HORVÁTH ZOLTÁN

A RÉZ KOHÁSZATA AGRICOLA KORÁBAN


Agricola kora

Agricola az újkor hajnalán élt: két évvel Amerika felfedezése és négy évvel Mátyás király halála után, 1494-ben született, 29 évvel a mohácsi csata után, 61 éves korában, 1555-ben halt meg. A lipcsei és a bolognai egyetemen filológiát, filozófiát és orvostudományt tanult. Kortársa volt a csillagász Kopernicus, a festő Dürer, a szobrász Michelangelo, a vallásalapító Luther, Dózsa és az inkákat meghódító Cortes.

Agricola korában a kémiában az alkímia volt az uralkodó szellemi irányzat. Azt az elméletet, amely szerint a világon minden anyag négy alapelemből, földből, vízből, levegőből és tűzből tevődik össze, az alkimisták is átvették és kb. kétezer évig ez volt a vezérfonaluk. Ezen az alapon próbálták az aranyat kevésbé értékes anyagból előállítani. Ez nekik ugyan nem sikerült, de a rengeteg kísérletezés közben kialakították a laboratóriumi kísérleti berendezéseket és módszereket.

Agricola az új nevezéktant és a ma is használt jelöléseket még nem ismerhette, mert Lavoisier 1791-ben tette közzé javaslatát a kémiai vegyületek logikus elnevezésére, Berzelius pedig 1814-ben javasolta azokat a jelöléseket, amelyeket ma is használunk.

Agricola fő műve a De re metallica volt. Érdekes, hogy Agricola ezt a munkáját úgy készítette, hogy a bányászatban és a kohászatban sem irányító, sem gyakorló szakember nem volt. A ma élők szerencséjére az üzemlátogatások alkalmával látottakat írta le. Ezek a leírások arról tanúskodnak, hogy Agricola istenáldotta megfigyelőképességgel rendelkezett, megvolt a készsége, hogy a látottakat reprodukálhatóan leírja, és a legtöbb esetben a használt berendezéseket csodálatosan jó szemléltető ábrákkal mutatta be.


Nemesfémet nem tartalmazó szulfidos rézércek kohósítása (1.ábra)

Arra már régen rájöttek, hogy a természetben a réz 3 féle főalakban szokott előfordulni. Vannak termésrezet tartalmazó ércek, melyekből egyszerű olvasztással lehet rezet előállítani. Találhatunk oxidos rézérceket, amelyek a tüzelőanyaggal való hevítéskor szolgáltatnak rezet; a természetben előforduló érceknek azonban a legnagyobb része szulfidos. Természetesen azt csak most, utólag tudjuk megállapítani, hogy oxidos vagy szulfidos ércekről van-e szó, mert abban az időben oxidokról meg szulfidokról nem is beszélhettek. Az ásványok színéről, fizikai tulajdonságairól tudtak következtetni a rézelőfordulásra és ennek valamilyen jellegzetes formájára. A továbbiakban én csak szulfidos rézércek kohósításáról fogok beszélni, mert ez a legjelentősebb a rézkohászatban és ennek a jelentősége régen is igen nagy volt.

A szulfidos rézércek kohósítása fizikai előkészítéssel kezdődött. Ennek egyik formája a zúzás, a másik pedig az aprítás. A zúzásra használható zúzónyilak kiképzésére mutat példát a 2. ábra, a 3. pedig az Agricola idejében használható aprítóberendezések egyik fajtáját szemlélteti.

A fizikailag előkészített érc került a tulajdonképpeni kohósításhoz. Ennek első lépése volt a pörkölés. Abban az időben a rézérceket, akkor modern berendezésnek számító pörkölőpáholyokban oxidálták. Egy ilyen rajzát a 4. ábra mutatja. Ebből is megállapítható, hogy a pörkölőpáholyokban a hőenergiát próbálták koncentrálni és jobban hasznosítani. Ebben a berendezésben külső tüzelőanyag adására van szükség, hogy a pörkölés hőmérsékletét huzamosabb ideig fenntartsák. Egy-egy pörkölés ezekben a páholyokban körülbelül egy hétig tartott.

Az így keletkező kisebb kéntartalmú pörköléket az 5. ábrán látható csorgós medencéjű aknáskemencében olvasztották elsalakító pótlék jelenlétében, tüzelőanyaggal, és az utóbbi elégetéséhez szolgáló levegő hozzáadásával. Ebben az aknáskemencében - az ülepítőben - két folyékony fázis különült el egymástól, az egyik volt a nyers rezes kéneskő, a másik az aránylag kevés rezet tartalmazó salak.

A 6. ábra az Agricola korában használt fújtatókat szemlélteti, a 7. pedig azt mutatja, hogy egy lovat zabos tarisznya segítségével hogyan ösztönöztek arra, hogy a fújtatót mozgató tengelyt forgassa. A 8. ábra az Agricola idejében használt szállópor-kamráról tájékoztat.

A nyers kéneskőre való olvasztásnál kapott nyers kéneskövet pörkölőpáholyokban újra pörkölték, és csorgós medencéjű aknáskemencében tüzelőanyag, levegő és pótlék jelenlétében koncentrált kéneskőre olvasztották. A salaknak rézben dúsabb részét, a nyersrezes kéneskőre való olvasztásához járatták vissza, a koncentrált kéneskövet újra pörkölték, és csorgós medencéjű aknáskemencében tüzelőanyag és elsalakítópótlék adása mellett feketerézre olvasztották. Az ilyenkor keletkező salak rézben dúsabb részét a koncentrált kéneskőre való olvasztáshoz járatták vissza. A feketerezet pedig tárcsítás segítségével távolították el az ülepítőből. Ez a tárcsítás igen nagy pontosságot igényelt, mert a rézfürdő felületét vízzel való locsolással hűtötték, az így keletkező réztárcsákat horog segítségével távolították el. Ezt a módszert használták a legtöbbször a réz elkülönítésére, a csapolást és formába való öntést nem szívesen használták. A tárcsítást azért szerették, mert így különféle méretű réztárcsákat kaptak, amelyekből különféle rézmennyiségeket tudtak összeállítani. Ezeket a réztárcsákat, ha szükség volt rá, akkor aprították. Ha ez az aprítás a réz szívóssága miatt nem ment, akkor a tárcsákat fölhevítették és a törékenyebbé vált rezet törték. A tárcsított feketerezet a 9. ábrán látható tisztítótűzhelyen raffinálták. Ez a raffinálás a mai ismereteink szerint, fújtatással - oxidálással - kezdődött, utána eltávolították a salakot. Ha fújtatás közben a sok kéndioxid keletkezése miatt erősen hólyagossá vált a réz, vagyis sziporkázott a fürdő, akkor valamilyen módon gáztalanították. Ezután a fürdőben oldódó réz-oxidot redukálták. Az így keletkező, aránylag jól alakítható rezet tárcsították.

Ez az előzőekben ismertetett törzsfa Agricola könyv-szövegéből igen nagy fáradsággal állítható össze, és csak akkor tehető ez valószínűvé, ha a jelenlegi kohósító eljárás technológiáját ismerjük.

A 10. ábra a réztárcsák aprítására használt zúzó elrendezését mutatja, a 11. ábra pedig azt szemlélteti, hogy a szívós réztárcsákat izzítás után hogyan darabolják.


Nemesfémet is tartalmazó szulfidos rézércek kohósítása

Ezekben az esetekben a kohósítás valamelyik fázisában a nemesfémeket ólomba kell juttatni. Ez a gyakorlatban háromféle módon valósítható meg. Az egyiknél a rézércet ólomérccel együtt kohósítják, a másiknál a rézérc kohósítása közben keletkező kéneskövet a csorgós medencéjű aknáskemence ülepítőjében előre elhelyezett folyékony ólommal érintkeztetik. Harmadik esetben a feketerezet hozzák össze az ólommal. Az utóbbi esetben a nemesfémek könnyebb oldódása végett a rezet aprítani kell. Az előzetesen említett eljárások valamelyikével az ólomba juttatott nemesfémek mellől az ólmot, űzésnek nevezett oxidáló olvasztással távolítják el. Ennél levegő-befújtatás hatására keletkező ólom-oxid kis részben beszívódik a kemence bélésanyagába, nagyobb része azonban a fürdő felületén gyűlik össze. A nemesfémek a fürdő alján helyezkednek el. A művelet végén az ólom eltűnése után, az arany-ezüst ötvözet felülete egy pillanat alatt ezüst-oxid réteggel vonódik be. Ennek az ezüst-oxidnak a képződése exotermás folyamat, a nemesfém felülete túlhevül és vakítóan világít. Ez az ezüstvillanásnak nevezett jelenség jelzi a művelet befejezését.

Az ólom űzésére használt kemence egyik fajtáját a 12. ábra mutatja. Az űzés végén visszamaradt arany-ezüst ötvözetből az aranyat és az ezüstöt Agricola idejében zömmel kétféle módszerrel választották el egymástól.

Az egyik esetben az ezüstöt a 13. ábrán bemutatott berendezésben választóvízzel különítették el. Ennek a választóvíznek nagyon sokféle lehetett az összetétele. Fő alkotórésze timsó, salétrom és valamilyen vitriol volt. Érdekes, hogy Agricola megemlékezik a kvartálásról, amely szerint - mai fogalmainknak megfelelően - az arany mellől az ezüst akkor oldható ki könnyen, ha az arany-ezüst ötvözetben az ezüsttartalom legalább 75 %.

A másik, Agricola korában használt az aranyat az ezüsttől elkülönítő eljárás az antimon-szulfiddal, krudummal való összeolvasztás. Ebben az esetben az olvasztás során ezüst-szulfid és arany-antimon-ötvözet keletkezik. Ezek egymástól aránylag jól elkülöníthetők. Az ezüst-szulfidból oxidálással lehet színezüstöt előállítani, az arany-antimon-ötvözetből pedig desztillálással lehet az antimont eltávolítani. Az antimon-szulfiddal való elválasztás módját a 14. ábra szemlélteti.


Az Agricola idejében és a ma használt rézkohósító eljárások összehasonlítása

Az elmúlt 500 évben a fő változást az ipari forradalom és az új energiaforrásnak, az elektromos energiának a megjelenése okozta. Ezek hatására az emberiség fémszükséglete mintegy három nagyságrenddel növekedett meg. Ezt a szükségletet régi, szakaszos eljárásokkal már nem lehetett kielégíteni. Ezért a réz kohászatában az eljárások folyamatosak lettek, nagyobb teljesítményű berendezéseket használtak a kohósítás minden egyes fázisában. Tökéletesedtek az ércelőkészítő eljárások, annyira, hogy ma már majdnem tiszta érces ásványból álló dúsítmányt tudunk előállítani. Tulajdonképpeni kohósító eljárásokban korszerűsödött a pörkölés, így már az 1. ábrából kiolvasható, minimálisan három pörkölés helyett egy lépésben is meg tudjuk oldani a kén eltávolítását. Ezen kívül sikerült a pörkölést és az olvasztást összevonni, továbbá a korszerű berendezésekben az eddigi több lépésből álló munkafolyamatot sikerült egyszerűsíteni. A korszerű röptében olvasztó eljárásnál a dúsított szénporból tüzelő anyag adás nélkül, vagy minimális energiafelhasználással egy lépésben lehet nyersrezet előállítani, és ekkor azt az új felismerést is lehet hasznosítani, hogy a tiszta réz-szulfidból a kénnek csak egy részét kell a levegő oxigénjével eltávolítani, a másik része a konverter-reakcióban különíthető el.

Az elektromos energia rendelkezésre állása lehetővé tette azt, hogy a nemesfémeket vizes oldatból való elektrolízisnél az anódból visszamaradó nemesiszapban koncentráljuk. Így a végén ezt a nemesiszapot kell az ólommal ötvözni. Lényegesen kevesebb így a felhasználandó ólom mennyisége és emellett tisztább rezet is kapunk, amely elektromos célokra is kitűnően megfelel.

Közben, a tűzi raffinálás is annyira korszerűsödött, hogy ma már a tűzi raffinálás egyes lépéseit, az oxidáló olvasztást, a gáz eltávolítást, a redukciót, a lejátszódó folyamatok ismeretében tudjuk szabályozni.

A nemesfémek ólomba vitelénél nagy hasznát vesszük az időközben megszületett Parkes-eljárásnak. Ennek segítségével ugyanis az ólomba kerülő nemesfémeket koncentráltan lehet a parkes-habba juttatni. Ebből a parkes-habból a nemesfémeket jóval kisebb anyag- és energiaráfordítással lehet elkülöníteni.

Az említett ipari forradalom miatt a Földön a fém termelése és szükséglete a 18. században az addigi lineáris fejlődés helyett exponenciálissá vált. Éppen ezért az 1960-as évektől Római Klub elnevezéssel működő nemzetközi kutatócsoport időközönként ad ki kiadványokat, amelyekben a növekedés korlátait elemzik. Ezeknél a számítógépes vizsgálatoknál előre becsülik az emberiség létszámának alakulását, az élelmiszer-[[opthyphen]]szükségletet, a fém-szükségletet és a Földön jelenleg rendelkezésre álló élelmiszer és fémek mennyiségét. Ma már ezeket az előrejelzéseket komolyan számításba kell venni, már csak azért is, mert ezek arra is felhívják a figyelmet, hogy a fémek előállítása közben szennyezések jutnak a földbe, a vízbe és a levegőbe. Ezek az emberi életre lehetnek veszélyesek.


Érdekességek Agricola művéből

Agricola idejében 8 fémet ismertek. Ezek, a négy alapelemből állónak vélt, összetett anyagok voltak: arany, ezüst, ólom, réz, ón, higany, bizmut és vas. Ezek között a fémek között értéksorrendet is meg tudtak állapítani. Azt írták le, hogy az ezüst ezerszer annyit ér, mint az ólom és százszor annyit, mint a réz.

Érdekesség az, hogy a De re metallicá-ban közölt ábrákon az ember védelmére kutyákat és galambokat lehet látni. Kutya van pl. az 5. ábrán, galamb pedig a 8. ábrán. A kutya jelezte a levegőnél nehezebb kén-dioxid vagy szén-dioxid jelenlétét. A galambok pedig a levegőnél könnyebb szén-monoxid jelenlétét árulták el. Ezenkívül, pl. az egyik ábrán az ezüstcipót szállító munkás védelmére egy biztonsági ember is vele együtt utazott, a biztonsági berendezés egy csákány volt.

Meg kell még említenem, hogy Agricola nagy súlyt helyezett a kiindulóanyagok, középtermékek és a végtermékek elemzésére. Abban az időben ezeket tűzi úton állapították meg a kohósításnál is használt technológiák szerint. Helyesen azt vallották, hogy az elemzés sokkal kevesebbe kerül, mint magának a kohósító eljárásnak az esetleges megismétlése. Ezeket a tűzi eljárásokat még ma is használják, és legtöbbször vitás esetekben ezek döntenek. Rendkívül pontosak, megbízhatóak. Ezt felismerve, a Selmecbányán 1735-ben alapított bányászati-kohászati tanintézetben (Bergschule), majd az 1762-ben alapított bányász-kohász akadémián (Academia montanistica, Bergakademie), a tűzi próbákat, a kémlészetet s ezek elsajátítását külön tanulmányi versenyekkel és a nyertesnek járó arany érmekkel ösztönözték. Érdekes, hogy a Selmecen 1754 és valószínűleg 1780 között, Miskolcon pedig 1967 óta folyamatosan kiadott tanulmányi érmek egyikének hátsó lapján régi kémlészeti laboratórium látható. Így ezeken, a jelenleg a kohómérnökhallgatók részére adományozható érméken összefonódik a jelen és a múlt, így ösztönöznek ezek és lelkesítenek a jövőben is - a múltban gyökeredző - feladatok megoldására.


Jegyzetek


TARTALOM