موضوع مقاله: فرآیند مانس-داوید | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فرآیند مانس-داوید | مقدمه: فرآیند مانِس-داوید یک فرآیند پالایش ماتِ مس است که در سال ۱۸۸۰ توسط صنعتگر فرانسوی، پیر مانِس، و مهندس او، پل داوید، ابداع شد. | ## بخش 1: فرآیند مانس-داوید | این فرآیند که با الهام از فرآیند بسمر طراحی گردید، مبتنی بر استفاده از یک مبدل (کُنوِرتر) برای اکسیداسیون عناصر شیمیایی ناخواسته (عمدتاً آهن و گوگرد) موجود در مات، به کمک هوا، به منظور تبدیل آن به مس می‌باشد. مقدار بالای عناصر مورد اکسیداسیون و همچنین گرمای اندک تولیدشده توسط واکنش‌های گرماده، منجر به اعمال تغییرات اساسی در طراحی مبدل گردید. مانِس و داوید آن را به صورت استوانه‌ای افقی با نازل‌هایی طراحی کردند که از یک سر تا سر دیگر آن امتداد داشتند. پیرس و الیاس آنتون کاپلن اسمیت، پوشش داخلی مبدل را با مواد نسوز بازی پوشاندند که دوام بسیار بیشتری نسبت به مواد مورد استفاده مخترعان فرانسوی داشت. اگرچه این بهبود، اصول فرآیند را تغییر نداد، اما استفاده گسترده از آن را تسهیل کرد و در نتیجه، سرعت انتقال تولید مس از بریتانیا به ایالات متحده را افزایش داد. در آغاز سده بیست و یکم، مبدل‌های پیرس-اسمیت، ۹۰٪ از مات‌های مس را پالایش می‌دهند و در ۶۰٪ از نیکل استخراج‌شده نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مبدل، همراه با افزودن اکسیژن خالص، خودکارسازی فرایند، تصفیه دود و افزایش ابعاد تجهیزات، تداوم فرآیند مانِس-داوید را تضمین نمود؛ اگرچه ابزارآلات مدرن شباهت چندانی به نمونه‌های اولیه خود ندارند. ریشه‌های فرآیند ارتباط با فرآیند بسمر همچنین ببینید: فرآیند بسمر همانگونه که آهن تولیدشده در کوره بلند به صورت آلیاژ با سایر عناصر شیمیایی تحت عنوان چدن به دست می‌آید، مس استخراج‌شده از سنگ معدن نیز به صورت آلیاژی با گوگرد، آهن و غیره تحت عنوان مات حاصل می‌شود. کاربرد فرایند بسمر در متالورژی مس پیشنهاد شد و اصول آن در سال ۱۸۶۶، ده سال پس از اختراع هنری بسمر، توسط مهندس روسی، سمنیکوف، اعتبارسنجی گردید. پالایش آلیاژ در مبدل بدین سبب امکان‌پذیر است که احتراق عناصر ناخواسته به‌شدت گرمازاست: اکسیداسیون سیلیسیم و کربن به ترتیب ۳۲/۸ و ۱۰/۳ کیلوژول بر کیلوگرم انرژی آزاد می‌کنند. در مقابل، اگر مات مس حاوی مقادیر فراوان آهن و گوگرد باشد، این عناصر ابتدا باید جدا شوند (که ۶/۸ کیلوژول بر کیلوگرم FeS مصرف می‌کند) و پس از آن اکسیداسیون آن‌ها (که به ترتیب تنها ۵/۹ و ۹/۱ کیلوژول بر کیلوگرم انرژی تولید می‌کند) می‌تواند آغاز شود. نخستین تلاش‌ها نخستین پالایش‌های آلیاژهای مس با استفاده از مبدل در داکتاون، تنسی صورت گرفت، جایی که آ. در ۱۸۶۷، روسیان یوسا و لاتلین کوشیدند تا مطالعات سمنیکوف را به‌طور تجربی اعتبارسنجی کنند. آن‌ها در ۱۸۷۰ آزمایش‌های خود را متوقف کردند، چراکه تنها موفق شده بودند عیار مس را از ۳۱٪ به ۷۲–۸۰٪ افزایش دهند. او نیز همچون پیشینیان خود مشاهده کرد که اگر دمش به‌شکل مطلوبی آغاز شود، با پیشرفت پالایش، به‌طور فزاینده‌ای ناپیوسته و نامنظم می‌گردد. موانع پیشِ روی او متعدد بودند: وزن سرباره تولیدشده با وزن مس برابری می‌کرد و حجم آن به‌مراتب بیشتر از حجم سرباره در مبدل بود. چگالی فلز مذاب تغییرات چشمگیری می‌یافت (چگالی مس سه برابر چگالی پیریتی است که از آن حاصل می‌شود). مدت زمان دمش هوا که می‌توانست به دو ساعت برسد، تلفات حرارتی قابل توجهی را به همراه داشت. | ## بخش 2: فرآیند مانس-داوید | تمامی دشواری‌های پیش‌آمده به‌آسانی قابل رفع نبودند: تراز گرمایی واکنش پالایش مس در هوا به اندازه آهن مطلوب نبود و مات پیش از پالایش درون نازل‌ها منجمد می‌شد. هالووی شکست خورد، اما با انتشار تمام جزئیات آزمایش‌های خود، مسائل اساسی را شناسایی و تبیین نمود. نازل‌های جانبی در دههٔ ۱۸۷۰، پیر مانِس، صنعتگر فرانسوی، نخستین آزمایش‌های خود را با یک مبدل بسمر کوچک و معمولی با ظرفیت ۵۰ کیلوگرم در کارخانهٔ خود در وِدِن و سپس در کارخانه‌های اِگوی، نزدیک آوینیون آغاز کرد. او می‌کوشید ماتی با ۲۵ تا ۳۰ درصد مس را که پیشتر در بوته ذوب شده بود، پالایش کند. اکسیداسیون عناصر ناخواسته طبق انتظار انجام شد، اما فرایند به‌سرعت با ظهور مس فلزی مختل گردید. فلز مذاب که چگالی بیشتری داشت (ρcopper ≈ 9)، به ته مبدل نفوذ کرده و نازل‌ها را مسدود می‌کرد. پیر مانِس سپس استفاده از افزودنی‌هایی را به ثبت رساند که اکسیداسیون آن‌ها گرمای کافی برای جلوگیری از انجماد مذاب آزاد کند. سرانجام، این پل داوید فرانسوی، که در آن زمان مهندس کارخانه او در ۱۸۸۰ بود، راه‌حل را پیشنهاد کرد. او نازل‌های افقی را پیش نهاد که در فاصله‌ای به‌اندازه کافی از ته مبدل قرار گیرند تا مس بتواند در زیر آن‌ها جمع شده و هوا به‌طور پیوسته درون مات دمیده شود. تا سال ۱۸۸۱، مبدل آنان هم از نظر فنی عملیاتی و هم از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه بود. در پاییز ۱۸۸۴، این فرآیند در ایالات متحده توسط شرکت پاروت سیلور اند کاپر در بیوت، مونتانا به کار گرفته شد. مبدل‌ها به‌تدریج بزرگ‌ و بزرگ‌تر شدند؛ ظرفیت آن‌ها از یک تن در ۱۹۱۲ به هشت تن و حتی در ۱۹۲۰ برای مبدل‌های استوانه‌ای به پانزده تن افزایش یافت. ظرفیت این مبدل‌ها ۶۵ تن مات مس است که طی سه ساعت (برای تولید مت سفید) و یک ساعت و چهل و پنج دقیقه (برای تولید مس تاول‌زا) دمش انجام می‌شود. استفاده از پوشش نسوز بازی که چنین واکنشی نمی‌داد، می‌توانست هزینه تولید را کاهش دهد. هالووی در آخرین آزمایش‌های خود در اوایل دهه ۱۸۰۰، استفاده از پوششی برگرفته از نوع ابداعی سیدنی توماس و پرسی گیلکریست (۱۸۷۷) را پیشنهاد کرد. با این حال، این ایده هرگز به مرحله آزمایش نرسید، زیرا مشکلات اساسی دمش هوا در اولویت بالاتری نسبت به بهینه‌سازی پوشش نسوز قرار داشت. کلر بر روی یکی از مبدل‌های مانِس-داوید در کارخانه ذوب پاروت، در بیوت، آزمایش شد. در سال ۱۹۰۶، رالف باگلی، همچنان در مونتانا، پس از چندین آزمایش موفق به صنعتی‌سازی یک پوشش بازی در کارخانه ذوب پیتسمونت گردید؛ اما این روش در سال ۱۹۰۸ و به‌دنبال ترک کارخانه توسط باگلی، کنار گذاشته شد. | ## بخش 3: فرآیند مانس-داوید | پس از آن، نروژی، کودسن، از سال ۱۹۰۸ موفق شد با پوشش بازی در معادن سولیتلمنا کار کند. او دو مرحله دمش پیاپی انجام داد: ابتدا در یک مبدل کوچک با پوشش بازی، و سپس در مبدل دوم سنتی با پوشش اسیدی. اسمیت موفق به رفع معایب اصلی مواد نسوز بازی شدند؛ مواد نسوز بازی شکننده‌تر بودند و مهم‌تر آن‌که گرمای بیشتری نسبت به مواد نسوز اسیدی تلف می‌کردند. آنان با توسعه یک چیدمان آجرکاری مناسب برای مبدل استوانه‌ای و افزایش مقدار خوراک فلزی ورودی به کوره، مشکلات باقی‌مانده را حل کردند. این بهبود نیاز به تعویض مبدل‌ها، احداث تأسیسات آجرکاری و وجود مبدل‌های جایگزین را از میان برد (در سال ۱۸۹۷ در آناکاندای کاپر، به ازای هر مبدل در حال کار، دو مبدل آجرکاری شده وجود داشت). ظرفیت دیگر وابسته به میزان فرسایش پوشش نسوز نبود و بدین‌سان مدیریت جریان فلز مذاب در کارخانه‌ها ساده‌تر گردید. اگر مواد مورد استفاده برای تهیهٔ نسوز اسیدی حاوی مس، یا حتی نقره یا طلا (که اغلب با مس در کوارتز طلادار همراه است) باشد، این فلزات هم‌زمان با تخریب پوشش نسوز، وارد مات می‌شوند. با توجه به تخریب سریع این پوشش، مزیت اقتصادی نسوز اسیدی تنها زمانی تحقق می‌یابد که مصرف آن به فرایند ارزش افزوده دهد. با این حال، این وضعیت نسبتاً نادر است و حتی در چنین مواردی نیز می‌توان سیلیس غنی از فلزات گرانبها را به روش‌های دیگر و با صرفهٔ اقتصادی تأمین کرد. از این رو، در سال ۱۹۲۱، نسوز بازی مهم‌ترین عامل در کاهش هزینه‌های استخراج سنگ معدن مس محسوب می‌شد. مخلوطی از سولفیدهای مس و آهن که مات نامیده می‌شود، در مبدل‌ها فرآوری می‌گردد تا آهن در مرحله نخست و مس در مرحله دوم اکسید شوند. به منظور جداسازی اکسید آهن حاصل، گدازآور (عمدتاً سیلیس) به درون مبدل افزوده می‌شود. پس از تخلیه بخش نخست سرباره از مبدل، بخش جدیدی از مات به آن افزوده می‌شود و عملیات تبدیلگری چندین بار تکرار می‌گردد تا مبدل از سولفید مس خالص‌شده پر شود. سرباره مبدل به دلیل عیار بالای مس در این محصول جانبی، معمولاً به مرحله ذوب بازگردانده می‌شود. گاز خروجی از مبدل حاوی بیش از ۱۰٪ دی‌اکسید گوگرد است که غالباً برای تولید اسید سولفوریک جذب می‌گردد. مرحله دوم تبدیلگری با هدف اکسیداسیون فاز سولفید مس (خالص‌شده در مرحله نخست) انجام می‌شود و مس تاول‌زا تولید می‌گردد. | ## جمع‌بندی | واکنش زیر در مبدل رخ می‌دهد: CuS + O2 -> Cu + SO2 عیار مس در مس تاول‌زای حاصل معمولاً بیش از ۹۵٪ است.