فرآیند مانس-داوید

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. 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. چند سال بعد، مهندسان آمریکایی، ویلیام اچ. 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.
جایگزین=|وسط|بندانگشتی|273x273پیکسل|ردیفی از ۱۰ مبدل مانس داوید متعلق به شرکت مس کانادا، در سادبری بزرگ، پیش از ۱۹۱۱. این مبدل‌ها ماتی با ۳۶٪ نیکل+مس را به ماتی حاوی ۸۰٪ نیکل+مس تبدیل می‌کردند.

## 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. به‌کارگیری فرایندهای پالایش مشابه برای این دو فلز، منطقی می‌باشد. 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. رات میان سال‌های ۱۸۶۶ تا ۱۸۷۵ بر روی پالایش نسبی مات کار کرد. 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.

در انگلستان، جان هالووی این آزمایش‌ها را تا سال ۱۸۷۸ ادامه داد. 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. از این رو تخلیهٔ منظم رتور ضروری می‌نمود.
* 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.

* مواد نسوز سیلیسی توسط سرباره جذب می‌شدند و در آن به عنوان گدازآور عمل می‌کردند.

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. حتی با اعمال اصلاحات، یک مبدل بسمر حداکثر قادر به حذف آهن و بخشی از گوگرد بود. 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. اما همچون هالووی، در پالایش کامل مات موفق نشد. اکسیداسیون عناصر ناخواسته طبق انتظار انجام شد، اما فرایند به‌سرعت با ظهور مس فلزی مختل گردید. مات که یک ترکیب یونی بود، نه با سرباره و نه با فلز مذاب امتزاج‌پذیر بود. 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.
بندانگشتی|مبدل استوانه‌ای، اختراع ثبت‌شده توسط پیر مانِس.
[راست|بندانگشتی|مبدل‌های پیرس-اسمیت در کارخانه واشوی [:en:Anaconda_Copper|مس آناکوندا در سال ۱۹۲۰. 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. شکل مبدل از نوع گریت فالز است.]]
وسط|بندانگشتی|مبدل مانِس-داوید موسوم به فرم بشکه‌ای، قابل تشخیص توسط دو کف گنبدی‌شکل، با ظرفیت هفت تن

**بهبود توسط پیرس و اسمیت**

با غنی‌شدن سرباره از اکسید آهن در طی واکنش با هوا، سرباره خاصیت بازی پیدا می‌کند و با پوشش نسوز سیلیسی که به شدت اسیدی است، ترکیب 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.

در سال ۱۸۹۰، یک پوشش نسوز بازی به‌سرپرستی هرمان آ. کلر بر روی یکی از مبدل‌های مانِس-داوید در کارخانه ذوب پاروت، در بیوت، آزمایش شد. این آزمایش‌ها به پوششی سازگار با عملیات صنعتی منجر نشد. 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. 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.

سرانجام در سال ۱۹۰۹، در کارخانه ذوب شرکت مس بالتیمور، آمریکایی‌ها ویلیام اچ. پیرس و الیاس ای. سی. 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.

مبدل پیرس و اسمیت به‌مراتب سودمندتر از مبدل مانِس و داوید بود. مواد نسوز بازی که با سرباره واکنش نمی‌داد، دوام بسیار بیشتری داشت. 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). همچنین خطر سوراخ‌شدگی ناشی از کنترل ضعیف فرسایش مواد نسوز کاهش یافت. لایه نسوز نازک‌تر قابل اجرا شد و ظرفیت مبدل افزایش یافت. 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. در برخی موارد، کاهش هزینه‌های تبدیل از ۱۵–۲۰ دلار به ۴–۵ دلار گزارش شده است.
راست|بندانگشتی|برش طولی و عرضی یک مبدل پیرس-اسمیت.
بندانگشتی|برش‌ها، از بالا و از پهلو، از یک مبدل مانِس-داوید.
وسط|بندانگشتی|آسیاب سیلیس برای ساخت پوشش نسوز مبدل‌های مانِس-داوید.

## تبدیلگری در متالورژی مس
بندانگشتی|مبدل‌های شرکت مس تلفیقی اینسپیریشن در سال ۱۹۷۲. مبدل دوم از نوع عمودی است. شعله سبزی که از آن خارج می‌شود، مشخصه احتراق سولفید آهن (FeS) می‌باشد.
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. در مرحله اول، هوا غنی‌شده با اکسیژن از طریق نازل‌ها دمیده می‌شود تا بخشی از سولفیدهای فلزی به اکسید تبدیل گردند:

FeS + O2  -> FeO + SO2

CuS + O2 -> CuO + SO2

از آنجا که آهن میل ترکیبی بیشتری با اکسیژن دارد، اکسید مس تولیدشده با سولفید آهن باقیمانده واکنش می‌دهد:

CuO + FeS  -> CuS + FeO

بخش عمده اکسید مس دوباره به شکل سولفید تبدیل می‌شود. به منظور جداسازی اکسید آهن حاصل، گدازآور (عمدتاً سیلیس) به درون مبدل افزوده می‌شود. سیلیس با اکسید آهن واکنش داده و فاز سرباره سبکی تولید می‌کند که با چرخش مبدل حول محور خود، از طریق هود تخلیه می‌گردد:

2 FeO + SiO2 -> Fe2SiO4

(که گاه با فرمول 2FeO·SiO₂ و تحت نام فایالیت نمایش داده 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. واکنش زیر در مبدل رخ می‌دهد:

CuS + O2 -> Cu + SO2

عیار مس در مس تاول‌زای حاصل معمولاً بیش از ۹۵٪ است. مس تاول‌زا محصول نهایی فرایند تبدیلگری محسوب می‌شود.

## منابع