فلزات یکی از مهم ترین موادی هستند که نسل بشر تا به امروز موفق به کشف آن شده است. از شکار برای غذا، تا ساخت ریزتراشه‌ها و تکنولوژی نانو، این ساخت فلزات بودند که دستیابی به پیشرفت باورنکردنی را میسر کردند. اما اصلا این فلزات از کجا می‌آیند و دقیقا چطور ساخته می‌شوند؟
فهرست این مطلب
فلز چیست؟ بیان مفهوم علمی از فلزات
بنابر تعریف فیزیکی، فلز ماده‌ای است که می‌تواند الکتریسیته را در دماهای بسیار سرد هدایت کند. فلزات عموما یک جامد کریستالی هستند که پس از صیقل دادن ظاهری درخشان از خود نمایان می‌کنند.
اگر بخواهیم ۶ فلز اصلی را نام ببریم، آنها عبارتند از:
- طلا (Au)
- نقره (Ag)
- مس (Cu)
- آهن (Fe)
- قلع (Sn)
- سرب (Pb)
علاوه بر این فلزات، عناصر فلزی بسیار بیشتری نیز وجود دارند که اغلب آنها جریان الکتریسیته و گرما را به خوبی هدایت می‌کنند.
در ادامه این مقاله با فولادینو همراه باشید با فرایند ساخت فلزات را با جزئیات بیشتری که شاید ندانید مورد بررسی قرار دهیم.
فلزات از کجا می‌آیند؟
بسیاری از فلزات از پوسته زمین استخراج می‌شوند؛ این در حالیست که این فلزات معمولاً با سنگ‌ها و مواد معدنی در ذخایر زیرزمینی، که سنگ معدن نیز نامیده می‌شوند، مخلوط شده‌اند و قبل از تبدیل شدن به مواد مفید و قابل استفاده باید استخراج و تصفیه شوند.
برخی از فلزات را می‌توان تقریباً در همه جا یافت؛ مثلا سنگ آهن که رایج‌ترین آنهاست. سنگ آهن تقریباً در تمام قاره‌ها از آسیا گرفته تا شرق و غرب اروپا، آمریکای جنوبی و استرالیا استخراج شده و می‌شود.
از سویی دیگر اما، فلزات گرانبها مانند طلا و نقره به آسانی به دست نمی‌آیند؛ اما هنوز به طور مساوی در سراسر جهان پخش شده‌اند. هرچند که برخی مکان‌ها ذخایر بسیاری بیشتری به نسبت سایرین دارند. این نکته حائز اهمیت است که دارا بودن ذخایر عظیم، الزاما کشورها را در امر ساخت فلزات پیشگام نکرده است و همواره در طول تاریخ کشورهای کوچکتر و ذخایرشان مورد استثمار قرار گرفته‌اند.
آفریقای جنوبی، استرالیا و چین در صدر رتبه‌بندی جهانی برای ذخایر طلا قرار دارند. کشور ما ایران نیز در جدول ذخایر طلای جهانی در جایگاه نوزدهم قرار دارد.
فرایند ساخت فلزات چگونه است؟
پس از استخراج سنگ معدن، فلزات نیاز به تصفیه و پالایش دارند. فرآیند ساخت فلزات بسته به نوع فلز مورد نظر بسیار متفاوت است که در ادامه تعدادی از آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
فولاد چگونه ساخته می‌شود؟
همانطور که می‌دانیم آهن از استخراج و پالایش سنگ آهن ساخته می‌شود. انواع اصلی سنگ آهن هماتیت و مگنتیت هستند هر دو سنگ معدن‌های کریستالی هستند که در سنگ‌ها و ذخایر معدنی یافت می‌شوند که اولی به دلیل رنگ قرمز متمایزش شناخته می‌شود.
سنگ معدن پس از استخراج در طی چند مرحله تصفیه می‌شود که اولین مرحله آن ذوب در کوره بلند است. پس از طی کردن این مرحله آهن خام ایجاد می‌شود و بعد از آن پردازش‌های بیشتری مانند کربن‌زدایی، پالایش و آلیاژسازی به منظور تولید فولاد انجام می‌شود.
مس چگونه ساخته می‌شود؟
از آنجایی که مس در شکل عنصری خود یافت می‌شود، برای استفاده شدن به عنوان یک فلز نیازی به تغییر شیمیایی ندارد؛ در عوض اغلب از طریق مخازن شناور که سنگ معدن را در یک محلول به مس، رسوب و سنگ جدا می کنند، مراحل متعددی از فیلتر کردن و پالایش برای ساخت فلز صورت می‌پذیرد.
آلومینیوم چطور ساخته می‌شود؟
آلومینیوم فلز پیچیده‌ای برای تولید محسوب می‌شود چون برای تولیدش باید مراحل متعددی را طی کرد و مقدار زیادی مواد اولیه را در مقایسه با محصول نهایی مصرف نمود. به همین دلیل است زمانی که اولین بار برای مصارف عمومی عرضه شد، قیمت آلومینیوم به نسبت سایر مقاطع فولادی بسیار گرانتر بود.
اولین قدم برای تولید آلومینیوم، استخراج بوکسیت است. بوکسیت یک ماده معدنی رسی است که به عنوان ماده اولیه اصلی مورد استفاده برای ساخت فلز شناخته می‌شود. برای تولید ۱ تن آلومینیوم به حدود ۵ تن بوکسیت نیاز است.
در قدم بعدی بوکسیت خرد شده و شسته می‌شود تا خاک رس جدا شود. از آنجا فرآیندهای شیمیایی متعددی از جمله هضم، ته‌نشینی و رسوب برای تولید گِل پاک که به آلومینا یا اکسید آلومینیوم معروف است انجام می‌پذیرند.
از آنجا آلومینا در دمای بیش از ۹۵۰ درجه سانتیگراد ذوب می‌شود تا پیوند بین آلومینیوم و اکسیژن در آن شکسته شود. در قدم بعدی آلومینیوم به دست آمده، بیشتر خالص می‌شود و برای ایجاد مشتقاتی که مورد مصارف تجاری و عمومی است آلیاژ می‌شود. همانطور که می‌بینید ساخت فلزات می‌تواند پیچیدگی‌های به‌خصوصی را نیز به همراه داشته باشد.
۱۰۰ سال پیش ساخت فلزات چگونه بود؟
تولید و ساخت فلزات در قرن گذشته شاهد توسعه و پیشرفت‌های گسترده‌ای بوده است. مثلا در طول زمانی کمتر از ۵۰ سال، تکنولوژی تولید فولاد از آزمایشات تجربی به صنایع میلیارد دلاری رسید. فولادسازی به روش اکسیژن قلیایی در دهه ۱۹۵۰ میلادی تجاری‌سازی شد که روشی مشتمل بر دمیدن اکسیژن به آهن مذاب برای کاهش شدید سطح کربن آن بود. قبل از توسعه این فرایند، از روش کوره‌های اجاق باز (Open-Hearth Furnace) در ساخت فلزات استفاده می‌شد.
فرآیند کوره اجاق باز نه تنها کارایی کمتری داشت و از گاز بسیار بیشتری نسبت به سیستم اکسیژن قلیایی استفاده می‌کرد، بلکه صرفه‌جویی در مقیاس آن نیز بسیار پایین‌تر بود؛ به طوری که فرآیندهای اجاق باز در هر بار شارژ زمان بسیار طولانی‌تر را برای کامل کردن فرایند ساخت فلزات صرف می‌کردند.
لازم به ذکر است که فولادسازی به روش کوره‌های اجاق باز هنوز در برخی از نقاط جهان، مانند هند و اوکراین که هزینه انرژی و نیروی کار در آنها کمتر است، برای ساخت فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فرآیندهای دیگر مانند فرآیندهای مورد استفاده برای پالایش آلومینیوم، تا زمانی که فناوری‌ها و پیشرفت تکنولوژی در اواخر قرن بیستم میلادی به صورت انبوه تجاری شوند، بسیار ابتدایی‌تر بودند؛ فرآیندهایی که در اواخر قرن بیستم برای ساخت این فلزات ابداع شدند تا به امروز نسبتاً بدون تغییر هستند.
فلزات از کجای جهان استخراج می‌شوند؟
فلزات مختلف که در میان عموم رایج هستند از سرتاسر جهان استخراج می‌شوند؛ اما همانطور که پیشتر ذکر شد برخی از نقاط جهان به واسطه داشتن سنگ معدن‌های به‌خصوص، از سایرین برجسته‌تر هستند. در ادامه بررسی می‌کنیم که منابع اصلی تعدادی از فلزات کدام کشورها هستند.
آهن مورد نیاز برای ساخت فولاد از کجا استخراج می‌شود؟
در این قسمت به کشورهایی که آهن موردنیاز برای ساخت فولاد از آنها استخراج می‌شوند اشاره می‌کنیم.
- چین
- استرالیا
- برزیل
- هند
- روسیه
سنگ معدن برای ساخت آلومینیوم از کجا استخراج می‌شود؟
سنگ معدن برای ساخت آلومینیوم از کشورهای زیر استخراج می‌شود:
- چین
- روسیه
- هند
- استرالیا
- گینه
مس از کجا استخراج می‌شود؟
کشورهای اشاره شده در زیر اصلی‌ترین منابع مس در جهان به شمار می‌آیند.
- شیلی
- پرو
- کانادا
- روسیه
- آفریقا
چقدر طول می‌کشد تا فلزات پالایش شوند؟
به لطف نوآوری‌های فناورانه در فرآیندها و تجهیزات، فلزاتی مانند فولاد و آلومینیوم می‌توانند سریعتر از همیشه از سنگ معدنشان تولید شوند.
ساخت فولاد چقدر طول می‌کشد؟
کوره‌های قوس الکتریکی، آهن خام مورد استفاده برای ساخت فولاد را از طریق قوس الکتریکی ذوب می‌کنند. این فرایند، به روشی مشابه روش جوشکاری قوس الکتریکی، توسط جریان‌های الکتریکی با آمپر بالا انجام می‌شود؛ البته در مقیاس بسیار بزرگ‌تر. به دلیل انرژی فوق العاده‌ای که به سیستم وارد می‌شود، این فرآیند می‌تواند بسیار سریع انجام شود. کوره‌ها معمولاً ۱۵۰ تن فولاد را در هر فرایند ذوب، در حدود یک ساعت و نیم تولید می‌کنند.
برای دریافت اطلاعات بیشتر درباره فولاد چیست می‌توانید به مقاله اشاره شده مراجعه کنید.
ساخت آلومینیوم چقدر طول می‌کشد؟
همانطور که در بالا ذکر شد فرآیند ایجاد آلومینیوم بسیار پیچیده‌تر از فرآیند فولاد است و شامل مراحل مختلف فرآوری شیمیایی پس از استخراج و خالص‌سازی است.
یکی از این مراحل، که به فرایند بایر معروف است، سنگ معدن آلومینیوم بوکسیت را به آلومینا یا اکسید آلومینیوم تبدیل می‌کند. این فرآیند ممکن است بیش از ۲۴ ساعت طول بکشد و شامل مراحل متعدد گرمایش کنترل شده و گنجاندن مواد شیمیایی است.
حقایق جالب فلزی!
در این مقاله از فولادینو تلاش کردیم تا شما را با اینکه فلزات از کجا می‌آیند و نحوه ساخت و استخراج آنها به چه صورت است صحبت کنیم. در انتها نیز به یکسری از نکات و حقایق جالب فولادی اشاره می‌کنیم.
- از ۱۱۸ عنصر جدول تناوبی، ۹۵ عنصر “فلزی” در نظر گرفته می‌شوند.
- آلومینیوم پس از اینکه کشف شد، یکی از گران‌ترین فلزات در جهان بود که به دلیل پیچیدگی فرآیند پالایش، قیمتی بیش از طلا یا نقره داشت.
- آلومینا (اکسید آلومینیوم) گاهی اوقات آلوده به کروم، آهن، منیزیم و عناصر دیگر یافت می‌شود. این آلاینده‌ها به صورت کریستال‌هایی که معمولاً به عنوان یاقوت سرخ و یاقوت کبود شناخته می‌شوند، یافت می‌شوند.
- نادرترین فلز روی زمین فرانسیم (Fr) است که یک عنصر رادیواکتیو بسیار ناپایدار است. فرانسیم نیمه عمر بسیار کوتاهی دارد، یعنی تنها پس از ۲۲ دقیقه به رادیم(Ra) تبدیل می‌شود. پیش‌بینی می‌شود که کمتر از ۳۰ گرم از عنصر فرانسیم روی زمین وجود داشته باشد.
منبع: Metal supermarkets