Metallien elinkaari on alkuun vaivalloinen, mutta kerran synnyttyään metallit voivat kiertää ihmisen palveluksessa lähes ikuisesti. Mistä tämä johtuu, siitä tarina seuraavassa.

Metallin elinkaari ihmisen palveluksessa ei siis ole kaari ollenkaan, vaan päättymätön rengas, jossa metalli kiertää välillä uusiutuen vaiheesta ja tuotteesta toiseen. Tutustutaanpa yllä esitettyihin vaiheisiin hiukan lähemmin.

Malmin louhinta ja rikastus

Metallit esiintyvät luonnossa useimmiten sitoutuneina muihin alkuaineisiin erilaisiksi yhdisteiksi ja hautautuneina kallioperään. Jalometalleja kuten kultaa voidaan löytää luonnosta myös puhtaana metallina. Metallipitoisia yhdisteitä sisältävää kiveä kutsutaan malmiksi. Metallin tie yhdisteistä käyttökelpoiseksi materiaaliksi alkaa malmin louhimi-sella irti kalliosta.

Malmien metallipitoisuus on usein pieni, esimerkiksi kullan tapauksessa vain muutamia grammoja tuhatta kivikiloa kohti. Siksi louhittu malmi on rikastettava eli siitä on ero-tettava metallipitoiset osat jatkojalostusta varten.

Rikastuksessa malmi jauhetaan hienoksi pulveriksi. Pulverista erotellaan metallipitoiset partikkelit erilaisin menetelmin, joista yleisin on vaahdotus.

Vaahdotuksessa hienoksi jauhettu malmi sekoitetaan esikäsiteltyyn veteen, jota sekoitetaan niin, että se vaahtoutuu. Esikäsittelyn ansiosta metallipitoiset partikkelit tarttuvat vaahdon kupliin ja nousevat niiden mukana pintaan. Pintavaahdosta metallipitoinen pulveri, rikaste, kerätään talteen ja kuivataan. Rikasteen metallipitoisuus voi nyt olla muuta-mia kymmeniä prosentteja. Jatkokäsittelyä varten hienojakoinen pölyävä rikaste voidaan puristaa kiinteiksi paloiksi, briketeiksi.

Metallin valmistus, puhdistus ja seostus

Briketoidussa rikasteessa metalli on edelleen yhdisteinään. Metallin erottamiseksi rikaste sulatetaan tai pasutetaan. Raudan sulatus tapahtuu masuuniprosessissa. Tietyn tyyp-pisille ei-rautametallirikasteille voidaan käyttää suomalaista innovaatiota, liekkisulatusta.

Liekkisulatuksessa se alkuaine, rikki, johon metalli on yhdisteissään sitoutunut, reagoi ympäristön hapen kanssa eli palaa vapauttaen metallin, joka sulaa. Palamisen synnyttä-lämpö hyödynnetään prosessissa, joka tarvitsee vain vähän ulkoapäin tuotua energiaa. Masuuniprosessin korkeassa lämpötilassa rikasteen rautaan liittynyt happi yhtyy ym-päristön hiileen ja vapautunut rauta sulaa valuen masuunin pohjalle, josta se voidaan laskea sulana ulos. Pasutuksessa rikasteen metalliyhdisteet muutetaan liukoiseen muotoon eli useimmiten metallioksideiksi, joista metalli voidaan erottaa myöhemmin kuvattavin elektrolyyttisin menetelmin.

Saatu metalliaine sisältää vielä liiaksi epäpuhtauksia ollakseen käyttökelpoista. Liekkisulatetussa ja pasutetussa rikasteessa on liuenneina monenlaisia epäpuhtauksia ja masuuniraudassa ylimäärä hiiltä. Liekkisulatuksessa syntynyt metallikiveksi (esim. kuparikivi) kutsuttu aine sulatetaan uudelleen ja sulan läpi puhalletaan happea. Tällöin val-taosa epäpuhtauksista palaa pois ja palamistuotteet poistuvat sulasta kaasumaisina. Sula metalli valetaan jatkokäsittelyä varten tarvittavaan muotoon. Raudan tapauksessa sula masuunirauta kaadetaan konvertteriin, jossa tehdään sama käsittely eli mellotus sulaan puhallettavan hapen avulla. Sulassa oleva liiallinen hiili yhtyy happeen eli palaa ja poistuu sulasta hiilidioksidina. Epäpuhtauksien palaessa syntyvä lämpö hyödynnetään prosessissa. Hiilipitoisuuden laskiessa raudasta saadaan sekä korkeamman hiilipitoisuuden valu-rautaa että pienillä hiilipitoisuuksilla terästä.

Nykypäivän metalleilta vaadittavien erittäin pienten epäpuhtauspitoisuuksien saavuttamiseksi tarvitaan lisää puhdistuskäsittelyjä. Ei-rautametalleilla tämä tarkoittaa yleensä elektrolyysikäsittelyä ja teräksillä tyhjö- eli vakuumikäsittelyä.

Elektrolyysikäsittelyssä edellisessä vaiheessa valetut anodeiksi kutsutut kappaleet asetetaan erityistä nestettä eli elektrolyyttiä sisältävään altaaseen. Samaan altaaseen asete-taan niin ikään levymäiset katodit ja anodien ja katodien välille kytketään sähkövirta. Virran ansiosta anodilla oleva metalli liukenee elektrolyyttiin, kulkeutuu katodille ja saos-tuu sen pintaan lähes puhtaana metallina. Anodimetallissa olevat epäpuhtaudet jäävät elektrolyyttiin ja laskeutuvat altaan pohjalle, josta ne voidaan kerätä talteen. Esim. kuparin tapauksessa malmin usein pieninä määrinä sisältämä kulta ja hopea erottuvat tässä vaiheessa kuparista ja saadaan talteen altaan pohjalle muodostuvasta kerrostumasta. Katodin pinnalle saostunut metalli kuoritaan määräajoin irti katodista ja viedään edelleen jatkojalostettavaksi.

Raudan tyhjö- eli vakuumikäsittelyssä sula teräs kaadetaan konvertteriin, johon imetään alipaine eli tyhjö. Alipaineen ansiosta sulassa olevat epäpuhtaudet höyrystyvät ja pois-tuvat kaasumaisessa muodossa sulasta. Tällä tavoin voidaan valmistaa erittäin pienten hiili- ja epäpuhtauspitoisuuksien teräksiä, joilla on tästä syystä hyvät käyttöominaisuudet.

Elektrolyysistä tuleva katodimateriaali voidaan sulattaa vielä kerran viimeistenkin epäpuhtauksien sitomiseksi tai poistamiseksi. Tällä tavoin valmistetaan esimerkiksi sähkön-johtosovelluksissa tarvittava hapeton kupari, joka on yli 99,99 –prosenttisesti puhdasta kuparia.

Useimpien käyttömetallien valmistuksen viimeisenä vaiheena on metallin seostus, joka tehdään haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Seostuksessa metalliin lisätään useimmiten toisia metalleja. Seostus tehdään sulassa tilassa, joko uudelleen sulatetulle ja mahdollisesti jatkokäsitellylle katodimateriaalille tai konvertterissa olevalle, mahdolli-sesti vakuumikäsitellylle sulalle teräkselle. Tällöin seosaineet liukenevat nopeasti sulaan ja jakautuvat tasaisesti kautta koko sulan. Sulaa voidaan vielä tämänkin jälkeen jatkokä-sitellä sen laadun parantamiseksi. Seostuksen ja viimeisten sulankäsittelyjen jälkeen valmis metalliseos valetaan jatkojalostukseen soveltuviksi aihioiksi.

Tietyn tyyppisille malmeille ja niistä saataville rikasteille voidaan metallien valmistuksessa käyttää myös edellä kuvatusta reitistä poikkeavaa menettelyä. Siinä useimmiten pasutettu rikaste liuotetaan suoraan elektrolyyttinä käytettävään nesteeseen, joka käsitellään erilaisin liuospuhdistusmenetelmin. Metalli saostetaan puhdistetusta elektrolyytistä katodille sähkövirran avulla. Rikkipitoisten metalliyhdisteiden tapauksessa on mahdollista käyttää liuotuksen apuna bakteereja, jotka käyttävät yhdisteessä olevaa rikkiä ravinto-naan ja tuottavat samalla lämpöä prosessin pitämiseksi käynnissä myös talvikausina. Tällöin metallin liuotus voidaan tehdä myös suoraan hienojakoiseksi murskatusta malmi-kivestä, niin kuin tehdään nikkelin tuotannossa Terrafamen kaivoksella Talvivaarassa. Liuospohjaista metallien valmistusta kutsutaan hydrometallurgiseksi valmistukseksi, kun taas sulatus- ja pasutuspohjaiset menetelmät ovat pyrometallurgian piiriin kuuluvia.

(Sulatus) ja valu aihioiksi

Edellisessä vaiheessa malmista valmistettu metalli voidaan seostuksen ja mahdollisten viimeisten sulankäsittelyjen jälkeen valaa suoraan puolivalmisteiden tuotantoon sovel-tuviksi jatkojalostusaihioiksi. Näin tehdään esimerkiksi terästen tapauksessa. Kierrätyksen kautta uusiokäyttöön tuleva metalli sulatetaan suoraan tässä vaiheessa ja sille suorite-taan yllä kuvattuja sulan puhdistus- ja seostuskäsittelyjä metallin laadun saattamiseksi alkuperäistä vastaavalle tasolle.

Levymäisten puolivalmisteiden tuotantoon tarvittavat aihiot ovat laattamaisia ja ne valetaan yleensä jatkuvavalumenetelmää käyttäen. Terästen tapauksessa puolivalmisteet ovat yleensä levymäisiä. Aihiolaatta valetaan jatkuvana ja siitä katkaistaan määrämittaisia paloja myöhempää levyjen tuotantoa varten. Putkimaisten ja profiilityyppisten puoli-valmisteiden tuotannossa käytettävät aihiot ovat sylinterimäisiä muodoltaan ja nekin valetaan jatkuvavalua vastaavalla menetelmällä, mutta määrämittaisina.

Putkimaisten puolivalmisteiden tuottamiseen on mahdollista valaa myös valmiiksi reiällisiä aihioita. Tällöin kyseessä ovat yleensä halkaisijaltaan pienemmät aihiot ja jatkoja-lostus putkiksi tehdään valssaustyyppisin menetelmin.

Puolivalmisteiden tuottaminen

Lopullisten metallituotteiden valmistuksessa käytettävien puolivalmisteiden tuottaminen tehdään yleensä muokkauspohjaisin menetelmin. Muokkausta voidaan tehdä joko kylmä- tai kuumamuokkauksena. Ero näiden kahden välillä on seuraava: Kuumamuokkaus tehdään niin korkeassa lämpötilassa, että metalli kiteytyy uudelleen eli rekristalloituu jatkuvasti muokkauksen kestäessä. Tällöin muokkaukseen käytetty energia ei varastoidu metalliin, vaan metalli säilyy pehmeänä ja muokkausta voidaan jatkaa suuriin muodon-muutoksiin saakka ilman metallin lujittumista ja murtumista ja muokkaukseen tarvittavien voimien kasvamista. Myös metallin sisäinen rakenne hienonee ja paranee kuuma-muokkauksen ansiosta.

Kylmämuokkaus taas tehdään niin matalassa lämpötilassa, että uudelleen kiteytymistä ei tapahdu ja muokkausenergiasta osa varastoituu muokattavaan metalliin. Tämä näkyy metallin lujittumisena ja sitkeyden alenemisena sekä tarvittavan muokkausvoiman kasvuna muodonmuutoksen lisääntyessä. Muokkausta pitemmälle jatkettaessa kylmämuokat-tu metalli myös murtuu lujittumiseen liittyvän sitkeyden alenemisen ansiosta. Kylmämuokatun metallin lujittuminen voidaan poistaa ja muodonmuutoskyky palauttaa rekristal-loitumislämpötilan yläpuolella tehdyn välihehkutuksen avulla. Välihehkutuksen jälkeen kylmämuokkausta voidaan taas jatkaa suurempia muodonmuutosasteita kohti.

Levymäiset puolivalmisteet tuotetaan kuuma- tai kylmävalssausta ja mahdollisia välihehkutuksia käyttäen. Ainepaksuudeltaan ohuet levymäiset puolivalmisteet tuotetaan yleensä kelalle kierrettyinä pitkinä nauhoina ja suuremmat ainepaksuudet erillisinä levyinä. Putkimaiset ja profiilityyppiset puolivalmisteet taas tuotetaan usein kuumapursotuk-sena, joka soveltuu hyvin ei-rautametalleille. Yksittäiskappaletyyppisiä puolivalmisteita voidaan myös tuottaa kuuma- tai kylmätaontana tai sulattamalla metalli ja valamalla se haluttua muotoa vastaavaan muottiin.

Metallituotteiden valmistus

Lopullisen metallituotteen valmistuksessa käytetään hyväksi puolivalmisteita, esimerkiksi levystä haluttuun muotoon leikattuja osia, jotka muotoillaan lopputuotteen tarvitse-maan muotoon erilaisia levynmuovausprosesseja käyttäen. Tuotteen komponentteja voidaan myös valmistaa muotoon taivutetuista putkista tai profiileista sekä käyttäen muo-toon taottuja tai valettuja osia.

Lopullinen metallirakenne kootaan liittämällä eri tavoin valmistetut komponentit yhteen halutuksi rakenteeksi. Liittämiseen voidaan käyttää mekaanisia liittämismenetelmiä (ruuvi-, pultti- ja niittiliitokset), lukuisia erilaisia hitsausmenetelmiä, juotosliitoksia tai liimausta. Ohutlevyrakenteissa voidaan liittämiseen käyttää myös erilaisia muovauspohjai-sia lukkosaumoja.

Ennen kokoonpanoa valmistetut komponentit yleensä viimeistellään koneistamalla ne tarvittaviin mittoihin. Koneistuksessa metallin pinnasta poistetaan materiaalia lastu-amalla työstöterällä tai hiomalla hiomalaikalla. Myös kokoonpanon jälkeen rakenne voidaan viimeistellä koneistamalla haluttujen mittojen aikaansaamiseksi. Tuote voidaan myös lämpökäsitellä esimerkiksi siihen valmistuksen yhteydessä muodostuneiden sisäisten jännitysten poistamiseksi. Lämpökäsittelyssä syntyvien mitta- ja muodonmuutosten vuoksi lämpökäsitellyt tuotteet viimeistellään vielä koneistamalla. Viimeisenä vaiheena olevaa pintakäsittelyä varten pinta valmistellaan joko hiomalla tai suurempien tuotteiden tapauksessa erilaisin raepuhallusmenetelmin. Myös kemiallisia esikäsittelymenetelmiä voidaan käyttää.

Pintakäsittelyillä voidaan parantaa tuotteen ulkonäköä, suojata metallituotteita korroosiolta ja muuttaa pinnan ominaisuuksia kuten kovuutta haluttujen ominaisuuksien, esi-merkiksi kulumiskestävyyden saavuttamiseksi. Pintaan voidaan samoista syistä lisätä muuta materiaalia olevia kerroksia erilaisia pinnoitusmenetelmiä käyttäen. Esimerkiksi hitsattujen teräsrakenteiden yleinen korroosiosuojausmenetelmä on kuumasinkitys, jossa sinkittävä rakenne upotetaan sulaa sinkkiseosta sisältävään altaaseen. Kun rakenne nostetaan altaasta, sen pintaan jähmettyy ohut suojaava sinkkikerros. Erilaisten pintakäsittelymahdollisuuksien ja niillä saavutettavien ominaisuuksien kirjo on hyvin laaja.

Tuotteiden käyttö

Tuotteille suunnitellaan yleensä tietty tekninen käyttöikä, jonka kuluttua niiden katsotaan olevan tiensä päässä joko käytön aiheuttaman kulumisen, väsymisen, korroosion tai tuotteen teknisten järjestelmien vanhenemisen vuoksi. Todellinen käyttöikä voi olla teknistä ikää paljon pitempikin, mutta jossain vaiheessa tuotteen ikä kuitenkin loppuu.

Koska tuotteeseen sisältyvät metallit ovat kuitenkin edelleen käyttökelpoisia ja niiden kierrättäminen uusiin tuotteisiin on ehdottoman järkevää, on käytöstä poistetuille tuot-teille ja niiden materiaaleille järjestetty yhä enemmän mahdollisuuksia kierrätykseen ja uusiokäyttöön. Käytöstä poistetuista tuotteista erotellaan erikseen niihin käytetyt metallit, jotka palautetaan uudelleen sulatettaviksi ja käytettäviksi uusien vastaavien tai täysin erilaisten tuotteiden valmistukseen. Edellä kuvatut metallien ja niiden valmistusprosessien erityisominaisuudet antavat tähän erinomaiset mahdollisuudet.

Kierrätys ja uusiokäyttö

Tehokas kierrätys- ja uusiokäyttö edellyttää toimivien keräys-, lajittelu- ja uudelleen prosessointijärjestelmien olemassaoloa. Keräystä hoidetaan mm. kunnallisten jätepisteiden, hyötyjäteasemien ja yleistymässä olevien kierrätyskeskusten sekä lisääntyvässä määrin tuotemyyjille asetettavan takaisinottovelvoitteen avulla. Tärkeää on lajitella kierrätettävät tuotteet mahdollisimman varhaisessa vaiheessa niiden sisältämien päämetallien mukaisiin ryhmiin. Suurikokoisemmat tuotteet voidaan purkaa ja lajitella niiden komponentit käytetyn metallin mukaan. Lajitteluun on käytössä myös kädessä kannettavia analysaattoreita, joilla voidaan suoraan määrittää metallissa olevat seosaineet ja niiden pitoisuudet riittävällä tarkkuudella.

Useita eri metalleja sisältävät ja vaikeasti purettavat tuotteet kuten autot murskataan sellaisinaan ja syntyneestä murskeesta erotellaan ensin erikseen metallit ja muut kevyem-mät jakeet. Metallijakeesta taas voidaan erottaa erikseen eri metallit niiden ominaisuuksien kuten magneettisuuden, tiheyserojen, värin jne. perusteella. Esimerkiksi tiheyseroihin perustuvassa erottelussa metallijae kuljetetaan peräkkäisten altaiden kautta ja eri altaissa on erilaisen tiheyden omaavia nesteitä. Altaaseen tulleesta metallijakeesta ne metallit, joiden tiheys on altaan nestettä suurempi, uppoavat ja nestettä kevyemmät metallit taas kelluvat ja siirtyvät seuraavaan altaaseen. Jotkut metalliseostyypit voidaan erotella erik-seen myös niiden värin perusteella.

Seostyypin mukaan mahdollisimman tarkasti lajitellut metallit toimitetaan metallien valmistajille uudelleen sulatusta ja prosessointia varten. Sulatuksen aikana metallisulasta otetaan näytteitä, joiden seoskoostumus analysoidaan ja tuloksen perusteella sulaan lisätään joko mahdollisimman puhdasta perusmetallia seosainepitoisuuksien alentamiseksi tai tarvittavia seosaineita pitoisuuksien nostamiseksi halutulle tasolle. Kun sulan koostumus on kohdallaan, sille tehdään vielä edellä kuvattuja käsittelyjä metallin laadun paran-tamiseksi ja uudistettu metalliseos valetaan uusiksi jatkojalostusaihioiksi. Sitä kautta uudistunut ja virkistynyt metalli on valmiina uuteen elämään jossain muussa tuotteessa.

Joidenkin metallien kuten terästen osalta kierrätysaste on jo nyt varsin korkea, luokkaa 70-80 %. Suomalaiset terästehtaat käyttävät merkittäviä määriä kierrätysterästä uusien terästuotteidensa valmistamisessa. Vaativia koneenrakennusteräksiä valmistava suomalainen terästehdas käyttää tuotantoonsa pelkästään meiltä ja ulkomailta tuotavaa kier-rätysterästä. Myös kuparin kierrätysaste on meillä varsin korkea ja alumiinin kierrätys on koko ajan lisääntymässä. Meillä on yksi merkittävä kotimaassa ja ulkomailla toimiva metallien kierrätysyritys ja muutama kansainvälinen alan toimija.

Teksti: Tuomo Tiainen

Kuvitus: Petra Juva

ELINKAAREN VAIHEET

Metallin valmistus, puhdistus ja seostus

Sulatus ja valu aihioiksi

Puoli-valmisteiden tuottaminen

Metallituotteidenvalmistus

Tuotteiden käyttö

Kierrätys ja uusiokäyttö

Malmin louhintaja rikastus

Metallien elinkaari

ihmisen palveluksessa

Kasperin tarina

Eurooppalaisilla vuorimiehillä katolilaisissa ja ortodoksisissa maissa on ollut suojeluspyhimyksenä Santa Barbara, joka oli alunperin tykistön, pioneerien, panostajien ja myös kaivosmiesten suojelupyhimys.

1960-luvun alussa Suomen vuorimiehet loivat oman versionsa Barbarasta. Kotimaisen ”Kasperin” hahmo saattoi saada myös vaikutteita tuolloin ensi kertaa ilmestyneestä ”Kiviset ja Soraset” sarjakuvasta.

Kasper on siitä lähtien seurannut mukana laulukirjoissa, kuvituksessa, tapahtumien ja paikkojen nimissä ja monessa muussa.

Vieritä ylös