Εξαγωγική μεταλλουργία

Ιστορία

Η παραγωγή μετάλλων με πυρομεταλλουργικές τεχνικές έχει μεγάλη ιστορία. Ξεκινάει με την ανακάλυψη και την κατεργασία αυτοφυούς χρυσού και αυτοφυούς χαλκού στα προϊστορικά χρόνια. Εικάζεται ότι η κατεργασία χαλκού με πυρομεταλλουργικές τεχνικές ήταν γνωστή στους Χετταίους από το 5000 π.Χ. Η Εποχή του Χαλκού ξεκινάει γύρω στο 3000 π.Χ., όταν ο άνθρωπος ανακάλυψε ότι μπορούσε να παράγει ένα κράμα χαλκού–κασσίτερου — το κρατέρωμα ή μπρούντζος — συντήκοντας κασσιτερίτη (SnO₂) με οξειδωμένα μεταλλεύματα χαλκού. Εκείνη την εποχή, μεγάλης σημασίας ήταν τα κοιτάσματα χαλκού της Κύπρου.
Η Εποχή του Σιδήρου ξεκινάει γύρω στο 1200 π.Χ., αν και ο άνθρωπος γνώριζε ήδη τον αυτοφυή σίδηρο από τους μετεωρίτες. Οι αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν πώς να παράγουν μόλυβδο με την φρύξη γαληνίτη (PbS) και την αναγωγή του φρύγματος (λιθάργυρος) σε φρεατώδεις καμίνους, αλλά πιο πολύ τους ενδιέφερε η παραγωγή αργύρου με την τεχνική της κυπέλωσης (ψύξη και κλασματική κρυστάλλωση του αργύρου). Οι Ρωμαίοι ήταν αυτοί που άρχισαν να παράγουν ορείχαλκο (κράμα χαλκού–ψευδάργυρου) για την κοπή νομισμάτων, αλλά καθαρό ψευδάργυρο παρήγαγαν πρώτοι οι Ινδοί κατά την περίοδο του Μεσαίωνα.
Η μεταλλουργία ως επιστήμη καθιερώθηκε μετά την Αναγέννηση. Τότε άρχισε να εξαπλώνεται και η παραγωγή χυτοσιδήρου με την υψικάμινο. Με την πρόοδο της ανόργανης υδατικής χημείας, προς τα τέλη του 19ου αι., εμφανίστηκαν και οι υδρομεταλλουργικές μέθοδοι παραγωγής μετάλλων. Η κατεργασία μεταλλευμάτων χρυσού με κυανιούχα διαλύματα για την εξαγωγή του πολύτιμου μετάλλου άρχισε το 1887. Την ίδια χρονιά, ο αυστριακός Karl Bayer ανακάλυψε την ομώνυμη μέθοδο για την εκχύλιση βωξίτη σε διαλύματα καυστικού νατρίου (NaOH)

Μηχανική προπαρασκευή

Το πρώτο στάδιο της μηχανικής προπαρασκευής είναι η θραύση, κατά την οποία τα μεγάλα τεμάχια του εξορυσσόμενου μεταλλεύματος θρυμματίζονται σε τεμάχια μεγέθους μερικών εκατοστών σε μεγάλους θραυστήρες, που μπορεί να είναι γυροσκοπικοί, κωνικοί, σιαγονωτοί, περιστροφικοί–κρουστικοί, κ.ά. Ακολουθεί η λειοτρίβηση, προκειμένου το μέγεθος των τεμαχιδίων να μειωθεί στα 10 έως 300 μm. Η λειοτρίβηση γίνεται σε περιστρεφόμενους μύλους, οι οποίοι, αναλόγως του μέσου λειοτρίβησης που περιέχουν, μπορεί να είναι σφαιρόμυλοι (το μέσο λειοτρίβησης είναι μεταλλικές σφαίρες), ραβδόμυλοι (το μέσο λειοτρίβησης είναι μεταλλικές ράβδοι) ή αυτογενείς μύλοι (το μέσο λειοτρίβησης είναι το ίδιο το μετάλλευμα). 
Μετά από κάθε στάδιο θραύσης ή λειοτρίβησης, συνήθως μεσολαβεί ένα στάδιο ταξινόμησης ως προς το μέγεθος των τεμαχιδίων με κόσκινα (δονούμενα, περιστροφικά, κ.ά.), κοχλιωτούς υδροταξινομητές ή κυκλώνες (υδροκυκλώνες, αεροκυκλώνες). Συχνά το ταξινομημένο μετάλλευμα υπόκειται και σε έκπλυση για την απομάκρυνση της λεπτόκοκκου ιλύος.

Εμπλουτισμός

Ο εμπλουτισμός του προπαρασκευασμένου υλικού είναι στην ουσία ο διαχωρισμός του μεταλλεύματος από το στείρο με μεθόδους φυσικές. Ο εμπλουτισμός μπορεί να γίνει με χειροδιαλογή, οπτικό διαχωρισμό, βαρυτομετρικό διαχωρισμό, ηλεκτροστατικό διαχωρισμό, μαγνητικό διαχωρισμό, και επίπλευση (μέθοδος που στηρίζεται στην διαφορά υδρόφιλο–υδρόφοβο ανάμεσα στο μετάλλευμα και τα άλλα ορυκτά). 
Το καθαρό μετάλλευμα που παράγεται λέγεται συμπύκνωμα και διατίθεται για την εξαγωγή μετάλλου. Το στείρο χωρίς οικονομική αξία λέγεται απόρριμμα και συνήθως εναποτίθεται σε χώρους κοντά στο εργοστάσιο εμπλουτισμού.

Επεξεργασία συμπυκνώματος

Εάν το συμπύκνωμα εμπλουτίζεται με κάποια υγρή μέθοδο, ο πολφός του συμπυκνώματος υποβάλλεται σε πύκνωση σε μεγάλες κυλινδρικές δεξαμενές που αποκαλούνται πυκνωτές, διήθηση σε διηθητήρες (φίλτρα) διαφόρων τύπων (κυλινδρικοί διηθητήρες, δισκόφιλτρα, φιλτρόπρεσες) και ξήρανση σε περιστροφικές καμίνους.
Συμπυκνώματα που είναι υπερβολικά λεπτόκοκκα για τις ανάγκες του καταναλωτή υποβάλλονται σε συσσωμάτωση με την προσθήκη μπεντονίτη ή άλλων συνδετικών υλικών, και πύρωση σε περιστροφικές ή φρεατώδεις καμίνους (πυροσυσσωμάτωση).

Πυρομεταλλουργικές διεργασίες

Η φρύξη του μεταλλεύματος σκοπό έχει να μετατρέψει τις κύριες στερεές φάσεις της τροφοδοσίας (μεταλλεύματος ή συμπυκνώματος) σε κάποιες άλλες φάσεις που είναι πιο ευκατέργαστες. Ανάλογα με το προϊόν της διεργασίας αυτή, γίνεται λόγος για οξειδωτική φρύξη (παραγωγή οξειδίων), αναγωγική φρύξη (μερική ή ολική αναγωγή μεταλλικών ενώσεων), θειωτική φρύξη (παραγωγή θειικών ενώσεων), χλωριωτική φρύξη (παραγωγή χλωριούχων ενώσεων), κ.λπ. Οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται για την φρύξη μεταλλευμάτων και συμπυκνωμάτων είναι συνεχούς λειτουργίας, όπως η θερμαινόμενη αλυσιδωτή κάμινος (κάμινος Dwight–Lloyd), η κατακόρυφη περιστροφική κάμινος (κάμινος Nichols–Herreshoff) και η κάμινος ρευστοστερεάς κλίνης.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αναγωγή γίνεται σε στερεά κατάσταση, όπως συμβαίνει, π.χ., κατά την παραγωγή σπογγώδους σιδήρου σε ειδικές φρεατώδεις καμίνους. Όμως πιο συχνά, η αναγωγή των μεταλλικών ενώσεων γίνεται στην υγρή κατάσταση. Για παράδειγμα, με την αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων στην υψικάμινο προκύπτει υγρός χυτοσίδηρος. Μαζί με το αργό μέταλλο παράγεται και μία άλλη φάση, η σκουριά, που είναι μείγμα τηγμένων οξειδίων που ως ελαφρύτερα δεν αναμειγνύονται με το τηγμένο μέταλλο. Έτσι η απόχυση του μετάλλου γίνεται χωριστά από την απόχυση της σκουριάς.
Σε μερικές περιπτώσεις, πριν την παραγωγή του αργού μετάλλου παράγεται μια ενδιάμεση φάση, η οποία είναι το αποτέλεσμα της μερικής αναγωγής της τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, με την πρώτη αναγωγή θειούχων χαλκομεταλλευμάτων, παράγεται μια φάση που αποκαλείται matte (ματ) και η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μείγμα θειούχου χαλκού (Cu₂S) και θειούχου σιδήρου (FeS).
Ως αντιδραστήρες αναγωγής χρησιμοποιούνται συνήθως φρεατώδεις κάμινοι (όπως η υψικάμινος), κάμινοι ανοικτής εστίας ή έμφλογες κάμινοι, καθώς και ηλεκτρικές κάμινοι.

Επεξεργασία του τήγματος

Το τήγμα που προκύπτει από την πρώτη αναγωγή καθαρίζεται πριν ακόμα στερεοποιηθεί σε μεγάλους μεταλλουργικούς κάδους που αποκαλούνται μεταλλάκτες. Σε μεταλλάκτες ο χυτοσίδηρος μετατρέπεται σε χάλυβα, και η matte του χαλκού μετατρέπεται σε αργό χαλκό.
Περαιτέρω καθαρισμός του τήγματος γίνεται επίσης με προσθήκες αντιδραστηρίων, ώστε να δημιουργηθούν νέες ενώσεις που επιπλέουν πάνω στο τήγμα και ξαφρίζονται.

Εξαγωγική μεταλλουργία και περιβάλλον

Για πολλά χρόνια, η παραγωγή μετάλλων με πυρομεταλλουργικές τεχνικές αποτελούσε την κύρια πηγή μόλυνσης του περιβάλλοντος. Οι καμινάδες των μεταλλουργιών εξέλυαν για εκατοντάδες χρόνια τοξικά αέρια όπως διοξείδιο του θείου (SO₂), οξείδια του αζώτου (NOₓ), κ.ά. Τα υγρά και στερεά απόβλητα των πυρομεταλλουργικών μονάδων περιείχαν μεγάλες ποσότητες ευδιάλυτων τοξικών μετάλλων. Με την βιομηχανική επανάσταση τον 19ο αι., η μόλυνση του περιβάλλοντος από πυρομεταλλουργικά εργοστάσια πήρε δραματικές διαστάσεις. 
Η καταστροφή που επέφερε η όξινη βροχή στα δάση των ανεπτυγμένων χωρών, ανάγκασε πολλές από αυτές τις χώρες να λάβουν μέτρα αντιμετώπισης της ρύπανσης από τις πυρομεταλλουργικές βιομηχανίες. Σήμερα, οι εκπομπές τοξικών αερίων έχουν περιοριστεί δραματικά. Παραμένει ωστόσο το πρόβλημα της εκπομπής μονοξειδίου και διοξειδίου του άνθρακα (CO και CO₂) — αέρια που προκαλούν το γνωστό φαινόμενο του θερμοκηπίου. 
Οι πιο σύγχρονες υδρομεταλλουργικές μονάδες δεν προκαλούν μόλυνση της ατμόσφαιρας. Όμως και η υδρομεταλλουργική παραγωγή μετάλλων μπορεί να επιφέρει σημαντική μόλυνση στο έδαφος και το νερό. Σε πολλές περιοχές όπου εφαρμόζεται η εκχύλιση σε σωρούς, το έδαφος έχει μολυνθεί σημαντικά, ενώ σημαντικά έχει αλλοιωθεί και το περιβάλλον τοπίο, εξαιτίας της εκτεταμένης εξόρυξης που συνδυάζεται με την εκχύλιση σε σωρούς φτωχών μεταλλευμάτων. Σημαντικά περιβαλλοντικά ατυχήματα έχουν επίσης συμβεί σε υδρομεταλλουργικές μονάδες παραγωγής χρυσού όπου χρησιμοποείται η μέθοδος της κυάνωσης.