DEMİR DIŞI METALURJİSİ GİRİŞ

DEMİR DIŞI METALURJİSİ GİRİŞ Prof. Dr. Ramazan YILMAZ & Yrd. Doç. Dr. Zafer BARLAS Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

Dersin Amacı Dersin İçeriği Demirdışı malzemelerin türleri, önemi, özellikleri, fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri, kullanım alanlarını ve alaşımlarını, ülkemiz için önemli olan metallerden bakır, alüminyum, altın ve gümüşün üretim proseslerinin ders kapsamında öğrencilere tanıtılması Çeliklerden sonra en çok kullanılan demirdışı metaller içerisinde özellikle Al, Cu ve Zn başta olmak üzere demir dışı metallerin özellikleri, üretim yöntemleri ve kullanım alanları

Dersin Öğrenme Çıktıları 8) Nikel ve kobaltın önemli fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri. endüstriyel önemlerini bilir ve kavrar. Nikel, kobalt alaşımları hakkında bilgi sahibi olur, süper alaşımları sınıflandırır, endüstriyel önemini ve kullanım alanları ve üretimini açıklar. 9) Kurşun ve kalayın önemli fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri ve endüstriyel önemlerini bilir. Kurşun ve kalay alaşımlarını, endüstriyel önemini, kullanım alanları mineralleri ve üretimini bilir ve açıklar. 10) Alüminyumun önemli fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerini kavrar, alüminyum ve alaşımlarının endüstriyel önemini açıklar. 11) Alüminyum ve alaşımlarını sınıflandırır, bunların kullanım alanlarını bilir. Alüminyuma ilave edilen alaşım elementlerinin etkilerini açıklar. Alüminyum minerallerini ve rezervler hakkında bilgi sahibi olur. Metalik alüminyum üretim yöntemlerini kavrar. 12) Magnezyumun önemli fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri bilir ve endüstriyel önemini kavrar. Magnezyum alaşımlarını tanır, bu alaşımların endüstriyel önemini, kullanım alanlarını ve minerallerini bilir. Magnezyum üretimi açıklar. 13) Refrakter metaller ile kıymetli metallerin fiziksel, kimyasal, mekanik özelliklerini, endüstriyel önemlerini ve kullanım alanlarını açıklar. Bunların minerallerini ve üretimleri açıklar. 14) Ders konuları ile ilgili literatürü takip ederek, değerlendirir, yorumlar getirir ve sunu hazırlar ve sunar.

HAFTA KONULAR 1 Demirdışı metallere giriş ve genel kavramlar. 2 Bakırın genel özellikleri, bakır mineralleri 3 Bakır üretimi ve bakır alaşımları 4 Çinko ve çinkonun genel özellikleri, çinko mineralleri 5 Çinko üretim yöntemleri, çinko alaşımları ve kullanım alanları Titanyumun genel özellikleri, mineralleri, üretimi, kullanım 6 alanları Nikel, kobalt ve süper alaşımların genel özellikleri, üretimi, 7 kullanım alanları 8 Kurşun ve kalayın genel özellikleri, üretimi, kullanım alanları 22.02.2016 6

YARIYIL İÇİ ÇALIŞMALARI SIRA KATKI YÜZDESİ Ara Sınav 1 45 Kısa Sınav 2 10 Ödev 6 30 Performans (Seminer) 1 15 TOPLAM 100 Finalin Başarıya Oranı 50 Yıliçinin Başarıya Oranı 50 TOPLAM 100

Bugün bilinen element sayısı 107 adettir. Bütün özellikleri bilinen element sayısı ise 95 adettir. Tabiatta bulunan element sayısı 93 tür diğerleri laboratuarlarda sentetik olarak elde edilmiştir. Mevcut elementlerin büyük miktarını (80 adet) metaller oluşturmaktadır. 22.02.2016 8

22.02.2016 9

22.02.2016 10

Malzemelerin Sınıflandırılması

Malzemelerin Sınıflandırılması Mühendislik uygulamalar için binlerce malzeme mevcuttur. Bunların pek çoğu atomik bağ kuvvetleri temelli üç sınıfta yer almaktadır. Bu malzeme grupları metalik, seramik ve polimerik malzemeler olarak sınıflandırılmaktadır. Bunlara ilaveten bir kompozit malzeme oluşturmak için farklı malzemelerde bir araya getirilebilir. Bu sınıflandırılan malzemeler kendi içlerinde de kimyasal kompozisyonlarına, belirli fiziksel ve mekanik özellikleri esas alınarak alt gruplara ayrılabilmektedir. Kompozit malzemeler genellikle birleştirilen malzemelerin türüne veya malzemeyi elde etme yöntemine göre de gruplandırılırlar.

Metalik Malzemeler Metalleri metal olmayan malzemelerden ayıran en belirleyici (anahtar) özelliği bağ yapısıdır. Metalik malzemeler bir atomdan diğerine serbest olarak hareket edebilen serbest elektronlara sahiptir. Metalik malzemelerdeki bu serbest elektronların mevcudiyeti malzemenin özellikleri üzerinde çok belirleyici etkiye sahiptir. Örneğin metal malzemelerde bu elektronlar serbestçe hareket edebildikleri için bu malzemeler iyi elektrik iletkenliği gösterme eğilimindedirler.

Metaller Metaller bütün elementlerin 2/3 ünü, gezegenin de ağırlıkça % 24 ünü oluşturmaktadır. Metaller mukavemet, süneklik, yüksek ergime derecesi, ısıl iletkenlik, elektrik iletkenliği ve tokluk gibi faydalı özelliklere sahiptirler. Periyodik tabloya bakıldığında elementlerin büyük çoğunluğu metal olarak yapılan sınıflama içerisinde yer almaktadır. Çok yaygın olan metallerden sadece birkaçı ve tipik kullanım alanları aşağıda verilmiştir.

Yaygın Metalik Malzemeler Demir / Çelik: Çelik daha çok mukavemet gerektiren yerlerde tüketilmektedir. Alüminyum: Alüminyum ve alaşımları şekillendirilmeleri kolay, kolaylıkla bulunabilmeleri, pahalı olmamaları ve geri dönüştürülebilir olmalarından dolayı yaygın şekilde üretilirler ve tüketilirler. Bakır: Bakır ve alaşımları, bu malzemeleri yüksek elektrik ve ısıl iletkenlik, yüksek süneklik ve iyi korozyon direnci gibi önemli pek çok özelliğe sahiptirler.

Yaygın Metalik Malzemeler Titanyum: Yüksek sıcaklıklarda (1000 F ve üzeri) mukavemet, parça ağırlığı veya iyi korozyon direncine ihtiyaç duyulduğu hallerde titanyum alaşımları kullanılır. Nikel: İyi korozyon direnci gerektiren ve yüksek sıcaklıklardaki (~1500-2000 F ) uygulamalar için nikel ve alaşımları kullanılır. Refrakter metaller: Bu tür metaller 2000 F ve üzeri sıcaklıklardaki uygulamalar için kullanılır.

Metallerin Yerkürede Bulunuşu Birkaçı dışında (Altın, Gümüş, Platinyum) bütün metaller yerkürede oksit (Fe 3 O 4 ), sülfür (ZnS), sülfat (PbSO 4 ), karbonat (ZnCO 3 ) gibi doğal bileşikler oluştururlar. Metallerin doğada kendiliğinden oluşturdukları bu bileşimlere mineral denir.

Metal Cevherleri

Demirdışı Metaller Demirden başka bütün saf metaller ile demirin ana bileşik olmadığı alaşımlar bu gruba girmektedir. Demirdışı metaller, demir içermeyen metallerdir. Demir dışı metaller manyetik değildir ve genellikle korozyon dirençleri demir esaslı metallere göre daha fazladır. Demirdışı metaller daha az kullanılmakla birlikte, teknik ve ekonomik açıdan demir esaslı malzemeler kadar önemlidir. Almanya da yılda yaklaşık 40 milyon ton demir ve çelik, 3 milyon ton civarında bakır, alüminyum, kurşun, çinko, nikel ve kalay tüketilmektedir.

Demirdışı Metaller Demirdışı metallerin kullanılma alanlarından bazıları özel niteliktedir: Elektrik-elektronikte bakırın, havacılıkta ve hafif yapılarda alüminyumun, Korozyona ve ısıya dayanıklı alaşımlarda nikelin, Akülerde kurşunun, Demiri korozyona karşı koruyan kaplamalar arasında çinkonun, Konserve kutuları için teneke üretiminde kalayın yeri başka malzemeler tarafından kolaylıkla doldurulamaz. Gene de bu ve benzeri alanlarda söz konusu metallerin seçeneklerinin araştırılması devam etmektedir.

Demirdışı Metaller

Yaygın Olarak Tüketilen Demirdışı Metallerin Kullanım Alanları Alüminyum (Al): Taşımacılık, Ambalajlama, Yapı, Yüksek gerilim hatları Bakır (Cu): Elektrik iletkenleri, Yapı, Taşımacılık Altın (Au): Yatırım aracı, Takı, Elektronik sanayi Kurşun (Pb): Piller, Boyalar, Askeri ekipmanlar, Radyasyon yalıtımı Nikel (Ni): Paslanmaz çelikler, Elektro-kaplama Platinyum (Pt): Takı, katalizör Gümüş (Ag): Elektronik sterlin gümüşü Kalay (Sn): Kalay kaplama, Lehim üretimi Çinko (Zn): Galvanizleme, Pirinç alaşımları

Demirdışı Metaller Neden Demir dışı??? (Why nonferrous???) Hafiflik (Light weight) Rijitlik-Dayanımı-ağırlık oranı (Stiffness strength to weight ratio) Yüksek sıcaklık özellikleri (High temperature properties) Korozyon direnci (Corrosion resistance) Biyo uyumluluk (Biocompatibility) Oksidasyon direnci (Oxidation resistance) Isıl ve elekrik iletkenlik (Thermal / electrical conductivity) Yüksek maliyet "çıkarma ve üretim bağlı olarak " High cost "depending on extraction and production"

Demirdışı Metaller o Bu metallerin tamamı demirden pahalıdır. o Krom, kobalt ve mangan esas olarak çeliğin özelliklerini iyileştirmek için alaşım elementi olarak kullanılır. o Demirdışı metallerin en fazla üretilenleri alüminyum, bakır, nikel, çinko, magnezyum, kurşun, kalay ve titanyumdur. o Kıymetli metaller ise altın, gümüş ve platinyum iken, o Refrakter metaller ise ergime derecesi çok yüksek olan tungsten, molibden gibi metallerdir.

Demirdışı Metaller Bir metalin malzeme olarak kullanılabilmesi için onun gerekli teknolojik özelliklere sahip olması yetmez. O metalin yeterli miktarda ve ölçülü bir fiyatta elde edilebilir olması gerekir. Bu durum Al, Pb, Fe, Cu, Mg, Ni, Ti ve Zn de görülmektedir. Diğer metaller ya çok azdır veya elde edilmesi çok pahalıdır. Bu nedenle de bunlar alaşım elemanı olarak kullanırlar. Bunların başlıcaları Cr, Co, Mn, Mo, V ve Sn dir.

Demirdışı Metallerde En Genel Gruplama

Metal Kaynakları Birincil (Primer) Metal Kaynakları "cevherler" Soy metaller (Au, Ag, Hg ve Cu gibi) doğada ender olarak metalik halde bulunabilir ancak Genellikle metal bileşikleri (mineral) şeklinde; Sülfür, oksit, hidroksit, klor ve silikat Konsantrasyonlar ve konum çok değişik olabiliyor İkincil (Sekunder) Metal Kaynakları "hurdalar"

Metal Kaynakları MİNERAL: Yerkabuğunda bulunan ve belirli bir kimyasal formülü olan homojen maddelerdir. CEVHER: Herhangi bir metalin minerallerini içeren, ekonomik değeri olan kayaçlardır. Kalkopirit, kolombit, sfelarit gibi - İçinde kazanmak istediğimiz metaller vardır. Ti cevheri, Al cevheri gibi - Mevcut teknolojik koşullarda ekonomik olarak üretilebilecek oranda metal içermelidir, yani ekonomik değeri önemlidir. - Temelde iki tip cevher vardır: Sülfürlü (S bileşikli metal minerali) Oksitli (O bileşikli metal minerali)

Cevherin işlenmesi Çıkarmak için gerekli teknik imkanlar??? Ekonomik??? Maliyet??? Metalin talebi??? Gelecekteki talep???

Metal Kaynakları GANG MİNERALİ: Metalik cevher kütleleri içerisinde bulunan, fakat ekonomik olarak değerlendirilmesi mümkün olmayan her türlü minerallerdir. TENÖR: cevherdeki mineralin / metalin ağırlıkça oransal miktarıdır. - Yüksek oranlar için " % ağ." ; az (eser) miktardaki oranlar "g/ton = ppm" ; "ppb"

Metal Kaynakları REZERV: Bir cevher yatağının toplam miktarıdır. - Ham (Brüt, Tüvenan) Rezerv: Maden yatağından çıkarılan ve herhangi bir zenginleştirme işlemine tabi tutulmayan cevher kütlesidir. - Potansiyel rezerv: Gelecekte de kullanılabilecek - İşletilebilir rezerv: Mevcut - Kompleks rezerv: Birden fazla metal üretilebilecek cevher

Mineral Türleri

Yerkabuğunda Bulunan Metaller

Cevherin çıkarılması "Madencilik" Maden işletme Açık ve Kapalı Açık işletmede cevher yüzeye yakın Açık işletmelerin yüzeyi çok büyük

Cevherin çıkarılması "Madencilik" An Open Pit Copper Mine near Winkleman, Arizona Sunrise Dam Gold Mine, Australia

Cevherin çıkarılması "Madencilik" Kapalı işletmelerde Pahalı, teknik olarak zor, kaza riski var Bu nedenle 100-1000 m derinliğe kadar Yüksek tenörlü cevherler için Maden birbirine paralel kazılmış galerilerden oluşur

Cevherin çıkarılması "Madencilik"

Çeşitli Kavramlar Pirometalurji: Temel amacı kıymetli metalleri kazanmak için, cevhere bir dizi ısıl işlem uygulamak ve malzemenin bu işlemler sonucunda fiziksel ve kimyasal olarak değişime uğramasını sağlamaktır. Kurutma, Kalsinasyon : (Malzemeye kimyasal olarak bağlı olan suyun uzaklaştırılması (yüksek sıcaklık fırınlarında),

Çeşitli Kavramlar Kavurma, İzabe: (Cevherin izabe fırınında yakıt ve yanma için gerekli hava yardımıyla ısıtılarak ergitilmesi, ilave katkı malzemesinin etkisiyle cevher içerisindeki gang minerallerinin metalik fazdan ayrı cüruf denilen artık camsı silikat fazında toplanması işlemidir. Rafinasyon : (Kalan safsızlıkların uzaklaştırılması) bu aşamada birden fazla fırın kullanılmaktadır. Hidrometalurji: Temelde, sıvı kimyasalların kullanılmasıyla, kıymetli metalleri cevherden ayırmak, zenginleştirmek amacıyla yapılan geri dönüştürme işlemidir.

Çeşitli Kavramlar Liç: Çözücü kullanarak saflaştırmadır. Temel olarak hidrometalurjik zenginleştirme yöntemlerinden biridir. Pirometalurjik işlemlere kıyasla, liçin uygulaması çok daha kolay ve işlem sırasında herhangi bir gaz salınımı olmadığı için çevreye çok fazla zarar vermemektedir. Liçin tek dezavantajı ise, düşük sıcaklık nedeniyle kimyasal reaksiyonların yavaş gerçekleşmesi ve bunun sonucunda tüm işlemin yavaş olmasıdır. Saflaştırma: Liç sonunda metal ile birlikte, cevherdeki diğer metallerde çözeltiye alınmış olabilirki bunların saflaştırılması gerekir.

Çeşitli Kavramlar Metal kazanımı: Sıvı faza geçildikten sonra safsızlaştırılan metal, bu adımda tekrar katı faza geçirilir. Bu aşama sonrasında elde edilen metal hammadde olarak kullanılabilir yada ileri rafinasyon işlemleri de uygulanabilir. Burada; Elektro kazanım (Metal içeren çözelti içinden elektrik akımı geçirmek suretiyle metalin indirgemesi ve katot plakalarda biriktirilmesi Metal ile çökertme: (Çözeltiye, daha aktif bir metal (Zn genelde) talaşı karıştırılır. Talaş metal çözeltiye geçerken kıymetli metal katı faza geçerek, tabanda çökelir.

Bakırdan dökülmüş boğa ve geyik kursu (M.Ö. 2500) (Anadolu Medeniyetleri Müzesi) 22.02.2016 50

22.02.2016 51

Hitit döneminde (M.Ö. 2500) döküm tekniği ile yapılmış geyik heykeli (Anadolu Medeniyetleri Müzesi) 22.02.2016 52

22.02.2016 53

22.02.2016 54

22.02.2016 55

22.02.2016 56

22.02.2016 57

22.02.2016 58

22.02.2016 59

22.02.2016 60

22.02.2016 61

KAYNAKLAR Halil Arık Demir Dışı Metallerin Üretimi Ders Notları 2013 Sare Çelik, Demir Dışı Metaller Ders Notları 2010 Lecture 10 Metals http://www.ndted.org/educationresources/com munitycollege/materials/introduction/classific ations.htm http://www.dayah.com/periodic http://gwydir.demon.co.uk/jo/minerals/metals. htm Çeşitli sunumlar Çeşitli internet web sayfaları 22.02.2016 62

Dinlediğiniz için Teşekkür ederiz!.. 22.02.2016 63