Smältning – hur metaller utvinns ur malm och viktiga metoder

Smältning — hur metaller utvinns ur malm: steg-för-steg guide om masugnar, elektrolys, koppar, aluminium och järn samt viktiga metoder och praktiska tillämpningar.

Smältning är den allmänna termen för processer där man utvinner en metall ur dess naturliga malm. Vissa metaller, till exempel guld, förekommer ofta i naturen som fri metall och behöver då ingen omfattande smältning. De flesta tekniskt viktiga metaller — som järn, koppar, zink och silver, — finns i kemiska föreningar i malmen och måste kemiskt separeras från syre, svavel eller andra grundämnen innan metallen kan erhållas i ren form.

Grundprinciper

Smältning innebär i regel att malmen upphettas till höga temperaturer. Ofta används ett reduktionsmedel — vanligen koks eller träkol — för att ta bort syre från oxider eller för att reducera andra föreningar. Många malmer är oxider, sulfider eller karbonater, och målet är att separera den icke-metalliska delen (bergart, svavel, etc.) så att metallen blir kvar.

Eftersom malmen aldrig är helt ren tillsätts ofta ett flussmedel som underlättar att föra bort orenheter. Kalksten är det vanligaste flussmedlet vid järnframställning; den reagerar med kiselsyra och andra oönskade beståndsdelar och bildar slagg som kan avskiljas. Slaggen kan i många fall återanvändas i byggmaterial som tegel, betong eller vägbeläggning.

Huvudtyper av smältmetoder

• Pyrometallurgi — hög temperaturbehandling (smältning, rostning, reduktion) i ugnar som masugn, konverter eller ljusbågsugn.
• Hydrometallurgi — kemisk utlakning av malm i vätskor följt av utfällning eller elektrowinning (vanligt för koppar i låggradiga malmer).
• Elektrometallurgi — användning av elektrisk ström för att reducera metalljoner i smält form eller i lösning (exempel: Hall–Héroult för aluminium och elektrorefining av koppar).

Exempel på vanliga metaller och deras metoder

Järn

Järn framställs traditionellt i en masugn. En masugn är en hög, vertikal ugn där man staplar lager av koks, järnmalm och kalksten. När varm, förvärmd luft blåses in brinner koks och fungerar som reduktionsmedel — syre avlägsnas från järnoxiderna och bildar kolmonoxid och koldioxid, vilket lämnar flytande järn i botten. Kalkstenen reagerar med kiselsyra och andra mineraler och bildar slagg som tas bort. Det flytande järnet kan vidarebearbetas till stål i processer som masugn–konverter (BF–BOF).

Utöver masugnen finns moderna alternativ som direktreduktion (DRI) där järn reduceras i fast form med naturgas eller kolväten vid lägre temperaturer — vanlig metod för vissa järnmalmer och för att minska koldioxidutsläpp. Historiskt användes enklare metoder som Bloomery, där smidet gav svärd, verktyg och tidig järnframställning.

Aluminium

Aluminium utvinns från bauxit via två steg: först renas bauxiten till aluminiumoxid (Al2O3) i Bayerprocessen (uttvättning) och sedan omvandlas aluminiumoxid till metallisk aluminium genom elektrolys i smält kryolit i Hall–Héroult-processen. Smältningen sker i stora elektriska ugnar (t.ex. ljusbågsugnar eller elektrolytiska celler) där elektrisk ström får aluminiumjonerna att reduceras till metallisk aluminium.

Koppar

Koppar behandlas ofta med en kombination av pyrometallurgi och hydrometallurgi. Sulfidmalmer rostas för att delvis avlägsna svavel, följt av smältning och konvertering för att ge råkoppar (blister copper). För högre renhet används elektrolys (elektrorefining), där koppar löses upp i en elektrolyt och återfälls på en katod som ren koppar. För vissa låggradiga eller oxidhaltiga malmer används löslighetsextraktion och elektrowinning (SX–EW), en hydrometallurgisk metod som ger ren koppar utan smältning.

Zink

Produktion av zink kan ske genom pyrometallurgisk reduktion (t.ex. i retort eller roterande ugn där zink reduceras och destilleras) eller via hydrometallurgiska processer följt av elektrowinning. Valet av metod beror på malmens typ och ekonomiska/energetiska förutsättningar.

Silver och andra ädelmetaller

Silver och guld kan framställas genom smältning, kemisk raffinering och elektrolytisk rening. För silver och guld används särskilda raffineringsmetoder som cupellation och elektrolytisk raffinering för att nå hög renhet.

Utrustning och ugnstyper

• Masugn — för järnframställning.
• Ljusbågsugn — elektrisk ugn som används för smältning av skrot och vissa metaller (t.ex. stål, aluminium i vissa fall).
• Konverter — används för att omvandla råjärn till stål eller för att avsvavla kopparsmältor.
• Reverberatory- och roterande ugnar — vanliga i äldre koppar- och zinksmältning.
• Elektrolytiska celler — för aluminiumframställning och elektrorefining.

Miljö, säkerhet och återvinning

Smältning är energiintensiv och kan ge upphov till utsläpp av koldioxid, svaveldioxid, tungmetaller och partiklar. Modern industri använder rökgasrening, svavelåtervinning, dammfilter och slutna processer för att minska miljöpåverkan. Gruvslitage ger även upphov till avfallstämmer (tailings) som måste hanteras säkert för att undvika mark- och vattenförorening.

Återvinning av metaller är ekonomiskt och miljömässigt mycket fördelaktigt — särskilt för aluminium, där återvinning sparar upp till 95 % av den energi som krävs för att framställa primäraluminium. Skrot smälts ofta i elektriska ugnar och raffineras vidare.

Historisk betydelse

Metallurgi och särskilt smältning har varit avgörande för civilisationers utveckling. De tidigaste belagda spåren av kopparsmältning dateras till cirka 5500–5000 f.Kr. Rester av tidig metallbearbetning har hittats på platser som Pločnik och Belovode i Serbien. Teknikerna utvecklades vidare under bronsåldern och järnåldern och lade grunden för dagens moderna metallindustri.

Sammanfattning

Smältning omfattar ett spektrum av processer — från enkel upphettning och reduktion med kol till avancerad elektrolytisk utvinning — beroende på vilken metall och vilken malmtyp som behandlas. Val av metod styrs av tekniska, ekonomiska och miljömässiga faktorer. Genom tekniska förbättringar, återvinning och reningstekniker kan dagens metallutvinning göras effektivare och mindre skadlig för miljön.

Frågor och svar

F: Vad är smältning?

F: Vilka metaller kräver smältning?

F: Vad används i smältningsprocessen?

F: Hur framställs järn från sin malm?

F: Hur utvinns aluminium ur sin malm?

F: Hur utvinns koppar ur sin malm?

F: När började metallurgin?

Sök med bokstav