2. Metallien valmistus

Metallien valmistaminen

Olet varmasti kuullut ihmiskunnan historiallisista aikakausista, pronssi- (n. 2400 eaa. - 950 eaa.) ja rautakaudesta (n. 500 eaa. - 133 jaa.). Metallit ovat siis olleet ihmisen hyötykäytössä jo tuhansia vuosia ja ovat edelleen. Perinteisten metallien rauta, kupari, sinkki, lyijy, alumiini, tina, nikkeli, koboltti, kromi, hopea ja kulta lisäksi erityisesti elektroniikkateollisuus käyttää harvinaisempia metalleja kuten indiumia, galliumia ja niobiumia.

Suurin osa metalleista esiintyy maankuoressa ioniyhdisteinä, joissa ne muodostavat suolan positiivisen puolen. Vain tietyt jalometalleiksi kutsutut metallit, kuten kulta, hopea ja platina, esiintyvät alkuainemuodossa.

Koska suurin osa positiivisina ioneina muihin alkuaineisiin sitoutuneista metalleista käytetään kuitenkin alkuainemuodossaan, niiden suoloista täytyy “repiä” muut alkuaineet pois kemiallisin menetelmin.

Rautaa saadaan sen oksideista eli raudan ja hapen yhdisteistä. Louhittu malmi täytyy ensin rikastaa eli siitä poistetaan hyödytön sivukivi. Sen jälkeen happi pitää irrottaa malmista masuunissa eli valtavassa uunissa hiilen avulla. Sula raakarauta valutetaan masuunin alaosasta jatkojalostusta varten.





Raakarautaan jäänyt ylimääräinen hiili täytyy polttaa pois ilman tai puhtaan hapen avulla, koska se haurastuttaa rautaa. Kun hiilipitoisuus on alennettu alle 2 prosenttiin, saadaan sitkeämpää terästä. Siihen voidaan edelleen lisätä viidesosa kromia ja kymmenesosa nikkeliä. Saatu metalliseos on ruostumatonta terästä. Ruostumaton teräs ei ruostu veden vaikutuksesta.




Kuparia valmistetaan malmista, joka sisältää kuparin ja rikin suolaa. Rikki vaihdetaan ensin happeen, jolloin muodostuu kuparioksidia. Toisessa vaiheessa happi irrotetaan kuparista. Suomessa kehitetyssä liekkisulatusmenetelmässä molemmat vaiheet saadaan tehtyä samalla kertaa ja vieläpä niin, että tarvittava lämpö saadaan prosessista itsestään. Näin säästyy energiaa.



Liekkisulatusmenetelmän kunniaksi on julkaistu myös postimerkki. Kuvan postimerkki on vuodelta 1983.


Raakakuparia täytyy vielä puhdistaa ilman tai puhtaan hapen avulla ja kun halutaan oikein puhdasta kuparia, käytetään sähköä apuna. Tätä kutsutaan kuparin elektrolyyttiseksi puhdistukseksi.



Kuparista valmistetaan muun muassa johteita.

Raudan valmistuksen välivaiheet


Masuuni on hyvin korkea raudan sulattamiseen käytetty kuilu-uuni. Sulattaminen on yleisesti käytetty menetelmä metallien irroittamiseen rikasteen muista osista. Masuunin yläosasta uuniin ladataan panostusaineet: rautarikaste ja koksi (hiili). Panostusaineet lähtevät hiljalleen valumaan uunissa alaspäin ja samalla uunissa oleva lämpötila nousee kerroksittain. Uunin alaosassa lämpötila nostetaan 1500 - 1600 celsiusasteesteen kuuman ilman ja hapen avulla. Lämpötila sulattaa rikasteessa olevan raudan sulaksi raudaksi, joka valutetaan ulos uunissa omaan kuljetusastiaan eli senkkaan. Sulan raudan päälle muodostunut kuona-aine kerätään sulan rautamassa pinnalta omaan kuljetussenkkaan. Kuona myydään eteenpäin ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi maanparannusaineena.

Sulattamisen aikana vapautuvat palokaasut kierrätetään takaisin masuunin alaosaan, missä kuumalla kaasulla happikaasu lämmitetään kuumemmaksi. Masuunin sulatusjärjestelmä on erittäin energiatehokas, koska sulattamisessa käytetään hyödyksi aineen omaa energiaa. 



Raudan valmistuksen kaaviossa on teräksen valmistus yhdistetty kokonaisuudeksi. Malmin louhinta ja rikastaminen tehdään heti kaivoksella. Rautarikasteen pelkistäminen eli sulattaminen tapahtuu masuunissa. Muodostuneen raakaraudan hiilipitoisuus on noin 4 %. Sula raakarauta kuljetetaan konvertteriin mellotusta varten. Mellotuksessa raakarauta kuumennettan uudelleen happivirran avulla ja sulan massan hiilipitoisuus saadaan laskemaan alle 1,7 %. Sulaan massaan lisätään myös romurautaa. Prosessin lopputuloksena muodostuu terästä.