چگونه مس را ذوب کنیم؟

برای بررسی روش های ذوب مس در ابتدا مس و روش های استخراج آن به اختصار آورده شده است.

تاریخچه مس و استخراج مس

مس یکی از اولین فلزاتی بود که کشف شد و در تاریخ مورد استفاده بشر قرار گرفت. در دوران باستان، منابع معدنی قابل استخراج مس اندک بود، اما به راحتی از سنگ معدن آن استخراج می شد. در قرن سیزدهم، مس در فالون سوئد استخراج شد مه در آن زمان منبع ثروت زیادی برای سوئد بود.

در چین روش استخراج مس هیدرومتالورژی بود که یکی از مهم ترین اکتشافات تاریخ شیمی بود. فرمول شیمیایی آن عبارت است از: CuSO4+Fe=FeSO4+Cu

از آنجایی که مصنوعات ساخته شده با مس بسیار نرم و انعطاف پذیر بودند و به راحتی کدر می شدند، مردم شروع به فرو بردن قلع در مس کردند تا آلیاژ مس-قلع را – که بعدها برنز نامیده شد – به دست آوردند که سختی مس را بسیار افزایش داد. برنز به راحتی قابل ذوب و ریخته گری و در هوا پایدار بود، بنابراین در زمان های قدیم به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گرفت. به عنوان مثال، در حدود 280 سال قبل از میلاد، مجسمه برنزی هلیوس شکل گرفت و در ورودی بندر رودس، در جزیره رودس در دریای اژه قرار داشت.

در دوران مدرن، مس به طور گسترده ای در صنایع برق و الکترونیک استفاده می شود. در طول دهه 1960، این دو صنعت 28 درصد از مصرف مس را به خود اختصاص دادند و تا سال 1997، زمینه های اصلی مصرف مس باقی ماندند و بیش از 25 درصد را به خود اختصاص دادند. بعداً مس به طور گسترده در صنعت برق، ماشین سازی، ساخت و ساز، حمل و نقل و سایر زمینه ها استفاده شد. تمرکز بازار مصرف مس از اروپای غربی و ایالات متحده، جایی که در سال 2000 گذشته متمرکز شده بود، به سمت چین، روسیه، هند، برزیل و سایر کشورهای در حال توسعه حرکت کرد.

CU نماد مس است که یک عنصر شیمیایی در گروه IB جدول تناوبی با عدد اتمی 29 و وزن اتمی 63.546 است. چگالی آن 8.92 g/cm³ است. دمای ذوب فلز مس و نقطه جوش مس به ترتیب 1357.77K (1084.62 درجه سانتیگراد،  1984.32 درجه فارنهایت) و 2835 K (2562 درجه سانتیگراد، 4643 درجه فارنهایت) است.

مس خالص یک فلز قرمز مایل به نارنجی و نرم با شکل پذیری خوب، دارای هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی و مقاومت خوبی در برابر خوردگی است. مس و آلیاژهای آن در هوای خشک پایدار هستند، در حالی که در هوای مرطوب یک لایه مایل به سبز تشکیل می شود که به آن زنگارمس می گویند. در طبیعت، مس را می توان به مس بومی، سنگ معدن مس اکسیدی و سنگ سولفید مس تقسیم کرد.

مسی که از سنگ معدن مس استخراج می شود، پس از غنی سازی، تبدیل به کنسانتره مس با کیفیت می شود که پس از ذوب شدن، مس تصفیه شده و محصولات مسی حاصل می شود.

روش های ذوب مس

دو روش برای ذوب مس وجود دارد، یکی پیرومتالورژی و دیگری هیدرومتالورژی. امروزه روش اصلی ذوب پیرومتالورژی است که 85 درصد تولیدات جهان را به خود اختصاص می دهد.

الف. پیرومتالورژی

در روش پیرومتالورژی معمولاً از سنگ معدن اصلی استفاده می شودکه محتوای مس آن پس از فرآوری مواد معدنی می تواند به 20 تا 30 درصد برسد. کنسانتره مس را برای ذوب مات(فلز یا مس پرداخت نشده وناخالص ) در یک کوره بلند محفوظ، کوره شعله دار، کوره الکتریکی یا کوره تشعشعی قرار می دهند. سپس خروجی مات مذاب برای تبدیل به مس بلستر(مس فلزی که با گداختن پر عیار تر شده اما هنوز تصفیه نشده است) در مبدل قرار می‌گیرد.

به دنبال تصفیه به روش الکترولیز، مس الکترولیتی با عیار 99.9 درصد تولید می‌شود. این فرآیند کوتاه و با سازگاری قوی است و نرخ بازیابی مس می تواند به 95٪ برسد. با این حال، از آنجایی که گوگرد به عنوان گاز زائد خارج می شود و بازیافت آن آسان نیست، به راحتی آلودگی ایجاد می شود. در سال های اخیر، روش های پیرومتالورژی بیشتری توسعه یافته است، مانند روش نقره، فرآیند نوراندا، فرآیند میتسوبیشی ژاپن و غیره.

ب. هیدرومتالورژی

هیدرومتالورژی معمولاً برای اکسید مس کم عیار مناسب است و محصول مس تصفیه شده را مس الکترولیتی می نامند. روش‌های هیدرومتالورژی مدرن معمولاً به‌صورت زیر قابل تفکیک هستند: روش تشویه سولفاتی ، لیچینگ(حل شویی)، رسوب الکترو شیمیایی، روش لیچینگ – استخراج – رسوب الکتریکی و روش لیچینگ باکتریایی

 این روش ها برای لیچینگ کانی کم عیار، سنگ معدن اکسید مس، شستشوی زباله حاوی سنگ معدن مس، لیچینگ مخزندار یا لیچینگ درجا مناسب هستند. این فناوری ذوب به تدریج در حال پیشرفت است و پیش بینی می شود در پایان این قرن به 20 درصد کل تولید برسد. اتخاذ هیدرومتالورژی هزینه های ذوب را تا حد زیادی کاهش می دهد.

ویژگی ها و مقایسه دو روش استخراج مس

• تجهیزات برای روش دوم ساده تر است، اما محتوای ناخالصی بیشتر است.
• روش دوم مشمول محدودیت هایی در عیار سنگ معدن و انواع آن است.
• هزینه فرآیند اول بیشتر از دومی است.

منابع و انواع مس

  1. طبقه بندی مورفولوژیکی در طبیعت

    مس بومی: محتوای مس بیش از 99 درصد است (ذخایر محدود).

    سنگ معدن اکسید مس: ذخایر محدود

    سنگ معدن سولفید مس: محتوای مس حداقل است (حدود 2٪ – 3٪). 80 درصد مس در جهان از سولفید مس تصفیه می شود.

  2. طبقه بندی بر اساس فرآیند تولید

    کنسانتره مس: سنگ معدنی با محتوای مس بالا قبل از ذوب.

    مس خام: محصول حاصل از ذوب کنسانتره مس با محتوای مس 95٪ – 98٪.

    مس خالص: دارای محتوای مس بیش از 99٪ پس از پخت یا الکترولیز است.

    3. طبقه بندی با توجه به ترکیب آلیاژ

    برنج: آلیاژ مس – روی.

    برنز: آلیاژ مس-قلع و غیره به جز زمانی که روی و نیکل اضافه می شود، همه آلیاژهای دیگری که با افزودن عناصر دیگر تشکیل می شوند را می توان برنز نامید، معمولاً برنز قلع، برنز آلومینیوم، حساسیت برنز و غیره.

    کورونیکل: کونیکو.

    مس قرمز: مقادیر کمی از عناصر اکسید زدا یا عناصر دیگر را می توان برای تشکیل مس قرمز اضافه کرد.

    4. طبقه بندی با توجه به شکل محصولات

    لوله مس، میله مسی، سیم مسی، ورق مس، نوار مس، فویل مس و غیره.

نحوه ذوب فلز مس

روش مرسوم ذوب مس از طریق استفاده از تجهیزات در مقیاس بزرگ برای تولید انبوه، مقادیر زیادی مس، مانند کوره های القایی و ریخته گری است. علاوه بر استخراج مس از سنگ ها یکی دیگر از روش های به دست آوردن مس، ذوب ضایعات مس است که به انواع مختلفی قابل انجام است.

با این حال، با در دسترس بودن مس، روش جدیدی در مقیاس کوچکتر در ذوب مس پدیدار شده است. ما دیگر مجبور نیستیم روی تجهیزات گران قیمتی سرمایه گذاری کنیم که فقط باید توسط فلزکاران آموزش دیده کار کنند.

روش های مختلفی برای ذوب مس وجود دارد و در هر روش از نوع خاصی از ظرف و عنصر حرارتی استفاده می شود که ممکن است با روش های دیگر متفاوت باشد. ساده‌ترین راه، ذوب مس در خانه، فضای کوچک کارگاهی، استفاده از مشعل اکسی استیلن و یک اجاق گاز است.

اگر فقط مقادیر کمی مس را ذوب می کنید، می توانید این کار را با یک مشعل یا روی اجاق گاز انجام دهید. می توانید از آن برای صنایع دستی خانگی استفاده کنید یا آن را به صورت شمش برای ذخیره سازی ذوب کنید. مس به سرعت گرما و الکتریسیته را هدایت می کند، بنابراین اگر سعی می کنید مس را در خانه ذوب کنید، باید بسیار مراقب باشید.

نحوه ذوب مس با مشعل اکسی استیلن

مراحل به ترتیب زیر است:

1. لوازم مورد نیاز را آماده کنید

•  مس – فلزی که باید ذوب شود
• مشعل اکسی استیلن – مشعل دمنده درجه صنعتی که از مخلوط استیلن و اکسیژن به منظور تولید شعله شدیدی که به اندازه کافی داغ است برای برش، شکل دادن به فلز استفاده می شود.
•  انبر – برای نگه داشتن و برداشتن اشیایی که برای دست زدن خیلی داغ هستند از گیره یا انبر نگهدارنده بوته استفاده می شود
•  بوته ذوب مس – ظرف فلزی(ترجیحا فولادی) یا سرامیکی(گرافیت رسی و…) که می تواند دمای بسیار بالا را تحمل کند.
•  قالب های میله ای – ظرفی که مایع تازه ذوب شده در آن ریخته می شود میتواند از جنس چدن، گرافیت و مواد با تحمل بالا باشد
•  بوراکس و سایر مواد تمیز کننده فلزات
• همزن مذاب

2. لباس محافظ مناسب بپوشید

برای اطمینان از حداکثر ایمنی، از دستکش، ماسک صورت و عینک استفاده کنید. علاوه بر این، مطمئن شوید که مس را در مکانی با تهویه مناسب که دور از مواد قابل احتراق است ذوب میکنید.

3. مس را به قطعات کوچک برش دهید

اگر مس به شکل سکه های مسی باشد، دیگر نیازی به انجام این مرحله نیست زیرا سکه ها به راحتی در بوته جا می شوند. با این حال، اگر مس به شکل سیم‌های مسی باشد، ابتدا باید پوشش عایق خارجی را با استفاده از سیم‌برش‌ها جدا کنید، زیرا این سیم‌ها هنگام سوختن سمی هستند. پس از آن، سیم‌های مسی را به شکل حلقه های کوچک‌تر بپیچانید، سپس آن‌ها را در بوته قرار دهید.

هشدار: ذوب سکه ها توصیه نمی شود، زیرا در بسیاری از کشورها مجاز نیست.

4. مشعل اکسی استیلن را روشن کنید

مشعل را روشن کنید و دریچه های اکسیژن را طوری تنظیم کنید که در صورت لزوم دمای شعله افزایش یابد. مشعل را به سمت مس داخل بوته بگیرید و آن را به جلو و عقب ببرید تا مطمئن شوید که گرما به طور مساوی توزیع می شود.

5. بوراکس را بریزید

برای جلوگیری از اکسیداسیون، حداقل یک قاشق چایخوری بوراکس را در مس تازه ذوب شده بریزید.

6. فلز را در قالب های میله ای بریزید

مس ذوب شده را به طور یکنواخت داخل قالب های میله ای بریزید.

اجازه دهید مایع سرد شود تا به شکل میله های مسی سفت و سخت جامد شود. در این مرحله، ممکن است بخواهید درخشندگی مس را با تمیز کردن آن با مواد تمیزکننده دلخواه خود بهبود بخشید. می توانید از اسید کلریدریک، استون، اسید سیتریک، شوینده آمونیوم و غیره استفاده کنید.

چگونه مس را روی اجاق گاز ذوب کنیم؟

در روش اجاق گاز از تابه آهنی به عنوان ظرف و اجاق گاز به عنوان عنصر گرمایش استفاده می شود. به یاد داشته باشید که از تابه آهنی استفاده کنید، نه از تابه دیگری که از فلزی با نقطه جوش کمتر از مس ساخته شده است. در غیر این صورت، تابه شما ممکن است حتی قبل از خود مس، ذوب شود.

ضایعات مس را داخل ظرف آهنی قرار دهید و روی آن را با درب بپوشانید تا دما را حفظ کنید.

اجاق گاز را روشن کنید و دما را روی بالاترین حد ممکن تنظیم کنید. شما باید هر از چند گاهی پیشرفت خود را بررسی کنید تا ببینید آیا مس به اندازه کافی ذوب شده است یا خیر.

در استفاده از این روش، به یاد داشته باشید که ظرف آهنی را به منظور ذوب مس استفاده می کنید کاملاً متفاوت از بقیه ظروف خود نگهداری کنید تا مطمئن شوید که با آنهایی که در پخت و پز استفاده می شود مخلوط نمی شود.

این روش ممکن است بسیار ساده به نظر برسد. با این حال، اجاق گازهای مختلف تنظیمات دمایی متفاوتی دارند. بنابراین، ممکن است برخی از آنها بتوانند به دمای بالای مورد نیاز برای ذوب مس برسند، در حالی که برخی نمی توانند.

ذوب مس کوره

ابتدا لوازم مورد نیاز خود را جمع آوری کنید که شامل کوره ریخته گری، عایق/ آستر، بوته ذوب مس، مخزن پروپان و مشعل و همچنین یک درب است. همچنین برای جابجایی بوته به دستکش محافظ، محافظ صورت مناسب و مجموعه ای از انبرهای بالابر نیاز خواهید داشت. به خاطر داشته باشید که در حالی که امکان ساخت یک کوره ایمن وجود دارد، بسیار مهم است که کوره ریخته گری خود را به درستی عایق بندی کنید تا از آسیب به خود یا دیگران جلوگیری کنید.

بدنه‌های کوره‌های ریخته گری معمولاً استوانه‌ای هستند و از فلز ساخته می‌شوند. Kaowool (الیاف سرامیکی با مقاومت در برابر حرارت بالا) پوششی ایده آل برای کوره های ذوب فلز است. کائوول از ترکیبی از آلومینا، سیلیس و کائولن ساخته شده است.

بوته ها ظرفی هستند که ضایعات فلزی را در آن قرار می دهند تا ذوب شوند. لازم است از موادی استفاده کنید که در دمای مورد نیاز برای ذوب مس یا ترک نخورد. بوته ها از فولاد، کاربید سیلیکون و اغلب گرافیت رسی ساخته می شوند که در برابر دمای بالا مقاومت می کنند و مس در حال ذوب را گرم نگه میدارند.

یک وسیله مشعل(پروپان) مانند در قسمت بیرونی ریخته گری و در کنار بوته قرار میگیرد. درب کوره های ریخته گری دارای یک سوراخ کوچک در قسمت بالایی هستند که امکان تهویه و جلوگیری از ایجاد فشار خطرناک را فراهم می کند.

از آنجایی که مس دمای ذوب بالای 1083 درجه سانتی گراد (1981 درجه فارنهایت) دارد، معمولاً به کوره های القایی نیاز است. اگرچه ماشین های صنعتی بسیار گران قیمت هستند، اما کوره های القایی سطح ایمنی را تضمین می کنند که در سایر کوره های ریخته گری وجود ندارد. دو نوع متداول عبارتند از double push-up و کوره کج

• کوره های دوبل فشار بالا به سرعت فلز را در “شات” گرم می کنند. مزیت این است که می توانید فرآیند خود را به راحتی شروع و متوقف کنید و انرژی را در زمان ذوب مقدار کمی فلز، هدر ندهید.

•     کوره های شیب دار اغلب در محیط های صنعتی استفاده می شوند. آنها به طور مداوم مقادیر زیادی مس را ذوب می کنند و به صورت خودکار در یک ظرف سرامیکی یا هر قالب فلزی دلخواه ریخته می شوند.

اگر تصمیم دارید کوره خود را بسازید، به سوخت کافی برای ایجاد یک سوخت ثابت نیاز خواهید داشت. در صنعت ریخته گری، گاز طبیعی یکی از موارد ضروری است. با این حال، کار با زغال به تنهایی نیز امکان پذیر است. یکی از معایب زغال چوب این است که دود مضری از خود خارج می کند و برای حفظ دمای مناسب نیاز به توجه بیشتری دارد.

برای ذوب فلز مس در مقیاس کوچک، ایجاد کوره ای به قطر 6 اینچ تا 1 فوت کافی است. کوره ها معمولاً شبیه منشورهای استوانه ای هستند. اگر می‌خواهید بوته‌های خود را بسازید، می‌توانید از مواد قدیمی مانند کپسول‌های آتش نشانی کاملاً استفاده شده استفاده کنید.

ذوب در کوره ایمنی بیشتر و اکسید شدن کمتری دارد اما روش های ذوب مس در منزل هم دسترسی بیشتر و آسانتری دارند. برای انجام این فرایند به صورت عملی باید از متخصصان در زمینه آموزش ذوب مس کمک گرفت.

منابع:

www.copper.org

www.wikihow.com

https://sciencing.com

https://treasurepursuits.com

http://metalpedia.asianmetal.com