Metalurji; metallerin cevher ve diğer kaynaklardan (hurda vs.) kazanılması, rafinasyou (saflaştırılması ) ve alaşımlandırma, şekil verme ve ısıl işlemlerle metal endüstrisinin kullanımına uygun özellikler kazandırarak bu özelliklerin çeşitli testlerle incelenmesi konularını kapsayan bir bilim ve teknoloji dalıdır .Bu tanıma göre metalurjinin bir kimyasal bir de fiziksel yanı vardır.

Kimyasal Yönü; Metallerin çeşitli yöntemle kazanılması, rafinasyonu ve alaşımlandırılması

Fiziksel Yönü; Endüstrinin hizmetine sunulacak metallerin iç yapılarının incelenmesi, çeşitli etkilere karşı davranışlarının incelenmesi ve bazı fiziksel ve termik işlemlerle metallere iyi özellikler kazandırılması

ÖRNEK: Doğada genellikle Fe2O3 ve Fe3O4 bileşikleri şeklinde bulunan demir mineralleri gangdan ayrıldıktan sonra kok ve curuf yapıcı maddelerle yüksek fırına şarj edilir. Karmaşık ve büyük bir donanıma tipik bir örnek olan böyle bir tesiste, günde yaklaşık 1000 ton demir üretimi için 3000 tonun üzerinde cevher ve yardımcı malzeme ergitilmekte ve koklaştırma, sıcak hava, rafinasyon, döküm ve nakliye gibi işlemler için ayrı bir şehir görünümünde alan işgal edilmektedir. Burada üretilen demir daha sonra uygulanan rafinasyon ve alaşımlandırma işlemlerinden sonra dahi, nihai kullanım için uygun özelliğe getirilebilmiş değildir; uygun parça haline dökülmesi veya haddelenmesi ve ısıl işlem gibi yapıyı ıslah edici işlemlere de ihtiyaç göstermektedir.

Metalurjinin Tanımı, Tarihçesi ve Sınıflandırılması

Bir çok metal atomunun ancak çok azı yeryüzünde serbest halde bulunmaktadır, geri kalanı ise oksijen, kükürt, arsenik, silis ve karbon gibi metalik olmayan elementler ile birleşik durumdadır. BU birleşikler de ayrıca kayaç ve kil gibi kütleler içerisinde yer almaktadır. Söz konusu metallerin kazanımında ilk adım bu bileşikleri birlikte bulunduğu kayaç ve kil gibi yabanı maddelerden ayırmaktır. Teknolojik gelişmeler, daha az yakıt kullanımı, daha az çevre kirliliği ve daha fazla verim elde edilmesi için hızla yol almaktadır. Günümüzden 50 yıl önce bakır, çinko ve kurşun için % 5-6, demir ve mangan için % 48-50 işletilebilir cevher tenörlerinin bugün bakır için % 0.5, kurşun için %0.7, çinko için % 2.7, mangan için % 25 ve Fe için % 30 seviyelerine kadar inmiş olması bu teknolojik gelişmelerin sonucudur.

Cevherlerden metal elde edilmesi için yapılan işlemler şunlardır;

Konsantrasyon: Metal içeren minerallerin gang minerallerinden mümkün olduğu oranda ayrılması ve yüksek tenörlü ayrı bir ürün olarak toplanmasıdır. Bu işlem basit bir ufalama-eleme işlemiyle mümkün olduğu gibi, farklı minerallerin farklı özelliklerinde yararlanılarak da yapılabilir. Bu işlem basamağı “Cevher Hazırlama” bilim dalının konuları içinde yer almaktadır. Bu aşamada genelde metal minerallerinin kimyasal yapısı aynı kalmaktadır.

Metal Ekstraksiyonu (Metal Üretimi) : Konsantrasyon işlemini takip eden bu adımda; sıcaklığın hakim olduğu “piro” yöntemler ile ya da sulu ortamların hakim olduğu “hidro” yöntemler ile yapılır.

Pirometalurji-Piro Yöntemler: Kalsinasyon ve Kavurma gibi erime derecesinin altındaki işlemleri; Sıvılaştırma gibi yalnızca istenilen metalin sıvı hale getirilip, geri kalanının katı halde bırakılmasını; Tam Ergitme gibi metal ve gang minerallerinin tümünün eritilerek curuf yapıcılar yardımıyla sıvı fazlara ayırma gibi işlemleri; Distilasyon gibi yalnızca ilgi duyulan metalin gazlaştırılıp daha sonra yoğunlaştırılması işlemlerini kapsar.

Hidrometalurji-Hidro-Yöntemler: Cevherdeki metalin sulu bir ortamda çözeltildikten (Liç) sonra bu çözeltiden kimyasal veya elektrolitik olarak çökelmesi gibi kademeleri kapsar. Piro veya Hidro yöntemlerle yapılan ekstraksiyonları rafinasyon işlemi takip eder.

Rafinasyon: Piro veya hidro yöntemlerle kazanılan metal fazı içindeki empüritelerin miktarının düşürülüp belli seviyede tutulması işlemidir. Bu ise piro veya elektrometalurjik yöntemler ile yapılır.

Pirometalurjik Rafinasyon: Safsızlıkların oksidasyonu ve ardından istenen metalin çok dikkatli bir şekilde de-oksidasyonu temin edilerek yapılır.

Elektrometalurjik Rafinasyon: Pirometalurjik rafinasyon ile elde edilen saflıktan daha fazla bir saflık derecesi isteniyorsa elektroliz veya vakum tekniği kullanılır. Elektroliz içeren bu yönteme de elektrometalurjik rafinasyon adı verilir.

Metalurjinin Tarihi Gelişimi:

İnsanlığın metaller ile ilk teması en eski çağlara kadar gider. Metallerin insanlık tarihinde oynadıkları rol ve istifade imkanları, metaller hakkındaki bilgilenme ile doğrudan ilgilidir. Bugün bile bir toplumun dünyadaki ekonomik ve endüstriyel yeri kullanılan metal miktarıyla belirtilmektedir. Artan nüfus ve toplumlar arsında ortaya çıkan hastalıklar, savaşlar ve hakim olma duygusu araştırmaları teşvik etmiş ve yeni buluşlar ortaya konmuştur.

İnsanoğlu önce taşları kullanmaya başlamış ve bir gün bileşik teşkil etmeyen ve tabi vaziyetiyle dikkati çeken altın, bakır ve gümüşü fark etmiştir; Gevrek taş aletler yerine bunların dövülerek şekillendirilebilir olduğunu görmüştür. İlk defa dövülmüş bakırın kullanılmasının MÖ 4500 yıllarına rastladığı ve ancak bundan 2000 yıl sonra cevherlerden bakırın üretilebildiği sanılmaktadır. Altın, gümüş ve bakırın arkasından demirin kullanıldığı, ancak diğerlerine kıyasla keşfedildiği yerde sır olarak tutulduğu dikkati çekmektedir. Çünkü demir, daha önce bakırlı kalay cevherlerinin birlikte ergitilmesi ile elde edilen bronzdan (tunç) daha serttir ve silah yapımı için üstün özelliklere sahiptir. Ayrıca demirin redüklenmesi bakıra göre daha zor olduğu için ilk keşfedildiğinde, önceleri ancak “sünger demir” şeklinde kısmen redüklenmiş olan ve beraberinde redüklenmemiş oksit ve silikatlı empüriteleri ihtiva eden bir bileşik elde edilebilmekte idi. Bu madde belli bir sıcaklıkta dövüldüğünde yalnızca bu empüriteler ergiyor ve geriye ham demir kalıyordu. Bugün ki dökme demirlerin değişik yöntemler ile çok önceleri üretilmiş olmasına rağmen, yüksek karbonlu alaşımlarının yapılması ve sonra da bunların karbonundan temizlenmesi, yani bugün ki ÇELİK özelliğinin elde edilmesi ancak son 200 yılda başarılabilmiştir; Bunda 18.yy’ın sonlarında odun yerine kömürün kullanılmaya başlanması ve 19.yy’ın ortalarında BESSEMER PROSESİ ile ilk defa sıvı ham demirden çelik üretilmesinin payı büyüktür. Bundan sonra demir-çelik konusundaki gelişmeler baş döndürücü bir hızla ilerlemiştir.

Metallerin keşif ve üretimi bakır, tunç, pirinç ve demir sırasına göre olsa da, bu sıra dünyanın her yerinde aynı değildir. Bazı yerlerde demir devrinin başa geçtiği görülür. Bu konuda gerçek olan bölge halkının söz konusu metaller ile olan ilk temasının tamamen tesadüfi olması ve bölge özelliğine bağlı bulunmasıdır. Civanın keşfi bakır kadar eskilere dayanmakta ve Romalılar bunu altının “amalgamasyon” tekniği ile kazanılmasında kullanmaktaydılar. Saf çinkonun son yüzyıla kadar keşfedilmemiş olmasına rağmen yine Romalılar tarafından bakır cevherleri ile birlikte karışık olarak izabe edilmesi sonucunda pirinç alaşımı şeklinde kullanıldığı bilinmektedir. Alüminyum üretimi ancak 1886 yılından itibaren, magnezyum ise 20.yy’ın ortalarından itibaren mümkün hale gelmiştir. II. Dünya harbi yılları ise uranyum, berilyum, niobyum, titanyum ve zirkonyum gibi stratejik metallerin keşfedildiği devredir.

Anadolu’da metal üretimi çok eski tarihlere dayanmaktadır. Bakırın MÖ 7000 yıllarında üretildiği (Çin ve Avrupa’da bakırın en eski tarihi MÖ 4000) ve mevcut eski curuf yığınlarından Anadolu’nun bakırın eski dünyaya yayılışının çıkış noktası olarak kabul edilebileceği anlaşılmaktadır. Yine Anadolu’da MÖ 3000 yıllarında simli-kurşun cevherlerinden gümüş ve kurşunun ilk önce Trabzon civarında üretildiği, hatta o tarihlerde üretilen gümüşün bir kısmının Mısır altınları ile değiştirildiği bilinmektedir. Halen işletilmekte olan Ergani bakır yatakları MÖ 2000 yıllarında Asurlular, Küre bakır madeninin eski Yunanlılar ve Romalılar, Bolkar dağı kurşun-gümüş madeninin ise MÖ 2500-3000 yıllarında Hititler tarafından işletildiği de ayrıca bilinmektedir.

Yukarıda da işaret edildiği gibi, Mezopotamyalılar, Mısırlılar, Yunanlılar ve Romalılar Cu, Au, Fe, Pb, Hg, Ag ve Sn’ı ilk defa kullanan kavimlerdir. Bu yedi metalin ilk tarihi metaller olmasına önemli nedenler vardır. Bu metallerin bazısı nabit durumda bulunabilmektedir (Au, Ag, Cu, Fe (Meteorit) ve Hg gibi) .Özellikle Cu, Fe, Sn ve Pb 800 °C veya daha düşük sıcaklıkta kolaylıkla redüklenebilmektedir. (Tablo 1.1). Bu sıcaklıklar ise karbon cinsi yakıtlar ile kolaylıkla sağlanabilmektedir.

Bu metallerin bazılarının ergime sıcaklıkları düşüktür (Örneğin, Pb ve Sn gibi); Civa ise oda sıcaklığında bile sıvıdır ve bu durum kolay üretimin bir nedenidir.

Tablo 1.1. Metaller ve Ergime Sıcaklıkları.

Ayrıca metal içerisinde bulunan empüritelerin ergime sıcaklığını düşürmesi de (örneğin %4 Cu içeren demir 1540 °C yerine 1100 °C de erimektedir) kolay redüklemede bir etkendir. Redükleyici olarak önceleri ormanlardan elde edilen odun kömürü kullanılırken, teknoloji geliştikçe fırın ve yakıt kullanımında da değişiklikler ortaya çıkmıştır. İlk kullanılan fırınlara değişen tabakalar halinde cevher ve odun kömürü doldurulduktan sonra ateşlenmekte ve ateşi 3-4 gün devam ettirilmekteydi. Cevherden metal teşekkül edip fırının altındaki eğimli kısımdan akmaya başladığı zaman ateş kısılmakta ve metal 800-1500 gramlık yumrular halinde elde edilmekteydi.

Metallerin bileşiklerinden serbest hale gelmesinde geçerli bir kural; kömürün yanması ile oluşan redükleyici gazların metale bağlı oksijeni alıp onu serbest bırakmasıdır;

Fe₂O_3(k)+3CO_(g) 2Fe_(k)+3CO₂

Eskiden beri büyük ölçüde üretilen diğer dört metal (altın, bakır, kurşun ve kalay) için de benzer denklemler geçerlidir. Halbuki, yerkabuğunda çok miktarda bulunduğu halde alüminyumun kömürden çıkan gazlar ile redüklenmesi oldukça zordur ve endüstriyel ölçekte üretimin çok gecikmiş olması bu nedene dayanır. Bir metal oksidin kömürle kolay ve zor redüklenebilirliği genellikle bu bileşiğin ayrışma ısısından (?H) anlaşılabilir.

Ayrışma Isısı: Bir mol bileşiğin ayrışması sırasında verilmesi gereken veya alınan ısı miktarıdır. Demir oksit için ayrışma ısısı:

Fe₂O₃ 2Fe+3/2O₂ , ?H=+198.500 cal.

denklemi gereğince her 159.7 gram demiroksit için 198.5 Kcal olmalıdır. Pozitif değerin anlamı sisteme ısı verilmesi gerektiğidir. Bir metal oksitin metale redüklenmesi için gerekli enerji (ısı), esas itibariyle minerale bağlı her bir oksijen atomunun;

CO+1/2O₂ CO₂ , ^deltaH=-68 000 cal.

reaksiyonuna göre karbon monoksit ile birleşmesinden temin edilir. Dolayısıyla bir oksitin redüklenmesindeki güçlük, bu oksitin ayrışma ısısının, formulündeki oksijen atomu sayısına bölünmesi ile elde edilen değer ile orantılıdır. Örneğin; Fe₂O₃’de oksijen atomu başına ayrışma ısısı 198 500/3=66 200 kaloridir. Tablo 1.2’de altından kalaya kadar bazı metallerin izafi redükleme ısıları (Oksijen başına) karbonmonoksit reaksiyonu ile ortaya çıkan ısıdan (68 000 cal) az veya ona eşittir. Bu nedenle söz konusu metaller, odun kömürü yardımı ile binlerce yıl önce bileşiklerinden redüklenebilmişlerdir. Ancak bunlardan bazılarının ergime sıcaklıklarının yüksek olması (Mo ve W gibi), bazılarının ise yer kabuğunda düşük oranda bulunmaları (Sb,Co,Ni) tanınmalarını geciktirmiştir.

Tablo 1.2.Bazı Önemli Metal Oksitlerin Metale Redüklenmesinde Güçlük Sırası

Yine aynı tablodan görüldüğü gibi, kalayın ötesindeki metallerin karbonmonoksit ile redüklenmeleri gittikçe daha fazla güçleşmektedir. Ancak bunlar için, modern teknoloji çağında aşağıda sayılan etkin redüksiyon teknikleri geliştirilmiştir.

Redüklenecek metalin oksidini ihtiva eden bir ergiyik-tuz elektrolizi

İzafi redüklenme ısıları alüminyum oksidinkinden daha küçük olan metal oksitlerin toz alüminyum metali ile reaksiyona sokularak redüklenmesi

Elektrik fırını gibi bir ısı ortamı kullanmak sureti ile bir redükleyici vasıta (karbon, hidrojen,ferro-silisyum, kalsiyum karbür vs.) ile redükleme. Çinko, krom ve magnezyum bu yol ile üretilen metallerdendir.

Buraya kadar, metal üretimindeki tarihi gelişmelerle ilgili kısa bilgiler verilmiştir. Aşağıda, her çağa damgasını vuran, özellikle bakır, altın, demir, civa, gümüş ve kalay üretimlerindeki bazı tarihi gerçeklere ve ilaveten metal üretiminde verim, kapasite ve ekonomiyi önemli ölçüde etkileyen kok ve hidrojen kullanılması, hidro ve elektrometalurjinin uygulamaya sokulması ile ilgili konulara kısaca değinilecektir.

Bakır

Lucas’a göre metalik bakır Mısırlılar tarafından keşfedilmiştir. Mavi ve gri renkteki bakır mineralleri (Azurite ve Malachite) ve bakır sülfür cevherlerinin de çok eskiden bilindiği ve bu devirlerde önce bunların bir kavurma işlemi ile oksitlendiği, daha sonra da odun kömürü ile metale redüklendiği bilinmektedir. Bu işlemin, odun kömürü ile kapatılan cevhere hava üflenmek suretiyle sülfürlerin bir kısmının önce bakır oksite ve bu bakır oksitin de sülfürlerle metale redükleme şeklinde cereyan ettiği sanılmaktadır.

2CuO+CuS 3Cu+SO₂

Altın

Bu konuda eski haritalar MÖ 1350 yıllarında Mısır’da bir altın madeni olduğunu göstermektedir. Altın parçalar daha çok Mısır mezarlarında bulunmuştur. Bu parçalar yaklaşık % 10 civarında gümüş içermektedirler. Nubia’daki altın madeninin daha çok eski Mısırlılar tarafından işletildiği bilinir. Altın cevherlerindeki altının kazanılma işlemi gayet basit bir işlemdir. Alüvyonlu cevherler durumunda bir su akıntısında yıkama sonunda su hafif kısımları uzaklaştırmakta ve geride daha ağır altın parçacıkları kalmaktadır. Altının kuvars esaslı kayaçlar içerisinde bulunması durumunda ise kayaç parçaları önce çekiçler ile kırılmakta, öğütülmekte ve öğütülmüş kısımlar eğik bir tabla üzerinde yıkanmaktadır. Bu konuda bazı madenlerde çok eski zamanlardan kalma taş malzemeden öğütücüler ve taş tablalara rastlanmıştır. Yine bu tarihlerde civanın bulunduğu ve amalgamasyon tekniği ile altının kazanılmasında kullanıldığı bilinmektedir.

Demir

Eski devirlerden kalan demir parçalarının araştırılması ile demirlerin meteorit esaslı olup olmadığı kolayca anlaşılabilen numuneler üzerinde incelemeler yapılmıştır. Meteorit demir parçaları her zaman % 6-8 Ni içerirler. Dolayısıyla meteorit olmayan kalıntılardan demirin ilk önceleri dövme demir şeklinde üretilip kullanıldığı anlaşılmaktadır. Bu tür demir, insanlar tarafından çekiçlenmek suretiyle silah ve malzeme yapımında kullanılmaktadır. Demir cevherinin odun kömürü ile redüklenmesi sonucu elde edilen ürün, süngerimsi bir yapıda idi ve cüruf içermekteydi. Bu ürün yeniden ısıtılıp bu sıcaklıkta çekiçlenmek suretiyle cürufu akıtılmakta ve sonra da istenilen aletin şekline getirilmekte idi.

Kurşun

Galen (PbS) metalik görünüşü nedeniyle hemen dikkati çekmiştir. İlk zamanlarda Mısırlılar tarafından, daha çok bir göz boyası olarak kullanılmıştır.

Metalik kurşunun cevherlerinden kazanılması eski devirlerde uygulanan bir çok metalurjik işlemin en basitidir. Bu işlemde cevher eğimli bir zemine yerleştirilen yakıtın üzerine yığılmakta ve kavrulmaktadır.

PbS+3/2O₂ PbO+SO₂

PbO+C Pb+CO₂

ve teşekkül eden metalik kurşun, yığının tabanından, sızıntı şeklinde alınmakta idi.

Civa

Civanın eski Çinliler ve Hintliler tarafından bilindiği ve Mısır mezarlarındaki kanıtlardan bunun tarihinin MÖ 1500-1600 olduğu zannedilmektedir. Dioscorides, civanın cinnabar türü cevherinden kazanılması konusunda, Pliny ise civanın kösele arasında sıkılmak suretiyle rafinasyonu ve zehirleme konularında geniş bilgi vermişlerdir.

Gümüş

Eski tarihlerde işlenen gümüşün en büyük kaynağının Arjantin demir-kurşun cevherleri olduğuna inanılmaktadır. BU cevherlerde bulunan gümüş, “Küpelasyon” yolu ile kazanılmıştır. Bu maksatla kurşun ve diğer metaller oksitlendirilip sıyrılmak suretiyle alınırken asil metaller olan altın ve gümüş bu işlemlerden etkilenmemektedir. Kurşun, daha sonra yeniden ergitme işlemleri sonunda kazanılmaktadır.

Eski devirlerde altındaki gümüşün ayırt edilmesi üzerinde de durulmuştur. Ergitilen alaşım, suya akıtılmak suretiyle granüle edilmekte ve sonra da bilinen tuz ve kil ile karıştırıldıktan sonra odun kömürü ile kızıl ısıya kadar ısıtılmakta idi. Isıtma esnasında gümüş AgCl bileşimine dönüşmekte ve kil tarafından absorbe edilmektedir. Altın ise bu işlemler sırasında etkilenmeden kalmaktadır.

Kalay

Tek başına veya bronz (Cu-Sn) şeklinde kalayın eskiden beri kullanıldığı bilinmektedir. Kalayın tarihi oldukça karanlıktır ve kullanıldığı ilk tarihler pek bilinmemektedir. Büyük ihtimalle, kalay tek başına ayırt edilmezden önce bronz bünyesinde kullanılmıştır. Bu ise kalay minerallerinin de birlikte bulunduğu veya karıştırılarak bakır cevherleri ile birlikte izabesiyle mümkündür. Kalay ve bakır cevherlerinin değişik özellikleri nedeni ile bunun hangi şartlarda yan yana getirilmiş olmasından çok tek başına bakırın sahip olduğu özelliğin bu suretle iyileştirilmiş olması önemlidir. En önemli kalay cevherinin kasiderit olduğu ve bazı klasik yazarların bu cevherin kaynağının veya kalay adalarının büyük ihtimalle Sicilya olduğunda birleştiği bilinmektedir.

METALURJİDE BAZI ÖNEMLİ KEŞİFLER

Kok’un İzabede Kullanılmaya Başlanması

Eski izabe proseslerinde ormanlardan üretilen odun kömürü kullanılmıştır. Daha sonraları yeraltından çıkarılan kömür devreye girmiştir; ancak hemen arkasından bu tür kömür bünyesinde var olan bazı bileşenlerin metalurjik prosesler için zararlı olduğu görülmüştür. Bununla birlikte kömür gazı patlamaları yanında (Davy Lambası 1886 yılında kullanılmaya başlanmıştır) havalandırma ve drenaj gibi madencilik problemleri de odun fiyatlarının artışına neden olmuştur. Bir çok problem 1709 yılında ilk kefa kömürün kok kömürüne dönüştürülmesi sayesinde çözülmüştür. Kok kömürü bilindiği gibi en az uçucu bileşene sahip özelliktedir. Diğer taraftan kömür üzerinde yapılan bu basit işlem demir endüstrisini önemli ölçüde etkilemiştir. Örneğin dayanıklı ve gözenekli özelliğe sahip olan kok kırılıp ufalanmaksızın yanması sayesinde, daha büyük fırınların inşa edilmesini ve dolayısıyla birim zamanda daha fazla metal üretimini mümkün hale getirmiştir.

Hidrojenin Keşfi ve Redükleme İşleminde Kullanılması

Hidrojenin ilk olarak 1783 yılında Berzelius Wöhler ve Bergman tarafından, oksitlerinden metalik tungstenin kazanılmasında kullanılması izabe alanında bir gelişme basamağını oluşturmuştur. Bilindiği üzere, hidrojenin keşfi 1766 yılında Cavendish tarafından yapılmıştır; bu tarihlerde ise tungsten Elhujar kardeşler tarafından, WO₃’in karbonla redüksiyonu sonucu kazanılmakta idi. Hidrojen, sıcak karbondan daha güçlü redükleme özelliğine sahip olsa da bugün daha çok oksitlerinden alkali metallerin redüklenmesinde, sulu çözeltilerdeki örneğin Cu, Co ve Ni ‘in toz ve metalik olarak çözeltilmesinde ve alüminyum ile magnezyumun ayırt edilmesinde kullanılmaktadır.

Alüminyumun Oksitinden Kazanılması

Alüminyum keşfinden sonra, oksitinin tüm bozunma ile ilgili yöntemlere çok kuvvetli bir direnci olduğunun farkına varıldı. Davy başarısızlıkla sonuçlanan bir 1.000-plaka pili denedi. Drested ise 1825 yılında alüminyum oksiti karbon ile karıştırdı ve klorun gücü ile onu klorür bileşiğine çevirdei ve sonra susuz klorürü potasyum amalgam ile reaksiyona soktu; üçüncü bir kademe ile de civanın distilasyonu vasıtasıyla çok az miktarda alüminyum elde etti. Wöhler 1827’de aynı deneyleri tekrarladı, ancak potasyum amalgamı yerine sodyumunkini kullandı ve daha iyi bir alüminyum ürünü elde etti. Aynı tarihlerde Peligot, 1941’lerde ilk defa UCl₄ ‘ü potasyum ile redükleyerek metalik uranyumu elde etti. Wöhler bu metodu kendi işine adapte etti; potasyum amalgamı yerine direkt potasyumu kullandı ve alüminyum partiküllerini elde etti; ancak problem bu partiküllerin birbirleri ile birleşmemesi idi. St.Claire Deville potasyum yerine metalik sodyumu kullandı. Böylece alüminyum partiküllerinin birbiriyle brleşme sorunu çözüldü. BU son çalışma sırasında bir reaksiyon ürünü olarak sodyum klorür oluştu ve bir flux (curuf yapıcı) şeklinde davranış gösterdi ve partiküllerin yüzeyinde bir film şeklinde Al₂O₃’i çözdü. Bu metot daha sonraları klorürler ve florürler gibi diğer bileşiklere de uygulandı. Bu yoldan Zr, Ti, Ce, Th, Be, B, Si, Ta ve Y gibi metaller bileşiklerinden ayırt edildi. Alüminyumun kolaylıkla üretiminin sağlanmasından sonra bu metal oksitlerine daha zayıf bağlı ancak diğer yöntemlere daha dirençli metallerin oksitlerinden redüklenmesinde kullanılmaya başlandı.

Çeliğin Yaşı

1850 yılında İngiltere’de Henry Bessemer, Amerika’da William Kelly çelik yapımında hava basınçlı prosesi keşfettiklerinde bu durum metalurjide gelişmenin nedeni oldu. Silis cinsi fırın içi kaplamanın kullanılması nedeni ile, o sıralarda pik demirden fosforun temizlenmesi mümkün olmuyordu. Bu durum 1878’de Thomas ve Gilchrist’in magnezyum bileşimli kaplamayı kullanmaya kadar devam etti. Ancak bundan sonra proses her türlü cevhere uygun hale gelmiş oldu. Aynı Bessemer Prosesi 1886 yılında bakır matının bakıra dönüştürülmesinde de uygulamaya sokuldu. Bessemerden kısa bir müddet sonra pnömatik konverterler keşfedildi;o sıralarda çelik yapımında bir diğer proseste ise Siemens tarafından keşfedilen açık-ocak tipi fırınlar uygulanmakta idi. 1868’lerde açık-ocak tipi çelik üretimi İngiltere’de başarılı bir şekilde geliştirildi ve bugüne kadar bu proses her yerde dünya çelik üretiminin yaklaşık % 80’ini karşılayacak oranda uygulandı.

Çeliğin büyük hacimlerde üretimini mümkün kılan bu proseslerden önce demirin tek kullanılan cinsi dövme demir idi. Dövme demir pik’in yeniden ergitilmesi ve sürekli karıştırma yolu ile yeni yüzeyleri hava ile temasa geçirmek ve bu suret ile empüriteleri okside etmek şeklinde elde edilmekte idi. Tüm empüritelerin temizlenmesinin ardından metal hamur, macun haline dönüşmesi ve ergime noktasının yükselmiş olmasından dolayı bu haliyle çalışmayı çok güçleştiriyordu. Sıcaklık daha sonra yükseltiliyor ve macun şeklindeki demir her biri 3.5-4.5 kg’lık toplar haline getiriliyordu. Daha sonra bu toplar alınıyor ve bünyede kalmış curufun ayırt edilmesi maksadıyla bir çekiçleme işlemine gönderiliyor ve çubuk şekline getiriliyordu. “Puddling” olarak bilinen ve dövme demirin curufunun temizlenmesi ile ilgili olan bu proses; çok yavaş, yorucu ve verimsiz idi. Bu nedenlerden dolayı Bessemer’den önce çelik pahalı bir alaşım idi.

Hidrometalurjinin Başlaması

1887 yılı modern hidrtometalurjinin başlangıcı sayılır. Bayer’in boksit cevherlerinin liçi, Mc Artur’un ve Forrests’in ise siyanürizasyon prosesleri ile ilgili olan patentleri almaları bu tarihlere rastlar. Bayer prosesi ile boksit cevherlerinden alüminyum, siyanürizasyon prosesi ile altın cevherlerinden altının çözeltiye alınması bugün bile keşfedildikleri yıllarda yapıldığı şeklinden çok farklı değildir. Hatta Bayer prosesinin otoklavda basınçlı liç uygulamasına, siyanürizasyon prosesinin ise metalurjideki tikiner ve vakum tipi filtrelerin devreye sokulmasına neden olduğu sanılmaktadır.

Elektrometalurjinin Başlaması

1831 yılında Faraday’ın manyetik bir alanda hareket ettirilen telde elektrik akımı meydana geldiğini keşfetmesine rağmen, dinamonun keşfi için 40 yıl daha beklenmiştir. BU keşiften önce elektrik kaynağı olarak yalnızca primer pil hücreleri kullanılıyordu. Bu tür pil hücrelerinin ilk defa 1869 yılında Swansea yakınlarında bakırın elektrolitik rafinasyonunda kullanıldığı görülür. Dinamonun keşfinden sonra elektriğin metalurjik proseslerde kullanılması aşağıdaki sırayı takip etmiştir;

Metalik sodyumun kazanılması için demir katot ve nikel anotlu bir hücrede eriyik NaOH’un elektrolizi (1866 Castner Prosesi). Daha ucuz olan sodyumun, klorürlerinden alüminyum redüklenmesinde kullanılması (St.Claire-Deville Prosesi) ile alüminyum fiyatları o tarihlerde 20 kat düşmüştür.

1886 yılında Fransa’da Heroult ve Amerika’da Hall, kryolit içinde Al2O3 çözündürülmüş bir ergiyik banyodan elektroliz yolu ile alüminyumun öretilmesi konusunda patent almışlardır. Bu proses 1887 yılında endüstriyel boyutlarda uygulamaya sokulmuştur. Alüminyumun ticari seviyede ve ucuz olarak üretimini takiben, yukarıda da işaret edildiği gibi, aşağıdaki reaksiyon gereği diğer metal oksitlerin redüklenmesinde de kullanılabildiği bilinmektedir;

3MeO+2Al Al₂O₃+3Me

1894 yılında Goldschmidt yukarıdaki prosesi Cr ve Mn’ın üretiminde kullanmıştır.

Elektriğin ucuz üretilmesi halinde metalurjik fırınların ısıtılmasında ve elektrolitik rafinasyon işlemlerinde geniş bir kullanım ve avantaja sahip olduğu da ayrıca bilinmektedir.

METALURJİNİN SINIFLANDIRILMASI

Metalurji, konuları itibariyle iki ana grupta incelenebilir.

ÜRETİM METALURJİSİ(Ekstraktif-Üretim-Kimyasal Metalurji)

FİZİKSEL METALURJİ (Malzeme veya Kullanma Metalurjisi)

1.Üretim Metalurjisi

Doğada var olan cevher veya artıklardaki metallerin, fiziksel ve kimyasal yöntemler yardımıyla kazanılmaları ve yeterli saflığa getirilme işlemlerini kapsar. Başlama materyali, ham cevher olabildiği gibi zenginleştirme yolu ile elde edilen ve istenilen metalce zengin konsantre de olabilir. Bundan başka eski izabe ve konsantrasyon artıkları, baca tozları ve çeşitli ara ürünler de olabilir. Uygulanan yöntem ve donanıma bağlı olarak tanelerin irileştirilmesi veya ufalanması gerekebilir. İrileştirme işlemleri çeşitli aglomerasyon yöntemleri ile (peletleme, biriketleme ve sinterleme), ufalama işlemi ise kırma ve öğütme ile sağlanır.

Mineraller, metallerin diğer elementlerle olan kimyasal bileşikleridir. Üretilebilmeleri için gerek yan kayaçlarından ve gerekse bu elementlerden ayrılmaları gerekir. İşte; cevherlerden metallerin üretilebilmeleri için geliştirilen fiziksel ve kimyasal temelli işlemler, üretim metalurjisinin konularını oluştururlar.

Üretim yönteminde rol oynayan faktörler ise;

Cevherin Mineral Yapısı,

Tenörü

Üretilmesi Planlanan Metalin Saflık Derecesidir.

Bu faktörlerin ışığı altında üretim metalurjisi;

Pirometalurji,

hidrometalurji,

elektrometalurji olarak üçe ayrılır.

1.1.Pirometalurji:

Kalsinasyon ve Kavurma gibi malzemenin ergime derecesinin altındaki işlemleri; Tam ergime gibi metal ve gang bileşiklerinin tümünün ergime suretiyle, ilave edilen curuf yapıcılarla ayrı sıvı fazlarda toplanmasını; Distilasyon gibi yalnızca söz konusu metalin buharlaştırılıp daha sonra yoğunlaştırılması gibi işlemleri içine alır. Pirometalurjik işlemlerin bir kısmı asıl ekstraksiyon kademesine uygun bir kimyasal bileşiğe dönüştürmek için de yapılmaktadır. Metalurjik ön hazırlama başlığı içerisinde yer alan bu işlemlerin bir kısmı (kavurma, sinterleme ve kalsinasyon gibi) kuru kimyasal yöntemler olarak da anılmaktadır. (Isıya dayanıklı fırınlar gerekir.)

1.2.Hidrometalurji

Çoğunlukla “yaş kimyasal yöntemler ile ilgili bir üretim dalıdır. Metalik malzeme; önce asidik, bazik veya nötr karakterli sulu bir ortamda çözeltilmekte ve daha sonra değişik kimyasal, termodinamik ve elektrolitik yöntemlerle çözeltiye geçen metal kazanılmaktadır. Hidro işlem kademeleri çoğunlukla bazı cevher zenginleştirme kademelerini de (öğütme, sınıflandırma, kıvamlandırma (tikner), filtrasyon) içine alır. Sulu çözücü ortamda malzeme içerisindeki metalik mineral bozunarak metal iyon halinde sulu çözeltiye geçmekte, metal içermeyen kısım ise ya kısmen çözünerek çözeltiye geçmekte veya tamamen katı artık içerisinde kalmaktadır. Bu kısım metal kazanma kademesinden önce katı-sıvı ayrımı ile ayırt edilir. Metallerin bu şekilde uygun çözücüler vasıtasıyla çözeltiye alınması işlemine Liç denir. Tüm bu işlemler için sulu ortam korozyonuna dayanıklı ekipman gerekir.

1.3.Elektrometalurji

Bu yöntem piro ve hidro metalurji sahalarının her ikisinde de uygulanan bir yöntemdir. Bu sahada elektrik enerjisinin kullanımı esastır. Elektrik enerjisinin pirometalurjide, ısı vermek amacıyla kullanımı elektrotermik; hidrometalurjide kullanımı ise elektroliz şeklinde olmaktadır.

Pirometalurjik uygulamalar daha çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı fırınları, hidro uygulamalar ise sulu ortam korozyonuna dayanıklı ekipmanı gerektirir. Elektrometalurjik donanımlarda aranan özellikler ise bu uygulamanın piro veya hidro sahada uygulanmasına göre değişir.

2.Fiziksel Metalurji

Üretim metalurjisi yöntemleri ile üretilmiş metal ve alaşımların kullanıma uygun son özellik ve şekle getirilmesi için gerekli olan alaşımlandırma, şekil verme, ısıl işlem yapı ve özelliklerin kontrolü ve malzemenin dış etkenlere karşı korunması gibi konularla uğraşır. Konuları daha çok fizik ve mekanik bilgilere dayanır, bu nedenle de çoğu defa “Malzeme Bilimi” olarak anılmaktadır. Fiziksel metalurjinin alt dallarına “Toz Metalurjisi” “Mühendislik Metalurjisi” ve “Mekanik Metalurji” gibi dallarında ilave edildiği görülmektedir. Tablo 1. 3.’te her iki metalurji bilim alanına ait başlıca ana konular bir arada verilmiştir.

Döküm; ergimiş metal veya alaşımların arzu edilen şekil ve büyüklükteki kalıplar içine dökülüp soğutulmasıdır. Isıl işlem; döküm ve şekil değiştirmeler sonunda iç yapıda meydana gelen gerilmelerin yok edilmesi, mukavemet, sertlik, elastisite gibi kalıcı özelliklerin kazandırılması için katı metal ve alaşımların belirli sıcaklıklarda (ergime sıcaklığının altında) ıstılıp özel ortamlarda soğutulmalarını kapsar. Şekil verme; daha çok haddeleme, dövme, tel çekme, presleme gibi mekanik şekillendirmeler için kullanılan terimdir. Özellikle “plastik şekil verme” diye de isimlendirilebilen bu tür işlemler sonunda malzeme özellikleri, döküm yoluyla elde edilenden daha üstündür. Ekstrüzyon yani haddeleme yolu ile çubuk ve alüminyum tüp imali, delme ve çekme yolu ile dikişsiz boru imali işlemleri yapılmaktadır.

Bu bilim alanında kendi içinde gruplama yapmak gerekirse fiziksel metalurjinin daha çok metallerin fiziksel özellikleri, kristal yapıları, empürite etkileri, alaşımlar, ısıl işlem ve metalografik incelemeleri içine aldığı; toz metalurjisinin son ürüne varana kadar metal tozlarının hazırlanması ve işlenmesi; mühendislik metalurjisinin ergimiş durumdaki metallere ait işlemler (döküm, kaynak vb.); mekanik metalurjinin ise daha çok katı durumdaki metal işlemleri (çekme, dövme ve haddeleme vb.) gibi konular ile uğraştığı söylenebilir. Korozyon ile ilgili bilim dalı ise iyonize olmuş sıvının (elektrolit) metalik malzeme ile reaksiyon yapması gibi konularla uğraşır.

Doğada duraylı olan metal bileşiklerden oksitler, hidroksitler, karbonatlar, sülfatlar vs. bu tarzda meydana gelirler. Belli başlı aşındırıcı maddeler ise ; asitler, alkaliler, rutubetli hava, tatlı veya tuzlu su, endüstriyel su ve atıklardır. Endüstriyel olarak malzemeyi korozyondan korumak iki şekilde mümkündür;

Sözkonusu şartlarda korozyona daha dayanıklı metaller kullanmak (platin, altın,

gümüş, krom, bakır, nikel,kurşun)

Kolaylıkla korozyona uğrayacak metali yüzeyini elektrogalvaniz yöntemlerinden faydalanarak korozyona daha dayanıklı malzeme ile kaplamak.

Metalürji ve malzeme mühendisliği

 insanlığın ihtiyaç duyduğu, geleceğe dönük mühendislik malzemelerinin, çevresel sorumlulukların da göz önünde tutulduğu üretim yöntemleriyle üretilmesi ve geliştirilmesi, ancak "teknolojik-ekonomik-ekolojik" denge bileşenlerinin her birinin zorunluluk arz ettiği mühendislikler arası bir misyon ve strateji odaklı bir çalışma süreciyle mümkün olabilmektedir.

Metalürji ve Malzeme Mühendisliği günümüzde kimya, makina, inşaat, uzay-uçak, elektrik-elektronik, çevre ve tıp alanlarına yayılmış çok disiplinli bir bilim ve teknoloji dalı olarak gelişmesini sürdürmekte ve verimlilik, enerji ve hammadde üçlüsü ile uyum içinde olan üretim süreçlerinin sektöre kazandırılmasında önemli rol oynamaktadır. Son yıllarda Metalürji ve Malzeme Mühendisliğindeki gelişmeler, genel olarak Metalürjik proseslerin optimizasyonu, nümerik simülasyon ve modelleme üzerine yoğunlaşırken, çevresel Metalürji uygulamalarında da, çevre kirliliğine yol açmayacak nitelikte atılabilir atık üretmek, de-metalize edilmiş (metal iyonlarından arındırılmış) çözeltiyi kullanılabilir su halinde sisteme geri döndürme şeklinde atık su de-metalizasyonu, ikincil kaynakların yeniden değerlendirilmesine yönelik reaktör ve proseslerin tasarımı (ve geliştirilmesi) gibi konular önde gelmektedir.

Enerji yoğun işletmelerin başında yer alan elektro-Metalürji uygulamalarında ise, sonlu elemanlar yöntemiyle hücre dizaynlarında yapılan iyileştirmeler, kullanılan elektrot malzemelerinin yeniden tasarımı ve geliştirilmesi gibi konular önem kazanmaktadır. Yüksek kaliteye ve üstün özelliklere sahip karmaşık şekilli parçaların, toz Metalürjisi yöntemleriyle istenilen toleranslarda ve minimum kayıpla ekonomik olarak imalinde önemli rol oynayan, nano boyutta toz ve toz karışımlarının hidro- ve/veya elektro-Metalürjik yöntemlerle üretiminin yanı sıra, soy metaller Metalürjisi içinde yer alan ve insan sağlığına zarar vermeyen altın ve altın alaşımlarının geliştirilmesi ve üretimleri de günümüz Metalürji bilimi gündeminin ilk sıralarında karşımıza çıkmaktadır.

İnsanlık tarihini taş devrinden tunç devrine, oradan da demir devrine ulaştıran Metalürji "sanat"ı, bugün temel bilimlere dayalı ve çağdaş medeniyetin kuruluş ve gelişmesine büyük katkıları olan Metalürji ve Malzeme Mühendisliği mesleği adı altında bilimsel ve teknolojik bakımdan geniş bir alanı kapsar hale gelmiştir.

Tarihi açıdan metal, önceleri doğal halinde kullanılmış ve bu da nabit metallerin şekillendirilmesiyle mümkün olmuştur. İlk kullanılan nabit metaller, bakır ve altındır. Metalürjinin tarihi ile Anadolu medeniyetlerinin tarihsel gelişimi neredeyse özdeştir. Arkeolojik bulgular, bakır üretiminin ilk kez Anadolu ve İran topraklarında başladığını göstermektedir. Bakırı işlemek suretiyle, mızraklar ve çeşitli silahlar yapan insanoğlu daha sonraki yıllarda bakır ve kalayı karıştırarak bakırdan daha sert bir alaşım elde etmiştir. Anadolu'da kalay bulunmadığı için Hititler, bakır ile arseniği alaşımlandırmak suretiyle yeni bir alaşım bulmuşlar ve bu gelişmeler de tunç çağının başlangıcına yol açmıştır. Aynı şekilde ilk demir üretimi de M.Ö. 1500 yıllarında yine Anadolu'da gerçekleşmiştir.

Kazanılan Ünvan ve Yapılan İşler

Bu programı bitirenler "Metalürji ve Malzeme Mühendisi" unvanını alırlar. Metalürji ve Malzeme Mühendisleri, herhangi bir malzemenin üretimi için gerekli planları yapar ve uygulanmasını denetlerler. Ayrıca, mühendislik tasarım gurubunun üyesi olarak, malzeme seçme, önerme ve kullanımının denetimi gibi görevlerinin yanısıra özel amaçlara yönelik malzemeler tasarlarlar.

Metalürji ve malzeme mühendisleri, aşağıda belirtilen sanayi dallarında faaliyet gösteren kamu veya özel sektör kuruluşlarında çalışabilecekleri gibi kendi işlerini kurma imkânına da sahiptirler.

• Demir-Çelik sanayi
• Demir-Dışı metal üretim sanayi
• Cam, seramik ve refrakter sanayi
• Döküm sanayi
• Savunma sanayi
• Makine imalat sanayi
• Otomotiv ve otomotiv yan sanayi
• Uçak ve gemi imalat sanayi
• Plastik teknolojisi
• Kaynak malzemeleri üretimi sanayi
• Metal şekillendirme ve işleme sanayi
• Yüzey işlemleri ve kaplama sanayi
• Elektrik-Elektronik malzeme üretimi
• Manyetik malzeme üretimi
• Biomedikal malzeme üretimi
• Kalite kontrol ve gözetim şirketleri