Кіріспе

Металл кенінен металл алу үшін жылу және тотықсыздаушы затты қолдану

Балқыту – металл кеніне жылу және химиялық тотықсыздаушы зат қолданылып, қажетті металл өнімдерін алу процесі. Бұл темір, мыс, күміс, қалайы, қорғасын және мырыш сияқты көптеген металдарды алуға қолданылатын металлургияның бір түрі. Балқыту кезінде жылу мен химиялық тотықсыздаушы зат кенді ыдыратады, басқа элементтерді газдар немесе шлак түрінде шығарып, металл қалдырады. Тотықсыздаушы зат көбінесе көміртек көзінен алынады, мысалы, кокстің толық емес жануынан пайда болатын көміртек оксиді, ал бұрынғы кезде – көмір. Кендегі оттегі жоғары температурада көміртекпен байланысады, себебі көмірқышқыл газындағы байланыстардың химиялық потенциалдық энергиясы кендегі байланыстардан төмен.

Мыс, мырыш немесе қорғасын алу үшін қолданылатын сульфидті кендер балқыту алдында күкірттің тотықтарына айналдыру үшін қыздырылады, олар металлға оңай тотығады. Қыздыру кезінде кен ауадан алынған оттегінің қатысуымен қыздырылады, кен тотығып, күкірт диоксид газы түрінде бөлінеді. Балқыту көбінесе домен пешінде шойын өндіру үшін жүргізіледі, ол болатқа айналады. Алюминийді электролиттік жолмен тотықсыздауға арналған зауыттар алюминий балқыту зауыттары деп аталады.

Процесс

Бұл тек кеннен металлды балқытып алу ғана емес. Көптеген кендер металл мен басқа элементтердің химиялық қосылысы болып табылады, мысалы, оттегі (оксид түрінде), күкірт (сульфид түрінде) немесе көміртек пен оттегінің бірлескен қосылысы (карбонат түрінде). Металл алу үшін жұмысшылар осы қосылыстарды химиялық реакцияға түсіруі керек. Сондықтан балқыту – металды босату үшін, окистендіргіш элементтермен байланысатын тиісті тотықтырғыш заттарды қолдану процесі.

Қауыру

Сульфидтер мен карбонаттар жағдайында "күйдіру" деп аталатын процесс артық көміртекті немесе күкіртті алып тастайды, соның нәтижесінде тікелей тотығуға болатын оксид қалады. Күйдіру әдетте тотықтырғыш ортада жүргізіледі. Бірнеше практикалық мысал: Малахит, мыстың кең таралған кені, негізінен мыс карбонаты гидроксиді Cu2(CO3)(OH)2 болып табылады. Бұл минерал 250 °C және 350 °C аралығында бірнеше сатыда 2CuO, CO2 және H2O-ға дейін термиялық ыдырауға ұшырайды. Көмірқышқыл газы мен су атмосфераға шығарылып, мыс(II) оксидін қалдырады, оны төмендегі "Тотығу" тақырыбында сипатталғандай мысқа тікелей тотығуға болады. Галена, қорғасынның ең көп таралған минералы, негізінен қорғасын сульфиді (PbS) болып табылады. Сульфид сульфитке (PbSO3) тотықтырылады, ол термиялық түрде қорғасын оксиді мен күкірт диоксиді газына (PbO және SO2) ыдырайды. Күкірт диоксиді шығарылады (бұрынғы мысалдағы көмірқышқыл газы сияқты), ал қорғасын оксиді төменде көрсетілгендей тотықтырылады.

Кішірейту

Редукция – металлургиядағы қорыту процесінің соңғы, жоғары температуралық кезеңі, онда оксид элементтік металға айналады. Тотығуды қамтамасыз ететін орта (көбінесе көміртек оксиді, ол ауа жетіспейтін пеште толық емес жану арқылы түзіледі) шикі металдан соңғы оттек атомдарын алып тастайды. Көміртек көзі кеннен оттекті жою үшін химиялық реагент ретінде әрекет етеді, нәтижесінде тазартылған металл элементі түзіледі. Көміртек көзі екі сатыда тотығады. Біріншіден, көміртек (С) ауадағы оттекпен (О2) жанып, көміртек оксидін (СО) құрайды. Екіншіден, көміртек оксиді кенмен (мысалы, Fe2O3) әрекеттесіп, оның бір оттек атомын алып тастап, көмірқышқыл газын (CO2) бөліп шығарады. Көптеген кендер таза болмағандықтан, олармен бірге болатын тау жынысын жою үшін әктас (немесе доломит) сияқты флюс қолдану қажет. Бұл кальцинация реакциясы көмірқышқыл газын шығарады. Қажетті температура абсолюттік шамада да, негізгі металдың балқу температурасы бойынша да өзгереді. Мысалдар: Темір оксиді шамамен 1250 °C (2282 °F немесе 1523 K) температурада металл темірге айналады, бұл темірдің 1538 °C (2800 °F немесе 1811 K) балқу температурасынан 300 градусқа төмен. Сынап оксиді 550 °C (1022 °F немесе 823 K) шамасында газ тәрізді сынапқа айналады, бұл сынаптың 38 °C (36,4 °F немесе 235 K) балқу температурасынан 600 градусқа жоғары, сонымен қатар сынаптың қайнау температурасынан да жоғары.

Ағыстар

Ағыстар – балқыту кезінде кенге қосылатын, қажетті реакцияларды катализдеу және қажетсіз қоспалар немесе реакция өнімдерімен химиялық байланыс жасау үшін қолданылатын материалдар. Көбінесе әк түріндегі кальций карбонаты немесе кальций оксиді осы мақсатта пайдаланылады, себебі олар күкірт, фосфор және кремний қоспаларымен реакцияласып, оларды шлак түрінде оңай бөліп тастауға мүмкіндік береді. Ағыстар сондай-ақ тұтқырлықты реттеуге және қажетсіз қышқылдарды бейтараптандыруға да себімі тигізеді. Редукция кезеңі аяқталғаннан кейін флюс және шлак қосымша қызмет атқара алады; олар тазартылған металл бетін балқыған қабатпен жабады, металлдың ыстық күйінде оттегімен байланысқа түсуіне кедері келтіреді. Бұл металлде қоспалардың пайда болуын болдырмайды.

Сульфид кендері

Бағасыз металдардың кендері көбінесе сульфидтер болып табылады. Соңғы ғасырларда, балқыту кезінде зарядты отыннан бөлек ұстау үшін реверберациялық пештер пайдаланылып келді. Дәстүрлі түрде, олар балқытудың алғашқы кезеңінде қолданылды: екі сұйықтықтың түзілуі, бірі – қоспалардың көп бөлігін қамтитын оксид шлагы, ал екіншісі – құнды металл сульфиді мен бірқатар қоспалардан тұратын сульфид маттысы. Бүгінде мұндай "реверб" пештерінің ұзындығы 40 метрге, биіктігі 3 метрге, ал ені 10 метрге жетеді. Отын пештің бір жағынан жағылып, құрғақ сульфид концентраттары (әдетте, жартылай қуырылғаннан кейін) пештің шатырындағы тесіктер арқылы беріледі. Шлак, маттадан ауыр болғандықтан, оның үстінде қалып, алынып тасталады немесе қайта өңделеді. Ал сульфид маттысы кейін конвертерге жіберіледі. Процестің нақты егжей-тегжейі кен орнының минералогиялық құрамына байланысты әр пеште әртүрлі болады. Реверберациялық пештер өте аз мыс қалдықтарын шығарғанмен, салыстырмалы түрде энергия тиімсіз болды және тұтқындау қиын күкірт диоксидінің аз концентрациясын бөліп шығарды; жаңа буын мыс балқыту технологиялары оларды ығыстырды. Жақындағы пештерде ваннада балқыту, жоғарыдан лақтыру арқылы балқыту, жылдам балқыту және домендік пештер қолданылады. Ванналық балқыту зауыттарының мысалдары: Noranda пештері, Isasmelt пештері, Teniente реакторы, Vunyukov балқыту зауыты және SKS технологиясы. Жоғарыдан лақтыру арқылы балқыту қондырғыларына Mitsubishi балқыту реакторы жатады. Жылдам балқыту орындары әлемдегі мыс балқыту орындарының 50%-дан астамын құрайды. Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF және BF сияқты балқыту процестерінің тағы да көптеген түрлері бар.

Тарих

Ежелгі заманда белгілі болған жеті металдың ішінде тек алтын ғана табиғи металл ретінде тұрақты түрде кездеседі. Басқалары – мыс, қорғасын, күміс, қалайы, темір және сынап – негізінен минералдар түрінде кездеседі, бірақ табиғи мыс кейде коммерциялық маңызы бар мөлшерде табылады. Бұл минералдар негізінен металдың карбонаттары, сульфидтері немесе оксидтері, кремний және алюминий қосылыстары сияқты басқа компоненттермен қосылған. Карбонаттар мен сульфидтерді ауада қыздыру оларды оксидтерге айналдырады. Оксидтер өз кезегінде металға балқытылады. Көміртек оксиді балқыту үшін басым тотықтырғыш агент болды (және қазір де солай). Ол қыздыру процесінде оңай түзіледі және газ күйінде кенмен тікелей жанасады. Ежелгі әлемде адамдар металдарды тарихқа дейінгі дәуірде, 8000 жылдан астам бұрын балқытуды үйренді. "Пайдалы" металдардың – алдымен мыс пен қола, содан кейін бірнеше мың жылдардан кейін темірдің – табылуы мен қолданылуы адамзат қоғамына зор әсер етті. Бұл әсер соншалықты кең таралғандықтан, ғалымдар ежелгі тарихты Тас дәуірі, Қола дәуірі және Темір дәуірі деп бөліп қарастырады. Америкада Перудегі Орталық Анды тауларындағы Инкадан бұрынғы өркениеттер 16 ғасырда еуропалықтар келгенге дейін кем дегенде алты ғасыр бұрын мыс пен күмісті балқытуды меңгерген, бірақ қару жасау үшін темір сияқты металдарды балқытуды ешқашан үйренбеген.

Қалай және қорғасын

Ежелгі әлемде алғашқы балқытылған металдар қалайы мен қорғасын болды. Анатолиядағы (Түркия) Чаталхьюк ескерткішінде ең ерте кездегі қорғасыннан құйылған моншақтар табылды, олар шамамен б.з.д. 6500 жылға жатса да, бұл металл одан бұрын да белгілі болуы мүмкін. Бұл жаңалық жазу өнерінің пайда болуынан бірнеше мың жыл бұрын ашылғандықтан, оның қалай жасалғаны туралы жазбада қалған мәлімет жоқ. Дегенмен, қалайы мен қорғасын кендерін ағаш отына салып балқытуға болады, сондықтан бұл жаңалықты кездейсоқ жағдайда табу мүмкін болған. Алайда, соңғы зерттеулер осы табылған жайтқа күмән келтіруде. Қорғасын – көп тараған металл, бірақ оның ашылуы көне әлемде осылайша үлкен әсер етпеді. Ол құрылыс элементтеріне немесе қару жасауға тым жұмсақ, бірақ басқа металдармен салыстырғандағы жоғары тығыздығы оны сырға салуға арналған снарядтар үшін өте қолайлы етеді. Бірақ оны құю мен пішіндеу оңай болғандықтан, ежелгі Греция мен ежелгі Римдегі жұмысшылар оны су құбырларын жасау және су сақтау үшін кеңінен пайдаланды. Сонымен қатар, оны тас ғимараттардың арасын толтыру үшін қолданды. Қалайы қорғасынға қарағанда әлдеқайда сирек кездеседі, одан сәл ғана қаттырақ және өзінің жеке бағасымен айтарлықтай әсер етпеді.

Мыс және қола

Қалай мен мырыштан кейін, ең алдымен қола балқытылған болуы мүмкін. Бұл жаңалықтың қалай ашылғаны туралы әртүрлі пікірлер бар. Лагерь оттарының температурасы қажетті деңгейден 200°C төмен болғандықтан, кейбір мамандар алғашқы қола балқыту керамикалық пештерде жүзеге асырылған деседі. (Ескі әлемнен тәуелсіз дамыған деп саналатын Анд тауларындағы қола өндірісі де осылай болған болуы мүмкін. Түркияда табылған және б.з.д. 5000 жылға жатқызылатын, бұрынғы ең ежелгі дәлел саналған маша бас, қазір соққымен соғылған табиғи қола екені анықталды. Қола жасау үшін мыс пен қалайыны және/немесе мырышты дұрыс пропорцияда қосу қажет, нәтижесінде мыстан әлдеқайда қатты қорытпа пайда болады. Бірінші мыс-мырыш қолалары Кіші Азияда б.з.д. 4200 жылға дейін жатады. Инка қолалары да осы типті болған. Мырыш көбінесе мыс кендерінде қоспа ретінде кездеседі, сондықтан бұл жаңалық кездейсоқ ашылған болуы мүмкін. Кейіннен, қорытпа құрамына мырыш бар минералдар қасақана қосылатын болды. Қаттылығы мен беріктігі жоғары мыс-қалайы қолалары б.з.д. 3500 жыл шамасында, сонымен қатар Кіші Азияда дамыды. Мыс-қалайы қолаларын қалай жасауды шеберлер білгені әлі белгісіз. Мүмкін, алғашқы қолалар мырыш қоспалы мыс кендерінен сәтті кездейсоқ шыққан шығар. Дегенмен, б.з.д. 2000 жылға қарай адамдар қола өндіру үшін қалайыны қазып ала бастады, бұл өте таңғаларлық, себебі қалайы сирек металл саналады, тіпті бай касситерит кенінде де тек 5% қалайы бар. Қола және мыс өндірісінің ашылуы Ескі әлем тарихына зор әсер етті. Металлдан жасалған қарулар ағаш, сүйек немесе тасқа қарағанда ауыр, мықты және зақымға төзімді болды. Мыңдаған жылдар бойы қола семсерлер, пышақтар, соғыс балғалары, найзалар мен жебелер, сондай-ақ қалқандар, дулығалар, аяқ қорғағыштар және басқа да қару-жарақтар жасау үшін басты материал болды. Қола сонымен қатар кескіштер, аралар, балталар, шегелер, пышақтар, тігін инелері, құмыралар, қазан-қадықтар, айналар және ат жабдықтары сияқты құралдар мен тұрмыстық заттарды жасау үшін тас, ағаш және органикалық материалдарды ығыстырды. Қалайы мен мыс Еуропа мен Азияның кең аумақтарындағы сауда желілерін құруға және жеке тұлғалар мен елдер арасындағы байлықты бөлуге үлкен үлес қосты.

Ертедегі темір балқыту

Темір жасаудың ең алғашқы дәлелі – Каман Калехойүктін прото-хетт қабаттарында табылған, тиісті мөлшерде көміртегі қоспасы бар темір сынықтары, олардың жасы б.з.д. 2200–2000 жылдарға дейін жетеді. Суккова Сиеголова (2001) Орталық Анатолияда б.з.д. 1800 жыл шамасында өте шектеулі мөлшерде темір құралдары жасалғанын көрсетеді, және Жаңа хетт империясы кезінде (б.з.д. 1400–1200 жж.) олар элиталардың қолданысында болған, бірақ қара халыққа таралмаған. Археологтар ежелгі Египетте темір өңдеудің белгілерін тапты, олар үшінші аралық кезең мен 23-ші династия аралығында (шамамен б.з.д. 1100–750 жж.) датыланады. Бірақ, ешқандай кезеңде (қазіргі заманға дейін) темір кенін балқытуға дәлелдер табылған жоқ. Сонымен қатар, көміртекті болаттың алғашқы мысалдары шамамен 2000 жыл бұрын (бірінші ғасыр б.з.) Солтүстік-батыс Танзанияда күрделі алдын ала қыздыру принциптеріне негізделген өндірісте болған. Бұл жаңалықтар металлургия тарихы үшін маңызды. Еуропа мен Африкадағы ерте процестердің көпшілігі темір кенін балқыту пешінде (bloomery) балқытуды қамтыды, онда температура темірдің ерімейтіндей төмен ұсталады. Бұл темірдің кеуекті массасын – «гүлді» (bloom) құрайды, одан кейін соққымен ұрып, иленген темір жасалады. Қазіргі уақытқа дейін темірді балқыту пешінде балқытудың ең ерте дәлелі Иорданиядағы Tell Hammeh қаласында табылған, және оның жасы б.з.д. 930 жылға (C14 сынамасы) дейін жетеді.

Кейінгі темір балқыту

Орта ғасырдан бастап гүлдердегі тікелей тотығуды ауыстыра бастаған жанама процесс пайда болды. Бұл процесс балқыту пешінде шойын жасауды қамтиды, одан кейін оны илендіріп, ұстауға қолайлы темірге айналдыру қажет болды. Екінші кезеңнің процестеріне финерлік пеште тазарту кіреді. 13 ғасырда, жоғарғы орта ғасырларда балқыту пеші Қытайда пайда болды, олар бұл технологияны б.з.д. 200 жылдан бері, Цинь әулеті кезінде қолданып келген. Пудлинг процесі де Индустриалдық революция кезінде енгізілді. Екі процесс те қазір қолданылмайды, ал илендірілген темірді сирек жасауға болады. Оның орнына, жұмсақ болат Бессемер конвертерінен немесе Corex сияқты балқыту-тотығу процестерін қоса алғанда, басқа әдістермен өндіріледі.

Қоршаған ортаға және еңбекті қорғау саласына әсері

Отынды балқыту қоршаған ортаға елеулі зиян келтіреді, өйткені ол қалдық су мен шлактарды шығарып, мыс, күміс, темір, кобальт және селен сияқты улы металдарды атмосфераға бөліп шығарады. Балқыту зауыттары газ тәрізді күкірт диоксидін де шығарады, бұл қышқыл жаңбырдың пайда болуына себеп болады, ол топырақ пен суды қышқылдандырады. Канададағы Флин-Флон қаласындағы балқыту зауыты 20 ғасырда Солтүстік Америкадағы сынаптың ең ірі нүктелік көзінің бірі болды. Тіпті зауыттан шығатын эмиссия едәуір төмендетілгеннен кейін де, ландшафттан қайта эмиссия сынаптың маңызды аймақтық көзі болып қала берді. Көлдер ондаған жылдар бойы зауыттан сынаппен ластануы мүмкін, жаңбыр суларымен қайта эмиссия және топырақтан металдардың сіңуі нәтижесінде. Мыс балқытудан шығатын эмиссияға мырыш, бериллий, кадмий, хром, қорғасын, марганец және никель кіреді. Қорғасын балқыту орындары әдетте мырыш, антимон, кадмий және әртүрлі қорғасын қосылыстарын шығарады.

Қалдық су

Темір және болат зауыттарынан шығарылатын қалдық судың ластаушы заттарына бензол, нафталин, антрацен, цианид, аммиак, фенолдар мен крезольдер сияқты газдандыру өнімдері, сондай-ақ полициклдік ароматты көмірсутектер (ПАК) деп аталатын күрделі органикалық қосылыстар кіреді. Тазарту технологияларына қалдық суды қайта пайдалану; қатты заттарды алу үшін тұнбалар, тазартқыштар және сүзгілеу жүйелері; майды сылау және сүзгілеу; еріген металдарды химиялық тұндыру және сүзгілеу; органикалық ластаушыларды көміртекпен адсорбциялау және биологиялық тотығу; буландыру жатады. Басқа металлургиялық зауыттардан шығатын ластаушылар негізгі металл кеніне байланысты өзгереді. Мысалы, алюминий зауыттары әдетте фтор, бензопирен, антимон және никель, сондай-ақ алюминий шығарады. Мыс зауыттары мыстан басқа кадмий, қорғасын, мырыш, сынап және никель шығарады. Қорғасын зауыттары қорғасыннан басқа антимон, асбест, кадмий, мыс және мырыш шығара алады.

Денсаулыққа әсері

Қорыту өнеркәсібінде жұмыс істейтін жұмысшылар, жұмыстарының талап ететін физикалық еңбекке кедерес келтіретін тыныс алу ауруларына шағымданып жатыр.