Metallurgia

Metallurgia (kreeka liitsõnast metallurgeō 'töötlen metalle') on teadus-, tehnika- ja tööstusharu.

Ajalugu

Metallide tootmine iidses Lähis-Idas

Esimesed tõendid metallurgiast pärinevad Serbia aladelt (dateeritud 5.–6. saj eKr). Varajast metallurgilist tegevust on leitud ka Portugali, Hispaania ja Suurbritannia (Stonehenge) aladelt (3. saj eKr). Hõbe, vask, tina ja meteoriitraud olid esimesed metallid, mida inimene hakkas töötlema, nt egiptlaste tapariistad olid tehtud meteoriitrauast (~ 3500 a eKr). 3500 a eKr algas pronksiaeg, sest tina ja vaske õpiti tegema sulamiks, mis oli paremate omadustega materjal tööriistade jm valmistamiseks. 1200 a eKr algas rauaaeg. Raua valmistamine maagist oli aga oluliselt keerukam.

Metallurgia kui teadusharu

Metallurgia kui teadusharu uurib metallide ja nende sulamite omadusi ning tootmise ja töötlemise tehnoloogiat.

Metallurgia kui tööstusharu

Must metallurgia

Must metallurgia sai alguse Euroopast 15. saj, mil hakati sulatama töönduslikult rauda ja malmi. Must metallurgia toodab rauasulameid (malm, teras, ferrosulamid), millele on lisatud muud metallid. Peamine tooraine on rauamaak, selle kõrval on ka tähtis tooraine mangaan, mida lisatakse terasele selle kulumiskindluse tõstmiseks. Maagi rikastamine ja esmane töötlemine toimub tavaliselt maardlates, enamik toodangust eksporditakse. Rauamaaki jagatakse rikkaks, kus raua sisaldus üle 55%, keskmiseks (raua sisaldus 40–55%) ja vaeseks (raua sisaldus 20–40 %). Viimastel aastatel kasvab sekundaarse tooraine (vanametalli) kasutamine kiiresti. Peamised rauamaagi tootjad ja eksportijad on Austraalia, Brasiilia, Hiina, India, Lõuna-Aafrika Vabariik ja Venemaa. Peamised terasetootjad on Põhja-Euroopa riigid (60%).

Värviline metallurgia

Metallimaakide leiukohad

Peamised toorained on vasemaak ja alumiiniumi tooraine boksiit. Vanad värvilised metallid on vask, plii, tsink ja tina. Vasemaaki on palju Tšiilis, USA-s, Aafrika keskosas (Sambia ja Kongo DV territooriumil). Alumiinium on toodangu mahult teisel kohal, looduses on metallidest esikohal (8,8 % maakoore massist). Suurimad boksiidivarud on Guineal, Austraalial, Brasiilial, Jamaical. Suurimad importijad on USA, Lääne-Euroopa ja Jaapan. Alumiiniumi sulatamine on väga energiamahukas – 1 tonni tootmine vajab 14 000 kWh energiat. Vanametallist toodetakse 1/3 maailma alumiiniumist. Vase ja alumiiniumi kõrval töödeldakse värvilises metallurgias veel üle 70 metalli, suurema mahuga on plii ja tsink, nende metallide tarbimisega seotud autotööstus. Värviliste metallide maagid sisaldavad tavaliselt mitu metalli (nn polümetallid), mistõttu ühes maardlas kaevandatakse sageli mitut metalli.

Metallurgia protsessid

Pürometallurgia

Pronksi valamine käsitsi

Vanimaks ja kõige levinumaks metallurgiaharuks on pürometallurgia (püro tähendab ladina keeles leeki). Selle käigus sulatatakse metall maagist välja kõrge temperatuuriga. Kõrge temperatuuriga leek saadakse kütuste põletamisel. Nii toodetakse rauda ja tema sulameid, vaske jne . Redutseerijate järgi jagatakse pürometalluriga karbotermiaks (redutseerija on süsinik), metallotermiaks (redutseerijaks on aktiivne metall) ja vesiniku kasutamisega pürometallurgiaks. Pürometallurgias kasutatakse mitmesuguseid sulatusahjusid:

• Shaft-sulatusahi on kujult verikaalne. Maak siseneb ahju ülevalt ja väljub alt ning gaas siseneb ahju alaosas ning väljub üleval.
• Muhvel-sulatusahi on horisontaalse kujuga, kus ühest otsast siseneb kütus ja õhk ning teisest otsast väljuvad gaasid. Samal ajal maak sulab ahju sees olevas kinnises kambris.
• Kamin-sulatusahi on horisontaalse kujuga piklik ahi, mis võib olla veidi kaldu. Ahju kõrgemast otsast siseneb maak, mis voolab aegalselt alla ning väljub alumisest otsat. Samal ajal alumisest otsast siseneb ahju põlev kütus.
• Elektriline sulatusahi kasutab voolutugevust 20 000 A ning pinget 50 kuni 500 V. Sulatusahju on asetatud kaks elektroodi.

Hüdrometallurgia

Hüdrometallurgia põhineb maakide töötlemisel niisuguste kemikaalide lahustega (hapete, leeliste), mis maagis oleva metalliga reageerides viivad selle ioonidena lahusesse. Lahuse järgneval töötlemisel eraldatakse metall sellest lihtainena. Nii toodetakse nt kulda ja vaske. Niimoodi toodetud vask pole just eriti puhas ja sisaldab väheaktiivsete (väärtuslike) metallide lisandeid. Soomlased toodavad vase puhastusjääkidest 800 kg kulda aastas. Sellest jätkub maa elektroonikatööstuse vajadusteks. Vase puhastusjääkidest toodetakse ka praktiliselt kogu germaanium, mis on samuti elektroonikale oluline element.

Kloormetallurgia

Mitmeid värvilisi metalle toodetakse kloormetallurgiliselt. Sel juhul töödeldakse toormaaki klooriga. Metallid reageerides klooriga muutuvad kloriidideks, sellisel kujul nad eraldatakse ja seejärel töödeldakse puhtaks metalliks. Nii toodetakse nt titaani ja tina.

Elektrometalluriga

Selle protsessi puhul on tegu elektrolüüsiga, mille puhul sulatiste elektrolüüs on ainus majanduslikult mõistlik meetod aktiivsete metallide tootmiseks. Nii toodetakse nt palju alumiiniumit ja magneesiumit. Elektrolüüs on väga energiakulukas.

Tähtsamate metallide tootjad

• Rauda toodeti maailmas 2010. a 2,4 miljardit tonni, millest 37,5% tootis Hiina kui maailma suurim oraua tootja. Suuremad raua tootjad on veel Austraalia, Brasiilia, India ja Venemaa.
• Vaske leidub pea kõikides maailmajagudes, rohkem Lõuna-Ameerikas. 2009. a oli vase tarbimine maailmas ~21 miljonit lühikest tonni (1 lühike tonn = 907,185 kg).
• Suurimad tsingi tootjad maailmas on Hiina, Peruu, Austraalia, USA ja Kanada. 2008. a toodeti 80% USA toodangust Alaskas. Kui lähtuda maailmajagudest, siis 54% tsingist toodetakse Aasias, 23% Euroopas, 17% Ameerikas, 4% Okeaanias ja 2% Aafrikas. Tsinki kasutatakse kõige enam galvaanimiseks ehk tsinkimiseks, seejärel erinevate sulamite tarbeks ja kemikaalide jaoks.
• Nikli maaki kaevandatakse 23 riigis ning niklit sulatatakse 25 riigis. 2010. a olid suurimad nikli tootjad Venemaa, Kanada, Austraalia ja Indoneesia. Puhastatud niklit toodavad firmadest enim Norilsk Nickel, Vale S.A., ja Jinchuan Group Ltd. 65% nikli toodangust kasutatakse roostevaba terase tootmisel.
• Plii on maailmas üks kõige suurema taaskasutuse osakaaluga metalle. Umbes pool plii toodangust toodetakse plii taaskasutamise läbi. Suurimad plii tootjad on Hiina (~60% maailma toodangust), Austraalia ja USA. Umbes 90% plii toodangust kasutatakse patareides ja akudes.
• 2010. a olid maailma suurimad alumiiniumi tootjad Hiina, Venemaa ja Kanada. 20% alumiiniumi toodangust kasutatakse nt pakkematerjalina. Tänapäeval kasutatakse alumiiniumi tootmisel ligi kolmandik alumiiniumi taaskasutamise põhimõttel.

Metalluriga Eestis

Kirde-Eestis tegutsev AS Silmet on üks Euroopa suurimaid haruldaste metallide ja haruldaste muldmetallide tootjaid ning ka üks Eesti suurimaid teaduspõhiseid kõrgtehnoloogilisi firmasid. Ligikaudu 550 töötajaga AS-i Silmet tootmine hõlmab kolme vabrikut: haruldaste muldmetallide vabrik, haruldaste metallide vabrik, metallurgiavabrik. Haruldaste muldmetallide aastatoodangu maht ulatub 3 000 tonnini, haruldastel metallidel 700 tonnini. 2010. aastal toodeti 95% kogu maailma haruldaste metallide toodang Hiinas ning ülejäänud 5% AS Silmetis.

Keskkonnaprobleemid

• Tekib palju aherainet, väga energiamahukad tööstusharud
• Suured piirkonnad muudetakse inimese ja loomade eluks ja inimese majandustegevuseks kõlbmatuks
• Maa-alused kaevandused võivad põhjustada langatuslehtreid ning ehitiste ja rajatiste sisselangemist
• Maavarade suuremahuline kaevandamine mõjutab põhjavee kihte, halvendab joogivee kvaliteeti
• Metallide sulatamine saastab tugevalt keskkonda, sest kõrgahjud paiskavad õhku kahjulikke aineid
• Metallurgiaettevõtte saastamisraadius võib ulatuda kuni 500 km kaugusele

Vaata ka

• Metall
• Teras
• Tsink

Välislingid

• Raua ja tema sulamite tootmine
• AS Silmet
• Metal Production in Ukraine