نسل جدید ادتیوهای EP/AW: عبور از روانکاری مرسوم در استخراج معادن مس

1. مقدمه

مس، طلا، و قلع نخستین فلزاتی بودند که نوع بشر طرز استفاده از آنها را آموخت. اما، از آنجا که کار با مس آسانتر از بقیه فلزات بود، قبل از سایرین مورد توجه تمدن‌های باستانی قرار گرفت. امروزه، علیرغم سیر قهقرایی کاربرد مس در تولید تجهیزات مهندسی با ظهور پلیمرها، بازگشت مس و آلیاژهای آن با رواج انواع سیستم‌های پیشرانش هیبرید و تمام الکتریکی در خودروسازی به سبد نیاز مبرم صنایع کلید خورده است که این رواج مجدد با تکیه بر دو اصل آلیاژپذیری فوق‌العاده و بازیافت‌پذیری صد‌در‌صدی مس تقویت می‌شود. تقریبا 0.006% از پوسته کره زمین از مس تشکیل شده که از نظر فراوانی آن را در مقام بیست و سوم عناصر معدنی قرار می‌دهد [1]. معدن‌کاوی امروز نسبت به گذشته شاهد تغییرات شگرفی بوده است که شامل گذر از فرآیند‌های استخراج دستی و تکیه محدود بر ادواتی ساده تا فرآیند‌های تمام اتوماتیک استخراج مبتنی بر مجموعه‌ایی از پیچیده‌ترین ماشین‌آلاتی است که تاکنون بدست بشر ساخته شده است. بدیهی است که با افزایش سطح پیچیدگی این ماشین‌آلات و تکیه بیش از پیش بر عملکرد تمام اتوماتیک، عملکرد صحیح و عاری از خرابی این دسته از تجهیزات به هدف مطلوب تمام بنگاه‌های اداره و بهره‌برداری از معادن بدل شده است. چراکه تجهیزات و ماشین‌آلاتی که در سایت‌های معدنی کار می‌کنند در معرض سخت‌ترین شرایط محیطی قرار دارند که در زمان طراحی و ساخت یک تجهیز قابل تصور است: از بالاترین سطح غلظت گرد و غبار گرفته تا آلودگی آب و تهویه ضعیف [2]. همین شرایط و پیچیدگی این دسته از ماشین‌آلات، مستلزم بکارگیری گستره متنوعی از انواع روانکار بمنظور تسهیل عملکرد ایمن و عاری از خرابی آنها است که بکارگیری انواع بخصوصی از ادتیوها در ساختار شیمیایی چنین روانکارهایی را لازم می‌کند. از میان انواع ادتیوهای رایج در سنتز انواع روانکارهای صنعتی، گروه EP/AW  (Extreme Pressure/Anti-Wear) از جمله مهمترین ترکیبات شیمیایی پایداری محسوب می‌شوند که بعنوان روکنشگر در سطح روانکار فعال بوده [3] و همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است، در غلظت‌های مختلفی در ساختار شیمیایی کلاس‌های عملکردی مختلفی از روانکار کاربرد دارند.

جدول (1): کاربرد انواع ادتیوها در کلاس های مختلف روانکار برحسب درصد حجمی [3]

ادتیو‌های گروه AW به چندین طریق عمل می‌کنند: برخی از آنها به تدریج اقدام به رسوب‌دهی فیلم حائلی مابین فضای تبادل تنش می‌کنند که ضخامت فرا-هیدرودینامیکی آن اجازه تقابل ناهمواری‌های دو سطح فلزی را با یکدیگر ندهد. برخی دیگر با تشکیل فیلمی تک لایه و ترمیم‌پذیر به کاهش تنش موضعی بین ناهمواری‌های محل تماس کمک می‌کنند. آخرین گروه نیز از اصل پیوند شیمیایی به سطح قطعات تبعیت کرده و طی فرآیندی آهسته و پیوسته ناهمواری‌های سطحی محل تبادل تنش را با روالی کنترل شده از براده‌برداری تا حصول شرط تجدید ضخامت فیلم هیدرودینامیک اصلاح می‌کنند. از آنسو، فلسفه طراحی ادتیوهای گروه EP بر جلوگیری از چسبندگی دو سطح فلزی منجر به جوش‌خوردگی آنها در زمانی است که فیلم‌های اکسید (بعنوان نگهبانان طبیعی سطوح فلزی) دیگر موجود نبوده و سایر گونه‌های روکنشگر حاضر در سیستم روانکار از واکنش‌پذیری لازم بمنظور رسوب‌دهی یک فیلم محافظ برخوردار نباشند. وقوع چنین حالتی بیشتر در زمانی محتمل است که قطعات در شرایط کاری پرسرعت، سنگین، با پرحرارت عمل کنند [4]؛ شرایطی که بر محیط کاری تمامی ماشین‌آلات معدنی حکمفرما است [5]. مکانیزم عملکرد ادتیوهای گروه EP بر واکنش‌دهی با سطح فلز و ایجاد یک کامپاند یونی (مانند سولفید آهن) استوار است که از تشابه عملکردی با ادتیوهای گروه AW برخوردار است؛ با این تفاوت که سرعت واکنش در گروه EP نسبت به AW بیشتر بوده و استحکام فیلم حاصله نیز بیشتر است. برخی ادتیوهای EP از خط افتادگی و گریپاژ در سرعت‌های بالا و تحت بارهای ضربه‌ایی روی قطعات جلوگیری کرده و برخی دیگر مانع چین‌خوردگی و موج برداشتن قطعات تحت گشتاور بالا و سرعت پایین می‌شوند. علیرغم این تفاوت در عملکرد، در هر دو حالت ادتیوهای EP و بدنه فلزی قطعات به تدریج خورده شده و به مصرف تشکیل سطحی صاف و نرم بمنظور عملکرد هیدرودینامیک می‌رسند تا اصطکاک کاسته شده و ریسک آسیب موضعی به قطعات نیز پایین آید. بدیهی است که در غیاب چنین ادتیوهایی ریسک آسیب ناشی از سایش شدید بین قطعات افزایش شدیدی خواهد یافت [4]. جدول 2 کاربرد ادتیوهای EP/AW را به تفکیک روانکار مصرفی در تسهیل عملکرد هریک از ماشین‌آلات رایج در معادن را نشان داده است.

جدول (2): روانکارهای مصرفی در ماشین‌آلات مختلف معدنی و کاربرد ادتیوهای EP/AW [5]

همانگونه که از جدول 2 بر می‌آید، تمامی روانکارهای مصرفی در ماشین‌آلات معدنی نیاز مبرم به حضور ادتیوهای گروه EP/AW در ساختار شیمیایی خود دارند.

اما، ادتیوهای EP/AW از دیرباز حاوی عناصر فعالی چون کلرین، فسفر، و گوگرد در ساختار شیمیایی خود بوده‌اند [4,9] که در سال‌های اخیر استفاده از چنین ترکیبات و عناصری در کشورهای پیشرو بنا به دلایل زیست محیطی و مخاطرات انسانی رو به افول بوده و فرآورده‌های شیمیایی عاری از خاکستر بعنوان جایگزین آنها معرفی شده‌اند [4]. هدف از این مقاله، معرفی نسل بعدی ادتیوهای گروه EP/AW بمنظور دستیابی به خواص زیست محیطی برتر، سازگاری بیشتر با شرایط دشوار و متنوع کاری حاکم بر صنعت استخراج و استحصال مس در عین حفظ یا حتی ارتقا عملکرد سوده‌شناختی این دسته از ادتیوهای پرکاربرد در صنایع معدنی است. این مقاله به بررسی مرزهای فناوری تولید ادتیوهای EP/AW پرداخته و تمرکز آن بر رهیافت‌هایی است که نویدبخش تعریف دوباره‌ایی از عملکرد روانکاری پایدار (Sustainable lubrication) در صنعت بهره‌برداری از کانسارهای مس باشد.

2. مروری بر پیدایش و عرف ساختاری ادتیوهای EP/AW

ادتیوهای گروه EP/AW به گروهی بزرگتر از ادتیوها تعلق دارند که با عنوان عمومی «حاملان گوگرد» (Sulfur carriers) شناخته شده و در روانکارهای گیربکسی، روغن‌های فلزکاری، انواع گریس، و روغن‌های موتوری صاحب کاربرد بوده و بخش عمده‌ایی از ساختار آنها از اسیدهای چرب، استرها، و الفین‌های گوگرددار تشکیل یافته است. بنا به تعریف، حاملان گوگرد نوعی از کامپاندهای ارگانیک محسوب می‌شوند که در ساختار خود حاوی گوگرد در حالت اکسایش صفر یا منفی یک بوده و اتم گوگرد در چنین ساختاری یا به یک هیدروکربن یا به اتمی دیگر از گوگرد پیوند خورده باشد؛ به شرطی که این ساختار عاری از دیگر اتم‌های ناهمگن (بجز اکسیژن) بوده و یا از طریق افزودن گوگرد به هرنوع کامپاند اشباع و دارای پیوند دوگانه‌ایی مانند الفین‌ها، استرهای طبیعی، و اکریلات‌ها یا از طریق واکنش استخلافی با هالیدهای ارگانیک فعال و مانند آن تولید شده باشند. روغن‌های حاوی اسیدهای چرب گوگرددار از بیش از یک قرن پیش در بازار موجود بودند؛ ولی کاربرد اولیه آنها در صنعت لاستیک‌سازی قرن نوزدهم (بعنوان یکی از پردرخواست‌ترین کالاهای صنعتی روز) بود و مصرف حامل‌های گوگرد در نقش ادتیو با ظهور مفهوم «روانکاری مدرن» خلال دهه دوم قرن بیستم آغاز شد. با معرفی گیربکس‌های هیپویید خودرویی در دهه 1920، نیاز به ادتیوی که عملکرد روانکارهای گیربکسی را در جلوگیری از سایش و گریپاژ چنین گیربکس‌هایی بهبود بخشد بشدت احساس می‌شد که در نهایت منجر به پیدایش ادتیوهای گروه EP در سال 1936 شد. در حقیقت، می‌توان سال‌های 1930 تا 1950 را سال‌های خیزش تب پژوهش روی توسعه فناوری حامل‌های گوگرد دانست؛ بطوریکه اغلب فناوری‌های امروز در رابطه با تولید انواع ادتیوهای EP گوگرددار محلول در روغن ریشه در تحقیقات و ثبت اختراعاتی دارند که در آن دوره به انجام رسیده‌اند. تا دهه 1950، حاملان گوگرد اغلب توسط روغنسازان ساخته می‌شدند؛ اما، با رشد نگرانی‌های زیست محیطی، توسعه بازار، و نیاز به تولید محصولات تخصصی، و در عین حال، نیاز به دانش عمیق در زمینه سنتز آزمایشگاهی و پیچیدگی‌های فرآیندی، تولید این دسته از ادتیوها به فعالان صنایع شیمیایی واگذار شد. نقطه عطف این روند را می‌توان معرفی پلی‌سولفیدها در سال 1985 دانست که امروزه با مفهوم PEP (Passive Extreme Pressure) یا EP غیرفعال شناخته شده و شامل بهبود رفتار EP/AW در ترکیب با کلسیم و سدیم سولفونات‌ها می‌شد. با این وجود، ظهور این فناوری نیز موفق به ترغیب صاحبان صنایع شیمیایی به جایگزینی حاملان گوگرد مرسوم و تولید روانکارهایی با تطابق زیست‌محیطی بیشتر و مسمومیت‌زایی کمتر برای عوامل انسانی نشد. سال‌های ابتدایی دهه 1990 شاهد ابراز نگرانی‌های رسمی در خصوص مخاطرات زیست‌محیطی این دسته از ادتیوهای مصرفی در تولید انواع روانکارهای صنعتی بود. امری که هنوز ادامه‌دار بوده و هدف از آن ترغیب صاحبان صنایع و البته کاربران انواع روانکار به جایگزین‌سازی چنین ادتیوهایی است [4].

جدول (3): انواع ادتیوهای EP/AW گوگرددار سنتی [4]

هرچند گوگرد بعنوان یک عامل عنصری از خواص EP خوبی برخوردار است، اما از آنجا که گوگرد ذاتا با انحلال در مقادیر مختلف بسته به نوع روغن پایه موجب خورندگی می‌شود، بنابراین طبیعی بود که ترکیبات عاری از گوگرد یا کم گوگرد دیگری نیز بعنوان آلترناتیو EP/AW معمول در دسترس باشند که جزییات هریک در جدول 4 ارائه شده است.

جدول (4): انواع ادتیوهای EP/AW بدون گوگرد سنتی [4]

3. نسل بعدی ادتیوهای EP/AW و جایگاه آنها در صنعت استخراج مس

نسل بعدی ادتیوهای EP/AW، با هدف ارضا نیاز دوگانه به عملکرد بالاتر و پایداری بهبود یافته در حال ظهورند. بدین منظور، فرمولاسیون‌ نوین با هدف کمینه‌سازی بکارگیری فسفر، گوگرد، خاکستر و کاهش هرچه بیشتر مخاطرات زیست‌محیطی، در عین ارائه محافظت قوی از سطوح در شرایط سخت‌ کاری ماشین‌آلات معدنی طراحی و پیشنهاد شده‌اند. جایگزین‌های نویدبخش عاری از خاکستر شامل ترکیبات ارگانوبورونی هستند که تریبوفیلم‌های بادوام B₂O₃/BN ایجاد می‌کنند، شیمی مولیبدن بهینه‌شده که لایه‌های MoS₂ را با پایداری حرارتی افزایش‌یافته تشکیل می‌دهند، و مایعات یونی (ILs) که ساختارهای یونی آنها امکان رفتار EP/AW و کاهش اصطکاک را فراهم می‌کند [4,14-15]. ترکیبات ضداصطکاک آلی و انواع مبتنی بر نانوذرات (اعم از MoS₂، WS₂، گرافن، h-BN، CNTها و اکسیدهای فلزی که به سرعت در حال گسترش هستند) مکانیسم‌های جدیدی از جمله اثرات سوده شناختی مانند سایش و ترمیم سطوح و تشکیل تریبوفیلم کاتالیزوری را در مقیاس نانو [16] ارائه می‌دهند. تحقیقات فعلی به طور فزاینده‌ای بر مجموعه‌ایی هم‌افزا از ادتیوها متمرکز است که کاهش اصطکاک، محافظت سایشی، ممانعت در برابر خوردگی، و کنترل اکسیداسیون را در یک بسته واحد ترکیب کند.

در معدن مس، جایی که محیط‌ کاری برای روانکارها فوق‌العاده خشن محسوب می‌شود، نسل بعدی ادتیوهای EP/AW باید با فرسایش ناشی از گرد و غبار، آلودگی آب، بارگذاری ضربه‌ای و چالش‌های الکتریکی مقابله کنند. نانوذرات و ادتیوهای دیسپرسانت مقاوم در برابر گرد و غبار می‌توانند سایش ناشی از سیلیس را کاهش دهند، در حالیکه ادتیوهای EP/AW پایدار از نظر هیدرولیتیک و فرمولاسیون‌های ضد امولسیون، نفوذ آب را خنثی می‌کنند. اجزای تحت بار شدید مانند سنگ‌شکن‌ها، آسیاب‌ها، و بیل‌های سنگین می‌توانند از عملکرد EP بهینه شده با ILها، ترکیب بور-مولیبدن و نانوذرات روانکار جامد بهره‌مند ‌شوند. با گسترش ماشین‌آلات با پیشرانش الکتریکی یا هیبرید (شکل 1)، روانکار‌ها باید الزامات دی‌الکتریک را با ارائه محافظت قوی در برابر AW متعادل کنند و در عین حال در برابر آسیب EDM ناشی از جریان‌های یاتاقان [17] مقاومت کنند. این پیشرفت‌های فناورانه چارچوبی بمنظور دستیابی به پایداری گسترده در صنعت مس بوجود خواهند آورد که با مقررات زیست‌محیطی در حال تحول جهانی و تعهدات رو به رشد صنعت مس تطبیق خواهد داشت. استراتژی‌های روانکاری «سبز» (استفاده از اجزای کمتر سمی، مواد شیمیایی زیست‌تخریب‌پذیر، مواد اولیه تجدیدپذیر، و فرمولاسیون‌ بازیافت‌پذیر) هرچه بیشتر مورد تاکید و مطالعه قرار گرفته‌اند. اصول ارزیابی چرخه عمر (LCA) نیز بکارگیری نسل بعدی ادتیوهای EP/AW را با توجه به با کاهش بار زیست‌محیطی و بهبود بهره‌وری منابع تایید می‌کند. در نتیجه، افزودنی‌های EP/AW نسل بعدی نه تنها باید عملکرد سوده‌شناختی برتری ارائه دهند، بلکه در طول چرخه عمر خود، مسئولیت‌پذیری زیست‌محیطی روشنی را نیز نشان خواهند داد.

شکل (1): هال تراک کوماتسو مدل 930E با پیشرانش دیزل-الکتریک با ماجول باتری‌های سوختی 800kW [18]

4. نتیجه‌گیری

نیازهای عملیاتی و پایداری در حال تحول صنعت مس، منجر به تغییر در الزامات روانکار‌ها شده و محدودیت‌های بکارگیری ادتیوهای EP/AW  مرسوم را در شرایط سخت و آلوده معادن مس و با توجه به محدودیت‌های زیست‌محیطی نوین آشکار می‌کند. نسل بعدی ادتیوهای EP/AW (شامل ترکیبات مبتنی بر بور، مشتقات پیشرفته مولیبدن، مایعات یونی و انواع نانوذرات) در عین فراهم آوردن محافظت در برابر سایش و فشار، اثرات مخرب زیست‌محیطی را نیز کاهش خواهند داد و این ممکن نیست مگر با توسل به فرمولاسیون‌هایی که از نظر هیدرولیتیکی پایدار، مقاوم در برابر گرد و غبار، و امولسیون‌زدا به ویژه برای محیط‌های سخت معدنی: از کارخانه‌های فرآوری گرفته تا عملیات روباز باشند. هرچند، نباید تطابق ادتیوهای نوین با نسل جدید پیشرانش تجهیزات معدنکاری الکتریکی را فراموش کرد. پذیرش مؤثر این افزودنی‌ها به تحقیقات مداوم در مورد رفتار سوده‌شناختی، اثرات هم‌افزایی شیمیایی، مخاطرات زیست‌محیطی و عملکرد آنها در شرایط واقعی، با پشتیبانی از حسگرهای پیشرفته بمنظور پایش وضعیت تجهیز بستگی دارد. با بهره‌گیری از این نوآوری‌ها، صنعت مس می‌تواند به طول عمر تجهیزات بهبود یافته، قابلیت اطمینان عملیاتی و مدیریت پایدار منابع دست یابد.

5. منابع و مآخذ

بمنظور تدوین این مقاله از 18 عنوان منبع معتبر استفاده شده است که توصیه می‌شود جهت اطلاع از جزییات هریک از منابع بمنظور مطالعه بیشتر، به نسخه چاپی این مقاله در نشریه «نگهداری و تعمیرات در صنایع سیمان، معدن، و فولاد» مراجعه فرموده یا با آدرس http://www.netsanews.ir یا ایمیل آدرس‌های [e-mail]  یا [e-mail] مکاتبه فرمایید.