Metallurgia (0)

Sissejuhatus
Metallurgia kui teadusharu uurib metallide ja nende sulamite omadusi ning tootmise ja töötlemise tehnoloogiat.
Metalle leidub looduses väga harva puhaste maakidena, enamasti on nad ikka ühenditena. Maakidest metallide ja nende sulamite tootmist nimetatakse metallurgiaks. Tuntakse kolme erinevat metallide tootmise viisi:
1. Haruldasi ja värvilisi metalle toodetakse kloormetallurgiliselt. Sel juhul töödeldakse toormaaki klooriga. Metallid reageerides klooriga muutuvad kloriidideks, sellisel kujul nad eraldatakse ja seejärel töödeldakse puhtaks metalliks. Nii toodetakse titaani, tantaali , tina jne.
2. Hüdrometallurgia põhineb maakide töötlemisel niisuguste kemikaalide lahustega (hapete, leeliste), mis maagis oleva metalliga reageerides viivad selle ioonidena lahusesse. Lahuse järgneval töötlemisel eraldatakse metall sellest lihtainena.
3. Vanimaks ja kõige levinumaks metallurgiaharuks on pürometallurgia (püro tähendab ladina keeles leeki). Siin sulatatakse metall maagist välja kõrge temperatuuriga. See kõrge temperatuuriga leek saadakse kütuste põletamisel. Nii toodetakse rauda ja tema sulameid , vaske jne.
Nagu me eelnevast teame, esineb raud rauamaakides oksiidina. Sellest tuleb raud välja redutseerida. Selleks kasutatakse enamasti koksi - seega sütt või süsinikoksiidi:
Fe3O4+ 4C = 3Fe + 4CO
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Täiesti puhast rauda pole võimalik nii toota, ikka sisaldab ta mõningal määral süsinikku. Kuna selline sulam on korrosioonile vastupidavam, siis tööstuslikult toodetaksegi mitte puhast rauda, vaid malmi ja terast.
Vaatame üht võimalikku tootmisprotsessi lähemalt. Malmi toodetakse spetsiaalsetes šahtahjudes - kõrgahjudes, mis on ehitatud tulekindlatest tellistest ja mille kõrgus on üle 40 meetri. Kõrgahi töötab kord käikulastuna mitu aastat vahetpidamata kuni remondini. Miks peab ahi pidevalt ilma vaheaegadeta töötama?
*Kütusena kasutatakse kõrgahjus koksi, sest tal on suur kütteväärtus ja väike tuhasisaldus. Miks peab tuhasisaldus väike olema?
*Koksi
on lisaks vajaliku kõrge temperatuuri (ca 1800°C) loomisele veel teisigi ülesandeid. Koksiga redutseeritakse maagist raud ja rikastatakse (eraldatakse suur osa aherainest). Ühe tonni malmi tootmiseks kulub umbes 800 kg koksi.
Ülevaade metallurgia meetoditest
   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 - happevihmad
 
Maakide redutseerimiseks on kasutusel kolm meetodite gruppi

• Pürometallurgia maake redutseeritakse kõrgel temperatuuril, redutseerijate järgi 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 mingitest lahustest ( mitte tingimata vesilahustest) ja temperatuur on arusaadavatel põhjustel mõõdukas. Toodetakse mitmeid haruldasi metalle , nagu kulda ( lahustiks on muide KCN vesilahus hapniku juuresolekul - Rumeenia kaevanduskatastroofil jõudis tappev lahus ka Doonausse), uraani, vanaadiumit, ....... Näiteks tooks vase tootmismeetodi, mille abil toodetakse     ~ 1/4 maailma vasest. Sobib oksiidsete ja karbonaatsete maakide tõõtlemiseks, sest sulfiidsed 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 ( loe kallite) metallide lisandeid. Soomlased toodavad vase puhastusjääkidest 800 kg kulda aastas. Sellest jätkub maa elektroonikatõõstuse vajadusteks . Soomes on elektroonikatõõstus majandusele väga oluline - ilmselt ei tea noored soomlased midagi NOKIA kummisaabastest. vase puhastusjääkidest toodetakse ka praktiliselt kogu germaanium, samuti elktroonikale oluline element. Enamus maailmatoodangust on pärit Kongost (Zair)
 

• 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. 
 
Kõrgahju materjalide bilanss
Täidis
Saadused
Rauamaak
2030 kg
Malm
1000 kg

• Mangaanimaak
  

146 kg
Räbu (šlakk)
755 kg
Lubjakivi
598 kg
Kõrgahju gaas
5217 kg
Koks
971 kg
Kõrgahju tolm
348 kg
Kõrgahjugaas
3575 kg
Kokku:
7320 kg
Kokku:
7320 kg
Kõrgahju põhimõtteline skeem
Terase tootmine
Terase tootmine on kaheastmeline. Kõigepealt saadakse kõrgahjus malm ning seejärel sulatatakse malm ümber teraseks kas konventerites, martään- või elektriahjudes. Sulatamisel kulgevate keemiliste reaktsioonide tulemusena eraldatakse malmis sisalduvad lisandid kas koos seadmest väljuvate gaasidega või vedela terase pinnale koguneva räbuga . Terase tootmisel on räbusti vajalik eelkõige terase omadusi halvendavate kahjulike lisandite (väävel, fosfor ) sidumiseks. Pürometallurgilise protsessi algatamiseks puhutakse konverterisse puhast hapnikku. Hapnik oksüdeerib ahjutäidises olevat rauda, süsinikku jt. elemente. Süsiniku oksüdeerumisega kaasneb sulatise süsinikusisalduse pidev vähenemine. Läbipuhumine hapnikuga lõpetatakse sobiva süsinikusisalduse ja piisavalt madala kahjulike lisandite sisalduse (S, P) saavutamisel.
Enamik metallurgiatehastes toodetavatest terastest töödeldakse pooltoodeteks, valtsmetalliks – sorditeras, lehtteras ( plekk ), torud, spetsiaalsed valtstooted. Sorditerase all mõistetakse selliseid terasprofiile nagu ümarteras, nelikantteras, I- tala , U-tala, rööbas jms. Toodetakse õmbluseta torusid ja keevistorusid (õmblusega torusid). Spetsiaalse valtsterase hulka kuuluvad kuulid, tervikrattad, eriprofiilid autoehituse tarvis jms.
Teraseid ja värviliste metallide sulameid toodetakse erineva töötlusviisi ja sortimendiga . Iga töötlemisviisiga saadava materjali pinna kvaliteedi ja täpsuse kohta kehtivad kindlad nõuded .