Kausēšana — metālu iegūšana no rūdām: procesi, metodes, vēsture

Kausēšana: metālu iegūšana no rūdām — procesi, metodes un vēsture. Uzzini par domnām, elektrolīzi, kaļķakmeni un modernajām metalurģijas tehnoloģijām.

Kausēšana ir vispārīgs termins metāla iegūšanai no tā dabiskās rūdas. Zelts ir izņēmums, jo parasti to atrod tīra metāla veidā. Citus metālus, piemēram, dzelzi, varu, cinku un sudrabu, ir nepieciešams iegūt no to rūdas.

Kausēšanas procesā rūdu vienmēr karsē, un tajā var izmantot arī reducējošu vielu, piemēram, koksu vai kokogles. Lielākā daļa rūdu ir oksīdi, sulfīdi vai karbonāti. Šajā procesā tiek atdalīta nemetāliskā daļa, atstājot metālu. Rūdas nav tīras, tāpēc pievieno kausējumu, lai atdalītu piemaisījumus. Šim nolūkam parasti izmanto kaļķakmeni. Tas noņem piemaisījumus kā sārņus.

Ko nozīmē kausēt un kādas ir galvenās metodes

Vispārīgi runājot, kausēt nozīmē sakarsēt rūdu vai tās koncentrātu tik augstā temperatūrā, lai notiktu ķīmiska pārvērtība — piemēram, reducēšana no oksīda līdz metālam — vai lai atdalītu metālu no cietajām fāzēm. Galvenās metodes ietver:

• pyrometalurģiju (karstuma metodes, piemēram, kausēšana domnās un elektriskajās krāsnīs),
• hidrometalurģiju (ķīmiskas šķīdumu metodes, piemēram, izšķīdināšana un elektrolīze),
• biometalurģiju (bioloģiskas metodes, piemēram, bioleaching ar mikroorganismiem) un
• elektrometalurģiju (elektrolītiskā atdalīšana vai elektriskās loka krāsnis).

Kas notiek ar piemaisījumiem — lomu spēlē kausējums

Kaļķakmens un citi kausējumi reaģē ar silikātiem un citiem nešķīstošiem materiāliem, veidojot sārņus jeb izdedžus. Izdedži ir šķidrā, vieglāka fāze, kas noslīd uz maisījuma virsmas un tiek atdalīta. Izdedžu ķīmija ir svarīga — atkarībā no rūdas sastāva izmanto skābējošus vai bāzējošus kausējuma komponentus, lai iegūtu labi šķīstošus un viegli noņemamus izdedžus.

Dzelzs kausēšana — domnu darbība un tērauda ražošana

Turklāt katram metālam ir savas īpašas metodes. Dzelzs ražošana no tās rūdas notiek domnu krāsnī. Domnas ir augstas vertikālas konstrukcijas, kurās ievada koksu, dzelzs rūdu un kaļķakmeni. Kad domnu krāsnī iepūš karstu gaisu, kokss sadeg un samazina skābekļa daudzumu rūdas sastāvā, tādējādi iegūstot kausētu dzelzi un oglekļa dioksīdu. Kaļķakmens saistīs atlikušās pamatiežu nogulsnes. Dzelzs kūst karstajā temperatūrā un tiek izvadīta šķidrā fāzē apakšā. Pēc tam to apstrādā tēraudā. Kaļķakmens un pamatieži veido savienojumu, ko sauc par izdedžiem. To var izmantot ķieģeļu, betona vai ceļu seguma ražošanai. Agrākās metodes ietver ziedu izgatavošanu.

Piemēram, mūsdienu tērauda rūpnīcās pēc domnu posma bieži seko skābekļa pudeles furnā (Bessemer/Basic Oxygen Process), kurā šķidrais dzelzs pārtaisa par tēraudu, samazinot oglekļa saturu un pievienojot leģējošās vielas. Ir arī elektriskās loka krāsnis (electric arc furnace), kuras biežāk izmanto no otrreizēji pārstrādāta metāla iegūstamā tērauda kausēšanai — tās ļauj efektīvāk pārstrādāt metāllūžņus.

Alumīnija iegūšana — elektrolīze un Hall-Héroult process

Alumīnijs tiek kausēts elektriskās krāsnīs, ko sauc par elektriskā loka krāsnīm. Tomēr rūpnieciskā alumīnija ražošanā dominē Hall‑Héroult process: alumīnija rūda (boksīts) vispirms tiek pārveidota par alumīnija oksīdu (alumīnu oksīdu, Al₂O₃) un tad elektrolītiski reducēta izkausētā kriolīta (Na₃AlF₆) šķīdumā, kur cauri tiek padota elektriskā strāva. Temperatūra ir pietiekami augsta, lai alumīnija oksīds izšķīdinātos, un skābeklis atdalās, atstājot metālisku alumīniju pie katoda.

Varš — pyrometalurģija un hidrometalurģija

Varš tiek izkausēts un rafinēts vairākos posmos. Parasti sulfu rūdas vispirms cep (oksidē) — sērs pārvēršas par degvielas vielām un izdalās kā sēra dioksīds — pēc tam notiek kausēšana, kur atdalās metāls. Tā sauktā elektrolīzē izmanto elektrisko strāvu, lai atdalītu varu lielos baseinos, kuros ir ūdens šķīdums, ko sauc par elektrolītu. Baseinā padod elektrisko strāvu, un viss varš sakrājas uz elektroda, ko sauc par katodu. Mūsdienās daudz varu iegūst hidrometalurģiski ar izšķīdināšanu un elektrolītisku atdalīšanu (SX/EW — solvent extraction/electrowinning), kas ir mazāk energoietilpīga un videi draudzīgāka par klasisko pirometalurģiju.

Cinka, sudraba un citu metālu iegūšanas īpatnības

Cinka ražošanā izmanto gan pirometalurģijas, gan hidrometalurģijas metodes: rūdas vispirām tiek izkarsētas, tad atsevišķos procesos — iegūst par cinku oksīdu, kurš pēc tam reducējas vai tiek izšķīdināts un elektrolītiski atdalīts. Dažiem metāliem, īpaši sudrabam, bieži mēdz izmantot daļēji metālu koncentrēšanu, izsmalcinātas rafinēšanas un atdalīšanas tehnoloģijas, jo to koncentrācija rūdā var būt zema.

Vēsture un nozīme civilizācijās

Metalurģija un jo īpaši kausēšana ir agrīno civilizāciju atslēga. Agrākās liecības par vara kausēšanu datējamas ar laiku no 5500 līdz 5000 gadiem pirms mūsu ēras. Tās atrodas Pločnikā un Belovodē, Serbijā. Bronzai (vara un cinka/šušu sakausējums) bija liela loma cilvēces attīstībā — bronzas laikmetā parādījās jauni ieroči, rīki un rotaslietas. Vēlāk dzelzs apstrāde un domnu darbība deva iespēju ražot izturīgākus instrumentus un būvēt lielākas iekārtas.

Mūsdienu izaicinājumi un ilgtspēja

Mūsdienās kausēšana ir energoietilpīga un bieži saistīta ar vides jautājumiem: gāzu emisijas (CO₂, SO₂), smago metālu izmeši, ķīmisko atkritumu dūņas un liela enerģijas patēriņa dēļ — arī oglekļa pēdas nospiedums. Lai mazinātu ietekmi, industrija virzās uz:

• metālu pārstrādi un otrreizēju izmantošanu, kas samazina nepieciešamību iegūt jaunu rūdu,
• energoefektīvām tehnoloģijām, piemēram, modernām elektriskajām krāsnīm, kuras izmanto atjaunojamo enerģiju,
• hidrometalurģijas un bioleaching izmantošanu, kas var samazināt smago emisiju apjomu,
• izmešu attīrīšanas iekārtām (piem., sēra dioksīda neitralizācija) un atkritumu drošākai pārvaldībai.

Drošība un darba apstākļi

Kausēšanas un metālapstrādes darbavietās pastāv liela termiskā, ķīmiskā un mehāniskā riska iespēja. Būtiski pasākumi ietver pareizu ventilāciju, karstuma aizsardzību, autentifikētu personāla apmācību darbam ar kaitīgām vielām un atkritumu pārvaldību. Jāievēro arī vietējie normatīvi par emisijām un drošību.

Nākotnes tehnoloģijas

Attīstās tādas jomas kā elektrifikācija (piem., ūdeņraža izmantošana redukcijai dzelzs ražošanā), in-situ metalurģija, uzlabota atkritumu termiskā pārstrāde un digitālā optimizācija, kas ļauj samazināt enerģijas patēriņu un emisijas. Ilgtspējīga metalurģija būs svarīga, lai nodrošinātu metālu pieejamību nākotnē, saglabājot vidi un resursus.

Šis pārskats sniedz pamatinformāciju par kausēšanu, taču katra metāla ražošanas process ir specifisks — atkarīgs no rūdas veida, vietējiem resursiem un tehnoloģiju pieejamības.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kausēšana?

J: Kādus metālus nepieciešams kausēt?

J: Ko izmanto kausēšanas procesā?

J: Kā no rūdas iegūst dzelzi?

J: Kā no rūdas iegūst alumīniju?

J: Kā no rūdas iegūst varu?

J: Kad sākās metalurģija?

Meklēt pēc burta