Лекция 10. Особенности производства цветных металлов

Получение меди. Медные руды бедные, содержат не более 5–6% меди,

поэтому рентабельной считается руда, содержащая 1–2% меди. Основные мед-

ные руды: сульфидные (медный колчедан – халькопирит СuFeS2; халькозин–

медный блеск CuS) и окисленные (куприт Cu2O; CuO) и некоторые другие.

Процесс получения меди складывается из следующих этапов:

• Обогащение руды путем флотации, основанной на смачиваемости водой

породы и несмачиваемости частиц, содержащих медь. В результате получается

медный концентрат, содержащий до 30% меди.

• Обжиг концентрата в пламенных или электрических печах при темпера-

туре 1200–1300°С (плавка на штейн).

Штейн – сплав сульфидов меди Cu2S и железа FeS с содержанием меди до 60%.

• Продувка штейна в конвертере воздухом для окисления сульфидов меди

и железа, перевода образующихся оксидов в шлак, а серы в SO2 (газ).

В результате получают черновую медь, содержащую 98–99% меди и небольшое

количество золота, серебра, цинка, свинца, теллура, селена и др. Одновременно

из отходящих газов извлекают серу.

• Огневое и электролитическое рафинирование с попутным извлечением

золота, серебра, теллура, селена и пр.

Электролитическим рафинированием получают медь чистотой 99,90–

99,99% (марки Ml, М0 и М00), огневым рафинированием чистотой 99,0– 99,5

(марки М2, М3, М4).

Получение алюминия. Алюминий по распространению в природе зани-

мает третье место после кислорода и кремния, а среди металлов – первое

(в земной коре примерно 7,5 % алюминия). Для получения алюминия необхо-

димо значительное количество электроэнергии, поэтому его массовое произ-

водство стало возможным, когда появились дешевые источники электроэнер-

гии (ГЭС). В начале прошлого века алюминий ценился дороже золота. Первый

алюминиевый завод в нашей стране был пущен в 1932 г. на базе Волховской

ГЭС.

Рудами алюминия являются породы, богатые глиноземом А12О3 и зале-

гающие крупными массами. Важнейшая руда – бокситы– состоит из гидратов

оксидов алюминия и железа, кремнезема, соединений кальция, магния и др.

Производство алюминия слагается из трех основных процессов:

• Получение глинозема щелочным способом: бокситы обрабатывают ще-

лочью NaOH, фильтруют, обезвоживают обжигом при температуре

1100–1200°С. Одновременно получают криолит Na3AlF6 из плавикового шпата;

его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

• Электролиз глинозема в расплавленном криолите при температуре 930–

3970°С в ванне из углеродистого материала. Катодом служит расплавленный

алюминий слоем 200–300 мм на дне ванны, анодом – углеродистые блоки, по-

груженные в электролит. Процесс идет на постоянном токе напряжением 68

4–4,5 вольта и силой тока 70–140 тысяч ампер. Алюминий собирается на дне

ванны и периодически извлекается; на дне ванны оставляют немного алюминия

(катод). В результате электролиза получается алюминий – сырец, содержащий

примеси и газы.

• Рафинирование первичного алюминия производят:

а) продувкой хлора через расплав алюминия в закрытом ковше. Обра-

зующийся парообразный хлористый алюминий обволакивает частички приме-

сей, которые всплывают и их удаляют. Для выделения газов из металла его вы-

держивают 30–45 мин. при температуре 690–730°С. Чистота алюминия состав-

ляет 99,5–99,85 %;

б) для получения алюминия высокой чистоты (электротехнического)

применяют электролитическое рафинирование (электролит – раствор хлори-

стых и фтористых солей; катод – пластины чистого алюминия). Можно полу-

чить алюминий чистотой 99,999 %. Расход электроэнергии составляет

17–19 кВт-ч на 1 кг алюминия.

Производство магния. Подобно алюминию магний получают электроли-

зом из его расплавленных солей.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl2–

KCl–6H20), магнезит (MgCO3), доломит (CaC03–MgCO3), бишофит (MgCl2–

6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала кар-

наллит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2–KCl) ис-

пользуют для приготовления электролита.

Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным

кирпичом. Анодами служат графитовые пластины. Электролизер заполняют

расплавленным электролитом состава: 10% MgCl2, 45% СаС12, 30% NaCl,

15% КС1 с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необ-

ходим для понижения температуры его плавления [(720±10)°С]. Для электроли-

тического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В

результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния

движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя ка-

пельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем

электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически

удаляют вакуумным ковшом.

Черновой магний содержит 5 % примесей, поэтому его рафинируют пе-

реплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl2,

КС1, ВаС12, CaF2, NaCl, СаС12, нагревают в электропечи до температуры 700 –

750°С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак.

После этого печь охлаждают до температуры 670 °С, и магний разливают в из-

ложницы на чушки.

Производство титана. Сырьем для получения титана являются титано-

магнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовып концентрат, содер-

жащий 40-45 % TiO2, ~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5–7 % пустой породы. Название

этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита

FeO–TiO2.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антраци-

том в рудотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.

Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды

титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Ос-

новной продукт этого процесса – титановый шлак содержит 80–90 % ТiO2,

2–5 % FeO и примеси - SiO2, А12О3, СаО и др. Побочный продукт этого процес-

са – чугун – используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных

печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся

при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты тита-

нового шлака, а через фурмы внутрь печи – хлор. При температуре 800–1250°С

в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды

CaCl2 MgCl2 и другие:

TiO2 + 2С + 2С12 = TiCl4 + 2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов

благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректифика-

ции в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при

температуре 950–1000 °С. В реактор загружают чушковый магний; после от-

качки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают паро-

образным четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлори-

стым титаном происходит реакция:

2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу– губку, а жидкий

MgCl2 выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35– 40% магния

и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагре-

вают до температуры 900–950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в

печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей.

Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавля-

ют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана состав-

ляет 99,6– 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработ-

ки давлением.

Производство меди. Железо и его сплавы – чугун и сталь – называют

черными металлами. Все остальные металлы относятся к категории цветных, в

том числе и благородные металлы – золото, серебро, платина.

Разнообразие цветных металлов и обусловило разные методы их получе-

ния.

Как и черные металлы, цветные получают из рудного концентрата – пред-

варительно обогащенной руды. Но здесь процесс обогащения сложнее, по-

скольку многие руды являются полиметаллическими и содержат массу сопут-

ствующих как ценных элементов, так и вредных примесей. Например, среднее

содержание меди в рудах составляет всего 1 – 2 %.

Сложность получения цветных металлов хорошо видна на примере меди.

Извлечение меди из руд производится двумя способами:

гидрометаллургическим и пирометаллургическим. Более широкое применение

получил пирометаллургический способ, включающий следующие операции:

– обогащение руд с получением концентрата;

– обжиг концентрата;

– плавку на медный штейн-сплав;

– получение черновой меди;

– рафинирование.

После обогащения рудные концентраты подвергают обжигу для частично-

го удаления (до 50 %) серы. Руда, прошедшая обжиг, направляется на даль-

нейшую переработку, а образовавшийся сернистый газ SО2 используется для

производства серной кислоты.

Плавка на штейн проводится в отражательных пламенных печах и элек-

тропечах, в их рабочем пространстве развивается температура до 1600 ºС. На

поддоне печи постепенно скапливаются жидкие продукты плавки: шлак и

штейн-сплав, состоящий, в основном, из сульфидов меди и железа, а также не-

большого количества примесей. Штейн по мере накопления выпускают в ковш.

В расплавленном состоянии штейн подают в конвертер для переработки в чер-

новую медь. На поверхность штейна загружают кварцевый песок для шлакова-

ния при продувке воздухом оксидов железа. Образовавшийся шлак сливают и

направляют на повторную переработку в отражательные печи для извлечения

меди. Оставшийся штейн приобретает белый цвет и состоит в основном из

сульфидов меди. Содержание меди в белом штейне составляет около 80 %. По-

сле чего расплавленный белый штейн продувают воздухом и получают черно-

вую медь, которая содержит до 2 % примесей железа, серы, цинка, никеля,

свинца и др. Ее разливают в слитки и отправляют на рафинирование.

Рафинирование черновой меди проводят огневым и электролитическим

способами.

При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенные печи

и после расплавления продувают воздухом с целью окисления меди и раство-

ренных в ней примесей. Образовавшиеся оксиды примесей нерастворимы в ме-

ди и удаляются в шлак. Затем металл раскисляют и перемешивают природным

газом для удаления растворенных в нем газов.

После огненного рафинирования расплав содержит 99,5 – 99,7 % меди.

Полученную медь разливают в слитки или анодные пластины для электролити-

ческого рафинирования.

Электролиз меди проводят в ваннах, футерованными кислотостойкими ма-

териалами, например, листовым свинцом, асфальтом, керамическими плитами.

Электролитом служит15 %-ный раствор медного купороса в серной кислоте. В

электролит погружают анодные пластины черновой меди и катоды, представ-

ляющие собой тонкие листы из чистой электролитической меди. При включе-

нии постоянного тока происходит растворение металла анодов, а на катоде

происходит осаждение металлической меди. Электролитическая медь имеет

более высокую чистоту от примесей и содержит до 99,98 % Сu. 71

Катодную медь переплавляют в плавильных печах, разливают в слитки и

отправляют для проката на лист, трубы и проволоку, а также для выплавки

сплавов меди – латуней и бронз.

Производство алюминия. Алюминий является самым распространенным

металлом в земной коре. Он преимущественно встречается в виде соединений с

кислородом и кремнием – алюмосиликатов. Для получения алюминия исполь-

зуют руды, богатые глиноземом А12О3 (бокситы). Технологический процесс

производства алюминия состоит из этапов:

– извлечение глинозема из алюминиевых руд;

–электролиз расплавленного глинозема с получением первичного алюминия;

– рафинирование.

Алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплав-

ленном криолите. Криолит образуется в результате взаимодействия плавиковой

кислоты с гидроксидом алюминия с последующей нейтрализацией содой.

Электролиз осуществляют в алюминиевой ванне – электролизере (рис. 9).

Ванна имеет стальной кожух, стены и подину которой изготовляют из уголь-

ных блоков, теплоизолированных шамотным кирпичом. Угольный корпус ван-

ны является катодом электролизера. Анодами служат угольные электроды, вер-

тикально погруженные в расплав. Электролит нагревается до рабочей темпера-

туры протекающим током. Глинозем, расходуемый в процессе электролиза, пе-

риодически загружается в ванну сверху. Жидкий алюминий скапливается на

подине электролизера и периодически удаляется с помощью специальных ков-

шей.

Первичный алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен

примесями, неметаллическими включениями, а также газами (преимуществен-

но водородом). Для очистки алюминия его подвергают рафинированию. Наи-

более чистый алюминий получают электролитическим рафинированием с чис-

тотой до 99,996 %, который потребляется электрической, химической и пище-

вой промышленностью.

Рис.9 . Схема электролиза для производства алюминия:

1 – катодные угольные блоки; 2 – огнеупорная футеровка;3 – стальной кожух; 4 – угольные

плиты; 5 – жидкий алюминий; 6 – металлические стержни с шинами; 7 – угольный анод;

8 – глинозем; 9 – жидкий электролит; 10 – корка затвердевшего электролита;

11 – катодная токоподводящая шина; 12 – фундамент

Производство магния. Сырьем для производства магния являются магне-

зит, доломит и карналлит.

Существуют два способа получения металлического магния: термический

и электролитический.

Более распространен электролитический способ производства металличе-

ского магния. Он состоит из двух основных процессов: получения хлористого

магния из исходного сырья и его электролиза.

Хлористый магний получают обжигом магнезита или доломита и хлориро-

ванием образовавшегося оксида магния при 800 – 900 °С в присутствии восста-

новителя (углерода). Электролиз расплавленного хлорида магния производится

в электролизерах.

Как и при электролизе глинозема, электрический ток, проходя через элек-

тролит, нагревает его и осуществляет электрохимический процесс. Плотность

магния меньше плотности электролита, поэтому магний всплывает и скаплива-

ется на поверхности ванны. Расплавленный магний периодически удаляют с

помощью специальных ковшей.

После электролиза магний подвергают рафинированию, которое осущест-

вляют переплавкой в тигельных печах с флюсами. Рафинированный металл, со-

держащий не менее 99,9 % магния, разливается в чушки. При разливке струя

магния предохраняется от соприкосновения с воздухом путем опыления по-

рошком серы.

Производство титана. Из-за высокого сродства к кислороду прямое вос-

становление титана из его оксидов представляет большие трудности.

Процесс получения технического титана состоит из:

–обогащения руды и получения диоксида титана;

–получения четыреххлористого титана;

– восстановления титана и получения титановой губки;

– переплавки титановой губки в слитки.

Основными исходными рудами для производства титана являются ильме-

нит и рутил. Перед переработкой руды обогащают обычными методами (фло-

тацией, магнитной сепарацией и др.).

Восстановление титана производят обычно с помощью магния в специаль-

ных реакторах. Восстановленный титан выделяется на стенках реактора в виде

губчатой массы, пропитанной хлористым магнием и магнием.

Для рафинирования губчатой массы ее вакууммируют при температуре

900 – 950 °С и проводят отгонку паров примесей магния и хлористого магния.

После охлаждения извлекают титановую губку.

Переплав титановой губки в слитки производят в вакуумных электриче-

ских дуговых печах. Во избежание загрязнения титана примесями плавку ведут

в водоохлаждаемой медной изложнице. Для улучшения качества металла про-

изводят двойную переплавку.