Metalurji

[aksakal]

GIRIS

Metalurji; metallerin cevher ve diger kaynaklardan (hurda vs.) kazanilmasi, rafinasyou (saflastirilmasi ) ve alasimlandirma, sekil verme ve isil islemlerle metal endüstrisinin kullanimina uygun özellikler kazandirarak bu özelliklerin çesitli testlerle incelenmesi konularini kapsayan bir bilim ve teknoloji dalidir .Bu tanima göre metalurjinin bir kimyasal bir de fiziksel yani vardir.
Kimyasal Yönü; Metallerin çesitli yöntemle kazanilmasi, rafinasyonu ve alasimlandirilmasi
Fiziksel Yönü; Endüstrinin hizmetine sunulacak metallerin iç yapilarinin incelenmesi, çesitli etkilere karsi davranislarinin incelenmesi ve bazi fiziksel ve termik islemlerle metallere iyi özellikler kazandirilmasi

ÖRNEK: Dogada genellikle Fe2O3 ve Fe3O4 bilesikleri seklinde bulunan demir mineralleri gangdan ayrildiktan sonra kok ve curuf yapici maddelerle yüksek firina sarj edilir. Karmasik ve büyük bir donanima tipik bir örnek olan böyle bir tesiste, günde yaklasik 1000 ton demir üretimi için 3000 tonun üzerinde cevher ve yardimci malzeme ergitilmekte ve koklastirma, sicak hava, rafinasyon, döküm ve nakliye gibi islemler için ayri bir sehir görünümünde alan isgal edilmektedir. Burada üretilen demir daha sonra uygulanan rafinasyon ve alasimlandirma islemlerinden sonra dahi, nihai kullanim için uygun özellige getirilebilmis degildir; uygun parça haline dökülmesi veya haddelenmesi ve isil islem gibi yapiyi islah edici islemlere de ihtiyaç göstermektedir.

Metalurjinin Tanimi, Tarihçesi ve Siniflandirilmasi

Bir çok metal atomunun ancak çok azi yeryüzünde serbest halde bulunmaktadir, geri kalani ise oksijen, kükürt, arsenik, silis ve karbon gibi metalik olmayan elementler ile birlesik durumdadir. BU birlesikler de ayrica kayaç ve kil gibi kütleler içerisinde yer almaktadir. Söz konusu metallerin kazaniminda ilk adim bu bilesikleri birlikte bulundugu kayaç ve kil gibi yabani maddelerden ayirmaktir. Teknolojik gelismeler, daha az yakit kullanimi, daha az çevre kirliligi ve daha fazla verim elde edilmesi için hizla yol almaktadir. Günümüzden 50 yil önce bakir, çinko ve kursun için % 5-6, demir ve mangan için % 48-50 isletilebilir cevher tenörlerinin bugün bakir için % 0.5, kursun için %0.7, çinko için % 2.7, mangan için % 25 ve Fe için % 30 seviyelerine kadar inmis olmasi bu teknolojik gelismelerin sonucudur.
Cevherlerden metal elde edilmesi için yapilan islemler sunlardir;
Konsantrasyon: Metal içeren minerallerin gang minerallerinden mümkün oldugu oranda ayrilmasi ve yüksek tenörlü ayri bir ürün olarak toplanmasidir. Bu islem basit bir ufalama-eleme islemiyle mümkün oldugu gibi, farkli minerallerin farkli özelliklerinde yararlanilarak da yapilabilir. Bu islem basamagi “Cevher Hazirlama” bilim dalinin konulari içinde yer almaktadir. Bu asamada genelde metal minerallerinin kimyasal yapisi ayni kalmaktadir.
Metal Ekstraksiyonu (Metal Üretimi) : Konsantrasyon islemini takip eden bu adimda; sicakligin hakim oldugu “piro” yöntemler ile ya da sulu ortamlarin hakim oldugu “hidro” yöntemler ile yapilir.

Pirometalurji-Piro Yöntemler: Kalsinasyon ve Kavurma gibi erime derecesinin altindaki islemleri; Sivilastirma gibi yalnizca istenilen metalin sivi hale getirilip, geri kalaninin kati halde birakilmasini; Tam Ergitme gibi metal ve gang minerallerinin tümünün eritilerek curuf yapicilar yardimiyla sivi fazlara ayirma gibi islemleri; Distilasyon gibi yalnizca ilgi duyulan metalin gazlastirilip daha sonra yogunlastirilmasi islemlerini kapsar.

Hidrometalurji-Hidro-Yöntemler: Cevherdeki metalin sulu bir ortamda çözeltildikten (Liç) sonra bu çözeltiden kimyasal veya elektrolitik olarak çökelmesi gibi kademeleri kapsar. Piro veya Hidro yöntemlerle yapilan ekstraksiyonlari rafinasyon islemi takip eder.
Rafinasyon: Piro veya hidro yöntemlerle kazanilan metal fazi içindeki empüritelerin miktarinin düsürülüp belli seviyede tutulmasi islemidir. Bu ise piro veya elektrometalurjik yöntemler ile yapilir.

Pirometalurjik Rafinasyon: Safsizliklarin oksidasyonu ve ardindan istenen metalin çok dikkatli bir sekilde de-oksidasyonu temin edilerek yapilir.

Elektrometalurjik Rafinasyon: Pirometalurjik rafinasyon ile elde edilen safliktan daha fazla bir saflik derecesi isteniyorsa elektroliz veya vakum teknigi kullanilir. Elektroliz içeren bu yönteme de elektrometalurjik rafinasyon adi verilir.

Metalurjinin Tarihi Gelisimi:

Insanligin metaller ile ilk temasi en eski çaglara kadar gider. Metallerin insanlik tarihinde oynadiklari rol ve istifade imkanlari, metaller hakkindaki bilgilenme ile dogrudan ilgilidir. Bugün bile bir toplumun dünyadaki ekonomik ve endüstriyel yeri kullanilan metal miktariyla belirtilmektedir. Artan nüfus ve toplumlar arsinda ortaya çikan hastaliklar, savaslar ve hakim olma duygusu arastirmalari tesvik etmis ve yeni buluslar ortaya konmustur.
Insanoglu önce taslari kullanmaya baslamis ve bir gün bilesik teskil etmeyen ve tabi vaziyetiyle dikkati çeken altin, bakir ve gümüsü fark etmistir; Gevrek tas aletler yerine bunlarin dövülerek sekillendirilebilir oldugunu görmüstür. Ilk defa dövülmüs bakirin kullanilmasinin MÖ 4500 yillarina rastladigi ve ancak bundan 2000 yil sonra cevherlerden bakirin üretilebildigi sanilmaktadir. Altin, gümüs ve bakirin arkasindan demirin kullanildigi, ancak digerlerine kiyasla kesfedildigi yerde sir olarak tutuldugu dikkati çekmektedir. Çünkü demir, daha önce bakirli kalay cevherlerinin birlikte ergitilmesi ile elde edilen bronzdan (tunç) daha serttir ve silah yapimi için üstün özelliklere sahiptir. Ayrica demirin redüklenmesi bakira göre daha zor oldugu için ilk kesfedildiginde, önceleri ancak “sünger demir” seklinde kismen redüklenmis olan ve beraberinde redüklenmemis oksit ve silikatli empüriteleri ihtiva eden bir bilesik elde edilebilmekte idi. Bu madde belli bir sicaklikta dövüldügünde yalnizca bu empüriteler ergiyor ve geriye ham demir kaliyordu. Bugün ki dökme demirlerin degisik yöntemler ile çok önceleri üretilmis olmasina ragmen, yüksek karbonlu alasimlarinin yapilmasi ve sonra da bunlarin karbonundan temizlenmesi, yani bugün ki ÇELIK özelliginin elde edilmesi ancak son 200 yilda basarilabilmistir; Bunda 18.yy’in sonlarinda odun yerine kömürün kullanilmaya baslanmasi ve 19.yy’in ortalarinda BESSEMER PROSESI ile ilk defa sivi ham demirden çelik üretilmesinin payi büyüktür. Bundan sonra demir-çelik konusundaki gelismeler bas döndürücü bir hizla ilerlemistir.
Metallerin kesif ve üretimi bakir, tunç, pirinç ve demir sirasina göre olsa da, bu sira dünyanin her yerinde ayni degildir. Bazi yerlerde demir devrinin basa geçtigi görülür. Bu konuda gerçek olan bölge halkinin söz konusu metaller ile olan ilk temasinin tamamen tesadüfi olmasi ve bölge özelligine bagli bulunmasidir. Civanin kesfi bakir kadar eskilere dayanmakta ve Romalilar bunu altinin “amalgamasyon” teknigi ile kazanilmasinda kullanmaktaydilar. Saf çinkonun son yüzyila kadar kesfedilmemis olmasina ragmen yine Romalilar tarafindan bakir cevherleri ile birlikte karisik olarak izabe edilmesi sonucunda pirinç alasimi seklinde kullanildigi bilinmektedir. Alüminyum üretimi ancak 1886 yilindan itibaren, magnezyum ise 20.yy’in ortalarindan itibaren mümkün hale gelmistir. II. Dünya harbi yillari ise uranyum, berilyum, niobyum, titanyum ve zirkonyum gibi stratejik metallerin kesfedildigi devredir.

[aksakal]

Anadolu’da metal üretimi çok eski tarihlere dayanmaktadir. Bakirin MÖ 7000 yillarinda üretildigi (Çin ve Avrupa’da bakirin en eski tarihi MÖ 4000) ve mevcut eski curuf yiginlarindan Anadolu’nun bakirin eski dünyaya yayilisinin çikis noktasi olarak kabul edilebilecegi anlasilmaktadir. Yine Anadolu’da MÖ 3000 yillarinda simli-kursun cevherlerinden gümüs ve kursunun ilk önce Trabzon civarinda üretildigi, hatta o tarihlerde üretilen gümüsün bir kisminin Misir altinlari ile degistirildigi bilinmektedir. Halen isletilmekte olan Ergani bakir yataklari MÖ 2000 yillarinda Asurlular, Küre bakir madeninin eski Yunanlilar ve Romalilar, Bolkar dagi kursun-gümüs madeninin ise MÖ 2500-3000 yillarinda Hititler tarafindan isletildigi de ayrica bilinmektedir.
Yukarida da isaret edildigi gibi, Mezopotamyalilar, Misirlilar, Yunanlilar ve Romalilar Cu, Au, Fe, Pb, Hg, Ag ve Sn’i ilk defa kullanan kavimlerdir. Bu yedi metalin ilk tarihi metaller olmasina önemli nedenler vardir.
Bu metallerin bazisi nabit durumda bulunabilmektedir (Au, Ag, Cu, Fe (Meteorit) ve Hg gibi)
Özellikle Cu, Fe, Sn ve Pb 800 °C veya daha düsük sicaklikta kolaylikla redüklenebilmektedir. (Tablo 1.1). Bu sicakliklar ise karbon cinsi yakitlar ile kolaylikla saglanabilmektedir.
Bu metallerin bazilarinin ergime sicakliklari düsüktür (Örnegin, Pb ve Sn gibi); Civa ise oda sicakliginda bile sividir ve bu durum kolay üretimin bir nedenidir.

Tablo 1.1. Metaller ve Ergime Sicakliklari.
METAL   ERGIME SICAKLIGI(°C)   MINIMUM IZABE SICAKLIGI(°C)   
Bakir   1083   400   
Demir   1540   800   
Kursun   327   800   
Kalay   232   600   

Ayrica metal içerisinde bulunan empüritelerin ergime sicakligini düsürmesi de (örnegin %4 Cu içeren demir 1540 °C yerine 1100 °C de erimektedir) kolay redüklemede bir etkendir.
Redükleyici olarak önceleri ormanlardan elde edilen odun kömürü kullanilirken, teknoloji gelistikçe firin ve yakit kullaniminda da degisiklikler ortaya çikmistir. Ilk kullanilan firinlara degisen tabakalar halinde cevher ve odun kömürü doldurulduktan sonra ateslenmekte ve atesi 3-4 gün devam ettirilmekteydi. Cevherden metal tesekkül edip firinin altindaki egimli kisimdan akmaya basladigi zaman ates kisilmakta ve metal 800-1500 gramlik yumrular halinde elde edilmekteydi.
Metallerin bilesiklerinden serbest hale gelmesinde geçerli bir kural; kömürün yanmasi ile olusan redükleyici gazlarin metale bagli oksijeni alip onu serbest birakmasidir;

Fe2O3(k)+3CO(g) 2Fe(k)+3CO2

Eskiden beri büyük ölçüde üretilen diger dört metal (altin, bakir, kursun ve kalay) için de benzer denklemler geçerlidir. Halbuki, yerkabugunda çok miktarda bulundugu halde alüminyumun kömürden çikan gazlar ile redüklenmesi oldukça zordur ve endüstriyel ölçekte üretimin çok gecikmis olmasi bu nedene dayanir. Bir metal oksidin kömürle kolay ve zor redüklenebilirligi genellikle bu bilesigin ayrisma isisindan (?H) anlasilabilir.
Ayrisma Isisi: Bir mol bilesigin ayrismasi sirasinda verilmesi gereken veya alinan isi miktaridir.

Demir oksit için ayrisma isisi:

Fe2O3 2Fe+3/2O2 , ?H=+198.500 cal.

denklemi geregince her 159.7 gram demiroksit için 198.5 Kcal olmalidir. Pozitif degerin anlami sisteme isi verilmesi gerektigidir. Bir metal oksitin metale redüklenmesi için gerekli enerji (isi), esas itibariyle minerale bagli her bir oksijen atomunun;

CO+1/2O2 CO2 , deltaH=-68 000 cal.

reaksiyonuna göre karbon monoksit ile birlesmesinden temin edilir. Dolayisiyla bir oksitin redüklenmesindeki güçlük, bu oksitin ayrisma isisinin, formulündeki oksijen atomu sayisina bölünmesi ile elde edilen deger ile orantilidir. Örnegin; Fe2O3’de oksijen atomu basina ayrisma isisi 198 500/3=66 200 kaloridir. Tablo 1.2’de altindan kalaya kadar bazi metallerin izafi redükleme isilari (Oksijen basina) karbonmonoksit reaksiyonu ile ortaya çikan isidan (68 000 cal) az veya ona esittir. Bu nedenle söz konusu metaller, odun kömürü yardimi ile binlerce yil önce bilesiklerinden redüklenebilmislerdir. Ancak bunlardan bazilarinin ergime sicakliklarinin yüksek olmasi (Mo ve W gibi), bazilarinin ise yer kabugunda düsük oranda bulunmalari (Sb,Co,Ni) taninmalarini geciktirmistir.

Tablo 1.2.Bazi Önemli Metal Oksitlerin Metale Redüklenmesinde Güçlük Sirasi

OKSIT   deltaH/OKSIJEN ATOMU (CAL.)   OKSIT   deltaH/OKSIJEN ATOMU (CAL.)   
Au2O3   -3700   Fe3O4   +66500   
Ag2O2   +7000   SnO2   +69000   
HgO   +21700   ZnO   +83500   
CuO   +38500   Cr2O3   +91000   
PbO   +52500   MnO   +96500   
Sb2O3   +55300   SiO2   +100500   
CoO   +57600   TiO2   +109000   
NiO   +57800   Al2O3   +126600   
MoO3   +57800   BeO   +135000   
WO3   +65200   MgO   +146000   
Fe2O3   +66200   CaO   +151600   
FeO   +66200   
      
Yine ayni tablodan görüldügü gibi, kalayin ötesindeki metallerin karbonmonoksit ile redüklenmeleri gittikçe daha fazla güçlesmektedir. Ancak bunlar için, modern teknoloji çaginda asagida sayilan etkin redüksiyon teknikleri gelistirilmistir.
Redüklenecek metalin oksidini ihtiva eden bir ergiyik-tuz elektrolizi
Izafi redüklenme isilari alüminyum oksidinkinden daha küçük olan metal oksitlerin toz alüminyum metali ile reaksiyona sokularak redüklenmesi
Elektrik firini gibi bir isi ortami kullanmak sureti ile bir redükleyici vasita (karbon, hidrojen,ferro-silisyum, kalsiyum karbür vs.) ile redükleme. Çinko, krom ve magnezyum bu yol ile üretilen metallerdendir.
Buraya kadar, metal üretimindeki tarihi gelismelerle ilgili kisa bilgiler verilmistir. Asagida, her çaga damgasini vuran, özellikle bakir, altin, demir, civa, gümüs ve kalay üretimlerindeki bazi tarihi gerçeklere ve ilaveten metal üretiminde verim, kapasite ve ekonomiyi önemli ölçüde etkileyen kok ve hidrojen kullanilmasi, hidro ve elektrometalurjinin uygulamaya sokulmasi ile ilgili konulara kisaca deginilecektir.

Bakir

Lucas’a göre metalik bakir Misirlilar tarafindan kesfedilmistir. Mavi ve gri renkteki bakir mineralleri (Azurite ve Malachite) ve bakir sülfür cevherlerinin de çok eskiden bilindigi ve bu devirlerde önce bunlarin bir kavurma islemi ile oksitlendigi, daha sonra da odun kömürü ile metale redüklendigi bilinmektedir. Bu islemin, odun kömürü ile kapatilan cevhere hava üflenmek

[aksakal]

suretiyle sülfürlerin bir kisminin önce bakir oksite ve bu bakir oksitin de sülfürlerle metale redükleme seklinde cereyan ettigi sanilmaktadir.

2CuO+CuS 3Cu+SO2

Altin

Bu konuda eski haritalar MÖ 1350 yillarinda Misir’da bir altin madeni oldugunu göstermektedir. Altin parçalar daha çok Misir mezarlarinda bulunmustur. Bu parçalar yaklasik % 10 civarinda gümüs içermektedirler. Nubia’daki altin madeninin daha çok eski Misirlilar tarafindan isletildigi bilinir. Altin cevherlerindeki altinin kazanilma islemi gayet basit bir islemdir. Alüvyonlu cevherler durumunda bir su akintisinda yikama sonunda su hafif kisimlari uzaklastirmakta ve geride daha agir altin parçaciklari kalmaktadir. Altinin kuvars esasli kayaçlar içerisinde bulunmasi durumunda ise kayaç parçalari önce çekiçler ile kirilmakta, ögütülmekte ve ögütülmüs kisimlar egik bir tabla üzerinde yikanmaktadir. Bu konuda bazi madenlerde çok eski zamanlardan kalma tas malzemeden ögütücüler ve tas tablalara rastlanmistir. Yine bu tarihlerde civanin bulundugu ve amalgamasyon teknigi ile altinin kazanilmasinda kullanildigi bilinmektedir.

Demir

Eski devirlerden kalan demir parçalarinin arastirilmasi ile demirlerin meteorit esasli olup olmadigi kolayca anlasilabilen numuneler üzerinde incelemeler yapilmistir. Meteorit demir parçalari her zaman % 6-8 Ni içerirler. Dolayisiyla meteorit olmayan kalintilardan demirin ilk önceleri dövme demir seklinde üretilip kullanildigi anlasilmaktadir. Bu tür demir, insanlar tarafindan çekiçlenmek suretiyle silah ve malzeme yapiminda kullanilmaktadir. Demir cevherinin odun kömürü ile redüklenmesi sonucu elde edilen ürün, süngerimsi bir yapida idi ve cüruf içermekteydi. Bu ürün yeniden isitilip bu sicaklikta çekiçlenmek suretiyle cürufu akitilmakta ve sonra da istenilen aletin sekline getirilmekte idi.

Kursun

Galen (PbS) metalik görünüsü nedeniyle hemen dikkati çekmistir. Ilk zamanlarda Misirlilar tarafindan, daha çok bir göz boyasi olarak kullanilmistir.
Metalik kursunun cevherlerinden kazanilmasi eski devirlerde uygulanan bir çok metalurjik islemin en basitidir. Bu islemde cevher egimli bir zemine yerlestirilen yakitin üzerine yigilmakta ve kavrulmaktadir.

PbS+3/2O2 PbO+SO2
PbO+C Pb+CO2
ve tesekkül eden metalik kursun, yiginin tabanindan, sizinti seklinde alinmakta idi.

Civa

Civanin eski Çinliler ve Hintliler tarafindan bilindigi ve Misir mezarlarindaki kanitlardan bunun tarihinin MÖ 1500-1600 oldugu zannedilmektedir. Dioscorides, civanin cinnabar türü cevherinden kazanilmasi konusunda, Pliny ise civanin kösele arasinda sikilmak suretiyle rafinasyonu ve zehirleme konularinda genis bilgi vermislerdir.

Gümüs

Eski tarihlerde islenen gümüsün en büyük kaynaginin Arjantin demir-kursun cevherleri olduguna inanilmaktadir. BU cevherlerde bulunan gümüs, “Küpelasyon” yolu ile kazanilmistir. Bu maksatla kursun ve diger metaller oksitlendirilip siyrilmak suretiyle alinirken asil metaller olan altin ve gümüs bu islemlerden etkilenmemektedir. Kursun, daha sonra yeniden ergitme islemleri sonunda kazanilmaktadir.
Eski devirlerde altindaki gümüsün ayirt edilmesi üzerinde de durulmustur. Ergitilen alasim, suya akitilmak suretiyle granüle edilmekte ve sonra da bilinen tuz ve kil ile karistirildiktan sonra odun kömürü ile kizil isiya kadar isitilmakta idi. Isitma esnasinda gümüs AgCl bilesimine dönüsmekte ve kil tarafindan absorbe edilmektedir. Altin ise bu islemler sirasinda etkilenmeden kalmaktadir.

Kalay

Tek basina veya bronz (Cu-Sn) seklinde kalayin eskiden beri kullanildigi bilinmektedir. Kalayin tarihi oldukça karanliktir ve kullanildigi ilk tarihler pek bilinmemektedir. Büyük ihtimalle, kalay tek basina ayirt edilmezden önce bronz bünyesinde kullanilmistir. Bu ise kalay minerallerinin de birlikte bulundugu veya karistirilarak bakir cevherleri ile birlikte izabesiyle mümkündür. Kalay ve bakir cevherlerinin degisik özellikleri nedeni ile bunun hangi sartlarda yan yana getirilmis olmasindan çok tek basina bakirin sahip oldugu özelligin bu suretle iyilestirilmis olmasi önemlidir. En önemli kalay cevherinin kasiderit oldugu ve bazi klasik yazarlarin bu cevherin kaynaginin veya kalay adalarinin büyük ihtimalle Sicilya oldugunda birlestigi bilinmektedir.

METALURJIDE BAZI ÖNEMLI KESIFLER
Kok’un Izabede Kullanilmaya Baslanmasi

Eski izabe proseslerinde ormanlardan üretilen odun kömürü kullanilmistir. Daha sonralari yeraltindan çikarilan kömür devreye girmistir; ancak hemen arkasindan bu tür kömür bünyesinde var olan bazi bilesenlerin metalurjik prosesler için zararli oldugu görülmüstür. Bununla birlikte kömür gazi patlamalari yaninda (Davy Lambasi 1886 yilinda kullanilmaya baslanmistir) havalandirma ve drenaj gibi madencilik problemleri de odun fiyatlarinin artisina neden olmustur. Bir çok problem 1709 yilinda ilk kefa kömürün kok kömürüne dönüstürülmesi sayesinde çözülmüstür. Kok kömürü bilindigi gibi en az uçucu bilesene sahip özelliktedir. Diger taraftan kömür üzerinde yapilan bu basit islem demir endüstrisini önemli ölçüde etkilemistir. Örnegin dayanikli ve gözenekli özellige sahip olan kok kirilip ufalanmaksizin yanmasi sayesinde, daha büyük firinlarin insa edilmesini ve dolayisiyla birim zamanda daha fazla metal üretimini mümkün hale getirmistir.

Hidrojenin Kesfi ve Redükleme Isleminde Kullanilmasi

Hidrojenin ilk olarak 1783 yilinda Berzelius Wöhler ve Bergman tarafindan, oksitlerinden metalik tungstenin kazanilmasinda kullanilmasi izabe alaninda bir gelisme basamagini olusturmustur. Bilindigi üzere, hidrojenin kesfi 1766 yilinda Cavendish tarafindan yapilmistir; bu tarihlerde ise tungsten Elhujar kardesler tarafindan, WO3’in karbonla redüksiyonu sonucu kazanilmakta idi. Hidrojen, sicak karbondan daha güçlü redükleme özelligine sahip olsa da bugün daha çok oksitlerinden alkali metallerin redüklenmesinde, sulu çözeltilerdeki örnegin Cu, Co ve Ni ‘in toz ve metalik olarak çözeltilmesinde ve alüminyum ile magnezyumun ayirt edilmesinde kullanilmaktadir.

Alüminyumun Oksitinden Kazanilmasi

Alüminyum kesfinden sonra, oksitinin tüm bozunma ile ilgili yöntemlere çok kuvvetli bir direnci oldugunun farkina varildi. Davy basarisizlikla sonuçlanan bir 1.000-plaka pili denedi. Drested ise 1825 yilinda alüminyum oksiti karbon ile karistirdi ve klorun gücü ile onu klorür bilesigine çevirdei ve sonra susuz klorürü potasyum amalgam ile reaksiyona soktu; üçüncü bir kademe ile de civanin distilasyonu vasitasiyla çok az miktarda alüminyum elde etti. Wöhler 1827’de ayni deneyleri tekrarladi, ancak potasyum amalgami yerine sodyumunkini kullandi ve daha iyi bir alüminyum ürünü elde etti. Ayni tarihlerde Peligot, 1941’lerde ilk defa UCl4 ‘ü potasyum ile redükleyerek metalik uranyumu elde etti. Wöhler bu metodu kendi isine adapte etti; potasyum amalgami yerine direkt potasyumu kullandi ve alüminyum partiküllerini elde etti; ancak problem

[aksakal]

bu partiküllerin birbirleri ile birlesmemesi idi. St.Claire Deville potasyum yerine metalik sodyumu kullandi. Böylece alüminyum partiküllerinin birbiriyle brlesme sorunu çözüldü. BU son çalisma sirasinda bir reaksiyon ürünü olarak sodyum klorür olustu ve bir flux (curuf yapici) seklinde davranis gösterdi ve partiküllerin yüzeyinde bir film seklinde Al2O3’i çözdü. Bu metot daha sonralari klorürler ve florürler gibi diger bilesiklere de uygulandi. Bu yoldan Zr, Ti, Ce, Th, Be, B, Si, Ta ve Y gibi metaller bilesiklerinden ayirt edildi. Alüminyumun kolaylikla üretiminin saglanmasindan sonra bu metal oksitlerine daha zayif bagli ancak diger yöntemlere daha dirençli metallerin oksitlerinden redüklenmesinde kullanilmaya baslandi.

Çeligin Yasi

1850 yilinda Ingiltere’de Henry Bessemer, Amerika’da William Kelly çelik yapiminda hava basinçli prosesi kesfettiklerinde bu durum metalurjide gelismenin nedeni oldu. Silis cinsi firin içi kaplamanin kullanilmasi nedeni ile, o siralarda pik demirden fosforun temizlenmesi mümkün olmuyordu. Bu durum 1878’de Thomas ve Gilchrist’in magnezyum bilesimli kaplamayi kullanmaya kadar devam etti. Ancak bundan sonra proses her türlü cevhere uygun hale gelmis oldu. Ayni Bessemer Prosesi 1886 yilinda bakir matinin bakira dönüstürülmesinde de uygulamaya sokuldu. Bessemerden kisa bir müddet sonra pnömatik konverterler kesfedildi;o siralarda çelik yapiminda bir diger proseste ise Siemens tarafindan kesfedilen açik-ocak tipi firinlar uygulanmakta idi. 1868’lerde açik-ocak tipi çelik üretimi Ingiltere’de basarili bir sekilde gelistirildi ve bugüne kadar bu proses her yerde dünya çelik üretiminin yaklasik % 80’ini karsilayacak oranda uygulandi.
Çeligin büyük hacimlerde üretimini mümkün kilan bu proseslerden önce demirin tek kullanilan cinsi dövme demir idi. Dövme demir pik’in yeniden ergitilmesi ve sürekli karistirma yolu ile yeni yüzeyleri hava ile temasa geçirmek ve bu suret ile empüriteleri okside etmek seklinde elde edilmekte idi. Tüm empüritelerin temizlenmesinin ardindan metal hamur, macun haline dönüsmesi ve ergime noktasinin yükselmis olmasindan dolayi bu haliyle çalismayi çok güçlestiriyordu. Sicaklik daha sonra yükseltiliyor ve macun seklindeki demir her biri 3.5-4.5 kg’lik toplar haline getiriliyordu. Daha sonra bu toplar aliniyor ve bünyede kalmis curufun ayirt edilmesi maksadiyla bir çekiçleme islemine gönderiliyor ve çubuk sekline getiriliyordu. “Puddling” olarak bilinen ve dövme demirin curufunun temizlenmesi ile ilgili olan bu proses; çok yavas, yorucu ve verimsiz idi. Bu nedenlerden dolayi Bessemer’den önce çelik pahali bir alasim idi.

Hidrometalurjinin Baslamasi

1887 yili modern hidrtometalurjinin baslangici sayilir. Bayer’in boksit cevherlerinin liçi, Mc Artur’un ve Forrests’in ise siyanürizasyon prosesleri ile ilgili olan patentleri almalari bu tarihlere rastlar. Bayer prosesi ile boksit cevherlerinden alüminyum, siyanürizasyon prosesi ile altin cevherlerinden altinin çözeltiye alinmasi bugün bile kesfedildikleri yillarda yapildigi seklinden çok farkli degildir. Hatta Bayer prosesinin otoklavda basinçli liç uygulamasina, siyanürizasyon prosesinin ise metalurjideki tikiner ve vakum tipi filtrelerin devreye sokulmasina neden oldugu sanilmaktadir.

Elektrometalurjinin Baslamasi

1831 yilinda Faraday’in manyetik bir alanda hareket ettirilen telde elektrik akimi meydana geldigini kesfetmesine ragmen, dinamonun kesfi için 40 yil daha beklenmistir. BU kesiften önce elektrik kaynagi olarak yalnizca primer pil hücreleri kullaniliyordu. Bu tür pil hücrelerinin ilk defa 1869 yilinda Swansea yakinlarinda bakirin elektrolitik rafinasyonunda kullanildigi görülür. Dinamonun kesfinden sonra elektrigin metalurjik proseslerde kullanilmasi asagidaki sirayi takip etmistir;
Metalik sodyumun kazanilmasi için demir katot ve nikel anotlu bir hücrede eriyik NaOH’un elektrolizi (1866 Castner Prosesi). Daha ucuz olan sodyumun, klorürlerinden alüminyum redüklenmesinde kullanilmasi (St.Claire-Deville Prosesi) ile alüminyum fiyatlari o tarihlerde 20 kat düsmüstür.
1886 yilinda Fransa’da Heroult ve Amerika’da Hall, kryolit içinde Al2O3 çözündürülmüs bir ergiyik banyodan elektroliz yolu ile alüminyumun öretilmesi konusunda patent almislardir. Bu proses 1887 yilinda endüstriyel boyutlarda uygulamaya sokulmustur. Alüminyumun ticari seviyede ve ucuz olarak üretimini takiben, yukarida da isaret edildigi gibi, asagidaki reaksiyon geregi diger metal oksitlerin redüklenmesinde de kullanilabildigi bilinmektedir;

3MeO+2Al Al2O3+3Me

1894 yilinda Goldschmidt yukaridaki prosesi Cr ve Mn’in üretiminde kullanmistir.
Elektrigin ucuz üretilmesi halinde metalurjik firinlarin isitilmasinda ve elektrolitik rafinasyon islemlerinde genis bir kullanim ve avantaja sahip oldugu da ayrica bilinmektedir.

METALURJININ SINIFLANDIRILMASI

Metalurji, konulari itibariyle iki ana grupta incelenebilir.

ÜRETIM METALURJISI(Ekstraktif-Üretim-Kimyasal Metalurji)
FIZIKSEL METALURJI (Malzeme veya Kullanma Metalurjisi)

1.Üretim Metalurjisi

Dogada var olan cevher veya artiklardaki metallerin, fiziksel ve kimyasal yöntemler yardimiyla kazanilmalari ve yeterli safliga getirilme islemlerini kapsar. Baslama materyali, ham cevher olabildigi gibi zenginlestirme yolu ile elde edilen ve istenilen metalce zengin konsantre de olabilir. Bundan baska eski izabe ve konsantrasyon artiklari, baca tozlari ve çesitli ara ürünler de olabilir. Uygulanan yöntem ve donanima bagli olarak tanelerin irilestirilmesi veya ufalanmasi gerekebilir. Irilestirme islemleri çesitli aglomerasyon yöntemleri ile (peletleme, biriketleme ve sinterleme), ufalama islemi ise kirma ve ögütme ile saglanir.
Mineraller, metallerin diger elementlerle olan kimyasal bilesikleridir. Üretilebilmeleri için gerek yan kayaçlarindan ve gerekse bu elementlerden ayrilmalari gerekir. Iste; cevherlerden metallerin üretilebilmeleri için gelistirilen fiziksel ve kimyasal temelli islemler, üretim metalurjisinin konularini olustururlar.
Üretim yönteminde rol oynayan faktörler ise;
Cevherin Mineral Yapisi,
Tenörü
Üretilmesi Planlanan Metalin Saflik Derecesidir.
Bu faktörlerin isigi altinda üretim metalurjisi;
Pirometalurji,
hidrometalurji,
elektrometalurji olarak üçe ayrilir.

1.1.Pirometalurji:

Kalsinasyon ve Kavurma gibi malzemenin ergime derecesinin altindaki islemleri; Tam ergime gibi metal ve gang bilesiklerinin tümünün ergime suretiyle, ilave edilen curuf yapicilarla ayri sivi fazlarda toplanmasini; Distilasyon gibi yalnizca söz konusu metalin buharlastirilip daha sonra

[aksakal]

yogunlastirilmasi gibi islemleri içine alir. Pirometalurjik islemlerin bir kismi asil ekstraksiyon kademesine uygun bir kimyasal bilesige dönüstürmek için de yapilmaktadir. Metalurjik ön hazirlama basligi içerisinde yer alan bu islemlerin bir kismi (kavurma, sinterleme ve kalsinasyon gibi) kuru kimyasal yöntemler olarak da anilmaktadir. (Isiya dayanikli firinlar gerekir.)

1.2.Hidrometalurji

Çogunlukla “yas kimyasal yöntemler ile ilgili bir üretim dalidir. Metalik malzeme; önce asidik, bazik veya nötr karakterli sulu bir ortamda çözeltilmekte ve daha sonra degisik kimyasal, termodinamik ve elektrolitik yöntemlerle çözeltiye geçen metal kazanilmaktadir. Hidro islem kademeleri çogunlukla bazi cevher zenginlestirme kademelerini de (ögütme, siniflandirma, kivamlandirma (tikner), filtrasyon) içine alir. Sulu çözücü ortamda malzeme içerisindeki metalik mineral bozunarak metal iyon halinde sulu çözeltiye geçmekte, metal içermeyen kisim ise ya kismen çözünerek çözeltiye geçmekte veya tamamen kati artik içerisinde kalmaktadir. Bu kisim metal kazanma kademesinden önce kati-sivi ayrimi ile ayirt edilir. Metallerin bu sekilde uygun çözücüler vasitasiyla çözeltiye alinmasi islemine Liç denir. Tüm bu islemler için sulu ortam korozyonuna dayanikli ekipman gerekir.

1.3.Elektrometalurji

Bu yöntem piro ve hidro metalurji sahalarinin her ikisinde de uygulanan bir yöntemdir. Bu sahada elektrik enerjisinin kullanimi esastir. Elektrik enerjisinin pirometalurjide, isi vermek amaciyla kullanimi elektrotermik; hidrometalurjide kullanimi ise elektroliz seklinde olmaktadir.
Pirometalurjik uygulamalar daha çok yüksek sicakliklara dayanikli firinlari, hidro uygulamalar ise sulu ortam korozyonuna dayanikli ekipmani gerektirir. Elektrometalurjik donanimlarda aranan özellikler ise bu uygulamanin piro veya hidro sahada uygulanmasina göre degisir.

2.Fiziksel Metalurji

Üretim metalurjisi yöntemleri ile üretilmis metal ve alasimlarin kullanima uygun son özellik ve sekle getirilmesi için gerekli olan alasimlandirma, sekil verme, isil islem yapi ve özelliklerin kontrolü ve malzemenin dis etkenlere karsi korunmasi gibi konularla ugrasir. Konulari daha çok fizik ve mekanik bilgilere dayanir, bu nedenle de çogu defa “Malzeme Bilimi” olarak anilmaktadir. Fiziksel metalurjinin alt dallarina “Toz Metalurjisi” “Mühendislik Metalurjisi” ve “Mekanik Metalurji” gibi dallarinda ilave edildigi görülmektedir. Tablo 1. 3.’te her iki metalurji bilim alanina ait baslica ana konular bir arada verilmistir.

Tablo 1 3 Metalurji Bilim Alanina Ait Baslica Çalisma Konulari

Üretim Metalurjisi         Fiziksel Metalurji   
Pirometalurji  1. Kurutma 2. Kavurma 3. Kalsinasyon 4. Sinterleme 5. Ergitme 6. Destilasyon 7. Kati Halde Redüksiyon   •Hidrometalurji  1. Çözeltme  2. Çözelti Temizleme ve konsantrasyonu 3. Çözeltiden Kazanma    •Elektrometalurji 1. Elektrotermik  2. Elektroliz   1. Alasim yapma 2. Sekil verme 3. Mekanik isleme 4. Isil islem  5. Metalografi 6. Malzeme testi 7. Korozyon ve korozyondan koruma   
Döküm, isil islem, sekil verme, korozyon ve kaplama gibi fiziksel metalurji tatbikatlarini takiben malzemenin kazandigi yüzey ve iç yapi özelliklerinin tespiti ve incelenmesi için çok çesitli yöntemler gelistirilmistir. Metalografik yöntem; çesitli oranlarda alüminyum ve silisyum içeren alasimlarin mikro-yapilari iç yapidaki degisik fazlari net olarak görmemizi saglayan bir yöntemdir. Radyografi tekniginde ise genellikle malzeme bünyesinde çesitli imalat hatalari (bosluklar, çatlaklar vs.) malzeme tahrip edilmeksizin radyasyon kullanilarak çekilen fotograflar ile tesbit edilmektedir.
Döküm; ergimis metal veya alasimlarin arzu edilen sekil ve büyüklükteki kaliplar içine dökülüp sogutulmasidir. Isil islem; döküm ve sekil degistirmeler sonunda iç yapida meydana gelen gerilmelerin yok edilmesi, mukavemet, sertlik, elastisite gibi kalici özelliklerin kazandirilmasi için kati metal ve alasimlarin belirli sicakliklarda (ergime sicakliginin altinda) istilip özel ortamlarda sogutulmalarini kapsar. Sekil verme; daha çok haddeleme, dövme, tel çekme, presleme gibi mekanik sekillendirmeler için kullanilan terimdir. Özellikle “plastik sekil verme” diye de isimlendirilebilen bu tür islemler sonunda malzeme özellikleri, döküm yoluyla elde edilenden daha üstündür. Ekstrüzyon yani haddeleme yolu ile çubuk ve alüminyum tüp imali, delme ve çekme yolu ile dikissiz boru imali islemleri yapilmaktadir.
Bu bilim alaninda kendi içinde gruplama yapmak gerekirse fiziksel metalurjinin daha çok metallerin fiziksel özellikleri, kristal yapilari, empürite etkileri, alasimlar, isil islem ve metalografik incelemeleri içine aldigi; toz metalurjisinin son ürüne varana kadar metal tozlarinin hazirlanmasi ve islenmesi; mühendislik metalurjisinin ergimis durumdaki metallere ait islemler (döküm, kaynak vb.); mekanik metalurjinin ise daha çok kati durumdaki metal islemleri (çekme, dövme ve haddeleme vb.) gibi konular ile ugrastigi söylenebilir. Korozyon ile ilgili bilim dali ise iyonize olmus sivinin (elektrolit) metalik malzeme ile reaksiyon yapmasi gibi konularla ugrasir.
Dogada durayli olan metal bilesiklerden oksitler, hidroksitler, karbonatlar, sülfatlar vs. bu tarzda meydana gelirler. Belli basli asindirici maddeler ise ; asitler, alkaliler, rutubetli hava, tatli veya tuzlu su, endüstriyel su ve atiklardir. Endüstriyel olarak malzemeyi korozyondan korumak iki sekilde mümkündür;
Sözkonusu sartlarda korozyona daha dayanikli metaller kullanmak (platin, altin, gümüs, krom, bakir, nikel,kursun)
Kolaylikla korozyona ugrayacak metali yüzeyini elektrogalvaniz yöntemlerinden faydalanarak korozyona daha dayanikli malzeme ile kaplamak.
(devam edecek...)

[alper7490]

biraz geç bi cvp olacak ama metalürji hakkında bilinmeis gereken herşey var burda paylaşım için teş dostum))

[ozguryolcu]

+ rep benden aksakal a güzel paylaşım