Demir dışı bir metal olarak sınıflandırılan bakır (Cu), eski zamanlarda bilinir hale gelmiştir. Ayrıca insanlar onun üretimine demirden daha önce hakim olmuşlardır. Bu nedenle hem dünya yüzeyinde erişilebilir bir durumda sık sık bulunması, hem de bileşiklerden ekstrakte edilerek üretiminin göreceli kolaylığı ile açıklanmaktadır. Cu adını, eski bakır üretim teknolojisinin yaygın olarak yayıldığı Kıbrıs adasından almıştır.
Yüksek elektrik iletkenliği nedeniyle (tüm metaller arasında Cu, gümüşten sonra ikinci sıradadır), özellikle değerli bir elektrik malzemesi olarak kabul edilmektedir. Eskiden dünya bakır üretiminin %50’sine kadarı, kullanılan elektrik telleri için harcanırdı. Ancak günümüz de çoğunlukla daha uygun fiyatlı alüminyumdan yapılmaktadır. Cu, diğer demir dışı metallerin çoğuyla birlikte giderek daha az bulunan bir malzeme olarak kabul edilmektedir. Bunun nedeni, günümüzde yaklaşık %5 Cu içeren cevherlere zengin denilmesidir. Ayrıca ana çıkarımının %0.5’lik kısmı, cevher işlenerek yapılmasıdır. Geçen yüzyıllarda bu cevherler %6 ila %9 Cu içeriyordu.
Bakır, refrakter bir metal olarak sınıflandırılmaktadır. 8.98 g/cm3 yoğunluğu ile erime ve kaynama noktaları sırasıyla 1083°C ve 2595°C’dir. Bileşiklerde genellikle değer I veya II ile bulunmaktadır. Aynı şekilde üç değerlikli Cu içeren bileşikler daha az yaygındır. Tek değerli Cu tuzları hafif renkli veya tamamen renksizdir. İki değerli Cu, tuzlarına sulu bir çözeltide karakteristik bir renk vermektedir. Saf bakır, dövülebilir kırmızımsı veya pembe (arada) bir renge sahiptir. İnce bir tabakanın lümeninde yeşilimsi veya mavi görünebilmektedir. Ayrıca çoğu bakır bileşiği aynı renklere sahiptir. Bu metal, bakır üretiminde sadece 17’si kullanılan birçok mineralin bileşiminde bulunmaktadır. Bunda en büyük yer sülfürlere, doğal bakıra, sülfotuzlara ve karbonatlara (silikatlar) verilmektedir.
Üretim tesislerinin hammaddeleri cevherlerin yanı sıra atıklardan elde edilen bakır alaşımlarını da içermektedir. Çoğu zaman kükürt bileşiklerinde % 1 ila 6 seviyesinde cu içermektedir. Aynı şekilde kalkosit, kalkopirit, kovelin, bikarbonatlar, oksitler ve bakır pirit bileşenlerinin içeriğinde de kullanılmaktadır. Ayrıca cevherler, kalsiyum, magnezyum, silikatlar, pirit ve kuvars karbonatları dahil olmak üzere atık kayalarla birlikte altın, kalay, nikel, çinko, gümüş, silikon vb. gibi elementlerin bileşenlerini içerebilmektedir. Bakır erişilebilir formda, tüm cevherleri sülfüre bölmekte veya oksitlemektedir. Ayrıza zaman zaman karıştırılmaktadır. Birincisi oksidasyon reaksiyonlarının bir sonucu olarak elde edilmektedir. İkincisi ise, birincil olarak kabul edilmektedir.
Bakır üretim yöntemleri
Konsantre cevherlerden üretme yöntemleri arasında pirometalurjik yöntem ve hidrometalurjik yöntem birbirleri arasında ayırt edilmektedir. Ayrıca ikincisi yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bu durum, diğer metalleri aynı anda bakırla azaltmanın imkansızlığı ile belirlenmektedir. Oksitlenmiş veya doğal Cu, fakir cevheri işlemek için de kullanılmaktadır. Bunun aksine, pirometalurjik yöntem, tüm bileşenlerin ekstraksiyonu ile herhangi bir hammaddenin geliştirilmesine izin vermektedir. Zenginleştirilmiş cevherler için de çok etkilidir.
Konsantre, kükürt içeriğinin yaklaşık yarısını ortadan kaldıran ve ağırlıklı olarak oksitleyici bir ortam tarafından kavrulmaktadır. Bu şekilde elde edilen konsantre, yeniden eritildiğinde oldukça önemli bir mat vermektedir. Kavurma ayrıca yankılı bir fırının yakıt tüketimini yarıya indirmeye de yardımcı olmaktadır. Bu sıcaklıkta, 600ºС’ye ısınmasını sağlayan şarj bileşiminin yüksek kalitede karıştırılmasıyla elde edilmektedir. Ancak Cu açısından zengin konsantreler en iyi kavurma olmadan işlenmektedir. Çünkü bundan sonra bakır kayıpları toz ve cüruf ile artmaktadır.
Bu bakır üretim dizisinin sonucu, eriyik olarak hacminin ikiye bölünmesidir. Mat alaşım ve cüruf alaşımı olarak ayrılmaktadır. İlk sıvı genel olarak, bakır sülfürler ve demirden oluşmaktadır. İkincisi ise, silikon, demir, alüminyum ve kalsiyum oksitlerinden oluşur. Konsantrelerin mat alaşıma işlenmesi, çeşitli tiplerde elektrikli veya yankılı fırınlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Saf bakır veya kükürt cevherleri en iyi şaft fırınları kullanılarak eritilmektedir. Bakır-kükürt eritme işlemi de ikincisine uygulanmalıdır. Bu da kükürt çıkarılırken gazların tutulmasına izin vermektedir.
Koklu bakır cevherleri ile kireçtaşı ve geri dönüşüm ürünleri küçük porsiyonlarda özel bir fırına yüklenmektedir. Ayrıca fırının üst kısmı indirgeyici bir atmosfer, alt kısmı ise oksitleyici bir atmosfer yaratır. Alt tabaka eridiğinde, kütle ısıtılmış gazları karşılamak için yavaşça alçalmaktadır. Fırının üst kısmı 450 ºС’ye ısıtılmakta ve baca gazı sıcaklığı 1500 ºС’dir. Bu kükürtlü buharların salınması başlamadan önce bile tozdan temizlik için koşullar yaratırken gereklidir.
Cu üretim sürecinin ana işlemi eritmedir. Üretiminde bakır cevherleri veya kavrulmuş konsantreleri kullanılmaktadır. Bu işleme hazırlanırken, bakır üretim şeması, flotasyon yöntemiyle zenginleştirilmelerini sağlamaktadır. Aynı zamanda, Cu birlikte değerli elementler içeren cevherler de kullanılmaktadır. Bunlar; tellür veya selenyum, altın ve gümüş ikilemleridir. Bu elementler aynı anda Cu konsantresine aktarmak için zenginleştirilmelidir. Bu yöntemle oluşturulan konsantre %35’e kadar bakırdan oluşmaktadır. Ayrıca aynı miktarda demir, %50’ye kadar kükürt ve atık kaya içerebilmektedir. Kükürt içeriğini kabul edilebilmektedir. Ayrıca bir düzeye indirmek için de kavrulmaktadır.
Siyah ve rafine Cu üretimi
Blister bakırın çıkarılması sırasında, üretim, mat alaşımın yandan üflemeli dönüştürücüde hava ile üflenmesini sağlanmaktadır. Bu nedenle, kükürt ile birleştirilmiş demiri oksitlemek mümkündür. Ayrıca onu cürufun bileşimine aktarmak için de gereklidir. Bu işleme dönüştürme denmektedir. İşlem ise, iki aşamaya ayrılmaktadır.
Birincisi, demir sülfürü bir kuvars akı ile oksitleyerek beyaz mat yapmaktır. Biriken cüruf çıkarılmaktadır. Bu durum orijinal matın başka bir kısmının yerine yerleştirilmesi ile sonuçlanmaktadır. Bu aşamada dönüştürücüdeki sabit hacmi yenilenmektedir. Ayrıca cüruf giderme sırasında dönüştürücüde sadece beyaz mat bir renk ile kalmaktadır. Aynı şekilde ağırlıklı olarak bakır sülfürler de içermektedir.
Dönüştürme işleminin bir sonraki kısmı, beyaz matı eriterek doğrudan blister bakır üretimidir. Bu durum Cu, sülfürün oksidasyonu ile elde edilmektedir. Üfleme sırasında elde edilen blister bakır, hafif bir kükürt ve çeşitli metallerin eklenmesiyle %99 Cu’dan oluşur. Ancak henüz teknik kullanıma uygun değildir. Bu nedenle dönüştürdükten sonra, rafine etme yöntemi mutlaka ona uygulanmaktadır. Yani safsızlıklardan arındırma işlemi gerçekleştirilmektedir.
İstenilen kalitede rafine üretiminde, blister bakır önce ateşe, ardından elektrolitik etkiye maruz bırakılmaktadır. Bu sayede gereksiz safsızlıkların giderilmesiyle birlikte içerdiği değerli bileşenler de elde edilmektedir. Bunu yapmak için, pişirme aşamasında kabarcıklı Cu, bakır konsantresinin mat bir alaşıma yeniden eritilmesinde kullanılan fırınlara daldırılmaktadır. Bu işlem için elektroliz olarak kullanılan özel banyolara ihtiyaç vardır. Ayrıca içeriden vinil plastik veya kurşunla kaplanmış olmalıdır.
Arıtmanın yangın aşamasının amacı, bakırın safsızlıklardan birincil saflaştırılmasıdır. Bu da onu arıtmanın bir sonraki aşamasına, elektrolitik bir ortama hazırlamak için gereklidir. Ateşleme yöntemiyle eritilen bakırdan oksijen, arsenik, antimon, demir, diğer metaller, çözünmüş gazlar ve kükürt ile birlikte uzaklaştırılmaktadır. Bu şekilde elde edilen bakır, elektrik iletkenliğini ve işlenebilirliğini bozan az miktarda tellür ve bizmut ile selenyum içerebilmektedir. Bu özellikler özellikle bakır ürünlerin üretimi için değerlidir. Bu nedenle, elektrik mühendisliği için uygun Cu elde etmeyi mümkün kılan elektrolitik arıtma uygulanmaktadır.
Elektrolitik arıtma sırasında, arıtmanın yangın aşamasını geçen Cu dökülen bir anot ve ince sac bakırdan yapılan bir katot dönüşümlü olarak içinden bir akımın geçtiği bir sülfat elektrolit banyosuna daldırılmaktadır. Bu işlem, birçok bileşenin bir alaşımı olan anot bakırdan ilişkili değerli metallerin aynı anda ekstraksiyonu ile bakırın zararlı safsızlıklardan yüksek kalitede saflaştırılmasına izin vermektedir. Bu tür bir arıtmanın sonucu, %99.9’a kadar Cu içeren yüksek saflıkta katot ve Cu üretimi içermektedir. Değerli metaller içeren çamur üretimi, tellürlü selenyum ve ayrıca kirlenmiş elektrolittir. Ayrıca Cu ve nikel vitriol yapmak için kullanılabilmektedir. Buna ek olarak, anot bileşenlerinin eksik kimyasal çözünmesinde, anot hurdasına neden olmaktadır.
Elektrolitik arıtma, endüstri için teknik olarak değerli bakır elde etmenin ana yoludur. Üretiminde önde gelen ülkelerden biri olan Rusya’da onun yardımıyla kablo ve tel ürünleri yapılmaktadır. Saf Cu, elektrik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çinko, demir, kalay, manganez, nikel ve alüminyum içeren bakır alaşımları (pirinç, bronz, cupronickel vb.) de burada büyük yer kaplamaktadır. Cu tuzları tarımda talep bulmuştur. Bu nedenle gübreler, sentez katalizörleri ve haşere kontrol ajanları üretmek için de kullanılırlar.
