

Osnovi metalurgije_____________________________________________________

Srednja stručna škola

Spasoje Raspopović

P o d g o r i c a

Osnovi metalurgije

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Podgorica

2006

1. Pojam metala i metalurgije

U prirodi postoje 92 elementa od kojih oko 80 ubrajamo u metale jer imaju brojne

zajedničke osobine koje ih razlikuju od ostalih elemenata.

Metali

se odlikuju svojom

strukturom, oni su dobri provodnici toplote i električne struje, plastični su, imaju "metalni"
sjaj, osim žive čvrsti su na sobnoj temperaturi, imaju srazmjerno visoku temperaturu



Osnovi metalurgije_____________________________________________________

ključanja, nalaze se na lijevoj strani periodnog sistema elemenata, specifična masa im je
sa malim izuzetkom velika...

Metalurgija

je nauka o metalima i postupcima pomoću kojih se metali dobijaju iz

ruda i drugih sirovina u kojima su sadržani. Metalurgija obuhvata i rafinaciju, proizvodnju
legura, uobličavanje, oplemenjivanje kao i proučavanje strukture, sastava i osobine metala.
Metalurgija koristi znanja stečena u razvoju hemije, fizike, fizičke hemije, termodinamike i
drugih naučnih disciplina.

Iz praktičnih razloga, radi lakšeg proučavanja, metalurgija se dijeli na više područja,

na primjer:

ekstraktivna metalurgija

, i

prerađivačka metalurgija

Ekstraktivna metalurgija

obuhvata dobijanje (ekstrakciju, izdvajanje) metala i

legura iz ruda i drugih sirovina u kojima su oni sadržani. U eksraktivnoj metalurgiji dobijaju
se poluproizvodi koje tek daljom preradom treba prevesti u konačne proizvode.
Prerađivačka metalurgija obuhvata preradu metala i legura u predmete koji mogu
neposredno da se koriste.

U ekstraktivnoj metalurgiji primjenjuju se:

pirometalurški postupci

koji se izvode na višim i visokim temperaturama,

hidrometalurški postupci

koji se odnose na ekstrakciju metala gdje se najmanje

jedna faza izvodi u vodenim rastvorima, i

elektrometalurški postupci

koji se odnose na ekstrakciju metala pod dejstvom

električne struje.

Osnovni cilj primjene ovih postupaka jeste da se iz date sirovine koje sadrži metale

na najpogodniji način dobije poluproizvod metala ili legura takvih osobina da se može dalje
prerađivati u gotovi proizvod.

prerađivačkoj metalurgiji

razlikuju se sledeći postupci prerade metala i legura:

livenje

, tj. postupak oblikovanja matala i legura ulivanjem tečnog metala u kalup u

kome oni u procesu hlađenja očvršćuju i poprimaju oblik kalupa,

plastična deformacija

, tj. postupak deformacije kojim se metal ili legura konačno

oblikuju djelovanjem spoljnih sila, i

sinterovanj

e, tj. postupak omekšavanja i sljepljivanja zrna praha pri zagrijavanju

bez topljenja (prelaska u tečnu fazu).

Prerađivačka metalurgija obuhvata i
-

termičku obradu

proizvoda, tj. oplemenjivanje metala ili legura normalizacijom,

kaljenjem u cilju poboljšanja mehaničkih i eksploatacionih osobina metala i
legura.

Drugi način podjele metalurgije jeste:
-

crna metalurgija

, i

obojena metalurgija

Crnu metalurgiju čine željezo i njegove mnogobrojne legure. Na drugoj strani se nalaze
obojeni metali, njih oko 79. Mada je brojčani odnos 1:79, gvožđe i čelik čine osnovu za
život čovjeka i dalji progres, i njihova proizvodnja od oko 700 miliona tona godišnje , čini
oko 94% od ukupne proizvodnje metala.

Crna ili metalurgija gvožđa i čelika

dijeli se na:

metalurgiju gvožđa, i

metalurgiju čelika.

Obojena metalurgija

(metalurgija neželjeznih metala) dijeli se na:

metalurgiju teških obojenih metala (bakar, olovo, cink, nikal ...),

metalurgiju lakih obojenih metala (aluminijum, magnezijum...),

metalurgiju rijetkih metala (molibden, volfran...),



Osnovi metalurgije_____________________________________________________

srednje drobljenje, smanjuje veličinu komada od 350 – 100 mm na 100 – 40
mm, i

sitno drobljenje, smanjuje veličinu komada od 100 – 40 mm na 30 – 5 mm.

Drobljenje se izvodi u uređajima za drobljenje, nazvane drobilice gdje razlikujemo nekoliko
tipova:

čeljusne drobilice,

konusne drobilice,

valjkaste drobiiice, i

čekićar drobilice i dezintegratori (udarne drobilice).

Mljevenje

je operacija pri čemu se veličina zrna rude smanjuje od ispod

50 mm na veličine

koje su manje od 1 mm. I mljevenje se izvodi u nekoliko stupnjeva, slično kao i drobljenje,
jer to doprinosi ekonomičnijem radu.

Prosijavanje

, sitovna klasifikacija, je operacija razdiobe rastresitih materijala na klase

krupnoće putem prosijavanja kroz jedno ili više sita. Oni komadi (čestice) čiji je prečnik veći
od   prečnika   otvora   sita   pri   prosijavanju   ostaju   na   situ,   a   komadi   sa   manjim   prečnikom
prolaze   kroz   otvore   sita,   propadaju.   Materijal   koji   dolazi   na   sito   nazivamo   ulaznim
materijalom; materijal koji zaostaje na situ nazivamo gornjim ili nadrešetnim produktom, a
onaj dio materijala koji prolazi kroz sito donjim ili podrešetnim. Podrešetni produkt svakog
sita predstavlja ulazni materijal za naredni stupanj sijanja. Mašine i uredjaji koje služe za
prosijavanje nazivamo sitima.

Klasifikacija

je operacija razdiobe ruda i drugih rastresitih materijala na produkte različite

krupnoće.   U   nekim   slučajevima   se   u   ovu   svrhu   koriste   sita,   rešeta,   mreže   ili   šipkaste
rešetke. Drugi pristup je klasifikacija u tečnoj ili gasovitoj sredini a postupci se zbog toga
nazivaju   hidraulični   (kada   je   sredina   voda)     ili   pneumatski   (kada   je   sredina   vazduh),   a
uredjaji se nazivaju opštim imenom klasifikatori. Rad klasifikatora se zasniva na različitim
brzinama   padanja   krupnih   i   sitnih   čestica   materijala   suspendovanih   u   nepokretnoj   ili
pokretnoj sredini.

Koncentracija minerala

Jedan od najčešće primjenjenih postupaka za koncentraciju minerala jeste postupak

flotiranja

Flotacija

predstavlja proces razdiobe sitno samljevenih mineralnih čestica. Primenjuje se

za   koncentrisanje   raznovrsnih   minerala.   U   toku   procesa   izdvajaju   se   korisni   minerali   od
pratećih jalovih minerala i dobija se jedan ili više koncentrata i jalovina. U najvećem broju
slučajeva koncentrati zahtevaju dalju preradu.
Razdvajanje   korisnih   minerala   od   jalovih   se   pri   flotiranju   odvija   u   vodi,   tj.   u   pulp  i  koja
predstavlja mješavinu  čvrstih  čestica  suspendovanih u  vodi. Pulpa se  uvodi u  uredjaje  u
kojima se izvodi flotiranje, nazvane flotacione ćelije, gde se sa vazduhom miješa. U ćeliju se
dodaju   razni   reagensi:   pjenušači   -   koji   omogućuju   da   se   vazduhom   obrazuje   "pjena"   od
rudnih   minerala,   zatim   kolektori   -   koji   obezbjeđuju   da   se   čestice   rudnih   minerala   lakše
pričvrste   među   sobom   na   gasne   mehuriće,   i   najzad,   deprimatori   -   koji   onemogućuju
izdvajanje jalovih minerala sa pjenom. Koncentrat se izdvaja u obliku

pjene

na vrhu ćelije,

a jalovi minerali padaju na dno.

Gravitacijska koncentracija

– zajedno sa ručnim odabiranjem minerala spada u najstarije

metode   za   koncentraciju   minerala.   Gravitacijski   procesi   koncentracije   minerala   koriste
kombinovane   efekte:   mase,   zapremine,   gustine   i   oblika   čestica   da   bi   se   dobile   različite
putanje   u   statičkoj   ili   dinamičkoj   sredini.   U   svim   slučajevima   gravitacijske   koncentracije
čvrste čestice se najčešće pomjeraju u vazduhu ili vodi.

2.2. Metalurška priprema rude

Sušenje ruda i koncentrata

Mnogi metalurški procesi zahtijevaju polazne sirovine (rude i koncentrate) bez vlage. Vlažna
sirovina može da prouzrokuje tehničke teškoće (dolazi do ljepljivosti, nepovoljno utiče na
raspored toplote i sl.) a zatim to dovodi do relativno velikog utroška goriva. Da bi se ovo
izbjeglo ruda i koncentrati se radije predhodno suše pomoću nekog jeftinijeg goriva izvan



Osnovi metalurgije_____________________________________________________

metalurškog agregata, uz predpostavku da je takav postupak i ekonomski opravdan. Ovo
je posebno važno kada je ruda izuzetno vlažna (15-20% vlage).
Sušenje je najstariji i najjednostavniji metod termičke pripreme

ruda.

Sušenje ruda i koncentrata se odvija uz odstranjivanje

higroskopne vode

, koja isparava

na 373 K i koja je fizički vezana u porama i šupljinama zrna rude.

Hidratna voda

, tj. voda

koja je hemijski vezana u kristalima različitih jedinjenja, oslobadja se tek na 570-1050 K.
Proces sušenja se izvodi u sušarama različitog tipa, kao što su: rotacione, centrifugalne
sušare. Rotacione sušare, slične po konstrukciji kao i rotacione peći za prženje, mogu da
imaju dužinu preko 15 m i prečnik preko 2.5 m. Kapacitet rotacionih sušara od 15 m dužine
ima proizvodnost od 800 - 1200 t rude/dan.

Prženje ruda i koncentrata

Prženje   ruda  i   koncentrata  ima   raznovrsne  ciljeve:  da  se   odstrani  hidratna  voda,  sagore
sagorljive materije, izvrši termička disocijacija karbonata (proces nazivamo kalcinirajućim
prženjem);  da   se  odstrani  sadržaj  sumpora  ili  da  se  njegov  sadržaj  smanji  (oksidirajuće
prženje); da se prevede u oblik koji može dalje da se koncentriše jednostavnijim metodama
(redukujuće, magnetizirajuće prženje); da se metal iz minerala prevede u oblik koji će moći
dalje jednostavnije hidrometalurški da se preradjuje (hlorirajuće, sulfatizirajuće prženje);
da se sitna zrna rude i koncentrata prevedu u veće komade (aglomerirajuće prženje). Iako
raznovrsni, ciljevi procesa prženja ruda i koncentrata imaju zajedničke neke osobenosti:
- prženje se vrši na temperaturama koje su ispod temperature topljenja ruda i koncentrata,

- svi uređaji za prženje posjeduju u svom sastavu i uređaje za odvajanje prašine iz izlaznih
gasova.

a. Oksidirajuće prženje.

Cilj oksidirajućeg prženja kod sulfidnih ruda i koncentrata

jeste odstranjivanje sumpora i prevodjenje metala u odgovarajući oksid:

2MeS + 30

= 2MeO + 2S0

Ukoliko je afinitet metala veći prema sumporu nego prema kiseoniku, primjer bakra,
oksidirajućim prženjem se vrši samo djelimična

desulfurizacija rude ili koncentrata:

2CuS + 0

= Cu

S + SO

Oksidirajuće prženje sulfida je

egzoterman

proces,pa se oslobodjena toplota koristi za

dalji tok procesa, tj. proces se odvija autogeno.

Kod oksidirajućeg prženja ruda željeza odigravaju se brojne promjene zavisne od prisutnih
minerala: limonit pri zagrijavanju otpušta ukupnu količinu vode i prelazi u hematit; siderit
se termički razlaže na FeO i CO

, a FeO se zatim oksiduje u hematit u prisustvu dovoljne

količine vazduha, odnosno kiseonika. Reakcija oksidacije siderita je takodje egzotermna
(oslobadja se oko 850 kJ po 1 kg rude).
Na efikasnost procesa prženja utiču brojni činioci: temperatura prženja, veličina zrna u rudi
ili koncentratu, karakteristike rude ili koncentrata.

b. redukujuće prženje

. Koristi se za tretiranje ruda željeza jer se time ruda priprema za

magnetnu koncentraciju te se zbog toga ovaj način prženja naziva još i magnetizirajućim
prženjem.
Atmosfera i veličina zrna su isto tako osnovni činioci za efikasnost procesa redukujućeg
prženja ruda železa.
U praksi se danas hematit prži na dva u principu različita načina.
Prema prvom načinu hematit se u zoni prženja (570-1050 K) prevodi u magnetit, usled
reduktivne atmosfere:

3Fe

+ C0 = 2Fe

+ CO

Zatim se produkt, koji uvijek sadrži i nešto FeO, redukuje prema jednačini:



Osnovi metalurgije_____________________________________________________

Sastav goriva

Vrijednost   nekog   goriva   se   određuje   po   tome   koju   toplotnu   vrijednost   ima   –   tj.   količinu
toplote koju izdvaja sagorijevanjem jedinice mase ili zapremine goriva. Toplotna vrijednost
zavisi od sadržaja ugljenika i vodonika i njihovih sagorljivih jedinjenja, zatim koji je sadržaj
štetnih komponenata, na primjer sadržaj sumpora i koji je sadržaj inertnih komponenata.
Gotovo sva industrijska goriva, pored elementarnih sagorljivih komponenata sadrže u većoj
ili manjoj mjeri i inertni materijal, tj. supstance koje ili ne mogu da gore, pošto su već
oksidovane do najvećeg mogućeg stepena oksidacije (komponente pepela, ugljendioksid,
voda),   ili   ne   mogu   da   se   oksiduju   pod   uslovima   pod   kojima   se   sagorijevanje   izvodi,   na
primer azot.
Poželjan je nizak sadržaj inertnih materija u gorivima, zatim veoma nizak sadržaj štetnih
komponenata   jer   izdvojeni   sumpordioksid   zagađuje   životnu   sredinu   i   dovodi   do   korozije
agregata u kojima se sagorijevanje odvija.

Prednost tečnih goriva se ogleda i u tome što u istoj masi toplotna vrednost je za oko 50%
veća u odnosu na istu masu kod čvrstih goriva, a zatim, sumpor kao štetna komponenta se
iz tečnih goriva može ekonomski opravdano izdvojiti dok se danas to ne može postići kod
čvrstih goriva.

3.1. OPLEMENJIVANJE GORIVA

Antracit ima od svih fosilnih izvora energije najveću toplotnu vrijednost. Predominantna
upotreba antracita je u industriji, tj. u procesima gde je neophodan ugljenik, kao na primer
u procesima dobijanja metala. Medjutim, rezerve antracita su ograničene. U oblasti uglja
kao goriva mogu da se izdvoje sljedeći problemi:

kako izvršiti oplemenjivanje uglja i do potrošača trasportovati što manje jalovine. Danas

se na brojnim objektima koriste gravitacione metode koncentracije za oplemenjivanje uglja.

Kako da se iz uglja izdvoji sumpor i učini gorivo kvalitetnije, koje ne bi zagađivalo životnu

sredinu i smanjilo koroziju.

Kako da se iz uglja dobiju kvalitetniji oblici goriva, na primjer koks, tečna goriva i

gasovita goriva.

Kako da se zamijeni ugalj kao izvor toplote i da se koristi samo u procesima gdje nema

zamjene, na primjer u procesima dobijanja metala i razvoju petrohemije.

3.2. Čvrsta goriva

Sastav čvrstih fosilnih goriva u velikoj mjeri zavisi od stepena ugljenisanja. Njihov glavni
sastavni dio je ugljenik čiji procenat u uglju raste paralelno sa stepeom njegovog