تبلیغات
وبلاگ حرفه و فن مدرسه شاهد حکیم - فلز
تاریخ : پنجشنبه 28 بهمن 1389 | 01:36 ب.ظ | نویسنده : sadegh dashti
یکی از اکتشافات مهم بشر در طول تاریخ کشف فلز بوده است. این کشف بر نحوه ی زندگی او تأثیر زیادی گذاشته و باعث اکتشافات و اختراعات دیگری شده است. فلزات انواع مختلفی دارند و هر فلز دارای خواص و ویژگیهایی است.....

بقیه را در ادامه ی مطلب مشاهده کنید......

                                                          با تشکر از محمد امین وائلی زاده


فلزات عموماً به صورت سنگ معدن و در ترکیب با عناصر دیگری وجود دارند، لذا پس از استخراج از معدن بلافاصله قابل استفاده نیستند و باید کارهای مختلفی روی آنها صورت گیرد.
آهن: آهن به صورت سنگ معدن استخراج می شود. سنگ آهن را همراه سنگ آهک و کُک داخل کوره ی بلند در کارخانه ی ذوب آهن می ریزند. در اثر حرارت حاصل از سوخت کک، سنگ آهن ذوب شده و آهن خام به دست می آید؛ اما چون آهن خام خالص به علت نرم بودن و نداشتن استحکام کافی در صنایع قابل استفاده نیست، آن را به همراه عناصر دیگری مثل کربن و ... به صورت آلیاژی از آهن در می آورند.
مس: مس فلزی نرم است و در 1100 درجه سانتی گراد ذوب می شود و حرارت و الکتریسته را بسیار خوب هدایت می کند. برنج و برنز از آلیاژهای مس هستند.
آلومینیوم: آلومینیوم با رنگ سفید مایل به خاکستری، سبک و بسیار نرم و در 660 درجه ی سانتی گراد ذوب می شود. آلومینیوم به صورت آلیاژ به کار برده می شود. این فلز را از نوعی خاک رس، به نام بولیست به دست می آورند و پس از ذوب و تصفیه در کارخانه های ذوب آلومینیوم آن را آماده ی مصرف می نمایند.
روی: روی فلزی است به رنگ خاکستری روشن که در مقابل تغییرات آب و هوا بسیار مقاوم است. این ویژگی باعث شده است كه از روی، به عنوان پوشش ورقهای آهنی، لوله های آب و ... برای جلوگیری از زنگ زدگی استفاده شود.
 

 

  ابزار شناسی

1 سوهان: سوهان، ابزاری است که برای بُراده بَرداری و ساییدن فلز مورد استفاده قرار می گیرد. بدنه ی سوهان از جنس فولاد است و بر روی آن دندانه هایی به نام آج ایجاد شده است.
2
اره آهن بُر: از اره ی آهن بُر برای ایجاد شیار و قطعات و یا بریدن استفاده می شود.
3
خط کش فلزی: خط کش فلزی مدرج برای اندازه گیری و خط کشی فلزات به کار می رود.
4
سوزن خط کش: برای ترسیم خطوط روی قطعات فلزی از سوزن خط کش استفاده می شود.
5
سمبه نشان: وسیله ای است برای نشان دادن مرکزی که باید سوراخ شود. برای هدایت نوک مته و یا ایجاد جا برای استقرار پایه ی پرگار نیز از سمبه نشان استفاده می شود.
6
قیچی ورق بُر دستی: ابزاری است که برای بریدن ورقهای فلزی نازک با ضخامت کمتر از یک میلی متر به کار می رود.
7
گونیا: گونیا برای کنترل عمودی بودن دو سطح و خط کشی روی سطوح استفاده می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مراحل تولید آهن در کوره

از بالای کوره بلند ، کانه یا کانی آهن ، کک و سنگ آهک را که "گداز آور" یا "بار کوره" نیز می‌نامند، وارد می‌کنند و از پایین کوره نیز جریان شدیدی از هوای گرم می‌دهند. این هوای گرم گاهی با اکسیژن تقویت می‌شود. هوای ورودی با کک یا همان کربن ، ترکیب شده ، به کربن منوکسید کاهیده می‌شود و مقدار قابل ملاحظه‌ای گرما آزاد می‌کند. در این مرحله دمای کوره بالاترین مقدار یعنی حدود 1500ċ را دارد.




بار کوره که در حال نزول است به تدریج گرم می‌شود. نخست رطوبت آن گرفته و سپس کانی آهن بطور جزئی توسط کربن منوکسید کاهیده می‌شود. در قسمت داغتر کوره ، کاهش کانی آهن به آهن فلزی ، تکمیل می‌شود و سنگ آهک نیز CO2 از دست می‌دهد و با ناخالصیهای موجود در کانی آهن (که بطور عمده سیلیسیم دی‌اکسید است) ترکیب شده ، سرباره مذاب تولید می‌شود. آهن مذاب و سرباره مذاب با یکدیگر مخلوط نمی‌شوند و در ته کوره دو لایه جداگانه تشکیل می‌شوند.


واکنشهای این مراحل عبارتند از:

 



در ناحیه پایینتری از کوره که داغتر است به کاهیده می شود:



در داغترین ناحیه کاهش به آهن فلزی صورت می گیرد:


نقش سرباره

لازم به ذکر است که سرباره مذاب عمدتا کلسیم سیلیکات است و بوسیله اثر نمایی گدازآور بر روی هرزه سنگ تولید می‌شود. این سرباره بر روی آهن مذاب شناور است و به این ترتیب فلز را از اکسید شدن بوسیله هوای ورودی حفظ می‌کند.

 

نقش مقدار زیاد کک در کوره

 

واکنشهای کاهش اکسیدهای آهن برگشت پذیرند و کاهش کامل فقط وقتی صورت می‌گیرد که دی‌اکسید کربن حاصل را از بین ببریم. این کار توسط کاهش آن با مقدار زیاد کک صورت می‌گیرد.

 

گاز خروجی از بالای کوره

گازی که از بالای کوره خارج می‌شود، بطور عمده از منواکسید کربن و نیتروژن موجود در هوای دمیده شده ، تشکیل می‌شود. این مخلوط گازی داغ را با هوا ترکیب می‌کنند تا منواکسید کربن آن بسوزد و محصولات این احتراق را که گرمای بیشتری دارد از درون دستگاه تبادل گرما عبور می‌دهند و به کمک آن هوای ورودی را گرم می‌کنند.

 

 جایگزین هوا در بعضی از کوره‌ها                                                                                      

در بعضی کوره‌ها به جای هوا از اکسیژن نسبتا خالص استفاده می‌کنند. در این مورد ، ابعاد کوره کوچکتر و دمای آن قدری زیادتر است و مونواکسید کربن حاصل نسبت به مخلوط نیتروژن و مونواکسید کربن ، سوخت بهتری است

 

کبالت (Cobalt)

 

  کبالت کهنه در طول ساخته شدن و یا در اثر کاربرد های زیر به دست می آید:

 

1- وقتی که به عنوان کاتالیزگر  در صنایع شیمیایی یا تولید نفت کاربرد دارد .

2- وقتی که به عنوان کربیدهای سیمان پوشیده در برش استفاده می شود یا به عنوان ضد سایش به کار می رود .

3- وقتی که به عنوان آلیاژ مغناطیسی و ضد سایش کاربرد دارد .

4- وقتی که به عنوان ابزار های فولادی استفاده می کنند .

منابعی که کبالت از آن بازیافت می شود عبارت است از : آلیاژ ها ، کبالتخالص ، پودر فلزی کبالت و مواد شیمیایی . در سال 2001 در ایالات متحده ، در حدود 2740 تن کبالت مصرف شده و مقدار قابل توجهی از آن بازیافت شده

 

 

 مس (Cooper)

 

  مس از اولین فلزاتی است که مورد استفاده بشر قرار گرفته است و هنوز هم از پر مصرف ترین فلزات درون کشور ماست . تحقیقات نشان می دهد که ایران بر روی کمربند مس جهانی قرار دارد که از جنوب شرقی ایران آغاز شده وتا شمال غربی و نواحی آذربایجان ادامه می یابد . همین امر موجب شده است تا استخراج این فلز نسبت به بازیافت آن بیشتر مورد توجه قرار گیرد .

  گروه مطالعه مس بین المللی در سال 2002 برآورد کرد که میزان تولید جهانی مس تصفیه شده ی ثانویه 15% کاهش داشته است . طبق مطالعات وتحقیقات 07/3 میلیون تن مس مستقیمأ از دوباره ذوب کردن قطعات مس بازیابی می شود .

 

 

گالیوم (Gallium)   

 

  به دلیل بازده کم در مراحل تولید گالیم به وسایل الکترونیکی مطلوب ، قطعه جدید در طول تولید به وجود می آید . این قطعات با محتوی و ناخالصی متفاوت ، دارای مقداری گالیوم هستند . گالیوم- آرسنید به شکل قطعه ی پایه ،حجمی را از فلزّات بازیافتی تشکیل می دهد .در طول تولید گالیوم ضایعاتی طبق مراحل مختلف خلق می شود . در هنگام تبدیل گالیوم به شمش ، اگر ساختار بلوری خود را از دست دهد یا از حد استاندارد های تعین شده کمتر باشد ، آن ها را دوباره ذوب می کنند تا شمش مورد نظر ، به دست آید . پس از تولید این شمش ها آن ها را بریده و به صورت صفحاتی ( ویفر ) در می آورند . جنس این ویفر ها نیز گالوم- آرسنید است وجون این ماده بسیار شکننده است ؛ ممکن است که این ویفر ها در هنگام جابه جایی وحمل بشکنند . این قطعات شکسته نیز دوباره

 

 

یازیافت می شود . محتوای گالیوم این ویفر ها ممکن است از 1 تا 99 درصد متغیر باشد ، زیرا در آن ناخالصی هایی مانند : سلیکن ، روغن ها ، موم ها ، پلاستیک و شیشه در آن وجود داشته باشد .

  در هنگام تولید قطعات گالیوم- آرسنید ممکن است بر اثر تراشکاری یا پرداخت کردن ، مقداری از این مواد خُرد شود یا به صورت پودر در آید . برای بازیافت این مقدار ماده تلف شده ، آن ها را در اسید حل می کنند . سپس با اضافه کردن محلول سوز آور آن را خنثی می کنند تا رسوب شیمیایی گالیوم را به عنوان هیدرواکسید گالیوم صاف کنند . بعد از این مرحله دوباره آن را به صورت محلول در می آورند و الکترولیز می کنند  تا بتوا نند 99/99% را بازیافت کنند . 

 

 

 در سال 2001 یک شرکت ژاپنی به نام فُرورُوکاوای اعلام کرد که تکنولوژی بازیابی گالیوم- آرسنید را به نیم رسانای گالیوم- آرسنید پیشرفت داده . یکی از کاربردهای نیم رسانای گالیوم- آرسنید در دیود های پرتو افشان است .

 

 

 

طلا (Gold)

 

  قطعات محتوی طلا پس از استفاده به صورت شمش هایی در می آیند وعمومأ حدود 13 تا 25 درصد از طلایِ ایالات متحده را تشکیل می دهد . در بسیاری از نواحی دنیا ، به ویژه در مناطقی که مردم را به رسومی مانند داشتن طلا تشویق می کنند ؛ مقدار قابل توجهی طلای ثانویه از جواهرات و زیورآلات به دست می آید .

  در ایالات متحده ، در حدود 35% از طلای ثانویه از عملکرد کارخانه ها به دست می آید و باقیمانده آن از قطعات کهنه ای مانند جواهرات ، مواد دندان پزشکی ، استفاده در محلول های کارخانه ای و تجهیزات الکترونیکی ، به صورت خرده فلز به دست می آید .

  

  ایندیم (Indium)

 

  بازیافت ایندیم از سال 1996 به مدت 5 سال کاهش یافت . علت این کاهش را ، بالارفتن قیمت غیر معمول ایندیم بازیافتی بیان کرده اند . در سال 2001  بازیافت جهانی ایندیم تا 202 تن نسبت به 182 تن در سال 2000 افزایش داشت . حدود 75 % ایندیم در جهان توسط ژاپن بازیافت می شود که حدود 45% آن از زباله های خانگی بازیابی شد .

 

 

  آهن و استیل (Iron and Steel)

 

  از جمله محصول تصفیه شده آهن که بیشترین و گسترده ترین استفاده را در میان فلزات دارد ، فولاد می باشد و بازیافت آهن و فولاد فعالیت مهمی در سراسر دنیا است .

محصولات آهن وفولاد در بسیاری از ساختار ها و کاربردهای صنعتی مانند : دستگاه ها ، پل ها ، ساختمان ها ، مخزن ها ، اتوبان ها ، خودروسازی ها و ا بزارها به کار می رود است .

 

 

 هم اکنون ذوب آهن های ایران به دو روش کاهش سنگ معدن آهن (که بیشتر آن هماتیت Fe2O3 است.) به وسیله ذغال کک در اصفهان و کاهش مستقیم توسط گاز طبیعی در اهواز و مبارکه در حال فعالیت است .

  کاهش سنگ آهن در کوره بلند : تهیه آهن از سنگ معدن آن شامل واکنش های اکسایش- کاهش است که در کوره ای به خاطر ارتفاع زیادش کوره بلند نامیده می شود ، انجام می گیرد . بلندی این کوره بین 24 تا 30 متر و قطر پهن ترین

 

 

بخش آن 8 متراست . مجموعه واکنش های انجام یافته درون کوره بلند را می توان به طور خلاصه کاهیده شدن اکسید آهن به وسیله گاز منواکسید کربن در نظر گرفت که این فرایند به تولید فلز ناخالص می انجامد . واکنش به صورت زیر انجام می گیرد :                            گرماFe2O3(s)                      2CO(g)+

 

 

در کوره های بلند آهن حاصل به صورت چدن مذاب به پایین کوره سرازیر می شود . سپس از طریق دریچه های کناری خارج می شود . چدن حاصل از کوره ی بلند ، به علت ناخالصی های زیادی ( از جمله این ناخالصی ها می توان کربن در حدود 5 درصد ، سیلیسیم در حدود 1درصد ، منگنز در حدود 2درصد ، فسفر در حدود 3/0 درصد و گوگرد در حدود 4/0 درصد را نام برد .)  که در آن وجود دارد شکننده و نا مرغوب است و به همین دلیل بخش اعظم آن برای ساختن فولاد به کار می رود . در این کوره ها بیشتر ناخالصی ها را از طریق اکسایش حذف می کنند . یک روش امروزی برای تبدیل چدن به فولاد استفاده از کوره بازی اکسیژن است . در این روش گاز اکسیژن را از طریق یک لوله مقاوم در برابر گرما به سطح آهن گداخته می دمند . بخش اعظم کربن تا مرحله تولید CO می سوزد و این گاز در دهانه خروجی کوره آتش می گیرد و به CO2 مبدل می شود . مقدار کربن در فولاد های معمولی به 35/1 درصد می رسد .

  با توجه به اهمییت بازیابی آهن از آهن قراضه ، بخش مهمی از فولادی که تهیه می شود ، از دمیدن اکسیژن در کوره ای که حاوی چدن و آهن قراضه است تهیه می کنند . بنابراین در این نوع کوره ها جهت تولید فولاد باید مقدار زیادی از آهن قراضه در کوره وجود داشته باشد .

  برای آشکار نمودن اهمیت آهن کهنه در تولید فولاد آماری را از مقدار سنگ آهن ورودی و مقدار آهن قراضه را که در کوره ها استفاده می کنند ، مطرح می کنیم :

- سنگ آهن مورد نیاز سالانه در حدود 5 ملیون تن ( که بیشتر آن منگنیت Fe3O4 ) که بخش اعظم آن از معادن گل ِ گهر سیرجان و چادر ملوی کرمان تأمین می شود که از طریق راه آهن به مجتمع منتقل می شود و پس از آسیاب کردن و مخلوط کردن با آب آهک ، گرما دادن و گُندله سازی ( تبدیل ذره های ریز به ذره های گلوله مانند ، درشت تر و تا حدودی متخلخل ) به کوره های کاهش مستقیم منتقل می شود .

-  سالانه در حدود 700 هزار تن آهن قراضه ورودی کوره های فولاد سازی مجتمع است .

 بازیافت آهن و استیل  به روش ذوب کردن و دوباره قالب گیری کردن و در آوردن به فرم نیم تمام (که این فرم در تولید محصولات جدید استیلی به کار می رود ) انجام می شود ؛ زیرا از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است . قطعات بازیافتی آهن از دو دسته بزرگ به وجود می آید .

 

-  دسته اول شامل قطعات بازیافتی خانگی است که در زباله ها وجود دارد

-   دسته دوم شامل قطعاتی می شودکه حاصل عملیات کارخانه ای ، برای ساخت فولاد است . این گروه را توسط ماشین هایی به کارخانه ذوب آهن می برند و آن ها را دوباره بازیافت می کنند .  البته بدون وجود کارخانه ای که فولاد بسازد ، قطعات بازیافتی به وجود نمی آید . این قطعات می توانند حاصل تراشکاری هم باشند و چون ترکیبات این مواد شناخته شده است ، بازیافت آن ها نیز آسان است .

  یکی دیگر از منابعی که درصد زیادی از فلزات بازیافتی را تشکیل می دهد ، بدنه خودرو های فرسوده است که ساختار فولاد آنها ویران شده و از بین رفته است . در کشور ما نیز این منبع ، مورد توجه زیادی قرار گرفته است .

 

 

 

 تنوع و گستردگی محصولاتی که از آهن به وجود می آید نسبت به سایر فلزات بیشتر است و به همین دلیل ، ساختار شیمیایی و عملکرد فیزیکی این محصولات نیز متفاوت است . این امر موجب می شود که بازیافت این مواد نیازمند آماده سازی بیشر مانند : طبقه بندی ، گالوانیزه کردن و قله اندود کردن باشد .

  در سال 2001  در حدود 45% از مقدار آهنی که برای ساختن خودروها به کار رفته ، از قطعات آهن بازیافتی بوده است . این مقدار در حدود 13900000 تن بوده است که طبق آمارهای داده شده می توان با این  میزان ، در حدود 14000000 اتوموبیل را تولید کرد .

  تولیدات فولاد کارخانه ای در اثر فعالیّت های شیمیایی و فیزیکی است و اغلب محتوای این فولاد را عناصری مانند : کربن ، کرومیوم ، کبالت و منیزیم ، مولیبدن ، نیکل ، سلیکن ، تنگستن و وانادیم تشکیل می دهد . برخی از تولیدات فولاد را با موادی ، برای جلوگیری از زنگ زدن ، دوام بیشتر ، زیبایی و ... می پوشانند . این مواد عبارت اند از : آلمینیوم ، کرومیوم ، آلیاژ قلع و سرب ، روی و قلع .

  کارخانه های ذوب فولاد ، این قطعات را بر اسا س مقدار اکسیژن ، در کوره های دارای قوس الکتریکی(BOF)  و تا حد کمی در کوره های انفجاری(EAF) ، قرار می دهند .

 

 

 

 بازیافت آهن واستیل مزایای زایادی را به همراه دارد که می توان حفظ منابع طبیعی ، صرفه جویی در مصرف انرژی و تمیزی محیط زیست را نام برد .

  بازیافت 1 تن فولاد ، حفظ Kg 1030 از کانی های فلزی آهن ، Kg 580 ذغال سنگ و Kg 5 سنگ آهک را به دنبال دارد . همچنین تخمین زده شده است که سالانه ، بازیافت فولاد باعث ذخیره انرژی الکتریکی 18000000 خانه (در ایالات متحده) می شود .

 

 

 

 

 

 

سرب (Lead)

 

 

 

 در حدود 79% از سرب موجود در ایلات متحده ، از بازیافت 1390000 تن سرب کهنه در سال 2001 به دست آمد که یکی از منابع اصلی آن ، باطری های اسید سرب است . به این باطری ها ، باطری های حرارتی- نوری نیز گفته می شود که در موارد زیادی از جمله : تجهیزاتی که انرژی را به صورت مداوم ذخیره می کنند ، وسایل نقلیه عمومی ، ماشین های های صنعتی ، وسایل نقلیه معدن و دوچرخه ها به کار می رود .

  بسیاری از سربهای بازیافت شده به صورت سرب نرم یا الیاژ های سرب در می آیند تا دوباره در باطری های اسید- سرب استفاده شوند . در حدود 87% از سرب بازیافتی در باطری های ذخیره ای به کار می رود.
 




طبقه بندی: تحقیقات دانش اموزان،