Adattato dalla 3a edizione, Enciclopedia della salute e sicurezza sul lavoro.
Nella produzione e raffinazione dei metalli, i componenti di valore vengono separati da materiale privo di valore in una serie di diverse reazioni fisiche e chimiche. Il prodotto finale è un metallo contenente quantità controllate di impurità. La fusione e raffinazione primaria produce metalli direttamente dai concentrati di minerale, mentre la fusione e raffinazione secondaria produce metalli da rottami e rifiuti di processo. I rottami includono pezzi e pezzi di parti metalliche, barre, torniture, lamiere e fili che sono fuori specifica o usurati ma possono essere riciclati (vedere l'articolo "Recupero metalli" in questo capitolo).
Panoramica dei processi
Due tecnologie di recupero del metallo sono generalmente utilizzate per produrre metalli raffinati, pirometallurgico ed idrometallurgico. I processi pirometallurgici utilizzano il calore per separare i metalli desiderati da altri materiali. Questi processi utilizzano differenze tra potenziali di ossidazione, punti di fusione, tensioni di vapore, densità e/o miscibilità dei componenti del minerale quando vengono fusi. Le tecnologie idrometallurgiche differiscono dai processi pirometallurgici in quanto i metalli desiderati vengono separati da altri materiali utilizzando tecniche che sfruttano le differenze tra le solubilità costituenti e/o le proprietà elettrochimiche mentre si trovano in soluzioni acquose.
pyrometallurgy
Durante la lavorazione pirometallica, un minerale, dopo essere stato beneficiato (concentrato mediante frantumazione, macinazione, flottazione ed essiccazione), viene sinterizzato o arrostito (calcinato) con altri materiali come polvere di filtri e fondente. Il concentrato viene quindi fuso, o fuso, in un altoforno per fondere i metalli desiderati in un lingotto fuso impuro. Questo lingotto viene quindi sottoposto a un terzo processo pirometallico per raffinare il metallo fino al livello di purezza desiderato. Ogni volta che il minerale o il lingotto viene riscaldato, vengono creati materiali di scarto. La polvere dei gas di ventilazione e di processo può essere catturata in un filtro a maniche e smaltita o restituita al processo, a seconda del contenuto di metallo residuo. Anche lo zolfo nel gas viene catturato e quando le concentrazioni sono superiori al 4% può essere trasformato in acido solforico. A seconda dell'origine del minerale e del suo contenuto di metalli residui, possono essere prodotti anche vari metalli come oro e argento come sottoprodotti.
La tostatura è un importante processo pirometallurgico. La torrefazione per solfatazione viene utilizzata nella produzione di cobalto e zinco. Il suo scopo è quello di separare i metalli in modo che possano essere trasformati in una forma idrosolubile per ulteriori lavorazioni idrometallurgiche.
La fusione di minerali solforati produce un concentrato di metallo parzialmente ossidato (opaco). Nella fusione, il materiale privo di valore, solitamente ferro, forma una scoria con materiale fondente e viene convertito nell'ossido. I metalli preziosi acquistano la forma metallica nella fase di trasformazione, che avviene nei forni di trasformazione. Questo metodo è utilizzato nella produzione di rame e nichel. Ferro, ferrocromo, piombo, magnesio e composti ferrosi sono prodotti mediante riduzione del minerale con carbone e un flusso (calcare), il processo di fusione avviene solitamente in un forno elettrico. (Vedi anche il Industria siderurgica capitolo.) L'elettrolisi del sale fuso, utilizzata nella produzione di alluminio, è un altro esempio di processo pirometallurgico.
L'elevata temperatura necessaria per il trattamento pirometallurgico dei metalli è ottenuta bruciando combustibili fossili o sfruttando la reazione esotermica del minerale stesso (ad esempio, nel processo di flash smelting). Il processo di fusione rapida è un esempio di processo pirometallurgico a risparmio energetico in cui il ferro e lo zolfo del concentrato di minerale vengono ossidati. La reazione esotermica unita a un sistema di recupero del calore consente di risparmiare molta energia per la fusione. L'alto recupero di zolfo del processo è vantaggioso anche per la protezione dell'ambiente. La maggior parte delle fonderie di rame e nichel di recente costruzione utilizza questo processo.
hydrometallurgy
Esempi di processi idrometallurgici sono la lisciviazione, la precipitazione, la riduzione elettrolitica, lo scambio ionico, la separazione della membrana e l'estrazione con solvente. La prima fase dei processi idrometallurgici è la lisciviazione di metalli preziosi da materiale meno prezioso, ad esempio con acido solforico. La lisciviazione è spesso preceduta da un pretrattamento (ad es. torrefazione per solfatazione). Il processo di lisciviazione richiede spesso alta pressione, aggiunta di ossigeno o alte temperature. La lisciviazione può essere effettuata anche con l'elettricità. Dalla soluzione di lisciviazione il metallo desiderato o il suo composto viene recuperato mediante precipitazione o riduzione con metodi diversi. La riduzione viene effettuata, ad esempio, nella produzione di cobalto e nichel con gas.
Anche l'elettrolisi dei metalli in soluzioni acquose è considerata un processo idrometallurgico. Nel processo di elettrolisi lo ione metallico viene ridotto al metallo. Il metallo si trova in una soluzione acida debole da cui precipita sui catodi sotto l'influenza di una corrente elettrica. La maggior parte dei metalli non ferrosi può anche essere raffinata mediante elettrolisi.
Spesso i processi metallurgici sono una combinazione di processi piro e idrometallurgici, a seconda del concentrato di minerale da trattare e del tipo di metallo da raffinare. Un esempio è la produzione di nichel.
Pericoli e loro prevenzione
La prevenzione dei rischi per la salute e degli infortuni nell'industria metallurgica è principalmente una questione educativa e tecnica. Le visite mediche sono secondarie e hanno solo un ruolo complementare nella prevenzione dei rischi per la salute. Un armonioso scambio di informazioni e la collaborazione tra i dipartimenti di pianificazione, linea, sicurezza e salute sul lavoro all'interno dell'azienda danno il risultato più efficiente nella prevenzione dei rischi per la salute.
Le misure preventive migliori e meno costose sono quelle adottate nella fase di progettazione di un nuovo impianto o processo. Nella progettazione di nuovi impianti di produzione, dovrebbero essere presi in considerazione almeno i seguenti aspetti:
- Le potenziali fonti di contaminanti dell'aria devono essere racchiuse e isolate.
- La progettazione e il posizionamento delle apparecchiature di processo dovrebbero consentire un facile accesso per scopi di manutenzione.
- Le aree in cui può verificarsi un pericolo improvviso e imprevisto devono essere monitorate continuamente. Dovrebbero essere inclusi avvisi di avvertimento adeguati. Ad esempio, le aree in cui potrebbe essere possibile l'esposizione all'arsina o all'acido cianidrico dovrebbero essere sottoposte a monitoraggio continuo.
- L'aggiunta e la manipolazione di prodotti chimici di processo velenosi devono essere pianificate in modo da evitare la manipolazione manuale.
- Per valutare la reale esposizione del singolo lavoratore, ove possibile, dovrebbero essere utilizzati dispositivi di campionamento per l'igiene personale sul lavoro. Il monitoraggio fisso regolare di gas, polveri e rumore fornisce una panoramica dell'esposizione ma ha solo un ruolo complementare nella valutazione della dose di esposizione.
- Nella pianificazione dello spazio, i requisiti di modifiche o estensioni future del processo dovrebbero essere presi in considerazione in modo che gli standard di igiene professionale dell'impianto non peggiorino.
- Dovrebbe esserci un sistema continuo di formazione e istruzione per il personale addetto alla sicurezza e alla salute, nonché per i capisquadra e gli operai. I nuovi lavoratori, in particolare, dovrebbero essere informati a fondo sui potenziali rischi per la salute e su come prevenirli nei propri ambienti di lavoro. Inoltre, la formazione dovrebbe essere effettuata ogni volta che viene introdotto un nuovo processo.
- Le pratiche di lavoro sono importanti. Ad esempio, una scarsa igiene personale dovuta a mangiare e fumare sul posto di lavoro può aumentare considerevolmente l'esposizione personale.
- La direzione dovrebbe disporre di un sistema di monitoraggio della salute e della sicurezza che produca dati adeguati per il processo decisionale tecnico ed economico.
Di seguito sono riportati alcuni dei rischi e delle precauzioni specifici che si trovano nella fusione e nella raffinazione.
Infortuni
L'industria della fusione e della raffinazione ha un tasso di infortuni più elevato rispetto alla maggior parte delle altre industrie. Le fonti di queste lesioni includono: schizzi e fuoriuscite di metallo fuso e scorie con conseguenti ustioni; esplosioni di gas ed esplosioni dovute al contatto del metallo fuso con l'acqua; collisioni con locomotive in movimento, vagoni, carroponti e altre attrezzature mobili; cadute di oggetti pesanti; cadute dall'alto (p. es., durante l'accesso alla cabina di una gru); e lesioni da scivolamento e inciampo dovute all'ostruzione di pavimenti e passaggi.
Le precauzioni includono: formazione adeguata, dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati (ad es. elmetti, scarpe antinfortunistiche, guanti da lavoro e indumenti protettivi); buona conservazione, pulizia e manutenzione delle attrezzature; regole del traffico per le attrezzature in movimento (compresi percorsi definiti e un efficace sistema di segnalazione e allarme); e un programma di protezione anticaduta.
calore
Le malattie da stress da calore come il colpo di calore sono un pericolo comune, principalmente a causa della radiazione infrarossa delle fornaci e del metallo fuso. Questo è particolarmente un problema quando si deve svolgere un lavoro faticoso in ambienti caldi.
La prevenzione delle malattie da calore può comportare schermi d'acqua o cortine d'aria davanti alle fornaci, raffreddamento localizzato, cabine climatizzate chiuse, indumenti protettivi contro il calore e tute raffreddate ad aria, che consentano un tempo sufficiente per l'acclimatazione, pause di lavoro in aree fresche e una fornitura adeguata di bevande per il consumo frequente.
Rischi chimici
L'esposizione a un'ampia varietà di polveri, fumi, gas e altre sostanze chimiche pericolose può verificarsi durante le operazioni di fusione e raffinazione. La frantumazione e la macinazione del minerale, in particolare, può comportare un'elevata esposizione a silice e polveri metalliche tossiche (ad es. contenenti piombo, arsenico e cadmio). Ci possono essere anche esposizioni alla polvere durante le operazioni di manutenzione del forno. Durante le operazioni di fusione, i fumi metallici possono rappresentare un grosso problema.
Le emissioni di polvere e fumi possono essere controllate mediante recinzione, automazione dei processi, ventilazione di scarico locale e di diluizione, bagnatura dei materiali, manipolazione ridotta dei materiali e altri cambiamenti di processo. Se questi non sono adeguati, sarebbe necessaria una protezione respiratoria.
Molte operazioni di fusione comportano la produzione di grandi quantità di anidride solforosa dai minerali di solfuro e monossido di carbonio dai processi di combustione. La diluizione e la ventilazione di scarico locale (LEV) sono essenziali.
L'acido solforico viene prodotto come sottoprodotto delle operazioni di fusione e viene utilizzato nella raffinazione elettrolitica e nella lisciviazione dei metalli. L'esposizione può avvenire sia al liquido che a nebbie di acido solforico. Sono necessari protezione della pelle e degli occhi e LEV.
La fusione e la raffinazione di alcuni metalli possono comportare rischi particolari. Gli esempi includono il nichel carbonile nella raffinazione del nichel, i fluoruri nella fusione dell'alluminio, l'arsenico nella fusione e raffinazione del rame e del piombo e l'esposizione al mercurio e al cianuro durante la raffinazione dell'oro. Questi processi richiedono le proprie precauzioni speciali.
Altri pericoli
L'abbagliamento e la radiazione infrarossa delle fornaci e del metallo fuso possono causare danni agli occhi, inclusa la cataratta. Devono essere indossati occhiali e visiere adeguati. Alti livelli di radiazione infrarossa possono anche causare ustioni cutanee a meno che non si indossino indumenti protettivi.
Elevati livelli di rumore dovuti alla frantumazione e alla macinazione del minerale, soffiatori a gas e forni elettrici ad alta potenza possono causare la perdita dell'udito. Se la fonte del rumore non può essere racchiusa o isolata, è necessario indossare protezioni acustiche. Dovrebbe essere istituito un programma di conservazione dell'udito che includa test audiometrici e formazione.
Durante i processi elettrolitici possono verificarsi pericoli elettrici. Le precauzioni includono una corretta manutenzione elettrica con procedure di lockout/tagout; guanti, abbigliamento e utensili isolanti; e interruttori di circuito di guasto a terra dove necessario.
Il sollevamento e la movimentazione manuale dei materiali può causare lesioni alla schiena e agli arti superiori. Gli ausili meccanici per il sollevamento e un'adeguata formazione sui metodi di sollevamento possono ridurre questo problema.
Inquinamento e protezione dell'ambiente
Le emissioni di gas irritanti e corrosivi come l'anidride solforosa, l'acido solfidrico e l'acido cloridrico possono contribuire all'inquinamento atmosferico e causare la corrosione dei metalli e del calcestruzzo all'interno dell'impianto e nell'ambiente circostante. La tolleranza della vegetazione all'anidride solforosa varia a seconda del tipo di foresta e di suolo. In generale, gli alberi sempreverdi tollerano concentrazioni inferiori di anidride solforosa rispetto a quelli decidui. Le emissioni di particolato possono contenere particolato non specifico, fluoruri, piombo, arsenico, cadmio e molti altri metalli tossici. L'effluente delle acque reflue può contenere una varietà di metalli tossici, acido solforico e altre impurità. I rifiuti solidi possono essere contaminati da arsenico, piombo, solfuri di ferro, silice e altri inquinanti.
La gestione della fonderia dovrebbe includere la valutazione e il controllo delle emissioni dall'impianto. Questo è un lavoro specializzato che dovrebbe essere svolto solo da personale che abbia una profonda conoscenza delle proprietà chimiche e della tossicità dei materiali scaricati dai processi dell'impianto. Lo stato fisico del materiale, la temperatura alla quale lascia il processo, altri materiali nel flusso di gas e altri fattori devono essere considerati quando si pianificano misure per controllare l'inquinamento atmosferico. E' anche auspicabile mantenere una stazione meteorologica, tenere registrazioni meteorologiche ed essere pronti a ridurre la produzione quando le condizioni meteorologiche sono sfavorevoli per la dispersione degli effluenti del camino. Le visite sul campo sono necessarie per osservare l'effetto dell'inquinamento atmosferico sulle aree residenziali e agricole.
L'anidride solforosa, uno dei maggiori contaminanti, viene recuperata come acido solforico quando presente in quantità sufficiente. Altrimenti, per soddisfare gli standard di emissione, l'anidride solforosa e altri rifiuti gassosi pericolosi vengono controllati mediante lavaggio. Le emissioni di particolato sono comunemente controllate da filtri in tessuto e precipitatori elettrostatici.
Grandi quantità di acqua vengono utilizzate nei processi di flottazione come la concentrazione di rame. La maggior parte di quest'acqua viene riciclata nel processo. I residui del processo di flottazione vengono pompati come liquami negli stagni di sedimentazione. L'acqua viene riciclata durante il processo. L'acqua di processo contenente metalli e l'acqua piovana vengono pulite in impianti di trattamento delle acque prima dello scarico o del riciclaggio.
I rifiuti in fase solida comprendono le scorie della fusione, i fanghi di spurgo dalla conversione dell'anidride solforosa in acido solforico ei fanghi provenienti dai depositi superficiali (ad esempio, bacini di sedimentazione). Alcune scorie possono essere riconcentrate e restituite alle fonderie per la rilavorazione o il recupero di altri metalli presenti. Molti di questi rifiuti in fase solida sono rifiuti pericolosi che devono essere stoccati secondo le normative ambientali.