صهر

في حالة الكبريتيدات والكربونات، تُزال الكربونات أو الكبريتات غير المرغوب فيها بعملية تُسمى " التحميص "، تاركةً أكسيدًا أكثر ملاءمةً للاختزال إلى معدن. يُجرى التحميص عادةً في بيئة مؤكسدة. إليك بعض الأمثلة العملية:

بالنسبة لخامات الكبريتيد، يؤدي التحميص إلى استبدال الكبريتيد، جزئيًا أو كليًا، بالأكسيد. أما بالنسبة لثاني كبريتيد الموليبدينوم، وهو الخام الرئيسي للموليبدينوم، فيتم التحميص على النحو التالي: ^{[ 4 ]}

MoS₂ ₊ 3O₂ _→ MoO₂ + _{2 SO₂}

الاختزال هو الخطوة الأخيرة في عملية الصهر، والتي تتم عند درجة حرارة عالية، حيث يتحول الأكسيد إلى المعدن النقي. تعمل بيئة الاختزال (التي غالبًا ما يوفرها أول أكسيد الكربون الناتج عن الاحتراق غير الكامل في فرن يفتقر إلى الهواء) على سحب ذرات الأكسجين المتبقية من المعدن الخام. يعمل مصدر الكربون كمتفاعل كيميائي لإزالة الأكسجين من الخام، مما ينتج عنه المعدن النقي . يتأكسد مصدر الكربون على مرحلتين: أولًا، يحترق الكربون (C) مع الأكسجين (O₂ ₎ في الهواء لإنتاج أول أكسيد الكربون (CO). ثانيًا، يتفاعل أول أكسيد الكربون مع الخام (مثل Fe₂O₃ _{) ويزيل} ذرة أكسجين منه، مُطلقًا ثاني أكسيد الكربون ( CO₂ ). بعد تفاعلات متتالية مع أول أكسيد الكربون، يُزال كل الأكسجين _{الموجود} في الخام، تاركًا المعدن النقي (مثل Fe). ^{[ 5 ]} نظرًا لأن معظم الخامات غير نقية، فغالبًا ما يكون من الضروري استخدام مواد صهر ، مثل الحجر الجيري (أو الدولوميت )، لإزالة الشوائب الصخرية المصاحبة على شكل خبث. ينتج عن تفاعل التكليس هذا انبعاث ثاني أكسيد الكربون.

تختلف درجة الحرارة المطلوبة، سواءً من حيث القيمة المطلقة أو من حيث درجة انصهار المعدن الأساسي. أمثلة:

• يتحول أكسيد الحديد إلى حديد فلزي عند حوالي 1250  درجة مئوية (2282  درجة فهرنهايت أو 1523 كلفن)، أي أقل  بحوالي 300 درجة من درجة انصهار الحديد البالغة 1538 درجة مئوية (2800 درجة فهرنهايت أو 1811 كلفن). ^{[ 6 ]}   
• يتحول أكسيد الزئبق  إلى زئبق بخاري عند درجة حرارة تقارب 550 درجة مئوية (1022  درجة فهرنهايت أو 823  كلفن)، أي ما يقرب من 600 درجة فوق نقطة انصهار الزئبق البالغة -38  درجة مئوية (-36.4  درجة فهرنهايت أو 235  كلفن)، وأيضًا فوق نقطة غليان الزئبق . ^{[ 7 ]}

المواد الصاهرة هي مواد تُضاف إلى الخام أثناء عملية الصهر لتحفيز التفاعلات المطلوبة والارتباط كيميائيًا بالشوائب غير المرغوب فيها أو نواتج التفاعل. غالبًا ما يُستخدم كربونات الكالسيوم أو أكسيد الكالسيوم على شكل جير لهذا الغرض، حيث يتفاعلان مع شوائب الكبريت والفوسفور والسيليكون، مما يسمح بفصلها والتخلص منها بسهولة على شكل خبث. كما تُستخدم المواد الصاهرة أيضًا للتحكم في اللزوجة ومعادلة الأحماض غير المرغوب فيها.

يمكن أن يوفر كل من الصهر والخبث خدمة ثانوية بعد اكتمال عملية الاختزال؛ إذ يشكلان غطاءً منصهرًا على المعدن المنقى، مما يمنع ملامسته للأكسجين بينما لا يزال ساخنًا بدرجة كافية للأكسدة بسهولة. وهذا يمنع تكون الشوائب في المعدن.

غالبًا ما تكون خامات المعادن الأساسية كبريتيدات. في القرون الأخيرة، استُخدمت الأفران العاكسة لفصل الشحنة المراد صهرها عن الوقود. تقليديًا، كانت تُستخدم في الخطوة الأولى من الصهر: تكوين سائلين، أحدهما خبث أكسيدي يحتوي على معظم الشوائب، والآخر مادة كبريتيدية تحتوي على كبريتيد المعدن الثمين وبعض الشوائب. يبلغ طول هذه الأفران العاكسة اليوم حوالي 40 مترًا، وارتفاعها 3 أمتار، وعرضها 10 أمتار. يُحرق الوقود من أحد طرفي الفرن لصهر مركزات الكبريتيد الجافة (عادةً بعد تحميص جزئي) والتي تُغذى عبر فتحات في سقف الفرن. يطفو الخبث فوق المادة الكبريتية الأثقل، ثم يُزال ويُتخلص منه أو يُعاد تدويره. بعد ذلك، تُرسل المادة الكبريتية إلى المُحَوِّل . تختلف التفاصيل الدقيقة لهذه العملية من فرن لآخر تبعًا لتركيب المعادن في جسم الخام.   

بينما كانت الأفران العاكسة تُنتج خبثًا يحتوي على كمية ضئيلة جدًا من النحاس، إلا أنها كانت غير فعّالة نسبيًا من حيث استهلاك الطاقة، كما أنها كانت تُطلق تركيزًا منخفضًا من ثاني أكسيد الكبريت يصعب جمعه؛ وقد حلّت محلها تقنيات صهر النحاس الحديثة. ^{[ 9 ]} وتعتمد الأفران الأحدث على تقنيات الصهر بالأحواض، والصهر بالنفث العلوي، والصهر الوميضي ، والأفران العالية. ومن أمثلة أفران الصهر بالأحواض: فرن نوراندا، وفرن إيزاسميلت ، ومفاعل تينينتي، ومصهر فونيوكوف، وتقنية SKS. أما أفران الصهر بالنفث العلوي فتشمل مفاعل صهر ميتسوبيشي. وتُمثل أفران الصهر الوميضي أكثر من 50% من مصاهر النحاس في العالم. وهناك أنواع أخرى كثيرة من عمليات الصهر، منها: كيفست، وأوسميلت، وتامانو، وفرن القوس الكهربائي، والفرن العالي.

كان النحاس أول معدن يُصهر. ^{[ 11 ]} ولا يزال الاكتشاف محل نقاش. فموقد النار  أقل حرارةً بنحو 200 درجة مئوية من درجة الحرارة المطلوبة، لذا يقترح البعض أن أول عملية صهر للنحاس ربما حدثت في أفران الفخار . ^{[ 12 ]} (وربما يكون تطور صهر النحاس في جبال الأنديز، والذي يُعتقد أنه حدث بشكل مستقل عن العالم القديم ، قد حدث بالطريقة نفسها. ^{[ 10 ]} )

عُثر على أقدم دليل حالي على صهر النحاس، والذي يعود تاريخه إلى ما بين 5500  و5000 قبل الميلاد، في بلوتشنيك وبيلوفود في صربيا. ^{[ 13 ] [ 14 ]} أما رأس هراوة عُثر عليه في تركيا، ويعود تاريخه إلى 5000 قبل الميلاد، والذي كان يُعتقد سابقًا أنه أقدم دليل، فيبدو الآن أنه مصنوع من النحاس الخام المطروق. ^{[ 15 ]}  

تم تطوير البرونز النحاسي والقصديري، الأكثر صلابة ومتانة، حوالي عام 3500  قبل الميلاد، وكذلك في آسيا الصغرى. ^{[ 16 ]}

في الوقت الحاضر، يُعدّ نحاس الأنود المنتج المباشر لمصاهر النحاس ، وتتراوح نقاوته بين 98.5% و99.8%. ^{[ 17 ] [ 18 ]} ويمكن بعد ذلك تكرير نحاس الأنود كهربائيًا لإنتاج نحاس الكاثود بنقاوة 99.99%. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

كان يُعتقد أن أقدم خرزات الرصاص المصبوبة المعروفة موجودة في موقع تشاتالهويوك في الأناضول ( تركيا )، ويعود تاريخها إلى حوالي 6500  قبل الميلاد. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، فقد كشفت الأبحاث الحديثة أن هذا لم يكن رصاصًا، بل كان من السيروسيت والجالينا، وهما معدنان غنيان بالرصاص، ولكنهما يختلفان عنه. ^{[ 20 ]}

بما أن هذا الاكتشاف حدث قبل اختراع الكتابة بآلاف السنين، فلا يوجد سجل مكتوب لكيفية صنعه. مع ذلك، يمكن صهر القصدير والرصاص بوضع خاماتهما في نار الحطب، مما يترك احتمال أن يكون الاكتشاف قد حدث صدفةً. ^{[ 21 ]} إلا أن الدراسات الحديثة شككت في هذا الاكتشاف. ^{[ 22 ]}

الرصاص معدن شائع، لكن اكتشافه لم يكن له تأثير يُذكر في العالم القديم. فهو لين جدًا بحيث لا يُستخدم في العناصر الإنشائية أو الأسلحة، مع أن كثافته العالية مقارنةً بالمعادن الأخرى تجعله مثاليًا لصنع قذائف المقلاع . ومع ذلك، نظرًا لسهولة صبه وتشكيله، استخدمه العمال في العالم الكلاسيكي لليونان وروما القديمة على نطاق واسع في مدّ الأنابيب وتخزين المياه. كما استخدموه أيضًا كملاط في المباني الحجرية. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

كان القصدير أقل شيوعاً بكثير من الرصاص، وهو أكثر صلابة بشكل طفيف فقط، وكان تأثيره أقل بكثير في حد ذاته.

أقدم دليل على صناعة الحديد هو عدد قليل من شظايا الحديد التي تحتوي على كميات مناسبة من الكربون، والتي عُثر عليها في طبقات ما قبل الحثيين في كامان-كالهويوك، ويعود تاريخها إلى الفترة ما بين 2200 و2000  قبل الميلاد. ^{[ 25 ]} تُشير سوكوفا-سيغولوفا (2001) إلى أن الأدوات الحديدية صُنعت في وسط الأناضول بكميات محدودة للغاية حوالي عام 1800 قبل الميلاد، وكانت شائعة الاستخدام بين النخب، وليس بين عامة الناس، خلال الإمبراطورية الحثية الجديدة (حوالي 1400-1200 قبل الميلاد). ^{[ 26 ]}

عثر علماء الآثار على دلائل تشير إلى صناعة الحديد في مصر القديمة ، في الفترة ما بين العصر الانتقالي الثالث والأسرة الثالثة والعشرين (حوالي 1100-750  قبل الميلاد). ومع ذلك، لم يعثروا على أي دليل على صهر خام الحديد في أي فترة من فترات ما قبل العصر الحديث. إضافةً إلى ذلك، تم إنتاج نماذج مبكرة جدًا من الفولاذ الكربوني قبل حوالي 2000 عام (حوالي القرن الأول الميلادي ) في شمال غرب تنزانيا ، استنادًا إلى مبادئ تسخين مسبق معقدة. تُعد هذه الاكتشافات ذات أهمية بالغة لتاريخ علم المعادن. ^{[ 27 ]}

تضمنت معظم عمليات الصهر المبكرة في أوروبا وأفريقيا صهر خام الحديد في فرن خاص يُسمى "الصهر الأولي"، حيث تُحفظ درجة الحرارة منخفضة بما يكفي لمنع انصهار الحديد. ينتج عن ذلك كتلة إسفنجية من الحديد تُسمى "الكتلة"، والتي يجب بعد ذلك دمجها بالمطرقة لإنتاج الحديد المطاوع . وقد عُثر على بعض أقدم الأدلة حتى الآن على صهر الحديد في فرن "الصهر الأولي" في تل حمة بالأردن، حيث تم تأريخها بالكربون المشع إلى حوالي 930 قبل الميلاد . ^{[ 28 ]}

تشير السجلات إلى أن قرية ليجا في نسوكا، ولاية إينوجو، نيجيريا، قد انخرطت في صهر الحديد منذ ما قبل عام 2000 قبل الميلاد. ^{[ 29 ]}

منذ العصور الوسطى، بدأت عملية غير مباشرة تحل محل الاختزال المباشر في مصانع الحديد الخام. تعتمد هذه العملية على استخدام فرن الصهر لإنتاج الحديد الزهر ، الذي يخضع بدوره لعملية أخرى لإنتاج قضبان الحديد القابلة للطرق. وتشمل عمليات المرحلة الثانية التصفية في فرن التصفية . وفي القرن الثالث عشر الميلادي، خلال العصور الوسطى العليا، أدخلت الصين فرن الصهر، الذي كانت تستخدمه منذ عام 200 قبل الميلاد خلال عهد أسرة تشين . كما تم إدخال عملية التكرير في الثورة الصناعية .

أصبحت كلتا العمليتين الآن من الماضي، ونادراً ما يُصنع الحديد المطاوع. وبدلاً من ذلك، يُنتج الفولاذ الطري من محول بسمر أو بوسائل أخرى تشمل عمليات الصهر والاختزال مثل عملية كوريكس .

تشمل ملوثات الهواء الناتجة عن مصاهر الألومنيوم كبريتيد الكربونيل ، وفلوريد الهيدروجين ، والمركبات الحلقية المتعددة ، والرصاص، والنيكل ، والمنغنيز ، وثنائي الفينيل متعدد الكلور ، والزئبق . ^{[ 34 ]} وتشمل انبعاثات مصاهر النحاس الزرنيخ، والبريليوم ، والكادميوم ، والكروم ، والرصاص، والمنغنيز، والنيكل. ^{[ 35 ]} أما مصاهر الرصاص فتُصدر عادةً الزرنيخ، والأنتيمون ، والكادميوم، ومركبات الرصاص المختلفة. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

تشمل ملوثات مياه الصرف الناتجة عن مصانع الحديد والصلب نواتج التغويز مثل البنزين ، والنفثالين ، والأنثراسين ، والسيانيد ، والأمونيا ، والفينولات ، والكريزولات ، بالإضافة إلى مجموعة من المركبات العضوية الأكثر تعقيدًا والمعروفة مجتمعة باسم الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAH). ^{[ 39 ]} تشمل تقنيات المعالجة إعادة تدوير مياه الصرف؛ وأحواض الترسيب ، وأجهزة التصفية ، وأنظمة الترشيح لإزالة المواد الصلبة؛ وكاشطات الزيت والترشيح؛ والترسيب الكيميائي والترشيح للمعادن الذائبة؛ وامتصاص الكربون والأكسدة البيولوجية للملوثات العضوية؛ والتبخير. ^{[ 40 ]}

تختلف الملوثات الناتجة عن أنواع أخرى من مصاهر المعادن باختلاف خام المعدن الأساسي. فعلى سبيل المثال، تُنتج مصاهر الألومنيوم عادةً الفلورايد ، وبنزو(أ)بيرين ، والأنتيمون، والنيكل، بالإضافة إلى الألومنيوم. بينما تُنتج مصاهر النحاس عادةً الكادميوم، والرصاص، والزنك ، والزرنيخ، والنيكل، بالإضافة إلى النحاس. ^{[ 41 ]} وقد تُنتج مصاهر الرصاص الأنتيمون ، والأسبستوس، والكادميوم، والنحاس، والزنك، بالإضافة إلى الرصاص. ^{[ 42 ]}

أبلغ العمال العاملون في صناعة صهر المعادن عن إصابتهم بأمراض تنفسية تعيق قدرتهم على أداء المهام البدنية التي تتطلبها وظائفهم. ^{[ 43 ]}

في الولايات المتحدة، نشرت وكالة حماية البيئة لوائح مكافحة التلوث الخاصة بمصاهر المعادن.

• معايير تلوث الهواء بموجب قانون الهواء النظيف ^{[ 44 ]}
• معايير تلوث المياه ( إرشادات تصريف المياه العادمة ) بموجب قانون المياه النظيفة . ^{[ 45 ] [ 46 ]}