معالجة المعادن

معالجة المعادن
معالجة المعادن تشتمل على معالجة الخامات للحصول منها على الفلزات (شكل 1)، ويتضمن عمليتين مختلفتين، اﻷولى منهما عملية فيزيائية (طبيعية) تسمى تركيز أو تهيئة الخامات والثانية عملية كيميائية تسمى استخلاص الفلزات أو المتالورجيا الاستخلاصية، وكلتا العمليتين متداخلتان حيث أنه فى بعض الحالات تُقحم عملية الفصل الفزيائية لمكونات المادة الجارى معالجتها فى برنامج استخلاص الفلز، وفى قليل من الحالات تخضع المادة المعدنية الخام مباشرة للمعالجة الكيميائية دون تركيز.
تركيز الخامات
تهتم عملية تركيز الخامات بتخصيبها وفصل الشوائب المعدنية عنها بحيث ترفع من كفائة المعالجات اللاحقة التى يجريها خبراء الاستخلاص للحصول على الفلزات ، و يستخدم مهندس التركيز طرق ميكانيكية و فزيائية و فزيائية-كيميائية فقط لأداء عمله و تجرى جميعها فى درجة الحرارة و الضغط العاديين. وتنقسم هذه العمليات إلى مرحلتين متميزتين:
تحرير المعادن وفيها يتم تكسير الصخور فى هذه العملية بوسائل ميكانيكية بحيث تتفكك مكونات المعدن عن بعضها البعض أى أن كل منها يُفصل ويُحرر.
فصل المعادن ويتم فى هذه العملية فصل المعادن القيّمة من البقية بوسائل فزيائية و فزيائية-كيميائية اعتمادا على فروق الثقل النوعى و الخواص المغناطيسية وغيرها.
وتوجد مجموعة تقترب من 300 معدن تستخدم كما هي في الصناعات الكيميائية وغيرها من الصناعات ، و لا تستخدم لإنتاج الفلزات، وتعرف باسم المعادن الصناعية، وقد تركز أو لا تركز، فمثلاً الطَفل والرمل والحجر الجيرى تستخدم فى التشييد و البناء، والكبريت وصخر الفوسفات و الفلوريت في الصناعات الكيميائية، والماس و الأحجار الكريمة وشبه الكريمة فى صناعة الحُلي.
استخلاص الفلزات
فبينما يستخدم مهندس التركيز طرق ميكانيكية و فيزيائية و فيزيائية-كيميائية لأداء عمله، يعتمد المختصون بالاستخلاص على الطرق الكيميائية فقط ، و هناك فرق هام آخر بينهما وهو أن عمليات استخلاص الفلزات نادراً ما تجرى فى الظروف العادية ، و لكن تتم عادة فى درجة حرارة عالية و أحياناً فى ضغط عالٍ ، بينما تجرى عمليات التركيز فى درجة الحرارة و الضغط العاديين. ويجب أن يكون المختص بالاستخلاص على دراية جيدة بالموضوعات الآتية
الكيمياء الفيزيقية، والكهربية، والعضوية، والتحليلية
علم المعادن، والبلورات، وخواص المعادن
الهندسة، والرياضيات، والفيزياء، والاقتصاديات، وتطبيقات الحاسب
أما المجال الواصل بين الكيمياء وعلم المعادن فهو “كيمياء المعادن” أي الكيمياء غير العضوية، والمجال بين الكيمياء والهندسة هو “الهندسة الكيميائية”، وبناءً على ذلك فاستخلاص الفلزات مرتبط بكل هذه المعارف، وهو مرتبط أيضا ارتباطاً وثيقاً ببعض الصناعات الكيميائية مثل الأسمدة والغازات الصناعية وغيرها. ومن ثم فاستخلاص الفلزات معنِىٌ بالطرق الكيميائية فى معالجة الخامات لاسترجاع عناصرها الفلزية فى صورة نقية، وهو أحد أقدم فروع الكيمياء و فى صورته الحديثة ينقسم إلى ثلاث مجالات كبيرة: المتالورجيا الحرارية، والمائية، والكهربية
المتالورجيا الحرارية
و هى أقدم مجالات استخلاص الفلزات ، و تشمل طرق استخلاص جافة تُجرى فى درجة حرارة عالية مثل الأكسدة و الاختزال و الكلورة و الصهر و تكوين الخبث و غيرها ، و غالبا ما تشمل عمليات صهر للمعادن و فصل للمكونات القيّمة فى الحالة السائلة ، و من الخامات النموذجية لهذه المعالجة خامات الحديد و النحاس و الرصاص.
المتالورجيا المائية
و هى مجال حديث نسبيا فى استخلاص الفلزات و يشمل الطرق المائية (تسمى أيضا طرق هيدروفلزية) التى تُجرى عادة فى درجة حرارة الغرفة أو بالقرب من نقطة غليان الماء ، و تشمل عمليات نَضّ المعادن أو ترسيب الفلزات أو مركباتها من المحاليل المائية بالإضافة إلى طرق العزل و التنقية مثل تبادل اﻷيونات واستخلاص المذيبات. ومن المعادن النموذجية لهذه التكنولوجيا معادن ذهب واليورانيوم والألومنيوم.
المتالورجيا الكهربية
وهذا أحدث مجالات استخلاص الفلزات و يشمل كل الطرق الكهروفلزية المعتمدة على استخدام التيار الكهربائى لاسترجاع الفلزات أو حتى تنقيتها فى محاليل مائية أو في أملاح مصهورة، ومن الفلزات النموذجية المنتَجة بهذه الطريقة الألومنيوم والنحاس والخارصين.
ولا يمكن اعتبار هذه المجالات منفصلة عن بعضها البعض إذ تستخدم بوجه عام مجموعة منها لإنتاج فلز واحد، فمثلا يعالج البوكسيت (وهو أهم خامات الألومنيوم) بطريقة مائية أثناء التجهيز، وتتم بعد ذلك عملية إنتاج الفلز النهائية بتقنية استخلاص كهربي. ومن ناحية أخرى تعالج خامات اليورانيوم أيضا بطريقة مائية لتخصيبها، بينما يتم إنتاج فلز اليورانيوم بطرق استخلاص حرارية. وقد توجد عدة مسارات مختلفة لاستخلاص الفلز الواحد ومن ذلك إنتاج ما يقرب من 80% من الخارصين بأساليب استخلاص مائية-كهربية أما نسبة 20% الباقية فتنتج بأساليب استخلاص حرارية، وبالنسبة للمغنسيوم فالكميات تقريبا متساوية .
و بالرغم من تداخل أساليب الاستخلاص عل النحو السابق ذكره فتصنيفها كطرق حرارية ومائية وكهربية هو تصنيف مقبول، ﻷن كل من هذه المجالات له معداته وأساليبه وأسسه النظرية، وعليه فالمتخصص فى المتالورجيا المائية مَعنىٌ مثلا بتصميم أحواض النَضّ و مفاعلات الضغط وأنظمة الصَفْق و الترشيح ومضخات نقل المحاليل المائية وغيرها، ويهتم أيضاً بسرعة (كينتيكا) التفاعلات و كيمياء اﻷيونات فى المحاليل المائية. أما المختص بالمتالورجيا الحرارية فيهتم بشكل رئيسى بالوقود واﻷفران والحراريات والمواد المنصهرة كالمخلوط الكبريتيدى (خليط كربيتيدات النحاس والرصاص والنيكل) والخبث والفلزات، ويهتم أيضاً بالديناميكا الحرارية والتفاعلات بين المواد الصلبة والغازات فى درجات الحرارة العالية ومعاملة الغازات الساخنة المحمَّلة بالغبار وغير ذلك. أما المتخصص فى المتالورجيا الكهربية فلا بد أن يكون على دراية كبيرة بالكيمياء الكهربية وتفاعلات اﻷقطاب ، ويُعْنَى بتصميم الخلايا الإلكتروليتية والأقطاب الكهربائية وعمليات تنقية المحاليل وإعادة التدوير واﻷملاح المنصهرة وغيرها.
و يهتم المختصون باستخلاص الفلزات سواء أكان فى مجالات الاستخلاص المائية أو الحرارية أو الكهربية بتصميم عمليات جديدة بالإضافة إلى تحليل و تحسين العمليات الموجودة فعلياً لزيادة العائد منها ولخفض تكلفة الإنتاج. وأحياناً يستخدم مصطلح “متالورجيا العمليات” ليشمل عمليات النمذجة الرياضية في مجالات الاستخلاص المختلفة، فيشمل مثلا عمليات سريان الموائع (الغازات و المحاليل المائية و المعلقات والمواد المصهورة وغيرها) وانتقال الحرارة، فهو بشكل أساسى تطبيق لمبادىء الهندسة الكيميائية في العمليات المتالورجية.
ويؤسَس استخلاص الفلزات على ثلاثة عناصر:
التفاعلات الكيميائية للعمليات التى تتم.
المعدات التى تتم فيها التفاعلات.
مخطط التتابع وهو حركة المادة من مفاعل لآخر أثناء العملية.
يوضح شكل 3 مخطط تقريبى لاستخلاص الفلزات من الخامات.
معالجة الفلزات
حالما يحصل المتخصص فى الاستخلاص على الفلز يتناوله متخصص آخر لتحويله إلى منتجات كاملة تصلح لاستخدامات الصناعات المختلفة ، و يشمل هذا المجال تصنيع منتجات صالحة للعرض فى الأسواق ، و للمتخصصين فى هذا المجال خلفية قوية فى الفيزياء و الخواص الميكانيكية للمواد ، و ينقسم هذا المجال إلى عدة فروع: المتالورجيا الفيزيقية و المتالورجيا الهندسية و المتالورجيا الميكانيكية و متالورجيا المساحيق.
المتالورجيا الفيزيقية
و يشمل هذا المجال على موضوعات دراسة فسيحة ، مثل:
الفلزات: خواصها الفزيائية و الميكانيكية.
المعالجة الحرارية: تسخين الفلزات لدرجات حرارة معينة يتبعها تبريد سريع (تسقية) لتحسين خواصها الميكانيكية.
السبائك: انتاجها و خواصها الفيزيائية و الميكانيكية.
علم البلورات: دراسة التركيب البلورى للفلزات و السبائك باستخدام الأشعة السينية.
المتالوجرافيا: دراسة البنية الدقيقة للفلزات و السبائك باستخدام المجهر الضوئى.
التآكل: دراسة تأثير البيئة على الفلزات و السبائك.
البِلَى: مقاومة الفلزات للبرى.
الكسر: حجم الحبيبات و عيوب الفلزات عند الكسر.
المتالورجيا الهندسية
يشتمل هذا الفرع من المتالورجيا على طرق معالجة و معاملة الفلزات فى الحالة السائلة مثل السباكة و اللحام.
السباكة
تُسبك الفلزات المنقاة فى الحالة السائلة فى شكل صُّبَات ، أى تصب فى قوالب ملائمة و تُترك لتتجمد ، و لإنجاز ذلك لابد من فرط تسخين الفلز فوق نقطة انصهاره بدرجة كافية حتى لا يتجمد قبل صبه فى القالب ، و إن لم تتم هذه العملية بشكل سليم سيؤدى ذلك إلى إنتاج صبات معيوبة ، و يمكن حدوث العيوب الآتية:

فجوات. عند صب الفلز فى قالب تتجمد الطبقة الخارجية بسرعة لملامستها جدران القالب الباردة مكونةً قشرة فلزية متجمدة و داخلها منصهر ، و إذا تجمدت القمة أيضا فسيُحتجز الفلز المهصور داخل صندوق صلب مغلق ، و أثناء التبريد و التجمد تنكمش كل الفلزات (عدا البزموث) ، أى أن الفلز الجامد يشغل حجما أقل من الفلز المصهور ، و هذا بدوره يؤدى إلى تكون فجوات فى الصبات النهائية و التى غالبا ما تكون مملوءة بالغازات التى كانت ذائبة فى الفلز المصهور و حُررت عند التجمد ، و لذلك يجب قطع الجزء العلوى من الصبة و طرحه كخُردة.
البلورات الشجرية. تميل بلورات فلزية شجرىة الشكل للنمو فى اتجاهات عمودية على جدران القالب مكونةً لمستويات ضعف عند مواضع تلاقيها داخل الصبة ، فمثل هذا المنتج مرفوض ﻷنه ينزع إلى التمزق فى هذه المواضع عند الدرفلة.
الانعزال. أثناء التبريد البطىء ، تحتوى البلورات اﻷولى التى تتكون على قليل من الشوائب المتبقية فى المصهور (أو العناصر السبائكية) ، و إذا كانت هذه الشوائب أخف من الفلز فإنها تتجه للطفو إلى سطح المصهور و بذلك تنعزل على شكل أطوار دقيقة مستقلة عن باقى الفلز. و لتفادى العيوب المبيّنة أعلاه يُسمح للفلز بالتجمد بحيث لا تبقى إلا بقعة صغيرة منصهرة أثناء صبه ، ويمنع مثل هذا الإجراء تكون الفجوات منعاً شبه كامل ، و يؤدى التبريد السريع إلى تكون بلورات صغيرة و يمنع كذلك تكون البلورات الشجرية الضخمة . و يمكن لبعض الفلزات مثل الصلب و الحديد الزهر و النحاس و الرصاص و الخارصين و النيكل و الذهب و الفضة و القصدير و الأنتيمون التعرض للهواء أثناء الصهر ، فى حين تتأكسد بسرعة و تشتغل فلزات أخرى مثل المغنسيوم و اليورانيوم عند تعرض مصهورها للهواء ، فلا بد أن تُسبك مثل هذه الفلزات تحت طبقة واقية من مادة صهورة أو فى جو خامل ، أما الفلزات مرتفعة نقط الانصهار (الفلزات الحرارية) مثل التنجستين فمن الصعب جدا صهرها و سبكها و عادةً ما تكبس و تشكل بطرق متالورجيا المساحيق.
من التطويرات الحديثة الهامة فى السباكة اختراع ماكينة الصب المستمر (شكل 4). فى هذه
التقنية تستمر التغذية بالفلز المصهور من الخزان و يسمح له بالتجمد السريع فى القالب بحيث لا تبقى فى أى وقت إلا بقعة صغيرة منصهرة أعلى القالب. و عند خروج الصبة المتجمدة من القالب تمسكها مجموعة منالدرافيل تنظم عملية نزولها و تشكيلها. و يؤدى انكماش الفلز المتجمد إلى جذبه بعيداً عن جدران القالب. و يوجد بعد منصة الدرافيل لهب أكسى أستيلين يستخدم لقطع الصبات الخارجة بأطوال مناسبة. و هذه الطريقة مهيأة لعمليات الإنتاج الضخمة ، فهى تنتج قليل من المرتجعات مقارنة بسباكة القطع ، و تخلو مصبوباتها من الفجوات لأن الفلز يتجمد بمجرد صبه ، و منتجاتها صغيرة الحبيبات بسبب التبريد السريع. و هى أيضاً أجدى اقتصادياً حيث يُشَكل الفلز المصهور مباشرة ، فى حين أنه فى عمليات سباكة القطع تسخن الصبات المتجمدة قبل التشكيل.
أما سباكة القوالب (الإسطمبات) ففيها يدفع الفلز المنصهر بمضخة تحت ضغط كبير إلى فجوة قالب التشكيل ، و يتم هذا عادة للفلزات منخفضة الانصهار مثل الخارصين و الألومنيوم و المغنسيوم. و هى طريقة سريعة جدا و مجدية اقتصادياً لسباكة عدد ضخم من صنف ما فى وقت قصير.
اللحام
اللحام هو طريقة توصيل قطعتين فلزيتين بالصهر (شكل5). و تتكون عملية اللحام الكهربائى من
نقل الطاقة الكهربائية من نقطة ﻷخرى تتحول خلالها إلى حرارة. تستخدم هذه الحرارة لصهر المواد الفلزية معا. فينصهر الإلكترود الفلزى بهذه الطريقة و يلتئم الجزءان الفلزيان المراد لحامهما معا. لوقاية الفلز المنصهر من التأكسد ، تضاف عادة مادة معدنية خاملة سهلة الانصهار تسمى الصَّهور إلى الالكترود بحيث تنصهر فوراً عند سخونته و تطفو على سطح الفلز المصهور فتحميه. و يمكن لالكترودات اللحام أن تطلى بالصهورات من الخارج لعمليات اللحام بالقطعة ، أو من داخل الكترودات طويلة مجوفة لعمليات اللحام المستمر. أحيانا لا يكفى الصَّهور لوقاية الفلز المصهور من التأكسد و يستخدم عندئذ جو من النتروجين للوقاية أثناء اللحام. بالنسبة لبعض الفلزات لا يمثل النتروجين الجو الواقى المناسب و ذلك لاحتمال تكون نيتريدات مثل لحام التيتانيوم ، ففى مثل هذه الحالات يستخدم غاز الأرجون للوقاية. تشكل الوصلة الملحومة عادة أضعف أجزاء المُنشأ و بالتالى تُكرّس عناية كبيرة و اهتمام لتكنولوجيا اللحام.
المتالورجيا الميكانيكية
يشتمل هذا الفرع من المتالورجيا على معالجة الفلزات فى الحالة الصلبة. تسبك الفلزات عادة على شكل صبات ، تبرد بسرعة على السطح و ببطىء خلال المركز. لهذا السبب لا بد أن توضع الصبات فى أفران تسمى الأفران الغاطسة حيث تسخن إلى درجة حرارة منتظمة فى كل نواحيها. الفلز الساخن لين بشكل ملائم و يمكن كبسه تحت ضغط قوى ليأخذ أشكال متعددة. و عمليات التشكيل المعتادة هى الطرق و الدرفلة و البثق و الخرق و السحب.
الطرق
فى هذه العملية يطرق الفلز أو يكبس للشكل المطلوب. و يمكن استعمال مكبس هيدروليكى (حتى 30000 طن) أو مطرقة ساقطة ذات أجزاء متحركة تصل إلى 30 طن لهذا الغرض
الدرفلة
تُمرر الصبات الساخنة بين درافيل صلب قوية حيث تدرفل فى ماكينات منفصلة إلى بلاطات و نَوْرَات و كتل (شكل 7). تذهب هذه الأشكال الثلاثة النصف نهائية إلى ماكينات التشطيب. و تدرفل هناك كما يلى:
البلاطات (Slabs). تسمى هذه اﻷشكال المسطحة ألواح عندما يتم خفض سمكها إلى حوالى 6 مم ، أما اﻷشكال اﻷقل سمكا فيطلق عليها صفائح أو شرائط و حينما تدرفل لسماكات غاية فى الرقة تعرف بالرقائق. و تستخدم هذه اﻷشكال فى تصنيع معدات النقل و الأجهزة المنزلية. أما الصفائح و الشرائط فتستخدم أيضا فى تصنيع المواسير الملحومة و شبكات اﻷنابيب.
النورات (Blooms). (مفردها نَوْرَة) هى عبارة عن قضبان مربعة الشكل بأحجام مختلفة من الممكن تشكيلها سواء إلى كمرات أو غيرها من اﻷشكال المطلوبة للأغراض الإنشائية
العروق (Billets). أو تسمى الشبقات (مفردها شَبْقة) و هى تنتج من النورات لعمل قضبان و أعواد بمقاطع مستديرة أو مربعة أو لإنتاج أشكال أخرى بأحجام متفاوتة و يصنع منها العدد و البرشام و الكابلات و اﻷسلاك و غيرها.
عادة ما تتم الدرفلة ساخنة فى المراحل اﻷولى و باردة فى المراحل اللاحقة. و تُصَلِّد الدرفلة الباردة الفلزات حتى أنه بعد خفض السمك لنسب معينة يصبح من الصعب جدا استكمال الدرفلة بشكل اقتصادى ، و فى هذه المرحلة تُلَدَّن لتَلْيينَها لمراحل الدرفلة التالية و تستمر هذه العمليات المتبادِلة حتى يتم الحصول على المعيار المطلوب. (شكلى 8 و 9)
البثق و الخرق
هذه هى الطرق الرئيسية لتصنيع الأشكال الإنشائية و اﻷنابيب و غيرها من الأعمدة المصمتة ، ففى البثق توضع كتلة مسخنة فى مكبس هيدروليكى قوى و يدفع خلاله شاقة صلب و يجبر الفلز الباقى بعد ذلك على المرور من خلال الإسطمبة و حول الشاقة. و فى عملية الخرق (شكل 10 و 11) تدوَّر الكتلة المسخنة و تُغذَّى خلال سِدادة مسننة و تسحب قشرة الأنبوب للمقاس المطلوب من خلال مجموعة إسطمبات متتابعة.
يتم فى عملية السحب خفض مقطع كتلة فلزية بسحبه من خلال إسطمبة و يعتمد نجاح هذه العملية على خاصية المطيلية التى تسمح للفلز بأن يستطيل استطالة كبيرة بدون كسر ، و يستخدم السحب بشكل أساسى لصناعة الأسلاك. و المادة اﻷولية عبارة عن عود قطره تقريبا 6 مم أُنتج قبل ذلك بدرفلة أو بثق كتلة أكبر حجما ، و بعد ذلك يتتابع سحب السلك خلال إسطمبات صلب أصغر فأصغر مما يؤدى إلى تناقص القطر تدريجيا . و تتعرض الإسطمبات لبِلَى كبير و لذلك تتكون الفوهات عادة من مواد متينة مثل كربيد التنجستين ، و قد يستخدم الماس الصناعى لإنتاج اﻷسلاك الرفيعة جداً ، و عادة ما تستخدم مزلقات لتقليل الاحتكاك أثناء عمليات السحب. و تميل عملية السحب إلى جعل اﻷسلاك صلدة و إلى حد ما قَصِفَة و يخفَف من هذا التأثير بالتلدين.
متالورجيا المساحيق
المتخصص فى متالورجيا المساحيق معنى بإنتاج و معالجة مساحيق الفلزات و عمل منتجات صناعية صلبة منها (شكل 12). تنتج الفلزات المسحوقة بعدة عمليات مثل : التحليل الكهربائى و اختزال الهيدروجين من المحاليل و اختزال الأكاسيد و التَّذْرِية (الترذيذ) و التفريز و الطحن ، و تتوفر المساحيق بأشكال مختلفة كروية و شجرية و إسفنجية و غير منتظمة و قشارة ، و توجد بعض السبائك المسحوقة التى نالت أهمية تقنية.
ففى متالورجيا المساحيق ، تكبس المساحيق على أشكال معينة ثم تسخن و تُلَّبد. و تُصنع أعداد متزايدة من اﻷجزاء الصغيرة مثل التروس و كراسى التحميل (المحامل) و البطانات و الصمولات و اﻷقفال و أجزاء المعدات الحربية بهذه الطريقة. و هى فى معظم اﻷحيان أجدى اقتصادياً من قطع و تشغيل اﻷجزاء من كتل الفلزات المطاوعة أو المصبوبة. ففى كراسى التحميل المسامية المشربة بالزيت و المرشحات المسامية يتم التحكم فى حجم المسام عن طريق حجم حبيبات المسحوق الكروية و يتم ذلك بأساليب ميتالورجيا المساحيق. و نجحت حديثاً عمليات درفلة مساحيق الفلزات على شكل ألواح و شرائط و نجح كذلك بثقها مباشرة فى شكل أنابيب. و قد تستخدم بعض مساحيق الفلزات مثل النحاس و البرونز الذهبى كصبغات فى صناعة طلاء السطوح و فى الفنون التخطيطية.