. الغرض من هذه العملية التخلص من كمية محددة من الكبريت لكى يمكن صهر الناتج من العملية إلى مَتّْ.

• الأكسدة إلى كبريتات. تتبع بنَضٍّ بالماء لإذابتها.

• تكوين الأكاسيد يَعْقُبه النض أو الاختزال. أما النض فيستعمل للخارصين بينما يُتَّبَع المسار الثانى لمعالجة الرصاص والخارصين والنيكل والنحاس.

تكوين المخلوط الكبريتيدى

محول بسمر لصناعة الصلب في متحف شيفلد بالمملكة المتحدة.

المخلوط الكبريتيدى أو المَتُّ هو في الأكثر خليط من الكبريتيدات يعد إعداداً صناعياً من الخامة بالصهر، و ينفصل في صورة طور غير مَزُوْج عن مكونات الخامة الأخرى. تستخدم هذه الطريقة في الأكثر في استخلاص النحاس والنيكل من خاماتهم. الشائبة الرئيسية في المت هى كبريتيد الحديد. يمكن معالجة المت بعد ذلك بطرق عديدة، مثل نفخ هواء خلال الكبريتيد المنصهر أو أكسدة الكبريتيد إلى أكسيد ثم نَضُّه و تحليل الناتج من النض تحليلاً كهربيا أو أكسدة مائية يتبعها تحليل كهربى أو إخضاعه لتذويب أنودى في إلكتروليت مائى.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الكَلْوَرَة

مقالة مفصلة: كلورة

الكَلْوَرَة عملية تستخدم للحصول على كلوريدات الفلزات بطرق جافة، وتستعمل للخامات والرُكُز لعزل الثمين من الفلزات أو تحويلها لصورة أكثر استجابة للعمليات اللاحقة. المُكَلْوِرَات (العوامل المُكَلْوِرَة) المستخدمة عادة هي غاز الكلور وكلوريد الصوديوم.

الفَلْوَرَة

مقالة مفصلة: فلورة

الفلورة عملية تستخدم للحصول على فلوريدات الفلزات بطرق جافة. تشبه عملية الفلورة إلى حد بعيد الكلورة من حيث الطرق و المعدات المستخدمة. تتشابه أيضاً الفلوريدات مع الكلوريدات، إلا أنها أقل استرطاباً . المُفَلْوِرَات (العوامل المُفَلْوٍرَة) المستخدمة عادة هى السِلِيكات الفلوُرِيَّة (هى نفاية صناعة الأسمدة الفوسفاتية) و فلوريد الهيدروجين و الفلور. يستخدم الفلور في مجال الفلزات لإعداد غاز سادس فلوريد اليورانيوم من رابع فلوريد اليورانيوم، و الذى يمكن أن يستخدم بعد ذلك لفصل النظائر و إنتاج يورانيوم 235 من ثانى أكسيد اليورانيوم المُثْرَى (المُخَصَّب).

عمليات فصل الفلزات

تشمل خطوة فصل الفلز تحريره من مركباته، ويمكن إجراء هذا في الغالب بالاختزال أو التحويل.

الاختزال

مقالة مفصلة: اختزال (كيمياء)

يستعمل الاختزال للكلوريدات و الفلوريدات، و ليس للكبريتيدات. بالنسبة للأكاسيد يستخدم الكربون عادة كمُخْتَزِل (عامل مُخْتَزِل)، مثل اختزال أكسيد الحديديك. إلا أنه في بعض الحالات يتكون كربيد بدلاً من الفلز عند تسخين الأكسيد مع الكربون. ففى هذه الحالة يجب استخدام مُخْتَزِل أخر مثل الهيدروجين، و هذا ما يتم عند اختزال أكسيد التنجستن. و عند عدم فاعلية الهيدروجين تستخدم فلزات مثل الألومنيوم و الكلسيوم والمغنسيوم والصوديوم و السليكون كمُخْتَزِلَات، مثل اختزال أكسيد النيوبيوم بمسحوق الألومنيوم. و من غير المُحَبَّز وفقاً للديناميكا الحرارية اختزال الهاليدات بالهيدروجين. تختزل الهاليدات دائماً بالفلزات، ومن أمثلة ذلك، اختزال رابع كلوريد التيتانيوم بالمغنسيوم.

التحويل

التفاعل في مجمله هو:

MS + O2 ---> M + SO2

وهو تفاعل طارد للحرارة، M هو الفلز و S هو الكبريت. تتم هذه العملية على كبريتيد النحاس وكبريتيد الرصاص وكبريتيد النيكل.

التنقية

مصنع تاتا للصلب في المملكة المتحدة.

تتأثر خصائص الفلز الطبيعية و الميكانيكية و الكهركيمياوية تأثرأً كبيرأً بمستوى الشوائب. تتحسن التوصيلية الكهربية والمطيلية ومقاومة التآكل تحسناً ملحوظاً مع ازدياد النقاوة. ومن ثم فالتنقية عملية هامة في مجال الفلزات. وتتفاوت عمليات التنقية تفاوتاً كبيراً من فلز لأخر، وتعتمد النقاوة المطلوبة على ظروف الاستخدام التى تنتظر الفلز. خفض مستوى الشوائب عن قيمة معينة هو عملية غالية غلاءاً شديداً. بعض الفلزات مثل النحاس والرصاص تنقى عادة إلى 99،9 % نقاوة. وتنقى فلزات أخرى مثل الجرمانيوم والجاليوم عادة لمستوٍ أعلى. وتتم بطرق كيمياوية و طرق طبيعية-كيمياوية و طرق طبيعية.

الطرق الكيمياوية

تشمل الطرق الكيمياوية أكسدة انتقائية مع تخبيث (تكوين خبث) وعمليات انتقال كيمياوية.

الأكسدة الانتقائية

هذه أهم عملية و تستعمل في انتاج الصلب و النحاس. يتكون الحديد الخام (الحديد الغُفْل) من حديد يحتوى على 7 % من وزنه شوائب مثل الكربون والسليكون والمنجنيز والكبريت والفوسفور. وبسبب وجود هذه الشوائب فإنه قصيف وليس له أية أهمية عملية. أما الصلب فهو سبيكة للحديد تحتوى على ما لا يزيد عن 1,5 % كربون، وله خواص ميكانيكية هامة، وذو أهمية تقنية كبيرة، وينتج بالتخلص من معظم الشوائب الموجودة في الحديد الغُفْل. في نهاية هذه العملية، يحتوى الصلب على كمية صغيرة من الأكسجين في صورة أكسيد الحديدوز، FeO، مما يجعل الصلب قصيفاً. يزال هذا الأكسيد بعملية تسمى الزَأْكَجَة (إزالة الأكسجين)، تشمل إضافة كمية منضبطة من فلز ذو ألفة قوية للأكسجين مثل المنجنيز الحديدى (الفرومنجنيز)، فيكون طبقة أكسيد يمكن قشدها من السطح.

النحاس. تؤكسد معظم الشوائب الموجودة في النحاس الخام بعملية الأكسدة الانتقائية وتُخَبَّث، ثم يزال الأكسجين الزائد أيضاً بعملية زَأْكَجَة. لإزالة المزيد من الشوائب، تستخدم الطرق الإلكتروليتية، فترسب الفلزات النفيسة مثل السلينيوم والتليريوم في قاع الخلية على هيئة رواسب طينية، وتعالج بعد ذلك لاستردادها.

تفاعلات الانتقال الكيمياوى

تشمل هذه الطريقة تكوين مركب طيَّار للفلز المراد تنقيته عن طريق غاز نشط، يتبعه انحلال المركب الناتج مُنتِجاً فلزأً نقياً مع إعادة توليد الغاز النشط لإعادة تدويره. تستخدم عمليتان من هذا النوع استخداماً صناعياً هما عمليتا الكربونيل (الغاز الناقل فيها هو أول أكسيد الكربون مثل تنقية النيكل) واليوديد (الغاز الناقل فيها هو بخار اليود، مثل تنقية الزركونيوم والتيتانيوم).

الطرق الطبيعية-الكيمياوية

صب صلب منصهر من فرن قوس كهربي.

تشمل هذه الطرق ترسيب الشوائب من الفلز المنصهر، و تسمى أحياناً إزالة الكُدارة و هى خبث رغوى ينتج أثناء معالجة بعض الفلزات غير الحديدية). تستخدم الطرق الطبيعية-الكيمياوية لتنقية الرصاص تتم في خطوتين التليين و إزالة الفضة. يتم في التليين إزالة الشوائب التى تجعل الرصاص صلداً، و لهذا السبب تُعرف العملية بالتليين. أكثر هذه الشوائب النحاس و القصدير و الأنتيمون والزرنيخ و البزموث و ذلك بتبريد الرصاص المنصهر حتى 350 ْم فتتكون رُذَالَة من مركب بين-فلزى يتكون في هيئة طور صلب ينفصل من حوض الفلز السائل و يطفو على سطحه حيث يُقْشَد. و تزال الشوائب الأخرى بالأكسدة والتخبيث. إزالة الفضة هى أيضاً عملية تكوين رُذَالَة، ولكن يضاف فيها فلز خارجى مثل الخارصين لحوض المصهور لترسيب الفضة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الطرق الطبيعية

تستخدم طرق التنقية هذه لغرضين هما:

تنقية الصلب الخام لإعداد سبائك مخصوصة.
رفع نقاوة فلزات معينة تستخدم لأغراض خاصة.

يقوم استخدام التفريغ بدور هام في معظم هذه العمليات. أهم هذه العمليات هي الحَرْغَزَة (تحرير الغاز) بالتفريغ والصهر بالقوس الكهربى والصهر النطاقي و التقطير.

انظر أيضاً

المصادر

F. Habashi (2003). Metals from Ores. An Introduction to Extractive Metallurgy. Québec City, Canada: Métallurgie Extractive Québec.