Könnyűfémkohászat
A könnyűfémkohászat a „nemvasfémek” közül a 4,5 kg/dm³-nél kisebb sűrűségű fémek érceiből való előállításával (metallurgiájával) foglalkozik (a nehéz- vagy színesfémekkel a színesfémkohászat). A könnyűfémek közé tartoznak az Al, Ti, Si, az alkálifémek (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) és az alkáliföldfémek (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Gyakorlati szempontból a legfontosabbak az alumínium, a magnézium és a titán.
Alumíniumkohászat
Az alumínium érce a bauxit. Nevét Les Baux-de-Provence francia településről kapta, mert 1821-ben itt fedezték fel. A bauxit üledékes kőzet, amely feltalálási helyétől függően változó összetételű: 35…80% Al2O3-at, legfeljebb 30% Fe2O3-at, 10% SiO2-t, valamennyi kalciumot, titánt, mangánt tartalmaz. Fő ásványai a hidrargillit (γ-Al(OH)3), a böhmit (γ-AlO(OH)), a diaszpor (α-AlO(OH)) és vastartalmú ásványok. Ez utóbbiak miatt színe leggyakrabban vörös, esetleg rózsaszínes, néha szürkés.
A bauxitból az alumíniumot kétlépcsős technológiával állítják elő. A folyamat első fázisában a sokösszetevős bauxitból iparilag tiszta alumíniumoxidot, timföldet állítanak elő. A második menetben a timföldből elektrolitikus kohósítással állítják elő a fémalumíniumot.
Timföldgyártás
Timföld előállítására több módszert is kidolgoztak, de nagyipari jelentősége csak a Bayer-féle eljárásnak van. Az eljárás azon alapul, hogy a bauxitban lévő Al2O3 marónátronban (NaOH) nátrium-aluminát alakjában oldódik, a bauxit egyéb összetevői viszont nem. A Bayer-eljárás fő műveletei:
- Bauxit-előkészítés: A bauxitot a lúggal való hatékony kezelés céljából megfelelő méretre kell darabolni, aprítani. Ezt már a bányánál elkezd(het)ik, de a timföldgyárban még finom őrlést is alkalmaznak. Az őrlésre pofás törőket, hengereket, kalapácsos vagy golyós malmokat használnak. Az alkalmazott szemnagyság a bauxit összetételéhez igazodik 0,07–1 mm között.
- Feltárás: A feltárást, azaz a bauxit alumíniumoxid-tartalmának feloldását, egymáshoz kapcsolt autoklávok sorában végzik. Az autoklávok légmentesen záródó, vastag falú, túlnyomással működő tartályok. Az első autoklávba nagynyomású zagyszivattyú tölti be a feltárandó zagyot, amely a bauxitot és a feltáráshoz szükséges mennyiségű lúgot tartalmazza. A betöltött zagy hőmérséklete 95 °C körül van. A zagy folyamatosan áramlik át a gőzzel fűtött többi autoklávba, miközben hőmérséklete 250 °C-ra emelkedik, és megtörténik az alumíniumoxid oldódása. Az utolsó expanziós tartálysoron átáramolva 120 °C-ra hűl, végül a hígító tartályba jut. Az alkalmazott hőmérséklet a bauxit ásványos összetételétől függ. A gibbsites bauxitok kisebb hőmérsékletet (~140 °C), a böhmites és diaszporos bauxitok 250 °C körüli hőmérsékletet igényelnek. A feltárás során oldatba megy a bauxit alumíniumtartalmának nagy része, ez az aluminátlúg. A maradék szilárd fázist – ülepítés és gyakran szűrés után – az ún. vörösiszap formájában távolítják el.
- Kikeverés: A kikeverés célja a timföldhidrát kiválasztása az aluminátlúgból, hogy ebből – kalcinálás után – megfelelő minőségű timföldet kapjanak. A kikeveréshez az oldatot álló oszlopszerű keverőtartályokba szivattyúzzák, majd kristályos alumíniumhidroxidot adnak az oldathoz, miközben erősen keverik (mechanikus vagy pneumatikus módszerrel). Az alumíniumhidroxid az oltóanyag szerepét tölti be, segít megbontani az alumíniumoldatot. A kikeverés során fontos a hőmérsékletvezetés pontos betartása. Egyrészt mennél kisebb a hőmérséklet, annál túltelítettebb lesz az oldat, így több Al2O3 válhat ki belőle. Másrészt viszont a kis hőmérsékleten az alumínium-hidroxid kristályosodási sebessége elmarad az aluminátlúg bomlási sebességétől, ami a szemcseméretre van kedvezőtlen hatással. A kikevert zagyot vízzel keverve szűrik, általában többször is.
- Kalcinálás: A timföldgyártás befejező művelete során a 34,6% kötött és mintegy 10% tapadó vizet távolítják el a timföldhidrát kiizzításával. A kalcinálást forgó csőkemencében végzik, amelynek a hossza 40–100 m, átmérője 2,5–4,0 m. A kemence lejtése mintegy 2%, fordulatszáma pedig 0,8–1,5 1/min. A hidrátot a kemence felső, hidegebb végén adagolják be, és a meleg alsó végén távolítják el 850–1150 °C hőmérsékleten. A kész timföldet silókban tárolják.
- Egyéb műveletek: A Bayer-eljárás során felhasznált lúgot a gazdaságosabb műveletvégzés érdekében körfolyamat-szerűen alkalmazzák. Az elhasznált és vízzel hígult lúgot tisztítják és bepárolják, így vezetik vissza a folyamat elejére.
Fémalumínium előállítása
A fémalumínium előállítására szolgáló olvadékelektrolízist – egymástól függetlenül – az amerikai Charles Martin Hall és a francia Paul T. Héroult találta fel és szabadalmaztatta 1886-ban. Az elektrolízisen alapuló alumíniumgyártás lényege az, hogy a timföldet kriolittal (Na3AlF6) keverik, és ennek 950 °C hőmérsékletű olvadékát elektrolizálják. Az elektrolízist teknőszerű kiképzésű elektrolizáló kádakban végzik. A teknő anyaga szénalapú masszából készül, ez a katód. A szintén szénalapú masszából (anódmassza) készült anód felülről nyúlik be az olvadékba. A fémalumínium a katódon, azaz a kádban válik ki. A kiválás az Al3+ ionok töltésvesztésével valósul meg:
- Al3+ + 3e → Al.
Az elektrolizáló kádakat 30 000–150 000 amperes árammal működtetik. Kapocsfeszültségük 4,0–4,5 V, amiből 1,7 V a bontási feszültség. A katódhoz az áramot acélsínnel, az anódhoz többnyire függőleges helyzetű acéltüskékkel vezetik (más kiképzésű anódok is használatosak). A timföld oxigénje az anódon válik ki, és a szénnel szén-monoxidot és szén-dioxidot képez. Az anód anyaga emiatt az elektrolízis alatt folyamatosan fogy, amit felülről időről időre pótolnak koksz és szurok keverékéből álló anódmasszával, ami a hőmérséklet hatására tömör anyaggá ég össze.
A kádakban az olvadék felszínén az elektrolit szilárd, „fagyott” kérget alkot, amit a timföld és a kriolit adagolásakor, valamint csapoláskor be kell törni. A csapolás vákuumüstbe való szívással történik. Az ilyen módon gyártott alumínium tisztasága 99% fölött van.
Magnéziumkohászat
A magnézium a földkéreg nyolcadik leggyakoribb eleme, külső rétege 1,95% magnéziumot tartalmaz. A magnéziumnak nagy a kémiai affinitása, ezért csak vegyületek formájában lelhető fel. Legfontosabb ásványai a magnezit (MgCO3) 28,8% magnéziumtartalommal, a szerpentin (2MgO·2SiO2·H2O) 22,2%, a dolomit (CaCO3·MgCO3) 13,2%, a bischofit (MgCl2·6H2O) 12% és a karnallit (KCl·MgCl2·6H2O). Mivel egyes zárt tavak és a tenger magnéziumtartalma is jelentős, ezekből is állítanak elő magnéziumot (például Holt-tenger: 2,55% Mg, tengervíz: 0,14% Mg).
A magnézium kohósítása alapvetően kétféle eljárás szerint történik: elektrolízissel (ez a jelentősebb) és szilikotermikus módszerrel.
Ércelőkészítés
Mindkét módszer első lépése a karbonátos ércek (magnezit, dolomit) oxiddá alakítása. Ezt égetéssel valósítják meg, aminek az alapreakciója a magnézium-karbonát termikus disszociációja:
- MgCO3 = MgO + CO2.
A termikus bomlás már kisebb hőmérsékleteken is megindul, de csak 650 °C-on zajlik le kellő sebességgel, míg a teljes CO2-tartalom eltávolítása 1000 °C fölött valósul meg. Az égetési hőmérséklet megválasztása attól is függ, hogy melyik módszer számára állítják elő a magnézium-oxidot. Az olvadékelektrolízis számára 700…800 °C-on, míg a szilikotermikus eljárás számára 1200 °C fölött égetik a dolomitot. Az égetésre forgódobos vagy aknás kemencét használnak.
Magnézium előállítása elektrolízissel
Az elektrolízist vizes oldatból nem lehet megvalósítani, mert a magnézium normál-elektródpotenciálja –2,37 V. Ezért – ugyanúgy, mint az alumínium esetén – olvadékelektrolízist kell alkalmazni. Mivel azonban a MgO nem oldódik jól fluoridolvadékokban, a magnézium-kloridból (MgCl2) kell kiindulni. Ehhez a magnézium-oxidból egy következő lépcsőben kloridot kell előállítani. A bischofit és a karnallit esetén – minthogy ezek kloridos ércek – csak a kötött víztartalmat kell eltávolítani. A magnézium-oxid klórozása az alábbi reverzibilis folyamat szerint megy végbe:
- MgO + Cl2 = MgCl2 + 0,5O2.
Az eljárást aknás kemencére hasonlító zárt klórozó berendezésben végzik 650…700 °C-on, klórgáz atmoszférában. A felszabaduló oxigén megkötésére szenet használnak. A képződő magnézium-klorid folyékony halmazállapotú, amelyet az akna aljáról folyamatosan távolítanak el.
Az olvadékelektrolízist az alumínium-elektrolizáló kádhoz hasonló berendezésekben végzik. A legnagyobb különbség a berendezés zártságában, a bélés és az elektródák anyagában van. A kád bélése savanyú samott és alumínium-oxid, az anódok grafitból, a katódok acélból készülnek.
A tiszta magnézium-kloridnak viszonylag nagy az olvadáspontja és rossz az elektromos vezetése. Ezeket a kedvezőtlen tulajdonságokat más fémkloridok (Mg, K, Na, Ca, Ba, Li) adagolásával tudják befolyásolni. Az elektrolízis hőmérséklete mindig a magnézium olvadáspontja (650 °C) fölött van 30…70 °C-kal. A katódon a fémmagnézium válik le:
- Mg2+ + 2e → Mg.
Az anódon lejátszódó fő elektrokémiai folyamat:
- 2Cl– – 2e → Cl2.
A kádban összegyűlt magnéziumot vákuumüsttel távolítják el, csakúgy, mint az elhasznált elektrolitot. A lecsapolt magnéziumot finomítják, ötvözik és leöntik.
Magnézium előállítása szilikotermikus módszerrel
A módszer kiinduló anyaga a dolomitból égetett MgO. A szilikotermikus eljárás alapja az alábbi redukció:
- 2MgO + Si = 2Mg + SiO2.
A dolomit CaO-tartalma is „besegít” a folyamatba:
- MgO + CaO +0,5Si = Mg + 0,5Ca2SiO4.
A redukciós folyamat kis nyomáson és nagy hőmérsékleten megy végbe. A gyakorlatban 130 Pa nyomást és 1500 °C hőmérséklete alkalmaznak. A magnézium kristályok formájában kondenzálódik az álló vagy forgódobos retortában. A berendezés jellegzetessége a csatlakoztatott vákuum-berendezés.
Titánkohászat
A titán a földkéregben mintegy 0,6%-os arányban fordul elő. Nagy kémiai affinitása miatt csak vegyületeiben található meg. Ipari jelentőségű ércei a rutil (TiO2 60% titántartalommal) és az ilmenit (FeO·TiO2 31%).
A titán előállítását érceiből három lépésben végzik. Az érceket először fizikai módszerrel dúsítják (flotálással, elektrosztatikus szeparálással), azaz az értékes ásványokat elkülönítik a meddőtől. Ezt kémiai dúsítás követi, amelynek során piro- vagy hidrometallurgiai módszerekkel tiszta TiO2-ot vagy TiCl4-ot állítanak elő. Utolsó műveletként redukcióval vagy elektrolízissel nyerik ki a fém titánt.
Titán-dioxid előállítása
- Lúgzással: A lúgzást tömény, 92%-os kénsavval végzik, amelynek során a következő kémiai reakció zajlik le:
- TiO2 + H2SO4 = Ti(OH)2SO4.
- A művelet után hidrolízissel TiO(OH)2-t, majd ebből kalcinálással állítják elő a TiO2-ot:
- Ti(OH)2 = TiO2 + H2O.
- Pörköléssel és lúgzással: Az ilmenitkoncentrátumból redukáló pörköléssel FeO·TiO2-t állítanak elő, majd kénsavas, egy másik módszer szerint pedig sósavas lúgzással állítják elő a TiO2-ot.
Titán-tetraklorid előállítása
A titán-tetrakloridot a TiO2-ot tartalmazó anyag klórozásával állítják elő. Az eljárás főbb lépcsői:
- Klórozás: Az eljárás alapja a TiO2 + 2Cl2 = TiCl4 + O2 reakció. A műveletet elektromos fűtésű aknás kemencében, újabban fluid reaktorban végzik 1000 °C körüli hőmérsékleten.
- Kondenzálás: A klórozó berendezésből távozó gázokból a titán-tetrakloridot többlépcsős berendezésben kondenzálják.
- Tisztítás: Frakcionált desztillálással végzik.
Fém titán előállítása
A titán előállításának („szinítésének”) kiinduló anyaga általában a titán-tetraklorid, ritkábban titán-oxid. Az alkalmazott eljárások ezekhez igazodnak.
- Magneziotermikus redukcióval: A műveletet elektromos ellenállásfűtésű kemencében végzik, a reagens magnéziumot tömbök formájában helyezik el benne. Az eljárás során argon vagy hélium védőgázt használnak. A redukció kémiai egyenlete:
- TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.
- A kapott termék a titánszivacs, amelyet külön eljárással még tisztítanak.
- Titán-dioxid redukciójával: Az oxidos kiinduló anyagot kalciummal vagy kalcium-hidriddel redukálják, így porszerű titánt kapnak. A reakciók:
- TiO2 + 2Ca = Ti + 2CaO.
- TiO2 + 2CaH2 = Ti + 2CaO + 2H2.
- Elektrolízissel: A titán az alumíniumhoz és a magnéziumhoz hasonlóan csak olvadékból elektrolizálható. A titán-tetraklorid oldószereként többnyire alkálifémek (Na, K) fluoridjait használják. Az anód anyaga grafit, a katód acél vagy titán.
Források
- Pásztor Gedeon – Szepessy Andrásné – Siklósi Péter – Osvald Zoltán: Könnyűfémek metallurgiája. Budapest: Tankönyvkiadó. 1991.
- Alumínium kézikönyv. Domony András (főszerk.). Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1967.