Bir önceki yazımda üretim metalürjisine giriş yapmıştık. Toprak altında bulunan değerli maden ve cevherlerin üretim metalürjisindeki yerini kaleme almıştım. Bu yazımda ise cevherin topraktan çıkarılıp, ısı ile muamelesi dahil olmak üzere cevherin başından geçenleri anlatacağım.
Toprakta bulunan her mineral cevher adını alamaz. Bunun sebebini ilk yazımda belirtmiştim. Belirli bir ekonomik değer taşımayan mineral birikintileriyle pekte işimiz olmaz. Maden tetkikçilerle saptanan ve tenörü hesaplanan minerallerimiz cevher adını aldıklarında başlarına geleceklerden pek habersizlerdir.
Bu karmaşık işlemlerin başında kaba kuvvet içeren ve fazlaca güç gerektiren kırma, öğütme gibi işlemler gelir. Topraktan çıkarılan maden öncelikle yıkanır ve çamuru –organik kalıntılar- arındırılır. Sonrasında ilk iş, tane küçültme amaçlı kırma işlemine geçilmesidir. İstenilen tane boyutuna inilene kadar cevherler ufalanacak şekilde kırıcılarda işlenir. Kırılan cevherin öğütülmesinde tane boyutu daha da küçültülür ve cevherin fiziksel yoğunluğu sıkışma etkisinden dolayı artar. Tabii ki de çok fazla ince cevher istenmez. Bunu ileride demir üretiminde açıklayacağım.
Kırma, öğütme gibi işlemlerin ardından cevherler sinterleme denen bir işleme maruz bırakılırlar. Sinterleme, çok küçülen tane boyutunu artıracak ve yapıda gözenekler oluşturacak bir işlemdir. Yüksek fırın veya siklona girecek cevherin aşırı uçucu özellik göstermesi pek istenmez. Ayrıca içerisi tam bir cehennem havasında olacağından cevherin kırma mukavemetinin yüksek olması gerekmektedir. Cevher tozunun ve çok küçük parçalarının sinterleme aşamasında aglomerasyonu –tane büyütmesi- ile hem kırma mukavemetleri artar hem de yapılarında katı-gaz reaksiyonların hızlanması için gerekli olan boşluklar açılmış olur.
Metaller doğada saf halde bulunmamaktadır. Oksitli ve sülfürlü bileşikleri çok kararlı olduğundan genellikle bu fazlarda bulunurlar. Yani metaller kararlı yükseltgenme basamaklarına ulaşmış durumdadırlar ve saflaştırılabilmeleri için bu yükseltgenme durumundan indirgenmeleri gereklidir. Aslında olay doğada geçirdiği oksidasyon ve sülfürasyon reaksiyonlarını tersine çevirmektir. Ekzotermik olarak kendiliğinden gerçekleşmiş oksidasyon reaksiyonunu geriye çeviripte metali saf olarak elde etmek için fazlaca enerji gereklidir.
Metallerin sülfürlü bileşikleri tam bir baş belasıdır. Örneğin, bakırın üretiminde esas alınan kalkopirit (CuFeS2) veya demir üretiminde kullanılan pirit (FeS2) indirgenmemek için ayak direrler. Bu yüzden bu tip inatçı bileşikler kademeli olarak indirgenerek saflaştırılırlar. Sülfürlü bileşiklerden kurtulmanın tek ve en etkili yolu “kavurma” işlemidir. Kavurma, sıcak hava beslemesi yapılan bir fırın içerisinde sülfürlü metal bileşiklerinin oksitli bileşiklere dönüştürülme işlemidir. Ortam sıcaklığı reaksiyon aktivasyonu gereğince 800–1000 derece civarındadır. Örneğin, pirit (FeS2) kavrularak demir (II) oksite bir basamak indirgenir. Kimyasal olarak indirgenme yeteneği en fazla olan demir bileşiği Limonit ve Hematittir. Yani piritin kavrulması sonucu büyük oranda açığa çıkan demir (II) oksit çokta indirgenmeye müsait değildir. Bu yüzden bir sonraki adımda demir (II) oksit oranına göre sıcaklık daha fazla arttırılacak ve pik demirin üretiminde bu konu daha detaylı irdelenecektir.
İndirgenme yatkınlığıyla ilgili basitçe bir tanımlama yapmam gerekirse kendi modelimi anlatmayı yeğlerim. Çünkü kimya kitaplarında bu konuda yüzlerce hatta binlerce sayfa teorik bilgiye rastlayabilirsiniz. Hayli kıskanç ve paylaşımcı olmayan inatçı küçük bir kız düşünün. Elindeki şekeri almak hiçte kolay olmayacaktır. Hadi ver o şekeri derseniz, eminim cevabı olumsuz olacaktır. Fakat bu küçük kızımızın dikkati başka beğenebileceği şeylere çekipte şekerden vazgeçirmeye çalışırsanız, işiniz biraz daha kolay olur ve başarılı olma şansınız yükselir. İşte sülfürlü bileşiklere kavurma işleminin yapılması ve demir üretiminde genellikle limonit ve hematitin tercih edilme sebebi bu modelle açıklanabilir. Sülfürlü bileşiklerimiz inatçı küçük kızımız olarak nitelendirilirse, elindeki şeker elde etmeye çalıştığımız metalimiz, sülfürle yer değiştiren oksijen ise küçük inatçı kızımızın daha çok dikkatini çeken yepyeni bir “barbie bebek” olarak düşünülebilir. Bebeği verirseniz, şekeri alırsınız. Diğer yandan da limonit ve hematit gibi kolay indirgenen bileşikleri daha uysal ve paylaşımcı bir kız çocuğu olarak düşünebilirsiniz. Şekeri almak daha kolay olacaktır.
Bir de karbonatlı bileşikler vardır ki, süt kuzusudur sanki. Nereye çekseniz oraya gelirler ve sizi hiç üzmezler. “Ver yavrum o karbonatı bakayim” dediğinizde sizi kırmaz, biraz ısıtmanızla hemen karbondioksit açığa çıkarır ve kendileri oksitli bileşiklerine yıkılırlar. Sonunda indirgenme yeteneği yüksek metal oksit oluşan bu ısıtma işlemine kalsinasyon denir. Magnezyum karbonat (MgCO3), kalsiyum karbonat (CaCO3) gibi karbonatlı bileşikler 900 derece civarında ısıtılır ve bekletilirse, yapılarından karbondioksit uzaklaşır ve geriye metal oksitimiz kalır.
Cevher içerisinde istenmeyen bileşiklerin nasıl uzaklaştırılacağı ve başka önemli püf noktalarını bir sonraki yazımda kaleme alacağım. Bu yüzeysel bilgilerden sonra anlatacağım işlemlerin her biri bir metalin üretiminde kullanıldığından sonraki yazılarımda doğrudan o metallerin üretimini anlatacağım.
Üretim Metalurjisi isimli yazı dizimizde, bir sonraki yazım “Demir Üretimi”ni bekleyiniz. Takipte kalınız…
Okan Gençoğlu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
