Sulatamine: metallide eraldamine maagist — protsessid, meetodid ja ajalugu

Sulatamine: metallide eraldamine maagist — põhjalik ülevaade protsessidest, meetoditest ja ajaloost, raua, vase, alumiiniumi ja tsingi tehnoloogiad.

Sulatamine on üldnimetus metalli saamiseks selle looduslikust maagist. Kuld on erand, sest seda leidub tavaliselt puhta metallina. Teised metallid, nagu raud, vask, tsink ja hõbe, tuleb saada nende maagist. Sulatamine hõlmab maagi muutmist keemiliselt ja füüsiliselt selliseks, et metall eraldub mittemetallilisest osast ning muutub kasutuskõlblikuks.

Mis on maag ja millest see koosneb

Enamik maake on komplekssed seguained: oksiidid, sulfiidid või karbonaadid. Maag sisaldab tavaliselt peamist metallimineraali ja erinevaid lisandeid (pehmeid kivimeid, väävlit, räbuaineid jm). Maagi töötlemisel on eesmärgiks eemaldada need lisandid ja eraldada võimalikult puhas metall.

Peamised sulatamise alused ja keemilised põhimõtted

Sulatamise protsess hõlmab alati maagi kuumutamist ning tihti ka redutseerivat ainet, nagu koks või süsi, mis võtab ära hapniku metallioksiididelt. Kuumutamise käigus võivad toimuda järgmised sammud: esmane destilleerimine/kuivatus, röstitamine (väävli ja teiste lenduvate lisandite eemaldamiseks), ja lõpuks redutseerimine või elektrolüütiline eraldamine.

Maagid ei ole puhtad, seega lisatakse sulatusvahendit (flux), et eemaldada lisandid. Selleks kasutatakse tavaliselt lubjakivi, mis reageerib maagi silikaatide ja teiste jäätmetega ning moodustab kergemini eraldatava segu ehk räbu. Räbu tõuseb enamasti sulametalli pinnale ja seda saab hiljem eraldada. Räbu moodustumine ja koostis on oluline nii tehniliselt kui ka keskkonna seisukohast.

Peamised sulatamismeetodid

Sulatamisega seotud tehnoloogiad kujunevad sõltuvalt metalli keemilisest käitumisest ja majanduslikust otstarbekusest. Üks oluline jaotuskriteerium on:

• Pyrometallurgia – kõrge temperatuuri abil tehtav sulatamine ja redutseerimine (näiteks raua ja vase traditsiooniline sulatamine).
• Hydrometallurgia – keemilised lahused (leostumine), mida kasutatakse madala kvaliteediga maagi puhul; sageli kombineeritakse solvendekstraktsiooni ja elektrowinning’uga (SX–EW) metallide saamiseks.
• Electrometallurgia – elektrolüütiline eraldamine või sulatamine elektriahjudes (näiteks alumiinium ja elektrolüütiline vase puhastus).

Raua tootmine ja kõrgahi

Lisaks sellele on igal metallil oma erimeetodid. Raua tootmine malmist toimub kõrgahjus. Raua sulatatakse rauamaagist suurtes reaktorites, mida nimetatakse kõrgahjudeks. Kõrgahi on kõrge vertikaalne ehitis, mida toidetakse koksi, rauamaagi ja lubjakiviga. Kui kõrgahju puhutakse kuuma õhku, siis koks põleb ja vähendab hapnikku maagist, tekitades palja raua ja süsinikdioksiidi. Lubjakivi seob ära allesjäänud aluspõhja. Raua sulab kuumal temperatuuril ja koputatakse vedelas faasis põhja. Seejärel töödeldakse see teraseks. Lubjakivi ja aluspõhjakivi moodustavad ühendi, mida nimetatakse räbuks. Seda saab kasutada tellise, betooni või teekatte valmistamiseks. Varasemate meetodite hulka kuulub Bloomery.

Pärast kõrgahjus saadud malmi (nn pig iron) läheb enamik tööstuslikku töödeldud raua edasi terase tootmiseks diferentsöötluse kaudu (nt oksüdatsiooniprotsessid, Bessemeri või oksüüdi/õhu põhised protsessid ja kaasaegsed kõrgsurve õhukogused ning põhikoksid). Terase tootmisel reguleeritakse süsinikisisaldust ja lisatakse legaate vastavalt soovitud omadustele.

Alumiinium: Hall–Héroult protsess ja elektriahjud

Alumiiniumi sulatatakse elektriahjudes, mida nimetatakse elektrikaarahjudeks. Täpsemalt kasutatav protsess tööstuses on Hall–Héroult, kus alumiiniumimaak (enamasti alumiiniumoksiidide kontsentratsioon pikendatud töötlusega) lahustatakse sulanud krioliidis ja seejärel viiakse läbi elektrolüüs suures alumiiniumitekeskuses. Alumiiniumimaak valatakse ahju põhja ja elektrivool juhitakse läbi maagi. Temperatuur tõuseb nii kõrgele, et hapnik eraldub, jättes järele metalse alumiiniumi. See protsess on väga energiamahukas ning nõuab suuri koguseid elektrienergiat ja spetsiaalseid anoodimaterjale (tavaliselt grafiit), mis kuluvad protsessi käigus.

Vase sulatamine ja elektrolüütiline rafineerimine

Vask valatakse lahtise leegi kätte, mis põletab väävli ja muud lisandid ära, jättes järele toorvase. Traditsiooniliselt toimub vase sulatamisel mitu etappi: röstitamine (sulfiidide oksüdeerimine), matteprodukti teke (vase ja raua sulam), seejärel konverteerimine ja lõplik rafineerimine. Elektrolüüsis kasutatakse elektrivoolu, et eraldada vask suurtes basseinides, mis sisaldavad vesilahust, mida nimetatakse elektrolüüdiks. Basseinis juhitakse elektrivoolu ja kogu vask koguneb elektroodile, mida nimetatakse katoodiks. Seda nimetatakse elektrorefineerimiseks ja tulemuseks on väga puhas, elektrijuhtiv vasest plaat või plaat.

Muud metalle ja erimeetodid

Tsingi, pliidi, vase kõrval on palju teisi metalle, mille eraldamise meetodid erinevad: mõned vajavad kõrgel temperatuuril redutseerimist, teised elektrolüüsi või vesilahustel põhinevat leostumist. Näiteks tsingi tootmine võib kombineerida röstitamist ja redutseerimist või elektrolüüsi, sõltuvalt maagi tüübist. Kaasaegsed meetodid sisaldavad ka bioleostumist (mikroorganismide kasutamine metallide eraldamiseks) ja solvent extraction–electrowinning (SX–EW) protsesse, mis on olulised madala kvaliteediga maa rikaste puhul.

Ajalugu

Metallurgia ja eriti sulatamine on varaste tsivilisatsioonide võti. Varaseimad tõendid vase sulatamise kohta pärinevad ajavahemikust 5500 eKr kuni 5000 eKr. Need leiukohad asuvad Serbias Pločnikis ja Belovodes. Vask ja pronks (vask koos tinaga) tootsid tehnoloogilise hüppe — nimetatakse pronksiajaks —, mis võimaldas tööriistade ja relvade massilist tootmist. Hiljem tõi raua laialdasem kasutuselevõtt kaasa raudaja ja tööstusliku terasetootmise teisenemise.

Tööstuslikud ja keskkonnaalased väljakutsed

Sulatamine on energia- ja ressursimahukas protsess, mis tekitab emissioone (CO2, SO2), jäätmeid (räbu, tuhad) ja vajadust ohutu mürgiste kõrvalproduktide käitlemise järele. Tänapäeval pööratakse suurt tähelepanu protsesside energiatõhususele, heitmete vähendamisele ja materjali ringlusele. Taaskasutus — eriti alumiiniumi ja terase ringlussevõtt — vähendab oluliselt energia- ja ressursikulu võrreldes esmaterjaalidest tootmisega.

Tulevikutrendid

Tulevikus on oodata rohepöörde mõju: elektrienergia taastuvallikatest, süsiniku sidumine ja vähendamine, elektrifitseerimine smelterites, rohkem biotehnoloogilisi ja hüdrometallurgilisi lahendusi ning suurem materjaliringle. Samuti arendatakse uuemaid sulamis- ja rafineerimistehnoloogiaid, mis püüavad minimeerida keskkonnamõjusid ja tõsta tootlikkust.

Kokkuvõte: Sulatamine hõlmab mitmeid keemilisi ja füüsikalisi protsesse, mis võimaldavad metallide eraldamist maagist. Meetodid erinevad sõltuvalt metallist ja maagi koostisest — alates kõrgahjudest rauale kuni elektriahjudeni alumiiniumile ning elektrolüütiliste ja hüdriliste lahendusteni vase ning teiste metallide puhul. Ajalooliselt on sulatamine olnud tsivilisatsioonide arengu keskne tehnoloogia ning tänapäevalki on see tööstusele ja majandusele kriitilise tähtsusega, kuid koos suure vastutusega keskkonna ees.

Küsimused ja vastused

K: Mis on sulatamine?

K: Millised metallid vajavad sulatamist?

K: Mida kasutatakse sulatamisel?

K: Kuidas toodetakse rauda selle maagist?

K: Kuidas alumiiniumi kaevandatakse selle maagist?

K: Kuidas kaevandatakse vask maagist?

K: Millal algas metallurgia?

Otsing