تولید روی

پیش تر بخش زیادی از روی را از طریق احیای کربوترمی بدست می آوردند و از فرایند های قرع افقی و عمودی استفاده می کردند که بر پایه اصول یکسانی کار میکنند.

قرع افقی

قرع افقی معمولاً از شاموت ساخته می شود که قطری حدود 0.3 متر  و طول 1.5 متر دارد. کوچک بودن سطح مقطع برای انتقال حرارت داخل قرع در زمان معقول ضروری است. تعداد زیادی قرع در محفظه کوره چیده می شوند و با استفاده از گاز های داغ احتراق گرم می شوند. بخار روی خارج شده از قرع، در کندانسور هایی که با هوا خنک می شوند چگال میشود، گاز کربن مونوکسید  در دهانه کندانسور سوزانده می شود و در نهایت ادامه کار پیش برده می شود.

احیای روی موجود در بار در قرع طی زمان 24 - 48 ساعت طول می کشد. عمر مفید قرع ها از 35 تا 40 روز است. این عملیات هم در بخش بارگیری و تخلیه قرع ها و هم در تخلیه کندانسور به صورت دستی انجام می شود و با توجه به هزینه های بالا سوخت و نیروی کم و همچنین راندمان کم در واقع این روش تا حدود زیادی منسوخ شده است.

قرع عمودی

قرع عمودی

از کاربید سیلیسیوم ساخته می شود که هدایت حرارتی خوبی دارد. به شکل ستونی با مقطع مستطیل با ارتفاع 10 تا 15 متر و طول 2 متر و عرض 0.3 متر می باشد. این قرع ها از بیرون گرم می شوند و در فواصل بین آنها محفظه های  تا احتراق وجود دارد. قرع ها با بریکت های تهیه شده از زغال و اکسید روی زینتر شده که از قبل پخته شده اند و تا دمای 700 تا 800 درجه سانتی گراد پیش گرم شده اند بارگیری می شوند. با حرارت دهی بیشتر تا دمای بالاتر از 900 درجه سانتی گراد، واکنش کربوترمی انجام می شود و زمانی که بریکت ها به ته قرع برسند تقریباً تمام روی آنها خارج می شود و بریکت های مصرف شده از قیمت پایین قرع تخلیه می شوند. مقدار کمی از گاز مصرف شده احتراق از ته قرع وارد می شود تا از چگال شدن روی در قسمت های پایینی قرع جلوگیری کند و آن را به سمت بالا بفرستد. گاز از بالای قرع خارج شده و وارد کندانسور می شود. در داخل کندانسور حوضچه ای از روی مذاب وجود دارد که در دمای 500 درجه سانتی گراد قرار میگیرد. با استفاده از پره های چرخان، قطرات روی مذاب به هوا پرتاب می شوند و بخار روی آنها چگال می شوند. چرخش این پره ها همچنین باعث به هم پیوستن قطرات مذاب می شود. به هم پیوستن قطرات کمک می کند که با سرد کردن سریع تا حدودی اکسیداسیون مجدد را به تاخیر بیندازیم. برای خارج کردن گرمای حاصل از چگالش، یک حوضچه ای از روی مذاب را باید به طور مداوم با استفاده از آب خنک کنیم تا دمای آن ثابت بماند. بعد از چگالش روی، گاز باقی مانده که بخش عمده آن را CO تشکیل می دهد در دستگاه شستشوی گاز شسته می شود و به عنوان بخشی از سوخت مورد نیاز برای گرم کردن قرع ها مورد استفاده قرار می گیرد. معمولاً عمر هر قرع بین سه تا پنج سال است.

حرارت مورد نیاز به روش الکتریکی هم قابل تامین است. در کوره روی ژوزف تاون (Josephtown) که به شکل استوانه ای با حدود 15 متر ارتفاع است، انرژی الکتریکی از میان یک سری الکترود ها عبور داده می شود و کک موجود در بار به عنوان مقاومت الکتریکی عمل می کند. از آنجایی که در این روش حرارت داخل بار آزاد می شود، محدودیتی از نظر ابعاد و اندازه های کوره وجود ندارد. سطح مقطع 2 در 4 متر هست و ظرفیت تولید بالاتر است.

فرایند استرلینگ (Sterling)

در فرایندی موسوم به فرایند استرلینگ (Sterling) مخلوط کک و مواد زینتر شده حاوی روی در کوره قوس الکتریکی تا دمای خاصی حرارت داده می شود که سرباره مذابی تشکیل می دهد. در چنین شرایطی تمام سرب احیا شده به صورت سرب مذاب بدست می آید و گوگرد موجود همراه آهن و مس، مات مذاب را تولید می کند. همچنین مقداری آهن نیز تشکیل می شود. بخار روی از کوره خارج می شود و به همان روش مورد استفاده در قرع عمودی چگال می شود. فرایند استرلینگ در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار نگرفت که یک دلیل آن می تواند مصرف بالای انرژی الکتریکی باشد.

دمنده ها

فرایند امپریال اسملتینگ (Imperial Smelting Process)

جدید ترین و جالب ترین روش گدازش روی فرایند کوره بلند فرایند امپریال اسملتینگ (Imperial Smelting Process) یا ISP می باشد. که به تدریج به روش غالب کربوترمی روی در دنیا تبدیل می شود. در این کوره بار ورودی شامل زینتر روی و کک می باشد که پیش از ورود به کوره تا حدود 500 درجه سانتی گراد گرم می شود و از طریق یک سیستم بارریزی زنگی شکل وارد کوره می شود. هوای پیش گرم شده از دمنده ها وارد می شوند و با کک واکنش می دهند و علاوه بر تشکیل گاز CO دمای بالای 1300 درجه سانتی گراد را نیز ایجاد می کنند. گاز CO به سمت بالای استوانه می رود و با ZnO و اکسید های دیگر مثل PbO واکنش می دهد و ترکیب گاز بالای کوره شامل حدود 5 درصد روی، 10 درصد کربن دی اکسید، 20 درصد کربن مونوکسید و ما بقی نیتروژن می باشد. ترکیب گاز کوره باید به نحوی باشد که نسبت کربن دی اکسید به کربن مونوکسید حدود 0.5 و فشار بخار جزیی روی حدود 0.05 اتمسفر باشد تا در دماهای بالای 950 تا 1000 درجه سانتی گراد پایدار باشد. ولی با کاهش دما از این مقدار اکسیداسیون مجدد اتفاق می افتد. برای اینکه دما به اندازه کافی بالا باشد از واکنش پسا احتراق استفاده می شود. یعنی مقدار کمی هوا را از بالای کوره وارد می کنند و این هوای با کربن مونوکسید موجود می سوزد و گرما آزاد می کند. جالب توجه است که اینجا هوا برای ممانعت از اکسیداسیون مجدد وارد می شود. مخلوط گازی داغ در دمای 1000 درجه سانتیگراد از کوره خارج می شود و با ورود به یک کندانسور ناگهان تا دمای 550 درجه سانتی گراد سرد می شود. وقتی گاز در حال ورود به کندانسور است با قطرات پاشیده شده از گاز مذاب برخورد می کند، روی چگال می شود و بدون رخ دادن اکسیداسیون مجدد در سرب حل می شود. روی تا 2.5 درصد وزنی در سرب حل می شود. این مذاب از کندانسور خارج شده و در دمای 440 درجه سانتی گراد در مخازن خنک کننده سرب (Lead Cooling Launders) سرد می شود. مطابق شکل، در این دما مذاب به دو بخش مجزا تقسیم می شود. یکی فاز روی با حدود 1 درصد سرب و دیگری فاز سرب با حدود 2.25 درصد روی است. فاز روی خارج می شود و برای مراحل بعدی فراوری می شود. در حالی که فاز سرب به کندانسور برگردانده می شود. بنابراین درصد روی فاز سرب فقط به اندازه 0.25 درصد تغییر می کند و به ازای هر تن روی تولید شده در حدود 400 تن سرب باید بین کندانسور و مخازن خنک کننده در گردش باشد. اگر که برای جدایش بجای استفاده از مخزن جداگانه، جدایش در همان محفظه چگالش انجام شود، روی در بالای مذاب قرار می گیرد و چرخش پره ها ذرات را به هوا می پاشاند. در حالی که مطلوب این است که ذرات سرب با احتمال اکسیداسیون کمتر به هوا پاشیده شود و روی را در خود حل کند. روی بدست آمده از کوره ISP حدود یک درصد سرب و مقادیر جزئی از عناصر کادمیم، آرسنیک و آنتیموان دارد که از کانه روی بدست می آیند. به روی با این مقدار خلوص، روی پرایم وسترن (Prime Western) میگویند که برای مقاصدی مانند گالوانیزاسیون و تولید برخی از انواع برنج ها مناسب است اما برای تولید آلیاژ های ویژه روی خلوصی خیلی بالاتر از این حد مورد نیاز ما است. چنین درصد خلوصی با تصفیه روی با استفاده از تقطیر بدست می آید. بجای سرد کردن و جدایش مذاب به دو فاز مستقل مذابی می توان مذاب سرب روی را که از کندانسور به دست می آید تحت تقطیر در خلا قرار دهیم که درجه های متفاوتی از روی با خلوص متفاوت بدست می آید.

جستار های وابسته

• کوره بلند
• احیای اکسید فلزات
• Zinc smelting
• روی

منابع

• Porter, Frank (1991) Zinc Handbook: Properties, Processing, and Use in Design CRC Press, pp. 16–17, ISBN 0-8247-8340-9
• Zinc processing, Encyclopædia Britannica Inc., retrieved 2008-04-18.
• Porter, Frank C. (1991). Zinc Handbook. CRC Press. ISBN 978-0-8247-8340-2.
• Bodsworth, Colin (1994). The Extraction and Refining of Metals. CRC Press. p. 148. ISBN 978-0-8493-4433-6