Støping er en form for utvinningsmetallurgi . Smelteprosessen som innebærer oppvarming og reduksjon av mineralmalm for å oppnå et rent metall , og separere det fra gang og andre mulige grunnstoffer. En karbonkilde , for eksempel koks , kull eller trekull i fortiden , brukes vanligvis som reduksjonsmiddel . Karbonet (eller karbonmonoksidet som genereres fra det) trekker oksygenet ut av malmen fra oksidene (eller svovelet , karbonatet , etc... i andre mineraler), og etterlater metallet i sin elementære form . For å gjøre dette oksideres karbon i to trinn, først produserer karbonmonoksid og deretter karbondioksid . Ettersom de fleste malmer har urenheter, er bruk av fluss eller støpemiddel, for eksempel kalkstein , ofte nødvendig for å fjerne den medfølgende gangen i form av slagg .
Støping kalles også prosessen med å produsere gjenstander med smeltede metaller ved hjelp av støpeformer; som vanligvis er neste trinn etter ekstraktiv smelting, som er det denne artikkelen omhandler. Anlegg for elektrolytisk reduksjon av aluminium kalles generelt også smelteverk, selv om de er basert på en helt annen fysisk prosess. I dem smeltes ikke aluminiumoksidet , men det løses opp i aluminiumfluorid for å produsere elektrolyse av malmen. Karbonelektroder brukes normalt , men i mer moderne anleggsdesign brukes ikke-forbrukende elektroder. Sluttproduktet er støpt aluminium.
Smelting er en prosess som involverer mer enn bare å smelte metall for å utvinne det fra malm. De fleste mineralmalmer er forbindelser der metallet er kombinert med oksygen (i oksider ), svovel (i sulfider ), eller karbon og oksygen (i karbonater ), blant andre. For å få metallet i sin elementære form, må en kjemisk reduksjonsreaksjon finne sted for å bryte ned disse forbindelsene. Av denne grunn, i støperiet, kreves det bruk av reduserende stoffer som, når de reagerer med de oksiderte metalliske elementene, omdanner dem til deres metalliske former.
Kalsinering er prosessen med å varme opp malmen til høye temperaturer for å spre det flyktige stoffet. Når det gjelder karbonater og sulfater, tjener denne prosessen til å eliminere uønsket svovel og karbon, og transformerer dem til oksider som kan reduseres direkte. Av denne grunn utføres kalsinering i disse tilfellene i oksiderende miljøer. Noen praktiske eksempler er:
Reduksjon er det siste høytemperaturstadiet av støping. Dette er når rusten blir til elementært metall. Det reduserende miljøet (vanligvis gitt av karbonmonoksid produsert ved ufullstendig forbrenning av karbon i det dårlig ventilerte ovnens indre) trekker oksygenatomene ut av den rene malmen. Temperaturene som kreves varierer over et vidt område, både i sammenligning mellom ulike metaller og i forhold til selve metallets smeltepunkt. For eksempel:
Når det gjelder jernsmelting, frigjør koksen som brennes som brensel for å varme ovnen også karbonmonoksid ved brenning , som kombineres med jernoksidene i malmen og reduserer dem til metallisk jern, ifølge ligningen:
Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 ↑Ved kobbersmelting reduseres mellomproduktet som produseres i kalsineringen i henhold til reaksjonen:
CuO + CO → Cu + CO 2 ↑I begge tilfeller forsvinner karbondioksidgassen ut i atmosfæren og etterlater metallet fritt.
I støpeprosessen brukes flussmidler til forskjellige formål, de viktigste er å katalysere de ønskede reaksjonene eller å kjemisk binde urenheter eller uønskede reaksjonsprodukter for å lette fjerningen. Kalsiumoksid , i form av kalkstein, brukes ofte til dette formålet da det kan reagere med karbondioksidet og svoveldioksidet som produseres under kalsinering og reduksjon og holde dem ute av reaksjonsmiljøet.
Flussmidler og slagg kan gi en ekstra sekundær tjeneste etter at reduksjonstrinnet er fullført, ved å belegge det rensede metallet med et smeltet lag for å forhindre at det kommer i kontakt med oksygen, som fortsatt er så varmt, vil raskt oksidere.
Ved smelting av jern brukes kalkstein ved fylling av ovnen som en ekstra kilde til karbonmonoksid og som et flussmiddel. Dette materialet kombineres med silikaen som er tilstede i malmen (som ikke smelter ved ovnstemperaturer) for å danne kalsiumsilikat, som har et høyere smeltepunkt. Uten kalksteinen ville det dannes jernsilikat, og dermed miste metallisk jern. Kalsiumsilikat og andre urenheter danner et slagg som flyter på toppen av det smeltede metallet i bunnen av ovnen.
Av de syv metallene som var kjent i antikken ( gull , sølv , kobber , tinn , bly , kvikksølv og jern ) er det bare gull som regelmessig finnes i naturen. De andre finnes hovedsakelig som mineraler , selv om alle kan forekomme i små mengder naturlig (kommersielt ubetydelig). Disse mineralene er hovedsakelig oksider, sulfider og karbonater av metallet blandet med andre komponenter som silika og alumina . Ved kalsinering av karbonater og sulfider i kontakt med luft blir de oksider. Oksydene trenger ikke forutgående transformasjon i støpeprosessen. Karbonmonoksid (CO) var (og er) det viktigste reduksjonsmiddelet som ble valgt for støperiet. Den produseres lett under forbrenningsprosessen som brukes til å varme opp malmene i ovnen, og siden det er en gass kommer den direkte i kontakt med mineralmalmen.
I den gamle verden lærte mennesket å skaffe metaller gjennom smelting i forhistorien , rundt det 7. årtusen f.Kr. C. Oppdagelsen og bruken av nyttige metaller for fremstilling av verktøy, først kobber og bronse, og senere jern, forårsaket stor innvirkning på datidens menneskelige samfunn. Effekten var så gjennomgripende at historikere har delt antikkens historie inn i steinalder , bronsealder og jernalder .
I Amerika smeltet de før-spanske samfunnene i de sentrale Andesfjellene i dagens Peru kobber og sølv uavhengig minst seks århundrer før europeisk kolonisering begynte på 1500-tallet. [ 1 ]
Se også: Syv metallerDe første metallene som ble oppnådd ved smelting i forhistorien var tinn og bly. De eldste kjente sporene av bly er perler funnet på Çatalhöyük -stedet i Anatolia ( Tyrkia ), som er datert til rundt 6400 f.Kr. C., [ 2 ] selv om det er sannsynlig at støpingen av dette metallet er eldre. Ettersom oppdagelsen av smelting av begge metaller skjedde flere årtusener før oppfinnelsen av skrift , er det ingen registreringer av hvordan det ble produsert; men siden smelting av både bly og tinn kan produseres ganske enkelt ved å legge stein av malmen deres på et trebål , var oppdagelsen muligens tilfeldig.
Selv om bly er et vanlig metall, hadde oppdagelsen relativt liten innvirkning på den antikke verden. Det er for mykt til å være den strukturelle komponenten i verktøy eller våpen, bortsett fra produksjon av prosjektiler for sprettert som var laget av bly på grunn av dets karakteristika til å være usedvanlig tungt, og det er en annen hindring for annen bruk av dette metallet. Senere, ettersom det var lett å få tak i og forme, ble det i den klassiske antikken i Hellas og Roma brukt til å lage rør og beholdere for vann (det var ukjent at denne bruken var giftig). Bly ble også brukt som fuge i steinbygninger og i glassmalerier .
Tinn er mye mindre rikelig enn bly og bare litt hardere enn det, så konsekvensene det produserte av seg selv var enda mindre, frem til oppdagelsen av bronse .
Etter tinn og bly var det neste metallet som ble oppnådd ved smelting kobber . Hvordan det kunne oppdages er gjenstand for debatt. Bålene forblir 200 °C under nødvendig temperatur, så det spekuleres i at den første kobbersmeltingen kunne vært oppnådd inne i en keramisk ovn. Den påfølgende oppdagelsen av kobbersmelting i Andesfjellene kunne ha skjedd på samme måte, selv om den utviklet seg uavhengig av den gamle verden . [ 1 ] De første sporene etter kobbersmelting, datert mellom 5500 e.Kr. C. og 5000 a. C., er funnet i Pločnik og Belovode , Serbia. [ 3 ] [ 4 ] Et hammerhode er funnet i Can Hasan , Tyrkia, datert til 5000 f.Kr. C., er dette verktøyet det eldste kobberet som er funnet, selv om det antas at det kan ha blitt smidd med naturlig kobber . [ 5 ]
Ved å blande kobber med tinn eller arsen i riktige proporsjoner får man bronse , en legering som er hardere enn kobber. De første arseniske bronsene dateres tilbake til det 5. årtusen f.Kr. C. fra Lilleasia . Inkabronse er også av denne typen. Arsen er en urenhet som ofte finnes i kobbermalm, så oppdagelsen kan ha vært tilfeldig, men senere ble arsenholdige malmer med vilje tilsatt i smelteprosessen. Kobber- og tinnbronse er enda hardere og mer motstandsdyktige og ble utviklet rundt 3200 f.Kr. C. også i Lilleasia. Igjen er det et mysterium hvordan forfalskerne lærte å produsere tinnbronse. Den første av disse bronsene kunne ha vært en heldig ulykke med tinnforurensning av kobbermalm, men det er kjent at så tidlig som i 2000 f.Kr. C. tinngruver ble utnyttet for å produsere bronse. Det skal bemerkes at tinn er et sjeldent metall, og selv i sin rikeste malm, kassiteritt , utgjør tinn bare 5%. I tillegg trengs spesielle ferdigheter (eller spesielle instrumenter) for å finne den og lokalisere de rikeste årene. Men hvilke trinn som måtte være nødvendige for å mestre vanskelighetene med tinn var kjent rundt 2000 f.Kr. c.
Oppdagelsen av fremstillingen av kobber og bronse hadde en betydelig innvirkning på antikkens historie. Metallene var harde nok til å lage sterkere, tyngre og mer motstandsdyktige våpen med dem, og det ga større skade enn tilsvarende laget av stein, tre eller bein. I flere årtusener var bronse det valgte materialet for å lage sverd, dolker, stridsøkser, spydspisser og pilspisser, samt verneutstyr som skjold, hjelmer og ulike rustningselementer. Men bronse erstattet også de andre materialene i produksjonen av verktøy som hakker , adzes , sager, meisler , spiker , kniver, sakser, nåler og stifter, kanner, potter, gryter, speil og hesteseler , blant andre. Tinn og kobber bidro til etableringen av kommersielle nettverk som knyttet sammen fjerne regioner i Europa og Asia, og hadde en viktig innflytelse på fordelingen av rikdom mellom individer og folk.
Sølvgjenstander begynte først å bli laget i betydelige mengder rundt 4000 f.Kr. C., [ 6 ] og mangelen på naturlig sølv gjorde det nødvendig å få det fra smelting av hovedmalmene, argentitt (Ag 2 S) og klorargyritt (AgCl). [ 6 ] Sølv opptrer også som en urenhet i blymalm, og da de knappe sølvmalmene var oppbrukt, begynte sølv å oppnås hovedsakelig ved rensing av bly under smeltingen, ved en prosess kjent som cupellation , allerede beskrevet av antikkens kilder. som Plinius den eldste . [ 6 ] [ 7 ] På den annen side, i Amerika, da metallsmeltingsmetoder ble utviklet uavhengig i tidlig middelalder, [ 1 ] ble sølv ikke oppnådd ved direkte smelting av egne malmer, men ved rensing av gull og kobber som inneholder sølv urenheter.
Sølv var et for mykt metall til å kunne brukes til fremstilling av motstandsdyktige verktøy, men fra dets opprinnelse ble det brukt til dekorative og overdådige formål.
Hvor og hvordan jernstøperiet ble oppdaget er gjenstand for stor debatt, og er fortsatt usikkert på grunn av mangelen på arkeologiske levninger. Jernteknologier kunne ha sin opprinnelse i det nære østen, kanskje i østlige Anatolia. Arkeologiske levninger med verktøy laget av jern uten nikkel (bevis på at det ikke er av meteorisk opprinnelse ) [ 8 ] finnes i Anatolia rundt 1800 f.Kr. C., [ 9 ] [ 10 ] men det er også funnet verktøy fra perioden mellom 1800 e.Kr. C. og 1200 e.Kr. C. i Ganges - dalen i India , [ 11 ]
I det gamle Egypt er det indikasjoner på at det foregikk metallbearbeiding med jern på et tidspunkt mellom den tredje mellomperioden av Egypt og det XXIII-dynastiet (mellom 1100 og 750 f.Kr.), selv om det overraskende nok ikke er funnet bevis for smelting av jern. faraonisk Egypt i enhver periode. [ 12 ] Det er bevis på jernsmelting og stålverk i Vest-Afrika rundt 1200 f.Kr. [ 13 ] [ 14 ] I tillegg er det funnet eldgamle spor av karbonstål fra 2000 år siden i det nordvestlige Tanzania , basert på komplekse forvarmingsteknikker. Disse funnene kunne tyde på at jern- og stålteknikker ble utviklet flere steder uavhengig av hverandre. [ 15 ] Jern- og stålteknologi spredte seg fra Middelhavet til nord fra 1200 f.Kr. C., og nådde Nord-Europa rundt 600 f.Kr. C., mer eller mindre på samme dato som de ankom Kina . [ 16 ]
De første jern- og stålprosessene utført i Eurasia og Afrika utførte smeltingen i små koniske ovner , hvor temperaturen ikke var høy nok til at jernet kunne smelte. Dette ga en myk masse av glødende jern som kunne formes ved å hamre. De tidligste arkeologiske funnene av denne teknikken er funnet i Tell Hammeh , Jordan, karbon-14 datert til rundt 930 f.Kr. c. [ 17 ]
Fra middelalderen begynte direkte reduksjon i små ovner å bli erstattet av en indirekte prosess. En masovn brukes altså til å produsere råjern fra mineralmalm, som måtte gjennom en videre prosess for å produsere smijernsstenger. Prosessene i denne andre fasen ble foredlet i en smie , og startet med den industrielle revolusjonen , vannpytt . Resultatet ble smijern, selv om begge prosessene har blitt foreldet siden det foreløpig knapt produseres. I stedet produseres stål av Thomas-Bessemer-omformeren eller ved andre reduktive smelteprosesser som Corex-prosessen .
Sink ble oppdaget i middelalderen, og siden syv metaller var kjent i antikken , kalles det det åttende metallet. Det er en strid om hvorvidt rene sinksmelteteknikker ble utviklet i India eller Kina rundt 1300-tallet. [ 18 ] I stedet har sinklegeringer blitt brukt siden antikken. Det er biter av messing fra 1000-1500 f.Kr. C. – de er funnet i Kanaan og andre gjenstander med innhold på opptil 87 % sink har dukket opp i den eldgamle regionen Transylvania – men på grunn av dets lave smeltepunkt og kjemiske reaktivitet har metallet en tendens til å fordampe, så den sanne metallets natur ble ikke forstått av de gamle. Det er kjent at produksjonen av messing var kjent for romerne rundt 30 f.Kr. C. Plinius og Dioscorides beskriver produksjonen av aurichalcum (messing) ved å varme opp en blanding av kadmium ( kalamin ) med kobber i en digel; messingen som ble oppnådd senere ble støpt eller smidd for å lage gjenstander. I Vesten, rundt 1248 , beskriver Alberto Magno produksjonen av messing i Europa .
Smelting og utvinning av uren sink ble utført rundt år 1000 i India — i verket Rasarnava (ca. 1200) av en ukjent forfatter er prosedyren beskrevet — og eksistensen av sink som et annet metall var allerede kjent for indianerne siden antikken . I 1597 beskrev Andreas Libavius en "særlig klasse tinn" som ble produsert i India og kom i hans hender i små mengder gjennom en venn; Fra beskrivelsene hans kan det utledes at det var sink, selv om han ikke gjenkjente det som metallet fra kalamin. Georgius Agricola (1490-1555) observerte i 1546 at et kondensert hvitt metall kunne skrapes fra veggene i ovner der sinkmalm ble smeltet; og legger til i notatene at et lignende metall kalt sincum ble produsert i Schlesien . [ 19 ] Så det var først på 1500-tallet at kunnskapen ble generalisert i Europa.
Vanlige metallmalmer er vanligvis sulfider. I de siste århundrene har etterklangsovnen blitt brukt for å få den . Disse holder drivstoffet og smelteverksmalmene atskilt. Tradisjonelt ble de brukt til å utføre det første trinnet: dannelsen av to væsker, en oksidert slagg som inneholdt mesteparten av urenhetene og en sulfidmatte som inneholdt ønsket metallsulfid og noen urenheter. Disse smelteovnene er i dag ca. 40 m lange, 3 m høye og 10 m brede. Brennstoffet som brenner i den ene enden og dets varme smelter de konsentrerte sulfidene (vanligvis etter delvis kalsinering), som mates gjennom åpningen i ovnstaket. Slaggen flyter oppå den tyngre matten og kastes for deponering eller resirkulering. Sulfidmatten sendes deretter til en metallurgisk omformer . Detaljene i denne prosessen varierer mellom ovner avhengig av egenskapene til mineralene som utgjør malmen og deres konsentrasjon.
Selv om etterklangsovner har svært god ytelse fordi de produserer slagg som inneholder svært lite kobber, er de relativt energiineffektive og produserer en lav konsentrasjon av svoveldioksid i gassene de slipper ut, noe som gjør det vanskelig å fange opp, og følgelig erstattes de av en ny generering av kobbersmelteteknologier. [ 20 ] De nyeste smelteovnene er basert på badsmelting, oksygenlansinjeksjon, autogen smelting eller masovnsteknologier. Noen eksempler på badsmelting er blant annet Noranda-ovnen, Isasmelt- ovnen , Teniente-reaktoren, Vunyukov-ovnen og SKS-teknologi. Den som injiseres av oksygenlansen er representert av Mitsubishi-smelteverksreaktoren. Autogen smelting står for 50 % av verdens kobbersmelting. Det finnes mange flere varianter av støpeprosesser som Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF og BF.