مواد و ساخت پیشرفته

مس بدون اکسیژن یا مس اکسیژن‌زدایی شده که به اختصار OFC نامیده می‌شود نوعی مس با خلوص بسیار بالا است که حاوی مقادیر بسیار کمی اکسیژن، معمولاً کمتر از 0.001 درصد است. این نوع مس به دلیل فرآیند تولید ویژه‌ای که در آن اکسیژن از مس حذف می‌شود، دارای ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی بهتری نسبت به مس معمولی است.

از مس بدون اکسیژن در مواردی مانند تولید کابل‌های صوتی با کیفیت بالا، تجهیزات الکترونیکی حساس، سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتورها و برخی از قطعات صنعتی استفاده می‌شود. ویژگی‌های برجسته مس بدون اکسیژن شامل رسانایی الکتریکی بسیار بالا، مقاومت کم در برابر خوردگی و قابلیت انتقال حرارت بالا است که هر ویژگی‌ آن را برای کاربردهای خاصی مناسب می‌سازد.

برای تولید مس بدون اکسیژن فرآیند پیچیده و ویژه‌ای استفاده می‌شود که طی آن، مس با خلوص بالا تولید و هرگونه اکسیژن یا سایر ناخالصی‌ها از آن حذف می‌شود. این فرآیند به شرح زیر است:

ذوب کردن مس:

فرآیند با ذوب کردن مس خالص آغاز می‌شود. در این مرحله، مس در کوره‌هایی با دمای بسیار بالا معمولاً بالای 1000 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود.

حذف ناخالصی‌ها:

در فرآیند ذوب، ناخالصی‌ها و اکسیژن به صورت طبیعی در مذاب مس وجود دارند. برای حذف این ناخالصی‌ها از روش‌هایی مانند تزریق گازهای خنثی (مانند آرگون) یا استفاده از فلاکس‌های خاص که ناخالصی‌ها را به سطح مذاب می‌برند، استفاده می‌شود. در این مرحله، اکسیژن و سایر ناخالصی‌ها از مذاب جدا می‌شوند.

کاستینگ تحت خلأ:

برای اطمینان از حذف کامل اکسیژن، مذاب مس به‌صورت مستقیم در یک محفظه تحت خلأ ریخته می‌شود. در این حالت، هرگونه اکسیژن باقیمانده از مس جدا می‌شود و خروجی نهایی مس با خلوص بسیار بالا و عاری از اکسیژن خواهد بود.

شکل‌دهی و سرد کردن:

پس از ریخته‌گری، مس به صورت‌های مختلف (مانند سیم‌ها، میله‌ها یا ورق‌ها) شکل داده می‌شود. سپس به آرامی سرد می‌شود تا ساختار بلوری مناسبی داشته باشد.

آزمون و بازرسی:

پس از تولید، محصول نهایی از نظر خلوص و خواص فیزیکی و الکتریکی مورد آزمایش و بازرسی قرار می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که تمام استانداردهای مس بدون اکسیژن رعایت شده‌اند.

با طی این مراحل مس بدون اکسیژن با رسانایی الکتریکی بالا و خلوص نزدیک به صد درصد تولید می‌شود که برای کاربردهای حساس بسیار مناسب است.

1. انتخاب مواد خام اولیه:

برای تولید مس بدون اکسیژن، از مس با خلوص بسیار بالا به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. این مس ممکن است به صورت کاتدهای مسی یا مس بازیافتی با خلوص بالا باشد.

2. ذوب کردن:

مس خام در کوره‌های القایی یا کوره‌های الکتریکی با دمای بالا (معمولاً حدود 1200 تا 1300 درجه سانتی‌گراد) ذوب می‌شود. این فرآیند به‌گونه‌ای انجام می‌شود که حداقل تماس با هوا وجود داشته باشد تا از ورود اکسیژن به مذاب جلوگیری شود.

3. اکسیژن‌زدایی:

در این مرحله، گازهای خنثی مانند آرگون یا نیتروژن به مذاب تزریق می‌شود تا اکسیژن محلول در مس را خارج کند. این گازها به صورت حباب از مذاب عبور می‌کنند و اکسیژن را از مس جدا می‌کنند.

در برخی موارد، از فلاکس‌های شیمیایی خاصی استفاده می‌شود که با اکسیژن واکنش می‌دهند و آن را به صورت اکسیدهای جامد به سطح مذاب می‌برند، جاییکه می‌توان آنها را به راحتی جدا کرد.

4. ریخته‌گری تحت خلأ:

مذاب مس به یک محفظه خلأ منتقل می‌شود. در این مرحله، هرگونه اکسیژن باقی‌مانده در مذاب با کاهش فشار از مذاب جدا می‌شود. این محفظه خلأ تضمین می‌کند که هیچ اکسیژنی در مذاب باقی نمی‌ماند. سپس مذاب بدون اکسیژن به سرعت در قالب‌های خاص ریخته می‌شود تا به اشکال مختلف مانند میله‌ها، سیم‌ها، یا ورق‌ها تبدیل شود. این فرآیند در شرایط کنترل شده و تحت خلأ انجام می‌شود تا از تماس مذاب با هوا جلوگیری شود.

5. شکل‌دهی:

پس از ریخته‌گری، مس به صورت گرم یا سرد نورد می‌شود تا به ضخامت و ابعاد مورد نیاز برسد. این فرآیند تحت شرایط کنترل شده انجام می‌شود تا کیفیت بالای مس حفظ شود. در صورتی که نیاز به تولید سیم باشد، میله‌های مسی تولید شده از ریخته‌گری تحت فرآیند کشش قرار می‌گیرند تا به قطر و اندازه‌های دقیق‌تر تبدیل شوند.

6. بازپخت:

افزایش خواص مکانیکی: در برخی موارد، مس بدون اکسیژن تحت فرآیند بازپخت قرار می‌گیرد. این فرآیند شامل گرم کردن کنترل شده مس در دماهای معین و سپس خنک کردن آن است. بازپخت باعث بهبود خواص مکانیکی و افزایش انعطاف‌پذیری مس می‌شود.

7. آزمون و بازرسی نهایی:

محصول نهایی از نظر خلوص و میزان اکسیژن باقیمانده بررسی می‌شود. این آزمایش‌ها شامل طیف‌سنجی و دیگر روش‌های تحلیلی است که برای اطمینان از کیفیت مس بدون اکسیژن انجام می‌شود. ویژگی‌های مکانیکی (مانند استحکام کششی) و الکتریکی (مانند رسانایی) مس تولید شده نیز مورد آزمایش قرار می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که استانداردهای لازم رعایت شده‌اند.

8. بسته‌بندی و نگهداری:

پس از بازرسی نهایی، مس بدون اکسیژن به دقت بسته‌بندی می‌شود تا از آلودگی یا آسیب در هنگام حمل و نقل جلوگیری شود. در صورتی که محصول به سرعت به بازار عرضه نشود، در شرایط کنترل شده (مانند محیط‌های خشک و بدون آلودگی) نگهداری می‌شود.

این مراحل تضمین می‌کنند که مس تولید شده دارای خلوص بسیار بالا و عاری از اکسیژن است، که برای کاربردهای حساس در صنایع الکترونیکی، کابل‌کشی، و دیگر صنایع بسیار مهم است. اما در فرآیند تولید مس بدون اکسیژن نکات فنی بسیار مهمی وجود دارد که برای اطمینان از کیفیت و خلوص نهایی محصول باید به آنها توجه شود. این نکات شامل موارد زیر می‌شود:

1. کنترل دمای ذوب:

ثبات دما: دمای ذوب باید به دقت کنترل شود. اگر دما بیش از حد بالا باشد، ممکن است موجب تبخیر برخی از عناصر و تغییر در خواص فیزیکی مس شود. اگر دما کمتر از حد مطلوب باشد، ممکن است اکسیژن به طور کامل حذف نشود.

کوره‌های دقیق: استفاده از کوره‌های القایی یا الکتریکی با کنترل دقیق دما ضروری است تا ذوب بهینه مس حاصل شود.

2. کنترل جو گاز در فرآیند:

گاز خنثی: استفاده از گازهای خنثی مانند آرگون یا نیتروژن در فرآیند ذوب و اکسیژن‌زدایی بسیار مهم است. این گازها باید به‌طور مداوم و با فشار و حجم مناسب تزریق شوند تا تمام اکسیژن محلول از مذاب مس خارج شود.

جلوگیری از اکسیداسیون: لازم است که در طول فرآیند ذوب و ریخته‌گری، مس از تماس با هوا (اکسیژن) محافظت شود. حتی مقادیر کمی اکسیژن می‌تواند کیفیت مس را به شدت کاهش دهد.

3. شرایط خلأ در ریخته‌گری:

سطح خلأ: میزان خلأ در محفظه باید به دقت تنظیم و حفظ شود. اگر خلأ کافی نباشد، اکسیژن باقی‌مانده در مس ممکن است کاملاً حذف نشود.

سرعت ریخته‌گری: ریخته‌گری باید به سرعت و در عین حال با دقت انجام شود تا از تماس مذاب با هوا جلوگیری شود. کنترل سرعت ریخته‌گری همچنین بر یکنواختی ساختار بلوری مس تأثیر دارد.

4. کیفیت قالب‌ها و تجهیزات:

قالب‌های ریخته‌گری: قالب‌های استفاده شده در ریخته‌گری باید از مواد با کیفیت بالا و مقاوم در برابر حرارت ساخته شوند. همچنین قالب‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که جریان مذاب به صورت یکنواخت و بدون تلاطم باشد.

نگهداری تجهیزات: تجهیزات مورد استفاده در کل فرآیند باید به خوبی نگهداری شوند تا هرگونه آلودگی یا خرابی که ممکن است بر کیفیت مس تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

5. کنترل و خلوص مواد اولیه:

انتخاب مواد خام: استفاده از مس با خلوص اولیه بالا به عنوان ماده اولیه بسیار مهم است. هرگونه ناخالصی در مواد خام می‌تواند به راحتی در فرآیند نهایی باقی بماند.

بازرسی مواد اولیه: مواد خام باید به دقت بازرسی شوند تا اطمینان حاصل شود که فاقد آلودگی‌هایی مانند اکسیدهای سطحی یا عناصر دیگر هستند.

6. کنترل فرآیند بازپخت:

دمای بازپخت: فرآیند بازپخت باید در دمای دقیق کنترل شود تا خواص مکانیکی مس بهینه شود. دمای بیش از حد ممکن است باعث تردی مس شود، در حالی که دمای کمتر از حد مطلوب می‌تواند موجب کاهش انعطاف‌پذیری شود.

سرعت سرد کردن: بعد از بازپخت، مس باید به‌طور کنترل شده و با سرعت مناسب سرد شود تا ساختار بلوری مناسب شکل گیرد و از بروز تنش‌های داخلی جلوگیری شود.

7. آزمون‌ها و کنترل کیفیت:

طیف‌سنجی و آنالیز شیمیایی: پس از تولید، محصول باید با استفاده از طیف‌سنجی و روش‌های آنالیز شیمیایی دقیق بررسی شود تا از خلوص و میزان اکسیژن باقی‌مانده اطمینان حاصل شود.

آزمون‌های مکانیکی و الکتریکی: آزمایش‌هایی مانند تست کشش، تست رسانایی الکتریکی، و تست مقاومت در برابر خوردگی برای اطمینان از تطابق محصول با استانداردهای صنعتی انجام می‌شود.

8. مدیریت آلودگی و محیط‌زیست:

مدیریت پسماند: مواد زائد و پسماندهای فرآیند تولید باید به دقت مدیریت شوند تا از آلودگی محیط‌زیست جلوگیری شود.

بازیافت گازها: گازهای مورد استفاده در فرآیند باید به‌طور بهینه بازیافت یا مدیریت شوند تا هم هزینه‌ها کاهش یابد و هم اثرات زیست‌محیطی به حداقل برسد.

این نکات فنی برای تضمین تولید مس بدون اکسیژن با کیفیت بالا و خواص مطلوب در کاربردهای حساس بسیار حیاتی هستند. با این حال بهترین روش تولید مس بدون اکسیژن به دلیل نیاز به خلوص بسیار بالا و کنترل دقیق فرآیندها، استفاده از فرآیند ذوب تحت خلأ و ریخته‌گری مداوم تحت خلأ است. این روش به‌طور گسترده‌ای برای تولید مس با خلوص بالا و بدون اکسیژن استفاده می‌شود و مزایای زیادی دارد. که در ادامه این روش‌ها را با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است.

1. ذوب تحت خلأ:

در این روش، مس خالص در یک کوره تحت خلأ ذوب می‌شود. حذف اکسیژن و سایر ناخالصی‌ها با استفاده از خلأ به‌طور کامل انجام می‌شود. محیط خلأ تضمین می‌کند که هیچ اکسیژنی از جو به مذاب وارد نمی‌شود، که این عامل کلیدی در دستیابی به مس بدون اکسیژن است.

مزایا:

خلوص بسیار بالا: به دلیل حذف کامل اکسیژن و سایر ناخالصی‌ها، مس تولید شده دارای خلوص بسیار بالایی است.

رسانایی عالی: مس بدون اکسیژن تولید شده با این روش دارای رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار خوبی است.

کنترل دقیق: این روش امکان کنترل دقیق بر تمام مراحل فرآیند را فراهم می‌کند، که برای تولید محصولاتی با کیفیت بالا ضروری است.

2. ریخته‌گری مداوم تحت خلأ:

پس از ذوب مس تحت خلأ، مذاب به‌طور مستقیم به فرآیند ریخته‌گری مداوم تحت خلأ وارد می‌شود. در این فرآیند، مس مذاب به شکل مداوم در قالب‌هایی که تحت خلأ قرار دارند ریخته می‌شود و به صورت سیم‌ها یا میله‌ها شکل می‌گیرد. این روش به حفظ کیفیت بالا و جلوگیری از اکسیداسیون در حین ریخته‌گری کمک می‌کند.

مزایا:

تولید مداوم و کارآمد: این روش به دلیل مداوم بودن، بهره‌وری بالاتری دارد و به تولید سریع‌تر مس بدون اکسیژن کمک می‌کند.

کاهش هزینه‌ها: به‌دلیل کاهش نیاز به توقف و شروع مجدد فرآیندها، هزینه‌های تولید کاهش می‌یابد.

یکنواختی کیفیت: تولید مداوم تحت خلأ تضمین می‌کند که محصول نهایی از نظر کیفیت و خواص فیزیکی بسیار یکنواخت باشد.

3. بازپخت و نورد نهایی:

بازپخت: برای بهبود خواص مکانیکی و کاهش تنش‌های داخلی، مس تولید شده تحت فرآیند بازپخت قرار می‌گیرد. این مرحله نیز تحت شرایط کنترل شده و در محیط بدون اکسیژن انجام می‌شود.

نورد نهایی: مس بدون اکسیژن به صورت نوارها، سیم‌ها، یا ورق‌ها نورد می‌شود. فرآیند نورد باید تحت شرایط دقیق کنترل شود تا خواص نهایی مس حفظ شود.

4. آزمون و کنترل کیفیت:

طیف‌سنجی و آنالیز شیمیایی: برای اطمینان از خلوص بالا و عدم وجود اکسیژن، آزمایش‌های دقیق بر روی محصول نهایی انجام می‌شود.

آزمون‌های مکانیکی و الکتریکی: آزمایش‌های متعددی برای تأیید خواص الکتریکی و مکانیکی محصول انجام می‌شود تا استانداردهای مورد نظر رعایت شوند.

روش ذوب و ریخته‌گری تحت خلأ بهترین و کارآمدترین روش برای تولید مس بدون اکسیژن است. این روش، به دلیل کنترل دقیق بر فرآیند و توانایی تولید محصولاتی با کیفیت بسیار بالا، در تولید مس برای کاربردهای حساس مانند صنایع الکترونیکی، کابل‌های صوتی با کیفیت بالا، و تجهیزات پیشرفته الکتریکی بسیار مناسب است.