Electrometallurgie - is de kennis van de afschei-ding en zuivering der metalen uit hunne ertsen,voor zooverre dit geschiedt met behulp van electriciteit. Zij is dus een onderdeel der technische electrochemie, en gelijk met deze tot grooten bloei gekomen toen de toepassing van waterkracht tot het drijven van dynamo’s de electrische energie goedkoop maakte. Zij vervalt in drie scherp gescheiden onderdeelen, n. l.:
De eleclrometyllurgie door electrolyse vanwaterige oplossingen. Men maakt hier gebruik vanhet verschijnsel der electrolyse, volgens het welkverschillende metalen zich bij electrolyse hunner oplossingen afscheidenop de kathode. Als uit-gangs-materiaal kunnen dienen: speciaal daartoe gemaakte oplossingen (in water of in zoutop-lossingen, cyaniden, kiezelfluoriden; sulfiden,enz.), of ook verdunde metaalzoutoplossingen,die op de een of andere wijze ter beschikking staan. Niet alleen voor de eenvoudige afscheiding der metalen, doch zeer in het bijzonder ook voo hunne reiniging (electroraffinage) wordt de elec-trolyse veelvuldig toegepast. Men maakt daarbij gebruik van het feit, dat voor de afscheiding van een zeker metaal uit een oplossing van zekere samenstelling, een zeer bepaalde, goed bekende,minimum spanning noodigis. Een duidelijk voor-beeld geeft de electroraffinage van het koper.Men gebruikt daartoe als anode het ruwe koper,zooals het langs den weg der droge metallurgie wordt verkregen, als kathode dunne reepen zeer zuiver koper, en als electrolyt een oplossing van kopersulfaat. Wordt nu tusschen de anodeen de kathode een potentiaalverschil aange-bracht, dan zal in groote trekken het volgende gebeuren: de anode lost op in de electrolyt, en evenveel koper als van de anode oplost, zal op de kathode neerslaan. De kathode groeit dus aan ten koste der anode.
Nu bevat de anode verschil-lende verontreinigende metalen, voornamelijk ijzer, zink, tin, lood, nikkel, sporen der edele metalen goud en zilver en eenige niet-metal-lische verontreinigingen: koperoxyd, kopersul-fide en seleenverbindingen. Van al deze veront-reinigingen zullen de vijf eerstgenoemde met het koper mee oplossen. Zij hebben echter een ontle-dingsspanning, die hooger is dan van het koper;kiest men de badspanning dus op een geschikte waarde, dan zullen deze nu opgeloste veront-reinigende metalen zich niet aan de kathode afscheiden maar zich in de electrolyt ophoopen.Aan den anderen kant zullen het goud en zilveren de andere bijmengselen aan de anode niet oplossen. Zij vallen bij het oplossen der anodeals een „anodeslijk” omlaag, of wel worden opge-vangen in speciaal daartoe om de anode gebon-den linnen zakjes. Dit anodeslijk van de electro-lytische koperraffinage is tegenwoordig een voor-name bron van goud en zilver, en vrijwel de eenige bron van seleenverbindingen. Het maakt de kosten der raffinage voor een aanzienlijk deel oed. Het langs dezen weg verkregen koper, hetz. g. „electrolyt-koper” is buitengewoon zuiver(tot 99.92% Cu) en daardoor bij uitstek geschikt voor het gebruik in de electrotechniek, wegens den lagen weerstand. Laat men het koper neerslaanop ronddraaiende cylindrische kathodes, dan kunnen de z. g. Elmore-buizen ontstaan.
Op analoge wijze als het koper, kunnen ook ande-re metalen worden geraffineerd. Zoo wordt lood tegenwoordig gezuiverd volgens de methode van Betts, waarbij het ruwe werklood als anode dient, terwijl als oplossing wordt gebruikt een plossing van loodkiezelfluoride (Pb Si F,) met wat gelatine. Hieruit scheidt zich lood mooi vast en zuiver af. Tin wordt meestal afgescheiden uit een alkalische oplossing (stannaten) of uit een oplossing der sulfiden. Een bijzondere plaatsneemt de onttinning van blik in.
Ook voor dit belangrijk vraagstuk zijn oplossingen gevonden,waarbij het tin en het blik direct electrolytisch worden gescheiden. Bij andere oplossingen wordt het tin eerst langs chemischen weg van het ijzer gescheiden, en vervolgens electrolytisch uit de oplossing afgescheiden. De edele metalen worden gewoonlijk afgescheiden uit oplossingen der cyaniden. Zie verder GALVANOSTEGIE.
De directe verwerking der ertsen langs electrometallurgischen weg, waarbij veelal wordt uitgegaan van het principe, de ertsen als oplos-sende anode te doen fungeeren, verkeert nog bij bijna alle metalen in het stadium van proef-nemingen. Voor zeer enkele metalen (o.a. voorantimoon) zijn eenigszins bevredigende oplos-singen gevonden. Vooral de firma Siemens en Halske is op dit gebied zeer actief.
Een bijzondere zorg moet bij de electrolyse van metaaloplossingen worden besteed aan de keuze van geschikt electroden-materiaal. Vooral voor de anoden zijn verschillende materialen in gebruik. Voor zoover geen oplos-electroden(zooals bij de koperraffinage) worden gebruikt,vinden o. m. toepassing: kool, acheson-grafiet,kunstmatig magnetiet (verkregen door gloeien van ijzeroxyd in den electrischen oven), loodper-oxyde, en andere stoffen.
De electroden zijn gewoonlijk zeer groot, en daarom, ter besparing van ruimte, gebouwd als tal van platen naast elkaar. De kuipen, waarin de electrolyse plaats vindt, zijn van beton,graniet, hout, lava, leisteen, soms ook van glas.
Als stroombron dienen meestal dynamo’s,soms speciaal voor dit doel gebouwd, met zeer lage spanning (eenige volts), doch in staat zeer groote stroomsterkte door te laten (duizenden ampères).
Electrolyse bij hooge temperatuur (Pyro-electrolyse), d.w.z. de electrolyse van gesmoltenzouten en oxyden. Meestal dient de electrischestroom tevens voor de warmte-ontwikkeling noodig voor het smelten. De gebruikte toestellen behooren dan tot het type „weerstandovens”der electrische ovens. Tot deze belangrijke groep behoort o. m. de electrometallurgische afschei-ding van natrium, calcium, magnesium, alumi-nium, cerium. Voor de bereiding van natrium zijn verschillend gebouwde toestellen in gebruik.Alle gaan echter uit van een zelfde electrolyt, n.l.gesmolten natriumhydroxyd.
De moeilijkheidis steeds het ontstane gesmolten natrium-metaal(aan de kathode) te beschermen tegen inwerkingvan de luchtzuurstof, en in het bijzonder van de aan de anode gevormde zuurstof. Bij de meeste toestellen, die in de praktijk worden gebezigd,geschiedt die bescherming door cylinders (Hulin,Castner, e. a.) tusschen de beide concentrischeringvormige electroden. Voor zeer groote produc-tie zijn meer de apparaten van de Aluminium-Industrie-Gesellschaft te Neuhausen en der„Griesheim Electron” in gebruik. Zij werken met lange rail-vormige electroden, waarbij de anoden-rails door plaatijzeren schutplaten afzonderlijk worden gehouden en de kathodenrails slecht ;
even in de electrolyt raken, zoodat het ontstane natrium capillair omhoog stijgt (Rathenau-principe). Het bad wordt verhit op ± 320°C door gasvlammen, evenzoo in het apparaat van Castner. Het toestel van Hulin wordt tevens electrisch verhit. In Zuid-Duitschland, Frankrijken Japan heeft de natrium-industrie belangrijke afmetingen aangenomen. De prijs is daardoor tot ƒ1.— a f2.— per K.G. gedaald.
Een eigenaardig electrometallurgisch principe wordt toegepast bij de bereiding van Calcium-metaal door electrolyse van gesmolten calcium-chloride met calciumfluoride gemengd. Hier schroeft men n. l. de ijzeren staafvormige kathodetijdens de electrolyse continu omhoog. Zij blijft dan op het aanrakingsoppervlak met den electro-lyt voortdurend met vast calciummetaal aan-groeien, zoodat eigenlijk verder gewerkt wordt met een calcium-kathode. Het calcium-metaal wordt op die wijze in onregelmatige, knoestigestaven gewonnen. Als anode dient bij dit procédéde graphiet-smeltkroes.
Magnesium wordt bereid door electrolyse van gedroogd carnalliet in een gietstalen kroes,die tevens als kathode dient, anode is een kool-staaf. Het magnesium verzamelt zich als vloei-stoflaag op den bodem, vooral als aan het bad een weinig natriumchloride of vloeispaat is toegevoegd.
Verreweg het belangrijkste uit deze groep der pyro-electrolyse is de electrolytische be-reiding van aluminium. In het kort komt deze bereiding hierop neer, dat men een oplossing van aluminiumoxyde in gesmolten kryolith elec-trolyseert bij ± 900°C. Om bij deze tempera-tuur het kryolith gesmolten te houden, moeten nog eenige andere smeltmiddelen worden toe-gevoegd, gewoonlijk vloeispaat of chloornatrium.Het aluminiumoxyde moet zeer zuiver zijn, en wordt daarom bijna steeds bijzonderlijk bereid,meestal uit bauxiet, door dit op te lossen in een oplossing van natriumhydroxyd bij 150° in autoclaven en uit het gevormde aluminaat het oxyde weer terug te winnen, hetzij met koolzuur hetzij door contact met gekristalliseerd alu-miniumhydroxyde. Ook het Serpek-proces levert een zeer goed uitgangsmateriaal. De stroomtoevoer aan de oven is zoodanig, dat niet alleen de energie voor de electrolyse van hetoxyde wordt geleverd, doch dat tevens voldoende warmte wordt ontwikkeld om de electrolyt te smelten en gesmolten te houden. De oven is dus een weerstandsoven. Een voorbeeld van zulk een oven geeft bijgaande figuur. Het aluminium,dat zich overal aan de wanden van den oven vormt, zakt gesmolten naar den bodem, en wordt discontinu afgetapt.
De spanning is in den regel slechts ± 8 volt, de stroomsterkte daarentegen enorm hoog (10.000 amp. en meer) Indien de stroomtoevoer, en dus de electrolyse en de tem-peratuur, goed geregeld worden, wordt praktisch alleen aluminiumoxyde ontleed, en blijft het kryolith intact. Het oxyde wordt door de ope-ningen in den deksel regelmatig bijgevuld. Bij te hooge temperatuur tast het afgescheiden alu-minium het kryolith aan onder vorming van natrium en aluminiumfluoride. Bij te laag ge-halte aan oxyde, worden ook de fluoriden ont-leed,waarbij anodisch fluorium ontstaat,hetgeen ernstige beschadigingen kan veroorzaken. Ook in het normale bedrijf komen kleine hoeveelheden fluorium in de anoden-gassen voor.
De alu-miniumindustrie breidt zich geweldig uit. De jaarlijksche productie bedroeg vóór den oorlog ongeveer 50.000 Ton, waarvan het meest in U.S.A. (Niagara Falls) en Z.-O.-Frankrijk. In den oorlog is de productie, vooral voor de vervaar-diging van aluminium-alliages ten behoeve vanden vliegtuigbouw, enorm gestegen. Het groote probleem van de aluminium-industrie is de directe reductie of electrolyse van de goedkoopste aluminium-verbinding, n. l. klei. Een bruikbare methode hiervoor is nog niet gevonden.
Cerium en de verwante metalen, en evenzoo het misch-metaal voor de vervaardiging der pyrophore alliages worden op soortgelijke wijze bereid door electrolyse van de gedroogde chlori-den in een graphiet-kroes met een ijzerenkathode. Wegens de groote reactiviteit van deze metalen is het noodig de electrolyse in vacuo te doen plaats vinden. Ook Ferro-Van adium wordt door pyro-electrolyse gewonnen volgens het procédé-Gin door een oplossing van ijzer-fluoride in gesmolten calciumcarbied te electro-lysecren met een anode van van adiumtrioxyde met kool gemengd, en een kathode van gesmolten taal.
De zuiver électrothermische processen der electrometallurgie. Hierbij wordt, dus niet geëlec-trolyseerd, alleen electrisch verhit. De gebruikte electrische ovens zijn of weerstandsovens, of vlamboogovens. Verschillende minder alledaag-sche metalen, zooals wolfram, molybdeen en uraan kunnen langs dezen weg worden verkre-gen uit een mengsel van hunne oxyden met kool.Van overwegend belang is evenwel in deze groep de electrothermische bereiding van staal (hetz. g. electrostaal). Men vat de kennis der desbe-treffende werkwijzen samen onder den naam van„electrosiderurgie”. De bedoeling is meestal slechts, om op andere wijze bereid staal nog éénmaal om te smelten ten einde het te zuiveren,en daarbij tevens de noodige bestanddeelen te kunnen toevoegen. Men heeft bij de electrische ovens dan het voordeel, dat de oventemperatuur naar willekeur kan worden geregeld, en zeker niet, zooals bv. bij den Bessemer-convertor, een functie van de samenstelling is. De electrosi-derurgie levert daarom vooral de beste soorten staal, en voel speciaal staal.
Door de hoogeret emperatuur is de raffinage veel vollediger, waar-door de mechanische eigenschappen beter worden. Het electrostaal, dat sinds eenige jaren in groote hoeveelheden op de markt komt, vindt dan ook zeer gretigen aftrek. Er zijn verschillende ovens voor in gebruik. De meest bekende zijn:1) De oven van Stassano, een ronde vlamboog-oven met vier bijna horizontale electroden,waartusschen de vlambogen boven de gesmolten massa overspringen. De oven is draaibaar om een as, die een hoek van 10° maakt met den ver-ticaal, waardoor het bad in voortdurende circu-latie wordt gehouden. 2) De oven van Héroult.Hierbij treft men twee verticale electroden aan.De vlamboog speelt van den één op het gesmolten staal, en van daar op de andere electrode. De oven zelf is een vierkante kuip op een kip-onder-stel ten behoeve van de lediging. Deze oven wordt zeer veel gebruikt. 3) De oven van Girod,waarbij het gesmolten staal zelf één der elec-troden is. Deze drie ovens zijn alle vlamboog-ovens.
Er zijn echter ook weerstandsovens in ge-bruik, en wel dan steeds inductie-ovens (zie ELECTRISCHE O VENS). Zoo b. v.4) de zeer veelgebruikte oven van Röchling-Rodenhauser en 5) de oven van Kjellin, zie ELECTRISCHEOVENS. In den oven van R.-R., met al zijn ver-beteringen van den laatsten tijd (o.a. van Schnei-der-Creusot) wel de meest volmaakte electrische oven, is aan de smeltgoot (secundaire stroom-geleider) de vorm van een 8 gegeven. Het juk,dat door den primairen stroom wordt omstroomd,loopt door elk der oogen, terwijl het aanrakings-punt der beide oogen tot een flink bassin is uitgebouwd, ten einde de gelegenheid te geven,in het bad te roeren en te werken. Bovendien wordt dit gedeelte van het bassin nog door extra electroden door zuivere weerstandsverhitting verhit. De geheele oven is tenslotte kipbaar opgesteld. Er is één oven met directe primaire weerstandsverhitting in gebruik, n. l. 6) de oven van Gin, waarbij de smeltruimte als een héén en weer loopende smalle goot is geconstrueerd,teneinde de weerstand te verhoogen.
Behalve voor de bereiding van prima staal is er in de laatste jaren ook in sommige landen (o.a.Zweden) een streven merkbaar om den hoogoven,dienende voor de reductie van ijzeroxyde, door een electrischen oven te vervangen. Dit schijnt in waterval-districten met goedkoope electricitei rendabel te zijn Men voert daartoe onder in den hoogoven twee of meer electroden in, meestal verticaal of bijna verticaal, van boven af door aanzetstukken aan den oven, tusschen welk eelectroden dan, hetzij direct, hetzij met het ge-smolten metaal als tusschen-geleiding, de stroom doorgaat. De ovens zijn meestal weerstandsovens.Bekend zijn onder meer de electrische hoog-ovens van Ludvika, Lindblad, Stassano, Keilere. a. Het schijnt, dat ook hier, evenals bij de staalraffinage, de kwaliteit van het product beter is dan bij de oude zuiver thermische methode.
De geheele electrometallurgie, als belangrijke industrie nog geen 20 jaar oud, is nog in volle ontwikkeling. De centra zijn Noord-Amerika,Zweden, Z.-O.-Frankrijk en Zuid-Duitschland.
