Lydymas — metalų išgavimas: procesai, aukštakrosnės ir elektrolizė

Lydymas ir metalų išgavimas: aukštakrosnės, elektrolizė, krosnys, fliusai ir procesai — praktiniai metodai geležiui, aliuminiui, vario ir kitų metalų gamybai.

Lydymas – tai bendras terminas metalui išgauti iš natūralių mineralinių žaliavų, dažniausiai rūdų. Auksas yra išimtis, nes jis dažnai randamas kaip grynas metalas. Kitus metalus, pavyzdžiui, geležį, varį, cinką ir sidabrą, reikia išgauti iš jų rūdų. Lydymas apima kelis etapus: žaliavos paruošimą, koncentravimą, kaitinimą, cheminių reakcijų sukeliamą redukciją arba elektrolizę ir galutinį rafinavimą bei formavimą.

Lydymo pagrindai

Lydymo procese rūdą paprastai reikia kaitinti, o dažnai naudojamas ir reduktorius, pavyzdžiui, koksas arba medžio anglis, kurie atima deguonį iš metalinių junginių. Dauguma rūdų yra oksidai, sulfidai arba karbonatai. Per lydymą pašalinama nemetalinė dalis, taip išgaunant metalą. Kadangi rūdos nėra grynos, procesui dažnai pridedamas specialus medžiagos mišinys – fliusas, kuris suriša priemaišas ir susidaro ištirpusi arba kietėjančia forma vadinamas šlaku. Tam paprastai naudojamas kalkakmenis. Fliusas pašalina priemaišas kaip šlaką, kuris vėliau gali būti perdirbamas arba naudojamas statyboms.

Geležis ir aukštakrosnės

Geležis iš geležies rūdos tradiciškai gaminama aukštakrosnėse (blast furnaces). Aukštoji krosnis – tai aukštas, vertikalus statinys, į kurį tuo pačiu metu tiekiami koksas, geležies rūda ir kalkakmenis. Kai per krosnį pučiamas karštas oras, koksas sudega ir reaguoja su rūdos deguonimi, vyksta redukcija: iš geležies oksidų pašalinamas deguonis, susidaro lydoma geležis ir anglies dioksidas.

Geležis ištirpsta karštoje temperatūroje ir skysta metalinė fazė išsiurbiama iš krosnies apačios. Gautas žemesnės kokybės liejinis dažniausiai toliau perdirbamas į plieną. Modernioje gamyboje po aukštakrosnių geležis dažnai nukreipiama į plieno gamybos krosnis, pvz., Basic Oxygen Furnace arba electric arc furnace technologijas, priklausomai nuo žaliavų ir gamybos strategijos. Kalkakmenis suriša silikas ir kitas nepageidaujamas medžiagas, sudarydamas šlaką. Šis šlakas galima naudoti kaip žaliavą plytų, betono ar kelių dangai gaminti.

Anksčiau naudotas mažesnių matmenų lydymo įrenginys yra žinomas kaip "Bloomery", kur metalas gaunamas be didelių krosnių ir išgaunamos specialios „blynelio“ formos masės.

Aliuminis ir elektrolizė

Aliuminis skiriasi nuo daugelio kitų metalų tuo, kad jo pagrindinė rūda – boksitas – pirmiausia apdorojama chemiškai, gaunant gryną alumina (aliuminio oksidą). Ši alumina vėliau išgaunama metaliniu pavidalu ne šilumine redukcija, o elektrolizės metodu (Hall–Héroult procesas). Procesas vyksta elektrolizės voniose, kur alumina ištirpinta tirpale (molten cryolite) ir per srovę iš jos išskiriamas grynas aliuminis. Elektrodai dažnai yra angliniai ir dalinai sunaikinami proceso metu, todėl susidaro CO2 emisijos.

Elektrolizė yra labai energijai imli – aliuminio gamyba reikalauja daug elektros energijos, todėl elektros kaina ir jos šaltinių kilmė stipriai veikia gamybos tvarumą. Be to, prieš elektrolizę atliekamas aluminos iš boksito gavimas (Bayer procesas), kuris taip pat gamina šalutinius produktus ir atliekas.

Varis: išlydymas, rūdos kepinimas ir elektrolizė

Varis tradiciškai perdirbamas keliomis stadijomis. Jei rūda yra sulfidas (pvz., chalkopiritas), ji pirmiausia kepenama – kaitinama atviruose krosnyse, kad sieris pašalinamas kaip sieros dioksidas. Po to vyksta lydymas, kuriame susidaro koncentratas (matte) ir atskiriami nepageidaujami elementai. Gautas neapdorotas varis dažnai dar turi priemaišų ir anglies; aukštesnio grynumo varis pasiekiamas per elektrolitinį rafinavimą: lydomas varis naudojamas kaip anodas, ir per elektrolizę metalas nusodinamas ant katodo, naudojant vandeninį arba vandeninį tirpalą (pvz., vario sulfato tirpalą). Tokiu būdu gaunamas labai grynas varis, o priemaišos koncentracijos kaupiasi kaip anodinis dumblas (anode slime).

Kiti metalai: cinkas, sidabras, švino

Cinkas ir švinakiti metalai dažnai išgaunami kombinacija–kepenimo, redukcijos ir (kai kuriais atvejais) elektrolizės metodų. Pavyzdžiui, cinkas gali būti gaminamas per pyrometalurginius arba hidr metodus: rūda kepinama ir tada metalas išgaunamas redukcija arba per elektrolitinę atskyrimą. Sidabras dažnai išgaunamas kaip šalutinis produktas rafinuojant varį arba auksą, o jo galutinis išgryninimas gali būti atliekamas chemine arba elektrolizine tvarka.

Rafonavimas, perdirbimas ir pramoniniai taikymo būdai

Po pradinio lydymo dažnai seka mechaninis ir cheminis rafinavimas, liejiniai, lydinių formavimas ir galutinė termoplastinė apdorojimo stadija – pvz., plieno gamyba iš geležies. Daugelis metalų yra labai perdirbami – perdirbimas leidžia taupyti energiją ir sumažinti žaliavų poreikį. Pavyzdžiui, plienas ir aliuminis gali būti perdirbami daug kartų, o tai ženkliai mažina CO2 emisijas, palyginti su pirminiu gamybos procesu.

Aplinkos problemos ir technologinės naujovės

Lydymas yra energetiškai intensyvus ir susijęs su emisijomis: CO2 iš kuro ir anglies elektrodų, sieros dioksidas nuo sulfidinių mineralų, bei kitos šalinės medžiagos. Šiuolaikinė pramonė diegia priemones taršai mažinti: efektyvesni krosnių modeliai, dujų valymas, šlako perdirbimas, atsinaujinančios energijos naudojimas elektrolizės procesuose ir eksperimentinės technologijos, pvz., vandenilio redukcija geležies pramonėje ar anglies surinkimo sprendimai. Taip pat daug investuojama į metalo atgavimo ir perdirbimo sistemas, kurios mažina poreikį kasybai ir pirminiams lydymo procesams.

Istorija

Metalurgija, ypač lydymas, buvo viena seniausių technologijų, leidusi ankstyvosioms civilizacijoms gaminti ginklus, įrankius ir indus. Pirmieji vario lydymo įrodymai datuojami maždaug 5500–5000 m. pr. m. e. Rasta vietovėse, pvz., Pločnikas ir Belovodė Serbijoje. Vėliau atsirado bronzos amžius (vario ir alavo lydiniai) ir geležies amžius – kiekvienas laikas atnešė naujus krosnių tipus ir technologijas, nuo ankstyvųjų "Bloomery" iki didžiulių pramoninių aukštakrosnių ar elektrometalo gamyklų šiandien.

Apibendrinant, lydymas – tai sudėtingas procesas, apjungiantis fiziką, chemią ir inžineriją, kurio tikslas – iš mineralinių žaliavų atskirti bei išgauti naudingus metalus. Šiuolaikinės technologijos stengiasi didinti efektyvumą, mažinti aplinkos poveikį ir skatinti metalo perdirbimą bei tvarų žaliavų naudojimą.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra lydymas?

K: Kokius metalus reikia lydyti?

K: Kas naudojama lydymo procese?

K: Kaip iš rūdos gaminama geležis?

K: Kaip iš rūdos išgaunamas aliuminis?

K: Kaip iš rūdos išgaunamas varis?

K: Kada prasidėjo metalurgija?

Paieška pagal raidę