Siguranță

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 26 iunie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Topirea ( topirea , topirea ) este tratamentul termic al minereului pentru a extrage metalul din acesta . Este o formă de metalurgie minieră. Procesul de topire este folosit pentru a extrage multe metale din minereurile lor, inclusiv argint , fier , cupru și alte metale de bază . Topirea folosește căldură și un agent chimic reducător pentru a descompune minereul, eliminând alte elemente precum gaze sau zgură , lăsând o bază metalică. Agentul reducător este de obicei o sursă de carbon , cum ar fi cocs sau, în vremuri mai vechi, cărbune .

Carbonul (sau monoxidul de carbon derivat din acesta ) elimină oxigenul din minereu , lăsând în urmă elementele metalice. Astfel, carbonul este oxidat în două etape, producând mai întâi monoxid de carbon și apoi dioxid de carbon . Deoarece majoritatea minereurilor conțin impurități, este adesea necesar să se folosească un flux , cum ar fi calcarul , pentru a îndepărta roca însoțitoare sub formă de zgură.

Reducerea electrolitică a aluminiului este deoparte .

Nu este neobișnuit ca lucrătorii din topirea metalelor să sufere de boli respiratorii care le împiedică capacitatea de a îndeplini sarcinile fizice cerute de locurile de muncă. [unu]

Proces

Istorie

Dintre cele șapte metale cunoscute în antichitate, numai aurul se găsea în mod regulat în formă pură în mediul natural. Restul - cupru, plumb, argint, staniu , fier și mercur  - apar în principal sub formă de minerale , deși cuprul se găsește uneori în starea sa nativă în cantități semnificative din punct de vedere comercial. Aceste minerale sunt în primul rând carbonați , sulfuri sau oxizi de metal amestecați cu alți constituenți, cum ar fi silice și alumină . Prăjirea mineralelor carbonatate și sulfurate în aer le transformă în oxizi. Oxizii, la rândul lor, dau metal prin topire. Monoxidul de carbon a fost (și este încă) un agent reducător pentru topire. Se formează în timpul încălzirii și reacționează cu minereul.

În Lumea Veche , oamenii au învățat să topească metalele în vremuri preistorice, cu peste 8.000 de ani în urmă. Descoperirea și utilizarea metalelor „utile” – cuprul și bronzul la început, iar câteva milenii mai târziu, fierul – a avut un impact uriaș asupra societății umane. Impactul a fost atât de important încât oamenii de știință împart în mod tradițional istoria antică în epoca de piatră , epoca bronzului și epoca fierului .

Pe continentul american , topirea cuprului și argintului a fost stăpânită de civilizații care au existat în Anzi centrali și Peru înainte de incași și cu cel puțin șase secole înainte ca primii europeni să sosească în secolul al XVI-lea , în timp ce topirea metalelor precum fierul, acolo așa și nu a fost stăpânit. [2]

Staniu și plumb

În Lumea Veche, ei au fost primii care au învățat cum să topească staniul și plumbul . Cele mai vechi margele de plumb turnate cunoscute de istoricii moderni au fost descoperite pe locul vechii așezări Çatal Huyuk din Anatolia ( Turcia ) și datează în jurul anului 6500 î.Hr., dar este posibil ca metalul să fi fost cunoscut mai devreme. Deoarece descoperirea a avut loc cu câteva milenii înainte de inventarea scrisului, nu există nicio dovadă scrisă a modului în care s-a făcut acest lucru. Cu toate acestea, staniul și plumbul sunt metale cu punct de topire scăzut, [3] pot fi topite pur și simplu prin plasarea minereului într-un foc de lemne, așa că poate că oamenii au învățat cum să le obțină accidental.

Plumbul este un metal comun, dar descoperirea sa a avut un impact relativ mic asupra istoriei lumii antice. Este prea moale pentru a fi folosit în construcții sau pentru a face arme, deși densitatea sa mare în comparație cu alte metale îl face ideal ca proiectile de praștie . Cu toate acestea, deoarece plumbul este ușor de turnat și modelat, a fost folosit pe scară largă în Grecia antică și Roma antică pentru a face țevi și rezervoare de stocare a apei. Plumbul a fost folosit și ca mortar în construcția clădirilor din piatră. Staniul era mult mai puțin comun decât plumbul.

Cupru și bronz

După cositor și plumb, următorul metal pe care oamenii au învățat să-l topească, se pare, a fost cuprul . Cum s-a întâmplat această descoperire nu se știe cu exactitate. Focurile obișnuite cu lemne nu au putut asigura temperatura necesară pentru topirea cuprului, așa că unii cercetători sugerează că prima topire a cuprului ar fi putut avea loc în cuptoarele ceramice. Dezvoltarea topirii cuprului în Anzi, despre care se crede că a avut loc independent de Lumea Veche, s-ar putea să se fi produs în același mod. [2] Cele mai vechi dovezi ale topirii cuprului, datate între 5500 și 5000 î.Hr., au fost găsite în Pločnik și Belovodie ( Serbia ). [4] [5]

Alierea cuprului cu staniu și/sau arsen în proporții corecte produce bronz , un aliaj care este semnificativ mai dur decât cuprul. Primele produse din bronz realizate dintr-un aliaj de cupru și arsenic datează din anul 4200 î.Hr. și au fost găsite în Asia Mică . De asemenea, aliajele de bronz, indiferent de europeni, au putut să facă incașii. Arsenul este adesea o impuritate în minereurile de cupru, așa că descoperirea poate să fi fost accidentală. În cele din urmă, mineralele de arsen au fost adăugate în mod deliberat în timpul topirii.

Bronzurile cupru-staniu, mai dure și mai durabile, au fost dezvoltate în jurul anului 3200 î.Hr., tot în Asia Mică. Nu se știe cum au învățat fierarii să producă bronz dintr-un aliaj de cupru și staniu. Cu toate acestea, până în anul 2000 î.Hr., oamenii extrageau staniu special pentru producția de bronz, ceea ce este surprinzător, având în vedere că staniul este un metal semi-rezonant și chiar și minereul bogat de casiterit are doar 5% staniu. De asemenea, staniul necesită abilități speciale (sau instrumente speciale) pentru a-l găsi. Cu toate acestea, popoarele timpurii au învățat despre cositor și și-au dat seama cum să-l folosească pentru a face bronz încă din anul 2000 î.Hr.

Începutul producției de cupru și bronz, precum și a produselor din acestea, a avut un impact semnificativ asupra istoriei lumii vechi. Aceste metale erau suficient de dure pentru a face arme care s-au dovedit mai rezistente la impact decât echivalentele lor din lemn, os sau piatră. Timp de câteva milenii, bronzul a fost principalul material pentru producerea de arme precum săbii, pumnale, topoare de luptă, sulițe și vârfuri de săgeți, precum și echipamente de protecție precum scuturi, căști, armuri și multe altele. Bronzul a înlocuit, de asemenea, piatra, lemnul și materialele organice în producția de unelte și ustensile de uz casnic, cum ar fi dălți, ferăstrăi, adăposturi , cuie, foarfece, cuțite, ace și ace de cusut, ulcioare, oale și ceaunuri, oglinzi și ham pentru cai. Staniul și cuprul au contribuit, de asemenea, la crearea rețelelor comerciale care s-au întins pe zone mari din Europa și Asia și au avut o mare influență asupra distribuției bogăției între indivizi și țări.

Fier

Cea mai timpurie dovadă a producerii fierului este un număr mic de fragmente de fier cu o cantitate corespunzătoare de impurități de carbon găsite în straturile proto -hitite de la Kaman Kalehuyuk (Turcia) și datate între 2200-2000 î.Hr. [6] Souckova-Siegolová (2001) arată că uneltele de fier au fost fabricate în Anatolia Centrală în cantități foarte limitate în jurul anului 1800 î.Hr. și au fost folosite mai ales de elită în timpul regatelor hitite târzii (~1400-1200 î.Hr.). [7]

Arheologii au găsit dovezi ale lucrului cu fier în Egiptul antic cândva între a treia perioadă intermediară și dinastia XXIII (c. 1100-750 î.Hr.). În mod remarcabil, totuși, ei nu au găsit nicio dovadă de topire a minereului de fier în nicio perioadă (premodernă). Posibil în 1200 î.Hr. în Africa de Vest știau să topească și să prelucreze fierul. [8] În plus, exemple foarte timpurii de oțel carbon au fost create acum aproximativ 2.000 de ani în nord-vestul Tanzaniei , pe baza principiilor complexe de preîncălzire. Aceste descoperiri sunt importante pentru istoria metalurgiei. [9]

Cele mai timpurii procese din Europa și Africa au implicat topirea minereului de fier într -un furnal brut , unde temperatura este menținută suficient de scăzută încât fierul să nu se topească. Aceasta produce o masă spongioasă de fier numită „floare”, care trebuie apoi ciocănită pentru a face fier forjat. Cele mai vechi dovezi ale topirii fierului de până în prezent provin de la Tell Hamm ( Iordania ) și datează din 930 î.Hr. ( C14-datare ). [zece]

În Evul Mediu , procesul de topire a fierului s-a schimbat semnificativ. Oamenii au început să folosească furnalele pentru a produce fontă , care a fost apoi prelucrată în fontă maleabilă . Procesele din a doua etapă au inclus rafinarea metalului într-o forjă și, după începutul Revoluției Industriale , bălțirea . Ambele procese sunt acum învechite, iar fierul forjat este acum rar produs. În schimb, oțelul moale este produs prin procesul Bessemer sau prin alte mijloace, inclusiv prin procese de pre-reducere a fierului, cum ar fi Corex .

Metale comune

Minereurile de metal de bază (aka de bază sau industriale) sunt adesea sulfuri . În ultimele secole, cuptoarele cu reverberație au fost folosite pentru a le topi , care țin separat combustibilul și topirea. În mod tradițional, acestea au fost folosite pentru a efectua prima etapă: formarea unei zguri de oxid care conține majoritatea elementelor de impurități și a unei mate sulfurate care conține sulfură metalică cu unele impurități. Astfel de cuptoare cu „reverberație” au astăzi aproximativ 40 m lungime, 3 m înălțime și 10 m lățime. Combustibilul este ars la un capăt și căldura topește concentratele de sulfuri uscate (de obicei după prăjire parțială) care sunt alimentate prin orificiile din acoperișul cuptorului. Zgura plutește deasupra matei mai grele și este îndepărtată, aruncată sau reciclată. Mata de sulfură este apoi trimisă la un convertor . Detaliile exacte ale procesului variază de la un cuptor la altul în funcție de mineralogia corpului de minereu.

În timp ce cuptoarele cu reverberație erau foarte bune la producerea de zguri care conțineau foarte puțin cupru, s-au dovedit a fi prea consumatoare de energie și au produs concentrații scăzute de dioxid de sulf în gazele lor de ardere, ceea ce făcea dificil de îndepărtat și au fost înlocuite de o nouă generație de tehnologii de topire a cuprului. . [12] Au fost proiectate cuptoare moderne în jurul băilor de topire folosind duze de turnare, tehnologie de topire rapidă și furnale . Câteva exemple de băi de topire includ cuptorul Noranda, cuptorul ISASMELT , reactorul Teniente, cuptorul Vanyukov și tehnologia SKS. Topirea rapidă este utilizată în peste 50% din topitoriile de cupru din lume. Există mai multe varietăți de procese de topire, inclusiv Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF și BF.

Impactul asupra mediului

Topirea metalelor are un impact grav asupra mediului datorită eliberării de metale toxice în atmosferă și producerii de deșeuri în exces, cum ar fi ape uzate și zgură. Precum și eliberarea de metale sub formă gazoasă, cum ar fi cuprul, argintul, fierul, cobaltul și seleniul . [13] Dioxidul de sulf este un alt compus gazos important care este eliberat în timpul procesului de topire și contribuie la degradarea mediului, deoarece poate duce la ploi acide și, la rândul său, acidulează solurile și mediile acvatice. [paisprezece]

Vezi și

Note

  1. ↑ Sjostrand, Torgny. Modificări ale organelor respiratorii ale muncitorilor de la o fabrică de topire a minereului1  //  Acta Medica Scandinavica : jurnal. - 1947. - 12 ianuarie ( vol. 128 , nr. S196 ). - P. 687-699 . — ISSN 0954-6820 . - doi : 10.1111/j.0954-6820.1947.tb14704.x .
  2. ↑ 12 lansări/2007/04/ 070423100437 . sciencedaily.com. Preluat la 26 august 2015. Arhivat din original la 9 septembrie 2015.
  3. ↑ Pikunov M. V. , Desipri A. I. § 34. Metale cu punct de topire scăzut și aliajele lor. Staniul, plumbul și aliajele lor // Metal Science . - M . : „Metalurgie”, 1980. - 256 p. — 30.000 de exemplare.
  4. ↑ Stone Pages Archaeo News: Vechi atelier de metal găsit în  Serbia . stonepages.com. Preluat la 26 august 2015. Arhivat din original la 24 septembrie 2015.
  5. ↑ 201006274431 | Site-ul Belovode din Serbia ar fi putut găzdui primii  producători de cupru . archaeologydaily.com. Preluat la 26 august 2015. Arhivat din original la 29 februarie 2012.
  6. ↑ Akanuma, Hideo. Semnificația obiectelor de fier din Epoca Bronzului timpuriu din Kaman-Kalehöyük, Turcia  (engleză)  // Anatolian Archaeological Studies : journal. - 2008. - Vol. 17 . - P. 313-320 .
  7. ↑ Souckova-Siegolová, J. Tratamentul și utilizarea fierului în imperiul hittit în mileniul II î.Hr.  //  Mediterranean Archaeology : journal. - 2001. - Vol. 14 . - P. 189-193 . .
  8. ↑ Câți ani are epoca fierului în Africa sub-sahariană? Arhivat din original pe 13 octombrie 2007. - de Roderick J. McIntosh, Institutul Arheologic al Americii (1999)
  9. ^ Peter Schmidt, Donald H. Avery. Arhivat din original pe 9 aprilie 2010, Complex Iron Smelting and Prehistoric Culture in Tanzania . , Science 22 septembrie 1978: voi. 201 nr. 4361, pp. 1085–1089
  10. ↑ Xander Veldhuijzen, Thilo Rehren. Zgura și orașul: producția timpurie de fier la Tell Hammeh // Metale și mine: studii în arheometalurgie / Editat de Susan La Nepoata, Duncan Hook și Paul Craddock. - Londra : Archetype Publications & British Museum , 2007. - P. 189-201. — 256 p. — ISBN 978-1904982197 .  (Engleză)
  11. ↑ Minet, Adolphe. Producția de aluminiu și  utilizarea sa industrială . - New York, Londra: John Wiley and Sons, Chapman & Hall, prin scanarea Google Books a Universității din Wisconsin - copie Madison, 1905. - P. 244 (vorbește Minet) +116 (vorbește Héroult).
  12. ↑ W.G. Davenport, „Copper extraction from the 60s into the 21st century”, în: Proceedings of the Copper 99–Cobre 99 International Conference. Volumul I—Prelegeri plenare/Mișcarea cuprului și a perspectivelor industriei/Aplicații și fabricație a cuprului, Eds GA Eltringham, NL Piret și M Sahoo (Societatea de minerale, metale și materiale: Warrendale, Pennsylvania, 1999), 55–79.
  13. ↑ Hutchinson, T.C.; Whitby, LM Poluarea cu metale grele în regiunea de minerit și topire Sudbury din Canada, I. Contaminarea solului și a vegetației cu nichel, cupru și alte metale  //  Conservarea mediului : jurnal. - 1974. - Vol. 1 , nr. 2 . - P. 123-132 . — ISSN 1469-4387 . - doi : 10.1017/S0376892900004240 .
  14. ↑ Likens, Gene E.; Wright, Richard F.; Galloway, James N.; Butler, Thomas J. Acid Rain  // Scientific American  . - Springer Nature , 1979. - Vol. 241 , nr. 4 . - P. 43-51 .

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice