Technieken voor het maken van metaal uit erts voor industrieel gebruik
De winning van metalen uit ertsen vormt een cruciale basis voor diverse industriële sectoren, van de bouw en de auto-industrie tot de energie- en elektronicasector. Vrijwel alle metalen materialen die door de mens worden gebruikt, zijn oorspronkelijk afkomstig van mineralen in de aardkorst. Deze mineralen moeten via een reeks technische stappen worden verwerkt tot zuivere metalen of legeringen met de vereiste mechanische en chemische eigenschappen. Dit proces, bekend als extractieve metallurgie, omvat mijnbouw, ertsbewerking, scheiding van waardevolle mineralen, metaalwinning en raffinage. In de industriële praktijk wordt de keuze van de techniek sterk beïnvloed door het type erts, het metaalgehalte, onzuiverheden, economische factoren, energiebehoefte en milieubelasting.
1. Kenmerken van het erts en bepaling van de extractiemethode
Een erts is een gesteente of mineraal dat een metaal bevat in een voldoende hoge concentratie om economisch te kunnen worden gewonnen en verwerkt. Het metaal kan aanwezig zijn als een oxide (bijv. Fe₂O₃ in hematiet), een sulfide (bijv. CuFeS₂ in chalcopyriet), een carbonaat (bijv. ZnCO₃ in smithsoniet) of zelfs als het vrije element (bijv. goud). Elke chemische vorm vereist een andere aanpak. Oxide-ertsen zijn relatief gemakkelijk te reduceren tot metaal, terwijl sulfide-ertsen over het algemeen een roostproces vereisen om het sulfide om te zetten in oxide vóór reductie of smelten.
Daarnaast bepalen het metaalgehalte en het type ganggesteente (onzuiverheden zoals silica, aluminiumoxide of kalksteen) de scheidingsstrategie. Laagwaardige ertsen vereisen vaak een intensievere concentratie voor een efficiënte daaropvolgende winning. In de moderne industrie worden mineralogische en chemische analyses (bijv. XRF, XRD of gehaltebepalingen) uitgevoerd om de beste verwerkingsroute te bepalen.
2. Ertsbewerking: Breken en malen
De eerste fase van de ertsverwerking in de fabriek is het verkleinen van de deeltjesgrootte om waardevolle mineralen van het ganggesteente te scheiden. Dit proces begint doorgaans met het breken van de deeltjes met een kaakbreker of kegelbreker tot een grootte van enkele centimeters. Daarna volgt het vermalen met een kogelmolen of SAG-molen tot fijnere deeltjesgroottes, soms zelfs tot tientallen microns, afhankelijk van de eisen van het scheidingsproces.
De sleutel tot succes in deze fase is het vinden van een evenwicht tussen delfstoffenwinning en energieverbruik. Te fijn malen kan de elektriciteitskosten verhogen en de scheiding bemoeilijken, terwijl te grof malen waardevolle mineralen aan het ganggesteente bindt, waardoor de winning afneemt.
3. Ertsconcentratie: Scheiding van waardevolle mineralen
Zodra de deeltjesgrootte geschikt is, wordt het erts verrijkt met behulp van concentratiemethoden om het metaalgehalte te verhogen. Enkele veelgebruikte technieken zijn:
1. Flotatie (schuimflotatie)
Het is zeer effectief voor sulfide-ertsen zoals koper, lood en zink. Het principe is gebaseerd op het benutten van verschillen in de oppervlakte-eigenschappen van mineralen. Bepaalde reagentia maken waardevolle mineralen hydrofoob, waardoor ze zich hechten aan luchtbellen en vervolgens als schuim naar boven drijven, dat vervolgens als concentraat wordt opgevangen.
2. Scheiding door zwaartekracht
Deze methode wordt gebruikt wanneer er aanzienlijke dichtheidsverschillen zijn, zoals in alluviale goudertsen, cassiteriet (SnO₂) of bepaalde ijzermineralen. De apparatuur kan bestaan uit een jig, een spiraalconcentrator of een schudtafel.
3. Magnetische scheiding
Geschikt voor magnetische mineralen zoals magnetiet (Fe₃O₄) of voor het scheiden van bepaalde onzuiverheden. De magnetische intensiteit kan worden aangepast van laag tot hoog, afhankelijk van de eigenschappen van het mineraal.
4. Wassen en sorteren
Bij bepaalde ertsen kunnen kleiverontreinigingen worden verminderd door te wassen. Sortering kan handmatig of met behulp van sensorgestuurde sortering plaatsvinden om laagwaardige gesteenten te scheiden alvorens ze verder te verwerken.
Het resultaat van deze fase is een metaalrijk concentraat en afvalstoffen (residu) die op een veilige manier verwerkt moeten worden.
4. Pyrometallurgie: Winning van metalen met behulp van hoge temperaturen
Pyrometallurgie is de techniek voor het winnen van metalen door middel van reacties bij hoge temperaturen, meestal met smelten en reductie als gevolg. Het vormt de basis van de productie van ijzer en veel non-ferrometalen.
a. Roosteren en calcineren
– Roosteren: het verhitten van sulfide-erts met zuurstof om oxiden en SO₂ te produceren. Voorbeeld: het verwerken van kopersulfideconcentraat vóór het smelten.
– Calcinatie: het verhitten van carbonaten of hydroxiden om CO₂ of H₂O vrij te maken, bijvoorbeeld bij sommige zinkertsen.
b. Smelten en reductie
Bij het smeltproces wordt erts of concentraat gemengd met een reductiemiddel (zoals cokes of koolstof) en een vloeimiddel (zoals kalksteen) en vervolgens verhit in een oven. Het vloeimiddel helpt de onzuiverheden te binden tot slak, die zich afscheidt van het gesmolten metaal.
Het bekendste voorbeeld is de hoogoven voor ijzer: ijzererts wordt door koolmonoxide gereduceerd tot vloeibaar ijzer (ijzerhoudend ijzer), terwijl silica en andere onzuiverheden samen met CaO uit kalksteen slak vormen.
c. Initiële omzetting en raffinage
Bij het smelten van koper ontstaat doorgaans matte (een mengsel van sulfiden), dat vervolgens wordt omgezet om het kopergehalte te verhogen. Om ijzer tot staal te verwerken, wordt het hete metaal behandeld in een basische zuurstofoven (BOF) of een elektrische vlamboogoven (EAF) om het koolstofgehalte te verlagen en de legeringssamenstelling te beheersen.
Pyrometallurgie blinkt uit in grote capaciteit en processnelheid, maar vereist veel energie en systemen voor emissiebeheersing (stof, SO₂, CO₂).
5. Hydrometallurgie: Winning van metalen via oplossingen
Hydrometallurgie maakt gebruik van het selectief oplossen van metalen uit erts in een oplossing (uitloging), waarna de metalen worden teruggewonnen door middel van precipitatie, solventextractie of elektrolytische winning. Deze methode wordt vaak gekozen voor laagwaardige of complexe ertsen.
a. Uitloging
Het type uitloging hangt af van het metaal en het mineraal:
– Zwavelzuur voor bepaalde koperoxiden of laterieten.
– Cyanidatie van goud en zilver (met zeer strikte veiligheidsvoorschriften).
– Alkalische uitloging voor bauxiet (het Bayer-proces produceert aluminiumoxide).
Uitloging kan plaatsvinden in een uitlogingshoop, een uitlogingstank (reactor) of een drukautoclaaf voor reacties die een hoge temperatuur/druk vereisen.
b. Metaalscheiding en -terugwinning
Nadat het metaal is opgelost, moet de oplossing worden gezuiverd van onzuiverheden:
– Oplosmiddelextractie (SX) scheidt bepaalde metaalionen met behulp van organische oplosmiddelen.
– Bij precipitatie worden metalen of onzuiverheden neergeslagen door de pH en de reagentia aan te passen.
– Elektrowinning (EW) is een proces waarbij metaal via een elektrische stroom op de kathode wordt afgezet, bijvoorbeeld bij SX-EW-koper, wat resulteert in een kathode met een hoog kopergehalte.
Hydrometallurgie is vaak selectiever en kan de luchtvervuiling verminderen, maar vereist een goed afvalwaterbeheer en stabiliteit van de residuen.
6. Elektrometallurgie: op elektriciteit gebaseerde productie en raffinage
Elektrometallurgie maakt gebruik van elektrische stroom om metalen te produceren of te zuiveren. Twee belangrijke toepassingen zijn:
1. Elektrolyse van gesmolten zout
Gebruikt voor aluminium. Aluminiumoxide (Al₂O₃) wordt opgelost in gesmolten cryoliet en vervolgens geëlektrolyseerd (het Hall-Héroult-proces). Deze methode is zeer energie-intensief, maar is de industriestandaard geworden omdat aluminium moeilijk rechtstreeks met koolstof te reduceren is.
2. Elektroraffinage
Het raffineren van metalen zoals koper: de onzuivere koperen anode lost op en zuiver koper slaat neer op de kathode. Waardevolle onzuiverheden zoals goud of zilver kunnen als anodeslib worden opgevangen en verder worden verwerkt.
Elektrometallurgie blinkt uit in het produceren van zeer zuiver materiaal, maar is afhankelijk van de beschikbaarheid van grote hoeveelheden elektriciteit en strikte procesbeheersing.
7. Kwaliteitscontrole, legering en vorming van industriële producten
Gedelfde metalen worden zelden direct gebruikt zonder aanpassingen in de samenstelling. Industrieën voegen doorgaans legeringselementen toe om specifieke eigenschappen te verkrijgen: chroom en nikkel voor corrosiebestendigheid in roestvrij staal, of magnesium en silicium in aluminiumlegeringen voor sterkte en vervormbaarheid. Verdere verwerking omvat ontgassing, ontzwaveling en beheersing van zuurstof en stikstof. Het product wordt vervolgens gevormd door gieten, walsen, smeden of extrusie, afhankelijk van de behoeften van de industriële toeleveringsketen.
8. Milieu- en duurzaamheidsaspecten
De metaalwinningsindustrie staat voor aanzienlijke uitdagingen: CO₂-uitstoot door thermische processen, SO₂-uitstoot door sulfide-ertsen en het beheer van residuen. Moderne technologieën omvatten daarom zwavelafvang voor de productie van zwavelzuur, het gebruik van hernieuwbare energie bij elektrolyse, recycling van proceswater en stabilisatie van residuen volgens hoge veiligheidsnormen. Bovendien wordt metaalrecycling (secundaire metallurgie) steeds belangrijker om de afhankelijkheid van nieuw erts te verminderen en de CO₂-uitstoot te verlagen.
Sluitend
Het proces voor de productie van metalen uit ertsen voor industrieel gebruik omvat een complexe en onderling verbonden reeks processen: van voorbereiding en concentratie tot pyrometallurgie, hydrometallurgie en elektrometallurgie. Elk metaal heeft een andere productieroute, afhankelijk van de chemische eigenschappen van het mineraal en de economische en milieueisen. Dankzij technologische vooruitgang streeft de industrie steeds meer naar efficiëntere, selectievere en duurzamere processen, zodat aan de behoeften op het gebied van metaalontwikkeling en innovatie kan worden voldaan zonder de veiligheid en milieuduurzaamheid in gevaar te brengen.
