هرگونه محصول مستعمل و پسماند‌شده توسط انسان، به تقویت ظرفیت معادن شهری می‌انجامد. به‌عبارتی انسان‌ها با مصرف مواد و پسماند‌کردن بخشی از آن، در حال ایجاد معادن شهری هستند. در سطح شهرها منابعی مانند زباله‌های شهری، دورریزهای الکترونیک و الکتریک، نخاله‌های ساختمانی، گورستان ماشین‌آلات، انواع پساب‌ها و فاضلاب‌های شهری و صنعتی، پسماندهای کارخانجات صنعتی و تمام موارد انسان‌پدید (به غیر از سوخت و غذا)، به معدن غنی و بزرگی به نام «شهر» معنا می‌بخشند. قابل توجه آنکه در این معدن، بخش مهمی از هزینه استخراج مواد، یک‌بار پرداخت شده است. در اقتصاد چرخه‌ای، برخلاف اقتصاد خطی، تا جای ممکن مواد و محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرند و در نهایت «بازیافت» می‌شوند. معدنکاری مرسوم، خارج از اقتصاد چرخه‌ای است اما استفاده از باطله‌ها و پسماندهای معادن برای بازیابی مواد معدنی، جزئی از شهرکاوی است.
اهداف کلید معدنکاری شهری
هدف معدنکاری شهری مدیریت و استفاده از آنتروپوسفر به عنوان منبع مواد خام است. معادن شهری بخش مهمی از اقتصاد چرخه‌ای هستند و تا حدی زیادی استقلال از منابع طبیعی را فراهم می کند و امنیت عرضه را افزایش می دهند. از سوی دیگر، انرژی مورد نیاز برای تولید فلز از معدنکاری شهری تنها درصدی ازتولید از منابع اولیه است. در نهایت آنکه، تمام محصولات روزی به پایان عمر مفید خود می‌رسند و منبع بالقوه مواد اولیه در معدنکاری شهری هستند. در ادامه مهمترین تفاوت‌های معدنکاری شهری و معدنکاری متداول سنگ معدن ارائه می‌شود:
ویژگی‌های معدنکاری شهری:
- • بر اساس منابع انسانی
- • نیازمند اکتشاف و شناسایی منابع
- • شامل مقدار محدودی از مواد در آنتروپوسفر
- • نگهداری فلزات برای مدت طولانی‌تر در چرخه و فراهم کردن کمک‌های قابل توجهی در تامین برخی از فلزات
- • متمرکز در مناطق شهری (به ویژه در کشورهای صنعتی)
- • اثرات زیست محیطی مثبت
- • حمایت بیشتر مردم از آن
- • مشارکت عموم جامعه
ویژگی شیوه متداول استخراج:
- • بر اساس منابع زمین شناسی
- • نیازمند اکتشاف و شناسایی منابع از استانداردهای موجود
- • محدودیت در دسترس بودن ذخایر زمین شناسی
- • منبع تمام فلزات در حال استفاده
- • متمرکز در چند محل خاص
- • اثرات زیست محیطی منفی
- • حمایت کمتر مردم از آن
- • مشارکت افراد محدود
معدنکاری شهری آلومینیوم
کمبود ذخایر بوکسیت در ایران الزام معدنکاری شهری در این صنعت را عیان می‌سازد. در این میان، بازیافت بی‌نهایت بدون از دست‌دادن خواص اصلی، چیزی است که آلومینیوم را در سراسر جهان در صنایع مختلف فلزی محبوب می کند. بازیافت ضایعات آلومینیوم تنها نیاز به ۵درصد از انرژی تولید آلومینیوم جدید را دارد. به همین دلیل، حدود ۳۱درصد از تمام آلومینیوم تولید شده در ایالات متحده از قراضه بازیافت می‌شود.
ضرورت معدنکاری شهری آلومینیوم
در دهه‌های اخیر بخش وسیعی از آلیاژهای آلومینیوم کارپذیر دنیا از بازیافت قراضه یا ضایعات آلومینیوم تأمین و در صورت دارابودن کیفیت مطلوب، در فرایند اکستروژن و تولید پروفیل آلومینیوم از آنها استفاده می‌شود .این قراضه و ضایعات ناشی از پسماندهای صنعتی و قطعات اسقاطی است و باعث ایجاد ارزش افزوده در شبکۀ تولید می‌شوند. به هر حال جایگزین‌کردن حتی بخش کوچکی از آلومینیوم اولیه در آلیاژهای کارپذیر به وسیلۀ قراضه‌های بی‌ارزش (که معمولاً این قراضه‌ها دارای ناخالصی‌های مختلف غیرفلزی می‌باشند) بدون اینکه این ناخالصی‌ها تأثیری در کیفیت آلیاژ بگذارد، از نقطه نظر متالورژی بسیار با ارزش است. تولیدکنندگان آلیاژهای کارپذیر باید قراضه‌هایی را از نظر کمی و کیفی انتخاب کنند که از نظر ترکیبات شیمیائی با آلیاژ کارپذیری که قرار است تولید شود هم خوانی داشته باشد .از این رو باید توجه ویژه‌ای به جداسازی آلیاژهای آلومینیوم شود.
مراحل معدنکاری شهری آلومینیوم
- • دریافت مواد قابل بازیابی: استفاده از صددرصد آلومینیوم بازیافتی به عنوان مواد اولیه ضایعات کارخانه های صنعتی و محصولات پایان عمر.
- • آماده سازی: مرتب کردن تراشه‌های آلومینیومی، برش، فشار و بریکت سازی
- • ذوب شدن: ذوب در کوره های چرخشی و افزودن نمک (کلرید سدیم و پتاسیم) فلز جهت محافظت از اکسیداسیون خالص و انتقال مذاب به کوره های آلیاژی جهت دستیابی به خواص محصول نهایی
- • آلیاژسازی / پالایش: اضافه کردن سیلیکون و مس به آلومینیوم مذاب در کوره‌های آلیاژی، خالص کردن و حذف آلاینده‌ها با گازهای نیتروژن و کلر ،بازیافت سرباره و نهایتا تصفیه گاز دودکش در کارخانه
- • کنترل کیفیت: نمونه برداری و آنالیز مواد در آزمایشگاه در طول کل فرآیند، برای اطمینان از تجزیه و تحلیل صحیح و تضمین برآورده شدن نیازهای مشتری
- • بسته بندی و تحویل: تولید محصولات آلومینیومی نهایی عمدتاً به صورت شمش و همچنین به صورت مایع
- • محصولات جدید: بازگشت آلومینیوم به کارخانه است و تولید محصولات جدید و سازگار با آب و هوا
مشکلات موجود در بازیافت آلیاژهای آلومینیومی
اصلی ترین مشکل در تولید آلیاژهای آلومینیومی کارپذیر از قراضه، رسیدن به یک ترکیب شیمیایی در مرحله ذوب شدن است در حالی که از حداقل آلومینیوم اولیه و عناصر آلیاژی در آن استفاده شود. از نظر تکنیکی، مشکل در تکنولوژی دست نیافته‌ای است که برای کاهش غلظت عناصر مهم و بحرانی مثل: مس، آهن، منگنز و روی در ذوب که در مرحله جداسازی انواع مختلفی از قراضه‌ها بوجود می آیند. زمانی که غلظت این عناصر بحرانی در مرحله ذوب بالاتر از حد مجاز آلیاژ کارپذیر بوجود بیاید، تنها راه حل عملی، کم‌کردن این ناخالصی با افزودن شمش اولیه است.
یک راه حل تکنیکی دیگر جلوگیری از تشکیل ترکیبات نادرست به وسیله پیش‌بینی‌کردن این ترکیبات شیمیایی مواد در مرحله قبل از ذوب است. اساساً، یک راه حل سوم دیگر هم وجود دارد که در واقع متقاعد کردن مشتریان برای پذیرفتن آلیاژ اکسترودی بازیافتنی به صورتی که محدودیت ترکیبی در آن وجود داشته باشد است. این می تواند در آینده شیوه‌ای مناسب برای تولید آلیاژهای کارپذیر باشد و این که با مشتریان دست در دست هم داده تا بتوان بهبودی در ترکیبات آلیاژی داد. اما برای آلیاژهای موجود و آلیاژهای مورد نیاز مشتریان معمولاً محدودیت هایی وجود دارد و البته میزان ریسک آن نیز بالاست. در بیشتر طرح های امروزی، عمدتا روش بازیافت آلومینیوم، مخلوط قراضه‌ها به میزان درست یا رقیق کردن آن ها در حین ذوب است .در این حالت، سود در ترکیب فلز بازیافت حتی با آلومینیوم اولیه تعیین می شود.
موانع تولید آلومینیوم آلیاژی کارپذیر از قراضه
اول: منابع مداوم و همیشگی قراضه‌های قدیمی و جدید که به مقدار کافی متمرکز شده در یک ناحیه باشند و توجیهی برای کاهش هزینه باشند و توجه به این نکته که این منابع تا چه حد به جهت برآورد هزینه جمع‌آوری در هر منطقه وجود دارد.
دوم: وجود ساختارهای جمع آوری کننده و دسته‌بندی‌کننده قراضه‌ها که شامل وسایلی است که ناخالصی‌ها و مواد ناخواسته را از این قراضه‌ها جدا و آنها را به چرخه بازیافت وارد کند.
سوم: روشی که در بازیافت نسبت به تولید آلومینیوم اولیه اقتصادی و قابل رقابت باشد.
چهارم: بازاری که مایل به قبول ترکیب و کیفیت آلومینیوم آلیاژی کارپذیر تولید شده از این قراضه‌ها باشد.
در قراضه‌های تمیز و دسته بندی شده (اساساً نو و یا صنعتی) که گران‌تر هم هستند، غلظت عناصر حساس کمتر است؛ در حالی که در قراضه‌های قدیمی با قیمت های پائین غلظت این عناصر بسیار بیشتر است. از سوی دیگر، در قراضه کهنه شهری که مهمترین منبع آلومینیوم محسوب می‌شوند، غلظت عناصر حساس(سیلیکون، آهن، مس، منگنز، روی و منیزیم) هر چه قدر هم که کم باشد برای ذوب مجدد و استفاده در ترکیبات کارپذیر (بدون رقیق کردن آنها بوسیله آلومینیوم اولیه) بسیار زیاد است.
مشکلات آینده در زمینه بازیافت آلومینیوم
مهمترین دلیل برای افزایش تقاضای مصرف قراضه با درجه پایین در تولید آلیاژ کارپذیر، افزایش منفعت، کمبود قراضه تمیز و قیمت بالای آلومینیوم اولیه است. مصرف زیاد قراضه با درجه پایین (مثل قراضه‌های بیرونی آلوده) در تولید آلیاژهای آلومینیومی کارپذیر، رسیدن به کیفیت استاندارد در محصولات نهایی مانند پروفیل آلومینیومی را بیشتر دچار مشکل می کند. بنابراین، دسته بندی قراضه‌ها از آلیاژی به آلیاژ دیگر یا حداقل در یک سری از آلیاژها، مخلوط کردن مناسب از انواع آلیاژها به منظور رسیدن به ترکیب شیمیایی مناسب قبل از ذوب کردن و البته با کمترین مصرف از شمش ها و عناصر آلیاژی، تکنولوژی ذوب پیشرفته برای رسیدن به استانداردهای محیطی مورد نیاز علاوه بر پالایش و فیلتر کردن به منظور مطمئن شدن از کیفیت استاندارد آلیاژ به طور گسترده لازم و ضروری می باشند.
توسعه آلیاژ جدید با خواص مورد نظر (مثل خواص کششی، کارپذیری و شکل‌گیری و غیره) می تواند فقط از طریق دستیابی به محدودیت های ترکیبی با قابلیت انعطاف بالا حاصل شود. رسیدن به چنین ترکیبات کارپذیری از بازیافت آلومینیوم و نشان‌دادن این توانایی‌ها و خواص به مشتری و صرفه اقتصادی آن لازم و ضروری می باشد.
در نهایت، راه اندازی تولید با منابع آلومینیوم متناوب و با قیمت مناسب از یک سو و ادامه تولید با منابع فلزی که به راحتی در دسترس باشند، مهمترین چالش‌های تولیدکنندگان آلیاژهای آلومینیوم کارپذیر هستند. همچنین باید توجه داشت، در مقایسه با قراضه‌های مخلوط شده برای پالایش‌دهندگان، قراضه‌ها برای ذوب‌شدن باید از نظر ترکیبات شیمیایی به خوبی جدا شوند و با آلیاژ کارپذیری که قرار است تولید شود، هم‌خوانی داشته باشند.
هاجر السادات محقق مطلق
مدیر گروه فرآیند معدنی شرکت فولاد تکنیک