علم المعادن بالحرارة

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Pyrometallurgy" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( مايو 2022 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

تعد المعالجة الحرارية للمعادن أحد فروع علم المعادن الاستخراجي . وهي تتكون من المعالجة الحرارية للمعادن والخامات المعدنية والمركزات لإحداث تحولات فيزيائية وكيميائية في المواد لتمكين استعادة المعادن القيمة. ^[1] قد تنتج المعالجة الحرارية للمعادن منتجات قابلة للبيع مثل المعادن النقية أو المركبات الوسيطة أو السبائك المناسبة لتغذية المعالجة الإضافية. تشمل أمثلة العناصر المستخرجة من خلال العمليات الحرارية للمعادن أكاسيد العناصر الأقل تفاعلية مثل الحديد والنحاس والزنك والكروم والقصدير والمنجنيز . [ 2 ^]

يتم تقسيم العمليات الحرارية المعدنية بشكل عام إلى واحدة أو أكثر من الفئات التالية: ^[3]

• التكليس،
• تحميص،
• صهر،
• التكرير.

تتطلب أغلب عمليات المعالجة الحرارية المعدنية مدخلات طاقة للحفاظ على درجة الحرارة التي تتم بها العملية. وعادة ما يتم توفير الطاقة في شكل احتراق أو من الحرارة الكهربائية. وعندما تكون هناك مادة كافية موجودة في التغذية للحفاظ على درجة حرارة العملية فقط من خلال التفاعل الطارد للحرارة (أي بدون إضافة الوقود أو الحرارة الكهربائية)، يقال إن العملية "ذاتية التولد". وتستغل معالجة بعض خامات الكبريتيد خاصية الطاردة للحرارة الناتجة عن احتراقها.

التكليس هو التحلل الحراري لمادة ما. ومن الأمثلة على ذلك تحلل الهيدرات مثل هيدروكسيد الحديديك إلى أكسيد الحديديك وبخار الماء، وتحلل كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون وكذلك كربونات الحديد إلى أكسيد الحديد:

CaCO3 _→ CaO + _CO2

يتم إجراء عمليات التكليس في مجموعة متنوعة من الأفران، بما في ذلك أفران العمود، والأفران الدوارة ، ومفاعلات الفراش المميعة .

تتكون عملية التحميص من تفاعلات حرارية بين الغاز والمواد الصلبة، والتي يمكن أن تشمل الأكسدة والاختزال والكلورة والكبريتات والتحلل الحراري.

إن أكثر الأمثلة شيوعاً على التحميص هو أكسدة خامات كبريتيد المعادن. حيث يتم تسخين كبريتيد المعادن في وجود الهواء إلى درجة حرارة تسمح للأكسجين في الهواء بالتفاعل مع الكبريتيد لتكوين غاز ثاني أكسيد الكبريت وأكسيد المعادن الصلب. وغالباً ما يطلق على المنتج الصلب الناتج عن التحميص اسم " التكليس ". وفي التحميص المؤكسد، إذا كانت ظروف درجة الحرارة والغاز بحيث تتأكسد تغذية الكبريتيد بالكامل، فإن العملية تُعرف باسم " التحميص الميت ". وفي بعض الأحيان، كما في حالة المعالجة المسبقة لتغذية فرن الصهر العاكس أو الكهربائي، يتم إجراء عملية التحميص بكمية أقل من الكمية المطلوبة من الأكسجين لأكسدة التغذية بالكامل. وفي هذه الحالة، تُسمى العملية " التحميص الجزئي " لأن الكبريت يُزال جزئياً فقط. وأخيراً، إذا تم التحكم في ظروف درجة الحرارة والغاز بحيث تتفاعل الكبريتيدات في التغذية لتكوين كبريتات المعادن بدلاً من أكاسيد المعادن، فإن العملية تُعرف باسم " التحميص بالكبريتات ". في بعض الأحيان، يمكن الحفاظ على ظروف درجة الحرارة والغاز بحيث يتفاعل تغذية الكبريتيد المختلطة (على سبيل المثال تغذية تحتوي على كبريتيد النحاس وكبريتيد الحديد) بحيث يشكل معدن واحد كبريتات ويشكل الآخر أكسيدًا، وتُعرف هذه العملية باسم " التحميص الانتقائي " أو " الكبريتات الانتقائية ".

تتضمن عملية الصهر تفاعلات حرارية يكون فيها منتج واحد على الأقل عبارة عن مرحلة منصهرة.

يمكن بعد ذلك صهر أكاسيد المعادن عن طريق التسخين باستخدام الفحم أو الفحم النباتي (أشكال الكربون )، وهو عامل اختزال يحرر الأكسجين على شكل ثاني أكسيد الكربون، مما يترك معدنًا نقيًا. إن القلق بشأن إنتاج ثاني أكسيد الكربون ليس إلا مصدر قلق حديث، بعد التعرف على تأثير الاحتباس الحراري المعزز .

يتم أيضًا صهر خامات الكربونات بالفحم، ولكن في بعض الأحيان يلزم حرقها أولاً. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

قد تكون هناك حاجة إلى إضافة مواد أخرى كمواد مساعدة في إذابة خامات الأكسيد والمساعدة في تكوين الخبث ، حيث يتفاعل السائل مع الشوائب، مثل مركبات السيليكون . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تتم عملية الصهر عادة عند درجة حرارة أعلى من نقطة انصهار المعدن، ولكن العمليات تختلف بشكل كبير وفقًا للخام المستخدم وغيره من الأمور. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

التكرير هو إزالة الشوائب من المواد من خلال عملية حرارية. ويشمل ذلك مجموعة واسعة من العمليات، التي تنطوي على أنواع مختلفة من الأفران أو غيرها من المصانع.

يمكن أن يشير مصطلح " التكرير " أيضًا إلى بعض العمليات التحليلية الكهربائية . وبالتالي، يُشار إلى بعض أنواع التكرير بالحرارة المعدنية باسم " التكرير بالنار ".

• فرن الصهر
• الصهر السريع
• فرن ايزاسميلت
• فرن عاكس

• براءة اختراع أمريكية رقم 5616168 معالجة هيدروميتالورجية لتيارات الشوائب الناتجة أثناء المعالجة الحرارية للنحاس