Technické kovy - výroba Fe, Al, Cu, Pb, Ag, Zn, Mg, Ti, Hg

Kovy zaujímají 3/4 prvků v periodické soustavě prvků.Vyskytují se jako ryzí ( Ag, Au, Pt), nebo jako rudy - A)oxidické - obsahují oxidy, B) sulfidické - obsahují síru. Výrobou kovů se zabývá hutnictví ( metalurgický průmysl).Kovy se získávají povrchovou, či hlubinnou těžbou. Operace k úpravě rudy jsou drcení, mletí, třídění, flotace, obohacování. Získat kov z rudy jde dvěma způsoby. Prvním je žárová metalurgie, což jsou procesy za vysoké teploty- pražení: převede sulfidické rudy na oxid > termická redukce: pomocí uhlíku, popřípadě vodíku nebo oxidu uhelnatého převede oxid na kov > elektrolýza taveniny: slouží k rafinaci kovu = vyčištění kovu od zbylých nečistot. Druhým způsobem je hydrometalurgie, pochody v roztoku, nejprve se provede loužení ( pomocí kyselin nebo zásad ) a poté se kov z roztoku získá elektrolýzou.

VÝROBA ŽELEZA - Fe

Surovinami (rudami) k výrobě železa jsou siderit -FeCO3- (ocelek), hnědel -Fe2O3 . nH2O, krevel -Fe2O3- ( hematit) a magnetit Fe3O4. Nejčastěji se užívá k výrobě železa hematit.

Chemismus k výrobě železa - redukce Fe2O3 při výrobě probíhá přes FeO

Nejhlavnějšími surovinami při výrobě jsou rudy, koks, který je zdrojem uhlíku a zároveň palivo (dávkuje se ho cca 0,5t na 1 t vyrobeného železa, a vápenec, který je struskotvorná přísada = do strusky se vážou nečistoty z rudy)

Reakce probíhá v tuhé fázi při teplotě 800- 1000 °C. V tuhém železe se rozpouští uhlík a tím snižuje teplotu tavení. Vzniká tavenina (kapalná fáze) při teplotě asi 1200°C. Koks, který se dávkuje do pece slouží jako paliva a redukční činidlo. Vápenec váže hlušinu do strusky.

Výroba probíhá ve vysoké peci, která je 30m (až 50 m s dávkovacím zařízením) vysoká. Suroviny se dávkují shora a z dola přichází předehřátý vzduch. Pec se mírně rozšiřuje, aby nedošlo k uspání. Tavenina železa a strusky se shromažďuje v nístěji, kde je systém 3 otvorů. Horním se vhání vzduch pro spalování koksu, a spodním se periodicky provádí odpich železa a strusky (horní struska, dolní železo). Struska plave na roztaveném železe a chrání jej před oxidací vzduchem. Odpich železa je 1x za 4 až 6 hodin, struska se odpichuje 2x častěji. 

Koks, který se dávkuje do pece musí mít vhodnou zrnitost ( jinak by došlo k ucpání pece). Vysoká pec má šamotovou vyzdívku, ve spodní části bývá grafit- viz. Keramika - žáruvzdorné materiály. Vnější kovový plášť bývá chlazený vodou. 

Produkty: surové železo - výroba litiny, oceli, struska - přísada do cementů, výroba kameniva a štěrků, vysokopecní (kychtový) plyn - slouží k vyhřívání vzduchu.

VÝROBA LITINY 

Vyrábí se ze surového železa v tzv. kuplovnách. Do kuploven se dávkuje surové železo, koks a vápenec. Vše se znovu přetaví a do strusky se naváže většina nečistot kromě uhlíku. Podle formy uhlíku rozlišujeme litinu na šedou - uhlík jako grafit, a nebo na bílou litinu - uhlík jako karbid.

Litina je křehká, chemicky odolná látka, má vysokou pevnost, je odolná proti korozi a používá se k výrobě odlitků např. kotle.

Výrobky z litiny: 

VÝROBA OCELI

Účelem výroby je snížení obsahu uhlíku na 0,05% - 1,5 % a odstranění nežádoucích příměsí jako je mangan, křemík a fosfor, popřípadě zlepšení vlastností se přidávají vhodné přísady - tzv. legované ocele. Pomocí kyslíku se naváže uhlík do oxidu uhlíku > tyto oxidy odcházejí jako plyn, popřípadě zůstávají ve strusce. Uhlík se sníží pod mez kujnosti, které náleží hodnota 2,1% uhlíku. Pod tuto mez je kujné.

K výrobě oceli slouží 4 druhy pece:

1. Konvertor - v konvertoru se nečistoty odstraní reakcí s kyslíkem a teplo těchto reakcí udržuje potřebnou teplotu. Konvertor se naplní teplým surovým železem v ležaté poloze, pak se dá do polohy svislé a přivádí se kyslík pod větším tlakem. Zpracování trvá cca 30 minut. Pak se v ležaté poloze vyprázdní. V konvertoru vzniká tuhá struska obsahující větší množství fosforu - lze využít jako hnojivo.
2. Siemens - Martinské pece - zastaralý způsob. Do pece se dávkuje surové železo a železný šrot. Kyslík z železného šrotu zreaguje s uhlíkem, ale i s dalšími nečistotami, které se dostávají do strusky. Ocel se pak odpíchne. 
3. Tandemová pec - soustava dvou nístějí z nichž v jedné probíhá oxidace kyslíkem a v druhé probíhá ohřev surovin, jimiž jsou surové železo a železný šrot.
4. Elektrická pec - využívají se obloukové nebo indukční pece, v těchto pecích se dosahuje nejvyšších teplot, až 1800°C > získává se nejkvalitnější ocel (protože snadno vyplavou, kvůli nízké hustotě, všechny nečistoty). Výroba je nejdražší > vyrábí se legované oceli = ocel, která obsahuje příměs jiných prků, které zlepšují její vlastnosti. Nejběžnější je  chromniklová ocel, obsahuje příměs chromu a niklu ( nerez ).

elektrická oblouková pec

konvertor

Výrobky z oceli

VÝROBA HLINÍKU - Al

Hliník je lehký kov o hustotě 2,3g/cm3, má nízkou teplotu tavení - 660°C. Hlavní surovinou je bauxit.

1. Výroba čistého oxidu hlinitého - Vyluhováním bauxitu v roztoku NaOH v autoklávech za vysoké teploty a tlaku, popřípadě za současného tavení se sodou. Následuje zředění roztoku, dojde k hydrolýze, za spolupůsobení oxidu uhličitého vznikne hydroxid hlinitý. Hydroxid hlinitý přežíháme na oxid při 1200°C.
2. Elektrolýza oxidu hlinitého - Provádí se v prostředí roztaveného kryolitu, někdy v přítomnosti kazivce ( slouží jako tavivo- snižuje teplotu tání) teplota procesu je 900°C. Na katodě probíhá redukce, na anodě probíhá oxidace. Kyslík okamžitě reaguje s uhlíkem z elektrody a vyzniká oxid uhličitý > uhlíková anoda se musí doplňovat - a) alektroda se nahrazuje, b) posuvná samospékací elektroda vytvořená z koksu a dehtu

Hliník je lehký kov, odolný proti chemickým a atmosférickým vlivům ( na povrchu se vytvoří vrstva oxidu hlinitého), dobrý vodič elektrického proudu a tepla, hygienicky nezávadný.

Používá se především pro výrobu alobalu, konstrukčních materiálů jako je žebřík, nebo lešení. Slitina hliníku s hořčíkem se nazývá dural.

Výrobky z hliníku:

VÝROBA MĚDI - Cu

Teplota tání 1083°C, hustota 8,9 g/cm3. Měď se vyskytuje jako ryzí, nebo jako ruda:

1. sulfidická ruda - chalkopyrit
2. oxidická ruda - kuprit
3. alkalické uhličitany - malachit, azurit 

Nejběžněji se vychází při výrobě z chalkopyritu. Ruda se nejprve obohatí flotací. Postup výroby je následující:

1. Pražení rudy - oxidace sulfidu železitého na tzv. praženec.
2. Praženec se taví s křemičitým pískem popřípadě se struskotvornými přísadami > vzniká struska ( do ní přejde většina železa) a tzv. kamínek (leh)
3. Kamínek který je roztavený se dá do konvertoru, přidá se křemičitý písek a přivádí se kyslík vzduch) > dojde k oxidaci zbylého železa a na povrchu vznikne struska, která se odstraní. 
4. Dalším vháněním vzduchu probíhá částečná oxidace
5. Při teplotě 1200 - 1300 °C začne probíhat reakce v tavenině. Vyrobí se surová měď, kterou je nutné elektrolyticky rafinovat ( vyčistit). Rafinace mědi se provádí tak, že se ze surové mědi vytvoří velké plotny, ponoří se do roztoku síranu měďnatého a zapojí se do obvodu. Na anodě se surová měď rozpouští, na katodě se vylučuje čistá měď z roztoku.

Měď se používá především pro elektrické vedení, protože je výborný vodič tepla a elektrického proudu. Měď se používá do známých slitin : Cu + Sn = bronz, Cu + Zn = mosaz

Výrobky z mědi:

VÝROBA OLOVA - Pb

Teplota tání olova je 327 °C a hustota 11,3g/cm3. Při výrobě olova se ruda nejprve praží, a pak se oxid olovnatý redukuje koksem. Při výrobě se přidávají struskotvorné přísady pro podporu vzniku strusky - vápenec.Čistění surového olova:

1. Vycezování - Tavení s příměsí síry > na rozžhaveném olovu plavou sulfidy nečistot ( Cu, Ni, Co, Fe)
2. Harrisování - k tavenině se přidá NaOH a dusičnan sodný > na povrch vyplavou nečistoty jako arseničnan sodný
3. Parkesování - odstranění stříbra extrakcí pomocí zinku

Olovo je toxický, těžký kov, tvárný, ale měkký, nerezaví, odolává zřeď. kyselině sírové, používá se v akumulátorech, vyrábí se z něj broky, tiskárny.

VÝROBA STŘÍBRA - Ag

Teplota tání 961°C a hustota 10,5 g/cm3. Stříbro se vyskytuje jako ryzí i jako ruda. Argentit doprovází některé rudy různých kovů - chalkopyrit, galenit. Většinou se získává při výrobě jiných kovů, kde nakonec oddělíme stříbro, např.u výroby olova. U olova se stříbro vyextrahuje do zinku a následně se zinek vydestiluje. Z rud získáváme stříbro kyanidovým loužením, kdy lze stříbro rozpustit se rtutí na tzv. amagán > poté se rtuť oddestiluje.

Stříbro se používá především na šperky, v elektrotechnice a dnes už i v textilním průmyslu díky antibakteriálním účinkům.

VÝROBA ZINKU - Zn

Teplota tání 419 °C, hustota 7,1g/ cm3. Zinek se vyrábí z rudy ZnS- sfalerit. 

1. pražení
2. získání zinku - a) redukce koksem - zinek za vysoké teploty odchází jako pára, páry se ochladí a zinek vznikne ve formě prášku. b) oxid zinečnatý rozpustíme v kyselině sírové a pak elektrolyticky vyčistíme.

Zinek se používá k pozinkování železných předmětů, protože odolává atmosférickým vlivům, k výrobě stříbra, zinkové běloby - bílý pigment, výroba mosazi.

VÝROBA HOŘČÍKU - Mg

Hořčík zaujímá hned několik rud. Magnezit, dolomit a karnalit. Ruda s hořčíkem se taví, pak se podrobí elektrolýze při teplotě 700°C a na povrchu taveniny se začne objevovat hořčík. 

Hořčík se používá ve slitinách jako dural, dále jako projímadlo ( heptahydrát síranu hořečnatého), Grignarovo činidlo, k výrobě titanu, biogenní prvek.

VÝROBA TITANU - Ti

Rudy - ilmenit, rutil. Rutil se při 1000°C převede na chlorid titaničitý, který odchází v parách, pak se redukuje chlorid titaničitý po ochlazení a kondenzaci hořčíku vzniká titan.

Titan je chemicky odolný, vytváří lehké slitiny, je tvrdý, konstrukční materiál. Používá se v letectví ve zdravotnictví jako kloubní náhrady, zdravotní vybavení.

VÝROBA RTUTI - Hg

HgS- rumělka. Rtuť se vyrábí pražením rumělky, rtuť odchází v parách, ty se nechají zkondenzovat.

Rtuť je velmi toxický kov, využívá se do teploměrů, U- manometrů, k výrobě NaOH a v zubním lékařství.