Genel Konular Ekstraktif-metalurji MET-315 EKSTRAKTİF METALURJİ DERS NOTLARI DOÇ.DR. HALİL ARIK EYLÜL-2009 Metalürji Metalürji : Metal ve alaşımların, cevher veya metal içeren hammaddelerden, kullanım sürecine uygun kalitede üretilmesini, saflaştırılmasını, alaşımlandırılmasını, şekillendirilmesini, korunmasını, ve "üretim - kullanım" ömrü içindeki çevresel kaygı ve sorumlulukları da dikkate alarak insanların ihtiyaçlarına cevap verecek özellikte ve biçimde hazırlanmasını hedef alan bir bilim ve teknoloji dalıdır. Metalurji, kapsamı itibarıyla, üretim metalurjisi (ekstraktif metalurji) ve fiziksel metalurji (malzeme) olmak üzere iki ana kısma ayrılmaktadır Ekstraktif Metalürji Doğada metal dışı kum ve kaya gibi safsızlıklarla bir arada bulunan ve cevher olarak adlandırılan değişik metal bileşimlerinden bu metallerin değişik metotlarla elde edilmesi ve akabinde saflaştırılması uygulamalarının tümüne birden üretim metalürjisi diyoruz. Aşağıdaki tabloda metalürji içerisinde yeralan değişik uygulamaların sıralaması verilmiştir. Periyodik tablo Position of Metals and Non-metals in the Periodic Table Metaller ? Kolaylıkla elde edilebildiği için, ilk bulunan ve kullanılan metaller bakır, gümüş ve altın şeklinde sıralanmaktadır. Öyle ki bu metaller bazen yaşanan döneme adını vermiştir. Demir çağı, Bronz çağı gibi. Bugün metallerin üretimi ve tüketimi o kadar önemli hale gelmiştir ki metal içermeyen bir yaşamı düşünebilmek neredeyse imkansızdır. Çünkü bu metalleri temel olarak, binaların inşasında, taşımacılıkta, haberleşmede, elektrik iletiminde, ev eşyalarında, bilimsel donanımlarda, bozuk paralarda vb. alanlarda yoğun bir şekilde kullanmaktayız. ? Bugün bilinen mevcut elementlerin %75’inden fazlası metaldir. 103 elementin 92 tanesi doğal olarak oluşmuş olup, bunların 80 adedi metaldir. Ametaller ? Metalik olmayan 22 adet element ise yerkürede, atmosferde ve okyanuslarda bulunmaktadır. Oda sıcaklığında metal olmayan elementlerin yarısı gaz haldedir. ? Metal olmayan elementlerde miktar olarak ilk sırayı oksijen alır. Çünkü yerkabuğunun yaklaşık %50si atmosferdeki havanında %21’ni oksijen oluşturmaktadır. Miktar olarak ikinci sırada silisyum bulunmakta yer kabuğunun yaklaşık %26’sını silisyum oluşturmaktadır. Okyanuslardaki suyu da önemli ölçüde hidrojen ve oksijen oluşturmaktadır. ? Periyodik tabloyu inceleyecek olursak IA gurubu daha reaktif alkali metaller olarak adlandırılırken IIA grubu toprak alkali metaller olarak isimlendirilmektedir. I ve IIA arası elementler ise geçiş metalleri olarak isimlendirilmektedir. Metallerin Fiziksel Özellikleri ? Oda sıcaklığında sıvı halde bulunan cıva ve gallium dışında metaller katı halde bulunur. ? Yüzeyleri parlatılabilir ve ışığı yansıtırlar. ? Metaller sünektir tel şeklinde çekilebilir. Örneğin 100 g gümüş 200 m uzatılabilir ? Bıçakla kesilebilen yumşaklıktaki sodyum ve potasyum harici metaller serttirler. ? Son kabuklarında 1-3 arası valans elektronu bulundururlar. ? Serbest elektronlarından dolayı metaller iyi iletkendirler. Gümüş ve bakır ısı ve elektriği en iyi ileten iki metaldir. ? Metaller yüksek yoğunluğa sahiptirler. Metaller içerisinde İridyum ve Osmiun en yüksek lityum ise en düşük yoğunluğa sahip metallerdir. ? Metaller yüksek ergime ve kaynama noktasına sahiptirler. Metaller içerisinde tungsten en yüksek ergime derecesine sahipken, gümüş düşük kaynama, sodyum ve potasyum ise düşük ergime derecesine sahip metallerdir. ? Metaller elektropozitiftirler. Elektron kaybedip katyon oluşturma eğilimindedirler. Normal olarak elektron almazlar. ? Na o – 1e- -------> Na + Al o – 3e- ------> Al +3 Ametallerin Özellikler - Oda sıcaklığında ametallerin bazılar gaz (oksijen) bazıları katı (karbon) halde bulunur. - Çok kırılgandırlar ve şekil değiştirme özellikleri yoktur. - Isı ve elektriği çok zayıf iletirler. - Elektronegatif karakterdedir. Genellikle elektron almayı veya elektronlarını ortak kullanma eğilimindedirler. - Genellikle oksijenle asidik veya doğal oksit oluştururlar. Yerkürenin kimyasal kompozisyonu Element Yer Küre Kıtasal Kabuk Okyanusal Kabuk Manto Çekirde k Demir (Fe) 31,9 5,1 8,2 6,3 85 Oksijen (O) 29,7 46,6 44,9 44,8 Silisyum (Si) 16,1 27,7 24,1 21,5 6 Magnezyum (Mg) 15,4 2,1 4 22,8 Nikel (Ni) 1,82 0,01 0,2 5,2 Kalsiyum (Ca) 1,71 3,6 7,8 2,5 Alüminyum (Al) 1,59 8,1 7,7 2,3 Kükürt (S) 0,63 0,05 0,03 1,9 Krom (Cr) 0,47 0,26 0,9 Sodyum (Na) 0,18 2,8 1,6 0,27 Mangan (Mn) 0,17 0,1 0,1 0,3 Fosfor (P) 0,12 0,1 0,009 0,35 Metallerin reaktiflik serisi Metallerim büyük çoğunluğu elektropozitiftir ve doğada elektron kaybederek diğer elementlerle bileşik oluşturma eğilimindedirler. Metallerin bileşik oluşturma hızı farklılık gösterirler. Yandaki çizelgede en aktif metal potasyum, en düşük aktiflikteki ise altındır. Altın, Platinyum gibi birkaç metal dışında bütün metaller doğada bileşik halde bulunmaktadır. Oxides Carbonates Halides Sulphides Sulphates Zincite (ZnO) Marble or limestone (CaCO 3 ) Fluorspar (CaF 2 ) Zinc blende (ZnS) Galena (PbS) Anglesite (PbSO 4 ) Haematite (Fe 2 O 3 .xH 2 O)Magnetite (Fe 3 O 4 ) Calamine (ZnCO 3 ) Cryolite (Na 3 AlF 6 ) Iron pyrites (FeS 2 ) Baryl (BaSO 4 ) Bauxite (Al 2 O 3 .2H 2 O) Siderite (FeCO 3 ) Horn Silver (AgCl) Cinnabar (HgS) Gypsum (CaSO 4 .2H 2 O) Cuprite (Cu 2 O) Magnesite (MgCO 3 ) Rock salt (NaCl) Epsom salt (MgSO 4 .7H 2 O) •Metals like gold and platinum occur in the free metallic form not acted upon by air or water •The rest of the metals occur in the combined form as compounds. Copper is one of the metals which occur in free as well as combined state •Aluminium is the most abundant metal in the earth's crust •The second most abundant metal in the earth is iron and the third one is calcium Metallerin Doğada bulunuşu Mineral : Doğal şekilde oluşan homojen, belirli bir kimyasal bileşime sahip ve belirli bir kristal yapısı olan inorganik kristalleşmiş katı bileşiklerdir. Buna göre minerallerin özelliklerini şöyle sıralayabiliriz 1. Doğal olarak oluşur, 2. Herhangi bir parçası bütününün özelliklerini taşır, 3. Belirli bir kimyasal formülü vardır, 4. Katı halde olup nadiren sıvıdır, 5. İnorganiktir (yani doğada bulunur). Örnek, Hematit (Fe 2 O 3 ). MİNERALLER http://www.mta.gov.tr/mineraller/mineraller.html Cevher Herhangi bir metalin minerallerini içeren ve ekonomik değeri olan kayaçtır. bir kayacın cevher olabilmesi için ekonomik değeri olması kritiktir. örneğin bir altın rezervi için ,üzerinde yapılan fizibilite çalışmalarının ardından eğer o rezerv kar edilebilecek şekilde işletilebilecekse ,yani ekonomik değeri varsa , rezervdeki altından "altın cevheri" olarak bahsedilebilir. Değerli olarak bilindiği halde ekonomik olarak işletilemediği ,yani cevher sıfatını alamadığı için ayaklarımızın altında yatan yüz binlerce ton rezerv vardır. Örnek (Fe 2 O 3 ,SiO 2 ,Al 2 O 3 , ) EKSTRAKTİF METALURJİNİN KISIMLARI 0- Cevher Hazırlama 1- Pirometalürji 2- Hidrometalürji 3- Elektrometalürji Cevher Hazırlama Üretim için cevher hazırlamanın temelde iki amacı vardır 1- Ekonomik 2- Teknolojik Cevherdeki Minerallerin Serbest Hale Getirilmesi Bir cevher içerisinde istenen ve istenmeyenler olmak üzere birden fazla mineral türü bulunabilir. Bunları birbirinden ayırabilmek için serbestleşme boyutu denen boyuta kadar kırma ve öğütme işlemleri ile boyut küçültme işlemine tabi tutulması gerekir. Boyut küçültme işlemi temel olarak üç maksada yönelik olarak yapılır. a. Cevherin gerekli ve gereksiz kısımlarını birbirinden ayırabilmek için fiziki serbestleşmeyi sağlamak b. Cevheri zenginleştirme cihazının kabul edebileceği boyuta getirmek. c. Endüstrinin istediği özelliklere uygun hammadde haline getirmek Kırma Katı bir maddenin mekanik kuvvetler etkisiyle daha küçük parçalara bölünmesi işlemidir. Teknolojide kırma, kaba (50 mm’den büyük) ve ince kırma (50-5 mm) şeklinde uygulanır. Çeneli Kırıcı PE/PEX Series Jaw Crusher has the features of high crushing and even product size ratio. It can be used to crush material, whose compression strength is not more than 320Mpa. PE Series is used in primary crushing, while PEX series is used in secondary crushing and fine crushing. Çeneli Kırıcının Özellikleri Model Size of Feed Opening(mm) Max Feed Size (mm) Discharge Range Opening (mm) Capacity (m3/h ) Motor Power (kw ) PE-250×400 250×400 210 20-60 3-13 15 PE-400×600 400×600 340 40-100 10-35 30 PE-500×750 500×750 425 50-100 25-60 55 PE-600×900 600×900 500 65-180 30-85 55- 75 PE-750×1060 750×1060 630 80-180 72-150 110 PE-800×1060 800×1060 680 100-200 85-143 110 PE-870×1060 870×1060 750 170-270 145-235 110 PE-900×1060 900×1060 780 200-290 170-250 110 PE-900×1200 900×1200 780 95-225 100-240 110 PE-1000×1200 1000×1200 850 195-280 190-275 110 PE-1200×1500 1200×1500 1020 150-300 250-500 160 PEX-150×750 150×750 120 18-48 5-16 15 PEX-250×750 250×750 210 25-60 8-22 22 PEX-250×1000 250×1000 210 25-60 10-32 30-37 PEX-250×1200 250×1200 210 25-60 13-38 37 PEX-300×1300 300×1300 250 20-90 10-65 75 Çeneli Kırıcı Eksantirik Dönüş yayı Cevher besleme Izgara V olan Biyel kolu Şekil 4. Çeneli Kırıcının Şematik Gösterimi. Sert çeneler siyah renkte gösterilmiştir Konik Döner Kırıcı Şekil 5. Döner Kırıcının Şematik Gösterimi Konik Döner Kırıcı Sınıflandırma Aşamaları Konik Kırıcı Döner Kırıcı Şekil 5. Döner Kırıcının Şematik Gösterimi Merdaneli Kırıcı Besleme Şekil 7. Merdaneli Kırıcının Şematik Gösterimi. ÇEKİÇ KIRICI Besleme Ürün Şekil 8. Çekiç Kırıcının Şematik Gösterim Öğütme Ürün çıkışı – 100 ?m Motor Sınıflandırıcılara Öğütme : Malzeme boyutunu 5 mm’nin altına indirme işlemine öğütme adı verilir. Öğütme işlemleri 5-0,5 mm arasında kaba 500-50 ?m arasında ince öğütme olarak ikiye ayrılır. 50-5 ?m tane boyutu aralığında yapılacak öğütmeler çok ince öğütme, 5 ?m altındaki öğütmeler kolloid öğütme olarak sınıflandırılır. Sulu ortamda bilyeli öğütücünün şematik gösterimi Öğütme Motor Sklona gidiş Fandan hava girişi Besleme Hava akımı içerisindeki öğütmenin şematik gösterimi Cevher Hazırlama Cevher Hazırlamanın Komple Şematik Olarak Gösterimi. Diğer Sınıflandırıcılar Zenginleştirme Zenginleştirme, değerli mineralleri değersiz olanlardan ayırma işlemidir. Bu ayırma işlemi minerallerin fiziksel, fizikokimyasal ve kimyasal farklılıklarından istifade etmek suretiyle yapılmaktadır. Zenginleştirme işlemi sonucunda kazanılan değerli ürüne konsantre değersiz ürüne ise atık denmektedir. Halen dünyadaki zengin maden yataklarının tükenmiş olması düşük tenörlü cevherler üzerine çalışmak zorunluluğu, cevher zenginleştirme metotlarının önemini her gün biraz daha artırmaktadır. Ayırıcılar Kırma ve öğütme sonunda iki veya daha fazla farklı mineral içeren malzeme minerallerin fiziksel, kimyasal v.b. özellik farklılıklarından istifade ederek birbirinden ayrılabilir. Bu tür uygulamalar için manyetik ayırma ve elektrostatik ayırma verilebilecek en basit örneklerdir Mağnetik Ayırıcı 1 Elektromanyetikler Güçlü Zayıf MağnetikZayıf Mağnetik olmayan Beslemee Mağnetik Ayırıcı 2 Mağnetik Ayırıcı 3 Mağnetik Ayırıcı 4 Mağnetik Ayırıcı 5 Pulp çıkışı Pulp girişi Mağnetik konsantre Sıyırıcı Döner çelik disk Mıknatıslar Yaş sistem Mağnetik ayırıcının şematik görünümü Elektro statik Ayırıcı Elektrik iletimi olan parçacıklar İletken olmayan parçacıklar Besleme PİROMETALURJİ Pirometalurji, yüksek sıcaklıklar gerektiren bir ekstraktif metalurji metodu diye tarif edilebilir. Pirometalurji İçinde Yeralan Uygulamalar; kurutma kalsinasyon kavurma sinter yapma ergitme destilasyon konvertisaj ateşle tasfiye döküm v.b uygulamalar şeklinde sıralanabilir. Kurutma Kurutma : Isıtmak suretiyle cevher, konsantre, katık maddeleri ve bazı hallerde havanın rutubetinin alınmasıdır. Kurutma genellikle soğuk katı maddeleri sıcak hava veya gazlarla temas ettirmek suretiyle yapılır ve suyu uçurulur. Gazların kurutulması Bazen hava veya gazların içerisindeki rutubetin alınması istenmektedir. Havanın rutubeti alındığında bu havaya kuru hava denmektedir. Havanın kurutulmasında en çok kullanılan metot rutubetli havayı kalsiyum klorür veya silika jel içerisinden geçirmekle yapılır. Kavurma Kavurma : Yüksek sıcaklıklarda gazlarla katıların reaksiyonlarını içeren metalurjik bir uygulamadır. Verilebilecek en karakteristik örnek ergime olmaksızın sülfür cevherlerin okside dönüştürülmesi işlemidir. Klasik olarak bir sülfürün kavrulmasında meydana gelecek kimyasal reaksiyonlar aşağıda verildiği şekildedir. MSn + 1,5nO 2 › MOn + nSO 2 . Örnek: CuS + 1,5O 2 › CuO + SO 2 and 2ZnS + 3O 2 › 2ZnO + 2SO 2 2 PbS + 3 O 2 › 2 PbO + 2 SO 2 Sülfürlerin kavrulması ile açığa çıkan sülfürdioksit (SO 2 ) büyük çoğunlukla sülfürik asit üretiminde değerlendirilmektedir. Kalsinasyon Bu uygulamada cevher hava içermeyen bir ortamda yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılarak kimyasal yapının parçalanması gerçekleştirilir.Genellikle karbonat halindeki cevherler veya su içeren cevherler kalsine edilirler. Magnezit MgCO 3 --------------------- ? MgO + CO 2 625 °C Kalker CaCO 3 ----------------------- ? CaO + CO 2 910 ° C Dolomit Mg Ca (CO 3 ) 2 -------------- ? MgO + CaO + 2CO 2 730 ° C Simitsonit ZnCO 3 ---------------------- ? ZnO +CO 2 Kavurma ve Kalsinasyon İşleminin Karşılaştırılması Zenginleştirme sonrası atıklardan önemli ölçüde arındırılmış ve üretilmek istenen metalce daha konsantre haldeki cevherin okside dönüştürülmesi ya kavurma yada kalsinasyon işlemiyle gerçekleştirilmektedir. Kavurma ve kalsinasyon arasındaki temel farklılıklar aşağıdaki tabloda gösterilmektedir. Kalkoprit Mineralinin Kavrulması 2 CuFeS 2 (k) --------------------- ? Cu 2 S (k) + 2 FeS (k) + ½ S 2 (g) Cu 2 S (k) + 3/2 O 2 (g) ------------------ ? Cu 2 O (k) + SO 2 (g) Cu 2 O(k) + 1/2 O 2 (g) ---------------- ? 2 CuO (k) 3 FeS (k) + 5 O 2 (g) ------------------ ? Fe 3 O 4 (k) + 3 SO 2 (g) 2 Fe 3 O 4 (k) + 1/2 O 2 (g ) -------------? 3 Fe 2 O 3 (k) 1/2 S 2 (g) + O 2 (g) ----------------------- ? SO 2 (g) FeS 2 (k) ------------------------------------ ? FeS (k) + 1/2 S 2 (g) Metal Oksitlerin Metale İndirgenmesi Isı Kullanarak indirgeme Reaktiflik serisinde çok düşük olan metallerin oksitlerine tatbik edilir. Örnek : C Karbon (metalurjik kok) Kullanarak İndirgeme Bu metot orta derecede rektif metallerin oksitlerin indirgenmesi için kulanılır. Metalurjik kok pahalı olmayan ve en yaygın tüketilen indirgeyicidir. Önnek: CO Karbonmonoksitle İndirgeme Karbonmonoksit güçlü bir indirgeyicidir. En fazla yüksek fırındaki hematitin indirgenmesinde kullanılır. Örnek: Al Alüminyum Kullanarak İndirgeme Aluminyum pahalı bir indirgeyicidir.reaktifliği yüksek metallerin oksitlerini indirgemek için kullanılır. Fakat bu metallerin rektiflik serisinde aluminyumun altında olma mecburiyeti vardır. Örnek : Elektroliz Elektrolizle İndirgeme Bu uygulama reaktiflik serisinde Alüminyumun üzerinde yüksek reaktiflikteki metallerin oksitlerini indirgemede kullanılır. Aynı zamanda alüminyumoksidin indirgenmesi için de kullanılır. Örnek: Aglomerasyon İşlemleri Toz haldeki demir cevherlerini ve çeşitli cevher hazırlama yöntemleriyle zenginleştirilmiş demir cevheri konsantrelerini yüksek fırınlarda kullanılabilecek hale getirme işlemlerine genel olarak AGLOMERASYON adı verilmektedir. Aglomerasyon genellikle toz cevherlerin ve konsantrelerin boyut büyütme işlemleri olarak görülse de boyutla beraber yüksek fırına yüklenecek demir cevherlerinde aranan diğer bazı özellikleri (sertlik, mukavemet, indirgenebilirlik, gözeneklilik v.b.) de yakından ilgilendirmektedir. Sinterleme Şekil 1 Sinterlemede akım şeması A- Geri dönen ince Sinter B-C- ince cevher D- Kok E- Kireçtaşı, F- Çok ince tozlar 1- Karıştırma tromeli, 2- Besleyici, 3- Ateşleyici, 4- Toz tutucu, 5- Sinter kırıcı, 6- Sıcak elek 7- Soğutucu, 8-Soğuk elek, 9- Yüksek fırına gönderilen elek üstü, 10- Elek altı ürün 11- Geri dönen (elek altı)ince sinter toz, 12- Toz Tutucu,13- Fan,14- Baca Sinter harmanının kalınlığı : 10-30 cm Max. Sinter sıcaklığı : 1450 ?C Cevher boyutu 0-10 mm Kok-Kireçtaşı boyutu : 0-3 mm Sinter harmanı karışımı yaklaşık % 65 cevher % 3,5 kok % 7,5 kireçtaşı % 24 geri dönen toz sinter Peletleme Şekil 2. Peletlemede akım şeması Ergitme, Katkı Maddeleri, Konvertisaj ve Destilasyon ? Ergitme : Uygun fırınlarda ve yüksek sıcaklıklarda, şarjın kimyasal reaksiyonlar ve ısı neticesi eritilmesidir. Ergitme işlemleri için endüstriyel ölçüde düşey (Yüksek fırın, Water jaket fırını) veya yatay (Reverber fırını) fırınlar kullanılmaktadır ? Katkı maddeleri : Ergitme tipi fırınlara yüklenen cevher, konsantre gibi maddelere ilaveten bunlarla birlikte uygun özellikte cüruf yapıcı metal içermeyen maddeler katılır ve bu maddelere katkı maddeleri denir. Bu maddeler genellikle kireçtaşı (CaCO 3 ), dolomit (Mg.Ca (CO 3 )2) ve kuvars (SiO 2 ) dır. ? Konvertisaj : Sıvı haldeki metal veya ara ürün içine basınçlı hava üfleyerek yabancı maddeleri bünyeden uzaklaştırmaktır.Yabancı maddeler gaz halinde fırını terk ettikleri gibi, sıvı hale geçenler de cürufa karışırlar. Konvertisajın üretim metalurjisinde iki önemli tatbik sahası vardır. ? Destilasyon : Metal veya metal bileşimlerinin buharlaştırılıp bu buharların daha sonra sıvı veya katı olarak kondanse edilmesidir. Destilasyon metodu, buharlaşma sıcaklığı düşük olan metal veya metal bileşimlerine uygulanır. Cıva, kadmiyum ve çinko bu metallerdendir. Kimyasal Prensipler Tabiatta bulunan cevherler, zengin oldukları zaman doğrudan doğruya, fakir iken muhtelif cevher zenginleştirme metotlarından en uygun olanı tatbik etmek suretiyle konsantre haline getirildikten sonra çeşitli kimyasal reaksiyonlar sonucu saf metallere çevrilirler. Stokiometri : Kimyasal reaksiyonların ağırlık bakımından ilişkilerini kapsamaktadır. Örneğin bakır sülfür (kalkopirit : CuFeS 2 ) mineralinin kavrulma veya oksitlenme reaksiyonunu ele alalım. 2 CuFeS 2 + 6 O 2 ----------------------------- ? Cu 2 O + Fe 2 O 3 + 4 SO 2 Bir elementin atom-gram ağırlığı : o elementin avagadro sayısı (6,02x10 23 ) kadar gerçek atomunun bir araya gelerek oluşturduğu ağırlığıdır. Örneğin: 1 gram hidrojen içerisinde 6,02x10 23 adet gerçek hidrojen atomu vardır 27 gram alüminyum içerisinde 6,02x10 23 adet gerçek alüminyum atomu vardır Yaklaşık 56 gram (55,845 g/mol) demir içerisinde de yine avagadro sayısı kadar gerçek demir atomu bulunmaktadır. ? Bunlara paralel olarak 44 gram karbondioksit (CO2) gazı içerisinde 6,02x10 23 tane CO 2 molekülü, 32 gram oksijen gazı içerisinde 6,02x10 23 adet gerçek oksijen (O 2 ) molekülü vardır. ? Bir bileşimin mol gram ağırlığı da o bileşimin molekül ağırlığı kadar grama eşittir. Böylece demirin gram atom ağırlığı 55, 89 gram iken, FeS 2 ’ün gram-mol ağırlığı ise (55,89+32,02x2) 119,98 gramdır.Aynı şekilde başka ağırlık üniteleride kullanılabilmektedir. Örneğin kilogram- atom veya ton-atom şeklinde Örnek Problem ? Örnek problem : 1000 kg kalkopiriti (CuFeS 2 ) 1 nolu reaksiyona göre kavuralım. Elde edeceğimiz Cu 2 O, Fe 2 O 3 ve SO 2 ’in ağırlıklarıyla bu reaksiyon için gerekli oksijenin ağırlığını hesaplayınız. ? 2 CuFeS 2 + 6 O 2 ----------------------------- ? Cu 2 O + Fe 2 O 3 + 4 SO 2 (1) Yaklaşık atom ağırlıklarından hareketle hesap edilen mol ağırlıkları şu şekildedir. CuFeS 2 = 184 Fe 2 O 3 = 160 Cu 2 O = 144 SO 2 = 64 O 2 = 32 Çözüm 1000 kg CuFeS 2 = 1000/184 = 5,43 mol 2 mol CuFeS 2 ’den 1 mol Cu 2 O elde edildiğine göre 1/2x 5,43 = 2,71 mol Cu 2 O 1 mol Cu 2 O ; 144 kg geldiğine göre 2,71 x144 = 391 kg Cu 2 O 1/2x 5,43 x 160 = 435 kg Fe 2 O 3 4/2 x 5,43 x 64 = 696 kg SO 2 6/2 x 5,43 x 32 = 522 kg O 2 Çözümün Devamı Solda 1000 Kg Kalkopirit (CuFeS 2 ) 522 kg Oksijen (O 2 ) Toplam = 1522 Kg bulunur. Eşitliğin sağ tarafında 391 kg Cu 2 O 435 kg Fe 2 O 3 696 kg SO 2 Toplam = 1522 Kg bulunur. Termokimya : Kimyasal denklemlerin tamamı, aynı zamanda reaksiyonun ısı bilançosunu gösterir ve ne kadar ısı alındığını veya verildiğini ifade eder. Bir çok kimyasal reaksiyonun en önemli yönünü böylece termokimya teşkil eder. Kalori : 1 gram suyun sıcaklığını 1 ?C yükselten ısı miktarına kalori denir Kilo Kalori : 1 kg suyun sıcaklığını 1 ?C yükselten ısı miktarına kilo kalori denir Reaksiyon ısısı C + O 2 ------------? CO 2 + ısı Yukarıdaki reaksiyonda basınç ve sıcaklık sabit olsa da reaksiyon sonucu bir ısı açığa çıkmaktadır. Meydana gelen reaksiyon bir sistemden diğer bir sisteme geçişi ifade eder. Reaksiyon 20 ?C’de katı karbon ve gaz haldeki oksijen ile başlamakta ve neticede 20 ?C’de gaz haldeki CO 2 ile sonuçlanmaktadır. 20 ?C’de C + O 2 sisteminde oksijen molekülleri ve karbon atomlarının vibrasyon hareketlerinden doğan ve depo edilmiş bir ısı enerjisi vardır. Aynı şekilde 20 ?C’de CO 2 sisteminde de CO 2 moleküllerinin doğurduğu ve depo edilmiş bir ısı enerjisi vardır. CO 2 ’in ısı enerjisi, C + O 2 sisteminin ısı enerjisinden daha azdır. Böylece bir sistemden diğer bir sisteme geçiş (dönüşüm) olduğu zaman enerji içerikleri arasındaki fark kendini ısı olarak gösterir ve bu ısı etrafa dağılmış olur. Bu ısıya Reaksiyon ısısı denir ve ?H ile gösterilir. Yukarda verilen reaksiyonda dışarıya ısı verildiği için ?H = - (negatif değerdedir). Böylece yukarıdaki denklemi şu şekilde yazabiliriz. C + O 2 ------------ ? CO 2 + ?H = -97200 Cal. Reaksiyon Isısı Aynı şekilde aşağıdaki reaksiyonlarda yazılabilir 2 C + 2 O 2 ------------ ? CO 2 ?H = -194400 Cal. 2 C + O 2 ------------ ? 2 CO ?H = -58320 Cal. C + ½ O 2 ------------ ? CO ?H = -29160 Cal. Cu 2 S + O 2 ------------ ? 2 Cu + SO 2 ?H = -51980 Cal 2 Cu + SO 2 ------------ ? Cu 2 S + O 2 ?H = + 51980 Cal ?H = - olduğu zaman, sistem dışarıya ısı vermektedir ve reaksiyon egzotermiktir. ?H = + olduğu zaman, sistem dışardan ısı almaktadır ve reaksiyon endotermiktir. Gaz Kanunları Avagadro Kanunu : Aynı sıcaklık ve basınçta muhtelif gazların eşit hacimlerinde aynı sayıda molekül vardır. Yine normal şartlar altında (0 ?C ve 1 atmosfer basınç altında) bütün gazların 1 formül gramı 22,4 litre (0,0224 m 3 ) hacme sahiptir. Normal koşullar altında bazı gazların 22,4 litresinin ağırlıkları şu şekildedir. CO 2 : 44 gram SO 2 : 64 Cl 2 : 71 O 2 : 32 H 2 : 2 He : 4 Hava : 28,96 gram Bir kimyasal reaksiyonda, denklemin heriki tarafındaki ağırlıkların birbirlerine eşit olmaları gerekirken, hacimleri eşit olmayabilir. Gazlar kendi aralarında reaksiyon yaptıkları zaman, toplam hacim azalır, çoğalır veya eşit kalabilir. Verilen muhtelif şartlar altındaki gazların hacimleri standart şartlara çevrilerek mukayeseler yapılabilir. Standart şartlar altında 1 mol kg. gaz hacmi 22,4 m 3 kadardır. Örnek problem 22,4 1600 x = 1120 m 3 okjsijen gerekmektedir. 32 Bir bakır konvertöründe 8000 Kg Cu 2 S bulunmaktadır. Cu 2 S’ ü okside etmek için konvertöre hava üflenmektedir. Cu 2 S + O 2 --------------- ? 2 Cu + SO 2 reaksiyonuna göre gerekli hava miktarını bulunuz. 32 kg kükürt (S) için 22, 4 m 3 oksijen gerekmektedir. Yada 1 kg kükürt (S) için 22,4/32 m 3 oksijen gerekmektedir. Konvertördeki kükürt miktarı 32/160x 8000 = 1600 kg Havada hacimce % 21 oksijen bulunduğuna göre 1120/0,21 = 5330 m 3 hava gerekmektedir. Yanma ? Yakıtın yanmasıyla oluşan reaksiyona yanma denir. Yanma ? reaksiyonları pirometaluri uygulamalarında büyük önem taşımaktadır. ? Oksitlenmesi sonucu ısı veren her medde bir yakıt olarak kabul edilebilir. ? En çok kullanılan yakıtlar, maden kömürü, kok kömürü, akaryakıtlar, ? gaz yakıtlar, odun kömürü ve odundur. Bazı metalurjik işlemlerde yakıt ? gibi ısı veren başka maddelerde vardır. Bunlardan silisyum, manganez ? ve metal sülfürler önemlidir. Yakıtlar içerisinde yanan maddeler, karbon ? hidrojen ve muhtelif hidro – karbon bileşimleridir. Yanma sonucu elde ? edilen ürünler ise, CO 2 ve H 2 O dur. Maden kömürü, kok ve diğer katı ? yakıtların kompozisyonunda daima az veya çok miktarda kül vardır. Kalorifik Güç (Isı gücü) Bir ünite (ağırlık veya hacim olarak) yakıt tamamen yakıldığında vermiş olduğu ısı miktarına, o yakıtın kalorifik gücü denir. Katı ve sıvı yakıtlarda kilogram yakıt başına kalori olarak gaz yakıtlarda ise metreküp başına kalori olarak ifade edilir. Elementlerin veya bileşimlerinin kalorifik güçleri yanma reaksiyonu sonucu elde edilen ısılar bilinmekle hesap edilebilir. Örnekler C + O 2 ------------ ? CO 2 ?H = -97200 Cal. 97200 / 12 = 8100 cal/gr = (8100 kcal/kg) Karbon için bulunan ısı gücü 2 C 2 H 2 + 5 O 2 ------------ ? 4 CO 2 + 2 H 2 O ?H = - 613160 cal C 2 H 2 asetilen yani 0,0224 m 3 ’ ün vermiş olduğu ısı miktarı 306580 cal ısı vermekte.O halde 1 m 3 asetilenin verdiği ısı miktarı 13686,6 kcal/m 3 olarak bulunur bu değer Asetilenin kalorifik gücünü ifade eder. Metalurjik Yakıtlar ? Oksitlenmesi sonucu endüstriyel işlemler için gerekli ısıyı verebilen ve havanın oksijeni ile hızla yanabilen her çeşit malzemeye yakıt denir. Yanma deyimi daha çok yakıtlar için kullanılmaktadır. ? Tam yanmama deyimi : Yakıtın tamamının yanmaması (Örneğin yakıt yandıktan sonra arta kalan cürufta bir miktar karbon kalması) anlaşılır. ? Yetersiz yanma: Karbonun tamamının (CO 2 ) yapmayıp, bir kısmının (CO) yapması anlaşılır. ? Yakıtın ateş alma sıcaklığı : Yakıtın yanmaya başladığı sıcaklık anlaşılır. Ateş alma sıcaklığı sabit bir değer olmayıp, yakıtın fiziksel yapısı ve atmosfere basıncına bağlı olarak değişmektedir. ? Kül : Katı yakıtın kompozisyonunda olup, onun yanmayan kısmını teşkil eder. ? Cüruf : Yakıt yakıldıktan sonra geride kalan katı kitledir. Yakıtların Sınıflandırılması I. Katı Yakıtlar A. Tabii Odun Linyit kömürü Taş kömür Antrasit B. Suni Pulverize kömür Biriket kömürü Karbonize yakıtlar Odun kömürü Kok kömürü Yakıtların Devamı II. Sıvı Yakıtlar A. Tabii a) Ham petrol B. Suni Destilasyon ürünleri (benzin, motorin fuel-oil) Kömür katranı Artık yağları III. Gaz Yakıtlar Tabii a) Doğal gaz B. Suni Kok gazları Yüksek fırın gazı Metalurjik Kok Kömürü ? Demir ve demir dışı metallerin üretiminde kullanılan yüksek fırınlarda tüketilen yegane yakıt metalurjik kok kömürüdür. Kok kömürü taş kömüründen destilasyon işlemi sonucu elde edilmektedir. ? Kok kömürü kok fırınlarında dıştan endirekt olarak ısıtılmak suretiyle kok kömürü elde edilmektedir. Kok kömürü üretiminde koktan ayrı bütün destilasyon ürünleri ( kok gazı, katran, naftalin, hafif yağlar ve amonyum sülfat gibi) yan ürünler elde edilmektedir. Kömür gazlarında CO, CO 2 , H 2 O, H 2 , N 2 , H 2 S, S ve NH 3 bulunup, bu gazlar kimya sanayiinin önemli bir hammadde kaynağını teşkil etmektedir. Kok fırınlarının sıcaklığı 800-1000 °C olup, koklaştırma süresi yaklaşık 18-20 saat kadardır. Pülverize Kömür Pulverize Kömür: Adından da anlaşılacağı üzere, maden kömürünün pudra inceliğinde öğütülmesiyle elde edilen kömüre pülverize kömür denmektedir. Yakılmak istendiğinde basınçlı hava ile fırının cehennemliğine püskürtülmekte ve orada gaz özelliğinde yanabilmektedir. Pülverize kömür esas olarak iki maksat için kullanılmaktadır. - İri kömüre nazaran daha mükemmel ve tam olarak yanmaktadır. -Kömür ocaklarından çıkan kömürün inceleri ve düşük kalite kömürler bu şekilde değerlendirilmektedir. Doğal Gaz ? En iyi gaz yakıt olup, gaz yakıtlar içinde en yüksek kalorifik güce sahiptirler (6,200-10,700 kcal /m 3 ). Genel olarak metan (CH 4 ), etan (C 2 H 6 ) ve az miktarda H 2 , CO, CO 2 , N 2 , ve H 2 O ihtiva etmektedir. A.B.D’ lerinin Ohio eyaletinde çıkarılan doğal gazın kimyasal analiz sonuçları % olarak şu şekildedir ? H 2 : 1,89 ? CH 4 : 92,84 ? CO : 0,2 ? C 2 H 6 : 0,35 ? N 2 : 3,82 ? CO 2 : 0,75 Üretim Metalurjisinde Yakıtların Seçimi Fiyat Temini Yakıtın Bahis Konusu İşleme Uygunluğu Yakıtın Temizliği REFRAKTERLER Yüksek sıcaklıklara, korozif eriyiklere, içinde toz bulunan fırın gazlarının akışına dayanıklı her çeşit fırın yapmaya elverişli malzemeye ‘’refrakter malzeme’’ denir. Kavurma, ergitme ve ısıl işlemlerde kullanılan fırınların özellikle iç kısımları uygun refrakter malzemelerle kaplanmıştır. Refrakter malzemeler genel olarak iki temel maksat için kullanılır Isıl izolasyon Isıl iletkenlik Refrakterlerin Sınıflandırılması Refrakterler kimyasal yapılarına göre şu şekilde sınıflandırılır. I. Asit yapılı refrakterler -Alümina – Silikat malzemeler II. Bazik Refrakterler - Alümina Refrakterler. - Kalsiyum ve magnezyum oksitler. (MgO), (CaO) III. Nötr Refrakterler - Suni olarak yapılan refrakterler (Zirkon karbür, Silisyum karbür) Alümina-Silika Refrakterler Bu çeşit refrakter tuğlalara ateş tuğlası veya şamot tuğlası da denmektedir. Refrakter malzeme kompozisyonunda Al 2 O 3 ve SiO 2 ’den başka FeO, MgO ve CaO gibi oksitlerde bulunmaktadır. Bir çok şamot tuğlanın ham maddesini kaolin (Al 2 O 3 .2SiO 2 . 2H 2 O) teşkil etmektedir. Şamot tuğla yapılırken kil su ile karıştırılıp preslenerek şekillendirilir. Tünel fırınlarda 36 saat süreyle kurutulduktan sonra sıcaklık 1280-1350 ?C’ ye yükseltilir. Tuğlalar bu sıcaklıkta 2-3 gün tutulur. Şamot tuğlalar yüksek sıcaklıklarda ani sıcaklık değişimlerine karşı dayanıklıdırlar. Bu tuğlaların kalitesi ve fiyatı içerisindeki alümina yüzdesi arttıkça yükselmektedir. Cüruflar ? Kavrulmuş cevher veya konsantrelerin veya zengin cevherlerin doğrudan doğruya ergitilmesi sonucu birbirine karışmayan belli başlı üç ayrı faz elde edilir. Bunlar; ? Gaz faz ? Metalin bulunduğu eriyik faz ? Çeşitli silikatların oluşturduğu cüruf fazıdır İyi bir cürufta aranan özellikler ? Düşük ergime sıcaklığı ? Yoğunluğunun düşük olması ? Düşük viskozite HİDROMETALURJİ Hidrometalurji : Sulu ortamlarda yapılan işlemlerle, cevher, konsantre, kalsine v.s. maddelerin çözülüp metallerin sonradan ayrılması diye tarif edilebilir. Hidrometalurji işlem kademeleri çoğu zaman cevher zenginleştirme işlem kademelerini ( öğütme, sınıflandırma, filtrasyon) içine almaktadır. Hidrometalurji bir bakıma laboratuarlarda kullanılan sulu üretim metotlarının endüstriyel ölçüde tatbikidir. Uygun sulu solüsyonlar kullanılmak suretiyle mineral içindeki metal çözünmekte ve metal içermeyen gang minerali ise çözünmeksizin artık malzemede kalmaktadır. Metallerin bu şekilde uygun solüsyonlarla çözünmesine liç denmektedir. İnce taneli ham maddeler, mekanik karıştırıcılardan veya basınçlı havadan faydalanmak suretiyle solüsyon ile devamlı surette karıştırılarak liç yapılır. Liç işlemi tamamlandıktan sonra çözelti artıklardan ayrılmak (filtre etmek vs.) suretiyle zengin liç solüsyonu elde edilir. Bu solüsyondan metalin elde edilmesi aşağıdaki şekillerde olabilir. Kimyasal çökeltme, Elektroliz, Çözeni buharlaştırmak Hidrometalurjideki işlem basamakları - Cevher, konsantre v.b maddelerin hazırlanması - Metal içeren mineralin liç edilmesi - Zengin liç solüsyonunun çözünmeyen artıklarının ayrılarak alınması - Liç solüsyonundaki metalin çökeltilmesi - Çökeltinin işlenip satılır hale getirilmesi (ergitme, tasfiye ve döküm vb.) Hazırlık İşlemi Liç yapılacak hammaddelerin hazırlığı şu şekilde yapılır - Kırma ve öğütme - Daha sonraki işlemlerde reaktif tüketimine sebep olacak ve işlemin yürümesine zorluk çıkarabilecek bazı çözünebilen tuzların, hammaddeyi yıkamak suretiyle bünyeden uzaklaştırılması. - Çözünmeyen metal bileşiklerin çözünebilir hale gelmesi, zararlı bazı elementlerin uçurulup bünyeden atılması için yapılan kavurma işleminin yapılması. Liç Kullanılacak çözücü solüsyonun ucuz, daima kolaylıkla temin edilebilen ve bahis konusu metal bileşimleri hızla çözebilen bir özellikte olması gerekmektedir. Kullanılan belli başlı çözücüler Su, sülfirik asit, klorür asit, sodyum hidroksit, amonyak bileşimleri, sodyum siyanür, ferritik klorür ve ferritik sülfattır. Zengin Liç Solüsyonunun Atıklardan Ayrılması Liç işlemi tamamlandıktan sonra, liç solüsyonu çözünmeyen artıklardan ayrılır. Artıkların solüsyondan ayrılmasında filtrasyondan faydalanılabilir. Metallerin Çökeltilmesi Liç solüsyonlarındaki metalleri çökeltmek şu şekillerde olabilir Kimyasal yoldan çökeltme Çözünmeyen anot kullanmak suretiyle elektronik çökeltme (Elektrovinning) Buharlaştırma suretiyle ELEKTROMETALURJİ Elektrometalurji : Cevher veya metal ihtiva eden her çeşit ham madde içindeki metalleri elektrik enerjisinden faydalanarak üretmeye elektrometalurji denir. Gerçekte Elektro–metalurji elektro – kimyanın bir kısmını teşkil etmektedir. Elektro– metalurjide elektro – kimya metotlarının metallere tatbiki söz konusudur. Elektro-kimyanın iki temel bölümü vardır. 1. Elektroliz (Elektrik enerjisi, elektroliz yapmak için kullanılmaktadır.) 2. Elektrotermik (Elektrik enerjisi, tamamen ısı temin etmek amacıyla kullanılmaktadır) Elektroliz : Elektrik cereyanının sulu veya eriyik elektrolitlerden geçmesiyle meydana gelen kimyasal ayrışma neticesi katot da metal iyonlarının ve anot da metalik olmayan iyonların serbest hale gelmesi olayıdır. Alüminyum ve Alüminyum Üretimi 1- Giriş 2- Alüminyumu üretimi ve Kullanım Alanları 3- Alüminyumun Özellikleri 4- Alüminyumun Yerkürede Bulunuşu ve Önemli Mineralleri 5- Alüminyumun Üretimi 6- Alüminyumun Şekillendirilmesi Giriş Alüminyum güçlü bir elektropozitif ve oldukça reaktif bir metaldir. Havayla temasında alüminyum hızlı bir şekilde yüzeyinde tok ve şeffaf bir oksit tabakası oluşturur ve bu oksit filmi malzemenin daha fazla korozyona uğramasını önler. Bu nedenle alüminyumdan yapılan parçalar kararmaz veya paslanmazlar. Alüminyumun çeliğe göre yaklaşık üçte biri kadar daha hafiftir. Lityum Berilyum ve magnezyumdan sonra en hafif metaldir. Ağırlığına karşılık mukavemeti alüminyumun uçak yapımında, demir yollarında, motor gövdelerinde ve diğer pek çok alanda kullanımını faydalı hale getirmiştir. Giriş Yüksek ısıl iletiminden dolayı alüminyum pek çok pişirme kaplarında, içten yanmalı motorların pistonlarında kullanılmaktadır. Aynı çapta verilen bir alüminyum tel bakırın % 63’ü kadar elektrik iletimine sahiptir. Fakat ağırlık olarak bakırdan daha hafiftir. Özellikle elektrik iletiminde uzun mesafeli hatlarda ağırlık çok önemlidir. Bu nedenle bugün 700 000 volt elektrik akımı iletmede alüminyum iletkenler tercih edilmektedir. Alüminyumun Üretimi ve Kullanım Alanları Aliminyum kolay soğuyup ısıyı emen bir metal olması nedeniyle soğutma sanayinde geniş bir yer bulur bakırdan daha ucuz olması ve daha çok bulunması işlenmesinin kolay olması ve yumuşak olması nedeniyle bir çok sektörde kullanılan bir metaldir. Aliminyum genel manada soğutucu yapımında, spot ışıklarda, mutfak gereçleri yapımında, hafiflik esas olan araçların yapımında (uçak, bisiklet vs.)kullanılır. bunun yanında sanayide önemli bir madde olan aliminyum günlük hayatta her zaman karşımıza çıkan bir metaldir Alüminyumun Özellikleri 1- Kimyasal Gösterimi : Al 2- Atom Numarası : 13 3- Atom Ağırlığı : 26,981 4- Yoğunluğu : 2,7 g/cm 3 5- Ergime Derecesi : 660 ?C 6- Buharlaşma Sıcaklığı : 2519 ?C 7- Kristal Yapısı : YMK Alüminyumun Yerkürede Bulunuşu ve Önemli Mineralleri Alüminyum yerkabuğunda en fazla bulunan metaldir. Alüminyum doğada genellikle alüminyum silikat veya silikat alüminyumun sodyum, potasyum, demir, kalsiyum, ve magnezyum gibi metallerle karışım halinde bulunmaktadır. Fakat hiçbir zaman serbest halde bulunmaz. Alüminyumun üretildiği cevherler boksit olarak isimlendirilir. Bu cevher Gibbsite (Al (OH)3) ve Böhmite (AlO (HO)) yada Diaspore (AlO (HO)) karışımından ibarettir. Mineral Birimi Gibbsite Böhmite Diaspore Kompozisyonu Al(OH) 3 AlO(OH) AlO(OH) Maksimum Alumina Miktarı % 65,4 85,0 85,0 Kristal Yapısı Monoklinik Ortorombik Ortorombik Yoğunluk gr/cm 3 2,42 3,01 3,44 Hızlı Dehidrasyon için Sıcaklık ?C 150 350 450 Alüminyum Üretimi - Kırılmış ve öğütülmüş boksit cevheri % 30 kostik soda (NaOH) içeren 150-230 ?C aralığındaki büyük bir basınç tankına konur. Tankın basıncı düşük sıcaklıklarda 4 atm. Fakat en yüksek sıcaklıkta bu basınç 30 atm. kadardır. Sıcaklığın geniş bir aralıkta olmasının nedeni cevherdeki karışım halde bulunan alüminyum monohidrat ve alüminyum trihidratla alakalıdır. Trihidrat yapı 150 ?C’de çözünebilirken, monohidrat yapı daha yüksek sıcaklıklarda veya daha konsantre kostik soda çözeltilerinde çözünebilmektedir. Ancak sıcaklık yükseltildiğinde çözeltiye alınan silikanın miktarı artmaktadır ve kostik soda (NaOH) çözeltisi arıtıldığında alüminyum hidroksit çökelmesi daha zor ve pahalı olmaktadır. NaOH içerisinde çözünen silikat sodyum silikat oluşturur fakat bu bileşim çözünemeyen alümina silikat oluşturmak için sodyum alüminatla birleşir. Oluşan alümina silikat kırmızı bir çamur oluşturur. Basınç tankı (Otoklav) Gibbsite Al(OH) 3 + Na + + OH - ------------> Al(OH) 4 - + Na + Böhmite veya Diaspore AlO(OH) + Na + + OH - + H 2 O ---> Al(OH)4 - + Na + Çökeltme Al(OH) 4 - + Na + ---> Al(OH) 3 + Na + + OH - Kalsinasyon 1200 ?C 2Al(OH) 3 -------------> ?-Al 2 O 3 + 3H 2 O Ergitme Daha sonra çökelti filtre edilir ve elde edilen ?-Al 2 O 3 ’a 1200- 1300 ?C’de kalsine edilir ve ergitmeye hazır hala getirilir. Bu aşamada Al 2 O 3 ’ün silis ve demirden tamamen arındırılması gerekir. Aksi halde her iki element indirgeme sonrası elde edilen alüminyum içerisinde safsızlık olarak kalacaktır. Al 2 O 3 elektrolitik olarak Hall-Heroult işlemi ile alüminyuma indirgenir. Alüminanın çözünmesi yaklaşık 970 ?C’deki ergiyik haldeki oranları sırasıyla % 87; %5; ve % 8 olan kriyolit(Na 3 AlF 6 ), AlF 3 , CaF 2 olan bir karış içerisinde gerçekleşir. 2Al 2 O 3 + 3C ---> 4Al + 3CO 2 Şekil 26. Hall-Heroult Elektrolitik Alüminyum Üretim Ünitesinin Şematik Gösterimi cathode 4 Al 3+ + 12 e¯ -----------> 4 Al(l) anode 6 O 2 ¯ ------------> 3 O 2 (g) + 12 e¯ net 4 Al 3+ + 6 O 2 ------------> 4 Al(l) + 3 O 2 (g ) Al 2 O 3 ‘dan Elektrolizle Metalik Al Eldesi Metalik Çinko Üretimi 1- Çinkonun Özellikleri 2- Çinkonun Tüketim Alanları ve Yüzdeleri 3- Çinkonun Yerkürede Bulunuşu ve Önemli Mineralleri 4- Çinko Üretim Yöntemleri - İndirgeme yöntemi - Hidrometalurjik yöntem Çinkonun Önemli Özellikleri ? Çinkonun kimyasal sembolü : Zn ? Atom numarası : 30 ? Atom ağırlığı : 65,37 ? Özgül ağırlığı : 7,14 g/cm 3 ? Ergime sıcaklığı : 420 o C ? Buharlaşma sıcaklığı : 907 o C ? Buharlaşma ısısı : 426 Kcal/kg ? Çinkonun bileşiklerinde aldığı değ. : +2 ? Kristal Yapısı : Hegzegonal Çinkonun Tüketim Alanları ve % Miktarları ? Galvanizlemede (kaplamada) % 48 ? Prinç imalatı % 18 ? Çinko esaslı alaşımlar % 15 ? Kimyasallarda (antiseptik madde) % 8 ? Diğer uygulamalarda % 11 Önemli Çinko Mineralleri ? 1. Sfelarit ZnS 67,09 Çinko sülfür ? 2. Smitsonit ZnCO 3 52,14 Çinko karbonat ? 3. Hemimorfit 2ZnO.SiO 2 H 2 O 54,28 Çinko hidrosilikat ? 4. Willemit Zn 2 SiO 4 58,68 Çinko silikat ? 5. Zinkit ZnO 80,34 Çinko oksit Sfelarit İndirgeme Yöntemi Bu yöntemle metalik çinko üretiminde uygulama aşamaları 1- Konsantre çinko cevherinin elde edilmesi ? Kırma, ? Öğütme, ? Ayırma (Flotasyonla) ile Konsantre Çinko Cevheri Elde Edilir. 2- Kavurma : 2 ZnS + 3 O 2 = 2 ZnO + 2SO 2 : 2 ZnO + 2 SO 2 + O 2 = 2 ZnSO 4 3- Yüksek fırında indirgeme ZnO + C ------------------------- ? Zn + CO ZnO +CO ----------------------- ? Zn + CO 2 CO 2 + C ------------------------- ? 2CO Yüksek Fırında İndirgeme Yöntemiyle Çinko ve Kurşun Üretimi Muf Fırınlarında Metalik Çinko Üretimi İndirgeme Yöntemiyle Yüksek Fırında Metalik Çinko ve Kurşun Üretimi Hidrometalurjik Yöntemle Metalik Çinko Üretimi ? liç : ZnO + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 O ? Elektroliz : ZnSO 4 + H 2 O Dogru Akım = Zn + H 2 SO 4 + 1/2 O 2 METALİK BAKIR ÜRETİMİ Önemli Bakır Mineralleri Copper pyrite or chalcopyrite (CuFeS 2 ). Chalocite (Cu 2 S). Malachite green [CuCO 3 .Cu(OH) 2 ]. Azurite blue [2CuCO 3 .Cu(OH) 2 ]. Bornite (3Cu 2 S.Fe 2 S 3 ). Melaconite (CuO) etc. Ergitme Yöntemiyle Bakır Üretimi Konsantrasyon İşlemi Kırma ve öğütme ile gerekli boyuta getirilen cevher flotasyonla konsantre cevher durumuna getirilir. Flotasyon tankında konsantre cevher yüzerek yüzeyde toplanırken atık tankın tabanında yeralır Kavurma Daha sonra konsantre bakır cevheri hava içeren fırında kavrulur. Kavurma ile sülfür okside edilir (SO 2 şeklinde). Bu arada arsenik ve antimon gibi düşük ergime dereceli atıklar uçucu oksitler şeklinde ortamdan uzaklaşırlar Kavurma esnasında gerçekleşen reaksiyonlar 2CuFeS 2 + O 2 ---> Cu 2 S + 2FeS + SO 2 S + O 2 ---> SO 2 4As + 3O 2 ---> 2As 2 O 3 4Sb + 3O 2 ---> 2Sb 2 O 3 Daha sonra bakır ve demir sülfür tekrardan oksitlenerek kendi oksitlerini oluştururlar. 2Cu 2 S + 3O 2 ---> 2Cu 2 O + 2SO 2 2FeS + 3O 2 ---> 2FeO + 2SO 2 Ergitme Daha sonra kavrulan cevher kok ve silika ile karıştırılarak yüksek fırına yüklenir. Fırın içerisine sıcak hava gönderilerek demir oksit (FeO) demir silikata (FeSiO 3 ) dönüştürülür. FeO + SiO 2 ---> FeSiO 3 Cu 2 O + FeS ---> Cu 2 S + FeO FeSiO 3 (cüruf) ergiyik MAT bakırın üzerinde yüzer. Bessemer Konvertöründe Ergitme Metalik bakır bessemer konvertörlerinde ergiyik MAT bakırdan elde edilir. Ergiyik MAT bakır üzerinde basınçlı hava üfleyicileri olan konvertöre yüklenir. Daha sonra ergiyik MAT içerisine hava üflenir.Hava bakır sülfürü (Cu 2 S) kısmen bakır okside (Cu 2 O) dönüştürür ki buda diğer kısmı oluşturan bakır sülfürle (Cu 2 S) reaksiyona girerek metalik bakırı oluşturur. 2Cu 2 S + 3O 2 ----> 2Cu 2 O + 2SO 2 2Cu 2 O + Cu 2 S ----> 6Cu + SO 2 Bilister Bakırdaki Safsızlıklar ve Etkileri Bessemer konvertöründen alınan ve bilister yada ham bakır olarak isimlendirilen bakır % 99 saflıktadır. Bu bakır temel olarak demir az miktarda da As, Zn, Pb, Ag ve Au içermektedir. Bu saflığı bozan atıklar bakırın mekanik özelliklerini olduğu gibi elektriksel özelliklerini de olumsuz etkilemektedir. Bu sebeple bu atıkların bakırdan uzaklaştırılma mecburiyeti vardır. Bilister Bakırın Saflaştırılması Bilister yada ham bakırın saflaştırılması elektroliz işlemi ile gerçekleştirilir. Elektroliz işleminde bilister bakır bloklar halinde anot kutbunda ince saf bakır plakalar ise katot kutbunu oluşturur. Elektroliz işleminde elektrolit iletkenliği artırmak için bir miktar H 2 SO 4 eklenmiş bakır sülfattan ibarettir. Elektrolitik işlemde optimum potansiyel farklılık 1.3 volt kadardır. Elektroliz esnasında saf bakır katot plakaları üzerinde toplanırken atıklar ise elektrolit içerisinde anot çamuru olarak elektroliz hücresinin tabanında birikirler Elektroliz Esnasındaki Elektrokimyasal Değişim Cu ? Cu+2 + 2e- (anot kutbunda) Cu+2 +2e- ? Cu (katot kutbunda) This electrically refined copper is 100% pure. Bakır Üretiminin Şematik Gösterimi