Grundlagen der Metallurgie: Prozesse, Eisen & Aluminium

Einführung in die Metallurgie

Metalle sind elektropositiv (sie neigen dazu, Elektronen abzugeben), leiten Wärme und Strom gut und besitzen eine kristalline Festkörperstruktur. Ihre Atome sind in den Knoten eines regelmäßigen Netzwerks angeordnet. Metalle sind zudem isotrop (sie weisen in allen Richtungen identische Eigenschaften auf).

Grundbegriffe der Metallgewinnung

• Mineral: Natürlich vorkommende Substanz mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung.
• Erz: Eine Mineralvorkommen, in dem die Konzentration eines bestimmten Metalls ausreichend ist, um dessen Gewinnung wirtschaftlich zu machen.
• Gangart (oder Schnäppchen): Der Teil des Erzes, der keine brauchbaren Mineralien enthält (Abfallmaterial).

Die Schritte des Metallurgischen Verfahrens

Die metallurgischen Verfahren umfassen folgende Hauptschritte:

1. Gewinnung des Metalls: Aus den Erzen.
2. Raffinierung oder Reinigung: Des gewonnenen Metalls.
3. Herstellung von Legierungen: (Homogene feste Lösung aus zwei oder mehr Metallen oder einem Metall/Metallen mit einem oder mehreren Nichtmetallen).
4. Weiterverarbeitung: Mechanische, thermische oder thermochemische Behandlungen zur Optimierung der Eigenschaften.

Metallgewinnung und Konzentration

Die Gewinnung des Metalls beginnt mit der Konzentration, bei der der Großteil der Gangart (Abfallmaterial) vom wertvollen Mineral getrennt wird.

Methoden der Erzvorbereitung

• Flotation: Verfahren zur Entfernung wertloser Materialien (Gangart).
• Amalgamation: Bildung einer Legierung aus Quecksilber und anderen Metallen zur Trennung.
• Magnetische Trennung: Nutzung der ausgeprägten magnetischen Eigenschaften bestimmter Mineralien (z. B. Magnetit-Konzentrat), wobei Elektromagnete das Metall anziehen, aber nicht die Gangart.

Vorbehandlungen zur Entfernung von Verunreinigungen

• Rösten: Umwandlung von Sulfiden in Oxide durch Erhitzen in Luft.
• Kalzinierung: Umwandlung von Carbonaten oder Hydroxiden in Oxide (oder andere Verbindungen mit geringerem Volumen).

Reduktions- und Raffinationsverfahren

• Chemische Reduktion: Einsatz eines Reduktionsmittels, das elektropositiver ist als das zu gewinnende Metall.
• Elektrolytische Reduktion: Angewandt bei sehr elektropositiven Metallen.
• Destillation: Metallreinigung durch Destillation, wenn das Metall flüchtiger ist als die Verunreinigungen.
• Elektrolyse: Elektrochemische Reinigung (z. B. von Cu, Ag, Au, Al).
• Zonenreinigung (Refinado nach Gebiet): Die Verunreinigungen lösen sich im geschmolzenen Metall, während das reine Metall kristallisiert.

Metallurgie von Eisen und Stahl

Eisen gehört zu den industriell wichtigsten Metallen (Artikel 18).

Eisenherstellung im Hochofen

Die Eisenmetallurgie beinhaltet die chemische Reduktion von Eisenerz (Mineralien) mithilfe von Kohle (Koks) in einem Hochofen.

Der Produktionsprozess von Roheisen

Die Hauptkomponenten und ihre Vorbereitung:

1. Eisenerz: Gewinnung, Transport, Aufbereitung des Minerals.
2. Koks (Kohle): Gewinnung, Aufbereitung (poliert, erhitzt).
3. Kalkstein: Transport, Aufbereitung (Waschen, Brechen, Sieben).

Alle Komponenten werden dem Hochofen zugeführt (unter Zufuhr von heißer Luft), wobei als Endprodukte Schlacke und Roheisen entstehen.

Stahlgewinnung und Raffination

Stahl wird durch die Beseitigung von Verunreinigungen aus dem Roheisen und die anschließende Zugabe entsprechender Mengen an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen gewonnen. Dieser Prozess beinhaltet die Umwandlung der Verunreinigungen durch Oxidation.

Chemische Prozesse bei der Stahlproduktion

• Kohlenstoff verbrennt mit Sauerstoff zu CO- und CO₂-Gasen, die über den Rauch abgeführt werden.
• Mangan oxidiert und geht in die Schlacke über, wo es sich mit Siliziumdioxid zu Silikaten verbindet.
• Schwefel wird durch Kalk in der Schlacke gebunden (als Siliziumsulfid). Die Anwesenheit von Mangan begünstigt die Entschwefelung.

Oberflächenschutz von Stahl

Aufgrund der leichten Oxidierbarkeit von Stahl bei Kontakt mit Atmosphäre oder Wasser (Korrosion) sind Oberflächenbehandlungen notwendig:

• Verzinkung (Zink): Oberflächliche Beschichtung von Stahlblech zum Schutz.
• Verchromung (Chrom): Oberflächenbeschichtung zum Schutz vor Oxidation und zur Verschönerung.
• Vernickelung (Nickel): Beschichtung im Nickelbad.
• Brünierung: Eine Säurebehandlung für kleine Stahlteile (z. B. Schrauben), die eine schützende Oxidschicht erzeugt.
• Lackierung (Farbe).

Aluminiumgewinnung

Das Haupterz von Aluminium ist Bauxit, das aus Aluminiumoxid (mit unterschiedlichem Hydratationsgrad) und Verunreinigungen, oft Eisenverbindungen, besteht.

Das Bayer-Verfahren (Gewinnung von Aluminiumoxid)

1. Mahlen des Bauxits.
2. Lösen: Zugabe von Natronlauge bei hoher Temperatur und hohem Druck, wodurch die Aluminiummineralien gelöst werden.
3. Trennung: Die unlösliche Gangart (Rotschlamm) bleibt zurück.
4. Kristallisation: Das gelöste Aluminium wird als Aluminiumhydroxid umkristallisiert.
5. Kalzinierung: Das Aluminiumhydroxid wird bei hoher Temperatur gebrannt, um reines Aluminiumoxid (Tonerde) zu erhalten.

Der Hall-Héroult-Prozess

Die eigentliche Aluminiumgewinnung erfolgt durch Elektrolyse des Aluminiumoxids.