Minerals Processing
معالجة خامات 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.
الكيمياء الفيزيقية، والكهربية، والعضوية، والتحليلية
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. وتتم تلك العملية بأستخدام الكسارات والطواحين ومن امثلة الكسارات ( الكسارات الفكية والمخروطية والدوارة والدقاقة ) ومن أمثلة الطواحين (طاحونة الكرات Ball Mill وطاحونة القضبان ).
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 (شكل 2):
شكل 2
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(شكل 2).
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.
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.
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.
شكل 3
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 ميتالورجيا المساحيق.
شكل (4) ماكينة الصب المستمر
