3. Metallinjalostus

1. Virittäytyminen – mitä on metallinjalostaminen?

2017-07-05T17:18:54+03:00

Pohtikaa etukäteen, mitä metallinjalostuksella pyritään saavuttamaan. Ohessa kuvasarja ajattelun tueksi.

2. Malmin louhinta ja rikastaminen

2017-07-29T22:49:27+03:00

Metallinjalostuksessa maa- tai kallioperässä tai vesistöissä oleva ionimuotoinen metalli muutetaan kemiallisin menetelmin alkuainemuotoiseksi metalliksi. Jalometallit saadaan luonnosta sellaisenaan, mutta se edellyttää yleensä malmin käsittelyä fysikaalisin ja kemiallisin menetelmin metallin irrottamiseksi muusta aineksesta erilleen.

Metallinvalmistuksen alussa maa-ainetta kerätään talteen. Kallioon porataan reikiä ja siihen lisätään räjähteitä. Lohkareet kuljetetaan murskaimeen, jossa ne hienonnetaan. Arvokkaat mineraalit erotetaan arvottomasta sivukivestä tai toisistaan eli rikastetaan.

Useimmiten rikastaminen tehdään vaahdottamalla. Siinä jauhettu malmi sekoitetaan veteen, jossa on vaahdotusainetta. Metallimineraali tarttuu vaahtokuplien pintaan ja sivukivi painuu astian pohjalle.

Lopuksi mineraali kootaan vaahdon mukana talteen. Raskaita mineraaleja rikastetaan antamalla hiukkasten kerrostua astian pohjalle eli sedimentoimalla. Magneettiset mineraalit voidaan puolestaan rikastaa magneettisella menetelmällä.

Prosessin loppuvaiheessa metalli puhdistetaan ja sula metalli valetaan harkoiksi, tangoiksi ja levyiksi teollisuuden tarpeisiin.

Valettu kultaharkko.

3. Raudan valmistus ja jalostus

2017-07-05T17:20:25+03:00

Rautaa saadaan sen oksideista eli raudan ja hapen yhdisteistä. Yleisimmät ovat magnetiitti (Fe₃O₄) ja hematiitti (Fe₂O₃).

Louhittu malmi rikastetaan eli siitä poistetaan hyödytön sivukivi. Sen jälkeen happi irrotetaan malmista masuunissa eli suuressa uunissa. Malmia kuumennetaan hiilen läsnä ollessa. Kuumuus saa hapen irtoamaan raudasta ja kiinnittymään hiileen. Sula raakarauta eli valurauta valutetaan masuunin alaosasta jatkojalostusta varten. Kuona voidaan käyttää maantäyttöaineena. Siitä voi valmistaa myös tiiliä.

Raakaraudassa hiilen pitoisuus on yli 1,7 %. Liian suuri hiilipitoisuus tekee raakaraudasta haurasta. Hiilen määrää pienennetään kuumentamalla raakarautaa ilman tai puhtaan hapen läsnä ollessa. Seoksessa oleva hiili reagoi hapen kanssa ja muodostuu hiilidioksidia. Prosessissa muodostuneet kaasumaiset aineet joko kerätään talteen muiden teollisten prosessien raaka-aineeksi tai poistetaan puhdistuslaitteilla ilmakehään johdettavista savukaasuista.

Prosessissa syntyy terästä. Teräs on rautaa, jossa on alle 1,7 % hiiltä. Ruostumatonta terästä saadaan, kun seokseen lisätään viidesosa kromia ja kymmenesosa nikkeliä. Ruostumaton teräs ei ruostu veden vaikutuksesta.

Ruostumaton teräs on suosittu rakennusmateriaali. Vertaa kuvien avulla ruostumatonta terästä normaaliin teräkseen.

Teräksen karkaisussa metalli kuumennetaan hehkuvaksi ja jäähdytetään nopeasti kylmäksi esimerkiksi upottamalla hehkuva kappale öljyyn tai veteen. Vettä on usein helpommin saatavilla, mutta öljy viilentää raudan hitaammin ja todennäköisyys raudan murtumiseen jäähdytettäessä pienenee. Toisaalta öljyn käytössä on syttymisvaara. Teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin öljyn tai veden valinnalla ei ole vaikutusta.

Kuumennus aiheuttaa rakennevirheitä raudan ja hiilen muodostamassa hilassa. Lämpötilan laskiessa rakenne palautuu entiselleen, jos jäähtyminen tapahtuu hitaasti. Nopeasti jäähdytettäessä rakennevirheet jäävät hilaan. Ne tekevät teräksestä kovan, mutta murtuvan. Hilavirheitä voidaan poistaa kuumentamalla karkaistua terästä uudelleen ja antamalla sen jäähtyä hitaasti. Tätä työvaihetta nimitetään päästämiseksi. Karkaisulla ja päästämisellä saadaan teräkselle eri tarkoituksiin sopivia kovuus.

Animaatio – Karkaisu

4. Kuparin valmistus

2017-07-05T17:21:30+03:00

Kuparia valmistetaan malmista, joka sisältää kuparin ja rikin suolaa. Yleisimmät ovat kuparikiisu (CuFeS₂) ja kuparihohde (Cu₂S).

Erityisen puhdasta kuparia (99,99 %) valmistetaan sähkön avulla elektrolyyttisesti. Sähkö- ja elektroniikkateollisuus käyttää arviolta puolet kaikesta maailmalla tuotetusta kuparista. Noin 30 % käytetään erilaisten metalliseosten kuten messingin valmistukseen. Kupari on yleinen metalli elintarviketeollisuudessa kattiloissa, energiateknologiassa lämpöpattereina ja kotitalouksien vesijohtoputkina

Rikastaminen

Rikastusprosessissa kuparikiisua kuumennetaan, jolloin kupari ja rauta saadaan eroamaan toisistaan. Reaktiossa muodostuu kupari- ja rautasulfideja (Cu₂S ja FeS). Uuniin johdetaan hapella rikastettua ilmaa, jolloin muodostuu kuparioksidia (Cu₂O). Kuparisulfidi muuntuu vain osittain. Kun jäljelle jäänyt kuparisulfidi ja palamisessa muodostunut kuparioksidi reagoivat keskenään, tuotteena muodostuu puhdasta kuparia ja rikkidioksidia.

Suomessa Outokumpu Oyj:n kehittämässä liekkisulatusmenetelmässä malmin sulattaminen ja hapettaminen saadaan tapahtumaan yhtä aikaa. Lisäksi uunissa tarvittava lämpö saadaan reaktioissa vapautuvasta energiasta, ja näin säästyy energiaa. Menetelmän heikkoutena on prosessissa syntyvä rikkidioksidi. Liekkisulatusmenetelmä on muita menetelmiä ympäristöystävällisempi tehokkaamman rikkidioksidin talteenottoprosessin ansiosta. Se voidaan esimerkiksi johtaa rikkihappotehtaaseen. Menetelmä on käytössä monessa kymmenessä maassa, ja sillä valmistetaan arviolta puolet kaikesta maailman kuparista. Liekkisulatusmenetelmän kunniaksi julkaistiin postimerkki vuonna 1983.

Kuparista valmistetaan muun muassa johteita.

5. Metalliseokset

2017-07-05T17:22:58+03:00

Puhdas metalli on harvoin käyttökelpoista sellaisenaan. Esimerkiksi rauta alkaa ruostua ilman hapen vaikutuksesta minuuteissa. Metallin ominaisuuksia muunnetaan lisäämällä sen joukkoon toisia metalleja tai muita aineita. Kullan sekaan lisätään kuparia, jotta siitä saataisiin hankausta ja kolhuja paremmin kestävää metallia.

Metalliseoksia nimitetään yleisesti lejeeringeiksi. (ital. legare = sitoa). Se on vähintään kahdesta eri metallista koostuva tasakoosteinen seos. Sulina metallit sekoittuvat toisiinsa yleensä helposti. Sekoittumista tapahtuu myös huoneen lämpötilassa, mutta nopeus on huomattavasti pienempi. Esimerkiksi lyijyssä sekoittuminen tapahtuu 315 ^oC:n lämpötilassa 300 000 kertaa nopeammin kuin 115 ^oC:n lämpötilassa. Jotkin metallit, kuten nikkeli ja kupari, sekoittuvat toisiinsa missä määräsuhteissa tahansa. Tavallisempaa kuitenkin on, että on jokin raja, jossa suhteessa metallit sekoittuvat toisiinsa.

Ruostumatonta terästä, messinkisanko ja pronssikauden aseita.

Metalliseosten ominaisuudet poikkeavat alkuainemetallien ominaisuuksista. Seoksella on esimerkiksi alhaisempi sulamispiste kuin sen muodostavalla alkuaineilla, tai se kestää kemiallista rasistusta paremmin kuin alkuaineet itsessään. Metalliseokset ovat tärkeitä teollisuuden raaka-aineita. Monet metallit ovat alkuainemuodossaan liian pehmeitä eivätkä sellaisinaan sovellu teollisuuden käyttöön. Metalliseosten kemiallinen koostumus ilmoitetaan yleensä prosentteina. Esimerkiksi ruostumattoman teräksen koostumus voi olla 73 % rautaa, 18 % kromia, 8 % nikkeliä ja 1 % hiiltä, mutta koostumus vaihtelee valmistajan ja käyttötarkoituksen mukaan. Pronssin koostumus on 90 % kuparia ja 10 % tinaa. Messingin koostumus on 85 % kuparia ja 15 % sinkkiä.

Kuvassa on messinkiseoksen malli. Materiaali koostuu pääosin kupariatomeista ja siellä täällä on sinkkiatomeja.

Messingistä valmistetaan esimerkiksi kaikki vaskipuhaltimet.

Tiivistelmä

2017-07-05T17:23:14+03:00

Metallinjalostuksessa maa- tai kallioperässä tai vesistöissä oleva ionimuotoinen metalli muutetaan kemiallisin menetelmin alkuainemuotoiseksi metalliksi.
Työvaiheita ovat mm. malmin louhinta ja rikastaminen.
Metalliseoksia nimitetään yleisesti lejeeringeiksi.
Lejeerinki on vähintään kahdesta eri metallista koostuva tasakoosteinen seos.
Metalliseosten ominaisuudet (esim. sulamispiste, rasitus ja muokattavuus) poikkeavat alkuainemetallien ominaisuuksista.