Raaka-aine Malmi Metallien jalostuksen yleiskuva Jalostuskelpoinen tai vain vähän prosessoitu luonnontuote. Raaka-aine, jonka metallipitoisuus on riittävän korkea kannattavalle metallin valmistukselle. Riittävä metallipitoisuus vaihtelee voimakkaasti metallin mukaan. Kierrätysmateriaali Kaikkien metallien kulutus kasvaa maailmassa vuosittain. Vaikka metallien kierrätys toimii hyvin, eivät kierrätysmetallit riitä kattamaan kasvavaa kysyntää. Maailmassa vuosittain tuotettavan noin 1000 miljoonan terästonnin valmistukseen käytetään runsaat 400 milj. tonnia kierrätysterästä. Suomessa kierrätysteräksen talteenotto, keräys, varastointi sekä uudelleenkäyttö on järjestetty hyvin toimivaksi. Käyttämällä kierrätysmetalleja malmin ohella säästetään huomattavasti raaka-aineita ja energiaa. Suomessa teräksestä valmistetuista käytöstä poistetuista tuotteista yli 90 % saadaan kiertoon terästeollisuuden raaka-aineeksi. Kaikesta tähän asti maailmassa tuotetusta kuparista kiertää edelleen 80 %. Kaivos Rikastus Valu, valaa Levyaihio, tankoaihio, lanka-aihio Valssaus Pursotus, purse, pursetila Syväveto Kaivos voi olla maanalainen tai avolouhos. Kaivoksella tarkoitetaan nykykäsityksen mukaan louhintajärjestelmää hyödyllisten mineraalien saamiseksi käyttöön. Arvomineraalien erottaminen sivukivestä tai toisistaan muuttamatta varsinaista mineraalien rakennetta. Sulan metallin valuminen kokilliin tai muottiin. Valu voidaan suorittaa joko kertavaluna (muotti) tai jatkuvavaluna. Jatkuvavalu= Valumenetelmä, jossa sula valetaan kokillin läpi yhtenäisiksi pitkiksi aihioiksi. Säästää energiaa kokillivaluun verrattuna. Kokilli= Muotti, johon valu tapahtuu. Jatkuvavalukokilli on vesijäähdytteinen, kupariseinämäinen muotti, jonka läpi metalli valetaan ja jossa jähmettyminen alkaa. Valannevalu on kertavalua kokilleihin. Aihio on valetun, valssatun, taotun tai muulla tavoin valmistetun jatkovalmistukseen tarkoitetun kappaleen yleisnimitys. Englannin kielessä slab tarkoittaa levytuotteiden, bloom tankotuotteiden ja billet lanka- /tankotuotteiden valmistukseen tarkoitettuja aihioita. Valssaimella tapahtuva metallin muokkaus, jossa valssattava aihio saa halutut mitat ja muodon. Myös metallin valurakennetta hienonnetaan valssauksella. Tapahtuu yleensä kuumavalssauksena, mutta ohuita kappaleita viimeistelyvalssataan myös kylmänä. Venyttää kappaletta ja parantaa sen lujuutta. Pursotuksessa lieriömäiseen puristussäiliöön suljettu metalliaihio pakotetaan riittävän korkealla paineella virtaamaan ulos suukappaleen kautta. Pursottamalla tehdään mm. putkia, lankoja ja erilaisia profiileja. Pursotettavia metalleja ovat alumiini, kupari, messinki ja myös pehmeä teräs. Purse on esim. muottitaonnassa muotin yli pursuava aine, joka poistetaan valmiista kappaleesta puristimella. Pursetila on tila, joka jätetään muottiin, jotta purse ei estäisi varsinaisia muotteja koskettamasta toisiinsa. Menetelmä, jolla voi valmistaa kuppimaisia metalliesineitä. Siinä aihio puristetaan renkaan ja painimen välissä niin, että aihio venyy painimen ympärille.
Malmin louhinta Malmin rikastus Metallin valmistus Metallin muokkaus Metallin käyttötila Korroosio Kuluminen Väsyminen Kierrätysmetalli, metallin kierrätys Jäte Metallin elinkaari Louhinta käsittää kaikki malmin irrottamiseen tarvittavat toiminnat. Malmi kaivetaan paikasta, jossa sitä on runsaasti ja jonka metallipitoisuus on riittävän korkea. Louhiminen suoritetaan joko maan päällä avolouhoksessa tai maanalaisissa tunneleissa. Murske on malmin louhinnan tuote. Arvomineraalien erottaminen sivukivestä tai toisistaan muuttamatta varsinaista mineraalien rakennetta. Metallin valmistaminen eri menetelmillä malmista ja/tai kierrätysmateriaalista. Metallin muokkaaminen putkeksi, tangoksi, levyksi, nauhaksi, langaksi ja erikoisprofiiliksi tehdään esim. valssaamalla, takomalla, vetämällä tai pursottamalla. Metalli käyttökohteessaan esim. CD-soittimessa, puhelimessa, eurokolikossa, silmälasinkehyksessä, autossa, kännykässä, jääkaapissa, paperikoneessa, sillassa, rakennuksessa, laivassa, avaimessa jne. Kemiallinen tai sähkökemiallinen ilmiö, jonka vaikutuksesta aine esim. hapettuu (syöpyy). Kuluminen voi olla mekaanista esim. koneenosien välillä ja murskainten leuoissa. Tulenkestävät materiaalit taas kuluvat pääosin kemiallisten reaktioiden kautta (Kuona/Tulenkestävä materiaali). Tila, jonka toistuva tai vaihteleva rasitus aiheuttaa kappaleelle. Voi johtaa rakennemuutoksien tai murtumien syntymiseen. Kaikkien metallien kulutus kasvaa maailmassa vuosittain. Vaikka metallien kierrätys toimii hyvin, eivät kierrätysmetallit riitä kattamaan kasvavaa kysyntää. Maailmassa vuosittain tuotettavan noin 1000 miljoonan terästonnin valmistukseen käytetään runsaat 400 milj. tonnia kierrätysterästä. Suomessa kierrätysteräksen talteenotto, keräys, varastointi sekä uudelleenkäyttö on järjestetty hyvin toimivaksi. Käyttämällä kierrätysmetalleja malmin ohella säästetään huomattavasti raaka-aineita ja energiaa. Suomessa teräksestä valmistetuista käytöstä poistetuista tuotteista yli 90 % saadaan kiertoon terästeollisuuden raaka-aineeksi. Kaikesta tähän asti maailmassa tuotetusta kuparista kiertää edelleen 80 %. Elinkaarensa loppuun tullut käytöstä poistettu ja kierrätykseen kelpaamaton materiaali.
Rautamalmi Rikastus, rautarikaste Koksi Masuuni Pelkistys Raakarauta Sula raakateräs Konvertteri Mellotus Kierrätysteräs Valokaariuuni (sähköuuni) EAF (Electric Arc Furnace) Senkkauuni Tyhjökäsittely Jatkuvavalu Teräksen valmistus Malmi, jonka rautamineraalipitoisuus on niin suuri, että siitä on kannattavaa valmistaa rautaa. Useat rautamalmit sisältävät oksidimineraaleja kuten hematiittia (Fe 2 O 3 ) tai magnetiittia (Fe 3 O 4 ). Arvomineraalien erottaminen sivukivestä tai toisistaan muuttamatta varsinaista mineraalien rakennetta. Rautaoksidin rikastuksen tuloksena on rautarikaste, jonka rautapitoisuus on n. 60 %. Kivihiilestä koksaamalla (kuumennus uuneissa n. 1000 C:ssa suljetussa tilassa eli koksaamossa) valmistettu kappalemainen tuote, jota käytetään masuunissa pelkistys- ja polttoaineena. Korkea (min. 40 m), tornimainen tiilellä vuorattu uuni. Siihen panostetaan rautapellettejä/sintteriä, koksia ja usein myös kalkkikiveä (CaCO 3 ). Alhaalta puhalletaan kuumaa ilmaa. Pelkistysreaktioiden kautta saadaan sulaa raakarautaa. Tapahtuma, jossa pelkistin, esim. hiili (C), riistää rautaoksidin hapen. Tällöin rauta vapautuu. Pelkistysreaktiot: C + FeO = CO + Fe CO + FeO = CO 2 + Fe Rauta, jota saadaan masuunista. Päätyypit: teräsraakarauta ja valimoraakarauta. Raakarauta sisältää n. 4 % hiiltä ja n. 0,5 % piitä (Si). Joko konvertterista tai valokaariuunista (sähköuuni) uloslaskettu sula tuote, jonka koostumus, puhtaus sekä lämpötila eivät vielä ole lopullisia. Yleensä sylinterimäinen reaktioastia, jossa voidaan esim. mellottaa raakarauta happipuhalluksen avulla teräkseksi tai hapettaa metallista kuparia sulfidisesta kuparikivestä. Käsittely, jossa raakarauta muutetaan teräkseksi konvertterissa poistamalla siitä ylimääräinen hiili. Tapahtuu korkeassa lämpötilassa happipuhalluksen avulla. Ks. Konvertteri, Mellotusreaktio. Mellotusreaktio= [C] Fe + [O] = CO (Fe=Rauta, O=Happi, C=Hiili). Pii (Si) ja Fosfori (P) hapettuvat ja siirtyvät kuonaan. Kaikkien metallien kulutus kasvaa maailmassa vuosittain. Vaikka metallien kierrätys toimii hyvin, eivät kierrätysmetallit riitä kattamaan kasvavaa kysyntää. Maailmassa vuosittain tuotettavan noin 1000 miljoonan terästonnin valmistukseen käytetään runsaat 400 milj. tonnia kierrätysterästä. Suomessa kierrätysteräksen talteenotto, keräys, varastointi sekä uudelleenkäyttö on järjestetty hyvin toimivaksi. Käyttämällä kierrätysmetalleja malmin ohella säästetään huomattavasti raaka-aineita ja energiaa. Suomessa teräksestä valmistetuista käytöstä poistetuista tuotteista yli 90 % saadaan kiertoon terästeollisuuden raaka-aineeksi. Kaikesta tähän asti maailmassa tuotetusta kuparista kiertää edelleen 80 %. Padanmuotoinen, holvilla varustettu astia, jossa sulattaminen tapahtuu sähkövirran avulla elektrodien välityksellä. Sähköuunissa tapahtuu kierrätysmateriaalipanoksen sulattaminen ja myöskin mellottaminen raakateräkseksi. Myös fosfori (P) siirtyy mellotuksessa kuonaan. Uuni, johon senkka voidaan laittaa tai jossa senkka toimii itse uunina. Senkkauunissa terässulalle tehdään seostuksia, sitä puhdistetaan alentamalla esim. happipitoisuutta ja se saa lopulliset ominaisuutensa. Myös sulan lämpötila täsmätään. Käsittely, jolla poistetaan teräkseen liuenneita kaasuja, kuten vetyä ja happea. Käsittelyllä voidaan myös valmistaa hyvin niukkahiilisiä teräksiä (jopa 0,002 %) ja parantaa teräksen sitkeyttä ja työstettävyyttä. Valumenetelmä, jossa sula valetaan kokillin läpi yhtenäisiksi pitkiksi aihioiksi. Säästää energiaa valannevaluun verrattuna.
Teräs Aihio Kuona Teräs on rautavaltainen metalli, jonka hiilipitoisuus vaihtelee 0 2 %. Teräkset ovat usein seostettuja (piillä, mangaanilla, kromilla, nikkelillä, molybdeenillä, jne). Eri teräslajeja on useita satoja riippuen halutuista ominaisuuksista (mm. lujuus ja sitkeys) ja käyttötarkoituksesta. Teräksen ominaisuudet suhteessa painoon ovat viime vuosina kehittyneet merkittävästi. Teräs on maailman tärkein käyttömateriaali. Aihio on jatkuvavaletun ja jatkovalmistukseen tarkoitetun kappaleen yleisnimitys. Englannin kielessä slab tarkoittaa levytuotteiden, bloom tankotuotteiden ja billet lanka-/tankotuotteiden valmistukseen tarkoitettuja aihioita. Kuonan käyttö on välttämätöntä raudan ja teräksen valmistuksessa, koska sen avulla poistetaan epäpuhtauksia raudasta ja teräksestä, etenkin rikkiä (Si) ja fosforia (P). Kuonan tehtävänä on myös suojata terästä hapettumiselta (esim. senkkauunissa). Kuonanmuodostajista ovat tärkeimpiä kalkkikivi (CaCO 3 ), poltettu kalkki (CaO) ja piioksidi (SiO 2 ). Piioksidia syntyy myös piin hapettuessa ja siirtyessä kuonaan. Prosesseista poistettu kuona on monesti käyttökelpoinen sivutuote esim. eristykseen, tienrakennukseen sekä maa- ja metsätalouskäyttöön (kalkite).
Ruostumattoman teräksen valmistus Ferrokromiuuni Sähköuuni, jossa rauta- ja kromioksidipitoinen rikaste sulatetaan ja pelkistetään hiilen avulla ferrokromiksi. Tuote on sula ferrokromi. Ferrokromi Tuote, jonka kromi (Cr) -pitoisuus on n. 50 %, rauta (Fe) pitoisuus n. 37 %, pii (Si) -pitoisuus n. 3 % ja hiili (C) -pitoisuus n. 7 %. Pelkistys Tapahtuma, jossa pelkistin, esim. hiili (C), riistää kromioksidin ja rautaoksidin hapen. Tällöin kromi ja rauta vapautuvat. Pelkistysreaktiot: C + FeO = CO + Fe 3C + Cr 2 O 3 = 2Cr + 3CO Kromikonvertteri Sulasta ferrokromista poistetaan happipuhalluksella pii (Si) ja osittain myös hiili (C). Lämpötila puhalluksen jälkeen on n. 1650 C. AOD ja EAF AOD = Argon Oxygen Decarburization ; EAF = Electric Arc Furnace Valokaariuuni Padanmuotoinen, holvilla varustettu astia, jossa sulattaminen tapahtuu (sähköuuni) sähkövirran avulla elektrodien välityksellä. Sähköuunissa tapahtuu kierrätysmateriaalipanoksen sulattaminen ja myöskin mellottaminen raakateräkseksi. AOD-konvertteri AOD-konvertteriin panostetaan n. 50 % sulaa kromikonvertterista ja saman verran sähköuunista. Konvertteriin puhalletaan päältä happea sekä alhaalta sivusta happea, argonia ja typpeä. Tällöin sulan hiilipitoisuus laskee alhaisiin pitoisuuksiin. Tyypillinen sulan koostumus AOD:n jälkeen on 18 % kromia (Cr), 8 % nikkeliä (Ni) ja 0,04 % hiiltä (C). Lämpötila on noin 1600 C. Mellotus Käsittely, jossa raakarauta muutetaan teräkseksi konvertterissa poistamalla siitä ylimääräinen hiili. Tapahtuu korkeassa lämpötilassa happipuhalluksen avulla. Ks. Konvertteri, Mellotusreaktio. Mellotusreaktio= [C] Fe + [O] = CO (Fe=Rauta, O=Happi, C=Hiili) Kuonan pelkistys Tapahtuma, jossa pelkistin, esim. pii (Si), riistää kromioksidin hapen. piillä Senkkauuni Valu Aihio Kuona Tällöin kromi vapautuu. Pelkistysreaktio: 3Si + 2Cr 2 O 3 = 4Cr + 3SiO 2 Uuni, johon senkka voidaan laittaa tai jossa senkka toimii itse uunina. Senkkauunissa terässulalle tehdään seostuksia, sitä puhdistetaan ja se saa lopulliset ominaisuutensa. Myös sulan lämpötila täsmätään. Jatkuvavalu= Valumenetelmä, jossa sula valetaan kokillin läpi yhtenäisiksi pitkiksi aihioiksi. Aihio on jatkuvavaletun ja jatkovalmistukseen tarkoitetun kappaleen yleisnimitys. Englannin kielessä slab tarkoittaa levytuotteiden, bloom tankotuotteiden ja billet lanka-/tankotuotteiden valmistukseen tarkoitettuja aihioita. Kuonan käyttö on välttämätöntä ruostumattoman teräksen valmistusketjussa. Kuonan avulla poistetaan epäpuhtauksia (kuten rikkiä/aod) ja se suojaa terästä hapettumiselta. Kuonanmuodostajista ovat tärkeimpiä teräksen valmistuksessa poltettu kalkki (CaO) ja dolomiittikalkki (CaO MgO) sekä ferrokromin valmistuksessa piioksidi (SiO 2 ). Piioksidia syntyy myös piin hapettuessa ja siirtyessä kuonaan (teräksen valmistus). Prosesseista poistettu kuona on käyttökelpoinen sivutuote moneen tarkoitukseen, kuten tie- ja talonrakennukseen.
Kuparimalmin rikastus Liekkisulatus Konvertointi Anodiuuni, anodivalu Kuona Elektrolyysi Kuparin valmistus Kuparimineraalin (kuparikiisu CuFeS 2 ) erottaminen sivukivestä jolloin kuparipitoisuus nousee n. 2 %:sta n. 30 %:iin. Metallien valmistusmenetelmä, jossa malmirikasteen sulaminen tapahtuu rikasteen sisältämän rikin ja raudan palaessa hapen ja ilman avulla. Liekkisulatus ei tarvitse ulkopuolista energialähdettä. Perusreaktio on: 2CuFeS 2 + 4O 2 = Cu 2 S + 2FeO + 3SO 2. Rikkikaasut (SO 2 ) saadaan talteen rikkihappona (H 2 SO 4 ) yli 99,5-prosenttisesti. Hapettunut rauta (FeO) menee kuonaan ja muodostaa lisätyn kvartsin (SiO 2 ) kanssa sulaa fajaliittia reaktiolla: 2FeO + SiO 2 = Fe 2 SiO 4 Menetelmä, jossa liekkisulatuksesta saatua kuparipitoista sulaa käsitellään sylinterinmuotoisessa reaktioastiassa puhaltamalla sinne happea ja paineilmaa. Tällöin rauta ja rikki palavat alhaisiin pitoisuuksiin ja tuloksena on n. 99 % kuparia (Cu) sisältävä sula tuote. Lämpötila on n. 1200 C. Rauta siirtyy kuonaan, ja rikkikaasut johdetaan rikkihappotehtaalle. Reaktiot alkuvaiheessa kuten liekkisulatuksessa. Konvertoinnin loppuvaiheessa tapahtuu kuparisulfidin (Cu 2 S) hapettuminen metalliseksi kupariksi reaktiolla: Cu 2 S + O 2 = 2Cu + SO 2 Tuote on konvertterikupari. Menetelmä, jossa konvertoinnista tulevasta n. 99 % kuparia sisältävästä sulasta poistetaan loppurikki hapen avulla. Rikki poistuu sulasta palamalla. Tuloksena on 99,5 % kuparia sisältävä sula, joka valetaan 1 m x 1 m x 0,05 m kokoisiksi kuparianodeiksi. Tuote on anodikupari. Kuonan käyttö on välttämätöntä kuparin valmistuksessa. Kuonan muodostamiseksi lisätään reaktioastioihin (liekkisulatus, konvertointi) poltettua kalkkia ja kalkkikiveä. Kuonaa syntyy myös rikasteen piioksidipitoisesta sivukivestä. Kuonan tärkeänä tehtävänä on liuottaa itseensä sulasta hapetettu rautaoksidi, syntyy fajaliittia (2FeO SiO 2 ). Kuona ottaa vastaan myös pienemmissä määrin olevia epäpuhtauksia, kuten lyijy (Pb) ja arseeni (As). Kuonaa myös kierrätetään prosessiketjussa siten, että konvertointikuona palautetaan liekkisulatusprosessiin. Prosessista poistettu kuona on käsiteltynä käyttökelpoinen sivutuote erityisesti tienrakennukseen, jossa se korvaa luonnonsoraa. Samalla sillä on ympäristönsuojelullinen merkitys. Menetelmä, jossa kupari siirtyy anodeista sähkövirran avulla katodeille. Katodissa on ruostumattomasta teräksestä valmistettu emolevy. Katodikupari on erittäin puhdasta (Cu-pitoisuus 99,99 %) ja se irrotetaan levymäisenä emolevystä. Elektrolyysi tapahtuu altaissa, johon anodit ja katodit sijoitetaan vuoronperään. Elektrolyyttineste koostuu kuparisulfaatista (CuSO 4 ), vedestä (H 2 O) ja rikkihaposta (H 2 SO 4 ). Prosessi kestää kolmisen viikkoa.
Kuumamuokkaus, kylmämuokkaus Lämpökäsittely Viimeistely Kuparin jatkojalostus Menetelmä, jossa valuaihiot jatkojalostetaan haluttuun muotoon. Voi tapahtua joko kuuma- (Cu lämpötila n. 600 C) tai kylmämuokkauksena (huoneenlämpötilassa). Muokkausmenetelmiä ovat mm. valssaus, pursotus ja vetäminen. Vetämistä suoritetaan erityisesti lankojen tuottamiseen paksummista kupariaihioista haluttuun loppumittaan. Vetäminen tapahtuu vetopenkeissä, jossa lankaa muokataan kuljettamalla se vetokivisarjan läpi. Samalla saadaan haluttu loppumitta ja halutut ominaisuudet (lujuus, sitkeys). Lämpökäsittelymenetelmiä on useita. Menetelmän valintaan vaikuttavat käyttötarkoitus ja haluttujen lopputuotteen ominaisuudet. Yksi tyypillisimpiä käsittelyjä on hehkutus ja sen jälkeinen jäähdytys. Näin saadaan aikaan tuotteelle haluttuja ominaisuuksia kuten kovuus, lujuus, sitkeys jne. Viimeistelyllä saadaan aikaan tuotteelle lopulliset usein ulkonäköön liittyvät ominaisuudet. Viimeistelymenetelmiä ovat mm. hionta, harjaus, leikkaus ja pinnoitus.