پایان حدس و گمان در متالورژی مس با دستاورد جدید پژوهشی

به گزارش خبرگزاری ایمنا، فرایند ذوب فلزات همواره با عوامل مشخصی همچون شعله، دمای بالا و جریان مواد مذاب و تفکیک آن‌ها همراه است. اما نکته کلیدی و پرسش اصلی این است که در میان این آتش و مواد مذاب، عناصر کم‌مقدار اما بسیار مؤثر چگونه رفتار می‌کنند. آیا سرب در فلز باقی می‌ماند؟ آیا آرسنیک به بخش سرباره (مواد زائد مذاب) منتقل می‌شود؟ و آیا نیکل می‌تواند به مس برسد؟

یک پژوهش جدید در دانشگاه کوئینزلند استرالیا به بررسی این پرسش‌ها پرداخته است، در این مطالعه، رفتار هشت عنصر مهم (سرب، روی، آهن، آرسنیک، قلع، آنتیموان، بیسموت و نیکل) در دمای بسیار بالا (۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) و در شرایط تعادل بین سرباره کلسیم-آلومینات و فلز مس، به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است.

محققان برای دستیابی به نتایج دقیق، یک سیستم به‌طورکامل بسته طراحی کردند که از خارج شدن و هدررفت عناصر جلوگیری می‌کرد، آن‌ها با استفاده از روش‌های پیشرفته همچون سرد کردن سریع (کوئنچ) و تجزیه و تحلیل ریزساختاری با میکروسکوپ الکترونی، مقادیر واقعی توزیع عناصر را اندازه‌گیری کردند، این پژوهش نه در یک محیط آزمایشگاهی ایزوله، بلکه در شرایطی نزدیک به محیط‌های صنعتی واقعی انجام شد. هدف اصلی این پروژه تنها جمع‌آوری داده نبود، بلکه آزمودن درستی مدل‌های تئوری بود که سال‌ها در این زمینه مورد استفاده قرار گرفته‌اند، این تحقیق می‌تواند به بهبود دقت پیش‌بینی‌ها و بهینه‌سازی فرایندهای صنعتی ذوب فلزات کمک کند.

نتایج این مطالعه حقایق تازه‌ای را آشکار کرده است. در مورد برخی عناصر همچون آهن، روی، آنتیموان و بیسموت، مدل‌های ترمودینامیکی موجود با داده‌های آزمایشگاهی تطابق به‌نسبت خوبی نشان دادند، اما هنگامی که نوبت به عناصری همچون قلع، نیکل و به‌ویژه سرب رسید، مدل‌های موجود با شکست مواجه شدند و پیش‌بینی‌ها در برخی موارد تا ده برابر بیشتر از مقدار واقعی بود، این بدان معناست که مدل‌های تئوری که کارخانه‌ها و سیستم‌های شبیه‌سازی به آنها اعتماد کرده‌اند، در شرایط خاص می‌توانند گمراه‌کننده باشند. این اختلاف تنها یک خطای کوچک نیست، بلکه هشداری جدی برای بازنگری اساسی در پارامترهای ترمودینامیکی سیستم‌های چندجزئی است.

اگر یک کارخانه ذوب بر اساس مدل‌های نادرست طراحی شود، در عمل مقادیر قابل‌توجهی از فلزات گران‌بها را از دست خواهد داد و هزینه‌های سنگینی را برای انرژی، مواد افزودنی و مدیریت پسماند متحمل خواهد شد، این پژوهش به‌وضوح نشان می‌دهد که مدل‌سازی باید همراه با آزمایش‌های عملی باشد، مدل‌های تئوری بدون تأیید تجربی می‌توانند نتایج فاجعه‌باری به همراه داشته باشند، اگر امروز با داده‌های دقیق و قابل اعتماد، رفتار واقعی مواد در فرایند ذوب را درک کنیم، فردا قادر خواهیم بود کارخانه‌هایی به‌طورکامل هوشمند و خودکار طراحی کنیم. تصور کنید یک کارخانه ذوب مس که در هر لحظه ترکیب شیمیایی سرباره را با حسگرهای پیشرفته پایش می‌کند، فشار اکسیژن را به طور دقیق تنظیم می‌نماید و فلزات ارزشمند را به گونه‌ای جداسازی می‌کند که حداقل تلفات ممکن را داشته باشد.

روزی خواهد رسید که ضایعات الکترونیکی و قطعات رایانه‌های امروزی (که اکنون دور ریخته می‌شوند) نه به عنوان زباله، بلکه به عنوان منبعی غنی از مس، قلع و نیکل شناخته شوند، اما برای تحقق این آینده، نیازمند ایجاد یک پایگاه داده عظیم و جامع از معادلات ترمودینامیکی دقیق و مطمئن هستیم که بتواند سیستم‌های پیچیده با ده‌ها عنصر مختلف را به درستی مدل‌سازی کند.

ماموریت امروز ما، شناسایی و تصحیح خطاهای موجود در مدل‌های کنونی و پالایش این مدل‌هاست، دستاورد فردی ما بهره‌برداری هوشمندانه از فرایند ذوب خواهد بود که در آن هیچ فلز ارزشمند یا انرژیی هدر نمی‌رود، هر کارخانه فولاد، واحد ذوب مس یا پالایشگاه، اگر بتواند به طور دقیق پیش‌بینی کند که چه میزان سرب در فلز باقی می‌ماند یا به سرباره منتقل می‌شود، قادر خواهد بود هزینه‌های تولید را کاهش دهد، کیفیت محصول نهایی را افزایش دهد و اثرات زیست‌محیطی خود را به حداقل برساند، بنابراین هنگامی که یک مدیر صنعت فولاد این مطالب را مطالعه می‌کند، به وضوح درمی‌یابد که اگر امروز برای این تحول آماده نشود، فردا برای همیشه از قافله پیشرفت عقب خواهد ماند، آینده از آن کسانی است که امروز پایه‌های آن را بر داده‌های دقیق و فناوری‌های هوشمند بنا می‌کنند.