Das „Windfrischen“ hält Einzug

Vom historischen Ansatz „Herdfrischen“ ausgehend über den arbeitsintensiven „Puddelofen“ gab es eine Lösung mit dem 1855 von Henry Bessemer erfundenen „Windfrischen“, bei dem Pressluft von unten durch ein mit saurer (silikatischer) Masse ausgekleidetes, großes birnenförmiges Gefäß (Bessemerbirne) geblasen wurde. Dabei wurden Kohlenstoff – und mit ihm noch andere unerwünschte, oxidierbare Beimengungen des Roheisens, wie das (Prozesswärme liefernde) Silicium – so weit oxidiert, faktisch verbrannt, dass das derart behandelte Eisen schmiedbar wurde.

Auf der Weltausstellung 1867 fand der Siemens-Martin-Ofen („SM-Ofen“) große Aufmerksamkeit.

1878 wurde das Bessemerverfahren von Sidney Thomas und Percy Gilchrist durch eine basische Auskleidung der „Birne“ entscheidend verbessert, die auch den Phosphorgehalt reduziert. Mit diesem Verfahren wurden die Brauneisenerze mit niedrigem Eisengehalt (30–55 % Fe), zu denen auch die sehr feinkörnig geförderte lothringische Minette gehört (nur 20–40 % Fe), und deutsches Raseneisenerz (Salzgitter) zu Guss- und Schmiedestahl verarbeitbar. Die im Hochofenprozess im Verhältnis 2:1 überwiegende Schlacke wurde – gemahlen – als phosphorhaltiges „Thomasmehl“ zum ersten Kunstdünger für die Landwirtschaft, die damit aber von der Eisenverhüttung abhängig blieb, bis im 20. Jahrhundert die Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch eine Alternative wurde. Die genannten Blasstahlverfahren wurden nochmals verbessert mit dem LD-Verfahren (patentiert Dezember 1950), das bei der Stahlerzeugung zum Frischen reinen Sauerstoff einführt und nach gut vierhundert Jahren Geschichte des Hochofens (der indessen bei entsprechenden Bedingungen nach wie vor seine technische Berechtigung behielt) zum Stand der Technik wurde.

Der Hochofen verliert an Bedeutung

Der klassische Hochofen verlor seine Alleinstellung als Roheisenlieferant für die Stahlerzeugung bereits mit der Einführung des Siemens-Martin-Ofens mit der Martinschen Regenerativfeuerung. In ihm wird bei einer Temperatur von 1700 °C im „Herdfrischverfahren“ Roheisen zusammen mit oxidhaltigem Schrott zu kohlenstoffarmem Stahl (Schrottverwertung als erstes Recyclingverfahren). Das Elektrostahl-Verfahren geht noch einen Schritt über das Siemens-Martin-Verfahren hinaus. Schrotte und durch Direktreduktion aus reichen Erzen erzeugter Eisenschwamm (Pellets) werden in einem Lichtbogenofen zu Stählen oder Gusseisensorten.

Eine weitere Vereinfachung war der Einsatz von Gas (Schiefergas) zur Reduktion von Eisenoxiden zu Eisenschwamm, der sich unmittelbar zur Stahlerzeugung einsetzen lässt.

Ein auf maximalen Durchsatz ausgelegtes, herkömmliches Hochofenwerk ist wegen seines großen Bedarfs an Einsatzstoffen auf einen vorteilhaften Standort angewiesen, um wirtschaftlich sein zu können. Für den Hochofenbetrieb sind dies lokale oder regionale Erz- oder Kohlevorkommen, ergänzt durch die Infrastruktur. Ein bedeutendes deutsches Werk in Duisburg, Europas größtem Binnenhafen, schätzt die Standortvorteile so hoch ein, dass nach Jahrzehnten 2008 ein neuer Hochofen in Betrieb ging. Ein österreichisches Werk wurde seinem Erzvorkommen nahe (Steirischer Erzberg) am Großschifffahrtsweg Rhein-Main-Donau errichtet. Binnen- und Seehäfen mit genügender Kapazität ermöglichen es heute, die Einsatzstoffe kostengünstig per Schiff zuzuführen und damit selbst an erz- und kohlearmen Standorten ein Hochofenwerk zu betreiben. Das Elektrostahlwerk (Mini-Stahlwerk), dem eine Verkehrsanbindung zu Land oder Wasser genügt, tritt dennoch zunehmend an dessen Stelle. Es kann sich elastisch an die jeweils verfügbaren Mengen seines Rohstoffs Schrott anpassen und anders als ein Hochofen diskontinuierlich und bei geringerer Umweltbelastung arbeiten.

Eine Gegenbewegung versuchte man mit der Abwanderung der klassischen Roheisenerzeugung im Hochofen samt dem angeschlossenen Stahlwerk zu den Basisrohstoffen, vornehmlich Lagerstätten mit hochwertigem Eisenerz (Brasilien, Belo Horizonte). Der so erreichte Vorteil sollte den global orientierten Transport der Erzeugnisse begünstigen. Bisher wurden die Erwartungen aber nicht erfüllt.

Seltenerdmetalle

Das periodische System kennt 14 Metalle der Seltenen Erden, als Lanthanoide bezeichnet. Hinzugenommen werden Scandium, Yttrium und Lanthan, sodass oft von 17 Elementen gesprochen wird. Eine Unterteilung nach Atommasse unterscheidet leichtere von schwereren Elementen, wobei die für eine neue Technologie und ihre nachgeordneten Anwendungstechniken besonders gesuchten schwereren hinsichtlich Vorkommen und Ergiebigkeit den leichteren nachstehen.

Dabei gewannen die Seltenen Erden zu einem noch um die Mitte des 20. Jahrhunderts nicht entfernt zu erwartenden Ausmaß an Bedeutung. Ein Wirtschaftsbeitrag titelte in diesem Zusammenhang: „Aus Salz wurde Gold“. Der hohe Bedarf in den letzten beiden Jahrzehnten an den Elementen für die Spitzentechnologien führte 2010/2012 zu problematischen Preis-Turbulenzen auf dem Weltmarkt.

Hintergrund

„Seltene Erdmetalle“ sind keineswegs im Wortsinne „selten“, aber lange galt, dass zwar nur 30 % der auf 100 Millionen Tonnen geschätzten Weltreserven aus erdgeschichtlichen Gründen (lithophile Anreicherungen) in China liegen, das jedoch 2010 mit 95 % der Förderung von 135.000 t, den Weltverbrauch bediente. Neuere Berichte relativieren frühere Aussagen und verweisen auf bei nachhaltiger Aufbereitung abbauwürdige Vorkommen in allen Erdteilen, vornehmlich in Australien, in Vietnam, in Kanada, den USA und auch auf Grönland. In Sachsen-Anhalt befindet sich das Vorkommen Storkwitz. Durch die Knappheit angeregtes Prospektieren führt zu überraschenden Ergebnissen: „Japan entdeckt seltene Erden in seinen Gewässern“, hochkonzentriert, jedoch in einer schwierig auszubeutenden Tiefe von 5000 Metern.

Durch diese expansiven Aktivitäten verlor China mittlerweile das Monopol in der Rohstoff-Produktion, doch behielt es die Dominanz in den Techniken zur Weiterbearbeitung, die seit 2019 zu latenten Konflikten mit den USA führten. Zu den Ergebnissen der neuen Elektrokommunikation zählt jedoch auch die Entwicklung allgegenwärtiger Informationsmöglichkeiten.

Verarbeitung und Anwendung

Enthalten sind die seltenen Erdmetalle in unterschiedlich häufig vorkommenden Mineralien mit vorwiegend oxidisch-silikatischem Charakter. Ein scandiumreiches Mineral ist der in Norwegen und auf Madagaskar zu findende Thortveitit. Die meisten Vorkommen sind von Yttrium bekannt, da es in zahlreichen Mineralien begleitend enthalten ist, die wenigsten von Lutetium. Lanthan findet sich in Monazitsand (sekundäre, angereicherte Ablagerungen von Cerphosphat) zusammen mit anderen „leichten“ seltenen Erdmetallen als Begleiter. Man bezeichnet diese Vorkommen auch als Ceriterden, da sie lange ausschließlich der Gewinnung von Cer dienten. Technisch komplex ist die Trennung von Trägermineralien oder -erzen wie zum Beispiel in Bauxit.

Zur Gewinnung der reinen Elemente werden die Mineralien meist nasschemisch bearbeitet und dabei zu Chloriden umgewandelt, die getrocknet und danach einer Schmelzflussanalyse unterzogen werden.

Cer, vielfältig eingesetztes Element dieser Gruppe, wurde bereits im 19. Jahrhundert industriell genutzt, sowohl für die Glühstrümpfe der noch verbreiteten Gasbeleuchtung, als auch als Basis für die von Carl Auer von Welsbach entwickelte Legierung zur Herstellung von Zündsteinen, u. a. für Taschenfeuerzeuge.

Eine Legierung aus 48–52 % Cer, dem man außer Lanthan noch weitere Lanthanoide sowie 0,5 % Eisen zusetzt, wird seit dem 20. Jahrhundert bei Gusseisen mit Kugelgraphit, und bei Legierungen vieler Nichteisenmetalle als „Cermischmetall“ zur kornfeinenden Gefügebeeinflussung (siehe Schmelzebehandlung) verwendet.

Im Bereich moderner Elektronik, für Flachbildschirme, Energiesparlampen, Akkus, Hybridmotoren und weitere neue Produkte sind die meisten Lanthanoide gesuchte Rohstoffe.

Recycling

Unverändert wird über eine zu geringe Recyclingquote berichtet.

Nicht zu den Seltenerdmetallen gehörend, aber oft wegen ihres aus modernen Techniken resultierenden Anwendungsbereiches zusammen mit ihnen genannt, sind die unter anderen auch als „Sondermetalle“ gehandelten, niedrigschmelzenden Elemente Gallium, Indium (F 156,4) und Thallium (als Rattengift bekannt), die elektrolytisch aus ihren natürlichen Verbindungen gewonnen werden.

Aluminium

Bescheiden war bei Aluminium der Anfang. Friedrich Wöhler reduzierte es 1828 erstmals als ein graues Pulver, obschon Aluminium als Element schon 1825 von Hans Christian Ørsted entdeckt wurde. Die Herstellung geschmolzener Kügelchen aus Aluminium gelang erst 1845. 1854 wurde von Robert Wilhelm Bunsen zur Gewinnung nutzbarer Mengen die Schmelzflusselektrolyse vorgeschlagen. Henri Etienne Sainte-Claire Deville stellte es 1855 erstmals in einem Prozess dar und nannte es „Silber aus Lehm“, wegen der damaligen Kosten seiner Herstellung. 1886 wurde das Verfahren von Charles Martin Hall und Paul Héroult gleichzeitig zu einem Patent angemeldet, das bis heute Grundlage der Aluminiumerzeugung ist und ihm den Weg zu einem Gebrauchsmetall geöffnet hat. Es dauerte nochmals zehn Jahre, bis mit Hilfe starker, die Wasserkraft des Rheinfalls nutzender Turbinen die erste Aluminiumhütte der Welt im schweizerischen Neuhausen am Rheinfall den Betrieb aufnahm (errichtet von der Aluminium Industrie Aktiengesellschaft, kurz AIAG, der späteren Alusuisse). Weitere zehn Jahre später nahm ebenfalls die AIAG in Rheinfelden (Baden) am Hochrhein die erste deutsche Aluminiumhütte (Aluminium Rheinfelden) in Betrieb, die ihre Energie vom kurz zuvor erbauten Wasserkraftwerk Rheinfelden bezog.

2014 wurden (lt. Notiz in Economics aus Heft 1/2015, ERZMETALL) allein von den fünf arabisch dominierten Primärhütten der GCC knapp fünf Millionen t Rohaluminium erzeugt (das energiereiche Russland verfehlt mit RUSAL, das 2014 nur 3,6 Millionen t erzeugte die Marktführerschaft bei einer Gesamtnachfrage 2015 von 59 Millionen t). Deutschland nennt pro Einwohner 2011 einen Verbrauch von 28 kg Aluminium.

Das chemisch ähnliche Scandium mit der Dichte von 2,985 g·cm⁻³ ist ein Leichtmetall, das erst im Zeitalter der Raumfahrttechnik Interesse findet. Bor ist ein weiteres Nichtmetall, das nur in Form oxidischer Verbindungen vorkommt. In der Metallurgie wird es bei der Härtung von Stählen, als Zusatz bei Aluminium-Legierungen und als Neutronenbremse in der Nukleartechnik verwendet.

Als Erdmetalle lassen sich dem an erster Stelle stehenden Aluminium Elemente beiordnen, die zwar nicht in die gleiche Gruppe des periodischen Systems gehören, sich jedoch metallurgisch insofern vergleichbar darstellen, als sie in der freien Natur nie in Erzlagerstätten vorkommen, sondern nur als Mineralien, in Form chemischer Verbindungen, meist sind es Chloride, Silikate oder Carbonate.

Magnesium, Titan

Das wegen seines geringen Gewichts unverändert an industrieller Bedeutung weiter zunehmende Magnesium wird sowohl aus Chlorid gewonnen (Israel, Totes Meer, Carnallit als Abraumsalz im Kalibergbau), weitaus größere Mengen aber weltweit aus der Reduktion von Magnesit.

Eine Ausnahmestellung nimmt Titan ein. Es kommt als Erz in Form von Rutil, Anatas, Brookit oder Ilmenit vor. Mehrheitlich wird es aus Ilmenit- und Rutilsanden gewonnen und lässt sich insoweit den Erdmetallen zur Seite stellen. Mit einer Dichte von nur 4,5 g·cm⁻³ zählt es noch zu den Leichtmetallen.

Mit den Erdmetallen und ihnen erschließungstechnisch verwandten Elementen beginnt die „Leichtmetallzeit“. Als metallurgische Epoche muss sie in jedem Fall gesehen werden und tritt zunehmend neben die noch immer dominierende „Eisenzeit“. In einem überschaubaren Zeitraum werden die Leichtmetalle das Eisen nicht so verdrängen, wie dieses die Bronze verdrängte und diese zuvor das Kupfer und das wiederum das Steinbeil und den Faustkeil.

Hauptmetalle

Kupfer wird als Hauptmetall entweder auf dem „trockenen Weg“ für die reicheren Erze, oder dem „nassen Weg“ für die ärmeren Erze gewonnen. Der zu Reinkupfer führende Verfahrensgang ist mehrstufig. Er beginnt mit dem Rösten des Erzes, dem die Rohschmelze mit weiteren Arbeitsgängen folgt, entweder im Schachtofen („deutscher Weg“), oder im Flammofen („englischer Weg“). Das Produkt ist nun Schwarzkupfer mit mehr als 85 % Kupfergehalt. Dessen weitere Raffination erfolgt heute nur noch selten im Flammofen. Üblich ist vielmehr Schwarzkupferplatten elektrolytisch zu raffinieren. Das dabei anfallende Reinkupfer ist ein wasserstoffhaltiges Kathodenkupfer, auch als Blistercopper (blasiges Kupfer) bezeichnet. Hochrein und sauerstofffrei ist es „Leitkupfer“ (Reinkupfer mit definierter elektrischer Leitfähigkeit) für die Elektroindustrie.

Die Masse des verfügbaren Raffinadekupfers wird – zumeist legiert – zu Knet- oder Gießmaterial. Zu Blechen verwalzt, fällt Reinkupfer besonders im Bauwesen auf. Gegenüber Witterungseinfluss sehr stabil, werden zunehmend Kupferbleche für Dachbedeckung und Regenrinnen verwendet. Die mit der Zeit entstehende Patina (Grünfärbung) wurde schon früher geschätzt. Fälschlich als giftiger Grünspan bezeichnet, besteht sie tatsächlich aus ungiftigem Kupfersulfat und -carbonat.

Zwar werden alle Legierungen mit dem Hauptbestandteil Kupfer als Kupferlegierungen bezeichnet, doch zwischen Bronzen und Sonderbronzen (vergleiche Berylliumbronze) sowie Messingen (Alpha- oder Beta-Messing mit 63–58 % Zink), gibt es deutliche Unterschiede im Aussehen und den mechanischen Eigenschaften. Ein Beispiel gibt das farblich völlig vom rötlichen Kupferton abweichende „Neusilber“, früher auch als Weißkupfer und noch in neuerer Zeit auch mit dem in seinem Ursprungsland China entstandenen Begriff „Packfong“ bezeichnet.

Reinkupfer ist Träger zahlreicher als „Vorlegierung“ in nichteisenmetallurgischen Prozessen zugesetzter Elemente. Bei Gusseisen ist Kupfer ein positive Eigenschaften bedingendes Legierungselement.

Zinn ist seit der Bronzezeit wichtigstes Begleitmetall des Kupfers. Als Reinzinn wird es wenig verarbeitet, da zu weich. Ausführlicheres siehe unter „Zinn.“

Blei (Bleisulfid) fällt wegen der Häufigkeit seines Vorkommens und wegen des niedrigen Schmelzpunktes vielleicht noch vor Kupfer, ungefähr um 6000 v. Chr., als metallurgisch nutzbar auf (s. auch unter Literatur: 5000 Jahre Gießen von Metallen) Geschichtlich tritt es zur (Römerzeit) als viel verwendetes, leicht zu bearbeitendes Hauptmetall in Erscheinung. Seit dem 20. Jahrhundert, insofern spät, wird es wegen seiner Giftigkeit für trinkwasserführende Systeme (Bleirohre) nicht mehr verwendet. Blei wird aus dem gleichen Grund als eine der Ursachen für den Untergang des Römerreichs angesehen. Ebenfalls giftig sind auf der Grundlage von Bleioxid hergestellte Farben („Bleiweiß“, Bleimennige) und Kinderspielzeuge, an oder in denen dieses enthalten ist.

Blei-Antimon-Legierungen als Schriftmetalle sind als Folge moderner Drucktechnik weitgehend bedeutungslos geworden. Unverzichtbar ist Blei vorläufig noch für Akkumulatoren und als Bestandteil bleihaltiger Lagermetalle. Hier ist es besonders Bleibronze, eine Kupfer-Blei-Zinn-Legierung mit bis zu 26 % Bleianteil, die für hoch beanspruchte Gleitlager in Automobilmotoren verwendet wird.

Bei Messing-Knetlegierungen ist Blei ein die Zerspanung begünstigender Zusatz (maximal 3 %). Mit bis zu 7 % ist es Legierungsbegleiter von Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen (Maschinenbronze).

Eisen wird zu Gusseisen oder Stahl allein durch seine Begleitelemente (Eisenbegleiter), die obschon bei der Stahlherstellung unverzichtbar, mengenmäßig Nebenmetalle bleiben. Für Hartstahl wird Mangan zugesetzt, das im Spiegeleisen mit 50 % enthalten ist. Ferromangan ist ein Manganträger mit 75–85 % Mangan. Zum Einsatz bei der Stahlerzeugung, wie bei Gusseisen gelangen ferner Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Cobalt (siehe auch unter „Industriemetalle“), Titan, das Halbmetall Silicium (als Ferrosilicium/FeSi zugesetzt) und die Nichtmetalle Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel.

Zink wird als Reinzink mit 0,5 % Kupfer legiert beim Verzinken von Stahl als Korrosionsschutz in großen Mengen verbraucht. Zinkbleche und -bänder aus mit 0,1 % Kupfer oder Titan sehr „niedrig legiertem Rein- oder Titanzink“ werden im Bauwesen verwendet. Ferner ist Zink Basismetall für Feinzink-Gusslegierungen mit Kupfer- und Aluminiumanteilen. Als wichtiger Begleiter findet sich Zink bei Kupferlegierungen (siehe oben), besonders seit mehr als zwei Jahrtausenden bei Messing.

Aluminium gibt es als genormtes Hüttenaluminium (Reinheit 99,5–99,9 %), als Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,99 % („Vierneunermetall“) und sogar als Reinstmetall (> 99,9999 %). Seine eigentliche Bedeutung als Knet- und Gusswerkstoff wird aber von zahlreichen legierungsbildenden Begleitelementen bestimmt, zu denen das Basismetall Kupfer gehört. Alfred Wilm entwickelt 1909 das patentrechtlich geschützte Duraluminium (Markenname DURAL), die erste aushärtbare Legierung bestehend aus Aluminium, Kupfer und Magnesium (AlCu4Mg1) Diese Legierung wird vor allem im Flugzeugbau eingesetzt, zuerst bei Junkers/Dessau. Aladár Pácz gelingt 1920 die gefügebeeinflussende „Veredelung“ der eutektischen Aluminium-Silicium-Zweistofflegierung (rechtlich geschützt als „ALPAX“ und als „Silumin“) mittels Zugabe von weniger als 150 ppm Natrium. Daraus wird im Bereich von 7–13 % Silicium-Anteil die heute als Formguss meistverarbeitete Legierungsgruppe. Wenig später folgen Aluminium-Magnesium-Legierungen (rechtlich geschützt als seewasserfestes Hydronalium und in einer Variante mit Titanzusatz „besonders seewasserfest“). Vielseitig verwendbar als Walz- und Knetmaterial ist die Legierung AlMgSi mit je 0,5 % Silicium und Magnesium. Neben ihr gibt es Legierungen mit Kupfer, Titan, Zink, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom und anderen Elementen, wobei die von den Legierungen verlangten, zunehmend stärker spezifizierten Eigenschaften die Begleitelemente nach Art und Menge bestimmen. Soweit nicht als Fertiglegierung vorliegend, können sie einer Basisschmelze aus Reinaluminium als „Legierungsmittel“ oder „Vorlegierung auf Aluminiumbasis“ zugefügt werden.

Begleitmetalle

Neben dem Begriff „Begleitmetalle“ (synonym: „Legierungsbegleiter“) gibt es den umfassenderen Begriff „Begleitelemente“. Diese werden regelmäßig zur Herstellung von Legierungen verwendet. Der Anteil dieser Begleitelemente beginnt bei Zehntelprozenten und weniger und geht bis zum zweistelligen Prozentbereich. Beispiele: AlCuTi mit 0,15–0,30 % Titan; AlSi 12 mit 10,5–13,5 % Silicium. Die Werkstoffentwicklung kennt inzwischen nur noch wenige Elemente, beispielsweise radioaktive, die sich nicht dazu eignen, Eigenschaften neu entwickelter Legierungen potentiell zu verbessern. Besonders im Bereich der „Seltenen Erden“ werden außer dem schon lang bekannten Cer (siehe bei Cer-Mischmetall) und dem ihm zugehörigen Lanthan (griechisch: „das Verborgene“) weitere verwandte Elemente, wie Neodym (für starke Dauermagnete) oder Praseodym (in seinen Verbindungen für Farbgläser mit UV-Absorption) nutzbar.

Beispiele für weitere wichtige Begleitelemente sind das Nichtmetall Phosphor in übereutektischen AlSi-Kolbenlegierungen, oder Beryllium, ein Leichtmetall mit einer Dichte von 1,84 g·cm⁻³, das in Form seiner Dämpfe indessen giftig ist. Beryllium wird für aushärtbare Bronzen (Berylliumbronze), für funkenfreie Werkzeuge im Bergbau, als Desoxidationszusatz für Leitkupfer (hier über eine fünfprozentige Vorlegierung) und im ppm-Bereich (ebenfalls über Vorlegierung dosiert) bei Aluminiumlegierungen zur Güteverbesserung sowie zur Verringerung der Oxidation der Schmelze zugesetzt, eine Maßnahme, die beim Schmelzen und Vergießen von Magnesiumlegierungen unabdingbar ist. Die Jahresweltproduktion von Beryllium – von dessen seltener, durchsichtiger Kristallform Beryll übrigens unser Wort Brille abgeleitet ist – wird mit 364 t angegeben.

Pyrometallurgie

Pyrometallurgie ist die thermische Weiterbearbeitung von Erzen oder bereits gewonnenem Metall, sei es oxidierend, also unter Sauerstoffzufuhr erhitzt (Abrösten), oder reduzierend in sauerstofffreier Ofenatmosphäre. Zuzuordnen ist hier die Feuerraffination (Oxidieren und Verschlacken unerwünschter Elemente), ferner die Seigerung, worunter die Entmischung einer Schmelze unter Ausnutzung von Dichteunterschieden im Schmelzgut zu verstehen ist (Beispiel: Oberhalb seiner Löslichkeitsgrenze in Kupfer seigert Blei aus einer Kupferlegierungsschmelze aus, sinkt auf den Boden des Schmelzgefäßes). Ähnlich verhält es sich bei der Destillation, die bei vorgegebener Temperatur unterschiedliche Dampfdrücke der Stoffe zur Trennung in Fraktionen nutzt (Beispiel Zinkgewinnung aus abgeröstetem Zinkerz in Muffelöfen).

Letzter Stand der Technik ist ein Zweistufenverfahren, um aus Kupfer und Goldkonzentraten Verunreinigungen, wie etwa Arsen, Antimon und Kohlenstoff durch Abrösten zu entfernen.

Hydrometallurgie

Hydrometallurgie bedeutet ursprünglich Vorbereitung von Erzen zur Verhüttung durch kalte oder warme Trennverfahren (Kalt- oder Heißextraktion) mittels Wasser. Die historische Flotation, weiterentwickelt zur Sink-Schwimmtrennung, ermöglicht es, im Abbau gewonnenes Erz weiter anzureichern. Gleichen Zwecken dient das Auslaugen und Auskochen. Die Extraktion durch Säuren, Laugen, organische Lösungen und Bakterien gehört ebenfalls zur Hydrometallurgie. Sind Bakterien beteiligt, spricht man vom Bioleaching. Durch chemische Fällungsverfahren oder mittels Elektrolyse werden ferner aus armen Erzen, die in geringerer als einprozentiger Konzentration enthaltenen Elemente gewonnen, beispielsweise Edelmetalle. In diesen Fällen wird die Hydrometallurgie als „Elektrometallurgie auf nassem Wege“ bezeichnet.

Elektrometallurgie

Die Elektrometallurgie umfasst elektrothermische und carbothermische (siehe Siliciumherstellung) sowie elektrolytische Verfahrenstechniken. Die moderne Stahlerzeugung, die den Hochofen durch den mit oxydreichem Schrott beschickten Induktionsofen ersetzt, kann ebenfalls als elektrometallurgisches Verfahren bezeichnet werden (Elektrostahl)

Mittels der Schmelzflusselektrolyse wird aus einem Tonerde-Kryolith-Gemisch Aluminium an der Kathode freigesetzt (Hall-Héroult-Verfahren). Zum Einsatz kommen dabei eine Kohlewanne für das Gemisch, die gleichzeitig als Kathode fungiert, und von oben zugeführte, stromführende Anoden. Das heute allgemein angewandte Bayer-Verfahren gewinnt das Aluminium in einem kontinuierlichen Prozess der Metallentnahme und Gemischzuführung von Tonerde, wie der in besonderen Tonerdefabriken aufbereitete und getrocknete Bauxit genannt wird. Zur Produktionskontinuität gehört bei der Elektrolyse des Tonerde-Kryolith-Gemischs der fortlaufende Ersatz verbrauchter Anoden. Die über einige Jahrzehnte den Standard bildende Söderberg-Anodentechnik wird durch das hinsichtlich Energieverbrauch, Anodenerhalt und Ausbeute deutlich verbesserte Pechiney-Verfahren zunehmend abgelöst; bestehende Altanlagen werden stillgelegt oder umgerüstet.

Nach dem Prinzip der Schmelzflusselektrolyse eines Chloridgemischs (weil mit Gemischen stets die erforderliche Reaktionstemperatur erniedrigt wird) können alle Alkalimetalle aus ihren Salzlösungen gewonnen werden.

Für das zunehmend Bedeutung gewinnende Erdalkalimetall Magnesium schlägt Bunsen bereits 1852 die Elektrolyse im Gemisch mit Flussspat vor. Heute wird es im Prinzip noch auf die gleiche Weise dargestellt, sei es direkt aus natürlichem Magnesiumchlorid (Bischofit), oder nach Abtrennung aus magnesiumchloridhaltigen Mischsalzen (Carnallit), oder aus dem Magnesiumchlorid-Anteil (bis zu 0,4 %) des Meerwassers. Technisch bedeutender ist die bereits genannte Umwandlung von Magnesit MgCO₃ oder Bitterspat (große Vorkommen unter anderem in Australien) in einem chemischen Prozess zuerst zu Magnesiumchlorid. Eine nachfolgende Elektrolyse, die seit Bunsens Erkenntnissen praktisch dem Verfahren der Aluminiumgewinnung gleicht (Pionier auf diesem Gebiet: G. Pistor, 1920), führt zu reinem Magnesium. Die erste Mengenerzeugung erfolgte im Werk Elektron-Griesheim der IG Farbenindustrie (geschützte Marke „Elektronmetall“).

Elektrolytisch gewonnenes Magnesium wurde durch ständig hinzukommende Anwendungsbereiche zu einem in seiner industriellen Bedeutung dem Aluminium nicht nachstehenden Erzeugnis der Elektrometallurgie. Man setzte es schon früh u. a. zur Gefügebeeinflussung von Gusseisen, im Luftfahrzeugleichtbau (Zeppelin), in der zivilen wie militärischen Pyrotechnik (Raketen, Leuchtkugeln, Stabbrandbomben) ein. Der Zweite Weltkrieg bedeutete für Magnesium und seine Legierungen einen Entwicklungsschub, denn es war ein von Einfuhren unabhängiger Werkstoff. Im 21. Jahrhundert kommt sein Einsatz der zunehmenden Tendenz zur Leichtbauweise entgegen, besonders bei Fahrzeugen, und es werden nicht nur die Verfahren seiner Gewinnung erweitert, sondern auch die der Verwendung. Vorwiegend sind es im Druckgießverfahren hergestellte Teile, zum Teil ist es „Hybridguss“.

Pulvermetallurgie

Der Begriff Pulvermetallurgie wird zwar verbreitet in Fachliteratur und Praxis verwendet, es handelt sich dennoch um keine eigenständige Metallurgie, sondern eine – latent explosionsgefährdete – Technik, geschmolzene Metalle und Legierungen entweder im Flüssigzustand zu Pulver zu verdüsen oder sie aus dem Festzustand heraus in Feinstgranulat umzuwandeln. In Pulvermühlen lässt sich die Mehrzahl der Nutzmetalle – von Aluminium bis Zink – zu Pulvern mit Korngrößen von 0,1 bis 500 µm zermahlen. Wegen der von allen Metallpulvern, mit unterschiedlichem Gefahrenpotential, ausgehenden Explosionsgefahr im Kontakt mit Luftsauerstoff wird eine Inertisierung oder Phlegmatisierung vorgenommen. Stabilisatoren, die von Wachs bis zu Phthalaten reichen, setzen die Explosionsempfindlichkeit herab. Magnesiumpulver ist wegen seines hochpyrophoren Verhaltens ein Sonderfall. Es kann nicht durch Mahlen, sondern nur durch „Abreiben“ vom Blockmetall gewonnen werden.

Bedeutend sind Metallpulver, in diesem Fall korrekt „anorganische Pigmente“ genannt, als Bestandteil von Metallic-Lacken bei Automobilen. Ein völlig anderes Einsatzgebiet ist das Verpressen in Stahlformen unter sehr hohem Druck (2000 bar und mehr). Aus so verpressten reinen Metallpulvern, häufiger legierungsähnlichen Gemischen, können metallische Formteile hergestellt werden (MIM-Verfahren, SLM-Verfahren). Bei heißisostatischer Verpressung, der eine Erhitzung der Pulver bis zur Erweichungsgrenze vorangeht, werden die Eigenschaften gegossener Teile erreicht.

Ein anderer Weg wird bei der Herstellung schwer zu gießender oder aufwändig aus dem Vollen zu fertigender Teile durch Nutzung des 3D-Druck-Verfahrens beschritten. Diese an sich schon seit Jahren bekannte Technik ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass auf 3D-Druckern metallische Serienteile für technisch anspruchsvollen Einsatz schichtweise, bis zur vom Rechner vorgegebenen Form, aufgebaut (gespritzt) werden.

Im Formen- und Modellbau kommt Pulver-Flammspritzen zum Einsatz. Das Metallpulver wird dabei durch eine Flamme erweicht, oder auch durch Plasma (Plasmaspritzen). Der Vorteil liegt in der kurzfristig möglichen Herstellung von Werkzeugen – Formen – für Pilotprojekte im Maschinen- und Werkzeugbau (Automobilindustrie).

Sekundärmetallurgie

Der Begriff Sekundärmetallurgie wurde ursprünglich nur im Stahlwerk gebraucht, wird aber auch für den Entschwefelungsprozess von Gusseisen angewendet. Er bezeichnet jedoch keine eigenständige Metallurgie, sondern verschiedene, alternativ oder in Abfolge anwendbare, die Stahlschmelzen entschwefelnde, desoxidierende oder „beruhigende“ Maßnahmen, die insgesamt als „Pfannenmetallurgie“ zur Steigerung der Stahlqualität dienen. Gebräuchlich ist die Zugabe von Aluminiumgranulat, Calciumsilicid und einer Reihe anderer, elektrometallurgisch gewonnener Produkte. Neben diesen auf chemischen Reaktionen beruhenden Techniken gibt es auch solche, die rein physikalisch oder physikalisch-chemisch wirken. Dazu gehört das Anlegen eines Vakuums an die Schmelze (mit sich daraus ergebender Entgasungswirkung). Das CLU-Verfahren, allgemeiner als „Uddeholm-Verfahren“ bekannt, führt durch Düsen am Boden einer Pfanne inerte oder reaktive Gase in die Stahlschmelze ein.

Es sind insgesamt Sonderformen der Schmelzebehandlung, wie sie in vergleichbarer Weise bei anderen Metallen (beispielsweise in der Primäraluminiumerzeugung) üblich sind.

Hinzu kommt, dass der Begriff Sekundärmetallurgie zunehmend auch von NE-Metallhütten angewendet wird, die sich, nach Erschöpfung standortnaher Erzabbaugebiete, statt mit der Primärerzeugung von Metall, der Forderung zur Nachhaltigkeit des Umgangs mit Rohstoffen entsprechend, mit deren Wiedergewinnung aus Schrotten und Abfällen, wie Schlämmen und Stäuben befassen, also einen Sekundärkreislauf einrichten.

Nuklearmetallurgie

Die Nuklearmetallurgie befasst sich mit den radioaktiven Elementen, deren bekanntestes heute Uran ist. Es wird mittels hydrometallurgischer Verfahren aus dem uranhaltigen Mineral Pechblende gewonnen. Lange gegenüber dem Radium vernachlässigt, das schon im frühen 20. Jahrhundert für medizinische Zwecke verwendet wurde (Nuklearmedizin), erlangte es seine heutige Bedeutung erst im Laufe des Zweiten Weltkriegs. In den USA wurde in den allein für diesen Zweck errichteten „Hanford-Werken“ in großem Maßstab Nuklearmetallurgie betrieben, um genügend Plutonium für den Bau der Atombombe herzustellen. Heute ist die zivile Nuklearmetallurgie darauf ausgerichtet, nicht nur Brennelemente für Kernkraftwerke (Atomkraftwerke) zu gewinnen, sondern sich auch mit der Aufbereitung der verbleibenden Rückstände und der sogenannten „sicheren Endlagerung“ zu befassen (siehe auch bei „Uran“). Wichtiges Nebengebiet der Nuklearmetallurgie sind die weltweit nur in wenigen Kernreaktoren hergestellten Radionuklide für medizinischer Zwecke, wie Technetium-99m (Erzeugung in Technetium-99m-Generatoren) und Iod 131 (z. B. für Szintigraphie).

Eisen

Am Beispiel Eisen ist die Spannweite der „Verhüttung“ besonders sichtbar. Der Eisenerzverhüttung liegt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zugrunde, auf dem die Eisentechnologie als Wissenschaft aufbaut und danach ihre Techniken entwickelt hat.

Die klassische Eisenhütte erzeugt im Hochofen ausschließlich Roheisen. Der Hochofen wird dazu mit einem Gattierung genannten Gemenge beschickt, dessen Erzanteil zuvor aufbereitet wurde. Ein Röstprozess oxidiert die Sulfide. Die damit einhergehende Erhitzung entfernt weitere flüchtige Bestandteile, etwa einen zu hohen Wassergehalt, wie bei der lothringischen Minette (Minette bedeutet „kleines Erz“, weil der Gehalt an Eisen verhältnismäßig gering ist, etwa 20–40 %). Für den Hochofengang werden die oxidischen, oxidhydratischen oder carbonatischen Erze (Magnetit, Hämatit, Limonit (Salzgitter), Siderit (Österreich), ferner die Pyrit-(Schwefelkies)-Abbrände der Schwefelsäureherstellung) dadurch vorbereitet, dass ihnen Zuschläge (Möller) von fluss- und schlackenbildendem Kalkstein (Flussmittel) und Koks beigegeben werden. Bei historischen Hochöfen wurde anstelle von Koks noch im Umfeld erzeugte Holzkohle eingesetzt.

Der Abstich (Ausbringung des erschmolzenen Roheisens) erfolgt im kontinuierlichen Betrieb, das heißt, der Ofen erkaltet nie; solange es seine Auskleidung zulässt, wird ständig über die „Gicht“, das obere Ende des Ofens, beschickt und unten an der Sohle abgestochen. Der Abstich weist sogenannte „Partieeigenschaften“ auf, wobei unter Partie beispielsweise eine Schiffsladung brasilianischen Eisenerzes mit vom Gewinnungsort bestimmten Eigenschaften verstanden wird. Von diesen wird die Zuordnung zu einer bestimmten Roheisenqualität bestimmt. Es könnte sowohl ein Hämatitroheisen mit mehr als 0,1 % Phosphor oder ein Gießereiroheisen mit bis zu 0,9 % Phosphor abgestochen werden. Außer von der Partiezugehörigkeit werden die Eigenschaften des Abstichs von der Erstarrungsart bestimmt. Bei langsamer Abkühlung (Masselguss) entsteht graues Gusseisen, unterschieden nach Art der Graphitausscheidung (lamellar, vermikular, sphäroidal). Bei rascher Erstarrung entsteht manganhaltiges, weißes Gusseisen; eine Übergangsform ist meliertes Gusseisen. Nicht zur Verwendung als Gusseisen bestimmtes Roheisen wird vom Hochofen in einen der Vergleichmäßigung dienenden Mischer entlassen und von dort an das Stahlwerk weitergeleitet. Erstmals erfolgte ein Flüssigmetalltransport über größere Entfernung gegen die Mitte des 20. Jahrhunderts in der normalspurigen 200 t und mehr fassenden und zugleich als Mischer fungierenden „Torpedopfanne“. Hier kann ebenfalls von Charge (englisch „batch“) gesprochen werden, nämlich der Beschickung eines Gefäßes, einer Pfanne oder eines Ofens mit einer durch das jeweilige Fassungsvermögen bestimmten Menge. Bei der Weiterverarbeitung, die in diesem Falle als diskontinuierlich bezeichnet wird, lassen sich jeder Charge sie kennzeichnende Chargeneigenschaften zuordnen. Die „Chargenarbeit“ hat besondere Bedeutung für das Recycling von zumeist sehr gemischten Schrotten.

Auch im 21. Jahrhundert ist die Erzeugung von Roheisen immer noch Betriebszweck eines „Eisenhüttenwerks“. Die Primärerzeugung im Hochofen hat ihre Alleinstellung bei der Eisengewinnung jedoch seit der Erfindung des Siemens-Martin-Ofens mit Regenerativfeuerung und erst recht seit der Einführung des Elektroofens verloren. Im Direktreduktionsverfahren kann aus pelletiertem Eisenerz in einem klassischen Schachtofen oder einem letzten Stand der Technik nutzenden Wirbelschichtreaktor ein kohlenstoffarmer Eisenschwamm erzeugt werden. Dieser wird dann im Elektrolichtbogenofen erschmolzen. Das Verfahren führt zu verringerten Kohlendioxidemissionen. Dennoch bleibt die „verbundene Eisenhütte“ – auch als „Eisenhüttenwerk“, in Osteuropa (1936 Magnitogorsk) als Kombinat bezeichnet –, weiterhin führend bei der Erzeugung von Roheisen, Gusseisensorten und Stählen.

Gusseisenwerkstoffe werden aus kohlenstoffreicherem Roheisen gewonnen. Es wird aus dem Hochofen in ein Masselbett geleitet und die erkalteten und transportfähigen Masseln werden im Kupolofen einer Eisengießerei oder auch in einem Elektroofen wieder eingeschmolzen und zu Gussteilen verarbeitet. Als Regel werden dort noch definierter Schrott, eigener Gießereirücklauf und Legierungszusätze beigegeben, um Gusseisensorten mit definierten Eigenschaften zu erhalten (siehe auch oben). Hohe Festigkeitswerte erbringt, nach E. Bain benannt, bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit. Es ermöglicht als Austempered Ductile Iron, kurz ADI, den „Leichtbau aus Eisen“; das ist seit Anfang des Jahrhunderts eine Antwort auf die starke Zunahme von Aluminiumguss bei Automobilmotoren. Ein neu entwickelter Gusseisenwerkstoff mit Aluminium als Legierungsbestandteil erlaubt sogar die Anwendung bei Automobilmotoren mit hohen Betriebstemperaturen, wie sie bei Turboaufladung vorkommen.

Temperguss ist eine Sonderform des Eisengusses, die als „weißer“ kohlenstoffarmer oder schwarzer kohlenstoffreicherer Temperguss vorkommt. Seine im Vergleich zu Grauguss besseren mechanischen Eigenschaften erwirbt er durch Glühen der in Temperkohle eingepackten Gussteile in regulierbaren, gasbeheizten Temperöfen. Die Verweilzeit bei dort gegebenen, oxidierenden Bedingungen ist teileabhängig. Sie beginnt kontrolliert bei 900 °C und wird bis zum Temperzeitende auf 750 °C abgesenkt. Beispiele für Temperguss sind Fittings, Schlüssel oder Zahnräder.

Eine dem Temperguss verwandte Sonderform ist der Hartguss (weißes Gusseisen, niedrig graphitiert), der als Walzenguss (unter anderem für Kalt- und Warmwalzwerke) wirtschaftlich bedeutend ist.

Für die Stahlerzeugung ist „ersterschmolzenes“ Roheisen noch nicht nutzbar. Stahl muss schweiß- oder schmiedbar und daher kohlenstoffärmer sein. Er wird deshalb „gefrischt“, das heißt mittels Pressluft- oder Sauerstoffzufuhr so lange oxidierend behandelt, bis der unerwünschte Kohlenstoff verbrannt ist und sein Anteil kleiner als zwei Prozent ist. Es gab mehrere Verfahren für das Frischen: Zu Beginn der Industrialisierung das Puddelverfahren, bei dem das plastische Roheisen mit Stangen manuell gewalkt wurde, später die Erzeugung im Tiegelofen. Mitte des 19. Jahrhunderts führen das Frischen in der Bessemerbirne sowie das Thomas-Verfahren – die Blasstahlverfahren im Konverter – zu einer extremen Produktivitätssteigerung. Ende des 19. Jahrhunderts verbreitet sich das Siemens-Martin-Verfahren, Anfang des 20. Jahrhunderts schließlich wird das Elektroverfahren (Lichtbogen- oder Induktionsofen) industrialisiert, bevor sich Mitte des Jahrhunderts das LD-Verfahren (Sauerstofffrischen) verbreitet. An das den Kohlenstoff oxidierende (verbrennende) Frischen schließt sich die Entfernung überschüssigen, bereits an Eisen gebundenen Sauerstoffs (Desoxidation, „Beruhigung“) durch Zusatz leicht oxidierbarer Elemente an. Üblich sind Aluminium oder Silicium, dieses als Ferrosilicium (FeSi), das bei der carbothermischen Siliciumherstellung gewonnen wird (siehe oben). Oxidation und Desoxidation sind von Thermodynamik und Reaktionskinetik bestimmte Maßnahmen, bei denen Chemie und Metallurgie – nicht nur die des Eisens – zusammenwirken.

Siemens-VAI hat einen speziellen 150-t-Lichtbogenofen zur schlackenfreien und energiesparenden Direktreduktion zur Betriebsreife gebracht.

Sobald sich die behandelte Stahlschmelze beruhigt hat, lässt sie sich durch Zusatz von Legierungselementen auf die künftige Verwendung als Stahl einstellen. Die Sortenvielfalt ist beträchtlich, weil nach Herkunft (Thomasstahl, Siemens-Martin-Stahl, Elektrostahl) sowie Verwendung und Eigenschaften unterschieden wird, beispielsweise hoch und niedrig legierter Stahl, legierter Kalt- oder Warmarbeitsstahl, nicht rostender Stahl (NIROSTA mit mehr als 12 % Chrom), magnetischer, weich magnetischer und „nicht magnetischer“ Stahl und andere (vollständige Auflistung beispielsweise unter „Stahl“ in „Gießereilexikon“).

Die Masse der Stähle, daher auch „Massenstahl“, wird dem Walzwerk zugeführt. Früheres Ausgangsmaterial des Verwalzens waren in Großkokillen hergestellte Walzbrammen, wobei Lunkerfreiheit (durch Erstarrungsschrumpfung bedingte Hohlräume) mittels einer exothermen (wärmeabgebenden) Auskleidung der Kokillen eine gerichtete und verlangsamte Erstarrung möglich machte. Heute hat das Stranggießverfahren diese Technik weitgehend ersetzt.

Die Stranggießerei ist eine dem Stahlwerk angegliederte Weiterverarbeitungseinheit, in der die Umwandlung von flüssigem zu festem Stahl erfolgt. Dabei kann zwischen mehreren Arten der Umwandlung unterschieden werden, zwischen „kontinuierlich“ (Strangtrennung mit „fliegender Säge“) oder diskontinuierlich (durch die der Anlage vorgegebene maximale Stranglänge), weiterhin zwischen vertikalem, horizontalem oder Bogenstrangguss und schließlich zwischen „einsträngigen“ oder „mehrsträngigen“ Anlagen. Die verschiedenen Produkte werden als Vollguss – auch profiliert – oder als Hohlguss (Röhren) hergestellt. Die weitere Verarbeitung erfolgt entweder nach Vorwärmung (warme Verarbeitung) oder nach Abkühlung (abschreckend, kalte Verarbeitung). Weiterhin unterzieht man sie einer natürlichen oder künstlichen Alterung (Umwandlung des Mischkristallgefüges). Besonders hochwertige Walzprodukte erzielt man mit einer Erwärmung, gefolgt von abschreckender Härtung und nachfolgendem „Anlassen“, das heißt Wiedererwärmen für den Walzprozess.

Zu den wirtschaftlich bedeutenden Stahlerzeugnissen gehören Baustähle (T-, Doppel-T, auch I-Träger, Bewehrungsstahl), ferner Schienen, Drähte, die im Walzprozess oder bei kleinen Durchmessern in der Drahtzieherei hergestellt werden. Stahlbleche, glatt oder profiliert (Wellblech), sind ein vielseitig genutztes Walzprodukt. Einseitig verzinnt wird heruntergewalztes Warmband als Weißblech bezeichnet. 2007 gingen hiervon 1,5 Millionen t in die Dosenfertigung ein. Zahlreich sind die Stähle mit besonderen Eigenschaften, unter anderem Edelstähle, nicht rostender Stahl, Hartstähle (Panzerplatten) für militärische und zivile Zwecke.

Spezialstähle (unter anderem Ventilstahl, Formstahl) die – von Stranggussmasseln ausgehend – in einer Stahlgießerei zu Gussteilen werden, behandelt man nach deren Erstarrung – hierin gleich anderem Formguss – mittels Wärmezufuhr, um die Teile hierdurch zu entspannen und das Gefüge zu verbessern (Entspannungsglühen, Lösungsglühen). Zusätzliche Legierungselemente (Chrom, Nickel, Molybdän, Cobalt) können solchen Stahlschmelzen vor dem Vergießen als Vorlegierungen beigegeben werden. Friedrich Krupp erkannte bereits 1811 den Einfluss festigkeitssteigernder Zusätze (Kruppstahl) und führte auf dieser Grundlage die Gussstahlfertigung in Deutschland ein (Geschützrohre sind daher seit 1859 aus Stahlguss).

Aluminium, Magnesium

Metallurgisch gesehen unterscheidet sich die Weiterverarbeitungstechnik von Eisen und Aluminium nicht allzu sehr. Die Nachfrage ist es, die dem einen oder anderen den Vorzug gibt. Oft wird sie nur davon bestimmt, inwieweit es möglich ist, „schweres“ Eisen durch „leichtere“ Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium oder Lithium zu ersetzen. (siehe auch Eisen). Ein Vorsprung für Aluminium verspricht die Weiterentwicklung von Aluminiumschaum, auch in Sandwich-Technik verarbeitet – für Leichtbau und Wärmedämmung.

Im Unterschied zu einer verbundenen Eisenhütte bezieht eine Aluminiumhütte ihren Rohstoff Tonerde aus einer auf die Umarbeitung von Bauxit zu calcinierter Tonerde spezialisierten, räumlich und wirtschaftlich getrennten Vorfertigung, einer „Tonerdefabrik“. Die von dort bezogene Tonerde wird im Gemisch mit Kryolith in Hunderten von Zellen einer Schmelzflusselektrolyse eingesetzt und jede Zelle liefert kontinuierlich schmelzflüssiges Rohaluminium, das regelmäßig entnommen wird. Ein Teil der Erzeugung wird zu Rein- und Reinstaluminium raffiniert. Reines und hochreines Aluminium ist Ausgang der Folienerzeugung. Ein weiterer Anteil wird zu Gusslegierungen mit Zusätzen von Magnesium, Silicium, Kupfer und anderen Elementen. Mehrheitlich jedoch wird das aus der Elektrolyse kommende Metall in flüssigem Zustand einer Verwendung als Knetlegierung zugeführt. Die hierfür nötige Behandlung übernimmt meist eine der Primärhütte angeschlossene Hüttengießerei (engl. casthouse) der ein Walz- und Presswerk angegliedert ist. In der Hüttengießerei wird das rohe Flüssigaluminium in die Mischer chargiert und per Zugabe von Vorlegierungen oder Schrotten die zu vergießende Legierungszusammensetzung eingestellt sowie unerwünschte Verunreinigungen entfernt. Aus den Mischern wird die Schmelze in Gießöfen verbracht. Bevor der Gießprozess beginnt, durchläuft die Schmelze in der Regel noch eine SNIF-Box zur Ausspülung letzter meist oxidischer Verunreinigungen und eine Entgasung mittels leicht chlorhaltigem Formiergas, ferner wird in der zu den Stranggusskokillen führenden Gießrinne und dem Verteilersystem noch digital gesteuert Kornfeinungsdraht aus einer Aluminium-Titan- oder einer Aluminium-Titan-Bor-Legierung zugeführt.

Die fertigen Knetlegierungen werden zu Walz- oder Rundbarren|Bolzen vergossen. Der Guss erfolgt entweder im kontinuierlichen Vertikal-Stranggießverfahren, wobei der aus der Kokille austretende und mit Wasser abgekühlte Strang von einer fliegenden Säge nach Maßvorgabe getrennt wird. Walzbarren werden zumeist im diskontinuierlichen Vertikalstrangguss als Einzelstücke erzeugt. Sie erreichen Gewichte bis 40 t.

Bei vorgegebenen Maßen des Gießtischs und der in ihn eingebetteten Kragenkokillen nimmt die Stückzahl der gleichzeitig gegossenen Rundbarren mit deren abnehmendem Durchmesser zu (bis zu 16 und mehr Stränge, dann schon „Wäschepfähle“ genannt, sind möglich). Die allgemeine Benennung ist „Halbzeug“, wobei nach Walzmaterial, Strang- und Rohrpressen, sowie der kalten oder warmen Weiterbehandlung wie Schmieden und Ziehen unterschieden wird. Die Wärmebehandlung erfolgt in Spezialöfen, als Grundlage (dazu mehr im Abschnitt Ofentechnik) von so unterschiedlichen Erzeugnissen, wie Bleche, Folien, Profile und Drähte, für die sich ein stark wachsender Bedarf ergibt, weil nicht nur die „Energiewende“ nach Erweiterung der Übertragungsnetze verlangt. Auch der verstärkte Einsatz von Aluminiumblechen im Automobilbau veranlasst namhafte Zulieferer zu Kapazitätserweiterungen.

Eine besonders für Bleche und Folien entwickelte, die Zahl der Walzdurchläufe (Stiche) verringernde Gießtechnik ist das Bandgießen, bei der das flüssige Metall in einen regulierbaren Spalt zwischen zwei gegenläufig rotierende, gekühlte Walzen gegossen wird. Dem Bandgießen technisch verwandt sind die modernen Verfahren der Drahtherstellung.

Alles metallurgisch zu Aluminium Gesagte kann auf das noch leichtere und deshalb sowohl für Luft- und Raumfahrt als auch generell im Leichtbau genutzte Magnesium übertragen werden. Das lange überwiegend aus der Schmelzflusselektrolyse von wasserfreiem Carnallit oder Magnesiumchlorid, heute überwiegend nach dem thermischen Pidgeon-Prozess gewonnene Reinmagnesium lässt sich legieren und kann wie Aluminium als Guss- oder Knetwerkstoff weiterverarbeitet werden. Da schmelzflüssiges Magnesium an Luft sehr schnell oxidiert (Magnesiumbrand), wird es unter einem inerten Schutzgas und mit einem Berylliumzusatz von mehr als zehn ppm geschmolzen. Neben den schon genannten Anwendungsgebieten findet sich Magnesium in der Eisengießerei als Entschwefelungsmittel bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit. Als Legierungselement führt es zu selbst aushärtenden Aluminiumknetlegierungen (siehe Duraluminium).

Eigenschaftsbestimmend ist es seit dem Zweiten Weltkrieg als Bestandteil seewasserresistenter Aluminium-Magnesium-Legierungen, denen noch Titan zugegeben wird. (Hydronalium, Typ SS-Sonderseewasser).

Nach 1950 werden solche Legierungen zunehmend für eloxierbaren Gebrauchsguss verwendet (Maschinen für die Lebensmittelindustrie, Beschlagteile) und das sowohl im Sand- wie im Kokillengießverfahren. In der weitgehend automatisierten Druckgießtechnik werden vornehmlich Aluminium-Silizium-Legierungen mit einem Magnesiumanteil verarbeitet, aber auch Magnesiumlegierungen mit Aluminium und Zink als Begleitelementen (der seinerzeit berühmte VW Käfer enthielt in seiner ersten Konzeption Magnesiumgussteile im Gewicht von mehr als 20 kg, u. a. für das Getriebegehäuse). Die aus Gründen der Gewichtseinsparung seit Jahren zunehmende Verwendung von Magnesium wurde bereits erwähnt, nochmals ist hier auf das Hybridverfahren zur „geschichteten Formfüllung“ aus magnesiumfreien wie magnesiumreicheren Legierungen hinzuweisen, das sich an thermischer und mechanischer Beanspruchung bestimmter Zonen des Automobilmotors orientiert.

Für die Leichtbautechnik werden besonders im Automobilbau zunehmend nicht nur flächige Teile (Motorhauben, Kofferraumdeckel), sondern auch gießtechnisch anspruchsvollere Teile (Automobiltüren, Fensterrahmen) im Druckgießverfahren gefertigt. Es sind Wandstärken von 4 mm bis herab zu sehr dünnen 1,8 mm herstellbar.

Auch Verbindungen von Stahlblechen mit Aluminium und/oder Magnesium sind mittels Druckgusstechnik problemlos möglich.

Unverändert ist Magnesium in der zivilen wie militärischen Pyrotechnik wichtiger Bestandteil aller Erzeugnisse.

Kupfer

Kupfer wird je nach zugrundeliegendem Erz pyro- oder hydrometallurgisch gewonnen. Aus sulfidischen Erzen wird in einem Schachtofenprozess der sogenannte Kupferstein gewonnen und anschließend in einem sogenannten Pierce-Smith-Konverter zu Schwarz- oder Blisterkupfer mit 80–96 % Kupfergehalt verblasen. Dabei setzen Kupfersulfid und Kupferoxid unter Abspaltung von Schwefeldioxid zu Kupfer um, Eisen als Hauptbegleitelement wird verschlackt. Die Schachtofentechnik bezeichnete man fachsprachlich lange als „deutschen Weg“. Der „englische Weg“ ist ähnlich, erfolgt aber im Flammofen. Im weiteren Prozessverlauf erfolgt das „Dichtpolen“; früher wurde dazu die Schmelze mit Baumstämmen umgerührt, heute wird Erdgas in die Schmelze eingeblasen. Hierbei entsteht sogenanntes „Anodenkupfer“, das zu Anodenplatten vergossen wird, die einer Raffinationselektrolyse unterzogen werden. Dabei sind die Anodenplatten in einer schwefelsauren Kupfersulfidlösung im Wechsel mit Edelstahlblechen (oder in älteren Elektrolysen Reinkupferblechen) als Kathoden in Reihe geschaltet. Die Spannung wird so gewählt, dass Kupfer in Lösung geht und sich an den Kathoden wieder abscheidet, während unedlere Metalle in Lösung bleiben und Edelmetalle (Silber, Gold, Platin, Palladium, Rhodium, …) sich als sogenannter Anodenschlamm am Grund der Elektrolysezelle absetzen. Aus dem Anodenschlamm werden die genannten Edelmetalle gewonnen. In der Raffinationselektrolyse entsteht Elektrolytkupfer, das wegen seiner elektrischen Leitfähigkeit seit dem 19. Jahrhundert für die Elektrotechnik unverzichtbar ist.

Oxidische Erze und arme sulfidische Erze werden hingegen einer Gewinnungselektrolyse unterzogen. Dazu werden oxidische Erze mit Schwefelsäure gelaugt, für sulfidische Erze muss ein komplizierteres Drucklaugungsverfahren angewendet werden. Die kupferhaltige Lösung wird vor der Elektrolyse noch mittels Solventextraktion angereichert. Produkt ist ein mit 99,90 % Kupfergehalt sehr reines, aber wasserstoffhaltiges Kathodenkupfer (Elektrolyseprinzip: Wasserstoff und die Metalle schwimmen mit dem Strom).

Die im Flammofen oder elektrolytisch feinraffinierten Kupferschmelzen werden zu Blöcken (Masseln) aus reinem Kupfer oder zu Formaten (Stranggießen) vergossen. Wird zuvor legiert, dann um bestimmte Eigenschaften, vor allem der Knetlegierungen herbeizuführen.

Die Weiterverarbeitung des Raffinadekupfers passt sich gleich wie bei Eisen und Aluminium nach Qualität und Menge den Forderungen des Marktes an, für den Kupfer die Basis einer Vielzahl technisch wichtiger Legierungen ist. Einige sind schon seit der Antike bekannt (s. Abschnitt 1). Legiertes Kupfer ist nicht nur Ausgangsmaterial für horizontal oder vertikal verarbeiteten Formateguss. Sowohl niedrig legiert, wie Chromkupfer mit 0,4–1,2 % Chrom wird es ebenso zu technisch wichtigem Formguss (Chromkupfer für Stranggusskokillen und andere thermisch stark beanspruchte Gussteile), wie die nach DIN EN 1982 genormten Bronzen mit 12 % Zinn.

Die Glockenbronze in der Zusammensetzung 80 % Kupfer, 20 % Zinn zählt zu den bekanntesten Kupferlegierungen. Seit dem Guss der ersten Kirchenglocken im 6. bis 8. Jahrhundert wird sie, kaum verändert, in überlieferter Technik vergossen (sehr wirklichkeitsnahe Beschreibung bei Friedrich Schiller „Das Lied von der Glocke“). Die Zusammensetzung dieser Bronze – damals empirisch gefunden – liegt nahe dem Optimum der Zerreißfestigkeit bei einem Zinnanteil von 18 %.

Eine bei Kupfer, Messing und Aluminium schon seit dem 20. Jahrhundert, inzwischen auch bei Stahl angewendete Technik der Halbzeugverarbeitung ist die Herstellung von Drähten mittels des Properziverfahrens und des davon abgeleiteten Gießradverfahrens.

Zu den im 19. Jahrhundert wirtschaftlich bedeutend gewordenen Kupferlegierungen gehören neben Rotguss, einer Kupfer-Zinn-Zink-Blei-Legierung, (die den Messingen bereits näher steht, als den Bronzen) noch eine Reihe von Sonderbronzen, wie die Aluminiumbronze. Mit 10 % Aluminium ist sie ein wertvolles, weil kavitationsbeständiges, wegen der Oxidationsneigung des Aluminiumanteils jedoch schwierig zu erschmelzendes und zu vergießendes Material für den Guss von großen Schiffspropellern (Stückgewicht 30 t und mehr).

Metallurgisch ebenso bedeutsam wie die zahlreichen, zweckgerichteten Bronzelegierungen sind seit Beginn des Industriezeitalters die zusammenfassend als Messing bezeichneten Kupfer-Zink-Legierungen. Wegen der für die meisten Legierungen des Kupfers mit Zink charakteristischen Gelbfärbung, werden viele Messinge oft nicht als solche wahrgenommen. Beispiel ist hier Rotguss, oder Rotmessing (italienisch: „ottone rosso“).

Mit seinem unter 1000 °C liegenden Schmelzpunkt ist Messing vielfältig einsetzbar. Mit 63 % Kupfer, Rest Zink, wird es besonders für Formguss (Armaturen, Beschlagteile) verwendet. Mit 58 % Kupfer, max. 3 % Blei, Rest Zink, wird es zu Halbzeug (Bleche, Profile). Eine Erniedrigung des Zinkanteils auf 36 bis 28 % begünstigt die ziehende Verarbeitung zu Patronen- oder Geschosshülsen aller Kaliber, weshalb diese Legierungen als Patronen- oder Kartuschenmessing bezeichnet werden.

Der Bedarf an Messing wird nur in besonderen Fällen mit Primärlegierungen (siehe unter Recyclingmetallurgie) befriedigt, mehrheitlich sind es in einer Messinghütte (Messingwerk) aufgearbeitete Messingsammelschrotte (Altmetall), denen frische Fertigungsabfälle aus spanloser wie spanender Bearbeitung zugegeben werden. Geschmolzen wird überwiegend im Rinneninduktionsofen.

Kupfer-Nickel-Gusslegierungen mit bis zu 30 % Nickel sind sehr seewasserbeständig (Schiffbau). Mit einem Zinkzusatz bis 25 % in Kupfer-Mehrstofflegierungen mit Nickel, Blei und Zinn werden Messinge zu Weißkupfer oder Neusilber (CuNiZn). Verbreitet kennt man sie als Bestecklegierungen, unter anderem als Alpaka und Argentan (siehe Packfong).

Konstantan und Nickelin, eine Kupfer-Nickel-Legierung mit Manganzusatz, sind als Heizleiterlegierungen korrosionsfestes Ausgangsmaterial für Heizwiderstände.

Zink

Als „Industriemetall“ wird Zink in seiner Bedeutung oft unterschätzt. Die Weltproduktion im Jahre 2014 betrug immerhin 13,5 Mio. t. Werden dem die 2010 mit 4 Mio. t genannten Mengen an Sekundärzinkerzeugung, u. a. aus Recyclingprozessen, auch aus Eisenentzinkung und Filterstäuben, hinzugerechnet, ergibt sich eine Gesamtmenge von mehr als 17 Mio. t (Zahlen siehe Erzmetall, 3/2016).

Zink wird bergmännisch als mit Blei vergesellschaftetes oxidisches (Zinkspat, Galmei) oder sulfidisches Erz (Zinkblende) abgebaut. Der carbonatische Galmei wird gebrannt, der Schwefelanteil der Zinkblende abgeröstet und für die Produktion von Schwefelsäure genutzt. Das auf beiden Wegen erhaltene Zinkoxid wird entweder auf trockenem Wege zusammen mit Kohle in feuerfesten Retorten (auch Muffeln genannt) reduziert und bei 1100–1300 °C im Destillationsverfahren Rohzink gewonnen. Bei Anwendung des nassen Verfahrens wird in einer ersten Stufe Zinkoxid unter Zusatz von Schwefelsäure zu Zinksulfat. Im folgenden Elektrolyseverfahren schlägt sich auf den Kathoden Elektrolytzink bereits als 99,99 % reines Feinzink nieder. Qualitätsmäßig wird demnach zwischen Rohzink, genormtem Hüttenzink und genormtem Feinzink unterschieden.

Zink wird auf vielen Gebieten eingesetzt. Es bestimmt den Legierungscharakter bei Messing, ist Legierungsbegleiter bei Rotguss und vielen Aluminium- und Magnesiumlegierungen.

Technisch sehr bedeutend ist die Verzinkung von Eisen- bzw. Stahlteilen, wie z. B. Bändern und Profilen. Bei Bändern zumeist im kontinuierlichen Verfahren nach Sendzimir. Die Verzinkung erfolgt durch Tauchen und Führung der zu verzinkenden Einzelteile – bei diesen mittels eines Gehänges – oder der Walzbänder durch ein wannenförmiges Zinkbad, wobei eine doppelte Schutzschicht ausgebildet wird. Auf eine primär entstehende Eisen-Zink-Verbindung legt sich ein Reinzinküberzug. Beide zusammen gewähren, sofern der Überzug keine offenen Schnittstellen aufweist, einen anhaltenden Schutz gegen durch Luftfeuchtigkeit bedingte Korrosion, also ein Verrosten oder Durchrosten.

Feinzinklegierungen mit einem Aluminiumanteil von zumeist 4 % werden für verschiedenste Zwecke verarbeitet, besonders im Druckguss, wo „ressourceneffiziente Gießtechnik“ zunehmend bisher in Aluminium gegossene Teile ersetzt. Die Welterzeugung belief sich 2014 auf 2 Mio. t, davon entfielen 70.000 t oder 4 % auf Deutschland.

Auch zu Halbzeug wird Feinzink verarbeitet.

Zinkweiß, ursprünglich bei Herstellung und Verarbeitung von Messinglegierungen ein unerwünschtes Beiprodukt, wird heute nach verschiedenen Verfahren aus Rohzink, oder zu mehr als 70 % des auf > 250.000 t/a geschätzten Verbrauchs beim Recycling von zinkhaltigen Erzeugnissen gewonnen. Es wird nicht nur traditionell für Pigmente und keramische Erzeugnisse, sondern auch bei Gummi, Glas, Pharmazeutik und Elektronik verwendet, sofern es nicht in den Kreislauf der Feinzinkherstellung zurückgeführt wird.

Die Korrosionsbeständigkeit von Zinküberzügen auf Eisen und damit dessen Schutz vor Rost bedingt einen ständigen, hohen Bedarf der Verzinkereien. Man unterscheidet elektrolytische Verzinkung (mit geringerer Haltbarkeit) von Feuerverzinkung, bei der die zu verzinkenden Teile durch ein Tauchbad aus geschmolzenem Feinzink geführt werden.

Nickel

Nickel hat eine eigene Industrie begründet (beispielsweise das russische Unternehmen Norilsk Nikel). Ungeachtet seiner historischen, für China schon vor der Zeitenwende nachgewiesenen Verwendung hat es erst im 19. Jahrhundert wieder Bedeutung gewonnen.

Zur Nickelgewinnung dienen überwiegend Kiese, also sulfidische Erze, die in einer ersten Stufe abgeröstet und im Flammofen geschmolzen werden („Rohstein“). Von Kupfer und Eisen befreit wird es zum „Feinstein“ und dieser wird entweder elektrolytisch raffiniert (Reinnickel) oder nach dem Mond-Verfahren (Carbonylnickel) zu Reinstnickel.

Verwendet wird Nickel für hochwertige Gusslegierungen auf Nickelbasis, überwiegend aber als eigenschaftsbestimmendes Legierungselement (z. B. für Chrom-Nickel-Stähle) und als Bestandteil von Bronzen (seine Stellung als Legierungsbegleiter teilt es sich hier mit Zinn).

Nickel findet sich ferner in Messingen und hochfesten Aluminiumlegierungen. Als Überzug von Gussteilen gewährleistet es Korrosionsschutz (Vernickelung) und nicht zuletzt bestimmt es mit ca. 25 % Anteil die „Silberfarbe“ von Münzen, Besteck und Haushaltsgeräten. Nickel ist nicht giftig, aber seine Aerosole können gefährdend sein. Dauernder Hautkontakt, etwa bei Brillengestellen, oder Schmuck (beides im Druckgießverfahren gefertigt), kann zu einem Nickelekzem (Nickelkrätze) führen.

Blei

Blei ist mit einem Schmelzpunkt von nur 327 °C verarbeitungsgünstig und mittels Oxidation und folgender Reduktion metallisch aus Bleiglanz (PbS) leicht darstellbar. Es wird als Reinblei vorwiegend in Form weichen, flexiblen, zu Blechen gewalzten Materials verarbeitet (Bleiummantelung von Kabeln, Dachabdichtungen). Als Bleirohr ist es, mit einer Zulegierung von härtendem Antimon, nur für Abwasserleitungen erlaubt. Viel verwendet wird es als Akkublei für Starterbatterien, als Schrotblei, als Bleidruckgusslegierung und für Bleibronzelager. Außerordentliche Bedeutung hat Blei seit Jahrzehnten als Schutz gegen Gammastrahlung. Im Umgang mit radioaktivem Material ist eine Bleiabdeckung (Bleischürze des Radiologen) unverzichtbar.

In Messing-Knetlegierungen gewährt Blei (bis zu 3 %) gute Zerspanungseigenschaften. Als Legierungsbegleiter in Kupferlegierungen ist Blei erwünscht, obwohl es wegen seiner Dichte zum Ausseigern neigt.

Die Verarbeitung von Altblei (Akkumulatoren) wird in spezialisierten Hütten vorgenommen, unter anderem weil außer problematischen schwefelsauren Rückständen in den Batterien die oberhalb des Schmelzpunkts (Dampfdruck) einsetzenden Bleidämpfe sehr giftig sind (siehe Recyclingmetallurgie).

Lithium

Das Leichtmetall Lithium weist eine Dichte von nur 0,534 g·cm⁻³ auf. Es liegt an 27. Stelle der Häufigkeitsliste der Elemente. Der geschätzte Weltvorrat beträgt 2,2 Millionen t. Lithium kann mittels Schmelzflusselektrolyse aus Lithiumerzen gewonnen werden (u. a. aus Amblygonit mit einem Lithiumoxidgehalt bis zu 9 %, das als Erzkonzentrat verarbeitet wird). Spodumen wird besonders zur Herstellung von Lithiumcarbonat eingesetzt, weitere abbauwürdige Erze sind Petalit und Lepidolith. Lithium wird auch durch Eindampfung hoch salzhaltigen Wassers gewonnen (Totes Meer). Die Extraktion aus Meerwasser (Gehalt 0,17 ppm Li) gilt bisher als nicht wirtschaftlich.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts ist noch nicht entschieden, ob metallisches Lithium nach seiner Darstellung mittels eines über Lithiumcarbonat führenden Verfahrensganges, vorzugsweise als Bestandteil für die Herstellung besonders leichter und korrosionsfester Legierungen auf Aluminium- oder Magnesiumbasis, oder einer Legierung beider genutzt wird, auch selbst zum Basismetall von Superleichtlegierungen wird, oder aber in Hochleistungsakkumulatoren (Lithium-Ionen-Akkumulator) verwendet wird. Gemäß den Erfahrungen als Akku für die Mobiltelefonie wird in ihnen die nächstmögliche Lösung für elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge gesehen. Der damit stark steigende Bedarf kann nach dem, was über weltweit, auch in Europa (Norische Alpen) erschlossene und zu erschliessende Vorkommen bekannt ist, befriedigt werden. Ungünstiger ist dagegen, dass mit den Anstrengungen die Elektromobiliträt zu fördern, auch ein verstärkter Bedarf an Kobalt einhergeht, dessen regional begrenzte Gewinnung indessen für Versorgungsengpässe anfällig bleibt. In der Nukleartechnik gilt der Einsatz von Lithium seit seinem Beitrag zur Entwicklung der „Wasserstoffbombe“ als unverzichtbar für die Entwicklung eines Fusionsreaktors.

Zu den zahlreichen weiteren Verwendungen von Lithium oder seinen Verbindungen zählt der Zusatz von bis zu 5 % Lithiumfluorid bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminium, der Einsatz von Lithiumkupfer als Desoxidationsmittel für Schwermetalle (Schmelzebehandlung), der Zusatz von Lithiumchlorid und Lithiumfluorid zu Hilfsmitteln beim Schweißen und Löten von Leichtmetallen, ferner in Form seiner Stearate bei Schmiermitteln und als Citrate, Karbonate und Sulfate in der Pharmakologie.

Im Hinblick auf die Verwendungsbreite von Lithium und seinen Verbindungen einerseits, seiner nicht unbegrenzten Verfügbarkeit andererseits, kommt dem Recycling, insbesondere aus Batterien und Akkus, wachsende Bedeutung zu.

Beryllium

Beryllium (Dichte 1,85 g·cm⁻³), zählt zu den Leichtmetallen. Gewonnen wird es hauptsächlich aus Beryll, einem Aluminium-Berylliumsilikat. Obwohl als toxisch eingestuft (leberschädigend, Berylliose), wird es vielfältig verwendet. Bei Magnesiumguss verringert bereits ein Zusatz von 0,001 % zur Legierung oder zum Formsand die Oxidationsgefahr, als Berylliumkupfer mit 5 % Berylliumanteil wird es zur Desoxidation von hochleitfähigem Kupfer verwendet. Aus einer Kupfer-Beryllium-Gusslegierung mit max. 3 % Beryllium und 0,5 % Cobalt lassen sich funkenfreie Werkzeuge herstellen, eine im Kohlebergbau wichtige Eigenschaft.

Großes Potenzial wird Beryllium nach aktuellen Forschungen bei der angestrebten Kernfusion in Fusionsreaktoren eingeräumt, da es sowohl den Brennstoff Tritium erzeugen kann als auch sich für die einer Temperatur von 100 Millionen Grad ausgesetzte Verkleidung des Plasmagefäßes eignet.

Zinn

Zinn (Dichte 7,29 g·cm⁻³), lateinisch „Stannum“, wird aus reduzierend verhütteten, oxidischen Erzen gewonnen (Zinnstein, Kassiterit). Auf Zinnbasis fertigte man bis zur Erfindung des Porzellans Ess- und Trinkgefäße („Geschirrzinn“). Eine neuzeitliche Entwicklung ist „Britanniametall“, eine Sn90Sb8Cu-Legierung, die zu Dekorationsgegenständen verarbeitet wird (Teller, Pokale). Ein besonderes Gebiet sind Zinnfiguren aus einer eutektisch erstarrenden Legierung Sn63Pb37, deren Herstellung über Jahrhunderte tradiert ist (Zinngießerei). Die Bezeichnung Stanniol für dünn ausgewalzte Zinnfolien geht unmittelbar auf das lateinische „stannum“ für Zinn zurück und wird umgangssprachlich auf Metallfolien schlechthin angewendet. Zu deren lange Zeit allgemein bekannten Anwendungsformen zählen Flaschenkapseln und das den Weihnachtsbaum schmückende Lametta.

Zinn wird heute vornehmlich im Druckgießverfahren verarbeitet, die dafür verwendeten Legierungen sind ähnlich denen für Lagermetalle auf Zinnbasis. Nach DIN 1703 sind es genormte Legierungen mit ca. 80 % Zinn und Zusätzen von Antimon, Kupfer und Blei; eine veraltete Bezeichnung ist „Weißmetall“, heute sind „Zinnlagermetalle“ an ihre Stelle getreten. Zinn ist namengebendes Legierungselement aller Zinnbronzen, ferner ein für die erforderlichen Legierungseigenschaften erforderlicher Bestandteil von Rotguss. Legiert mit Blei und härtendem Antimon fand es sich als „Bleisatz“ in den inzwischen historisch gewordenen Schriftmetallen.

Eisenblech, auf Millimeterbruchteile ausgewalzt und einseitig verzinnt, wird als Weißblech bezeichnet. Haupteinsatzgebiet sind Dosen für Dauerkonserven. Ein in der Weltspitze agierender deutscher Erzeuger gibt für 2007/2008 eine Jahresproduktion von 1,5 Millionen t an.

Zinn ist auch Hauptbestandteil aller Weichlote mit einem Schmelzpunkt < 450 °C.

Titan

Titan wird wegen seiner relativ niedrigen Dichte von 4,5 g·cm⁻³ und damit nur halb so schwer wie Stahl, aber gleich guten Festigkeitswerten, zudem unmagnetisch, seewasserfest und korrosionsbeständig, schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts besonders auf dem militärischen Sektor zunehmend verwendet: als Legierungsbegleiter bei Spezialstählen, als gefügestabilisierender Zusatz bei Gusseisensorten, als wichtiger Zusatz zu hochfesten, seewasserbeständigen Aluminiumlegierungen im Schiffbau.

Um 1940 beginnt die Entwicklung von Titanlegierungen, eine Voraussetzung zum Bau von Düsentriebwerken für Luft- und Raumfahrt. Insbesondere Titanaluminid-Werkstoffe mit Zusätzen von Niob, Bor und Molybdän sind gemäß Fachpresse für Betriebstemperaturen von Flugzeugturbinen geeignet.

In der Medizintechnik wird Titan für künstliche Gelenke (Endoprothesen, Implantate) verwendet.

Im Feingussverfahren (Wachsausschmelzverfahren) werden aus Titanlegierungen nicht nur kleine bis kleinste Präzisionsteile hergestellt. Ein patentiertes Verfahren erlaubt auch die Herstellung größerer Teile, wie sie der Motorsport verlangt. Modellherstellung mittels Rapid Prototyping in Laser-Sintertechnik erfolgt rasch und ermöglicht auch kurzfristige Abänderungen.

AlTi-, AlTiC- und AlTiB-Vorlegierungen dienen bei Aluminiumknet- sowie Gusslegierungen zur Gefügebeeinflussung (Kornfeinung).

Neue Titan-Vorkommen werden erschlossen, in Erwartung eines jährlich bis auf mehr als 100.000 t ansteigenden Bedarfs, wobei Titan mit Cobalt und Nickel vergesellschaftet anfällt.

Kobalt

Kobalt, ein silbriges Metall (Dichte 8,9 g·cm⁻³) ist seit dem 15. Jahrhundert bekannt. Die gezielte Förderung von Kobalterzen beginnt, als gegen Ende des 16. Jahrhunderts durch Zufall wiederentdeckt wurde, was bereits den alten Ägyptern bekannt war: dass Kobalt Glasflüsse blau färbt. Für die Eisenindustrie ist Kobalt ein Zusatz zu hochwertigen Stählen. Neue Bedeutung erfährt Kobalt durch seine Eignung als Elektrodenmaterial bei der Herstellung von Lithiumionenakkus (Akkus). Die Weltproduktion wird im Jahre 2007 auf 60.000 t geschätzt, wovon zwei Drittel aus dem Kongo (Katanga) und Sambia kommen. Eine sehr große Reserve bieten die Manganknollen der Tiefsee mit einem Gehalt von ca. 1 % Kobalt.

Refraktärmetalle

Zur Gruppe der Refraktärmetalle gehören Molybdän, Wolfram, Vanadin, Niob und Tantal. Die Bezeichnung weist auf den hohen Schmelzpunkt dieser Elemente hin. Aufgrund der hohen Schmelztemperaturen konnten sie erstmals gegen Mitte des 20. Jahrhunderts mittels moderner Schmelztechniken, wie dem Vakuum-Schmelzverfahren, in notwendiger Reinheit dargestellt werden. Reinheit ist Voraussetzung für verschiedene spezifische Verwendungszwecke.

Wolfram, Vanadin, Niob und Tantal werden aus oxidischen Erzen wie Vanadinit, Wolframit, Tantalit, Niobit (auch als Mischerz mit Tantalit nach den Hauptfundorten als Columbit bezeichnet) für einen stetig zunehmenden Bedarf in der Mikroelektronik gewonnen. Der Weltbedarf an Niob kommt zu 90 % aus Brasilien.

Molybdän

Molybdän ist das bedeutendste Refraktärmetall.

Mehr als 50 % der Weltproduktion von nahezu 200.000 t p. a. (2008) an Molybdän (Dichte 10,2 g·cm⁻³) werden mit zunehmenden Verbrauchsraten als Stahlveredler und für Gusseisen eingesetzt. Die Elektroindustrie benötigt es für Katalysatoren, auch Pigmenthersteller nutzen es. Gewonnen wird es weit verbreitet aus sulfidischem Molybdänglanz.

Ein Beiprodukt der Molybdängewinnung ist das seltene Edelmetall Rhenium (Dichte 21,04 g·cm⁻³).

Wolfram

Das Refraktärmetall Wolfram (Dichte 19,3 g·cm⁻³) wird aus dem Abbau von Scheelit- und Wolframiterzen gewonnen. Es ist Legierungselement für Werkzeugstähle, etwa für Spiralbohrer. Als die – pulvermetallurgische – Verarbeitung des Wolframs mit seinem extrem hohen Schmelzpunkt von 3387 °C zu feinen Drähten gelang, konnte es Osmium oder Tantal als Material für Glühfäden ersetzen. Dadurch wurden klassische Glühbirnen relativ dauerhaft und in der Anschaffung billig.

Auch Halogenlampen und die effizienteren und langlebigeren Leuchtmittel Leuchtstoffröhre und Kompaktleuchtstofflampe (Energiesparlampe) weisen noch Wolframwendel auf – wobei die letzteren die Wendel zum Vorheizen nur vor dem Start benötigen. Erst Leuchtdioden kommen ohne aus. In Röntgenröhren wird Wolfram zur Heizung der Kathode (Glühwendel), vor allem aber als Anodenmaterial benutzt.

Die Verbindung Wolframcarbid, chemisch WC, gehört mit einer Mohs-Härte 9,5 zu den härtesten Stoffen und wird daher als Beschichtung von Schneidwerkzeugen oder direkt als Schneidstoff in Hartmetallen eingesetzt. Unter spezieller Belastung (in Kraftwerken) wird Wolfram spröde. Versprechende Untersuchungen einer Verstärkung durch eingelagerte Wolframfasern sind im Gange.

Selen

Selen nach dem griechischen Wort „Selene“ für den Mond benannt, dem Tellur („Erde“) nahe verwandt, gehört in die VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Die Weltgewinnung von 2000 t im Jahr 2007 – vorwiegend aus dem Anodenschlamm der Kupferelektrolyse – findet Verwendung unter anderem für die Herstellung farbiger Gläser, als Halbleiter in der Xerographie, als Bestandteil von Schmierstoffen und Pharmazeutika.

Silber

Silber wurde 2007 zu 30 % in Silberminen gewonnen, ein Drittel des Bedarfs fällt als Nebenprodukt bei der Blei- und Zinkgewinnung an, 27 % bei der Kupferraffination und weitere 10 % bei der Goldgewinnung.

Nach der nahezu vollständigen Demonetisierung überwiegt seine industrielle Nutzung, die auf der alle anderen Metalle übertreffenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit beruht und für 2007 mit 55 % des Gesamtbedarfs angegeben wird. Mit einer Dichte von 10,5 g·cm⁻³ und einem Schmelzpunkt von 960 °C ist Silber vielseitig verwendbar. Nach Entdeckung im 19. Jahrhundert seiner gleich Messing „bakteriziden“ Wirkung wird Silber nicht nur zu Gebrauchsgegenständen verarbeitet; die Silberbeschichtung von Griffen, Klinken und anderen vielfach berührten Metallteilen im öffentlichen Raum wird zum Silberverbraucher. Aus demselben Grund wird es für chirurgische Instrumente verwendet, ferner für Apparaturen der Nahrungsmittelindustrie. Silberverbraucher sind auch in der Elektronik und Elektrotechnik (Silberdraht) zu finden. Silber-Zink-Akkus sind in der Entwicklung, die Energiedichte soll 40 % über der von Lithium-Ionen-Akkus liegen (siehe dazu auch unter „Recycling“).

Schmuck und Bestecke beanspruchen nach Meldungen in Wirtschafts- und Fachpresse noch 25 % des Silberverbrauchs. Schmuck und Silbergeschirr werden traditionell teils handwerklich (Silberschmied), teils industriell (auf Silber spezialisierte Gießereien) hergestellt.

Die Verwendung in der Fototechnik ist auf 15 % zurückgegangen. 5 % des Silberangebotes werden zu Gedenkmünzen und Medaillen geprägt.

Silber ist mit bis zu 0,25 % ein Legierungsbestandteil als „Silberbronze“ bezeichneter Kupferknetlegierungen. Silberhartlote auf Kupfer- oder Manganbasis können bis zu 87 % Silber enthalten. Hochfeste Aluminiumlegierungen werden ebenfalls unter Silberzusatz hergestellt.

In der Geschichte des Münzwesens hatte Silber lange eine bedeutende Rolle (siehe Silberwährung). Die Inhaber des Münzregals, heute ausschließlich die Staaten und ihre Nationalbanken, prägen Silbermünzen nur noch zu besonderen Anlässen und nehmen steigende Silberpreise gerne zum Anlass den Silbergehalt der Münzen zu verringern.

Uran

Uran ist ein giftiges, radioaktives (strahlendes) Schwermetall mit der sehr hohen Dichte von 19,1 g·cm⁻³, das zur Gruppe der Actinoide gehört. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts von Martin Klaproth entdeckt und als Pechblende bezeichnet, wird es seitdem bergmännisch gewonnen. Deutsche Vorkommen an Uranerz wurden bis 1990 in erheblichem Umfang ausgebeutet (Schlema-Alberoda).

1898 beobachtete A. H. Becquerel die Strahlung der Pechblende, allerdings ohne deren menschliches Gewebe schädigende Wirkung zu erkennen. Pierre und Marie Curie isolierten darauf die enthaltenen, stark strahlenden Elemente Polonium und Radium. Nicht die geringen Anteile dieser beiden Elemente im Uran machen es zum radioaktiven Alphastrahler, sondern der Gehalt an den Isotopen 234, 235 und 238.

Alle radioaktiven Elemente, insbesondere die nach 1945 entdeckten Transurane, wie etwa Fermium, Berkelium, Einsteinium, mit Ordnungszahlen ab 93 sind mehr oder weniger instabil. Einige Actinoide zerfallen bereits nach Sekunden, andere erst nach Millionen von Jahren, der Maßstab ist die sogenannte Halbwertszeit. Für Uran-238 werden 4,5 Milliarden Jahre angegeben, für das Isotop 235 sind es 704 Millionen Jahre und für „waffenfähiges“ Plutonium „nur“ 24000 Jahre. Endstufe dieses atomaren Zerfalls, der auch die Altersbestimmung von Elementen erlaubt, ist stets Blei.

Die jährliche Uranproduktion weltweit wird für 2007 mit 40.000 t angegeben, der Verbrauch mit 60.000 t. Die Lücke wird durch Auflösung aus militärischen Gründen gehorteter Bestände geschlossen. Die Ansichten über den globalen Vorrat an Uranerz sind strittig, 10 % der Vorräte sollen sich in Westaustralien befinden, müssen aber noch erschlossen werden. Durch die Technik des Brutreaktors könnten die Weltvorräte nachhaltigerer Nutzung zugeführt werden.

Die Weiterverarbeitung des geförderten Uranerzes orientiert sich an chemisch-metallurgischen Prinzipien der Laugung, Fällung und Filtration mit dem Zwischenprodukt Yellowcake. Das gewonnene metallische Uran ist unverändert radioaktiv und ohne weitere Behandlung praktisch nur begrenzt nutzbar. Isoliertes Radium (auch die Isotopen) wurde früher in der Strahlenmedizin eingesetzt.

Abgereichert (das heißt, in seiner nicht spaltbaren Form) wird Uran sehr unterschiedlich verwendet. In der Rüstungsindustrie dient es wegen seiner Härte gleichermaßen für Panzerplatten wie für panzerbrechende Munition. Es findet sich ferner als Strahlenschutzmaterial, als Stahlzusatz und in der Luftfahrtindustrie.

Angereichert wird Uran dagegen genannt, wenn in einem aufwändigen Prozess (Zentrifugentechnik) der Anteil des Isotops 235 von natürlichen 0,711 % auf wenigstens 3,5 % gesteigert worden ist. Damit wird es zum Ausgangsstoff der nuklearen Energiegewinnung im Kernkraftwerk. Plutonium entsteht dort als Beiprodukt, es kann erneut zu Brennelementen verarbeitet werden oder der Herstellung von nuklearen Sprengkörpern dienen.

Reinstmetalle

Eine Reihe von Metallen, die in höchster Reinheit von > 99,9999 % und in extrem dünnen Schichten als Verbindungshalbleiter in der Elektronik und Energieerzeugung (u. a. für Solarzellen) eingesetzt werden. Sie bestehen aus Verbindungen von Aluminium, Gallium und Indium (3. Hauptgruppe) mit Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon (5. Hauptgruppe des periodischen Systems). Germanium, bei dem China 75 % des Bedarfs deckt, ist für Fiberglaskabel nötig.

Technologiemetalle

Dieser Begriff wird zunehmend häufiger für Elemente verwendet, die im Bereich der sogenannten „Hochtechnologie“ (High-Tech) verwendet werden, insofern a priori die „Seltenerdmetalle“ umfassend. Man gebraucht ihn aber auch auf andere Einteilungen, wie „Edelmetalle“, „Sondermetalle“ ja selbst „Industriemetalle“ und „industriell genutzte Metalle“ übergreifend, sofern dort zuzuordnende Elemente im High-Tech-Bereich Anwendung finden.

Alchemie, ein Exkurs

Alchemie, auch Alchimie, oder (da aus dem Arabischen kommend) Alchymie, begann um 200 n. Chr. im griechischsprachigen Raum zum Beginn einer ernsthaften Beschäftigung mit der Natur chemischer Stoffe zu werden. Da wichtige metallurgische Techniken zu dieser Zeit bereits gut entwickelt waren, ist die Alchemie als ein Ableger, nicht als Begründer, der Metallurgie anzusehen. Die Vier-Elemente-Lehre des Empedokles (Feuer, Wasser, Erde, Luft), ebenso die aristotelische Theorie des Hylemorphismus, der möglichen Stoffumwandlung durch Entzug unedler Eigenschaften, mündeten in die Suche nach dem „Stein der Weisen“, dessen Besitz die Umwandlung unedler Metalle in Gold gewährleisten sollte. Gold war den Landesherren des ausgehenden Mittelalters und zu Beginn der neuen Zeit wichtig, denn es konnte Kriegskassen füllen, die der Machterweiterung dienten. Das historisch bekannteste Nebenprodukt alchemistischer Bemühungen war kein neues Metall, sondern 1708 die Wiedererfindung des, den Chinesen bereits seit 700 n. Chr. bekannten, weißen Hartporzellans durch J. F. Böttger, dem ursprünglich als Goldmacher verpflichteten Gehilfen des E. W. von Tschiernhaus. Bereits im 16. Jahrhundert leitete Paracelsus (1493–1541), im 17. Jahrhundert R. Boyle (1627–1692) und im 18. Jahrhundert A. L. de Lavoisier (1743–1794) die Alchemie in die wissenschaftliche Chemie über, die von da an in der Entwicklungsgeschichte der Metallurgie Bedeutung gewinnt.

Kupfer

Zwei Kriege und steigender technischer Fortschritt, dazu Bevölkerungswachstum in vielen Ländern und in deren Folge Knappheit an primärem Metall haben die sekundäre Erzeugung nicht nur mengenmäßig vorangetrieben, sie vielmehr der Primären qualitativ gleichwertig werden lassen. Besonders deutlich nicht nur bei Aluminium, sondern auch bei Kupfer, das unbegrenzt recycelbar ist, gleich welcher Art die Altstoffe sind und welchen Kupferanteil sie aufweisen. Die „Energiewende“ mit dem einhergehenden Bedarf an neuen Leitungsnetzen sowie die forcierte Elektromobilität werden den Bedarf an primärem wie recyceltem Kupfer weiter erhöhen. Die Recyclingquote für Europa lag im Jahr 2012 nahe 45 %, resp. realen 2,25 Millionen Tonnen

Aus einer „norddeutschen Kupferhütte“ ist eine beide Sparten betreibende europäische Werksgruppe entstanden, deren Aufgabenbereiche verzahnt sind. Wo eine sortenreine Trennung der Kupferschrotte fehlt und sich ein einfaches Umschmelzen, also direktes Recycling verbot, für das 2011 nach Erweiterungen eine Jahreskapazität von 350.000 t genannt wird, greift man 2017 mit an der Erzverarbeitung orientierten Möglichkeiten und neuen technischen Methoden ein. Es ist nicht länger normal, dass man zur Wiedergewinnung von Reinkupfer die Begleitelemente der Schrotte mittels Sauerstoffzufuhr „verbläst“, sie also oxidiert. um die entstandenen Oxide, sofern als wirtschaftlich wertvoll erachtet, durch Reduktion wieder zu reinen Metallen werden zu lassen, die dann, dem Primärmetall gleich, verwendet werden können. Dieser Prozess soll nun wirtschaftlich verbessert werden, um auch die steigende Nachfrage nach Kupferbegleitern zu befriedigen (dazu:).

Bei der elektrolytischen Kupferraffination fallen zusätzlich Anodenschlämme an, die noch Kupfer, Silber und Gold, auch Selen und Tellur enthalten, was mit „Edelmetallrückgewinnung“ bezeichnet wird. Da diese Schlämme ein Kuppelprodukt darstellen, kann man ihre Aufarbeitung entweder dem primären Prozess, oder aber dem Recycling zuordnen.

Aluminium

Die Bedeutung gezielter Forschung nach Optimierung des Recyclings bei Aluminium ergibt sich allein schon daraus, dass im Jahr 2008 laut Angaben des Gesamtverbandes der deutschen Aluminiumindustrie (GDA) von insgesamt in Deutschland hergestellten 1,3 Millionen Tonnen Aluminium nur noch 43 % auf Primäraluminium entfielen und 750.900 t auf Recyclingaluminium, wobei beide Zahlen keineswegs die Inlandsproduktion widerspiegeln, sondern von erheblichen Einfuhren gestützt werden. Angestoßen wurde diese Entwicklung durch die im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) steigenden Strompreise, die eine Primärerzeugung besonders in Deutschland zu einer auslaufenden Produktion werden lässt. Eine deutsche Firma, die sowohl Primärmetall erzeugt als auch recycelt und zudem in der Weiterverarbeitung tätig ist, nennt für das Geschäftsjahr 2011/12 eine Gesamtmenge von 500.000 t.

Auch andere Aluminiumerzeuger, insbesondere internationale, in der Primärerzeugung tätige Konzerne, betreiben bereits seit Jahren die Primär- und Sekundärerzeugung parallel und suchen damit einen gewissen Kostenausgleich. Das heißt, sie gewinnen nicht nur Rohaluminium aus der Elektrolyse, sondern stellen auch „Sekundärlegierungen“ aus eigenem Rücklaufmaterial und sortierten Abfällen und Schrotten her und bauen dazu schrittweise ein eigenes Netz von Recycling-Hütten auf.

Das Verhältnis der Verwendung von Primärmetall und recyceltem Metall wird sich vorerst noch weiter verschieben, da selbst mittelgroße Aluminiumgießereien ihren Produktionsabfall (vorwiegend Bearbeitungsspäne) nicht mehr in den Markt geben, sondern selbst umschmelzen. Späneschmelzöfen mit innovativem Rührwerk und Seitenkanalpumpe ermöglichen auch in dieser Größenordnung wirtschaftliches Recyceln im eigenen Haus.

Die Sekundärlegierungen sind heute qualitativ mit den Primären vergleichbar. Der auf ein Zwanzigstel reduzierte Energiebedarf bei der Gewinnung ist ein Faktor, der nicht nur ökonomisch, sondern auch ökologisch weltweit Beachtung findet. Dies gilt für die Verwertung prozessbedingt anfallenden Rücklaufmaterials, aber ebenso lassen sich Sammelschrotte, Abfälle und metallhaltige Krätzen im Drehtrommelofen eingeschmolzen, mit einem Zusatz von 50 % eines Salzgemischs aus Alkalichloriden und Flussspat, das als Flussmittel dient, wieder zu Sekundärmetall regenerieren. Hinsichtlich der anfallenden metallarmen, oxidhaltigen Salzschlacken war deren Deponierung ökologisch umstritten und auch wirtschaftlich unbefriedigend. Stand der Technik ist ein fast rückstandsfreies Vollrecyclingverfahren, dessen Bedeutung sich daraus ergibt, dass jede Tonne Sekundäraluminium zugleich den Anfall von 500 kg Salzschlacke bedingt. Der mit 450.000 Tonnen pro Jahr weltgrößte Salzschlackeaufbereiter Agor AG gibt den weltweiten, jährlichen Anfall an Salzschlacken mit 4,5 Millionen t an.

Einstige Umschmelzhütten können heute nicht nur Sekundärlegierungen in den Markt bringen, sondern auch aus sortenreinen Knetlegierungsabfällen Walzbarren in einer der primären Erzeugung gleichen Qualität gießen. Mit zugekauftem, primärem Reinaluminium stellen sie sogar Legierungen her, die als „Primärlegierungen“ bezeichnet werden dürfen. Deutsche und Österreichische Umschmelzbetriebe zeichnen sich besonders durch die Entwicklung einer duktilen AlMgSi-Gusslegierung aus.

Eine Schlüsselfunktion beim Recycling von Aluminium nehmen weltweit die Getränkedosen ein. In den USA kamen im Jahr 2009 deutlich mehr als die Hälfte der ausgegebenen Dosen zurück, angegeben werden 57,4 % oder annähernd 750.000 t Aluminium. Jedes weitere zurückgeführte Prozent entspricht ca. 15.000 t zusätzlichen Umschmelzaluminiums zu nur 5 % des für Neumetall erforderlichen Energieverbrauchs. Der Dosenrücklauf beträgt inzwischen 98 %. Im Juni 2014 lief in einem eigens zu diesem Zweck in Mitteldeutschland errichteten Werk die Produktion ausschließlich aus Dosenschrott gefertigter Walzbarren an. Mit einer Kapazität von 400.000 t jährlich, die im bereits bestehenden Walzwerk weiterverarbeitet werden, will man zum weltgrößten Recyclingzentrum für Aluminium werden.

Eine die Verarbeitung von Dosenschrotten einschließende Aufgabe stellt sich unter dem Thema der Verarbeitung von Verbund- und organisch kontaminierten Schrotten. Die Entwicklung hin zu exothermen, Wärme erzeugenden Prozessen anstelle endothermer, Wärme verbrauchender würde die Energiebilanz erheblich verbessern.

Stahl

In der Stahlerzeugung findet das Recycling von Schrotten heute überwiegend im Elektrolichtbogenofen statt. Der Anteil von Recyclingstahl an der Gesamtrohstahlerzeugung wird 2011 mit 45 % angegeben. Ein Siemens-Verfahren verspricht Senkung des Stromverbrauchs und Verringerung des Kohlendioxidausstoßes durch Bildung und Nutzung einer automatisch gesteuerten Schaumschlackenbildung.

Die Wiederverwertung der anfallenden Elektroofenstäube stellt seit gut dreißig Jahren besondere Aufgaben. Der lange als erreichbares Optimum angesehene Wälz-Drehrohrprozess muss sich dem Vergleich mit dem Drehherdofen stellen.

Die bei der Stahlerzeugung anfallenden Schlacken unterliegen allein schon wegen des Mengenanfalls von jeher wirtschaftlicher Betrachtung, wobei zwischen der Verwertung der entmetallisierten Schlacke und den Methoden der Entmetallisierung zu unterscheiden ist. Der trockenen Aufbereitung metallhaltiger Schlacken wird der Vorzug gegeben. Die nach Abtrennung aller metallischen Anteile verbleibenden Fraktionen finden verbreitet in der Baustoffindustrie Verwendung.

Zink, Blei und weitere recycelbare Metalle

Rohzink wird sowohl aus oxidischen Lichtbogenofenstäuben, Endschlämmen aus hydrometallurgischer Verarbeitung, als auch jeder Art zinkhaltiger Sekundärmaterialien, wie verzinktem Schrott, zurückgewonnen. Zinkschrotte mit dem Hauptbestandteil Zink können wieder zu einer Zinklegierung aufgearbeitet werden. Fällt verzinkter Eisenschrott an, wird dessen Zinküberzug durch Erhitzen bis jenseits der Verdampfungstemperatur des Zinks (907 °C) freigesetzt. Das verdampfte Zink wird wie beim trockenen Weg der Zinkgewinnung durch Abkühlung als Rohzink niedergeschlagen. Der Zinkdampf kann aber auch durch Einblasen von Sauerstoff zu Zinkoxid werden und dieses als „Zinkgrau“ und „Zinkweiß“ entweder zur Grundlage von Anstrichen (Malerfarben) dienen, oder im nassen Weg zu Zinksulfat gewandelt in die Elektrolyse gehen und diese als Feinzink verlassen.

Die „Ausmelt-Technology“ erlaubt die Rückgewinnung nicht allein von Zink aus bisher kaum recycelbaren Rückständen und Abfällen, indem man diese verdampft und die Metalle dann aus dem Dampf kondensiert.

Ein im Gleichlauf mit der weltweit zunehmenden Motorisierung wachsender Industriezweig ist die Wiederaufarbeitung von Bleiakkus, die in Automobilen als Starterbatterien Energielieferer und -speicher zugleich sind. „Altakkus“ fallen daher in großen Mengen an und müssen auf Grund internationaler Gesetzgebung im Lande und unter Beachtung zahlreicher Mensch und Umwelt schützender Auflagen dem Recyclingprozess unterzogen werden. Er beginnt mit einer Vorbehandlung, mittels derer die Altbatterien von schwefelhaltigen Resten und Ablagerungen, wie dem ebenfalls recycelbaren Bleischlamm befreit werden.

Aus den eingeschmolzenen und raffinierten Altakkumulatoren wird Sekundärblei, das mengenmäßig bereits die Primärerzeugung übertrifft. Die Gehäuse aus hochwertigem Polypropylen werden geschreddert. Die anfallenden Chips – mit weiteren PP-Zusätzen – gehen vornehmlich an die Automobilindustrie, die wieder Kunststoffteile daraus fertigt. Hinderlich im Recyclingprozess erweist sich, bei steigendem Anfall schwefelhaltiger Altbatterien, das bei der Entschwefelung mittels Natriumsalzen anfallende und zunehmend schwerer zu vermarktende Natriumsulfat. Ein modernes Verfahren verwendet Ammoniumsalze und erhält als Endstufe der Raffination das als Düngemittel (Fertilizer) gesuchte Ammoniumsulfat.

Gleichlaufend mit dem zunehmenden Anfall an Altakkus, wie auch an nicht wieder aufladbaren Batterien, gewinnt die Wiedergewinnung des Zinkanteils zunehmend Bedeutung. Der für die Aufarbeitung von Alt-Akkus bereits eingeführte DK-Hochofenprozess ermöglicht nun aus Altbatterien aller Art, über eine nachgeschaltete Behandlung seiner Abgase, die Separierung von Zink in Form von Zinkkonzentrat.

Qualitativ wird aus dem Altblei der Batterien zuerst Sekundär- oder Werkblei, das durch Seigerungstechnik oder Elektrolyse weiter raffiniert und neu legiert wird. Über Bleiglätte (PbO) gelangt man zu den (giftigen) Farben basisches Bleicarbonat und Bleitetraoxid. Der Stand der Technik ermöglicht inzwischen die fast hundertprozentige Recyclierbarkeit aller Teile und Inhalte solcher Batterien.

Blei sowie Zink finden sich auch als Oxide in den die Flugstäube aufnehmenden Walzschlacken von Stahlwerken. Die Möglichkeit einer chlorierenden Entfernung des Bleianteils aus den Oxiden wird untersucht.

Sollte die Lithium-Ionen-Batterie als Antrieb von Straßenfahrzeugen ihren derzeitigen Nachteil zu geringer Leistung für die Weitstreckenfahrt überwinden, wird sich eine völlig andersgeartete Recyclingaufgabe stellen, nämlich die Wiedergewinnung des Lithiums aus lithiumhaltigen Batterieschlacken.

Komplexer als die Aufarbeitung von üblichen Kfz-Batterien und Gegenstand ständiger Forschung ist die Aufarbeitung von sogenanntem „Elektroschrott“, der nicht nur Personalcomputer erfasst, sondern auch tragbare Telefone, elektrisch betriebene und steuerbare Haushaltgeräte, Rundfunk- und Röhrenfernsehempfänger, ferner Gerätebatterien wegen ihrer Gehalten an Lithium, Nickel, Cadmium, Edelmetallen, und seltenen Erdmetallen. Je nach System können diese Batterien einen Inhalt an metallischen Wertstoffen von 35 bis 85 % aufweisen. Einer in der Fach- wie Wirtschaftspresse veröffentlichten Information zufolge wird die Entwicklung von Silber-Zink-Akkus vorangetrieben, da sie im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien vollständig und zudem relativ leicht recycelbar seien.

Gegenstand aktueller Forschung ist ebenso das bisher nur mit Einzelbezug erschlossene Gebiet der Aufarbeitung wertvoller Schrotte aus Refraktärmetallen mittels oxidierender Salzschmelzen, besonders von Wolfram aus dem Rücklauf von Wolframcarbid. Zur Gewinnung von Molybdänoxyd und einigen oxidischen Begleitelementen aus gebrauchten Katalysatoren, wie sie in petrochemischen Verfahren eingesetzt werden, hat 2012 eine erste hydrometallurgisch arbeitende Anlage mit einer Jahreskapazität von 500 t Molybdänoxid den Betrieb aufgenommen.

Die progrediente Entwicklung bei dem Elektroschrott zuzuordnenden, die Bildröhren verdrängenden Flachbildschirmen initiiert einen besonderen Zweig der Forschung, der sich mit der Rückgewinnung von Indium in Form eines Indiumzinnoxids befasst.

Dies gilt auch für seit 1990 laufende, ständig verfeinerte, praxisnahe Untersuchungen zum „NE-Metallpotenzial in Rostaschen von Müllverbrennungsanlagen“, es wird für 2009 auf wenigstens 85.000 Jato geschätzt.

Bei Seltenerdmetallen bedingt eine das Angebot zunehmend überschreitende Nachfrage eine Steigerung der bisher nur geringen Recyclingquote. Ein Forschungsauftrag hat sich sogar die Rückgewinnung aus Prozesswässern der Metall- und Bergbauindustrie zum Ziel gesetzt.