التعدين الكهربائي

التعدينالكهربائي

التعدين الكهربائي electro metallurgy هو طريقة لاستخلاص المعادن ومعالجتها باستخدام الأفران التي تعتمدعلى الطاقة الكهربائية في عملياتالصهر والتسخين. يتميز الصهر الكهربائي بإمكانية التوصل إلى درجة حرارة عالية فيمكان الصهر، احتراق المعدن ويضمن التخلص من أكبر نسبة من العناصر الضارة كالفسفوروالكبريت، وكذلك يخفف كثيراً من عناصر الأشابة نتيجة لعدم وجود لهب مؤكسد.
الحرارة الكهربائية
ينتج عن سريان التيار الكهربائي في موصل عدة تأثيرات مفيدة منها:الحرارة الكهربائية، والإنارة، والمغنطيسية، والتأثيرات الكيميائية. الحرارةالكهربائية هي الأثر الأومي للتيار الكهربائي في أثناء مروره في ناقل، وبفعل أثرجول فإن مجمل الطاقة الكهربائية المنقولة تتحولإلى طاقة حرارية، يمكن استخدامها في عمليات التعدين والصهر والمعالجات الحراريةوعمليات اللحام، حيث يبلغ مستوى الحرارة الناتج عن بلازما القوس الكهربائي من10000 إلى 22000 كلفن، وتبلغ الحرارة اللازمة من أجل صهر المعادن بوجه عام من 2000ْ إلى 3000ْ درجة مئوية. أما الحرارة اللازمة من أجلالمعالجات الحرارية فتراوح بين 400ْ إلى 800ْ درجة مئوية.
طرائق التسخين المستخدمة
تصنف التجهيزات الكهروحرارية بالنظر إلى الكيفية التي تتم بها عمليةالتسخين إلى:
أ ـ التسخين بالمقاومة الكهربائية:يتم هذا النوع من التسخين بوصل نهايتي القطعة المراد تسخينها إلى منبع تياركهربائي متناوب، وبذلك فإن تياراً عالي الشدة يمر عبر القطعة و ترتفع درجة حرارتهابسبب مقاومة المعدن حتى الدرجة المطلوبة. تستخدم هذه الطريقة في إحماء القطعالطويلة وصغيرة القطر حتى 50مم.ويقدر استهلاك القدرة الكهربائية بنحو 0.30-0.35 كيلو واط ساعي لكل كيلو غرام منالمعدن.
تنتج الحرارة في أفران المقاومة الكهربائية بسبب إطلاق الحرارة فيالجسم عند مرور التيار الكهربائي به، و يتم عادة وصل الأجسام الصلبة أو السائلةالناقلة بالدارة الكهربائية من دون وسيط.
ويُتحكم في درجة حرارة الفرن الكهربائي بتغيير شدة التيار الكهربائي،وتراوح درجات الحرارة في فرن المقاومة بين 540ْ و1500ْ درجة مئوية. وتحدد درجة الحرارة القصوى بنقطةانصهار مادة المقاوم. فالمقاومات المصنوعة من سبيكة النيكل الكروم تسمح بإنتاجدرجات حرارة تصل إلى 1100ْ درجة مئوية، بينما تسمح المقاومات المصنوعة من كربيد السليكونبالوصول إلى درجة حرارة 1500ْ درجة مئوية. وقد تتعدى درجات الحرارة في فرن كهربائي 3300ْ درجة مئوية.
تستخدم أفران المقاومة الكهربائية لتسخين وصهر المواد السهلة الانصهار(قصدير ـ رصاص ـ ألمنيوم ـ مغنيزيوم)، وبصورة رئيسية في أفران الخلطالسبائكي، وفي عمليات المعالجة الحرارية المخبرية.
ب ـ التسخين بالتحريض الكهربائي المغنطيسي:يوفر التسخين بالتحريض induction heating التحديد الدقيق لدرجة حرارة المعدن ولزمن التسخين، وتكون الفواقدالحرارية قليلة جداً لأن وشيعة التسخين inductor تكون باردة، ويحصل الإشعاع الحراري فقط في القطعة المسخنة. أهممزايا التسخين بالتحريض الكهربائي اختصار زمن المعالجة الحرارية، ومن ثم زيادةإنتاجية العمل والحصول على منتجات خالية من القشور الأكسيدية، وسهولة التشغيلوصيانة أجهزة التسخين وانتظام درجة الحرارة في الجسم المراد تسخينه (التجانسالحراري).

يحدث التسخين التحريضي الكهربائي نتيجة للأثر الحراري للتيارالكهربائي الناتج بالتحريض في المنتج الموضوع في مجال مغنطيسي متردد، ولإجراءالتسخين يوضع المنتج في ملف وشيعة التسخين وهو عبارة عن لفة أو عدة لفات من أنبوبنحاسي مجوف ومبرد بالماء. وبمرور التيار الكهربائي المتناوب في ملف الوشيعة ينشأمجال مغنطيسي متردد، ونتيجة لظاهرة التحريض تنشأ في الطبقة السطحية تيارات دوامية (فوكو) وبذلك تسخن هذه الطبقة السطحيةللمنتج المعالج حرارياً تحت تأثير التيارات المذكورة. يعزل ملف الوشيعة عادة بشريطرقيق جداً ويزود ببطانة مصنوعة من صفائح عازلة مقاومة للحرارة (من الشاموت بثخانة 10مم) (الشكل -1).
وتقسم أجهزة التسخين بالتحريض حسب تصميمها إلى محورية وعرضية. تحتويأجهزة التسخين المحورية Aالمسخنة في حين تحتوي أجهزة التسخين العرضية traversal type، وتقسم أجهزة التسخين بالتحريض بحسب تصميمها إلى محورية وعرضية.
تحتوي أجهزة التسخين المحورية axial type على وشيعة تسخين تسير فيها خطوط الحقل المغنطيسي في مستوٍ عموديعلى محور القطعة المسخنة، في حين تحتوي أجهزة التسخين العرضية traversal type على وشيعة تسخين تسير فيها خطوط الحقلالمغنطيسي في مستوٍ عمودي على محور القطعة المسخنة.
وتكون مصادر التيار للتسخين بالتحريض الكهربائي عادة: شبكةالتيار الصناعي50 هرتز، أو جهاز مضاعف التردد الصناعي، ويعمل على مضاعفة الترددالعالي من 50 هرتز إلى 150هرتز.
أما التسخين بالتردد المتوسط فتستخدم فيه محولات التردد الدورانية rotaryfrequency converter.
وللحصول على ترددات عالية فوق 10000هرتز، تستخدم مولدات التردد الإلكترونية.
يقدر استهلاك القدرة الكهربائية بنحو 0.4-0.5 كيلو واط ساعي لكل 1 كيلو غرام من المعدن.
تستخدم أفران وأجهزة التسخين التحريضي على نحو واسع لتسخين المعادن غيرالحديدية والمعادن الخفيفة وحديد الزهر وبعض السبائك على أساس الحديد والنيكلوصهرها، كما يمكن صهر المواد الغير ناقلة للكهرباء في أفران التحريض ذات البوتقةالغرافيتية.

ج ـ التسخين بالقوس الكهربائية:يعد فرن القوس الكهربائي electrical arc furnace من أكثر أنواع الأفران الكهربائية استخداماً لإنتاج الفولاذ. إذيتكون فرن القوس الكهربائي من غلاف فولاذي بشكل دائري مبطن من الداخل بالأجرالحراري ويبرد بالماء في الأماكن التي تتعرض لدرجات الحرارة العالية.
هناك في سقف الفرن ثلاثة ثقوب يتم فيها وضع ثلاثة قضبان من الكربون،يطلق عليها الأقطاب، توضع في الشحنة لتوصيل التيار الكهربائي إليها. يتقوس (يقفز) تيار كهربائي قوسي قوي من كلقطب إلى مادة الشحنة ومنها إلى القطب الأخر وبالتالي يتشكل قوس كهربائي بينالأقطاب الغرافيتية الثلاثة والمعدن نتيجة مرور تيار كهربائي متناوب ثلاثي الطور(الشكل -2).
تستخدم في هذه الأفران أقطاب غرافيتية أو فحمية، وتمتاز الأقطابالغرافيتية عن الفحمية بانخفاض مقاومتها للتيار الكهربائي مما يخفض الضياعالكهربائي، وبمتانتها العالية واستهلاكها أقل من الأقطاب الفحمية حيث يستهلك مابين 8 كيلو غرام إلى10 كيلو غرام لكل طن من المعدن المصهور.
ينتج عن هذه الأقواس الكهربائية كميات هائلة من الحرارة تصهر المادةبسرعة وتحفز التفاعلات الكيميائية التي تنتج الفولاذ. وتعد أفران القوس الكهربائيأسلوباً مثالياً لصناعة بعض أنواع الفولاذ السبائكي الخاصة وفولاذ العُدَد، كماتستخدم بشكل واسع من أجل صهر المعادن الحديدية والمواد اللامعدنية وكذلك الموادالمقاومة للصهر والبلاستيك المقاوم للحرارة.

د ـ التسخين بالقذف الإلكتروني:يعتمد التسخين بالقذف الإلكترونيelectron bombardment على أساس إطلاق الحرارة على الجسم المراد تسخينه في الفراغ عنطريق قذف حزمة الإلكترونات المنبعثة من مهبط خاص بها. يدعى جهاز القذف الإلكترونيبالمدفع الإلكتروني الذي يقذف حزمة إلكترونية electron beam منبعثة عن المهبط والمتسارعة في الحقل الكهربائي وتشكل حقلاًكهرومغنطيسياً. إذ تقذف الحزمة الإلكترونية من خلال منفث في المصعد متجهةً نحو سطح الجسمالمراد تسخينه (الشكل -3).
ومن ثم ينجز التسخين بالقذف الإلكتروني عن طريق مهبط مساعد ذو توهجحراري مباشر.
يستخدم جهاز التسخين بالقذف الإلكتروني بشكل واسع في تسخين المعادنوصهرها وفي عمليات اللحام والهندسة اللاسلكية والمجاهر الإلكترونية.
هـ ـ التسخين بالبلازما:يقصد بالبلازما حالة المادة في درجات الحرارة لأعلى من 1000ْ درجة مئوية، إذ تُحوّل باستخدام غاز خاملكالأرغون. يمرر هذا الغاز من منفث ضيق بسرعة عالية، حيث أنه يتعرض لقوس كهربائي(أي تفريغ كهربائي عالٍ خلال غاز متشرد أو مُتأين، ويتم هذا التفريغ وارتفاع درجةالحرارة باصطدام الإلكترونات بإيونات الغاز الموجود فيتأين هذا الغاز وتتحللجزيئات منه مولدةً حرارة فائقة الارتفاع (16000 ـ 22000ْ درجة مئوية حسب سرعة مرور الغاز).
يُسخن المنتج في جهاز البلازما في لهب الغاز المنفوخ خلال القوس. يدعىالجهاز الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقةحرارية لفيض بلازما الحرارة المنخفضة بمولد البلازما (الشكل -4).
تقسم مولدات البلازما إلى نوعين: مولدات بلازما قوسية، إذ ينفخ الغازإلى مجال التفريغ الكهربائي القوسي، ومولدات بلازما عالية التردد أي تفريغ لاإلكترودي عالي التردد.
تتألف معظم مولدات البلازما القوسية من مصعد أنبوبي نحاسي مبرد وقضيبمقاوم لدرجات الحرارة العالية أو مهبط نحاسي حلقي مبرد. ويكون عادة الغاز العامل:أرغون، هليوم، آزوت، هيدروجين، ميتان.
تستخدم أجهزة التسخين بالبلازما في عمليات تسخين المعادن وصهرها وكذلكفي عمليات اللحام وصهر المواد المقاومة لدرجات الحرارة العالية. وتستخدم مولداتالبلازما عالية التردد من أجل استنبات البلورات الأحادية للمواد المقاومة للصهر.

التحليل الكهربائي الناري
هو عملية يمر فيها تيار كهربائي خلال سائل، فيحدث تفاعلاً كيميائياً.فإذا كان السائل هو الماء فانه يتحلل إلى عنصريه: الهدروجين والأوكسجين. أما إذا كان السائل محلولاً يحتوي على فلز ما،فإن التحليل الكهربائي electro analysis يؤدي إلى تفكك المحلول فيترسب الفلز.

للقيام بالتحليل الكهربائي يوضع موصلان كهربائيان، كقضيبين منالغرافيت أو فلز في سائل. يسمى هذان القضيبان قطبين كهربائيين. يوصل القطبان إلىأطراف بطارية أو مولد تيار مستمر بأسلاك، ولابد أن يحتوي السائل على إلكتروليتيمكنه من حمل التيار وإكمال الدارة الكهربائية (الشكل -5).
يكون القطبان الكهربائيان والسائل والوعاء الذي يجمعها ما يسمى بخليةالتحليل الكهربائي. ويسمى القطب الكهربائي الموصل إلى قطب البطارية السالب المهبط،وهو يحمل الإلكترونات من البطارية إلى خلية التحليل الكهربائي، في حين يسمى القطبالموصل إلى قطب البطارية الموجب المصعد، وهو يحمل الإلكترونات من الخلية إلىالبطارية. عندما يسري التيار الكهربائي خلال خلية التحليل الكهربائي، تحدث تغيراتكيميائية عند سطح كل من القطبين الكهربائيين.
يتحد عند المهبط السائل المتحلل مع الإلكترونات القادمة من البطارية،وتسمى هذه العملية بالاختزال. أما عند المصعد فان السائل يفقد إلكتروناتيعطيها للمصعد، وتسمى هذه العملية بالأكسدة.
يؤدي التحليل الكهربائي دوراً مهما في الصناعة، إذ يمكن بوساطته تحديدكمية المعادن والفلزات في المواد المختلفة. ويوضح اختبار التحليل مدى نقاء الفلزاتالنفيسة، كما يوضح ما إذا كانت الطبقات المعدنية جديرة بالتعدين. كما ينتجالمغنيسيوم والألمينوم وبعض الفلزات الأخرى تجاريا بالتحليل الكهربائي, فيتمالحصول على فلز الألمينوم بوساطة التحليل الكهربائي للألومينا الذائبة في معدنالكريوليت المنصهر. وينقى النحاس وغيره من الفلزات بالتحليل الكهربائي، فإذا كان المصعد قضيباً من نحاس غير نقي،وكان المهبط قضيباً من نحاس نقي، فإن القضيب غير النقي يذوب في أثناء التحليلالكهربائي في شوارد النحاس، ويترسب النحاس النقي من هذا القضيب على سطح المهبط،بينما تترسب كل الشوائب الموجودة في المصعد إلى قاع خلية التحليلالكهربائي ويمكن إزالتها بعد ذلك.

خالد شرف

http://www.arab-ency.com/index.php?module=pnEncyclopedia&func=display_term&id=3322&vid=

» علم التعدين
» طرق الاستكشاف الكهربائي