Schmelzen - Smelting

Elektro-Phosphat-Schmelzofen in einem TVA- Chemiewerk (1942)

Schmelzen ist ein Prozess, bei dem einem Erz Wärme zugeführt wird , um ein unedles Metall zu extrahieren . Es ist eine Form der extraktiven Metallurgie . Es wird verwendet, um viele Metalle aus ihren Erzen zu gewinnen, darunter Silber , Eisen , Kupfer und andere unedle Metalle . Das Schmelzen verwendet Hitze und ein chemisches Reduktionsmittel , um das Erz zu zersetzen, andere Elemente als Gase oder Schlacke auszutreiben und die Metallbasis zurückzulassen. Das Reduktionsmittel ist üblicherweise eine fossile Brennstoff Quelle von Kohlenstoff , wie etwa Koks -OR, in früheren Zeiten, Holzkohle . Der Sauerstoff im Erz bindet bei hohen Temperaturen aufgrund der geringeren potentiellen Energie der Bindungen im Kohlendioxid ( CO
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). Das Schmelzen erfolgt vor allem in einem Hochofen zu Roheisen , das zu Stahl verarbeitet wird .

Die Kohlenstoffquelle fungiert als chemisches Reaktant Sauerstoff aus dem Erz zu entfernen, um das gereinigte Metall Nachgeben Elements als Produkt. Die Kohlenstoffquelle wird in zwei Stufen oxidiert. Zuerst verbrennt der Kohlenstoff (C) mit Sauerstoff (O 2 ) in der Luft, um Kohlenmonoxid (CO) zu erzeugen . Zweitens reagiert das Kohlenmonoxid mit dem Erz (zB Fe 2 O 3 ) und entfernt eines seiner Sauerstoffatome, wobei Kohlendioxid ( CO
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). Nach sukzessiven Wechselwirkungen mit Kohlenmonoxid wird der gesamte Sauerstoff im Erz entfernt, so dass das Rohmetallelement (zB Fe) zurückbleibt. Da die meisten Erze unrein sind, ist es oft notwendig , eine zu verwenden , Fluss , wie Kalkstein (oder Dolomit ), die begleitenden Gestein entfernen Gangart als Schlacke. Auch bei dieser Kalzinierungsreaktion wird häufig Kohlendioxid freigesetzt.

Anlagen zur elektrolytischen Reduktion von Aluminium werden im Allgemeinen auch als Aluminiumhütten bezeichnet .

Verfahren

Beim Schmelzen geht es um mehr, als nur das Metall aus seinem Erz zu schmelzen. Die meisten Erze sind die chemische Verbindung des Metalls und anderer Elemente wie Sauerstoff (als Oxid ), Schwefel (als Sulfid ) oder Kohlenstoff und Sauerstoff zusammen (als Carbonat ). Um das Metall zu extrahieren, müssen Arbeiter diese Verbindungen einer chemischen Reaktion unterziehen. Das Schmelzen besteht daher darin, geeignete reduzierende Substanzen zu verwenden , die sich mit diesen oxidierenden Elementen verbinden, um das Metall freizusetzen.

Braten

Im Fall von Sulfiden und Karbonaten entfernt ein als „ Röstung “ bezeichnetes Verfahren den unerwünschten Kohlenstoff oder Schwefel und hinterlässt ein Oxid, das direkt reduziert werden kann. Das Rösten wird normalerweise in einer oxidierenden Umgebung durchgeführt. Ein paar praktische Beispiele:

  • Malachit , ein gemeinsames Erz Kupfer , ist in erster Linie Kupfercarbonat Hydroxid Cu 2 (CO 3 ) (OH) 2 . Dieses Mineral wird in mehreren Stufen zwischen 250 °C und 350 °C thermisch zu 2CuO, CO 2 und H 2 O zersetzt . Das Kohlendioxid und das Wasser werden in die Atmosphäre ausgestoßen und hinterlassen Kupfer(II)-oxid , das direkt zu Kupfer reduziert werden kann, wie im folgenden Abschnitt mit dem Titel Reduktion beschrieben .
  • Galenit , das häufigste Bleimineral, ist hauptsächlich Bleisulfid (PbS). Das Sulfid wird zu einem Sulfit (PbSO 3 ) oxidiert , das sich thermisch in Bleioxid und Schwefeldioxid zersetzt. (PbO und SO 2 ) Das Schwefeldioxid wird ausgetrieben (wie das Kohlendioxid im vorherigen Beispiel) und das Bleioxid wird wie unten beschrieben reduziert.

Die Ermäßigung

Die Reduktion ist der letzte Hochtemperaturschritt beim Schmelzen, bei dem das Oxid zum elementaren Metall wird. Eine reduzierende Umgebung (oft durch Kohlenmonoxid bereitgestellt, das durch unvollständige Verbrennung in einem Ofen mit Luftmangel entsteht) zieht die letzten Sauerstoffatome aus dem Rohmetall. Die erforderliche Temperatur variiert in einem sehr großen Bereich, sowohl absolut als auch vom Schmelzpunkt des Grundmetalls. Beispiele:

  • Eisenoxid wird bei etwa 1250 ° C (2282 ° F oder 1523,15 K) zu metallischem Eisen, fast 300 Grad unter dem Schmelzpunkt von Eisen von 1538 ° C (2800,4 ° F oder 1811,15 K).
  • Quecksilberoxyd wird dampfförmiges Quecksilber in der Nähe von 550 ° C (1022 ° F oder 823,15 K), fast 600 Grad über Mercury Schmelzpunkt von -38 ° C (-36,4 ° F oder 235,15 K).

Flussmittel und Schlacke können nach Abschluss des Reduktionsschrittes eine sekundäre Funktion erfüllen: Sie bilden eine geschmolzene Abdeckung auf dem gereinigten Metall und verhindern den Kontakt mit Sauerstoff, während sie noch heiß genug sind, um leicht zu oxidieren. Dadurch wird verhindert, dass sich Verunreinigungen im Metall bilden.

Flussmittel

Metallarbeiter verwenden beim Schmelzen Flussmittel für verschiedene Zwecke, darunter hauptsächlich um die gewünschten Reaktionen zu katalysieren und sich chemisch an unerwünschte Verunreinigungen oder Reaktionsprodukte zu binden. Zu diesem Zweck wurde häufig Calciumoxid in Form von Kalk verwendet, da es mit dem beim Rösten und Schmelzen entstehenden Kohlendioxid und Schwefeldioxid reagieren konnte, um diese aus der Arbeitsumgebung herauszuhalten.

Geschichte

Von den sieben in der Antike bekannten Metallen kommt in der Natur regelmäßig nur Gold in nativer Form vor. Die anderen – Kupfer , Blei , Silber , Zinn , Eisen und Quecksilber – kommen hauptsächlich als Mineralien vor, obwohl Kupfer gelegentlich in seinem ursprünglichen Zustand in kommerziell bedeutenden Mengen vorkommt. Diese Mineralien sind hauptsächlich Karbonate , Sulfide oder Oxide des Metalls, gemischt mit anderen Komponenten wie Siliziumdioxid und Aluminiumoxid . Das Rösten der Karbonat- und Sulfidmineralien in der Luft wandelt sie in Oxide um. Die Oxide wiederum werden in das Metall eingeschmolzen. Kohlenmonoxid war (und ist) das Reduktionsmittel der Wahl zum Schmelzen. Es wird leicht während des Erhitzungsprozesses hergestellt und kommt als Gas in engen Kontakt mit dem Erz.

In der Alten Welt lernten die Menschen in prähistorischer Zeit, vor mehr als 8000 Jahren, Metalle zu schmelzen . Die Entdeckung und Nutzung der „nützlichen“ Metalle – zunächst Kupfer und Bronze, einige Jahrtausende später Eisen – hatte enorme Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft. Die Auswirkungen waren so tiefgreifend, dass Gelehrte die antike Geschichte traditionell in Steinzeit , Bronzezeit und Eisenzeit einteilen .

In Amerika beherrschten die Prä- Inka- Zivilisationen der zentralen Anden in Peru mindestens sechs Jahrhunderte vor der Ankunft der ersten Europäer im 16. -Handwerk.

Zinn und Blei

In der Alten Welt waren die ersten geschmolzenen Metalle Zinn und Blei. Die frühesten bekannten gegossenen Bleiperlen wurden in der Stätte Çatal Höyük in Anatolien ( Türkei ) gefunden und stammen aus der Zeit um 6500 v. Chr., aber das Metall kann früher bekannt gewesen sein.

Da die Entdeckung mehrere Jahrtausende vor der Erfindung der Schrift geschah, gibt es keine schriftlichen Aufzeichnungen darüber, wie sie gemacht wurde. Zinn und Blei können jedoch geschmolzen werden, indem die Erze in ein Holzfeuer gelegt werden, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Entdeckung zufällig erfolgt ist.

Blei ist ein gewöhnliches Metall, aber seine Entdeckung hatte in der Antike relativ wenig Einfluss. Es ist zu weich, um es für Strukturelemente oder Waffen zu verwenden, obwohl es aufgrund seiner hohen Dichte im Vergleich zu anderen Metallen ideal für Schleudergeschosse ist . Da es jedoch leicht zu gießen und zu formen war, verwendeten Arbeiter in der klassischen Welt des antiken Griechenlands und des antiken Roms es ausgiebig, um Wasser zu rohren und zu speichern. Sie verwendeten es auch als Mörtel in Steingebäuden.

Zinn war viel seltener als Blei und ist nur geringfügig härter und hatte selbst noch weniger Auswirkungen.

Kupfer und Bronze

Nach Zinn und Blei scheint das nächste geschmolzene Metall Kupfer gewesen zu sein. Wie es zu der Entdeckung kam, ist umstritten. Feuerstellen sind etwa 200 ° C kurz vor der Temperatur benötigt wird , so dass einige schlagen vor , dass die erste Schmelze von Kupfer in der Keramik aufgetreten sein kann Brennöfen . Die Entwicklung der Kupferverhüttung in den Anden, von der angenommen wird, dass sie unabhängig von der Alten Welt stattgefunden hat, kann auf die gleiche Weise stattgefunden haben. Die frühesten aktuellen Beweise für die Kupferverhüttung stammen aus der Zeit zwischen 5500 v. Chr. und 5000 v. Chr. In Pločnik und Belovode, Serbien. Ein in Can Hasan , Türkei, gefundener Keulenkopf , der auf 5000 v.

Durch die Kombination von Kupfer mit Zinn und/oder Arsen im richtigen Verhältnis entsteht Bronze , eine Legierung , die deutlich härter als Kupfer ist. Die ersten Kupfer-/Arsen-Bronzen stammen aus dem Jahr 4200 v . Chr. aus Kleinasien . Auch die Inka-Bronzelegierungen waren von dieser Art. Arsen ist oft eine Verunreinigung in Kupfererzen, daher könnte die Entdeckung zufällig gemacht worden sein. Schließlich wurden beim Schmelzen absichtlich arsenhaltige Mineralien zugesetzt.

Kupfer-Zinn-Bronzen, härter und haltbarer, wurden um 3500 v. Chr. ebenfalls in Kleinasien entwickelt.

Wie Schmiede lernten, Kupfer-/Zinnbronzen herzustellen, ist unbekannt. Die ersten solchen Bronzen waren möglicherweise ein glücklicher Zufall aus zinnverseuchten Kupfererzen. Um 2000 v. Chr. wurde jedoch absichtlich Zinn abgebaut, um Bronze herzustellen – was angesichts der Tatsache, dass Zinn ein semi-seltenes Metall ist, erstaunlich ist und selbst ein reiches Kassiteriterz nur 5% Zinn enthält. Außerdem sind besondere Fähigkeiten (oder spezielle Instrumente) erforderlich, um sie zu finden und reichere Erder zu lokalisieren . Wie auch immer die frühen Völker von Zinn lernten, verstanden sie es, um 2000 v. Chr. Bronze daraus herzustellen.

Die Entdeckung der Kupfer- und Bronzeherstellung hatte einen bedeutenden Einfluss auf die Geschichte der Alten Welt . Metalle waren hart genug, um Waffen herzustellen, die schwerer, stärker und widerstandsfähiger gegen Aufprallschäden waren als Holz-, Knochen- oder Steinäquivalente. Für mehrere Jahrtausende war Bronze das Material der Wahl für Waffen wie Schwerter , Dolche , Streitäxte und Speer- und Pfeilspitzen sowie Schutzausrüstung wie Schilde , Helme , Beinschienen (Schienbeinschützer aus Metall) und andere Körperpanzer . Bronze verdrängte auch Stein, Holz und organische Materialien in Werkzeugen und Haushaltsgeräten – wie Meißeln , Sägen , Dechseln , Nägeln , Klingenscheren , Messern , Nähnadeln und Stecknadeln , Krügen , Kochtöpfen und Kesseln , Spiegeln und Pferdegeschirren . Zinn und Kupfer trugen auch zum Aufbau von Handelsnetzwerken bei, die weite Teile Europas und Asiens umspannten, und hatten einen großen Einfluss auf die Verteilung des Reichtums zwischen Einzelpersonen und Nationen.

Ding-Stative aus Bronze gegossen, aus der chinesischen Tiangong Kaiwu Enzyklopädie von Song Yingxing , veröffentlicht im Jahr 1637.

Frühe Eisenverhüttung

Der früheste Beweis für die Eisenherstellung ist eine kleine Anzahl von Eisenfragmenten mit entsprechenden Mengen an Kohlenstoffbeimischung, die in den proto-hethitischen Schichten bei Kaman-Kalehöyük gefunden und auf 2200–2000  v . Chr . Datiert wurden . Souckova-Siegolová (2001) zeigt , dass Eisengeräte in sehr begrenzten Mengen in Zentralanatolien gemacht wurden um 1800 BCE und waren von den Eliten in den allgemeinen Gebrauch, wenn auch nicht von Bürgerlichen, während der New Hethiterreiches (~1400-1200 BCE).

Archäologen haben Hinweise auf Eisenbearbeitung im alten Ägypten gefunden , irgendwo zwischen der dritten Zwischenzeit und der 23. Dynastie (ca. 1100–750 v. Chr.). Bezeichnenderweise haben sie jedoch in keiner (vormodernen) Periode Beweise für die Verhüttung von Eisenerz gefunden. Darüber hinaus wurden vor etwa 2000 Jahren (etwa im ersten Jahrhundert n. Chr.) im Nordwesten Tansanias sehr frühe Exemplare von Kohlenstoffstahl auf der Grundlage komplexer Vorwärmprinzipien hergestellt. Diese Entdeckungen sind für die Geschichte der Metallurgie von Bedeutung.

Die meisten frühen Prozesse in Europa und Afrika beinhalteten das Schmelzen von Eisenerz in einer Bloomery , wo die Temperatur niedrig genug gehalten wird, damit das Eisen nicht schmilzt. Dadurch entsteht eine schwammartige Eisenmasse, die als Blüte bezeichnet wird und die dann mit einem Hammer verfestigt werden muss, um Schmiedeeisen herzustellen . Der bisher früheste Beweis für das Schmelzen von Eisen in der Blütezeit findet sich in Tell Hammeh , Jordanien ( [1] ) und stammt aus dem Jahr 930 v. Chr. ( C14-Datierung ).

Spätere Eisenverhüttung

Ab dem Mittelalter begann ein indirekter Prozess, die direkte Reduktion in Bloomeries zu ersetzen. Dies einen gebrauchter Hochofen machen Roheisen , die dann einen weiteren Prozess zu unterziehen mußten schmiedbar bar Eisen zu machen. Prozesse für die zweite Stufe umfassen in einer Schönung finery Schmiede und von der industriellen Revolution , puddling . Beide Verfahren sind mittlerweile veraltet und Schmiedeeisen wird nur noch selten hergestellt. Stattdessen wird Baustahl aus einem Bessemer-Konverter oder auf andere Weise hergestellt, einschließlich Schmelzreduktionsverfahren wie dem Corex-Prozess .

Basismetalle

Cowles Syndikat von Ohio in Stoke-upon-Trent, England , Ende der 1880er Jahre. British Aluminium verwendete zu dieser Zeit das Verfahren von Paul Héroult .

Die Erze unedler Metalle sind oft Sulfide. In den letzten Jahrhunderten wurden Hallöfen verwendet, um die zu schmelzende Charge vom Brennstoff getrennt zu halten. Traditionell wurden sie für den ersten Schritt des Schmelzens verwendet: Bilden von zwei Flüssigkeiten, eine ein Oxid Schlacke meisten Verunreinigungen, und das andere ein Sulfid enthält , matte , enthaltend die wertvollen Metallsulfid und einige Verunreinigungen. Solche „Reverb“ Öfen sind heute etwa 40 Meter lang, 3 Meter hoch und 10 Meter breit. Der Brennstoff wird an einem Ende verbrannt, um die trockenen Sulfidkonzentrate (normalerweise nach teilweisem Rösten) zu schmelzen, die durch Öffnungen im Dach des Ofens zugeführt werden. Die Schlacke schwimmt über den schwereren Stein und wird entfernt und entsorgt oder recycelt. Der Sulfidstein wird dann dem Konverter zugeführt . Die genauen Details des Prozesses variieren je nach Mineralogie des Erzkörpers von einem Ofen zum anderen.

Während Hallöfen Schlacken produzierten, die sehr wenig Kupfer enthielten, waren sie relativ energieineffizient und entgasten eine geringe Konzentration an Schwefeldioxid, die schwer einzufangen war; eine neue Generation von Kupferschmelztechnologien hat sie abgelöst. Neuere Öfen nutzen Badschmelzen, Top-Jetting-Lanzenschmelzen, Schwebeschmelzen und Hochöfen. Einige Beispiele für Badschmelzen sind der Noranda-Ofen, der Isasmelt- Ofen, der Teniente-Reaktor, der Vunyukov-Ofen und die SKS-Technologie. Zu den Top-Jetting-Lanzen-Schmelzanlagen gehört der Mitsubishi-Schmelzreaktor. Flash-Hütten machen über 50 % der weltweiten Kupferhütten aus. Es gibt viele weitere Arten von Schmelzverfahren, darunter Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF und BF.

Umwelteinflüsse

Das Schmelzen hat schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt , erzeugt Abwasser und Schlacke und setzt giftige Metalle wie Kupfer , Silber, Eisen, Kobalt und Selen in die Atmosphäre frei. Schmelzhütten setzen auch gasförmiges Schwefeldioxid frei , das zum sauren Regen beiträgt , der Boden und Wasser versauert.

Die Schmelze in Flin Flon, Kanada, war im 20. Jahrhundert eine der größten punktförmigen Quecksilberquellen in Nordamerika. Auch nach dem Schmelzer Mitteilungen drastisch reduziert wurden, Landschaft Reemission weiterhin eine wichtige regionale Quelle für Quecksilber sein. Seen werden wahrscheinlich jahrzehntelang mit Quecksilber kontaminiert werden, sowohl durch erneute Emissionen, die als Regenwasser zurückkehren, als auch durch das Auswaschen von Metallen aus dem Boden.

Luftverschmutzung

Abwasser

Zu den Abwasserschadstoffen, die von Eisen- und Stahlwerken eingeleitet werden, gehören Vergasungsprodukte wie Benzol , Naphthalin , Anthracen , Cyanid , Ammoniak , Phenole und Kresole sowie eine Reihe komplexerer organischer Verbindungen, die zusammen als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bekannt sind. Zu den Behandlungstechnologien gehören das Recycling von Abwasser; Absetzbecken , Klärbecken und Filtrationsanlagen für Feststoffentfernung; Ölskimmer und -filtration; chemische Fällung und Filtration für gelöste Metalle; Kohlenstoffadsorption und biologische Oxidation für organische Schadstoffe; und Verdunstung.

Schadstoffe, die von anderen Arten von Schmelzhütten erzeugt werden, variieren je nach Basismetallerz. Beispielsweise erzeugen Aluminiumschmelzen typischerweise Fluorid , Benzo(a)pyren , Antimon und Nickel sowie Aluminium. Kupferhütten stoßen neben Kupfer typischerweise Cadmium , Blei, Zink , Arsen und Nickel aus.

Auswirkungen auf die Gesundheit

Arbeiter, die in der Hüttenindustrie arbeiten, haben von Atemwegserkrankungen berichtet, die ihre Fähigkeit beeinträchtigen, die körperlichen Aufgaben zu erfüllen, die ihre Arbeit erfordert.

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

  • Pleiner, R. (2000) Eisen in der Archäologie. The European Bloomery Smelters , Praha, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Veldhuijzen, HA (2005)Technische Keramik in der frühen Eisenschmelze. Die Rolle der Keramik im frühen ersten Jahrtausend v. Chr. Eisenproduktion in Tell Hammeh (Az-Zarqa), Jordanien. In: Prudêncio, I. Dias, I. und Waerenborgh, JC (Hrsg.) Die Menschen durch ihre Töpferei verstehen; Proceedings of the 7th European Meeting on Ancient Ceramics (Emac '03) . Lissabon, Instituto Português de Arqueologia (IPA).
  • Veldhuijzen, HA und Rehren, Th. (2006)Eisenschmelzende Schlackebildung bei Tell Hammeh (Az-Zarqa), Jordanien. In: Pérez-Arantegui, J. (Hrsg.) Proceedings of the 34th International Symposium on Archaeometry, Zaragoza, 3.–7. Mai 2004 . Saragossa, Institución «Fernando el Católico» (CSIC) Excma. Diputación de Zaragoza.

Externe Links