متالورژی، از سپیده دم تاریخ تا امروز_بخش۴
فلزات به کار رفته در تخت جمشید
با بررسی و کاوش های مختلفی که در تخت جمشید و محوطه های باستانی اطراف آن صورت گرفته است، کارشناسان توانسته اند وسایل فلزی مختلفی را شناسایی کنند. یافتههای باستان شناسی فلزات در تخت جمشید نشان می دهد که ساکنان و صنعتگران این منطقه در ۲۵۰۰ سال پیش در مهندسی مواد فلزی از جایگاه بسیار والایی برخوردار بوده اند که شناسایی مهندسی و تفکری که در این مهندسی نهفته است از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.
متالورژی از سال ۵۰۰ پیش از میلاد تا ۱۵۰۰ میلادی
تا سال ۵۰۰ پیش از میلاد پیشرفتهای فنی قابل ملاحظه ای در استخراج معادن و بازیابی سنگ معدن ها انجام شد، پیشرفتهایی که مشخصا” با آغاز بررسی های علمی در متالورژی پیوند داشت. تا این زمان معادن غنی نقره حاوی سرب در یونان استخراج شده بود که به عمق چند صد متر می رسید. به دست آوردن نقره و سرب از کانیهای این معادن که بیشتر از نوع سولفید بودند یکی از مهمترین پیشرفتهای متالورژی در یونان بود. تهیه طلا و نقره از آلیاژ طبیعی “الکتروم” از دیگر وقایع مهم این دوره بود. طی هزار سال بین ۵۰۰ پیش از میلاد تا ۱۵۰۰ میلادی، انسان کشفهای علمی زیادی کرد که اهمیت زیادی داشتند. برای مثال ارشمیدس مخترع و ریاضیدان یونانی نشان داد که می توان از راه اندازه گیری وزن طلا و وزن آب جابجا شده بر اثر فرو بردن آن در آب یعنی از راه تعیین چگالی آن، خلوص طلا را مشخص کرد. در نیمه اول این هزاره، نخستین تولید مهم فولاد، با استفاده از روشی که پیش از آن مصریان باستان آن را می شناختند، در هند آغاز شد، این روش، فرآیند “ووتس” نام دارد و محصول آن فولاد اسفنجی است.
فولاد، آهنی است که تا ۲ درصد کربن دارد. آرسنیک، روی، آنتیموان و نیکل را(البته تنها به حالت آلیاژ) از زمانهای بسیار دور می شناختند. سرب نیز فلز شناخته شده ای بود و از آن ورق و لولهمی ساختند. از لوله های سربی در شبکه های آب رسانی استفاده می شد. قلع را رومیها برای پوشش دادن ظروفغذا به کار می برند.
طی سده های نخستین میلادی، دانشمندان زیادی به نام کیمیاگر معتقد بودند که می توان عنصری را به عنصر دیگر تبدیل کرد. گرچه آنها به هدفشان نرسیدند، اما تلاشهای کیمیاگران به شناخت بهتر فلزات و ترکیبات آنها کمک موثری کرد و اساس شیمی نوین را بنا نهاد. از حدود قرن ششم میلادی و در ۳۵۰۰ هزار سال پس از آن، مهم ترین ابداعات در علم متالورژی، در زمینه متالورژی آهن و فولاد بود.
نخستین استفاده مفید از آهن به دست آمده از کوره های سده های میانه، نه برای فولادسازی، بلکه برای تولید قطعات چدنی بود. چدن آلیاژی از آهن است با حدود دو تا چهار درصد کربن. قابلیت ریخته گری چدن بسیار بهتر از فولاد است. چدن شکننده است و نمی توان آن را چکش کاری یا نورد کرد.
متالورژی پس از ۱۵۰۰ میلادی
طی قرن شانزدهم میلادی، با انتشار کتابهایی در زمینه های مختلف متالورژی، این علم توسعه چشمگیری یافت.
در این بین، سه کتاب از اهمیت و اعتبار ویژه ای برخوردارند. نخستین کتاب در سال ۱۵۴۰ توسط ” وانوچیو بیرینگوچیو” نوشته شد. او در کتابش درباره ذوب فلزات، تفکیک طلا از نقره و تولید لوله و گلوله توپ بحث کرده است. کتاب او نخستین کتابی بود که با اسلوب علمی درباره ریخته گری نوشته شد. دومین کتاب را ” گئورگیس آگریکولا” دانشمند آلمانی نوشت. تخصص او، متالورژی استخراجی بود . او در کتابش درباره فرآیندهای خرد کردن و تغلیظ سنگ معدن، روشهای دقیق تعیین عیار سنگ معدن ها برای تصمیم گیری درباره ارزش اقتصادی استخراج آنها، ذوب فلزات و پالایش آنها بحث کرده است.
سومین کتاب در سال ۱۷۵۴ به وسیله “لازاروس ارکر” به زبان آلمانی نوشته شد که در آن کانیها و سنگ معدنها، پالایش فلزات، تولید سولفید آهن و نیترات سدیم تشریح شده است. با انتشار این سه کتاب و پیشرفت روشهای پژوهش، برخورد با مسائل مربوط به متالورژی هر چه بیشتر جنبه علمی یافت. از حدود ۱۵۰۰ میلادی تا میانه سده نوزدهم، پیشرفت متالورژی بیشتر متوجه تکنولوژیهای تولید آهن و فولاد بود. در همین دوران بود که کک وارد صنایع متالورژی شد .کک را از حرارت دادن زغال سنگ یا چوب در غیاب هوا بدست می آورند. کک سوختی است که در مقایسه با ذغال، بازده بیشتری دارد.
سوختی است که در مقایسه با ذغال، بازده بیشتری دارد.
در واقع کشف امکان تبدیل زغال سنگ به کک در سال ۱۷۰۹ میلادی، انقلابی در صنایع متالورژی آهن و فولاد بوجود آورد. از دوران باستان تا کنون مجموعا” ۸۷ فلز کشف شده که به جز ۷ فلزکشف شده در دوران باستان، ۲ فلز در قرون وسطی، ۱۵ فلز در قرن هجدهم میلادی، ۴۳ فلز در قرن نوزدهم میلادی و ۲۰ در قرن بیستم کشف شده اند. البته بین تاریخ کشف و زمانی که تولید فلزات از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده است، زمانی طولانی وجود دارد. چون در بررسی مسائل متالورژی نه تنها تولید فلز مهم است، بلکه موارد کاربرد آن نیز باید قابل توجیه باشد.
بعنوان مثال تولید صنعتی اورانیم حدود یک قرن پس از کشف آن، یعنی زمانی که پدیده شکافت اتمی فلزات هسته ای تحت استفاده مطلوب قرار گرفت، آغاز شد. غیر از فلزات مختلف، عوامل دیگری نیز متالورژی را گسترش دادند. ابداع روشهای نوین استخراج فلزات، تکمیل و ساخت کوره های تولید فلزات، تحقیقات واکتشافات گوناگون در رشته های زمین شناسی، معدن، بلورشناسی، شیمی، فیزیک، ترمودینامیک و دیگر علوم نظری و عملی، ابداعات مختلف در زمینه بررسی فلزات از جملهروشهای الکترولیز، طیف سنجی، کشف پدیده رادیواکتیویته، پی بردن به انرژی اتمی، پیشرفت صنایع هوا فضا که باعث توجه به فلز تیتانیوم شد، کشف نیمه رساناها،پیشرفت تکنولوژی ساخت مواد دیرگداز، روشهای نوین در متالورژی فیزیکی …. همه و همه در پیشرفت علم و مهندسی متالورژی نقش به سزایی داشته اند.
امروزه متالورژی را به دو بخش کلی شامل: متالورژی استخراجی و متالورژی صنعتی تقسیم می کنند تهیه فلزات از سنگ معدن آنها، در قلمرو متالوژی استخراجی و تهیه قطعات فلزی قابل مصرف مستقیم یا غیر مستقیم، از مواد اولیه فلزی مانند شمش، در قلمرو متالورژی صنعتی قرار می گیرد. به عنوان مثال ، آنچه در کارخانه ذوب آهن اصفهان تا مرحله تهیه شمش انجام می شود، عمدتا” مربوط به متالورژی استخراجی است.
خرد کردن سنگ معدن با دستگاههایی به نام سنگ شکن، آماده سازی مواد گوناگون دیگری که در تهیه فلز مورد نیاز هستند نظیر کک و آهک در ذوب آهن، عملیات شیمیایی مختلف بر روی سنگ معدن و سرانجام عملیات ذوب و پالایش و تهیه شمش فلز همگی جزو مراحل مختلف عملیات متالورژی استخراجی می باشد. آنچه پس از این انجام می دهند و محصول فلزی قابل مصرف مستقیم یا غیر مستقیم تولید می کنند، در حیطه دانش نظری و عملی متالورژی صنعتی قرار دارد.
نویسنده: آقای مهندس کامران خداپرستی