Metallurgia

Metallurgia (kreeka liitsõnast "metallurgeō" – 'töötlen metalle') on teadus-, tehnika- ja tööstusharu. See hõlmab metallide ja metallisulamite valmistamist ning nendest lihtsamate toodete valmistamist. Metallurgia-ala spetsialisti nimetatakse metallurgiks.
Kitsamas mõttes kuulub metallurgia valdkonda kõigist metallisulamitest kas valades, valtsides, pressides, tõmmates vm. viisil mitmesuguste toodete, detailide ja konstruktsioonide valmistamine. Selle tegevusala ja masinaehituse üleminekupiirid on ebaselged ja sageli paiknevad metallimahukad tööstusettevõtted geograafiliselt lähestikku, et transpordikulusid minimeerida.
Ajalugu.
Esimesed tõendid metallurgiast pärinevad Serbia aladelt (dateeritud 5.–6. aastatuhat eKr). Varajast metallurgilist tegevust on leitud ka Portugali, Hispaania ja Suurbritannia (Stonehenge) aladelt (3. aastatuhat eKr). Hõbe, vask, tina ja meteoriitraud olid esimesed metallid, mida inimene hakkas töötlema, näiteks egiptlaste tapariistad olid tehtud meteoriitrauast (~ 3500 aastat eKr). 3500 aastat eKr algas pronksiaeg, sest tina ja vaske õpiti tegema sulamiks, mis oli paremate omadustega materjal tööriistade jm valmistamiseks. 1200 a eKr algas rauaaeg. Raua valmistamine maagist oli aga oluliselt keerukam.
Metallurgia kui teadusharu.
Metallurgia kui teadusharu uurib metallide ja nende sulamite omadusi ning tootmise ja töötlemise tehnoloogiat.
Metallurgia kui tööstusharu.
Must metallurgia.
Must metallurgia sai alguse Euroopast 15. sajandil, mil hakati sulatama töönduslikult rauda ja malmi. Must metallurgia toodab rauasulameid (malm, teras, ferrosulamid), millele on lisatud muud metallid. Peamine tooraine on rauamaak, selle kõrval on ka tähtis tooraine mangaan, mida lisatakse terasele selle kulumiskindluse suurendamiseks. Maagi rikastamine ja esmane töötlemine toimub tavaliselt maardlates, enamik toodangust eksporditakse. Rauamaaki jagatakse rikkaks, kus raua sisaldus üle 55%, keskmiseks (raua sisaldus 40–55%) ja vaeseks (raua sisaldus 20–40%). Viimastel aastatel kasvab sekundaarse tooraine (vanametalli) kasutamine kiiresti. Peamised rauamaagi tootjad ja eksportijad on Austraalia, Brasiilia, Hiina, India, Lõuna-Aafrika Vabariik ja Venemaa. Peamised terasetootjad on Põhja-Euroopa riigid (60%).
Värviline metallurgia.
Peamised toorained on vasemaak ja alumiiniumi tooraine boksiit. Vanad värvilised metallid on vask, plii, tsink ja tina. Vasemaaki on palju Tšiilis, USA-s, Aafrika keskosas (Sambia ja Kongo DV territooriumil). Alumiinium on toodangu mahult teisel kohal, looduses on Al metallidest esikohal (8,8% maakoore massist). Suurimad boksiidivarud on Guineal, Austraalial, Brasiilial, Jamaical. Suurimad importijad on USA, Lääne-Euroopa ja Jaapan. Alumiiniumi sulatamine on väga energiamahukas – 1 tonni tootmine vajab 14 000 kWh energiat. Vanametallist toodetakse 1/3 maailma alumiiniumist. Vase ja alumiiniumi kõrval töödeldakse värvilises metallurgias veel üle 70 metalli, suurema mahuga on plii ja tsink, nende metallide rohke kasutamisega on seotud autotööstus. Värviliste metallide maagid sisaldavad tavaliselt mitut metalli (niinimetatud polümetallid ehk liitmaagid), mistõttu ühes maardlas kaevandatakse sageli mitut metalli.
Metallurgia protsessid.
Pürometallurgia.
Vanimaks ja kõige levinumaks metallurgiaharuks on pürometallurgia ("püro" tähendab ladina keeles leeki). Selle käigus sulatatakse metall maagist välja kõrge temperatuuriga. Kõrge temperatuuriga leek saadakse kütuste põletamisel. Nii toodetakse rauda ja tema sulameid, vaske jne. Redutseerijate järgi jagatakse pürometalluriga karbotermiaks (redutseerija on süsinik), metallotermiaks (redutseerijaks on aktiivne metall) ja vesiniku kasutamisega pürometallurgiaks. Pürometallurgias kasutatakse mitmesuguseid sulatusahje:
Hüdrometallurgia.
Hüdrometallurgia põhineb maakide töötlemisel niisuguste kemikaalide lahustega (hapete, leeliste), mis maagis oleva metalliga reageerides viivad selle ioonidena lahusesse. Lahuse järgneval töötlemisel eraldatakse metall sellest lihtainena. Nii toodetakse näiteks kulda ja vaske. Niimoodi toodetud vask pole just eriti puhas ja sisaldab väheaktiivsete (väärtuslike) metallide lisandeid. Soomlased toodavad vase puhastusjääkidest 800 kg kulda aastas. Sellest jätkub maa elektroonikatööstuse vajadusteks. Vase puhastusjääkidest toodetakse ka praktiliselt kogu germaanium, mis on samuti elektroonikale oluline element.
Kloormetallurgia.
Mitmeid värvilisi metalle toodetakse kloormetallurgiliselt. Sel juhul töödeldakse toormaaki klooriga. Metallid muutuvad klooriga reageerides kloriidideks, sel kujul nad eraldatakse ja seejärel töödeldakse puhtaks metalliks. Nii toodetakse näiteks titaani ja tina.
Elektrometallurgia.
Selle protsessi puhul on tegu elektrolüüsiga, mille puhul sulatiste elektrolüüs on ainus majanduslikult mõistlik meetod aktiivsete metallide tootmiseks. Nii toodetakse näiteks palju alumiiniumit ja magneesiumit. Elektrolüüs on väga energiakulukas.
Metalluriga Eestis.
Kirde-Eestis tegutsev AS Silmet on üks Euroopa suuremaid haruldaste metallide ja haruldaste muldmetallide tootjaid ning ka üks Eesti suuremaid teaduspõhiseid kõrgtehnoloogilisi ettevõtteid. Ligikaudu 550 töötajaga AS-i Silmet tootmine hõlmab kolme vabrikut: haruldaste muldmetallide vabrik, haruldaste metallide vabrik, metallurgiavabrik. Haruldaste muldmetallide aastatoodangu maht ulatub 3000 tonnini, haruldastel metallidel 700 tonnini. 2010. aastal toodeti 95% kogu maailma haruldaste metallide toodang Hiinas ja ülejäänud 5% AS-is Silmet.