Metallurgia. kõrgahjutehnoloogia (4)

Tartu Kutsehariduskeskus
Mootorliikurid, laevandus ja lennundustehnika
KEIO OLEV
AT 109
Metallurgia , kõrgahju tehnoloogia
Iseseisev töö
Juhendaja : Helmo Hainsoo
Tartu 2010

Sissejuhatus

Selles referaadis on teemadeks metallurgia ja kõrgahju tehnoloogia. Metallurgi eesmärk on metallide tootmine. Kõrgahju eesmärk terase tootmine
Metalle toodetakse maakidest , kui kõikide metallide tootmiseks ei ole maake ja neid tuleb toota.
Metallurgia jaguneb omakorda:

• Rauametallurgiaks ehk ferrometallurgiaks, mis hõlmab raua ja selle sulamite tootmist.
  
• Mitterauametallurgiaks ehk värvilismetallide mettalurgiaks. See hõlmab mitteraudmetallide tootmist.
  

Enamik metalle on meil maakoores keemiliste ühenditena. Selleks, et neid kasutada saaks, tuleb rakendada mitmeid metallurgilise protsesse.
Metallide maakoores leidumine:

• Ehedalt: Näiteks Kulda, Plaatina (ja plaatinametallid) osaliselt Hõbe, Elavhõbe,kuid harva ka vaske ja muid metalle.
  
• Oksiidsete maakidena: leidub Rauda, Vaske, Alumiiniumit ja Kroomi .
  
• Sulfiidsete maakidena: leidub Vaske, Elavhõbedat, Tina ja Pliid
  

Kõrgahi on ehituselt ja süsteemilt suhteliselt lihtne, kuid kuidas see täpsemalt töötab ja kuidas rauamaaki saadakse seisneb iseseisva töö teises pooles . Sellest on ka arusaadav pilt seletusega ja pilt päriselust.

Metallurgia

Metallurgia eesmärk on metallide tootmine. Enamus metallidest on Maakeral levinud ühenditena ja neid mineraale , millest mingit metalli toota tasub kutsutakse maakideks.

•  Ehedalt leidud: Au, Pt (ja plaatinametallid) osaliselt Ag, Hg harva, ka vaske ja teisi metalle
  
• oksiidsete maakidena leidub rauda, vaske, alumiiniumit, kroomi............
  
• Sulfiidsete maakidena leidub vaske, elavhõbedat, tina, pliid,.....
  
• halogeniidid ( NaCl) , karbonaadid CuCO3* Cu(OH)2, sulfaadid ja nii edasi 
  

Tihti sisaldab maak mitut metalli  - Polümetalliline  maak. Paljudel metallidel polegi iseseisvaid maake ja neid saadakse teiste metallide maakidest, kus nad on teinekord tühise, kuid kalli lisandina.  
Ka hõbedat ei toodeta tavaliselt hõbedamaagist, vaid plii ja tsingimaagist 
Maak sisaldab aherainet - kasutut osa. Aheraine eraldamist kutsutakse rikastamiseks. Rikastamisel kasutatakse füüsikaliste omaduste ( tihedus, magnetilised omadused,märgumine,....) erinevust. 
Sulfiidseid maake on raske vahetult redutseerida, tavaliselt muudetakse nad oksiidideks-  seda protsessi kutsutakse  särdamiseks  ja sisuliselt on tegemist põletamisega.  
Näiteks 2 ZnS  + 3 O2 = 2 ZnO + 2 SO2  Vääveldioksiid tõõdeldakse kaasajal ümber  väävelhappeks. Atmosfääri teda lasta ei tohi , sest tekkivad happevihmad.

 Maakide redutseerimiseks on kasutusel kolm meetodite gruppi

• Pürometallurgia maake redutseeritakse kõrgel temperatuuril, redutseerijate järgi ja jaotatakse edasi-
  

Karbotermia   redutseerija on süsinik, kas koksina või mõnemadalama ühendina  ( CO või CH4 )  Näiteks malmi tootmine kõrgahjus  Fe2O3  + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2Koks on kõige odavam võimalikest redutseerijatest ja seetõttu kasutatakse teda laialdaselt .
Ei sobi:aktiivsete metallide tootmiseks, sest süsinik pole piisavalt tugev redutseerija. Samuti lahustub ta hästi paljudes vedeletes metallides andes karbiide või sulameid
Vesiniku kasutamine redutseerijana on kallim ja leiab rohkem kasutamist puhaste metallide tootmiseks. Näiteks pole hõõglambi jaoks volframit võimalik saada karbotermiliselt, sest tekkiks ülikõva ja tehnikas laialdaselt kasutatav volframkarbiid WC, temast tehakse puuride otsi jmt, kuid hõõglampi ta ei sobi. Vesiniku abil saab puhta volframi  
WO3 + 3 H2 = W + 3 H2O 
Ka vesinik võib mõnedes metallides ( näiteks Ni ) lahustuda, muutes nad hapraks. Aktiivseid metalle ei saa, ka vesiniku abil toota
Metallotermia ( aluminotermia , magnesotermia,...) redutseerijaks on mingi aktiivne metall. Arusaadavalt on meetod kallis. Sobib raskestisulavate metallide tootmiseks. Puhast kroomi toodetakse aluminotermiliselt   2 Al + Cr2O3  = 2 Cr + Al2O3  legeeritud teraste valmistamiseks vajalikku ferrokroomi toodetakse, aga karbotermiliselt  
FeO*Cr2O3 + 4 C = 4 CO + Fe + 2 Cr 
Ei sobi, kui sulad metallid omavahel segunevad.

• Hüdrometallurgia  metalle toodetakse lahustest ( mitte tingimata vesilahustest) ja temperatuur on arusaadavatel põhjustel mõõdukas. Toodetakse mitmeid haruldasi metalle , nagu kulda ( lahustiks on KCN vesilahus hapniku juuresolekul - Rumeenia kaevanduskatastroofil jõudis tappev lahus ka Doonausse), uraani, vanaadiumit, ........ Sobib oksiidsete ja karbonaatsete maakide töötlemiseks, sest sulfiidset maagi ei lähe lahusesse
  
•  Maagilademesse pumbatakse lahjat väävelhapet ja reageerinud lahus pumbatakse teise toru kaudu  tagasi  CuO + H2SO 4= CuSO4 + H2O
  
• Saadud lahusest tõrjutakse vask välja näiteks raua abil 
   CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
  

Niimoodi toodetud vask pole just eriti puhas, sisaldab väheaktiivsete metallide lisandeid. Soomlased toodavad vase puhastusjääkidest 800 kg kulda aastas. Sellest jätkub maa elektroonikatööstuse vajadusteks . Soomes on elektroonikatööstus majandusele väga oluline - ilmselt ei tea noored soomlased midagi NOKIA kummisaabastest. Vase puhastusjääkidest toodetakse ka praktiliselt kogu germaanium, samuti elektroonikale oluline element. Enamus maailmatoodangust on pärit Kongost
 

• Elektrometallurgia
  

Kaarleeksulatus  on sisuliselt pürometallurgia meetod. Elekter kulub ainult kütteks, mitte redutseerimiseks. protsess on hästi juhitav ja kasutatakse teda raskestisulavate metallide ja  kõrglegeeritud eriteraste tootmiseks 
Elektrolüüs  Sulatiste elektrolüüs on ainus majanduslikult mõistlik meetod aktiivsete metallide  tootmiseks. Väga palju toodetakse alumiiniumit ja magneesiumit.  

Kõrgahi

Terase tootmine saab alguse toormalmi tootmisest spetsiaalsetes šahtahjudes – kõrgahjudes
Kõrgahju täidise moodustavad rauamaak, koks ja räbusti.

Kõrgahju tehnoloogia

Kõrgahjuprotsess seisneb oksiidse rauamaagi redutseerimises koksi abil.
Koksi toodetakse kivisöest ja oma koostiselt koosneb ta peamiselt süsinikust. Koks on nii soojusallikaks – koksi põlemisel eraldub pürometallurgilisteks protsessideks vajalik soojus – kui ka raua redutseerijaks (taandajaks) maagist.
Räbusti peamised ülesanded metallurgilistes protsessides on maagis sisalduva aheraine (enamasti ränioksiidi SiO2) ning kütuses – koksis – oleva tuha eemaldamine. Räbustina kasutatakse peamiselt lubjakivi (CaCO3).
Spetsiaalselt töödeldud ahjutäidis – maak, koks, räbusti – viiakse kõrgahju ülevalt. Kütuse põlemiseks kõrgahju koldes antakse ahju ettekuumutatud põlemisõhku.
Koksi põlemise peamine gaasiline produkt – vingugaas CO, aga samuti tahke koks taandavad raua skeemi järgi: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
Moodustunud käsnraud rikastub kokkupuutes koksi ja vingugaasiga ning tekib suure süsiniku-sisaldusega (3,7…4%) rauasulam – malm , mis tilkadena kõrgahju koldesse valgub. sulamalm, samuti sularäbu väljutatakse aeg-ajalt väljalaskeavade kaudu.
Enamik toodetud malmist, ligikaudu 95% on lähtematerjaliks teraste tootmisel.
Väiksemat osa kõrgahju toodangust, valumalmi kasutatakse aga malmvalandite tootmiseks valutööstuses.Suure süsinikusisaldusega toormalm sulatatakse tänapäeval ümber terasteks peamiselt hapniku konverterites, kõrgkvaliteet teraselektriahjudes. Hapnikukonverteri täidise põhiosa, mis on ligikaudu 70%, moodustab toormalm. Täidisesse lisatakse samuti katerasmurdu ning räbustina lubjakivi.
Terase tootmisel on räbusti vajalik eelkõige terase omadusi halvendavate kahjulike lisandite
Näiteks väävli ja fosfori sidumiseks. Pürometallurgilise protsessialgatamiseks puhutakse konverterisse puhast hapnikku. Hapnik oksüdeerib ahjutäidises olevat Rauda, Süsinikku ja ka teisi elemente.
Süsiniku oksüdeerumisega kaasneb sulatise süsinikusisalduse pidev vähenemine. Läbipuhumine hapnikuga lõpetatakse sobiva süsinikusisalduse ja piisavalt madala kahjulikelisandite sisalduse piiri saavutamisel.
Enamik metallurgiatehastes toodetavatest terastest töödeldakse pooltoodeteks, valtsmetalliks
sorditeraseks, lehtteraseks ehk plekiks, torudeks, spetsiaalsedvaltstoodeteks.
Sorditerase all mõistetakse selliseid terasprofiile nagu ümarteras, nelikantteras, I- tala , Utala,rööbas jne. Toodetakse õmbluseta torusid ja keevistorusid. Spetsiaalsevaltsterase hulka kuuluvad kuulid, tervikrattad,eriprofiilid autoehituse tarvis jms.
Valtsimisele eelneb valuplokkide tootmine,kaasaegsetes metallurgiatehastes enamasti pidevvalu
meetodil .Pidevvaluseadmeni transporditaksemetall kopaga, kust sulateras voolab
veega jahutatavasse vormi.

Kasutatud kirjandus

http://www.crjg.vil.ee/materjalid/oppematerjalid/keemia/3_metallurgia.html
23.09.2010
http://www.miksike.ee/docs/elehed/9klass/metallid_mittemetallid/9-1-13-1.ht m
23.09.2010
http://www.ene.ttu.ee/leonardo/materjalid/Materjalid.pdf
23.09.2010
7