تحقیق در مورد ذوب آهن کلاس چهارم و پنجم

تحقیق در مورد ذوب آهن

ذوب آهن نقشی حیاتی در تمدن بشری داشته است زیرا امکان ایجاد ابزارها، ساختارها و نوآوری هایی را فراهم کرده است که دنیای ما را شکل داده اند. فرآیند استخراج فلز از سنگ معدن به انسان ها اجازه می دهد تا نوآوری هایی را در جهت ارتقاء سطح زندگی انجام دهند. ذوب آهن برای صنایع مدرن نیز بسیار مهم است زیرا می توان از این فلز برای کاربردهای مختلف مانند ساختمان ها، اتومبیل ها، هواپیماها و لوازم الکترونیکی استفاده کند. در ادامه اطلاعات بیشتری در مورد ذوب آهن در اختیار شما قرار خواهد گرفت با ما همراه باشید.

ذوب آهن چیست؟

فرآیند استخراج فلز از سنگ معدن آن به عنوان ذوب آهن شناخته می شود. وقتی این را می شنوید، ممکن است تصور کنید که این کار در واقع برداشتن مقداری فلز از یک بلوک سنگی بزرگ است، اما بهتر است بدانید چیزهای بیشتری در مورد این فرآیند وجود دارد. سنگ معدن چیزی بیش از ترکیبی از سنگ و فلز است.

از آنجایی که فلز موجود در سنگ معدن اغلب اکسید می شود، برای حذف اکسیژن به یک تبدیل شیمیایی نیاز است. در نتیجه، سنگ معدن حاوی فلز باید همراه با سوخت و شار (یک ماده تمیز کننده شیمیایی) در کوره بلند قرار داده شود. وقتی سنگ معدن در کوره گرم می‌ شود، فلز مذاب قابل جداسازی است و همزمان نیز یک محصول جانبی به نام سرباره تولید می شود که در واقع ناخالصی است که از خود سنگ فلز استخراج می شود.

تاریخچه ذوب آهن

ذوب کردن آهن در گذشته برای ساخت ابزار و سلاح های کلیدی استفاده می شده است. قدمت این تکنیک به 5000 سال قبل از میلاد برمی گردد، زمانی که اولین فلز یعنی مس، در خاورمیانه ذوب شد. اکتشافات فلزی مانند مس و برنز تأثیر شگرفی بر تاریخ بشر گذاشتند. ابتدا از این فلزات برای ساخت ابزارهای جنگی و همچنین کلاه‌خود، سپر و سایر زره‌های جنگی استفاده می شد. سپس از این فلزات برای ابزار هایی مانند تبر، اره و وسایل پخت و پز استفاده شد.

ابزار و مواد مورد نیاز برای ذوب آهن

ابزارها، مواد و تجهیزات مختلفی برای فرآیند ذوب آهن مورد نیاز است. در زیر لیستی از برخی از اجزای ضروری آورده شده است.

-کوره ذوب

با توجه به نوع فلزی که استخراج می شود و نیازمندی های فرآیند ذوب، یک کوره ذوب مانند کوره بلند و یا کوره های مشابه مورد نیاز است.

-منبع سوخت

برای ایجاد دمای مورد نیاز برای ذوب آهن وجود یک منبع سوخت مانند زغال سنگ، کک، گاز طبیعی یا برق ضروری است که می توان هریک از آنها را با توجه به دسترسی مورد استفاده قرار داد.

-عامل کاهنده

به منظور کاهش اکسید آهن در هنگام فرآیند ذوب آهن لازم است از یک عامل احیا کننده مانند زغال چوب یا کک استفاده شود که اغلب به آن عامل کاهنده می گویند.

-شار

شار در واقع ماده ای است که در فرآیند ذوب آهن برای حذف ناخالصی استفاده می شود. انواع مختلف شار عبارتند از بوراکس، سنگ آهک یا سیلیس که همچنین به عنوان شار کمک می کنند که سرباره به شکل مایع تشکیل شود و در نتیجه می توان آن را راحت تر از کوره خارج کرد.

-سنگ معدن

سنگ معدن در واقع ماده خام و اولیه است که برای ذوب سنگ معدن فلزی استفاده می شود و پس جمع آوری ابتدا خرد می شود و سپس فرآوری و گاهی نیز تغلیظ بر روی آن صورت می گیرد.

-وسایل حفاظتی

برای افرادی که در کارخانه هایی مانند ذوب آهن کار می کنند استفاده از وسایل حفاظتی مانند دستکش های ضد حرارت، عایق صورت و ماسک های محافظ برای مراقبت در برابر دمای شدید، فلزات سمی و قرار گرفتن در معرض ترکیبات خطرناک ضروری است زیرا می تواند تا حد زیادی به ایمن افراد کمک کند.

-کنترل و مانیتورینگ دما

برای انجام فرآیند ذوب آهن اغلب باید از وسایلی مانند ترموکوپل ها، دماسنج های مادون قرمز یا پیرومترها به منظور اندازه گیری و کنترل دمای درون کوره استفاده کرد زیرا این فرآیند به دقت بالایی نیازمند است.

-ابزارها

برای ضربه زدن و جدا کردن فلز مذاب و سرباره در فرآیند جداسازی فلز از سنگ معدن اغلب از ابزارهای مانند انبر یا ابزار ملاقه مانند استفاده می شود.

-تجهیزات ریخته گری

پس از بین بردن ناخالصی های فلز از قالب ها و تجهیزات ریخته گری برای شکل دادن فلز خالص در حین سرد شدن و سخت شدن استفاده می شود.

– تهویه و فیلتر هوا

تجهیزات تهویه و فیلتر هوا از طریق جذب ذرات معلق و آلاینده‌ های گازی خطرناک به کاهش آلودگی هوا کمک می کنند.

-مدیریت پسماند

به منظور حفظ محیط زیست و کاهش اثرات مخرب پسماند کارخانجات، مدیریت پسماند بسیار ضروری است به همین دلیل اغلب ذخیره سازی و یا بازیافت محصولات زائد مانند سرباره، فاضلاب و سایر مواد باید به خوبی انجام شود.

فرآیند ذوب آهن

ذوب، یک روش گرما محور، برای استخراج فلزات از سنگ معدن است که شامل سنگ معدن خام، گرما و کمک کننده ای به نام عامل احیا کننده (معمولاً کربن یا کک) است. هدف اصلی از فرآیند ذوب جداسازی فلز از ناخالصی هایی مانند اکسیدها و سیلیکات های موجود در سنگ معدن است.

– آماده سازی

قبل از انجام فرآیند ذوب آهن، سنگ معدن خرد و آسیاب می شود تا با عامل احیا کننده بهتر عمل کند. این فرآیند تاثیر عامل احیا کننده بر سنگ معدن را افزایش می دهد. در بسیاری از موارد، سنگ معدن حاوی ناخالصی هایی است که برای یک فرآیند ذوب موفق باید حذف شوند. حتی گاهی اوقات از روش هایی مانند شناورسازی یا آهنربا برای از بین بردن ناخالصی ها و خالص سازی فلز استفاده می شود.

-برشته کردن

برای سنگ معدن های دارای گوگرد (به نام سنگ معدن سولفید) باید از روش خاصی استفاده کرد. این روش شامل حرارت دادن سنگ آهن به وسیله اکسیژن برای تبدیل گوگرد به گاز و آسان کردن و کارآمدتر کردن فرآیند ذوب است.

-کوره ذوب

مرحله بعدی قرار دادن سنگ آهن آماده شده در یک کوره فوق داغ است. این می تواند کوره بلند، کوره قوس الکتریکی باشد. این کوره ها بین 1200 تا 1600 درجه سانتی گراد داغ می شوند. این گرمای شدید برای تبدیل سنگ آهن به شکل خالص بسیار مهم است.

-احیا

در کوره سوزان، اکسیدهای فلز در سنگ معدن با عامل احیا کننده (معمولا زغال چوب یا کک) ترکیب می شوند. این فعل و انفعال شدید گرمایی یک فرآیند کاهش را آغاز می کند که اکسیدهای فلزی را به فلز مورد نظر مانند آهن فلزی تبدیل می کند. در طی این کاهش، برخی از محصولات فرعی گازی از جمله دی اکسید کربن یا مونوکسید کربن نیز تولید می شود.

با پیشرفت کاهش، فلز مذاب سنگین تولید شده از سنگ معدن به کف کوره فرو می رود. این فلز متراکم و مذاب همان چیزی است که باید استخراج کنیم. علاوه بر این، ناخالصی ‌های سبک ‌تر، که اغلب سرباره نامیده می‌ شوند، به دلیل چگالی کمتر روی سطح شناور می ‌شوند. سرباره حاوی مواد غیر فلزی و ناخالصی های دیگر است.

-جداسازی

بعد از این فرآیند آتشین، فلز مذاب و سرباره را جداگانه خارج می کنیم. گاهی اوقات، فلز را بیشتر تصفیه می کنیم و بقایای باقی مانده را با استفاده از روش هایی مانند الکترولیز یا شستشوی شیمیایی حذف کنیم. جداسازی بسیار مهم است زیرا تضمین می کند که فلز خالص از ناخالصی ها به شکل سرباره جدا شود

-ریخته گری

این فلز خالص جدا شده و تصفیه شده، آماده ریخته گری در قالب است. فلز مذاب در قالب ریخته می شود که بسته به کاربرد مورد نظر می تواند شکل و اندازه آن متفاوت باشد. اینجا جایی است که فلز شکل نهایی خود را می گیرد. برای اطمینان از تولید فلز مورد نظر، باید دما، فشار و آنچه در داخل مخلوط ذوب می‌ گذرد را نظارت و کنترل کنیم.

چالش های ذوب آهن

فرآیند ذوب آهن روشی است که با چالش های گوناگونی همراه است زیرا مشخص نیست که در هنگام ذوب، فلز مورد نظر را بدست آورید گاهی فقط می توان تمام مراحل جمع آوری و ذوب سنگ آهن را برای تولید ناخالصی ها و سرباره انجام داد. علاوه بر این برای اینکه یک تکه فلز به شکل قابل استفاده در آورده شود ممکن است لازم شود آن را ساعت‌ها چکش زنی کنید، دوباره حرارت دهید و سپس دوباره چکش بزنید.

کاربردهای ذوب آهن

صنایع مختلفی از ذوب فلزات برای انجام فعالیت ها و تولیدات خود استفاده می کنند. ذوب آهن و فلزات دیگر در تولید فولاد که به عنوان یک ماده تولیدی مهم برای طیف گسترده ای از صنایع کاربرد دارد، استفاده می شود. فولاد همچنین فلزی است که در صنایع ساخت و ساز استفاده می شود به عنوان مثال در بسیاری از دستگاه ها و وسایل روزمره نیز به کار برده می شود.

ذوب آهن چگونه بر محیط زیست تأثیر می گذارد؟

فرآیند ذوب آهن ممکن است به دلیل تخلیه آلاینده ها، مصرف منابع و ایجاد زباله، تأثیر قابل توجهی بر محیط زیست داشته باشد. در زیر برخی از خطرات زیست محیطی عمده مرتبط با ذوب آهن ذکر شده است:

– آلودگی هوا

طی فرآیند ذوب آهن گازها و ذرات معلق متعددی از جمله دی اکسید گوگرد، اکسیدهای نیتروژن، مونوکسید کربن، دی اکسید کربن و گرد و غبار فلزات در محیط منتشر می شوند. به عنوان مثال، باران اسیدی می تواند ناشی از دی اکسید گوگرد باشد که به اکوسیستم، خاک و آب آسیب می رساند. اکسیدهای نیتروژن در ایجاد مه دود نقش دارند و برای سیستم تنفسی انسان مضر هستند.

– انتشار گازهای گلخانه ای

نیاز به انرژی بالا برای ذوب، به ویژه در هنگام استفاده از سوخت های فسیلی، باعث انتشار گازهای گلخانه ای گسترده به ویژه دی اکسید کربن می شود.

-تولید زباله

فرآیند ذوب آهن زباله های زیادی مانند سرباره تولید می کند که می تواند شامل فلزات سنگین و سایر مواد مضر باشد. دفع یا مهار ضعیف سرباره می تواند باعث آلودگی خاک و آب شود که هم اکوسیستم و هم سلامت انسان را به خطر بیندازد.

-آلودگی آب

آب اغلب در فرآیند ذوب برای خنک کردن، پاک کردن و… به کار برده می شود. در نتیجه، فاضلاب های آلوده از جمله فلزات، اسیدها و سایر مواد اگر تخلیه شوند و به درستی تمیز نشوند، حیات آبزیان را به خطر می اندازد و سلامت انسان را تهدید می کند.

-کاهش منابع

ذوب فلزات از سنگ معدن منجر به تخلیه منابع تجدید ناپذیر مانند سنگ معدن فلزی و سوخت های فسیلی می شود که می تواند اثرات زیست محیطی طولانی مدت داشته باشد.

با توجه به موارد فوق در حال حاضر فرآیند ذوب به روش های مدرن و روش‌ های مختلفی برای کاهش مشکلات زیست ‌محیطی مانند سیستم‌ های پاک کننده گاز برای کاهش انتشار هوا، تصفیه فاضلاب برای جلوگیری از آلودگی آب و همچنین استراتژی ‌های مدیریت پسماند مؤثر برای مدیریت سرباره و سایر محصولات جانبی استفاده می ‌کند.

بیشتر بخوانید:

تحقیق در مورد میکروسکوپ کلاس ششم + انواع میکروسکوپ