mem-313 ekstraktİf metalurjİ · cevher hazirlama (zengİnleŞtİrme) cevher hazırlamayı...
TRANSCRIPT
DERS NOTLARI
Prof. Dr. HALİL ARIK
EYLÜL-2012
MEM-313 EKSTRAKTİF METALURJİ
Metalurji
Metalurji: Metal ve alaşımların, cevher veya metal içeren hammaddelerden, kullanım sürecine uygun kalitede üretilmesini, saflaştırılmasını, alaşımlandırılmasını, şekillendirilmesini, korunmasını, ve "üretim - kullanım" ömrüiçindeki 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 MetalürjiDoğada 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 saflaştırılmasıuygulamalarının tümüne birden üretim metalürjisi diyoruz. Aşağıdaki tabloda metalürji içerisinde yeralan değişik uygulamaların sıralamasıverilmiştir.
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 bilinen mevcut elementlerin %75’inden fazlasımetaldir. 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.
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 uzatılabilirBıçakla 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.Nao – 1e- -------> Na+ Alo – 3e- ------> Al+3
AmetallerinÖzellikleri
- Oda sıcaklığında ametallerin bazıları 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.
Yerkabuğunda bulunan elementler
1 % 10 Üzeri O (46,6); Si (27,7)2 % 1 –10 Arası Al (8,1); Fe (5,0); Ca (3,6); K (2,6); Na (2,8)
3 % 0,1 –1 Arası C; H; Mn; P; Ti
4 % 0,01 – 0,1 Arası Ba; Cl; Cr; F; Rb; S; Sr; V; Zr
5 % 0,000-0,01 Arası Cu; Ce; Co; Ga; La; Li; Nb; Ni; Pb; Sn; Th; Zn;
6 1 – 10 ppm Arası As; B; Br; Cs; Ge; Hf; Mo; Sb; Ta; U; W
7 0,1-1 ppm arası Bi; Cd; I; In; TI
8 0,1-0,01 ppm Arası Ag; Pd; Se
9 0,01-0,001 ppm Arası Au; Ir; Os; Pt; Re; Rh; Ru
Metallerin reaktiflik serisi
Metallerin 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 (CaCO3)
Fluorspar (CaF2)
Zinc blende (ZnS) Galena (PbS)
Anglesite (PbSO4)
Haematite (Fe2O3.xH2O)Magnetite (Fe3O4) Calamine (ZnCO3)
Cryolite (Na3AlF6)
Iron pyrites (FeS2) Baryl (BaSO4)
Bauxite (Al2O3.2H2O) Siderite (FeCO3) Horn Silver (AgCl)
Cinnabar (HgS) Gypsum (CaSO4.2H2O)
Cuprite (Cu2O) Magnesite (MgCO3)
Rock salt (NaCl)
Epsom salt (MgSO4.7H2O)
•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
Type of ore Metals Compound (in the ore)
Oxide Ores Aluminium Bauxite - Al2O3, 2H2OCopper Cuprite - Cu2OIron Haematite - Fe2O3
Magnetite - Fe3O4
Sulphide Ores Iron Iron Pyrite - FeSCopper Copper Glance - Cu2S
Copper Pyrites - CuFeS2
Zinc Zinc Blende - ZnS
Carbonate Ores Calcium Limestone - CaCO3
Zinc Calamine - ZnCO3
Halide Ores Sodium Rock Salt - NaCl
Calcium Fluorspar - CaF2
Silver Horn Silver - AgCl
Aluminium Cryolite - Na3AlF6
Classification of ores
Metallerin doğada bulunuşu
Mineral : Doğal şekilde oluşan homojen, belirli bir kimyasal bileşime sahip ve belirli bir kristal yapısı olan inorganikkristalleşmiş katı bileşiklerdir. Örnek, Hematit (Fe2O3).
Cevher : Herhangi bir metalin minerallerini içeren ve ekonomik değeri olan kayaçtır. Bir kayacın cevher olabilmesi için ekonomik değeri olması gerekir.
Tenör : Cevherde bulunan mineralin veya metalin ağırlıkça oransan miktarıdır.
Rezerv: Bir cevher yatağının toplam miktarıdır.Potansiyel rezerv : Gelecekte kullanılabilecek cevher
Kopleks Cevher : Birden fazla metal üretilebilecek cevher
MİNERALLER
http://www.mta.gov.tr/mineraller/mineraller.html
EKSTRAKTİF METALURJİNİN KISIMLARI
0- Cevher Hazırlama1- Pirometalürji2- Hidrometalürji3- Elektrometalürji
CEVHER HAZIRLAMA (ZENGİNLEŞTİRME)Cevher Hazırlamayı Gerektiren NedenlerCevher hazırlamanın ortaya çıkması ve gelişmesinin “teknolojik” ve “ekonomik” olmak üzere iki ana nedeni vardır.
Teknolojik Nedenler: Cevherin, yer kabuğundan çıkarılması ile
kullanılması arasında, tüketim yerinin teknolojik gereğine uygun bazı
değişiklikler geçirmesi temeline dayanmaktadır. Örneğin, cam
sanyiinde ana hammaddeyi oluşturan silis kumunun, 0,1-0,5mm
boyutunda olması ve en çok %0,05 Fe içermesi, teknolojik bir
zorunluluktur. Belirtilen özellikleri taşıyan silis kumu, boyutlandırma
ve demirden arındırma gibi cevher hazırlama işlemlerinin
uygulanmasının sonucunda elde edilir. Manyezit, dolomit, kalker,
kaolin, demiroksit, karbon ve kükürt gibi hammaddeler, kauçuk, ilaç
ve boya sanayiinde dolgu maddesi olarak kullanılmaktadır. Bu
maddelerin 20 mikron altına öğütülmeleri teknolojik bir zorunluluktur.
Ekonomik Nedenler: Yer kabuğundan üretildikleri şekli ile ekonomik
değeri olan cevherlerin, ekonomik değerlerinin artırılması veya yer
kabuğundan üretildiklerinde ekonomik değer taşımayan cevherlere,
ekonomik değer kazandırılması esasına dayanmaktadır.
Üretildiklerinde ekonomik değer taşıyan cevherlere örnek olarak;
kömür, demir, bakır, kurşun, çinko, antimuan v.b. gösterilebilir. Bu tür
cevherlerin izabe öncesi zenginleştirilmesi ile nakliye giderleri, izabe
kayıpları ve izabe giderleri azalacağından, büyük ekonomik yararlar
sağlamaktadır. Üretildiklerinde ekonomik olmayan cevherlere örnek
olarak da, yer kabuğunda gr/ton seviyelerinde bulunan altın, gümüş,
uranyum gibi elementleri içeren cevherler verilebilir. Bunlar ancak
cevher hazırlama uygulamalarıyla satılabilir hale getirilebilmektedir.
Yüzey Alanı Artırma (Boyut Küçültme) İşlemleri
Bir cevher içerisinde istenen ve istenmeyenler olmak üzere birden fazla tür mineral 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. Tepkime hızını artırmak zamandan tasarruf sağlamak.
c. Cevher zenginleştirme cihazının kabul edebileceği boyutta malzeme üretmek(örneğin: flotasyon için bakır cevherini 200 µm ve altı boyuta getirmek gerekir.)
Kırma-Öğütme İşlemleri
Katı bir maddenin mekanik kuvvetler etkisiyle daha küçük parçalara bölünmesi işlemidir. 50 mm ve üzeri kaba kırma5-50 mm arası ince kırma olarak kabul edilir.
Kırma-Öğütme YöntemleriMekanik Yöntemler : Baskı, Darbe, Kesme, Çarpma kuvvetleriyleIsısal Yöntem : Isıtıp hızlı soğutma ile
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 Kırıcı
Eksantirik
Dönüş yayı
Cevher besleme
Izgara
Volan
Biyel kolu
Şekil 4. Çeneli Kırıcının Şematik Gösterimi.Sert çeneler siyah renkte gösterilmiştir
Çeneli Kırıcılar
-Çeneler arası açı yaklaşık 20°
- Hareketli çenenin ileri geri hareket aralığı 3-4 cm
-Kırma kapasitesi saatte 500 tona kadar
- Dakikada darbe adedi 60-360 arası
- Kırıcı çenelerin yüzeyleri sertleştirilmiş veya %13 Mn’lıHadfield çeliği kullanılmakta.
Konik Döner Kırıcı
Şekil 5. Döner Kırıcının Şematik Gösterimi
Uyguladığı kırma kuvveti
bakımından çeneli kırıcıya benzer.
Bu kırıcının yüzeyleri de hadfield
çeliği ile kaplanmıştır. Bu kırıcılarda
saatte 500 tona kadar cevher
kırabilir. Bu kırıcılar sert ve kırılgan
malzemelerde daha iyi netice
vermekte.
Konik Döner Kırıcı
Konik Kırıcı
Döner Kırıcı
Şekil 5. Döner Kırıcının Şematik Gösterimi
7 mm altı boyut küçültme gerektiğinde
konik kırıcılar, silindirik kırıcılar veya
çekiç kırıcılar kullanılmaktadır.
Cevherler için bunlardan en uygun
olanı konik kırıcılardır. Bu kırıcılar
döner kırıcılara çok benzerdir.
Merdaneli Kırıcı
Besleme
Şekil 7. Merdaneli Kırıcının Şematik Gösterimi.
ÇEKİÇ KIRICI
Besleme
Ürün
Şekil 8. Çekiç Kırıcının Şematik Gösterim
Öğütme (Islak)
Ürün çıkışı– 100 μm
Motor Sınıflandırıcılara
Sulu ortamda bilyeli öğütücünün şematik gösterimi
Kritik Dönme Hızı (nc) = 423/√DD: Değirmenin cm cinsinden çapırpm : dakikadaki dönme sayısı (devir) (dev/dak)
Öğütme : Malzeme boyutunu 5 mm’nin altına indirme işlemine öğütme adı verilir. Öğütme işlemleri 5-0,5 mm arasında kaba 500-50 μm arasında ince öğütme olarak ikiye ayrılır. 50-5 μm tane boyutu aralığında yapılacak öğütmeler çok ince öğütme, 5 μm altındaki öğütmeler kolloid öğütme olarak sınıflandırılır. Sulu ortamda döner değirmende öğütmede değirmen içerisindeki bilyelerin değirmenin iç çapının 2/3’si kadar yukarı çıkabilmesi ve oradan aşağı düşmesi için değirmenin dönme hızının uygun olması gerekir. Değirmenin içhacminin yarısı öğütücü ve pulp (su+cevher) ile dolduğunda değirmenin dönme hızı kritik dönme hızının %75 olduğunda öğütme olmayacaktır.
Öğütme (Kuru)
Motor
Sklona gidiş
Fandan hava girişiBesleme
Hava akımı içerisindeki öğütmenin şematik gösterimi
Cevher Hazırlama
Cevher Hazırlamanın Komple Şematik Olarak Gösterimi.
Sınıflandırma Kırılmış veya öğütülmüş cevherin sınıflandırılması elekler veya diğer sınıflandırıcılarda yapılır. Genellikle parçacık boyutu 30-40 mm’den 1 mm’ye kadar olan malzemeler eleklerle sınıflandırılırken 1 mm’nin altındaki boyutların sınıflandırılmasında su veya hava gibi akışkanlardan istifade edilen diğer sınıflandırıcılar kullanılmaktadır. Sınıflandırmanın temel maksatları şu şekilde sıralanabilir.
•Cevheri cevher zenginleştirme yöntemine uygun gelecek şekilde sınıflamak•Kırma ve öğütme devresini kontrol etmek•Endüstrinin istediği özelliklerde ürün elde etmek.
Eleme : Eleme, kırılan veya öğütülen malzemeyi tane boyutuna göre sınıflandırmak için, mekanik kuvvetler yardımıyla delik boyutu ve sayısıstandart olan bir ortamdan (elek) geçirme işlemidir. Cevher hazırlama tesislerinde eleme sabit veya hareketli sistemlerde yapılır. Sabit eleme için eğimli ızgaralar kullanılmaktadır. Ancak çoğu kere ızgaralara tıkanmaları önlemek için mekanik bir hareket verilir.
Diğer Sınıflandırıcılar
Kırma ve öğütme işlemi ile belli serbestleşme boyutuna indirgenmiş cevheri boyutlarına göre ayırmak veya bütün malzeme aynı boyutta olsa bile farklı mineralleri başta yoğunluk olmak üzere diğer özelliklerinden istifade ederek birbirinden ayırma işlemlerinde kullanılan bazı ayırıcılar bulunmaktadır. Mineralleri parçacık boyutuna veya yoğunluğuna göre sınıflamada su kullanan bazı ekipmanlar vardır
Değişik Tip Sulu Ortam Sınıflandırıcıları
Ayırma ve Ayırma Sonucu Elde Edilen ÜrünlerAyırma: Üretildiği gibi ve doğrudan doğruya tüketime elverişli cevherler, günümüzde yok denecek kadar azdır. Tüketim öncesi uygulanacak işlemler, endüstride kullanılan çeşitli tüketim teknolojilerine bağlıdır. Cevherdeki kıymetli mineralleri, birbirlerinden ve gang minerallerinden ayrı ürünler halinde elde etmeye”ayırma”denir. Her ayırma işleminde,en az iki tane olmak üzere çeşitli sayıda ürün elde etmek söz konusu olmaktadır.
Zenginleştirme: Ayırma sonucu elde edilen
konsantrelerde,kıymetli mineral oranı
cevherdekine kıyasla yüksektir.Bundan
dolayı,ayırma işlemlerine çoğu kez
“zenginleştirme” de denir.
Konsantre: Cevherde mevcut bir kıymetli mineral, ayırma hassasiyetine bağlı olarak çeşitli ürünlerde, farklı oranlarda dağılmaktadır. Bir kıymetli mineralin çoğunluğunun toplandığıürüne, o mineral veya o mineraldeki kıymetli elementin “konsantre”si denir.Örneğin. bir bakır cevherinin ayrılması sonucu, bakır minerallerinin çoğunlukta bulunduğu ürüne bakır konsantresidenir.Konsantre kelimesi, ya kıymetli element veya kıymetli mineral ismi ile kullanılır. Bakır konsantresi, kurşun konsantresi denilebildiği gibi, kalkopirit (CuFeS2) konsantresi, galen (PbS) konsantresi de denilebilmektedir. Birincide elementlerin,ikincide minerallerin isimleri yer almaktadır.
Atık: Ayırma sonucunda elde edilen ürünlerden,içerisinde gang minerallerinin çoğunlukta olduğu ürüne “atık/artık” denir. Atığı/artığı oluşturan gang mineralleri çok çeşitli olabilir. Atık/artık terimi bunların tümünü kapsamakta ve ayırma sonunda elde edilen ürünlerden ekonomik değeri olmayan ve atılanlar için kullanılmaktadır.Tane serbestleşmesi: Cevher hazırlamada kullanılan ayırma yöntemlerinin tümünde, ayrılacak parçaların birbirinden serbest halde bulunmaları (cevherin her bir tanesinin, tek bir mineralden oluşması) gerekmektedir. Cevher tanelerinin, tek bir mineralden oluşmasına “tane serbestleşmesi” denilmektedir.Birleşik Tane: Tane serbestleşmesini sağlamak için yapılan işlemler sonucunda, bazı cevher taneleri iki yada daha fazla mineral içerebilir. Bunun gibi, iki yada daha fazla mineral içeren cevher tanelerine “birleşik tane” veya “kenetli tane”denir.
Kırma ve öğütme sonunda iki veya daha fazla farklı mineral içeren malzeme minerallerin fiziksel, kimyasal v.b. özellik farklılıklarından istifade ederek birbirinden ayrılabilir.
Ayırıcılar
Yıkama ile ayırma
Mağnetik Ayırıcı 1
Elektromanyetikler
Güçlü Zayıf
MağnetikZayıf
Mağnetik olmayan
Beslemee
Mağnetik Ayırıcı 2
Mağnetik Ayırıcı 3
Mağnetik Ayırıcı 4
Pulp çıkışı
Pulp girişiMağnetik konsantre
Sıyırıcı
Döner çelik disk
Mıknatıslar
Yaş sistem Mağnetik ayırıcının şematik görünümü
Elektro Statik Ayırıcı
Elektrik iletimi olan parçacıklar
İletken olmayan parçacıklar
Besleme
Flotasyon (Yüzdürme)
Flotasyon günümüzde bakırın, çinkonun ve kurşunun sülfürlü cevherlerinde
kullanılan en yaygın cevher zenginleştirme metotlarından biridir. Bu yöntemle
yeterli parçacık boyutuna getirilmiş düşük tenörlü cevherlerden, ekonomik olarak
metal üretimi yapılabilecek tenörde konsantreler elde etmek mümkündür.
Flotasyon çok küçük boyutlardaki cevherlere tatbik edilir. Sadece atık ve kıymetli
minerali birbirinden ayırmada değil aynı zamanda farklı mineralleri de
birbirinden ayırmada kullanılabilmektedir. Mineral parçacıklarının flotasyon
ünitesinin tabanından yukarı doğru yükselmekte olan hava kabarcıklarına
tutunarak yüzüp, yüzeye çıkması mineral parçacığının ortamdaki sıvı tarafından
ıslatılabilirliği ile yakından ilişkilidir. Bu durum şekilde gösterildiği gibi temas
açısının (θ) ölçümüyle hesaplanır. Temas açısının hesabı formülize edildiğinde
Katı-Sıvı ve Gaz ara yüzey gerilimlerinden hareketle; γs-g - γs-l = γl-g x Cosθ
(Bu denklemde l = Sıvı, S = Katı ve g = Gazı göstermektedir)
Eğer γs-g > γs-l ise θ < 90° sıfıra yaklaşır. Bu durumda killer, pek çok oksitler ve hidratlar
kolaylıkla suyla ıslatılabilirler. Oysa γs-g < γs-l olduğunda θ > 90° den büyük olacak ve
180° ye doğru yaklaşacaktır. Bu durumda katı parçacık yüzeyi tam olarak ıslatılamayacak
ve kolayca yüzebilecektir. Tam ıslatmada ise θ = 0° olacaktır. Yoğunluğa bağlı olarak
flotasyon için hazırlanan minerallerin boyutu 300 µm altında olmalıdır.
Ortak flotasyon özellikleri olan ve birbirine benzer minerallerin aynı zamanda flote olarak
yalnız bir konsantre halinde toplanmasına “kollektif flotasyon”, benzer flotasyon özellikleri
olan minerallerin birbirinden ayrılması için yapılan flotasyona ise “selektif flotasyon”
denir.
Boyut küçültme ile ilgili problemlerProblem 1. Maksimum parçacık boyutu 90 cm olan bir cevherin zenginleştirme devresine beslenmesi
düşünülmektedir. Cevherin tamamının 4 cm’ye indirilmesini sağlayacak kırma devresini çiziniz
ve boyut küçültme oranlarını belirtiniz.
Konik Kırıcı (ikincil kırıcı) Kapalı Devre
B.K.O. = 18/4 = 4,5
Çeneli Kırıcı (Birincil Kırıcı)
B.K.O. = 90/18 = 5- 18 cm
Titreşimli Elek (4 cm)
- 4 cm
- 4 cm
- 90 cm
+ 18 cmIzgara
(18 cm)
- 18 cm
+ 4 cm
Problem 2. Bir bakır minerali olan kalkopiritin (CuFeS2) serbestleşme boyutu 0,2 mm ‘dir. Cevherin
ocaktan üretildiği şekliyle maksimum parçacık boyutu 75 cm’dir. Üç kademeli bir kırma
devresi ve iki kademeli bir öğütme devresi içeren boyut küçültme devresini çiziniz.
Uygulama birimlerini ve boyut küçültme oranlarını belirtiniz.
Çözüm :
PİROMETALURJİ
Pirometalurji İçinde Yeralan Uygulamalar;
kurutma
kalsinasyon
kavurma
sinter yapma
ergitme
destilasyon
konvertisaj
ateşle tasfiye
döküm v.b uygulamalar şeklinde sıralanabilir.
Pirometalurji ekstraktif metalurji dallarından biridir. Temel amacı; kıymetli
metalleri kazanmak için, cevhere bir dizi ısıl işlem uygulamak ve malzemenin bu
işlemler sonucu fiziksel ve kimyasal olarak değişime uğramasını sağlamaktır. Bu
şekilde kıymetli metallerin kazanılması hedeflenir.
KurutmaKurutma : Isıtmak suretiyle cevher, konsantre, katık maddelerin rutubetinin (kimyasal
olarak bağlı olmayan) alınmasıdır. Kurutma genellikle soğuk katı maddeleri sıcak hava
veya gazlarla temas ettirmek suretiyle yapılır ve ortamdaki su buharlaştırılarak
uçurulur.
Kurutma işleminde, sıcaklık genelde, suyun buharlaştığı 100 oC‘ nin üzerinde bir değere
ayarlanır. Yüksek sıcaklık katı malzemeye de zarar verebileceğinden, bu işlem için
belirlenen sıcaklık genelde 105 oC'dir. Bununla birlikte, bazı durumlarda ise 120 oC
üzerinde sıcaklık gerekebilir.
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.
KalsinasyonBu uygulamada cevher hava içermeyen bir ortamda yüksek bir sıcaklığa kadar
ısıtılarak kimyasal yapının parçalanması gerçekleştirilir. Genellikle karbonat
halindeki cevherler veya kimyasal yapılarında su içeren cevherler kalsine
edilirler.
Magnezit MgCO3 ---------------------> MgO + CO2
Kalker CaCO3 -----------------------> CaO + CO2
Dolomit Mg Ca (CO3)2 --------------> MgO + CaO + 2CO2
Simitsonit ZnCO3 ----------------------> ZnO +CO2
Boksit Al2O3.2H2O -------------------> Al2O3 + 2H2O
Kalsinasyon, bir bileşiğin sıcaklık tesiriyle parçalanmasıdır.
Kavurma
MSn + 1,5nO2 → MOn + nSO2. Örnek
CuS + 1,5O2 → CuO + SO2ve
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO22 PbS + 3 O2 → 2 PbO + 2 SO2
Sülfürlerin kavrulması ile açığa çıkan sülfürdioksit (SO2) büyük çoğunlukla sülfürik asit üretiminde değerlendirilmektedir.
Kavurma : Yüksek sıcaklıklarda gazlarla katıların reaksiyonlarını içeren metalurjik bir
uygulamadır. Verilebilecek en karakteristik örnek ergime olmaksızın sülfür içeren cevherlerin
okside dönüştürülmesi işlemidir. Sülfürlü metaller, kimyasal yapıları sebebiyle, ileri
rafinasyonda ve yüksek fırınlarda problem çıkartmaktadırlar. Ayrıca tepkimeye girme
süreleri uzun olduğu için enerji ve zaman giderlerini artırmaktadırlar. Ancak kavurma işlemi
ile, metal sülfürün üzerine O2 üflenmesiyle malzeme tepkimeye girer. Tepkime sonunda SO2
gazı oluşurken, metal oksitlenmiş olarak reaksiyondan çıkar. Klasik olarak bir sülfürün
kavrulmasında meydana gelecek kimyasal reaksiyonlar aşağıda verildiği şekildedir.
Metal Cevher Konsantre (%)
Mineral Teorik Konsantre Oranı (%)Fe 65 - Fe2O3 70
Cu 1 30-35 CuFeS2 35
Al 25 - Al2O3H2O 45
Zn 7-10 60-65 ZnS 67
Pb 8-15 65-75 PnS 87
Atom AğırlıklarıFe : 56 g/molZn : 65,4 g/molS : 32 g/molPb : 207,2 g/molAl : 27 g/molCu : 63,5 g/molO : 16 g/molC : 12 g/mo
Flash kavurma Fırını
Kavurmanın temel amacı
1- Sülfür yapıyı tamamen veya kısmen okside dönüştürmek
2- Cevherdeki As2O3 (Arsenic trioxide) ve Sb2O3 (Antimony trioxide) veya ZnO gibi
yapıları buharlaştırmak için kavurma
3- Belirli sülfür yapıları sülfata dönüştürmek
4- Magnetitleme kavurması, genellikle hematitin kontrollü bir şekilde magnetite
dönüştürülmesi. Böylece magnetiklik özelliğinden istifade edilerek magnetik
ayırma başarıyla tatbik edilebilecektir.
5- Ergitme öncesi metal oksitleri metale indirgeme kavurması
Gazların temizlenmesi ve SO2 eldesi
Sıcaklık kontrolüiçin su spreyi uygulaması
Kurutma veya ön Isıtma bölgeleri
Sklon
SıcakKalsine
Su spreyi
Sertleşmiş kalsine çamuru
Gerektiğinde yardımcı yakıt
Hava
Izgara
Cevher tozu borusu
Sülfür cevherinin kavrulmasının şematik gösterimi
Answerer 1
Oxides of substance are easy to purify than other ores. So for purification all the ores are first converted into it's oxide.Sulphide ores are converted into it's oxide by a process called roasting. In this process the sulphide ore is strongly heated in excess of oxygen to form it's oxides.The process of converting carbon ores into it's oxides is called calcification.This is done by heating the ore in limited supply of oxygen.Roasting is done with excess of air and calcification limited supply of air so Roasting cannot be carried on carbonate ores.
Answerer 2
Roasting is a process carried out in the presence of air. It is a part of the process of extraction of metal.Roasting is a much costlier process than calcination, the process that is used for extraction of carbonate ores in which air is not present in the reaction vessel. During roasting if done on carbonate ores, then the metal at that high temperature that is obtained in roasting, might again react with the components of air such as air. So we might end up again getting the metal oxide rather than metal.
Why is roasting carried out on sulphide ores and not on carbonate ores?
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 CuFeS2 (k) -----------------------> Cu2S (k) + 2 FeS (k) + ½ S2 (g)
Cu2S (k) + 3/2 O2 (g) -------------> Cu2O (k) + SO2 (g)
Cu2O(k) + 1/2 O2 (g) ------------> 2 CuO (k)
3 FeS (k) + 5 O2 (g) --------------> Fe3O4 (k) + 3 SO2 (g)
2 Fe3O4 (k) + 1/2 O2 (g ) --------> 3 Fe2O3 (k)
1/2 S2 (g) + O2 (g) ----------------> SO2 (g)
FeS2 (k) ------------------------------> FeS (k) + 1/2 S2 (g)
METAL OKSİTLERİN METALE İNDİRGENMESİ
Isı Kullanarak indirgemeReaktiflik serisinde çok düşük olan metallerin oksitlerinin indirgenmesinde tatbik edilir.Örnek : Civa sülfürden elde edilen civa oksit yaklaşık 300 °C’de ısıtılarak civa metali elde edilebilir
İndirgeme , Metal oksitlerin metale dönüşmesi (oksijenin ortamdan
uzaklaştırılmasıyla) indirgeme olarak adlandırılır..
Bu uygulama genellikle üç şekilde gerçekleştirilir.
1- Oksidi ısıtarak indirgeme
2- Kimyasal indirgeme
3- Elektrolitik indirgeme
2HgS + 3O2 Roasting
----------------> 2HgO + 2SO2
Mercuric sulphide (from air) Mercuricoxide
2HgO Heat---------> 2Hg + O2
(Reduction) (Mercury)
Kimyasal İndirgeme
Karbon (metalurjik kok) Kullanarak İndirgeme
Bu metot orta derecede reakatif metallerin oksitlerin indirgenmesi için kullanılır.
Metallurjik kok pahalı olmayan ve en yaygın tüketilen indirgeyicidir.
Önnek:
2 ZnO + C ----------------> 2 Zn + CO2 ↑
2PbO + C ----------------> 2 Pb + CO2 ↑
CO’le İndirgeme
Karbonmonoksitle İndirgeme
Karbonmonoksit güçlü bir indirgeyicidir. En fazla yüksek fırındaki hematitin
(Fe2O3) indirgenmesinde kullanılır.
Örnek:
Fe2O3 + 3CO ----------------> 2Fe + 3CO2 ↑
Al’ la İndirgeme
Alüminyum Kullanarak İndirgeme
Aluminyum pahalı bir indirgeyicidir. Reaktifliği yüksek metallerin
oksitlerini indirgemek için kullanılır. Fakat bu metallerin reaktiflik
serisinde aluminyumun altında olma mecburiyeti vardır.
Örnek :
Cr2O3 + 2Al ----------------> Al2O3 + 2Cr
Elektroliz’le İndirgeme
Bu uygulama reaktiflik serisinde Alüminyumun üzerinde yüksek reaktiflikteki
metallerin oksitlerini indirgemede kullanılır. Aynı zamanda alüminyumoksidin
indirgenmesi için de kullanılır.
Örnek:
2 Al2O3 ----------------> 4Al +3O2
AGLOMERASYON İŞLEMLERİ
Toz haldeki demir cevherlerini ve çeşitli cevher hazırlama yöntemleriyle zenginleştirilmiş demir cevheri konsantrelerini yüksek fırınlarda kullanılabilecek hale getirme işlemlerine genel olarak AGLOMERASYONadı verilmektedir. Aglomerasyon genellikle toz cevherlerin ve konsantrelerin boyut büyütme işlemleri olarak görülse de boyutla beraber yüksek fırına yüklenecek demir cevherlerinde aranan diğer bazıözellikleri (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 tozlar1- 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 ürün11- Geri dönen (elek altı)ince sinter toz, 12- Toz Tutucu,13- Fan,14- Baca
Sinter harmanının kalınlığı : 10-30 cmMax. Sinter sıcaklığı : 1450 °CCevher boyutu 0-10 mmKok-Kireçtaşı boyutu : 0-3 mmSinter 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 maddeler katılır ve bu maddelere katkı maddeleri denir. Bu
maddeler genellikle kireçtaşı (CaCO3), dolomit (Mg.Ca (CO3)2) ve
kuvars (SiO2) 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 (357 °C), kadmiyum (765 °C) ve çinko
(907 °C) bu metallerdendir.
Kimyasal Prensipler
Tabiatta bulunan cevherler, yüksek tenörde iken doğrudan doğruya, düşük
tenörde iken muhtelif cevher zenginleştirme metotlarından en uygun olanı
tatbik etmek suretiyle konsantre cevher haline getirildikten sonra çeşitli
kimyasal reaksiyonlar sonucu saf metallere indirgenirler.
Stokiometri : Kimyasal reaksiyonların ağırlık bakımından ilişkilerini
kapsamaktadır.
Örneğin bakır sülfür (kalkopirit : CuFeS2) mineralinin kavrulma veya
oksitlenme reaksiyonunu ele alalım.
2 CuFeS2 + 6 O2----------------> Cu2O + Fe2O3 + 4 SO2
Bir elementin atom-gram ağırlığı : o elementin avagadro sayısı (6,02x1023)
kadar gerçek atomunun bir araya gelerek oluşturduğu ağırlığıdır.
Bunlara paralel olarak 44 gram karbondioksit (CO2) gazı içerisinde
6,02x1023 tane CO2 molekülü, 32 gram oksijen gazı içerisinde
6,02x1023 adet gerçek oksijen (O2) molekülü vardır.
Bir bileşimin mol gram ağırlığı da o bileşimin molekül ağırlığı kadar
grama eşittir. Böylece demirin gram atom ağırlığı 55, 89 gram iken,
FeS2’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 Problemler 1
Problem 1. Aşağıda verilen reaksiyona göre 1000 kg kalkoprit (CuFeS2) minerali kavrulduğunda elde edilen
Cu2O, Fe2O3, ve SiO2’ in ağırlıkça miktarlarını ve gerekli hava yı m3 cinsinden hesaplayınız.
2 CuFeS2 + 6O2 = Cu2O+Fe2O3 + 4SO2
Yukarda verilen bileşimlerin elementlerinin atom ağırlıklarından hareketle mol kg ağırlıklarını hesap edersek:
CuFeS2 = 184 mol/kg
Fe2O3 = 160 mol/kg
Cu2O = 14 mol/kg
SO2 = 64 mol/kg
O2 = 32 mol/kg
1000 kg kalkopirit (CuFeS2) = 1000 / 184 = 5,43 mol eder
2mol CuFeS2’den 1 mol Cu2O elde edildiğine göre
Tepkime sonrası açığa çıkan Cu2O miktarı : 1/2x5,43 = 2,71 mol eder
Buna göre Cu2Omiktarı = 2,71x144 = 391 kg
Fe2O3 miktarı : 1/2x5,43 = 2,71 mol eder 2,71x160 = 435 kg
SO2 miktarı : 4/2x5,43 = 10,86 mol eder 10,86x64 = 695 kg
O2 miktar : 6/2x5,43 = 16,29 mol eder 16,29x32 = 521 kg
Kimyasal tepkimeye giren ve çıkanları ağırlıkça hesap edersek;
Tepkimeye girenler : 1000 kg CuFeS2 ve 521 kg O2 Toplam = 1521 kg
Tepkimeden Çıkanlar = 391 kg Cu2O + 435 kg Fe2O3 + 695 kg SO2 Toplam : 1521 kg
Gerekli hava miktarı = 1736 m3
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. Metrik
sistemde ısı miktarı birimi kalori (cal), İngiliz ölçü sisteminde British termel unit
(B.t.u) kullanılır ve bunun yaklaşık değeri 252 kaloridir.
Kalori : 1 g suyun sıcaklığını 1 °C yükseltebilen ısı değeridir.
Kilo Kalori : 1 kg suyun sıcaklığını 1 °C yükseltebilen ısı değeridir.
Btu : 1 libre suyun sıcaklığını 1 °F yükseltebilen ısı değeridir.
1 cal = 4,186 Jül
1 Btu = 1054,9 Jül
1 Btu =252 cal
Reaksiyon ısısı
C + O2 ------------> CO2 + ısıYukarıdaki 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 CO2 ile
sonuçlanmaktadır. 20 °C’de C + O2 sisteminde oksijen molekülleri ve karbon atomlarının vibrasyon
hareketlerinden doğan ve depo edilmiş bir ısı enerjisi vardır. Aynı şekilde 20 °C’de CO2 sisteminde de
CO2 moleküllerinin doğurduğu ve depo edilmiş bir ısı enerjisi vardır. CO2’in ısı enerjisi, C + O2
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 ΔH ile gösterilir. Yukarda verilen reaksiyonda dışarıya ısı verildiği
için ΔH = - (negatif değerdedir). Böylece yukarıdaki denklemi şu şekilde yazabiliriz.
C + O2 ------------> CO2 + ΔH = -97200 Cal.
Reaksiyon Isısı
2 C + 2 O2 -------------> 2CO2 ΔH = -194400 Cal.
2 C + O2 ---------------> 2 CO ΔH = -58320 Cal.
C + ½ O2 --------------> CO ΔH = -29160 Cal.
Cu2S + O2 ------------> 2 Cu + SO2 ΔH = -51980 Cal
2 Cu + SO2 ------------> Cu2S + O2 ΔH = + 51980 Cal
ΔH = - olduğu zaman, sistem dışarıya ısı vermektedir ve reaksiyon egzotermiktir.
ΔH = + 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 m3) hacme sahiptir. Normal
koşullar altında bazı gazların 22,4 litresinin ağırlıkları şu şekildedir.CO2 : 44 gramSO2 : 64Cl2 : 71O2 : 32H2 : 2He : 4Hava : 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 m3 kadardır.
Örnek Problem 2
Bir bakır konvertöründe 8000 kg CuS bulunmaktadır. Aşağıda verilen
reaksiyona göre CuS’ü bakıra indirgemek için gerekli hava miktarını hesap
ediniz.
Cu2S + O2 = 2Cu + SO2
Tepkimeye giren ve çıkanları mol kg cinsinden alırsak 32 kg kükürdü SO2
yapmak için gerekli olan oksijen miktarı 22,4 m3 tür. Toplam 8000 kg Cu2S deki
kükürt miktarı : (S/Cu2S)x8000 = (32/160)x8000 = 1600 kg dır. 1600 kg kükürt
için gerekli oksijen : (22,4/32)x1600 = 1120 m3 O2 gerekli bu oksijenin
bulunduğu hava miktarı ise : 1120/0,21 = 5333 m3
YanmaYakıtın yanmasıyla oluşan reaksiyona yanma denir. Yanma
reaksiyonları pirometaluri uygulamalarında büyük önem
taşımaktadır. Oksitlenmesi sonucu ısı veren her madde 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,
CO2 ve H2O dur. Maden kömürü, kok ve diğer katı yakıtların
kompozisyonunda daima az veya çok miktarda kül vardır.
Problem 3Bir metalurjik fırında aşağıda kimyasal kompozisyonu verilen kömür yakılmaktadır.Not: yanan kömürden arta kalan cüruf içerisinde %25 atık karbon bulunmaktadır. Kül cürufun %75’i kadardır.% 72,2 C% 5 H2%1,7 N2%7,8 O2% 0,8 S% 12,5 Külİstenenler : 1 kg kömürü yakmak için gerekli teorik hava miktarını hesap ediniz.Meydana gelen reaksiyonlarC +O2 = CO2 (1)2H2 + O2 = 2H2O (2)S + O2 = SO2 (3)Kül cürufun %75’ini oluşturduğuna göre Cürufun Miktarı : 0,125 kg/0,75 = 0,167 kgYanmayıp cürufta kalan karbon miktarı : 0,167x0,25 = 0,042 kgYanan kömür miktarı ise = 0,722-0,042 = 0,680 kg dırKarbonu yakmak için gerekli oksijen (O2) = (0,680x22,4)/12 = 1, 269 m3
Hidrojeni yakmak için gerekli oksijen (O2) = (0,05x22,4)4 = 0,28 m3
Kükürdü yakmak için gerekli oksijen (O2) = (0,08x22,4)32 =0,056 m3
Gereken Toplam Oksijen Miktarı =1,269+0,280+0,056 =1,605 m3
Kömürden gelen oksijen miktarı : (0,070x22,4)32 =0,049 m3Lüzumlu oksijen miktarı = 1,605-0,049 = 1,556 m3
Lüzumlu teorik hava miktarı =1,556/0,21 = 7,40 m3
Yakıtların Kalorifik Gücü (Isı gücü)Bir ünite (ağırlık veya hacim olarak) yakıt tamamen yakıldığında vermişolduğu 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.
ÖrneklerKarbonun kalorifik güç hesabıC + O2 ------------> CO2 ΔH = -97200 Cal.
97200 / 12 = 8100 cal/gr = (8100 kcal/kg) Karbon için bulunan kalorifik güç
Asetilenin kalorifik gücü2 C2H2 + 5O2------------> 4 CO2 + 2 H2O ΔH = - 613160 cal
Bir mol g asetilen (C2H2 )yani 0,0224 m3’ ün vermiş olduğu ısı miktarı306580 cal ısı vermekte.O halde 1 m3 asetilenin verdiği ısı miktarı 13686,6 kcal/m3 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 (CO2) 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
Pülverize kömür
Briket kömürü
Odun kömürü
Kok kömürü
Yakıtların Devamı
II. Sıvı Yakıtlar
A. Tabii
a) Ham petrol
B. Suni
Destilasyon ürünleri (benzin, motorin, fuel-oil)
Kömür katranı
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
destilasyon ürünleri olan ( kok gazı, katran, naftalin, hafif yağlar ve
amonyum sülfat gibi) yan ürünler elde edilmektedir. Üretilen kok gazında
CO, CO2, H2O, H2, N2, H2S, S ve NH3 bulunup, bu gazlar kimya
sanayiinin önemli bir hammadde kaynağını teşkil etmektedir. Kok
fırınlarının sıcaklığı 800-1000 °C aralığında olup, koklaştırma süresi
yaklaşık 18-20 saat kadardır.
Örnek Problem : 4Aşağıda kimyasal kompozisyonu verilen 1 kg kömürü tamamen yakmak için normal şartlar altında gerekli hava miktarını m3 cinsinden hesap ediniz. (I. Bölüm)Kömürün Kimyasal Kompozisyonu (%Ağırlık olarak)% 7 C% 4 H2% 1 N2% 8 O2% 12 Kül% 3 H2OMeydana gelen reaksiyonlarC +O2 = CO2 (1)2H2 + O2 = 2H2O (2)
Not : Kömürdeki kül,N2 ve H2O tepkimeye girmezken kömürde bulunan oksijenin hesap edilen gerekli oksijenden çıkarılması gerekir.
1 kg kömürde 0,72 kg karbon ve 0,04 kg hidrojen bulunmaktadır. 1 nolu denkleme göre 0.72 kg karbonu yakmak için gerekli oksijen miktarı (O2): (0.72x32)/12 = 1,92 kg2 nolu denkleme göre 0.04 kg hidrojeni yakmak için gerekli oksijen miktarı (O2): (0.04x32)/4 = 0,32 kgToplam oksijen miktarı (O2) = (1,92+0,32)- 0,32 = 2,16 kg
Gerekli oksijenin ağırlıkça içerisinde bulunduğu hava miktarı = 2,16/0,232 = 9,31 kg Önce gerekli oksijen miktarını m3 cinsinden ifade edelim = (2,16x22,4)/32 =1,51 m3
Daha sonra gerekli oksijenin hacimce içerisinde bulunduğu hava miktarı : 1,51/0,21 = 7,20 m3
Problem 4’ün devamı
Aynı soru için açığa çıkan atık gazın miktarını ve kompozisyonunu % olarak belirleyelim. (II
bölüm)
1 Nolu deklemden (C+O2 = CO2 ) hareketle açığa çıkan CO2 miktarı : (0,72x44)/12 = 2,64 kg
2 Nolu dekleme göre (2H2+O2 = 2H2O) . (0,04x36)/4 = 0,36 kg
Kömürden gelen H2O miktarı =0,03 kg
Toplam H2O miktarı = 0,36+0,03 = 0,39 kg
Hava ağırlıkça %76,8 N2 içerir. Tüketilen havadan (9,31 kg) = 9,31x0,768 = 7,15 kg N2 açığa
çıkar.
Kömürden gelen N2 miktarı = 0,01 kg Toplam N2 miktarı = 7,15+0,01 = 7,16 kg
Hacimsel olarak (m3) CO2 = (2,64x22,4)/44 = 1,34 m3 /7,57 = 0,177
H2O = (0,39x22,4)/18 = 0,49 m3 / 7,57 = 0,065
N2 = (7,16x22,4)/28 = 5,74 m3 /7,57 = 0,758
Toplam atık gaz miktarı = 1,34 m3 +0,49 m3+5,74 m3 = 7,57 m3
Pülverize Kömür
Pülverize Kömür : Adından da anlaşılacağı üzere, maden
kömürünün pudra inceliğinde öğütülmesiyle elde edilen kömüre
Pülverize kömür denmektedir. Yakılmak istendiğinde basınçlı hava
ile fırının yanma bölgesine püskürtülmekte ve orada gaz özelliğinde
yanabilmektedir. Pülverize kömür esas olarak iki maksat için
tüketilmektedir.
- İri kömüre nazaran daha mükemmel ve tam olarak yanmaktadır.
-Kömür ocaklarından çıkan kömürün toz halde olanları ve düşük
kalite kömürler bu şekilde değerlendirilmektedir.
Pülverize kömürün avantajları ve dezavantajları
Avantajları
•Uzun alevle yanmaktadır.
•Yüksek yanma randımanına sahiptir
•Düşük kalite ve toz haldeki kömürler değerlendirilebilmektedir.
Dezavantajları
•Hava ve Pülverize kömür tozu karışımı patlayıcıdır.
•Uzun müddet depolanamaz.
•Genellikle kül yüzdesi fazladır bu nedenle şarjın üzerini izole
edebilir.
Doğal Gaz
En iyi gaz yakıt olup, gaz yakıtlar içinde en yüksek kalorifik güce
sahiptirler (6,200-10,700 kcal /m3 ). Genel olarak metan (CH4), etan
(C2H6) ve az miktarda H2, CO, CO2, N2, ve H2O ihtiva etmektedir. A.B.D’
lerinin Ohio eyaletinde çıkarılan doğal gazın kimyasal analiz sonuçları %
olarak şu şekildedir
H2 : 1,89
CH4 : 92,84
CO : 0,2
C2H6 : 0,35
N2 : 3,82
CO2 : 0,75
Üretim Metalurjisinde Yakıtların Seçimi
Fiyatı
Temini
Yakıtın Bahis Konusu İşleme Uygunluğu
Yakıtın Temizliği
Metalurjik uygulamalar için yakıt seçilirken şu faktörler göz önünde tutulur.
Fiyat : Yakıt seçiminde en önemli faktör yakıtın fiyatıdır. Uygulama için kullanılabilecek birden fazla yakıt mevcut ise fiyatı en uygun olan tercih edilmelidir.
Temini : Özellikle demir çelik üretiminde metalurjik kok kömürü kullanılmakta ve genellikle demir çelik tesisleri bu kömür yataklarına yakın yerlere kurulmaktadır.
Yakıtın Bahis Konusu İşleme Uygunluğu : Örneğin yüksek fırınlarda yakıt olarak kok kullanılmaktadır. Oysa reverber fırınlarında uzun alevli pülverize kömür, akar yakıt veya gaz yakıtlar kullanılmaktadır.
Yakıtın Temizliği : Yakıt mümkünse kül, kükürt ve fosfor ihtiva etmemelidir. Yakıtta kül bulunması, yakıtın içindeki yanıcı element ve bileşimlerin yüzdelerini azaltacağı için sonuç olarak onun kalorifik gücünü düşürmektedir. Bir çok hallerde yakıt külü, fırın şarjının bir kısmını teşkil ettiği için ergitilen cevher veya konsantre içindeki gang mineraller gibi kül elementlerine gerekli katık maddesinin de dikkate alınması gerekir. Kok içindeki kükürt ve fosfor, demir cevherinin ergitilmesinde zararlı elementler olarak tanımlanır.
REFRAKTERLERYüksek sıcaklıklara, korozif eriyiklere, içinde toz bulunan fırın
gazlarının akışına dayanıklı her çeşit fırın yapmaya elverişli
malzemeye ‘’refrakter malzeme’’ denir. Üretim metalurjisinde
Kurutma Kavurma, Kalsinasyon, Ergitme ve benzeri
uygulamalarda kullanılan fırınların özellikle iç kısımları uygun
refrakter malzemelerle kaplanmıştır.
Refrakter malzemeler genel olarak iki temel maksat için
kullanılır
Isıl izolasyon : (0rtam ısısını olması gereken yerde tutmaya ve diğer
yapıların bu yüksek ısıdan korumaya yönelik
Isıl iletkenlik : Isıl iletkenliğinin yüksek olması istenen yerler (ergitme
potaları, veya muf fırınlarında kullanılan muf elemanları
(çinko üretiminde kullanılan)
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
Genel olarak cüruflar metal ile karışmazlar ve ekonomik bir değer taşımazlar.
Demir çelik tesislerindeki yüksek fırın cürufları portland çimentosu üretiminde
kullanılmaktadır. Demir dışı metal üretiminde elde edilen cüruflar genellikle
değerlendirilemeden atılırlar.
İyi bir cürufta aranan özellikler
Düşük ergime sıcaklığı
Yoğunluğunun düşük olması
Düşük viskozitede olmalı (viskozite : akışkanlığa karşı gösterilen direnç)
Örnek Problem 5.
Verilenler
CaSiO3 kompozisyonundaki cürufun ergime sıcaklığı =1540 °C
Cürufun teşekkül sıcaklığı : 1600 °C
Cürufun ergime ısısı : 100 kcal/kg
Cürufun özgül ısısı : 0-1540 °C aralığında = 0,220 kcal/kg
Ergiyik haldeki cürufun özgül ısısı : 0,40 kcal/kg
İstenenler
a) 1650 °C’de 100 kg cürufun fırın dışına taşıdığı ısı miktarını hesaplayınız.
100 kg cürufu 0-1540 °C aralığında ısıtmak için gerekli olan ısı miktarı : 1540x0,220x100
=33900 kcal
100 kg cürufu 1540 °C’de katı halden sıvı hale geçirmek için ısı miktarı : 100x100 = 10000 kcal
100 kg ergiyik halde ve 1540 °C’deki cürufun 1650 °C’ye yükselebilmesi için gerekli ısı miktarı =
(1650-1540 °C)x0,40x100 = 4400 kg
Toplam gerekli ısı miktarı : 33900+10000+4400 = 48300 kcal
b) 100 kg ve 1650 °C’de sıvı haldeki cüruf ile fırın dışına atılan 48300 kcal ısı miktarını % 100
yanma
ile sağlayabilecek gerekli kok miktarını hesaplayınız.
HİDROMETALURJİ
Hidrometalurji : Sulu ortamlarda yapılan işlemlerle, cevher, konsantre, kalsine v.b.
maddelerin çözülüp metallerin sonradan ayrılması diye tarif edilebilir. Hidrometalurji
işlem kademeleri çoğu zaman cevher zenginleştirme işlem kademelerini (kırma, öğütme,
sınıflandırma, filtrasyon) içermektedir.
Hidrometalurji bir bakıma laboratuarlarda kullanılan sulu üretim metotlarının
endüstriyel ölçekte tatbikidir. Uygun sulu solüsyonlar kullanılmak suretiyle mineral
içindeki metal çözünmekte ve metal içermeyen gang mineralleri 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 İşlem 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, arıtma 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.
LİÇKullanılacak çözücü solüsyonun ucuz, herzaman kolaylıkla temin edilebilen ve mevcut
metal bileşimleri hızla çözebilen bir özellikte olması gerekmektedir. Kullanılan belli
başlı çözücüler Su, sülfirik asit (H2SO4), hidro klorik asit (HCl), sodyum hidroksit
(NaOH), amonyak (NH3) bileşimleri, sodyum siyanür (NaCN), ferritik klorür (FeCl) ve
ferritik sülfattır (FeSO4).
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
Mineral Adı Bileşimi % teorik Cu
Bakırın Çözünmesi
Azurit 2CuCO3.Cu(OH)2
55,3 Asitte kolayca çözünün
Malakit CuCO3.Cu(OH)2 57,6 Asitte kolayca çözününKrisokol CuSiO3.2H2O 36,1 Asitte kolayca çözününTenorit CuO 79,7 Asitte kolayca çözününKuprit Cu2O 88,8 Ferrik Sülfat ve Asitte ÇözünürDioptaz CuSiO3.H2O 57,9 Asitte çözünür (Klorür asit)Brokantit CuSO4.3Cu(OH)
2
56,2 Asitte ÇözünürMetalik Bakır
Cu - Asit, Amonyak, Ferrik demir solüsyonunda çözünür
Kalkosin Cu2S 79,8 Asit ve Ferrik demir sülfat solüsyonundaKovellin CuS 66,4 Asit ve Ferrik demir sülfat solüsyonundaBornit Cu4FeS4 63,3 Asit ve Ferrik demir sülfat solüsyonundaKalkopirit CuFeS2 34,6 Asit ve Ferrik demir sülfat solüsyonunda
Bakırın Liç YapılmasıAşağıda muhtelif bakır minerallerinin sülfirik asit, ferik sülfat ile sülfirik asit içerisinde çözünme reaksiyonları gösterilmektedir.
Mineral Adı Meş cinsinden boyut aralığı
Solüsyon Çözünme miktarıve süresi
Sıcaklık (°C)
Azurit -100/+200150 μm/75 μm
%1-5 H2SO4 %100-1 saat Oda sıcaklığı
Malakit -100/+200 %1-5 H2SO4 %100-1 saat Oda sıcaklığıTenorit -100/+200 %1 H2SO4 %98 -1Saat Oda sıcaklığıKuprit -10/+28 H2SO4+Fe2(SO
4)3
%99-3 gün Oda sıcaklığı
Kovellin -100/+200 H2SO4+Fe2(SO
4)3
%35-11 gün 35 °C
--- --- --- --- ---
Cevherin parçacık boyutu : Yukarda verilen örneklemelerde de görüldüğü gibi liç öncesi cevher
parçacık boyutun belli bir değerin altına düşürülmesi gerekmektedir. Cevherin parçacık boyu
küçüldükçe liç süresi azalacaktır.
Solüsyonun bileşimi ve konsantrasyonu : Solüsyonun cinsi ve konsantrasyonu pek çok faktöre
bağlı olarak belirlenir. Bakır minerallerinin liç yapılmasında kullanılan asit konsantrasyonu
genellikle % 10’un altındadır.
Temas zamanı : Temas zamanı cevherin tane büyüklüğü ile doğru orantılı olarak değişmektedir.
Sıcaklık : Ferrik demir sülfatlı asit solüsyonlarının bakır sülfürleri çözmeleri, sıcaklık artışıyla artış
gösterir. Solüsyonun 20 °C den 35 °C’ye yükseltilmesiyle bakırın liç yoluyla solüsyona alınması
%40-50’lerden %75’lere kadar yükselmektedir.
Muhtelif saf bakır minerallerinin çözünme şartları
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.
In this process,he impure slab of the metals is made the anode
pure thin sheet of metal is made the cathode
salt solution of the metal is used as the electrolyte.
Electrolytic refining methodThe process of electrolysis is used to obtain very highly purified metals. It is very
widely used to obtain refined copper, zinc, tin, lead, chromium, nickel, silver
and gold metals.On passing current, pure metal from the electrolyte is deposited on the
cathode.
The impure metal dissolves from the anode and goes into the electrolyte. The
impurities collect as the anode mud below the anode.
Electrolytic Refining