موضوع مقاله: ذوب روی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ذوب روی | مقدمه: ذوب روی از نظر تاریخی دشوارتر از ذوب فلزات دیگر مانند آهن بوده‌است، زیرا در مقایسه با آن‌ها، روی نقطه جوش پایین‌تری دارد. | ## بخش 1: ذوب روی | در دماهایی که معمولاً برای ذوب فلزات استفاده می‌شود، روی به شکل گازی است که با گاز دودکش از کوره خارج می‌شود و از میان می‌رود، مگر اینکه اقدامات خاصی برای جلوگیری از آن انجام شود. واکنش‌های شیمیایی که انجام می‌شود به شرح زیر است: 2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2 2SO2 + O2 -> 2SO3 تقریباً ۹۰ درصد روی موجود در کنسانتره در مرحله اکسیداسیون به اکسید روی تبدیل می‌شود. با این حال، در دمای برشته کردن، حدود ۱۰ درصد روی با ناخالصی‌های آهن موجود در کنسانتره سولفید روی واکنش می‌دهد و فریت روی تشکیل می‌دهد. یک محصول جانبی این واکنش بوی دی‌اکسید گوگرد که بیشتر به اسید سولفوریک تبدیل می‌شود که یک کالای تجاری. برشته کن چند اجاقی در یک برشته کننده چند اجاقی، کنسانتره از طریق یک سری تشکیل شده از ۹ کوره یا بیشتر، که در داخل یک ستون استوانه ای با اندود آجری روی هم قرار گرفته‌اند، می‌ریزد. هنگامی که کنسانتره خوراک به داخل کوره ریخته می‌شود، ابتدا توسط گازهای داغی که از کوره‌ها عبور می‌کنند، خشک می‌شود و سپس برای تولید کلسین، اکسید می‌شود. برشته کن تعلیقی در یک برشته کن معلق، کنسانتره‌ها در یک محفظه احتراق بسیار شبیه به کوره ذغال سنگ پودر شده دمیده می‌شوند. برشته کن از یک پوسته فولادی استوانه ای با روکش نسوز ساخته شده‌است که مشابه کوره‌های چند اجاقی، فضای احتراق بزرگ در بالا و ۲ تا ۴ عدد اجاق در قسمت پایینی دارد. معمولاً برای اطمینان از اینکه انتقال حرارت به مواد به اندازه کافی سریع است تا واکنش‌های گوگردزدایی و اکسیداسیون در محفظه کوره اتفاق بیفتد، لازم است تا سنگ‌زنی اضافی، فراتر از آنچه برای یک کوره چند اجاقی لازم است، صورت بگیرد. برشته کن با بستر سیال در یک برشته کن با بستر سیال، کنسانتره‌های سولفید آسیاب شده به حالت تعلیق در می‌آیند و در بستر مواد اولیه که روی ستون هوا قرار دارد، اکسید می‌شوند. همان‌طور که در برشته کن تعلیقی، سرعت واکنش برای گوگردزدایی سریعتر از فرآیندهای چندگانه قدیمی است. برشته کن‌های بستر سیال تحت فشار کمی کمتر از فشار اتمسفر و در دمای متوسط کار می‌کنند. از مزایای اصلی این برشته کن می‌توان به ظرفیت بیشتر، قابلیت حذف گوگرد بیشتر و نگهداری کمتر اشاره کرد. فرایند الکترولیز شامل ۴ مرحله است: شستشو، خالص سازی، الکترولیز و ذوب و ریخته‌گری. لیچینگ (تصفیه به وسیله شست و شو) فرمول اولیه شیمیایی لیچینگ که این فرایند را هدایت می‌کند: ZnO + SO3 -> ZnSO4 این امر در عمل از طریق فرآیندی به نام شستشوی مضاعف به دست می‌آید. کلسین ابتدا در محلول خنثی یا کمی اسیدی (سولفوریک اسید) شسته می‌شود تا روی از اکسید روی خارج شود. سپس کلسین باقی مانده در اسید سولفوریک قوی شسته می‌شود تا بقیه روی از اکسید روی و فریت روی خارج شود. جامد باقیمانده لیچ نامیده می‌شود و حاوی فلزات گرانبها (معمولاً سرب و نقره) است که به عنوان محصول جانبی فروخته می‌شود. همچنین آهن در محصول لیچ که از لیچ اسید قوی تشکیل شد، وجود دارد که در مرحله میانی به شکل گوتیت، ژاروزیت و هماتیت. هنوز هم کادمیوم، مس، آرسنیک، آنتیموان، کبالت، ژرمانیوم، نیکل و تالیم در محصول شستشو وجود دارد؛ بنابراین نیاز به تطهیر و خالص سازی دارد. خالص سازی فرایند خالص سازی از فرایند سیمان سازی برای خالص سازی بیشتر روی استفاده می‌کند. از گرد و غبار و بخار روی برای حذف مس، کادمیوم، کبالت و نیکل استفاده می‌کند که در فرایند الکترولیز اختلال ایجاد می‌کند. پس از خالص سازی، غلظت این ناخالصی‌ها به کمتر از ۰٫۰۵ میلی‌گرم در لیتر (۴× 10-7 پوند در هر گالن) محدود می‌شود. این فرایند در دماهای بین و فشارهای مختلف از ۱ اتمسفر تا (مقیاس مطلق) انجام می‌گیرد. ناخالصی‌ها می‌توانند ولتاژ تجزیه را به اندازه ای تغییر دهند که سلول الکترولیز عمدتاً به جای فلز روی، گاز هیدروژن تولید کند. الکترولیز روی از محلول سولفات روی خالص شده توسط الکترووینینگ استخراج می‌شود که شکل تخصصی الکترولیز است. این باعث می‌شود روی بر سطح کاتدها (ورق‌های آلومینیومی) رسوب کند و اکسیژن در آندها تشکیل شود. اسید سولفوریک نیز در این فرایند تشکیل شده و در فرایند لیچینگ مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرد. هر ۲۴ تا ۴۸ ساعت، هر سلول خاموش می‌شود، کاتدهای پوشش داده شده با روی برداشته شده و شسته می‌شوند و روی به صورت مکانیکی از صفحات آلومینیومی جدا می‌شود. بخشی از انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می‌شود که باعث افزایش دمای الکترولیت می‌شود. بخشی از الکترولیت به‌طور مداوم در برج‌های خنک‌کننده به گردش در می‌آید تا الکترولیت را از طریق تبخیر آب خنک و متمرکز کند. این فرایند تقریباً یک سوم کل انرژی مصرفی در هنگام ذوب روی را به خود اختصاص می‌دهد. | ## بخش 2: ذوب روی | دو فرایند متداول برای الکترووینینگ فلز وجود دارد: فرایند چگالی جریان پایین و فرایند چگالی جریان بالا Tainton. اولی از محلول اسید سولفوریک ۱۰ درصد به عنوان الکترولیت با چگالی جریان ۲۷۰–۳۲۵ آمپر بر متر مربع استفاده می‌کند. دومی از محلول اسید سولفوریک ۲۲ تا ۲۸ درصد به عنوان الکترولیت با چگالی جریان حدود ۱۰۰۰ آمپر بر متر مربع استفاده می‌کند. دومی خلوص بهتری می‌دهد و ظرفیت تولید بالاتری در هر حجم الکترولیت دارد، اما این عیب را دارد که داغ تر می‌شود و برای ظرفی که در آن انجام می‌شود خورنده تر است. در هر یک از فرآیندهای الکترولیتی، برای تولید هر تن مربع روی حدود توان الکتریکی مصرف می‌شود. ذوب و ریخته‌گری بسته به نوع محصولات نهایی تولید شده، کاتدهای روی که از کارخانه الکترووینینگ بیرون می‌آیند می‌توانند یک مرحله تبدیل اضافی را در ریخته‌گری انجام دهند. کاتدهای روی در کوره‌های القایی ذوب می‌شوند و به محصولات قابل فروش مانند شمش تبدیل می‌شوند. سایر فلزات و اجزای آلیاژی ممکن است برای تولید آلیاژهای حاوی روی که در ریخته‌گری قالبی یا کاربردهای گالوانیزه عمومی استفاده می‌شوند، اضافه شوند. در نهایت، روی مذاب ممکن است با استفاده از ظروف عایق شده با طراحی خاص به کارخانه‌های تبدیل نزدیک یا اشخاص ثالث منتقل شود. فرآیندهای پیرومتالورژیکی همچنین چندین فرایند پیرومتالورژیکی وجود دارد که اکسید روی را با استفاده از کربن کاهش می‌دهد، سپس روی فلزی را از مخلوط حاصل در فضایی از مونوکسید کربن تقطیر می‌کند. این ممکن است برای گالوانیزه کردن به اندازه کافی خالص باشد، اما برای آلیاژهای ریخته‌گری که نیاز به روی با عیار بالا (۹۹٫۹۹۵٪ خالص) دارد، کافی نیست. برای رسیدن به این خلوص، روی باید تصفیه شود چهار نوع فرایند پیرومتالورژیکی تجاری عبارت اند از: فرایند شرکت معدنی سنت جوزف (الکتروترمیک)، فرایند کوره بلند، فرایند مستمر قائم‌آهنگ نیوجرسی روی، و فرایند توده افقی نوع بلژیکی. این فرایند توسط شرکت معدنی سنت جوزف در سال ۱۹۳۰ توسعه یافت و تنها فرایند پیرومتالورژیکی است که هنوز در ایالات متحده برای ذوب روی استفاده می‌شود. مزیت این سیستم این است که می‌تواند طیف گسترده‌ای از مواد حاوی روی از جمله گرد و غبار کوره قوس الکتریکی را ذوب کند. زینتر که مخلوطی از کلسین روستر و کلسین EAF (کوره قوس الکتریکی) است، بر روی یک نوار نقاله از نوع دروازه بارگذاری می‌شود و سپس گازهای احتراق از طریق زینتر پمپ می‌شود. کربن موجود در گازهای احتراق با برخی ناخالصی‌ها مانند سرب، کادمیوم و هالیدها واکنش نشان می‌دهد. زینتر پس از این فرایند که زینتر محصول نامیده می‌شود، معمولاً دارای ترکیبی از ۴۸٪ روی، ۸٪ آهن، ۵٪ آلومینیوم، ۴٪ سیلیکون، ۲٫۵٪ کلسیم و مقادیر کمتری منیزیم، سرب و سایر فلزات است. کک مقاومت الکتریکی را برای مخلوط ایجاد می‌کند تا مخلوط را تا و مونوکسید کربن تولید می‌کند. این شرایط اجازه می‌دهد تا واکنش شیمیایی زیر رخ دهد: ZnO + CO -> Zn (^) + CO2 بخار روی و دی‌اکسید کربن به یک کندانسور خلاء منتقل می‌شود، جایی که روی با حباب زدن از طریق حمام روی مذاب بازیابی می‌شود. دی‌اکسید کربن با کربن احیا می‌شود و مونوکسید کربن دوباره به کوره توده بازگردانده می‌شود. فرایند کوره بلند (فرایند ذوب سلطنتی) این فرایند توسط شرکت ملی ذوب در Avonmouth Docks انگلستان به منظور افزایش تولید، افزایش کارایی و کاهش هزینه‌های نیروی کار و نگهداری توسعه داده شد. LJ Derham پیشنهاد استفاده از اسپری قطرات مذاب سرب را برای خنک کردن و جذب سریع بخار روی، با وجود غلظت بالای دی‌اکسید کربن، ارائه کرد. یکی از مزایای این فرایند این است که می‌تواند شمش سرب و تفاله مس را به صورت مشترک تولید کند. تقریباً سرب در هر سال برای این فرایند مورد نیاز است، با این حال این فرایند ۲۵ درصد سرب بیشتری را از سنگ معدن‌های شروع کننده نسبت به سایر فرایندها بازیابی می‌کند. فرایند روی نیوجرسی دیگر برای تولید روی اولیه در ایالات متحده، اروپا و ژاپن استفاده نمی‌شود، با این حال هنوز برای تقویت عملیات ثانویه استفاده می‌شود. این فرایند در سال ۱۹۶۰ به اوج خود رسید، زمانی که ۵ درصد از تولید روی جهان را به خود اختصاص داد. نسخه اصلاح شده این فرایند هنوز در Huludao چین استفاده می‌شود که ۶۵۰۰۰ تن در سال تولید می‌کرد. این فرایند با برشته کردن کنسانتره‌هایی که با زغال سنگ مخلوط شده و در دو مرحله بریکت می‌شوند، آغاز می‌شود. سه دلیل برای بریکت کردن کلسین وجود دارد: اطمینان از حرکت آزادانه شارژ به سمت پایین. برای اجازه دادن به انتقال حرارت در یک مقطع اندازه عملی؛ برای ایجاد تخلخل کافی برای عبور بخار روی کاهش یافته به بالای مخزن. Overpelt این طرح را با استفاده از تنها یک محفظه بزرگ تراکم، به جای بسیاری از محفظه‌های کوچک، همان‌طور که در ابتدا طراحی شده بود، بهبود بخشید. این محفظه اجازه می‌دهد تا مونوکسید کربن به داخل کوره‌ها برای گرم کردن مخازن بازگردانده شود. | ## بخش 3: ذوب روی | این فرایند به شرکت ذوب امپریال (ISC)، مستقر در آوونموث، انگلستان، که یک کارخانه بزرگ قفل عمودی (VR) را برای سال‌ها در حال تولید بود، دریافت کرد. تا اواسط دهه ۱۹۷۰ مورد استفاده قرار گرفت تا زمانی که کارخانه کوره ذوب سلطنتی (ISF) این شرکت جایگزین آن شد. فرایند پاسخگویی افقی از نوع بلژیکی این فرایند اصلی‌ترین فرآیندی بود که از اواسط قرن نوزدهم تا سال ۱۹۵۱ در بریتانیا مورد استفاده قرار گرفت.. این فرایند بسیار ناکارآمد بود زیرا به عنوان یک عملیات دسته ای در مقیاس کوچک طراحی شده بود. در هر بار انجام فرایند پاسخگویی تنها تولید می‌شود؛ بنابراین شرکت‌ها آن‌ها را در انبارها قرار می‌دهند و از یک مشعل گازی بزرگ برای گرم کردن همه آن‌ها استفاده می‌کنند. فرایند بلژیکی نیازمند تقطیر مجدد برای حذف ناخالصی‌های سرب، کادمیوم، آهن، مس و آرسنیک است. در هند، روی از قرن ۱۲ تا ۱۸ در زوار تولید می‌شد، اگرچه برخی از مصنوعات روی به نظر می‌رسد در دوران باستان کلاسیک در اروپا ساخته شده باشند.pp. سنگ معدن اسفالریت یافت شده در اینجا احتمالاً از طریق بو دادن به اکسید روی تبدیل شده‌است، اگرچه هیچ مدرک باستان‌شناسی در این مورد یافت نشده‌است. گمان می‌رود که ذوب در مخازن سفالی استوانه ای مهر و موم شده‌ای انجام شده‌است که با مخلوطی از سنگ معدن بو داده، دولومیت و مواد آلی، شاید سرگین گاو، بسته‌بندی شده و سپس به صورت عمودی در یک کوره قرار داده شده و تا حدود ۱۱۰۰ گرم شده‌است. درجه سانتی گراد مونوکسید کربن تولید شده توسط زغال‌کردن مواد آلی، اکسید روی را به بخار روی کاهش می‌دهد، که سپس در یک کندانسور رسی مخروطی در انتهای مخزن مایع می‌شود و در ظرف جمع‌آوری می‌چکد. تولید روی در مقیاس بزرگ در اروپا با شروع ویلیام قهرمان، که فرایند تقطیر روی را در ۱۷۳۸ اختراع کرد.pp. سپس بخار روی از طریق یک لوله متراکم آهنی فرود می‌آمد تا به یک ظرف پر از آب در پایین برسد.pp. چمپیون اولین آثار روی خود را در بریستول، انگلستان راه اندازی کرد، اما به زودی به Warmley گسترش یافت و تا سال ۱۷۵۴ چهار کوره روی را در آنجا ساخت.p. اگرچه چمپیون موفق به تولید حدود ۲۰۰ تن روی شد، برنامه‌های تجاری او موفقیت‌آمیز نبود و در سال ۱۷۶۹ ورشکست شد. سال افقی سخ پاسخ دادن عمودی سخ پاسخ دادن الکتروترمیک انفجار سخ کوره الکترولیتی <۱۹۱۶ > ۹۰ ۱۹۲۹ ۲۸ ۱۹۳۷ ج ۳۳ ۱۹۶۰ ۳۴٫۵ ۱۱ ۷٫۵ ۲ ۴۵ ۱۹۷۰ ۱۵ ۱۰ ۶٫۵ ۱۲٫۵ ۵۶ ۱۹۸۰ ۳ ۷ ۶ ۱۰ ۷۴ تولید اولیه روی اروپایی نیز در سیلسیا، در کارنتیا، و در لیژ، بلژیک انجام شد. در سیلزی، یوهان روهبرگ در سال ۱۷۹۹ کوره‌ای برای تقطیر روی ساخت، در ابتدا از گلدان‌ها استفاده کرد، اما بعداً به لوله‌هایی با ته صاف به نام «مافل» تغییر داد، که به لوله‌های افقی خم شده به سمت پایین متصل می‌شد که در آن روی متراکم می‌شد. این فرایند که توسط ژان ژاک دانیل دونی توسعه یافت، در سال‌های ۱۸۰۵ تا ۱۸۱۰ معرفی شد و از قفسه‌هایی با مقطع استوانه ای استفاده شد. فرایند پاسخ افقی ادغام شده «بلگو-سیلزی» به‌طور گسترده در ربع سوم قرن نوزدهم در اروپا و بعداً در ایالات متحده پذیرفته شد. تلاش‌های تجربی برای استخراج روی از طریق الکترولیز در قرن نوزدهم آغاز شد، اما تنها کاربرد تجاری موفق قبل از سال ۱۹۱۳، فرآیندی بود که در ''بریتانیا و اتریش استفاده می‌شد، جایی که روی و کلر با الکترولیز یک محلول آبی کلرید روی تولید می‌شدند.pp. شرکت مس آناکوندا، در آناکوندا، مونتانا، و شرکت معدنی و ذوب تلفیقی، در تریل، بریتیش کلمبیا، هر دو کارخانه‌های الکترولیتی موفقی را در سال ۱۹۱۵ با استفاده از فرایند فعلی سولفات روی ساختند.p. اهمیت این روش همچنان رو به رشد بوده و در سال ۱۹۷۵ ۶۸ درصد از تولید روی جهان را به خود اختصاص داده‌است.p. در این فرایند از یک توده با دیواره‌های کاربید سیلیکون، حدود ۹ متر ارتفاع و با مقطع ۲ در ۰٫۳ متر استفاده شد. دیواره‌های مخزن تا ۱۳۰۰ درجه سلسیوس گرم شد و بریکت‌های متشکل از سنگ معدن روی متخلخل، کک، زغال سنگ و مواد بازیافتی به بالای مخزن وارد شدند. روی گازی از بالای ستون بیرون کشیده شد و پس از طی یک سفر ۲۰ ساعته در داخل مخزن، بریکت‌های مصرف شده از پایین خارج شدند.p. برای متراکم کردن روی گازی، این شرکت ابتدا از یک محفظه آجری ساده با بافل‌های کربوراندومی استفاده کرد، اما بازده ضعیفی داشت. در طول دهه ۱۹۴۰ یک کندانسور ساخته شد که بخار روی را بر روی یک اسپری از قطرات روی مایع، که توسط یک پروانه الکتریکی به بالا پرتاب می‌شد، متراکم می‌کرد.pp. فرایند الکتروترمیک که توسط شرکت سرب سنت جوزف توسعه داده شد، تا حدودی مشابه بود.pp. اولین کارخانه تجاری با استفاده از این فرایند در سال ۱۹۳۰ در محل فعلی جوزف تاون، پنسیلوانیا ساخته شد. کوره الکتروترمیک یک استوانه فولادی به ارتفاع حدود ۱۵ متر و قطر ۲ متر بود که با آجر نسوز روکش شده بود. مخلوطی از سنگ معدن پخته شده و کک به بالای کوره وارد شد و جریانی بین ۱۰۰۰۰–۲۰۰۰۰ آمپر با اختلاف پتانسیل ۲۴۰ ولت بین الکترودهای کربنی در کوره اعمال شد و دما را به ۱۲۰۰–۱۴۰۰ افزایش داد. | ## جمع‌بندی | فرایند سرباره از سال ۱۹۴۳ در Avonmouth، انگلستان توسط امپریال ذوب شرکت توسعه داده شد، که در سال ۱۹۶۸ بخشی از ریو تینتو روی شد.