عنصر قلع با نماد شیمیایی Sn در گروه ۱۴ جدول تناوبی عناصر قرار دارد. نام لاتین این عنصر Stannum است و از نظر فراوانی، در رتبه چهل‌ونهمین عنصر پوسته زمین جای می‌گیرد. قلع به صورت عنصر آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود و به طور عمده از سنگ معدن «کاستریت» که در واقع اکسید قلع (SnO₂) است، استخراج می‌شود. پس از استخراج کاسیتریت از معادن و انجام فرآیندهای تغلیظ و تصفیه، قلع به شکل فلز خالص به دست می‌آید که معمولاً به صورت شمش‌های استاندارد تولید و به بازار عرضه می‌گردد.
از نظر تاریخی، قلع یکی از نخستین فلزاتی است که بشر آن را شناخته و استفاده کرده است؛ به طوری که در عصر برنز، قلع را به همراه مس برای تولید آلیاژ برنز در ریخته‌گری‌ها به‌کار می‌بردند.
در قرن نوزدهم، قلع ماده‌ای رایج در زندگی طبقات پایین جامعه محسوب می‌شد، چراکه به سادگی می‌توانستند آهن و فولاد را قلع‌اندود کنند. تا سال ۱۸۷۰ نیز از قلع در ساخت اسباب‌بازی‌های کودکان، قهوه‌جوش و قاشق به وفور استفاده می‌شد.
۱۰ کاربرد رایج قلع
۱. روکش‌دهی و محافظت فلزات
قلع به دلیل خاصیت ضد زنگ و مقاومت بالا در برابر فرسایش، به طور گسترده برای پوشش فلزاتی مانند آهن و فولاد به کار می‌رود تا از آن‌ها در برابر خوردگی محافظت کند.
۲. صنایع کنسروسازی
قلع فلزی غیرسمی است و کمترین خطر را برای انسان دارد و به همین دلیل برای پوشش داخلی قوطی‌های کنسرو مواد غذایی و نوشیدنی‌ها استفاده می‌شود تا امکان نگهداری طولانی‌مدت و بدون آلودگی مواد غذایی فراهم شود.
۳. کاتالیزور شیمیایی
برخی ترکیبات قلع به عنوان کاتالیزور برای تسریع واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۴. ساخت آلیاژها
قلع در آلیاژسازی کاربرد فراوانی دارد؛ از جمله در ساخت برنز، مفرغ، بابیت و …
۵. لحیم‌کاری
قلع یکی از عناصر کلیدی در سیم لحیم است. آلیاژ رایج لحیم معمولاً حاوی ۶۰ درصد قلع و ۴۰ درصد سرب است. این آلیاژ دارای نقطه ذوب پایین بوده و اتصال الکتریکی مستحکم بین قطعات ایجاد می‌کند.
۶. صنعت برق و الکترونیک
استفاده از قلع در روکش سیم‌ها و قطعات الکترونیکی رایج است، زیرا مانع اکسید شدن و متعاقباً ارتقاء رسانایی الکتریکی می‌شود.
۷. تولید ابررسانا و آهنربا
یکی از آلیاژهای مهم قلع، آلیاژ قلع-نیوبیوم است که خاصیت ابررسانایی داشته و میتواند میدان مغناطیسی بسیار قوی ایجاد کند.
۸. نساجی و صنعت چاپ
کلرید قلع در صنعت پارچه برای تثبیت رنگ‌های چاپی و بهبود کیفیت و دوام رنگ کاربرد دارد.
۹. شیشه‌سازی
نمک‌های قلع به عنوان ضد مه و ضد یخ‌زدگی در شیشه‌ها استفاده می‌شوند و علاوه بر این، در تولید شیشه‌های با کیفیت بالا نیز نقش دارند.
۱۰. صنعت پلاستیک‌سازی
ترکیبات قلع، به‌ویژه در فرآوری پلاستیک‌های PVC (پلی‌وینیل کلرید)، به عنوان پایدارکننده و افزاینده دوام مورد استفاده قرار می‌گیرند.
برای مطالعه دیگر کاربردهای فلز قلع اینجا کلیک کنید.
نحوه تولید شمش قلع از ابتدا تا محصول نهایی
مواد اولیه
ماده اولیه تولید شمش قلع، سنگ معدنی کاسیتریت است که در واقع همان اکسید قلع (SnO₂) می‌باشد. این ماده معمولاً به صورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شود و اغلب با سایر مواد معدنی مانند سنگ‌آهک، سیلیس و نمک همراه است.
برای جداسازی قلع و تولید شمش، سنگ معدن کاسیتریت باید مراحل مختلفی را در کارخانه‌های فرآوری طی کند تا ناخالصی‌ها حذف شده و قلع خالص به‌دست آید. این فرآیندها شامل خردایش، شست‌وشو، احیا، جداسازی ناخالصی‌ها، ذوب و در نهایت ریخته‌گری شمش قلع است.
فرآیند استخراج قلع
در معادن روباز، ابتدا سنگ معدنی کاسیتریت توسط دستگاه‌ها و ماشین‌آلات سنگ‌شکن خرد شده و به قطعاتی با اندازه‌های نسبتاً بزرگ تا کلوخه تقسیم می‌شود تا ابعاد سنگ‌ها قابل کنترل باشند و حمل و فرآوری آن‌ها تسهیل گردد.
مواد معدنی ریزدانه اغلب به صورت رسوبات سطحی در آبرفت‌ها و بستر رودخانه‌ها یافت می‌شوند. این ماسه‌ها معمولاً حاوی مقادیر قابل توجهی قلع هستند که به وسیله لایروبی از بستر رودخانه استخراج می‌شوند. سنگ‌ها و مواد استخراج شده با استفاده از بیل مکانیکی یا تجهیزات حمل‌ونقل مناسب به مرحله بعد منتقل می‌گردند.
سنگ معدن استخراج شده وارد سوله یا کارخانه فرآوری می‌شود. در این مرحله، ابتدا ذرات ریز و درشت از یکدیگر جدا می‌شوند. سپس با استفاده از مخازن شناور، مواد شیمیایی خاصی به مخلوط اضافه می‌شود تا ذرات قلع از سایر مواد جدا شوند و به سطح مخزن بیایند توسط مواد مغناطیسی غربال شوند. تا خالص‌ترین ذرات قلع جداسازی گردد.
در نهایت، محصول به‌دست آمده به نام کنسانتره قلع، دارای ۷۰ تا ۷۷ درصد وزنی قلع است و پس از آن وارد مراحل بعدی جهت تصفیه و ذوب برای تولید شمش قلع می‌شود.
فرآیند اصلی تولید قلع
ذوب: کنسانتره قلع به همراه زغال‌سنگ وارد کوره می‌شود. در این مرحله ممکن است موادی مانند آهک یا ماسه سنگ نیز به کوره افزوده می‌شود تا واکنش‌های مورد نیاز ایجاد گردد.
در این مرحله دمای کوره تا حدود ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد بالا می‌رود. در این حرارت، کربن موجود با دی‌اکسید کربن واکنش داده و مونوکسید کربن تولید می‌کند. مونوکسیدکربن سپس با کاسیتریت (اکسید قلع) واکنش می‌دهد تا قلع خام (فلزی) و دی‌اکسید کربن به‌دست آید.
ممکن است بخشی از قلع خام با ترکیبات موجود در سرباره واکنش دهد و برای جداسازی کامل، در کوره‌ی دیگری همراه با کربن دوباره پردازش شود.
آهن و سایر مواد معدنی موجود در سنگ معدن، به صورت سرباره روی سطح کوره باقی می‌مانند که برای بازیافت قلع احتمالی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ این مواد اصطلاحاً به “ماده سرسخت” نیز شهرت دارند.
پالایش و تصفیه قلع: در این مرحله، قلع مذاب که از کوره‌ی دوم به دست آمده است، روی شیب مخصوصی با دمای کنترل‌شده هدایت می‌شود. این فرآیند به «انحلال» معروف است و موجب حذف بسیاری از ناخالصی‌ها مانند آهن، مس و آنتیموان می‌شود.
سپس قلع مذاب را وارد یک کتری بزرگ (کتری قطبی) می‌کنند و با استفاده از بخار، هوای فشرده یا میله‌های چوب سبز هم می‌زنند. این کار که آن را «جوشاندن» می‌نامند، به زدودن ناخالصی‌های بیشتر کمک می‌کند. میله‌های چوب سبز به دلیل رطوبت بالا، بخار تولید می‌کنند و با هم زدن مکانیکی باعث افزایش کارایی فرایند می‌شوند.
در نهایت، بخش عمده‌ای از ناخالصی‌های باقی‌مانده به صورت کف روی سطح قلع مذاب جمع می‌شود که به آسانی حذف می‌شود. قلع حاصل از این مرحله معمولاً تا حدود ۹۹.۸ درصد خالص است.
برای دستیابی به درجه خلوص بالاتر، قلع تصفیه‌شده تحت عملیات تصفیه الکترولیتی قرار می‌گیرد. در این روش، قلع به عنوان آند و کاتد در محلول الکترولیت قرار می‌گیرد و با عبور جریان برق، ناخالصی‌هایی مانند سرب و بیسموت جدا می‌شوند. قلع خالص از آند جدا و بر روی کاتد رسوب می‌کند.
روش‌های تولید پودر قلع
پودر قلع معمولاً از شمش قلع یا منابع قلع خالص به کمک فرآیندهای صنعتی تهیه می‌شود. رایج‌ترین روش‌های تولید پودر قلع شامل تمیزه کردن، احیای شیمیایی و الکترولیز است:
تمایزه کردن: در این روش، قلع مذاب با فشار بالا یا توسط جریانی از گاز (معمولاً هوا یا نیتروژن) به قطرات ریز تقسیم شده و سریعاً سرد می‌شود تا به شکل ذرات با مورفولوژی کروی درآید.
احیای شیمیایی: برخی ترکیبات قلع مانند کلرید قلع، تحت واکنش شیمیایی و با کمک عامل احیاکننده (مانند هیدروژن یا کربن)، به پودر قلع تبدیل می‌شوند.
الکترولیز: در این روش، قلع در محلول الکترولیت قرار گرفته و با عبور جریان برق، رسوب قلع به شکل ذرات روی کاتد جمع‌آوری می‌شود.
همچنین اندازه و شکل ذرات پودر بسته به نوع فرآیند و نیاز بازار قابل تنظیم است.
تفاوت شمش قلع و پودر قلع
شمش قلع دارای خلوص بالایی بوده و معمولاً به رنگ نقره‌ای براق و با ساختاری انعطاف‌پذیر عرضه می‌شود. این نوع قلع به دلیل کیفیت و خلوص بالا، قیمت بیشتری نسبت به سایر اشکال قلع دارد و در صنایعی همچون لحیم‌کاری سیم‌های مسی، آبکاری، قلع‌اندود کردن و همچنین تولید آلیاژهای مختلف کاربرد دارد.
پودر قلع در گذشته برای ساخت دریچه‌ها و آینه‌ها استفاده می‌شد اما امروزه کاربرد اصلی آن در تولید ورق قلع است که برای بسته‌بندی‌های مختلف مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. پودر قلع میتواند برای ساخت خمیرهای لحیم، پوشش دهی یا تولید قطعات به روش متالورژی پودر مورد استفاده قرار گیرد.
نکات ایمنی و محیط‌زیستی قلع
- ایمنی: قلع فلزی غیرسمی است و کار با آن نسبتاً ایمن محسوب می‌شود، با این حال هنگام ذوب یا کار با پودر قلع باید از استنشاق گرد و غبار خودداری شود و از تهویه مناسب و ماسک تنفسی استفاده گردد.
- محیط زیست: قلع و ترکیبات ساده آن زیست‌سازگارند، اما برخی ترکیبات آلیاژی قلع می‌توانند مخاطره‌آمیز باشند. بازیافت پسماندها و رعایت اصول زیست‌محیطی در مراحل تولید، به‌ویژه در صنایع بسته‌بندی و الکترونیک، توصیه می‌شود.
- حمل و نگهداری: پودر قلع باید دور از شعله و حرارت مستقیم، در مکان خشک و سرپوشیده نگهداری شود و از تماس با مواد اکسیدکننده قوی پرهیز گردد.
سخن پایانی
فلز قلع یکی از فلزات ارزشمند و پرکاربرد است که از دیرباز در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. این فلز عمدتاً به‌صورت ترکیب معدنی اکسید قلع در طبیعت یافت می‌شود و برای تولید شمش قلع، نیازمند طی مراحل مختلف پالایش و تصفیه در کارخانه‌های تخصصی است. شمش قلع و پودر قلع هر کدام کاربردهای متنوعی در صنعت دارند که در این مقاله به طور جامع به آن‌ها پرداخته شد.