Adaptiert von der 3. Auflage, Enzyklopädie des Arbeitsschutzes.
Bei der Herstellung und Veredelung von Metallen werden in einer Reihe unterschiedlicher physikalischer und chemischer Reaktionen wertvolle Bestandteile von wertlosem Material getrennt. Das Endprodukt ist Metall, das kontrollierte Mengen an Verunreinigungen enthält. Das primäre Schmelzen und Raffinieren erzeugt Metalle direkt aus Erzkonzentraten, während das sekundäre Schmelzen und Raffinieren Metalle aus Schrott und Prozessabfällen produziert. Schrott umfasst Bits und Stücke von Metallteilen, Stangen, Späne, Bleche und Drähte, die nicht den Spezifikationen entsprechen oder abgenutzt sind, aber recycelt werden können (siehe Artikel „Metallrückgewinnung“ in diesem Kapitel).
Überblick über Prozesse
Zwei Metallrückgewinnungstechnologien werden im Allgemeinen verwendet, um raffinierte Metalle herzustellen, pyrometallurgisch und hydrometallurgisch. Pyrometallurgische Prozesse verwenden Wärme, um gewünschte Metalle von anderen Materialien zu trennen. Diese Prozesse nutzen Unterschiede zwischen Oxidationspotentialen, Schmelzpunkten, Dampfdrücken, Dichten und/oder Mischbarkeit der Erzkomponenten im geschmolzenen Zustand. Hydrometallurgische Technologien unterscheiden sich von pyrometallurgischen Verfahren darin, dass die gewünschten Metalle von anderen Materialien unter Verwendung von Techniken getrennt werden, die sich die Unterschiede zwischen den Löslichkeiten der Bestandteile und/oder den elektrochemischen Eigenschaften in wässrigen Lösungen zunutze machen.
Pyrometallurgie
Während der pyrometallischen Verarbeitung wird ein Erz nach begünstigt (konzentriert durch Zerkleinern, Mahlen, Schweben und Trocknen), wird mit anderen Materialien wie Sackhausstaub und Flussmitteln gesintert oder geröstet (kalziniert). Das Konzentrat wird dann in einem Hochofen geschmolzen oder geschmolzen, um die gewünschten Metalle zu einem unreinen geschmolzenen Barren zu verschmelzen. Dieser Goldbarren wird dann einem dritten pyrometallischen Prozess unterzogen, um das Metall auf den gewünschten Reinheitsgrad zu veredeln. Jedes Mal, wenn das Erz oder Goldbarren erhitzt wird, entstehen Abfallmaterialien. Staub aus Lüftungs- und Prozessgasen kann in einem Filterhaus aufgefangen und je nach Restmetallgehalt entweder entsorgt oder dem Prozess wieder zugeführt werden. Schwefel im Gas wird ebenfalls aufgefangen und kann bei Konzentrationen über 4 % in Schwefelsäure umgewandelt werden. Je nach Herkunft des Erzes und dessen Restmetallgehalt können auch verschiedene Metalle wie Gold und Silber als Nebenprodukte anfallen.
Das Rösten ist ein wichtiger pyrometallurgischer Prozess. Sulfatierendes Rösten wird bei der Herstellung von Kobalt und Zink verwendet. Sein Zweck ist es, die Metalle abzutrennen, damit sie für die weitere hydrometallurgische Verarbeitung in eine wasserlösliche Form überführt werden können.
Beim Schmelzen von sulfidischen Erzen entsteht ein teilweise oxidiertes Metallkonzentrat (matt). Beim Schmelzen bildet das wertlose Material, meist Eisen, mit Flussmitteln eine Schlacke und wird in das Oxid umgewandelt. In der Konversionsstufe, die in Konversionsöfen stattfindet, erhalten die wertvollen Metalle ihre metallische Form. Dieses Verfahren wird in der Kupfer- und Nickelproduktion eingesetzt. Eisen, Ferrochrom, Blei, Magnesium und Eisenverbindungen werden durch Reduktion des Erzes mit Holzkohle und einem Flussmittel (Kalkstein) hergestellt, wobei der Schmelzprozess üblicherweise in einem Elektroofen stattfindet. (Siehe auch die Eisen- und Stahlindustrie Kapitel.) Die Salzschmelzelektrolyse, die bei der Aluminiumherstellung verwendet wird, ist ein weiteres Beispiel für einen pyrometallurgischen Prozess.
Die für die pyrometallurgische Behandlung von Metallen erforderliche hohe Temperatur wird durch Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Ausnutzung der exothermen Reaktion des Erzes selbst (z. B. im Schwebeschmelzverfahren) erreicht. Das Schwebeschmelzverfahren ist ein Beispiel für ein energiesparendes pyrometallurgisches Verfahren, bei dem Eisen und Schwefel des Erzkonzentrats oxidiert werden. Die exotherme Reaktion gekoppelt mit einem Wärmerückgewinnungssystem spart viel Energie beim Schmelzen. Die hohe Schwefelausbeute des Verfahrens kommt auch dem Umweltschutz zugute. Die meisten der kürzlich gebauten Kupfer- und Nickelhütten verwenden dieses Verfahren.
Hydrometallurgie
Beispiele für hydrometallurgische Prozesse sind Auslaugen, Ausfällen, elektrolytische Reduktion, Ionenaustausch, Membrantrennung und Lösungsmittelextraktion. Die erste Stufe hydrometallurgischer Prozesse ist das Auslaugen wertvoller Metalle aus weniger wertvollem Material, beispielsweise mit Schwefelsäure. Der Laugung geht häufig eine Vorbehandlung (z. B. Sulfatrösten) voraus. Der Laugungsprozess erfordert oft hohen Druck, die Zugabe von Sauerstoff oder hohe Temperaturen. Das Auslaugen kann auch mit Strom durchgeführt werden. Aus der Auslaugungslösung wird das gewünschte Metall oder seine Verbindung durch Präzipitation oder Reduktion unter Verwendung verschiedener Verfahren gewonnen. Die Reduktion erfolgt beispielsweise in der Kobalt- und Nickelproduktion mit Gas.
Auch die Elektrolyse von Metallen in wässrigen Lösungen wird als hydrometallurgisches Verfahren angesehen. Bei der Elektrolyse wird das Metallion zum Metall reduziert. Das Metall befindet sich in einer schwach sauren Lösung, aus der es unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms an Kathoden ausfällt. Die meisten Nichteisenmetalle können auch durch Elektrolyse veredelt werden.
Häufig sind metallurgische Verfahren eine Kombination aus pyro- und hydrometallurgischen Verfahren, je nach zu behandelndem Erzkonzentrat und Art des zu veredelnden Metalls. Ein Beispiel ist die Nickelproduktion.
Gefahren und ihre Vermeidung
Die Verhütung von Gesundheitsrisiken und Unfällen in der metallurgischen Industrie ist in erster Linie eine pädagogische und technische Frage. Ärztliche Untersuchungen sind zweitrangig und haben nur eine ergänzende Rolle bei der Prävention von Gesundheitsrisiken. Ein harmonischer Informationsaustausch und die Zusammenarbeit zwischen den Planungs-, Linien-, Sicherheits- und Arbeitsschutzabteilungen im Unternehmen führen zu den effizientesten Ergebnissen bei der Prävention von Gesundheitsrisiken.
Die besten und kostengünstigsten vorbeugenden Maßnahmen sind diejenigen, die in der Planungsphase einer neuen Anlage oder eines neuen Prozesses ergriffen werden. Bei der Planung neuer Produktionsanlagen sollten mindestens folgende Aspekte berücksichtigt werden:
- Die potenziellen Quellen von Luftschadstoffen sollten umschlossen und isoliert werden.
- Das Design und die Platzierung der Prozessausrüstung sollten einen einfachen Zugang für Wartungszwecke ermöglichen.
- Bereiche, in denen eine plötzliche und unerwartete Gefahr auftreten kann, sollten kontinuierlich überwacht werden. Entsprechende Warnhinweise sollten enthalten sein. Beispielsweise sollten Bereiche, in denen eine Exposition gegenüber Arsenwasserstoff oder Cyanwasserstoff möglich sein könnte, ständig überwacht werden.
- Die Zugabe und Handhabung von giftigen Prozesschemikalien sollte so geplant werden, dass eine manuelle Handhabung vermieden werden kann.
- Geräte zur Probenahme bei der persönlichen Arbeitshygiene sollten nach Möglichkeit verwendet werden, um die tatsächliche Exposition des einzelnen Arbeitnehmers zu bewerten. Die regelmäßige stationäre Überwachung von Gasen, Stäuben und Lärm gibt einen Überblick über die Exposition, spielt jedoch nur eine ergänzende Rolle bei der Bewertung der Expositionsdosis.
- Bei der Raumplanung sollten die Anforderungen zukünftiger Änderungen oder Erweiterungen des Prozesses berücksichtigt werden, damit sich die arbeitshygienischen Standards der Anlage nicht verschlechtern.
- Es sollte ein kontinuierliches Aus- und Weiterbildungssystem für das Sicherheits- und Gesundheitspersonal sowie für Vorarbeiter und Arbeiter geben. Insbesondere neue Arbeitnehmer sollten gründlich über mögliche Gesundheitsrisiken und deren Vermeidung in ihrem eigenen Arbeitsumfeld informiert werden. Darüber hinaus sollten Schulungen durchgeführt werden, wenn ein neuer Prozess eingeführt wird.
- Arbeitspraktiken sind wichtig. Beispielsweise kann eine schlechte persönliche Hygiene durch Essen und Rauchen am Arbeitsplatz die persönliche Exposition erheblich erhöhen.
- Das Management sollte über ein Gesundheits- und Sicherheitsüberwachungssystem verfügen, das angemessene Daten für die technische und wirtschaftliche Entscheidungsfindung liefert.
Im Folgenden sind einige der spezifischen Gefahren und Vorsichtsmaßnahmen aufgeführt, die beim Schmelzen und Raffinieren auftreten.
Verletzungen
Die Schmelz- und Raffinerieindustrie hat eine höhere Verletzungsrate als die meisten anderen Branchen. Zu den Quellen dieser Verletzungen gehören: Spritzer und Verschütten von geschmolzenem Metall und Schlacke, die zu Verbrennungen führen; Gasexplosionen und Explosionen durch Kontakt von geschmolzenem Metall mit Wasser; Kollisionen mit fahrenden Lokomotiven, Waggons, Laufkränen und anderen mobilen Geräten; Stürze schwerer Gegenstände; Stürze aus großer Höhe (z. B. beim Betreten einer Krankabine); und Verletzungen durch Ausrutschen und Stolpern durch Blockierung von Fußböden und Durchgängen.
Zu den Vorsichtsmaßnahmen gehören: angemessene Schulung, angemessene persönliche Schutzausrüstung (PSA) (z. B. Schutzhelme, Sicherheitsschuhe, Arbeitshandschuhe und Schutzkleidung); gute Lagerung, Haushaltsführung und Gerätewartung; Verkehrsregeln für bewegliche Geräte (einschließlich festgelegter Routen und eines wirksamen Signal- und Warnsystems); und ein Absturzsicherungsprogramm.
Wärme-
Hitzestresserkrankungen wie Hitzschlag sind eine häufige Gefahr, hauptsächlich aufgrund der Infrarotstrahlung von Öfen und geschmolzenem Metall. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn anstrengende Arbeiten in heißen Umgebungen durchgeführt werden müssen.
Zur Vorbeugung von Hitzeerkrankungen können Wasser- oder Luftschleier vor Öfen, punktuelle Kühlung, geschlossene klimatisierte Kabinen, Hitzeschutzkleidung und luftgekühlte Anzüge, genügend Zeit zur Akklimatisierung, Arbeitspausen in kühlen Bereichen und eine ausreichende Versorgung gehören von Getränken für häufiges Trinken.
Chemische Gefahren
Bei Schmelz- und Raffinationsvorgängen kann es zu einer Exposition gegenüber einer Vielzahl von gefährlichen Stäuben, Dämpfen, Gasen und anderen Chemikalien kommen. Insbesondere das Brechen und Mahlen von Erz kann zu einer hohen Exposition gegenüber Kieselsäure und toxischen Metallstäuben (z. B. mit Blei, Arsen und Cadmium) führen. Auch bei Ofenwartungsarbeiten kann es zu Staubbelastungen kommen. Während des Schmelzbetriebs können Metalldämpfe ein großes Problem darstellen.
Staub- und Rauchemissionen können durch Einhausung, Automatisierung von Prozessen, lokale und verdünnte Absaugung, Benetzung von Materialien, reduzierte Handhabung von Materialien und andere Prozessänderungen kontrolliert werden. Wo diese nicht ausreichen, wäre Atemschutz erforderlich.
Viele Schmelzvorgänge umfassen die Produktion großer Mengen Schwefeldioxid aus Sulfiderzen und Kohlenmonoxid aus Verbrennungsprozessen. Verdünnung und lokale Absaugung (LEV) sind unerlässlich.
Schwefelsäure entsteht als Nebenprodukt von Schmelzvorgängen und wird beim elektrolytischen Raffinieren und Auslaugen von Metallen verwendet. Die Exposition kann sowohl gegenüber der Flüssigkeit als auch gegenüber Schwefelsäurenebeln erfolgen. Haut- und Augenschutz sowie LEV sind erforderlich.
Das Schmelzen und Raffinieren einiger Metalle kann besondere Gefahren bergen. Beispiele hierfür sind Nickelcarbonyl bei der Nickelraffination, Fluoride bei der Aluminiumverhüttung, Arsen bei der Kupfer- und Bleiverhüttung und -veredelung sowie Quecksilber- und Zyanidbelastungen während der Goldveredelung. Diese Prozesse erfordern ihre eigenen speziellen Vorkehrungen.
Andere Gefahren
Blendung und Infrarotstrahlung von Öfen und geschmolzenem Metall können Augenschäden einschließlich grauem Star verursachen. Es sollten geeignete Schutzbrillen und Gesichtsschutz getragen werden. Hohe Infrarotstrahlung kann auch Hautverbrennungen verursachen, wenn keine Schutzkleidung getragen wird.
Hohe Lärmpegel beim Brechen und Mahlen von Erz, Gasentladungsgebläsen und Hochleistungselektroöfen können zu Gehörschäden führen. Wenn die Lärmquelle nicht umschlossen oder isoliert werden kann, sollte ein Gehörschutz getragen werden. Es sollte ein Hörerhaltungsprogramm einschließlich audiometrischer Tests und Schulungen eingeführt werden.
Während elektrolytischer Prozesse können elektrische Gefahren auftreten. Zu den Vorsichtsmaßnahmen gehören die ordnungsgemäße elektrische Wartung mit Lockout/Tagout-Verfahren; isolierte Handschuhe, Kleidung und Werkzeuge; und Fehlerstromschutzschalter, wo erforderlich.
Das manuelle Heben und Handhaben von Materialien kann zu Verletzungen des Rückens und der oberen Extremitäten führen. Mechanische Hebehilfen und eine angemessene Schulung in Hebemethoden können dieses Problem reduzieren.
Umweltverschmutzung und Umweltschutz
Emissionen von reizenden und korrosiven Gasen wie Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Chlorwasserstoff können zur Luftverschmutzung beitragen und Korrosion von Metallen und Beton innerhalb der Anlage und in der Umgebung verursachen. Die Toleranz der Vegetation gegenüber Schwefeldioxid ist je nach Wald- und Bodentyp unterschiedlich. Im Allgemeinen vertragen immergrüne Bäume geringere Konzentrationen an Schwefeldioxid als Laubbäume. Partikelemissionen können unspezifische Partikel, Fluoride, Blei, Arsen, Cadmium und viele andere toxische Metalle enthalten. Abwässer können eine Vielzahl von toxischen Metallen, Schwefelsäure und anderen Verunreinigungen enthalten. Feste Abfälle können mit Arsen, Blei, Eisensulfiden, Kieselerde und anderen Schadstoffen kontaminiert sein.
Das Schmelzmanagement sollte die Bewertung und Kontrolle der Emissionen aus der Anlage beinhalten. Dies ist eine spezialisierte Arbeit, die nur von Personal durchgeführt werden sollte, das mit den chemischen Eigenschaften und Toxizitäten der aus den Anlagenprozessen ausgetragenen Materialien gründlich vertraut ist. Der physikalische Zustand des Materials, die Temperatur, mit der es den Prozess verlässt, andere Materialien im Gasstrom und andere Faktoren müssen bei der Planung von Maßnahmen zur Kontrolle der Luftverschmutzung berücksichtigt werden. Es ist auch wünschenswert, eine Wetterstation zu unterhalten, meteorologische Aufzeichnungen zu führen und darauf vorbereitet zu sein, die Leistung zu reduzieren, wenn die Wetterbedingungen für die Ausbreitung von Schornsteinabwässern ungünstig sind. Exkursionen sind notwendig, um die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Wohn- und Landwirtschaftsgebiete zu beobachten.
Schwefeldioxid, einer der Hauptverunreinigungen, wird in ausreichender Menge als Schwefelsäure zurückgewonnen. Ansonsten werden Schwefeldioxid und andere gefährliche gasförmige Abfälle durch Auswaschen kontrolliert, um die Emissionsnormen zu erfüllen. Partikelemissionen werden üblicherweise durch Gewebefilter und elektrostatische Abscheider kontrolliert.
Bei Flotationsprozessen wie der Kupferkonzentrierung werden große Mengen Wasser verwendet. Der größte Teil dieses Wassers wird wieder in den Prozess zurückgeführt. Tailings aus dem Flotationsprozess werden als Schlamm in Absetzbecken gepumpt. Dabei wird Wasser recycelt. Metallhaltiges Prozesswasser und Regenwasser werden vor der Einleitung oder Wiederverwertung in Kläranlagen gereinigt.
Abfälle in fester Phase umfassen Schlacken aus der Verhüttung, Blowdown-Aufschlämmungen aus der Umwandlung von Schwefeldioxid in Schwefelsäure und Schlämme aus oberirdischen Auffangbecken (z. B. Absetzbecken). Einige Schlacken können rekonzentriert und zur Wiederverarbeitung oder Rückgewinnung anderer vorhandener Metalle zu Schmelzhütten zurückgeführt werden. Viele dieser Festphasenabfälle sind gefährliche Abfälle, die gemäß Umweltvorschriften gelagert werden müssen.