Üretim metalurjisinde yalnızca “hangi metal var?” sorusunu sormak yeterli değildir.
Aynı derecede önemli olan soru şudur:
Çünkü metalin bulunduğu kimyasal form; uygulanacak atmosferi, reaksiyon tipini, ayırma yöntemini ve nihai metal üretim rotasını doğrudan etkiler.
Genel bir metal oksidi:
şeklinde düşünelim.
Temel metal/oksit dengesi:
olduğundan en önemli kontrol değişkenlerinden biri oksijen potansiyeli veya buna bağlı olarak pO₂'dir.
Ancak bir metalurjik fırında serbest O₂ bulunması zorunlu değildir.
Örneğin:
dengesi nedeniyle CO/CO₂ oranı atmosferin etkin oksijen potansiyelini belirler.
Oksitlerde yaygın işlemler:
- Kimyasal indirgeme
- Karbotermik indirgeme
- Gazla indirgeme
- Seçici oksidasyon
- Elektrolitik üretim
Örneğin:
veya:
Genel bir metal sülfürü:
şeklinde düşünelim.
Sülfürlü sistemlerde yalnızca oksijen potansiyeli yeterli değildir. Kükürt potansiyeli de önem kazanır.
Bu nedenle önemli değişkenler:
şeklindedir.
Sülfürlü cevherlerde çok yaygın işlemler:
- Kavurma
- Ergitme
- Mat oluşturma
- Seçici oksidasyon
Örneğin ZnS kavurması:
Özellikle Cu ve Ni metalurjisinde bütün sülfürün ilk aşamada tamamen uzaklaştırılması istenmeyebilir.
Cu–Fe–S sisteminde kontrollü oksidasyon sayesinde demir içeren bileşenler oksitlenip cürufa aktarılırken Cu'nun sülfürlü fazda zenginleşmesi sağlanabilir.
Bu ergimiş sülfürlü faza:
denir.
Metal klorür oluşumu genel olarak:
şeklinde düşünülebilir.
Temel kontrol değişkenlerinden biri:
olur.
Metal oksitler uygun klorlama veya karboklorlama reaksiyonlarıyla klorüre dönüştürülebilir.
Klasik örnek:
TiCl₄ uçucu olduğu için saflaştırılabilir.
Ardından:
ile metal üretilebilir.
Oksit sistemi:
Sülfür sistemi:
Klorür sistemi:
Sıcaklığı ve kimyasal potansiyeli kontrol ederek hangi fazın termodinamik olarak kararlı olacağını belirlemek.
| Sistem | Temel kontrol | Başlıca proses avantajı |
|---|---|---|
| Oksit | T, pO₂, CO/CO₂, H₂/H₂O | Oksit kararlılıklarındaki farklardan yararlanarak seçici indirgeme veya oksidasyon |
| Sülfür | T, pS₂, pO₂, pSO₂ | Seçici oksidasyon, SO₂ ile kükürt uzaklaştırma, mat oluşturma ve fazlar arası dağılım |
| Klorür | T, pCl₂ / klor potansiyeli | Seçici klorürleşme, uçuculuk ve çözünürlük farklarından yararlanarak ayırma ve saflaştırma |
Bu oksidi C, CO veya H₂ ile indirebilir miyim?
Hangi bileşeni önce oksitleyip SO₂ olarak uzaklaştırabilirim? Değerli metali matta tutabilir miyim?
Hangi bileşeni seçici klorlayıp uçucu klorür olarak ayırabilirim?
Gerçek metal üretiminde bir metal birden fazla kimyasal forma ardışık olarak dönüştürülebilir.
Örnek 1 — Çinko:
Burada rota:
Örnek 2 — Titanyum:
Burada rota:
Metalurjistin amacı her zaman metali doğal mineral formundan tek adımda doğrudan üretmek değildir.
Bazen daha iyi mühendislik çözümü:
Ara bileşik seçiminin amacı örneğin:
- indirgenebilirliği artırmak,
- uçuculuk farkı oluşturmak,
- çözünürlüğü değiştirmek,
- faz dağılımını değiştirmek,
- flotasyonu kolaylaştırmak,
- safsızlıklardan ayrılmayı kolaylaştırmak
olabilir.
MO
T + pO₂
Redüksiyon / elektroliz
Ana avantaj:
oksit kararlılığı farkı
MS
T + pS₂ + pO₂
Kavurma / ergitme
Ana avantaj:
seçici oksidasyon + mat
MClₓ
T + pCl₂
Klorlama / saflaştırma / indirgeme
Ana avantaj:
uçuculuk ve seçicilik