Sulatus (sulattaminen) — metallien jalostus, menetelmät ja historia

Tutustu sulattamisen historiaan ja menetelmiin — masuunit, elektrolyysi, kuonointi ja nykyaikaiset prosessit selitettynä selkeästi metallien jalostuksesta.

Sulattaminen on yleisnimitys metallin saamiseksi sen luonnollisesta malmista. Kulta on poikkeus, koska se esiintyy yleensä puhtaana metallina. Muut metallit, kuten rauta, kupari, sinkki ja hopea, on saatava malmistaan.

Sulatusprosessiin kuuluu aina malmin kuumentaminen, ja siinä voidaan käyttää myös pelkistävää ainetta, kuten koksia tai puuhiiltä. Useimmat malmit ovat oksideja, sulfideja tai karbonaatteja. Prosessissa poistetaan ei-metallinen osa, jolloin jäljelle jää metalli. Malmit eivät ole puhtaita, joten niihin lisätään vuota, joka poistaa epäpuhtaudet. Kalkkikivi on tavanomainen vuonotusaine tähän tarkoitukseen. Se poistaa epäpuhtaudet kuonana.

Tämän lisäksi jokaisella metallilla on omat erityiset menetelmänsä. Rautaa valmistetaan malmista masuunissa. Sinkin tai alumiinin tuottaminen malmista vaatii (lämmön lisäksi) elektrolyysin.

Rauta sulatetaan rautamalmista suurissa reaktoreissa, joita kutsutaan masuuneiksi. Masuuni on korkea pystysuora rakenne, johon syötetään koksia, rautamalmia ja kalkkikiveä. Kun masuuniin puhalletaan kuumaa ilmaa, koksi palaa ja vähentää hapen malmista, jolloin syntyy paljasta rautaa ja hiilidioksidia. Kalkkikivi sitoo jäljellä olevan kallioperän pois. Rauta sulaa kuumassa lämpötilassa, ja se valutetaan nestemäisessä vaiheessa pohjalle. Sen jälkeen se työstetään teräkseksi. Kalkkikivi ja kallioperä muodostavat kuonaksi kutsutun yhdisteen. Sitä voidaan käyttää tiilien, betonin tai tienpäällysteen valmistukseen. Aikaisempia menetelmiä ovat muun muassa Bloomery.

Alumiini sulatetaan valokaariuuneiksi kutsutuissa sähköuuneissa. Alumiinimalmi kaadetaan uunin pohjalle ja malmin läpi johdetaan sähkövirta. Lämpötila nousee niin korkeaksi, että happi irtoaa, jolloin jäljelle jää metallinen alumiini.

Kupari kaadetaan paljaaseen liekkiin, joka polttaa pois rikin ja muut epäpuhtaudet, jolloin jäljelle jää raakakupari. Elektrolyysissä kupari erotetaan sähkövirran avulla suurissa altaissa, jotka sisältävät elektrolyytiksi kutsutua vesiliuosta. Altaaseen johdetaan sähkövirtaa, jolloin kaikki kupari kerääntyy katodiksi kutsutulle elektrodille.

Metallurgia ja erityisesti sulattaminen ovat avainasemassa varhaisissa sivilisaatioissa. Varhaisimmat todisteet kuparin sulattamisesta ovat peräisin ajalta 5500-5000 eaa. Kohteet sijaitsevat Pločnikissa ja Belovodessa Serbiassa.

Sulatusprosessi lyhyesti

Sulatus tarkoittaa kemiallista ja fysikaalista prosessia, jossa metalli erotetaan malmista. Usein prosessissa tapahtuu seuraavat vaiheet:

• Esikäsittely (rikastus, murskaus, hienotus) – malmista poistetaan kiviaineksen osia ja rikastetaan metallipitoisuutta.
• Roastus (tarvittaessa) – erityisesti sulfidimalmeja kuumennetaan hapen läsnäollessa, jolloin rikki poistuu ja muodostuu oksideja tai rikkidioksideja.
• Pelkistys tai elektrolyysi – oksidit pelkistetään (esim. hiilimonoksidin tai hiilen avulla) tai metalli erotetaan sähkökemiallisesti.
• Kuonan muodostus – vuota (sulatuslisäaine, engl. flux) yhdistyy epäpuhtauksiin ja muodostaa kevyemmän tai raskaamman faasin (kuonan), joka voidaan erottaa metallista.

Kemiaa käytännössä

Monien metallien tapauksessa sulatus perustuu pelkistysreaktioihin. Esimerkiksi rautaoksidin pelkistykseen voidaan yksinkertaistaa kemiallisesti:

Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2

Roastattu kupari muodostaa usein ensin mattan (rikkipitoinen seos), joka konvertoidaan hapettamalla rikkipitoisuutta pois ja lopulta elektrolyyttisesti puhdistetaan korkealaatuiseksi kupariksi. Monet sulfidimalmit poltetaan ensin hapettavassa prosessissa ennen varsinaista pelkistystä.

Menetelmiä eri metalleille

• Rauta: Tavallisin tapa on masuuni (blast furnace), jossa koksin hiili toimii pelkistävänä aineena. Masuunista saadaan valuraudaksi (pig iron) kutsuttua materiaalia, joka myöhemmin muutetaan teräkseksi esimerkiksi masin- tai perustyöstöprosesseissa (Bessemer, basic oxygen, sähkökaariuunimenetelmät).
• Alumiini: Alumiini tuotetaan pääosin Bayer-prosessilla erotetusta alumiinioksidista (alumiinihydroksidin poltto) ja sen jälkeen Hall–Héroult -elektrolyysillä, jossa alumiinioksidi liuotetaan sulaan kryoliittiin ja pelkistetään sähkövirralla. Prosessi on erittäin energiaintensiivinen ja käyttää hiilellä valmistettuja anodeja.
• Kupari: Sulfidimalmeista kuparia tuotetaan usein polttamalla ja sulattamalla, jolloin syntyy mattea (kupari- ja rautasulfideja). Näistä kupari konvertoidaan ja elektrofiisisesti raffinoidaan korkealaatuiseksi kupariksi. Roastauksessa vapautuva SO2 voidaan nykyään talteenottaa rikkihapon valmistukseen.
• Sinkki ja muita: Sinkkiä voidaan tuottaa pyrometallurgisesti (esim. retortti- tai sulatusprosesseilla) tai hydrometallurgisesti liuottamalla ja sen jälkeen elektrolyyttisellä talteenotolla. Monet ei-rautametallit hyötyvät myös kierrätyksestä ja hydrometallisista menetelmistä, joissa malmista liuotetaan metalli ja talteenotetaan elektrolyysillä.
• Kulta ja hopea: Jalometalleja voidaan erottaa kuparin ja muiden sideaineiden joukosta sulatuksen jälkeen erilaisilla refinointimenetelmillä, kuten kupari- tai rikkikilpirikkaista seoksista tapahtuvalla kuparin erottelulla, kuparihopeanseosten elektrolyysillä tai kultakaivosten käyttämillä liuotusmenetelmillä (esim. syanidiliuos). Cupellation-menetelmää käytettiin aikaisemmin hopean puhdistukseen.

Historia ja kehitys

Metallurgia ja sulattaminen muovasivat ihmiskunnan kehitystä: kuparin käytön myötä syntyi pronssikausi, jossa kuparia sekoitettiin yleensä tiniin (tin = tina), ja myöhemmin rauta syrjäytti pronssin laajemmin. Mainitut varhaisimmat kuparisulatusjäänteet 5500–5000 eaa. alueella (Pločnik, Belovode Serbiassa) osoittavat, miten nopeasti sulatusmenetelmät levisivät ja kehittyivät.

Bloomery-tyyppiset uunit olivat tavanomainen rautavalmistuksen tapa ennen teollistumista. Teollinen vallankumous ja kokspohjaiset masuunit 1700–1800-luvuilla lisäsivät rautatuotannon skaalautuvuutta. Elektrolyysin yleistyminen 1800–1900-luvuilla mahdollisti alumiinin ja monien muiden metallien massatuotannon.

Nykytekniikka, ympäristö ja turvallisuus

Moderni sulatus on monivaiheista teollisuutta, jossa energiatehokkuus, päästöjen hallinta ja kierrätys ovat tärkeitä teemoja. Tyypillisiä ympäristöhaasteita ovat:

• Hiilidioksidi- ja muiden kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen (energianlähteiden muutos, sähköistys, lämmön talteenotto).
• Rikin oksidien (SO2) ja raskasmetallipäästöjen hallinta (savukaasujen pesu, SO2:n talteenotto rikkihapon valmistukseen).
• Kuonan ja jätteiden käsittely sekä metallien talteenotto kierrätyksen avulla.

Työturvallisuus on kriittinen osa sulatusta: korkeat lämpötilat, sulan metallin ja kuonan käsittely sekä myrkylliset kaasut vaativat huolellista suojautumista, automaatiota ja valvontaa.

Yhteenveto

Sulattaminen kattaa joukon kemiallisia ja teknisiä prosesseja, joiden avulla metallit erotetaan malmeista ja valmistetaan käyttökelpoiseen muotoon. Menetelmät vaihtelevat metallin mukaan: osa metalleista vaatii pääasiassa pelkistystä kuumennuksella, osa elektrolyysiä. Historia ulottuu tuhansien vuosien päähän, ja nykyaika tuo mukanaan tehokkuus-, ympäristö- ja turvallisuusvaatimuksia sekä korostetun kierrättämisen merkityksen.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on sulatus?

K: Mitkä metallit vaativat sulattamista?

K: Mitä sulatusprosessissa käytetään?

K: Miten rautaa valmistetaan malmista?

Kysymys: Miten alumiini louhitaan malmista?

K: Miten kupari erotetaan malmistaan?

K: Milloin metallurgia alkoi?

Hae kirjaimella