Réz

Háttér

A réz az egyik alapvető kémiai elem. Közel tiszta állapotában a réz egy vöröses-narancsszínű fém, amely nagy hő- és elektromos vezetőképességéről ismert. Általában sokféle termék előállításához használják, többek között elektromos vezetékek, főzőedények, csövek, autóhűtők és sok más termék előállításához. A rezet pigmentként és tartósítószerként is használják a papír, a festék, a textíliák és a fa esetében. Cinkkel kombinálva sárgaréz, ónnal kombinálva pedig bronz készül belőle.

A rezet már 10 000 évvel ezelőtt is használták. A mai Észak-Irak területén találtak egy kb. i. e. 8700-ból származó réz medált. Bizonyítékok vannak arra, hogy i.e. 6400 körül már olvasztottak rezet és öntöttek belőle tárgyakat a mai Törökország területén. Kr. e. 4500-ra ezt a technológiát már Egyiptomban is alkalmazták. Az i. e. 4000 előtt használt réz nagy része a véletlenszerűen felfedezett, elszigetelt rézkitermelésekből vagy a Földbe becsapódott meteoritokból származott. A rézérc szisztematikus kitermelésének első említése i. e. 3800 körülről származik, amikor egy egyiptomi hivatkozás a Sínai-félszigeten végzett bányászati műveleteket írja le.

Kr. e. 3000 körül a Földközi-tengerben található Ciprus szigetén nagy rézérclelőhelyeket találtak. Amikor a rómaiak meghódították Ciprust, a fémnek a latin aes cyprium nevet adták, amelyet gyakran cypriumra rövidítettek. Később ezt cuprumra változtatták, amelyből az angol copper szó és a Cu kémiai szimbólum származik.

Dél-Amerikában Peru északi partvidékén már i. e. 500-ban gyártottak réztárgyakat, és a rézkohászat fejlődése már igen fejlett volt, amikor az inka birodalom az 1500-as években a hódító spanyol katonák kezére került.

Az Egyesült Államokban az első rézbányát 1705-ben nyitották meg a Connecticut állambeli Branbyben, majd 1732-ben a Pennsylvania állambeli Lancasterben. E korai termelés ellenére az Egyesült Államokban felhasznált réz nagy részét Chiléből importálták egészen 1844-ig, amikor is megkezdődött a Superior-tó körüli nagy mennyiségű, kiváló minőségű rézérc lelőhelyek bányászata. Az 1800-as évek végén a hatékonyabb feldolgozási technikák kifejlesztése lehetővé tette az alacsonyabb minőségű rézércek bányászatát az Egyesült Államok nyugati részén található hatalmas külszíni bányákból.

Ma az Egyesült Államok és Chile a világ két vezető réztermelő országa, őket követi Oroszország, Kanada és Kína.

Nyersanyagok

Tiszta réz ritkán található a természetben, hanem általában más vegyi anyagokkal kombinálva, rézércek formájában. A világ 40 országában mintegy 15 rézércet bányásznak kereskedelmi céllal. A leggyakoribbak az úgynevezett szulfidos ércek, amelyekben a réz kémiailag kénnel van összekapcsolva. A többi oxidérc, karbonátérc vagy vegyes érc, a jelen lévő vegyi anyagoktól függően. Sok rézérc jelentős mennyiségű aranyat, ezüstöt, nikkelt és más értékes fémeket, valamint nagy mennyiségű kereskedelmi szempontból haszontalan anyagot is tartalmaz. Az Egyesült Államokban bányászott rézércek többsége csak körülbelül 1,2-1,6 tömegszázalék rezet tartalmaz.

A leggyakoribb szulfidos érc a kalcopirit, CuFeS 2 , más néven rézpirit vagy sárgarézérc. A kalcocit, Cu 2 S, egy másik szulfidos érc.

A cuprit, vagy vörösrézérc, Cu 2 O, egy oxidérc. A malachit, vagy zöld rézérc, Cu(OH) 2 -CuCO 3 , fontos karbonátérc, akárcsak az azurit, vagy kék rézkarbonát, Cu(OH) 2 -2CuCO 3 .

Egyéb ércek közé tartozik a tennantit, a boronit, a krizokolla és az atacamit.

Magukon az érceken kívül a réz feldolgozásához és finomításához gyakran számos más vegyszert is használnak. Ezek közé tartozik a kénsav, az oxigén, a vas, a szilícium-dioxid és az alkalmazott eljárástól függően különböző szerves vegyületek.

A gyártási folyamat

A réz rézércből történő kinyerésének folyamata az érctípustól és a végtermék kívánt tisztaságától függően változik. Minden eljárás több lépésből áll, amelyek során a nem kívánt anyagokat fizikailag vagy kémiailag eltávolítják, és a réz koncentrációját fokozatosan növelik. E lépések némelyikét magában a bányában végzik, míg másokat különálló létesítményekben.

Az Egyesült Államok nyugati részén általában megtalálható szulfidos ércek feldolgozásához használt lépések a következők.

Bányászat

• 1 A legtöbb szulfidos ércet hatalmas külszíni bányákból fúrással és robbanóanyaggal történő robbantással nyerik ki. Ennél a bányászati módnál először az érc felett található anyagot, az úgynevezett fedőréteget távolítják el, hogy feltárják az eltemetett érclelőhelyet. Ezáltal egy olyan külszíni gödör keletkezik, amely akár egy mérföldes vagy annál is nagyobb átmérőjűvé is nőhet. A bányagödör belső lejtőin spirálisan halad lefelé egy út, amely lehetővé teszi a berendezések megközelítését.
• 2 A feltárt ércet nagyméretű, 15-25 köbméternyi (500-900 köbméter) anyagot egyetlen harapással fel tudnak tölteni. Az ércet óriási dömperekbe, úgynevezett vontatójárművekbe rakják, és felfelé és kifelé szállítják a bányából.

Koncentrálás

A rézérc általában nagy mennyiségű szennyeződést, agyagot és különféle nem rézhordozó ásványokat tartalmaz. Az első lépés ennek a hulladékanyagnak egy részének eltávolítása. Ezt a folyamatot koncentrálásnak nevezik, és általában flotációs módszerrel végzik.

• 3 Az ércet egy sor kúpdarálóban aprítják. A kúpdaráló egy belső őrlőkúpból áll, amely egy rögzített külső kúp belsejében egy excentrikus függőleges tengelyen forog. Ahogy az ércet a zúzó tetejére adagolják, az a két kúp közé szorul, és kisebb darabokra törik.
• 4 Az összezúzott ércet ezután egy sor malom őrli még kisebbre. Először vízzel keverik össze, és egy rúdmalomba helyezik, amely egy nagy hengeres tartályból áll, amelyet számos rövid hosszúságú acélrúddal töltenek meg. Ahogy a henger forog a vízszintes tengelye körül, az acélrudak pörögnek, és az ércet körülbelül 3 mm (0,13 in) átmérőjű darabokra törik. Az érc és a víz keverékét két golyósmalomban tovább aprítják, amelyek olyanok, mint a rúdmalom, kivéve, hogy rudak helyett acélgolyókat használnak. Az utolsó golyósmalomból kikerülő finomra őrölt érc iszapja körülbelül 0,01 in (0,25 mm) átmérőjű részecskéket tartalmaz.
• 5 Az iszapot különböző kémiai reagensekkel keverik össze, amelyek bevonják a rézrészecskéket. Egy habosítónak nevezett folyadékot is hozzáadnak. Habosítóként gyakran használnak fenyőolajat vagy hosszú láncú alkoholt. Ezt a keveréket téglalap alakú tartályokba, úgynevezett flotációs cellákba szivattyúzzák, ahol a tartályok alján keresztül levegőt fecskendeznek az iszapba. A kémiai reagensek hatására a rézrészecskék a felszínre emelkedő buborékokra tapadnak. A habképző anyag vastag buborékréteget képez, amely túlfolyik a tartályokon, és vályúkban összegyűlik. A buborékokat hagyják lecsapódni, és a vizet leengedik. Az így kapott keverék, amelyet rézkoncentrátumnak neveznek, körülbelül 25-35% rezet tartalmaz különböző réz- és vasszulfidokkal együtt, valamint kisebb koncentrációban aranyat, ezüstöt és más anyagokat. A tartályban maradó anyagokat üledéknek vagy üledéknek nevezik. Ezeket ülepítőmedencékbe szivattyúzzák és hagyják megszáradni.

A réz kitermelésének folyamata a rézércből az érctípustól és a végtermék kívánt tisztaságától függően változik. Minden eljárás több lépésből áll, amelyek során a nem kívánt anyagokat fizikailag vagy kémiailag eltávolítják, és a réz koncentrációját fokozatosan növelik.

Olvasztás

Miután a hulladékanyagokat fizikailag eltávolították az ércből, a megmaradt rézkoncentrátumnak több kémiai reakción kell átesnie a vas és a kén eltávolítása érdekében. Ezt a folyamatot nevezik olvasztásnak, és hagyományosan két kemencét foglal magában az alábbiakban leírtak szerint. Egyes modern üzemek egyetlen kemencét használnak, amely egyesíti a két műveletet.

• 6 A rézkoncentrátumot egy kemencébe töltik egy kovasavas anyaggal, az úgynevezett fluxussal együtt. A legtöbb rézolvasztó oxigénnel dúsított villámkemencét használ, amelyben előmelegített, oxigénnel dúsított levegőt kényszerítenek a kemencébe, hogy az fűtőolajjal együtt égjen el. A rézkoncentrátum és a fluxus megolvad, és a kemence alján összegyűlik. A koncentrátumban lévő vas nagy része kémiailag összekapcsolódik a folyósítószerrel, és salakot képez, amelyet az olvadt anyag felszínéről lefölöznek. A koncentrátumban lévő kén nagy része az oxigénnel egyesülve kén-dioxidot képez, amely gázként távozik a kemencéből, és egy savas üzemben kénsav előállítása céljából tovább kezelik. A kemence alján visszamaradó olvadt anyagot nevezzük kőzúzaléknak. Ez rézszulfidok és vasszulfidok keveréke, és körülbelül 60 tömegszázalék rezet tartalmaz.
• 7 Az olvadt mattot kivonják a kemencéből és egy második kemencébe, az úgynevezett konverterbe öntik. További szilícium-dioxid-fluxust adnak hozzá, és oxigént fújnak át az olvadt anyagon. A konverterben lejátszódó kémiai reakciók hasonlóak a villámkemencében lejátszódó reakciókhoz. A kovafolyadék a maradék vassal salakot képezve reagál, az oxigén pedig a maradék kénnel kén-dioxidot képezve reagál. A salakot vissza lehet vezetni a villámkemencébe, hogy fluxusként működjön, a kén-dioxidot pedig a savas üzemben dolgozzák fel. A salak eltávolítása után egy utolsó oxigénbefecskendezéssel a nyomok kivételével minden ként eltávolítanak. A keletkező olvadt anyagot hólyagnak nevezik, és körülbelül 99 tömegszázalék rezet tartalmaz.

Finomítás

Bár a rézhólyag 99%-ban tiszta réz, még mindig elég magas a kén, az oxigén és más szennyeződések tartalma ahhoz, hogy akadályozza a további finomítást. Ezen anyagok eltávolítása vagy szintjének beállítása érdekében a hólyagos réz először tűzfinomításon esik át, mielőtt a végső elektrofinomítási folyamatba kerülne.

• 8 A hólyagos rezet egy finomító kemencében melegítik, amely hasonló a fent leírt konverterhez. Levegőt fújnak az olvadt hólyagba, hogy egyes szennyeződéseket oxidáljanak. Az arzén és antimon nyomainak eltávolítására nátrium-karbonát fluxust adhatnak hozzá. Az olvadt anyagból mintát vesznek, és egy tapasztalt kezelő megállapítja, hogy a szennyeződések mikor érték el az elfogadható szintet. Az olvadt rezet, amely körülbelül 99,5%-os tisztaságú, ezután öntőformákba öntik, hogy nagy elektromos anódokat alakítsanak ki, amelyek az elektrofinomítási folyamat pozitív termináljaiként működnek.
• 9 Minden egyes rézanódot egy polimerbetonból készült egyedi tartályba vagy cellába helyeznek. Egyszerre akár 1250 tartály is üzemelhet. A tartály másik végére egy rézlemezt helyeznek, amely katódként vagy negatív terminálként működik. A tartályokat savas rézszulfát-oldattal töltik fel, amely elektromos vezetőként működik az anód és a katód között. Amikor elektromos áramot vezetünk át az egyes tartályokon, a réz leválik az anódról, és a katódon rakódik le. A fennmaradó szennyeződések nagy része kiesik a réz-szulfátoldatból, és a tartály alján nyálkát képez. Körülbelül 9-15 nap elteltével az áramot kikapcsolják, és a katódokat eltávolítják. A katódok súlya most körülbelül 136 kg, és 99,95-99,99 % tiszta rézből állnak.
• 10 A tartály alján összegyűlő nyálka aranyat, ezüstöt, szelént és tellúrt tartalmaz. Ezt összegyűjtik és feldolgozzák, hogy visszanyerjék ezeket a nemesfémeket.

Öntés

• 11 A finomítás után a rézkatódokat megolvasztják és a végső felhasználástól függően ingotokká, pogácsákká, tuskókká vagy rudakká öntik. Az ingotok téglalap vagy trapéz alakú téglák, amelyeket más fémekkel együtt újraolvasztanak sárgaréz és bronz termékek előállításához. A téglalap alakú lapok kb. 20 cm (8 in) vastagságú és legfeljebb 8,5 m (28 láb) hosszúságú téglalap alakú táblák. Rézlemez, szalag, lemez és fóliatermékek előállításához hengerelik őket. A tuskók körülbelül 20 cm (8 in) átmérőjű és több láb (méter) hosszú hengeres rönkök. Ezeket extrudálják vagy húzzák, hogy rézcsöveket és -csöveket készítsenek belőlük. A rudak kerek keresztmetszetűek, kb. 1,3 cm (0,5 in) átmérőjűek. Általában nagyon hosszú hosszúságúra öntik őket, amelyeket feltekercselnek. Ezt a feltekert anyagot aztán tovább húzzák, hogy rézhuzalt készítsenek belőle.

Minőségellenőrzés

Mivel az elektromos alkalmazások nagyon alacsony szennyeződésszintet igényelnek, a réz azon kevés gyakori fémek egyike, amelyeket szinte 100%-os tisztaságúra finomítanak. A fent leírt eljárással bizonyítottan nagyon nagy tisztaságú rezet lehet előállítani. E tisztaság biztosítása érdekében a mintákat különböző lépéseknél elemzik, hogy megállapítsák, szükség van-e az eljárás bármilyen módosítására.

Melléktermékek/hulladékok

A kénsav visszanyerése a rézolvasztási folyamatból nemcsak jövedelmező mellékterméket biztosít, hanem jelentősen csökkenti a kemencék kipufogógázai által okozott légszennyezést is. Az arany, az ezüst és más nemesfémek szintén fontos melléktermékek.

A hulladéktermékek közé tartozik a bányászati műveletből származó hordalék, a dúsítási műveletből származó salak és az olvasztási műveletből származó salak. Ezek a hulladékok jelentős koncentrációban tartalmazhatnak arzént, ólmot és más vegyi anyagokat, amelyek potenciális egészségügyi veszélyt jelentenek a környékre. Az Egyesült Államokban a Környezetvédelmi Ügynökség (EPA) szabályozza az ilyen hulladékok tárolását és a terület helyreállítását, miután a bányászati és feldolgozási műveletek megszűntek. Az érintett anyagok puszta mennyisége – egyes esetekben több milliárd tonna hulladék – ezt félelmetes feladattá teszi, de egyben potenciálisan jövedelmező lehetőségeket is kínál a hulladékban található hasznosítható anyagok visszanyerésére.

A jövő

A réz iránti kereslet várhatóan magas marad, különösen az elektromos és elektronikai iparban. A rézfeldolgozás jelenlegi trendjei az olyan módszerek és berendezések felé mutatnak, amelyek kevesebb energiát használnak, és kevesebb légszennyezést és szilárd hulladékot termelnek. Az Egyesült Államokban ez nehéz feladat a szigorú környezetvédelmi ellenőrzések és a rendelkezésre álló nagyon alacsony koncentrációjú rézércek miatt. Egyes esetekben a termelési költségek jelentősen megnövekedhetnek.

Az egyik biztató tendencia az újrahasznosított réz fokozott felhasználása. Jelenleg az Egyesült Államokban előállított réz több mint fele újrahasznosított rézből származik. Az újrahasznosított réz ötvenöt százaléka réz megmunkálási műveletekből származik, például csavarozásból, 45%-a pedig használt réztermékek, például elektromos huzalok és autóhűtők visszanyeréséből. Az újrafeldolgozott réz aránya várhatóan növekedni fog, mivel az új rézfeldolgozás költségei emelkednek.