Pirometalurji

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.

Temel pirometalurjik işlemler:

1. Kurutma
2. Kalsinasyon
3. Kavurma
4. İzabe
5. Rafinasyon

Kurutma işlemi, malzeme üzerinde bulunan nemi (kimyasal olarak bağlı olmayan) uzaklaştırmak için uygulanır. Genelde nemli katılar, fosil yakıtların yanması sonucu ortaya çıkan sıcak gazlarla kurutulur. Bir kurutma işleminde gereken ısı miktarı, katı malzeme üzerindeki nemi buharlaştırmak için gereken ısıya eşittir.

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.

Endüstride kurutma işlemleri için kullanılan birçok farklı ekipman vardır. Bunlardan bazıları: Döner kurutucular, akışkan yataklı kurutucular ve flaş kurutucular'dır. Bunun dışında kullanılan sprey kurutucularda ise, malzeme önce içinde çözünmeyeceği bir sıvı ile karıştırılır. Sıvı ile karıştırılan malzeme, özel enjektörlerle ısıtılmış bir odaya püskürtülür. Burada sıvılar buharlaşırken, katı alttan alınır. Ancak bu tür kurutucularda kullanılacak malzeme için belirlenmiş olan tane boyut aralıkları vardır. Bu sebeple kullanılacak malzeme önce klasifikatörlerle sınıflandırılabilir.

Kalsinasyonun uygulanma amacı, malzemeye kimyasal olarak bağlı suyu uzaklaştırmaktır. Malzemenin yüksek sıcaklıklardaki fırınlarda indirgenmesi şeklinde yapılır. Bu amaçla kullanılan ekipmanlar: Döner fırınlar ve akışkan yataklı reaktörlerdir.

Kavurma işleminde, katı malzeme sıcaklık etkisiyle belli kimyasal değişimlere uğrar. Kavurma işlemi sırasında, metal temel olarak oksitlenir.

Kavurma işleminin en tipik uygulaması sülfürlü metallerde görülebilir. 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. Bu işlem sırasında, metaldeki tüm sülfür oksitlenirse, bu olaya “Tam kavurma (dead roasting)” adı verilir. Bazı durumlarda ise, kavurma işlemi ön hazırlık olarak tercih edilir ve metaldeki tüm sülfürün oksitlenmesi istenmez. Bu tür kavurmaya da “Kısmi kavurma” adı verilir. Bunun dışında ikiden fazla metalin ortamda olduğu durumlarda, bir metal oksitlenirken diğeri sülfat formuna dönüşür. Buna da “Selektif kavurma” denir.

İzabe aşaması, en az bir metalin sıvı faza geçtiği aşama olarak tanımlanabilir. Ancak bu aşamada metal sadece ergitilmez. Bununla birlikte belli kimyasal reaksiyonlara girer. Bu reaksiyonu gerçekleştirmek için gereken ısı genelde kömür ve türevlerinden elde edilir. Metal oksit içindeki oksijen ise indirgeyici bir madde ile indirgenerek, CO₂ formunda metalden uzaklaştırılır.

Diğer malzemelerde ise ortama genelde curuf yapıcılar eklenerek, oksitli cevherin ergimesi kolaylaştırılır. Curuf yapıcı malzeme reaksiyona girerek safsızlıkları, malzemeden uzaklaştırılır.

Ergitme işlemi genelde metalin ergime sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta gerçekleşse de, tüm işlemin hangi sıcaklıkta yapılacağını etkileyen birçok değişken vardır.

Son aşama olan rafinasyon ise, metal içinde kalan son safsızlıkları uzaklaştırmak için uygulanır. Ancak rafinasyon aşamasında gerçekleşen ve birden fazla farklı fırın kullanılan birçok işlem bulunmaktadır.

Pirometalurjik işlemler sonucu oluşan SO₂, CO₂ gibi gazlar, hava kirliliği gibi çevre sorunlarına yol açmaktadır. Bazı işletmelerde ortaya çıkan bu gazlar değerlendirilse de (örneğin, bazı işletmelerde SO₂'nin toplanarak sülfürik asit üretilmesi, gibi), pirometalurjik işlemlerin çevreye zarar verdiği bir gerçektir. Özellikle 20. yüzyılın başlarında, pirometalurjik işlemlerin kontrolü yok denecek kadar azdı. Bunun en büyük örneği Queenstown, Tazmanya'da görülmüştür. Kavurma işlemi sonucunda ortaya çıkan atık gazlar çevredeki tüm bitkileri öldürmüş ve toprak üst katmanının erozyonuna sebep olmuştur. Sonuç olarak, bölgedeki toprak yapısı tamamen değişmiştir. İşletmeden atmosfere karışan baca gazı ise, bölgede yaşayan insanlar için çok büyük sağlık sorunlarına yol açmıştır. Bu duman sadece kömür külü değil, aynı zamanda arsenik, kadmiyum, kurşun, çinko gibi ağır metaller de içerebilmektedir.

Ancak son yıllarda uygulanmaya başlayan kurallar ve denetimler sayesinde, atmosfere salınan bu ağır metaller çok büyük ölçüde azaltılmıştır. Ayrıca baca gazı emisyonuna belli standartlar getirilmiştir. Bu tür kontroller ve önlemler, işletmeler için kısa vadede çok pahalı gibi görünse de, atmosfere vermek yerine geri kazandıkları metalleri ve gazları işlemeleri sonucu, uzun vadede hem kendileri hem de çevre için faydalı olmaktadır.