Реферат: О. Й. Любич, В. О. Пчелінцев Фізичні основи металургії кольорових І рідкоземельних металів

О.Й.Любич, В.О.Пчелінцев


Фізичні основи металургії

кольорових і рідкоземельних

металів


Навчальний посібник


Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник


Суми

«Видавництво СумДУ»

2009


УДК 669 (075.8)

ББК 34. 327 я 73

Л 75
Рецензенти: В.Б. Тарельник - доктор технічник наук, професор Сумського національного аграрного університету; О.Р. Якуба - доктор технічних наук, професор Сумського національного аграрного університету; ^ І.Д. Погребняк - доктор фізико-математичних наук, професор Сумського інституту модифікації поверхні


Рекомендовано Міністерством освіти і науки України ^ як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (лист № 1.4/18-Г-13 від 9.01.2009 р.)

Любич О.Й., Пчелінцев В.О.

Л 75 Фізичні основи металургії, кольорових і рідкоземельних

металів: навчальний посібник /О.Й.Любич, В.О.Пчелінцев.

– Суми: Вид-во СумДУ, 2009. – 226 с.

ISBN 978-966-657-255-7


У посібнику комплексно подано розділи, які вміщують фізичну суть металургійних основ кольорових і рідкоземельних металів, висвітлено металургійні технології виробництва кольорових і рідкоземельних металів. Описано технології підготовки руд до плавки і проведення процесів переплавки. Викладено фізико-хімічні процеси, які проходять при отриманні кольорових і рідкоземельних металів, металургійне устаткування, а також економічні проблеми металургійного виробництва.

Навчальний посібник призначений для студентів денної та заочної форм навчання за фахом «Прикладне матеріалознавство».


УДК 669 (075.8)
ББК 34. 327 я 73


^ ISBN 978-966-657-255-7 © Любич О.Й., Пчелінцев В.О., 2009


ЗМІСТ




С

Вступ………………………………………………………….

4

1 Основи металургії…………………………………………

10

1.1 Властивості металів……………………………………..

10

1.2 Способи отримання металів……………………………

17

1.3 Продукти металургійного виробництва……………….

26

1.4 Основні технологічні процеси………………………….

33

1.5 Металургійне паливо……………………………………

40

1.6 Вогнетривкі матеріали………………………………….

43

1.7 Вимоги до металургійного процесу і його структури...

45

2 Фізико-металургійні основи легких металів…………….

50

2.1 Фізико-металургійні основи алюмінію…………...........

50

2.2 Фізико-металургійні основи титану……………………

71

2.3 Фізико-металургійні основи магнію……………...........

80

3 Фізико-металургійні основи виробництва важких

металів……………………………………………………...


89

3.1 Фізико-металургійні основи виробництва міді………..

89

3.2 Фізико-металургійні основи виробництва нікелю…….

99

3.3 Фізико-металургійні основи виробництва свинцю……

107

3.4 Фізико-металургійні основи виробництва

цинку………………………………………………...


111

3.5 Фізико-металургійні основи отримання

молібдену……………………………………….....


130

3.6 Фізико-металургійні основи отримання ніобію….

138

4 Благородні метали……………………………………

151

4.1 Хіміко-фізичні властивості золота……………......

151

4.2 Фізичні і хімічні властивості срібла……………..

160

4.3 Фізико-металургійні основи платини…………….

187

5 Рідкоземельні метали………………………………...

195

5.1 Лантан і лантаноїди……………………………......

195

5.2 Актиній і актиноїди……………………………......

207

6 Вплив кольорової металургії на екологію………….

216

6.1 Кольорова металургія та її продукція…………….

216

6.2 Екологічна оцінка виробництва і використання

матеріалів…………………………………………..


218

6.3 Законодавча база охорони навколишнього

середовища…………………………………………


220

Список літератури……………………………………...

224


ВСТУП


З того часу, як у наших предків метали замінили дерево і камінь, потреба в них постійно зростає. Метали стали незамінними у багатьох галузях промисловості і техніки – машинобудуванні і моторобудуванні, будівництві і транспорті, електротехніці і електроніці. Виробництво і споживання металів з кожним роком неухильно зростає.

Способи отримання металів можуть бути простіші або складніші залежно від якості збагачення руд. Деякі методи збагачення використовуються у процесі отримання металів з руд разом з чисто металургійними переділами. Тому знання основ збагачення необхідні металургові і їх часто висловлюють у підручниках з металургії, хоча процеси збагачення зовсім не схожі з металургійними.

Металургія розвивалася на основі успіхів хімії. Початком хімії як науки вважають сорокові роки XVIII століття, коли М.В.Ломоносовим були розвинені молекулярно-атомістичні уявлення і вперше сформульований закон збереження маси.

У кінці XVIII ст. Лавуазьє показав, що метали, що були за колишніми уявленнями складними речовинами, насправді – прості тіла, а оксиди, навпаки, - складні речовини. Незабаром Пруст встановив другий основний закон хімії – закон постійності складу. Особливо швидкому розвитку хімії, а за нею і металургії сприяло відкриття Д.І.Менделєєвим періодичного закону (1869 р.).

До початку XIX ст. хіміки знали тільки 30 хімічних елементів, а металурги уміли отримувати тільки 10 з них, відомих з давніх часів. Відкриття періодичного закону полегшило пошуки і вивчення нових елементів, і на початок нашого сторіччя загальне число їх досягло 61.

Тепер ми уміємо отримувати у вільному стані всі хімічні елементи, що входять до складу земної кори. Близько 80 з них – метали. Проте серед них є деякі елементи, які за хімічною природою належать до неметалів, а технологія виробництва і застосування їх схожа з виробництвом і застосуванням металів. Наприклад, германій і кремній. З погляду хіміка – це неметали, але вони добуваються металургійними способами і споживаються в техніці, подібно до металів.

Поки що не всі метали знайшли широке застосування, проте вже більше 65 з них виробляються металургійними заводами.

Сучасна металургія – велика галузь промисловості, що переробляє великі кількості сировини і використовує для цього багато палива і енергію. Тому вона неможлива без достатньо розвиненої енергетичної бази і могутніх транспортних засобів.

Малий вихід продукту часто не свідчить про мале виробництво. Багато руд бідні, і для отримання, наприклад, 1 г міді доводиться переробляти більше 100 т руди (при вмісті міді в руді 1%).

Ціна металу залежить від витрат на його отримання: вона тим вище, чим бідніше руда і складніше її переробка.

Сучасна техніка, а особливо атомна енергетика і електроніка, вимагає металів високої чистоти, що містять тільки тисячні, а іноді й мільйонні частки відсотка домішок. Виконання цієї вимоги утруднене необхідністю дбайливо витрачати мінеральну сировину і витягувати з неї метали найповніше, комплексно використовуючи всі цінні складові. Тому сучасна металургія складна, а для ретельного контролю її переділів потрібні точні методи вимірювань.

Сировинна база кольорової металургії України подана запа­сами алюмінієвої сировини (бокситів, нефелінів, алунітів), значни­ми ресурсами титану, цирконію, магнієвої сировини. Розвідано та­кож родовища інших рідкісних кольорових металів. Виробничий ком­плекс галузі становитьться з гірничодобувних підприємств, збагачу­вальних фабрик, металургійних і металообробних заводів. Кольо­рова металургія - матеріало- та енергоємна галузь, тому її підприє­мства споруджуються у місцях видобутку сировини і виробництва електроенергії.

У період тимчасової окупації України німецько-фашистськи­ми загарбниками під час Великої Вітчизняної війни 1941-45 рр. усі підприємства кольорової металургії були зруйновані. У повоєнний період ці підприємства, по суті, були побудовані наново. На базі нових розвіданих родовищ кольорових і рідкісних металів споруд­жені Іршинський гірничо-збагачувальний комбінат, Верхньодніп­ровський гірничо-металургійний комбінат, Побузький нікелевий завод. Також були побудовані Артемівський завод з обробки ко­льорових металів, Торезький завод наплавочних твердих сплавів та інші. Введено також потужності щодо виробництва кристалічного кремнію на Дніпровському алюмінієвому заводі, повторного алюм­інію на Свердловському заводі алюмінієвих сплавів (Луганська область), повторного свинцю на заводі "Укрцинк", непереточуваних твердосплавних пластин на Дніпровському заводі твердих сплавів, напівпровідникових матеріалів, полікристалічного крем­нію і багатьох інших видів продукції кольорової металургії. У Ми­колаєві успішно функціонує глиноземний завод.

За останні роки у деякій мірі підвищилися техніко-економічні показники галузі. Збільшено відсоток вилучення з руди ільменіту, рутилу, цирконію, ртуті, цинку, свинцю, титану, магнію та інших металів. На підприємствах кольорової металургії країни впроваджено нове устаткування та багато прогресивних технологічних про­цесів. Уперше у світовій практиці на Никитовському ртутному ком­бінаті був запроваджений випал ртутної руди у промислових пе­чах "киплячого шару" з повною автоматизацією технологічного процесу, утилізацією тепла недогарків і використанням їх як щебе­ню для будівельних потреб.

На Запорізькому титаномагнієвому комбінаті застосовано рідкий відновлювач титану. Це дало змогу підвищити продук­тивність апаратів і поліпшити якість металу. На Дніпровському алю­мінієвому заводі вперше в Україні введено в експлуатацію стан щодо виробництва алюмінієвої катанки безпосередньо з рідкого металу, освоєно виробництво електротермічного силуміну з використанням нових видів сировини - каолінів і дистен-силіманіту.

На Іршинському гірничо-збагачувальному комбінаті був освоєний найбільш продуктивний дражний метод видобутку і збагачення гірської маси; впроваджені в промисловому масштабі гвин­тові сепаратори.

Потреба в кольорових металах із року в рік зростає. Цьому сприяє не тільки невпинно зростаючий попит на них традиційних споживачів металів, але і бурхливий розвиток таких галузей науки і техніки, як радіоелектроніка, обчислювальна техніка, ракетобуду­вання і космічна техніка, ядерна енергетика та ін. Загальне спожи­вання всіх кольорових металів у даний час знаходиться на рівні 30-40 млн. т на рік.

Основною сировиною для одержання кольорових металів до цього часу є руди.

Крім рудних джерел, для виробництва багатьох кольорових металів (алюмінію, міді, цинку, свинцю, благородних і ряду інших) використовують вторинну сировину. До неї відносять відходи ме­талообробної промисловості, браковані і металеві деталі, що відслу­жили свій термін, різноманітний металевий брухт, побутовий утиль та інші матеріали, що містять метал. У перспективі вторинна сиро­вина повинна стати основним джерелом одержання деяких кольо­рових металів, а за рахунок переробки руд буде покриватися лише дефіцит балансу між споживанням і виробництвом даного металу.

Крім руд, концентратів і вторинної сировини, у кольоровій ме­талургії широко застосовуються інші корисні копалини, найважли­вішими з яких є паливо і флюси. Паливо використовують як джерело теплоти, одержуваної при його спалюванні. При виробництві кольорових металів застосовують газоподібне (природний газ), тверде (ву­гілля, вугільний пил, кокс) і рідке (дизельне паливо, мазут) паливо.

Природне паливо в основному має органічне походження. До його складу входять вуглець, водень і сірка, що становлять гарячу масу. Крім того, паливо може містити воду і попіл (негорюча частина палива, що складається з оксидів кремнію, алюмінію, кальцію й ін.).

Основною теплотехнічною характеристикою палива є тепло­та його згоряння, що виражається в кілоджоулях на кілограм, куб­ічний метр або моль. Для порівняльної оцінки різноманітних видів палива введене поняття умовного палива з теплотою, згоряння, що дорівнює 29300 кДж/кг. Для перерахунку витрати будь-якого палива або теплоти в умовне потрібно розділити кількість теплоти його згоряння на 29300 і знайти еквівалент даного палива в одиницях умовного палива. Так, 1 м3 природного газу з теплотою згоряння 36500 кДж/кг буде екві­валентний 36500:29300 = 1,25 кг умовного палива, а кам'яне вугіл­ля з теплотою згоряння 25000 кДж/кг - 25000:29300 = 0,85 кг умов­ного палива.

У ряді металургійних процесів вуглецеві матеріали одночасно з функціями палива виконують роль відновлювачів.

Останніми роками в кольоровій металургії при переробці деяких сульфідних руд і концентратів почали широко використовувати теп­лоту згоряння самих сульфідів. Теплоти, що виділяється при окис­нюванні сульфідів, у багатьох випадках цілком достатньо для са­мостійного (без витрат сторонніх джерел теплової енергії) перебігу металургійних процесів. Такі процеси називаються автогенними. Використання автогенних процесів у кольоровій металургії має ве­личезне народногосподарське значення, тому що дозволяє заощадити велику кількість вуглецевого палива або електроенергії.

Флюсами називають мінеральні добавки, що вводяться в шихту багатьох плавок із метою коригування складу утворених металургійних шлаків. Як флюсуючі добавки найчастіше застосовують кварцити і вапняк. У шихту деяких металургійних плавок вводять залізну руду, соду, фториди і т.п.

Одержання металевої продукції з руд, концентратів або інших видів сировини, що містять метал, - задача досить важка. Вона істотно ускладнюється ще і тим, що в кольо­ровій металургії переробляють, як правило, порівняно бід­ну і складну за складом поліметалічну сировину. При її пе­реробці металургійними засобами необхідно одночасно з одержанням основного металу забезпечити комплексне виділення всіх інших цінних компонентів у самостійні то­варні продукти при високому ступені їхнього витягу.

Для одержання металів досить високої чистоти зі скла­дної поліметалічної сировини з високим ступенем компле­ксності його використання недостатньо застосовувати один металургійний процес або один металургійний агре­гат. Ця задача може бути реалізована на практиці лише при використанні декількох послідовно проведених процесів, що забезпечують поступовий поділ компонентів перероб­люваної сировини.

Весь комплекс застосовуваних металургійних проце­сів, підготовчих і допоміжних операцій формується в тех­нологічну схему дільниці, відділення, цеху або підприємс­тва в цілому. Для всіх підприємств кольорової металургії характерні багатоступеневі технологічні схеми.

В основі будь-якого металургійного процесу лежить принцип переведення оброблюваної сировини в гетероген­ну систему, що становитьться з двох, трьох, а іноді і більше фаз, що повинні відрізнятися складом і фізичними власти­востями. При цьому одна з фаз повинна збагачуватися ви­лученим металом (металами) і збіднюватися домішками, а інші фази, навпаки, повинні збіднюватися основним ком­понентом. Розбіжність деяких фізичних властивостей утворених фаз (агрегатного стану, щільності, взаємної змочуваності, звітрюваності і т.п.) повинно забезпечувати добрий їх поділ найпростішими прийомами.

У практиці металургійного виробництва найбільш поширеними комбінаціями фаз є: г + р; г + т; р + р; р + т; г + р + р; г + р + + т, де буквами г, р і т відповідно позна­чають газову, рідку і тверду фази.

Поділ фаз г + р і г + т внаслідок дуже великої розбіжності їхніх щільностей легко здійснюється простим від­стоюванням. Для випадку тонкого диспергування твердих фаз у газі, коли відстоювання відбувається дуже повільно, вдаються до особливих способів поділу – пилоуловлення. Фази сис­тем р + р можуть розділятися відстоюванням або центри­фугуванням. Для систем р + т можливими прийомами є відстоювання, центрифугування або фільтрування при по­рівняно низьких температурах (до 300-400°С) і тільки від­стоювання при більш високих температурах. Двофазні сис­теми типу г + г розділяють хімічними способами, а систе­ми т + т - методами збагачення.


^ 1 ОСНОВИ МЕТАЛУРГІЇ


1.1 Властивості металів


Більшість металів характеризуються специфічним блиском, ковкістю, високою електро- і теплопровідністю. Ці ознаки, властиві більшості металів, не завжди достатні для чіткого поділу простих речовин на метали і неметали, між якими зовсім немає різкої межі.

Метали складаються з геометрично правильних кристалів, кожному металу властива певна структура кристалічної ґратки. У вузлах ґраток знаходяться іони, що постійно коливаються, і атоми металу. Електрони деяких атомів слабо зв'язані з ядром, вони відриваються і повертаються знову. При цьому атоми перетворюються на іони, а іони - в атоми.

У результаті можна сказати, що у кристалічній ґратці металів знаходяться атоми і іони, а між ними вільно і безладно переміщаються вільні електрони. На рис. 1.1 показана схема кристалічної ґратки металів, а на рис. 1.2 наведені її типи, що найбільш часто зустрічаються.



Рисунок 1.1 - Схема розміщення атомів, іонів та електронів у кристалічних гратках металів: 1 – атоми; 2 – іони; 3 – електрони








Рисунок 1.2 - Найпростіші кристалічні структури металів:

а – мідь (аналогічні Au, Ag, Al, Pt та інші); б – залізо (аналогічні К, Ва та інші); в – магній


На атоми і іони у вузлах кристалічної гратки діють сили взаємного тяжіння і відштовхування. Амплітуди коливання іонів і атомів залежать від температури і зростають з нею. При температурі плавлення амплітуди коливань такі великі, що ґратки руйнуються: атоми й іони втрачають свої постійні місця і переходять в безладний рух, властивий рідкому стану. Зв'язок між іонами і електронами називають металевим, а між атомами – ковалентним. Від співвідношення цих видів хімічного зв'язку залежить кількість блукаючих електронів. Чим більша ця кількість, тим яскравіше виражені металеві властивості елементів.

Міцністю металевого зв'язку пояснюються багато фізичних і механічних властивостей металів, показники яких наведені у табл. 1.1.

Зовнішні механічні дії на метал викликають зрушення шарів кристалічної ґратки, проте зв'язок між іонами і електронами при цьому не порушується через вільну рухливість електронів. З цієї причини метали міцні і пластичні, вони змінюють форму, не втрачають міцності. У міді і золоті багато вільних електронів, металевий зв'язок значно переважає над ковалентним – ці метали пластичні, ковкі, в'язкі. У сурми і вісмуту вільних електронів порівняно мало, тому вони крихкі.

Свобода переміщення електронів у просторі між вузлами кристалічної гратки пояснює високу електропровідність металів, при накладенні потенціалу рух електронів легко переходить з безладного у направлений. З підвищенням температури амплітуди коливання іонів і атомів наростають, рухливості електронів від цього важко, і електропровідність металів знижується. При температурах, близьких до абсолютного нуля, коливання у вузлах ґраток майже згасають, і електропровідність різко збільшується. Електроопір деяких металів при температурах, близьких до 00 К, зникаюче мало (надпровідність). Домішки, навіть у малих кількостях, порушують будову кристалічної гратки, утрудняють переміщення електронів і цим знижують електропровідність.

Теплопровідність металів – результат руху електронів, а також коливань іонів і атомів. Із цього зрозуміло, чому електропровідність і теплопровідність металів – властивості, що паралельно змінюються. У більшості випадків найбільш електропровідні метали характеризуються і високою теплопровідністю.

Таблиця 1.1 - Фізичні та механічні властивості найважливіших металів


Метали


Атомна маса

Густина

при 200С, кг/м3

Температура, 0С

Коефіцієнт теплопровідності (при 200С)

Питомий опір при 200С,

Ом ∙ м

Механічні властивості

плавлення

кипін-ня

вт

(м ∙ град)

кал

(см ∙ град)

межа міцності при розтяганні

міцність

за Бринелем

н/м2

кг/мм2

н/м2

кг/мм2

Важкі




Мідь

63,54

8,960

1083

2600

393,56

0,94

0,018

215,8

22

343,4

35

Нікель

58,69

8,900

1455

2730

92,11

0,22

0,068

441,5

45

686,7

70

Свинець

207,21

11,340

327,4

1840

35,17

0,084

0,206

14,7

1,5

49,1

5

Цинк

65,38

7,140

419,5

907

112,23

0,268

0,059

127,5

13

372,8

38

Легкі




Алюміній

26,98

2,680

660,2

2060

221,9

0,53

0,026

98,1

10

264,9

27

Магній

24,32

1,740

650

1107

159,1

0,38

0.047

176,6

18

245,3

25

Титан

47,90

4,540

1800

3400

15,9

0,036

0,47

313,9

32

833,9

85

Тугоплавкі




Вольфрам

183,92

19,350

3377

6000

167,47

0,4

5,03

343,4

35

2943

300

Молібден

95,95

10,200

2625

4800

146,54

0,35

0,0517

686,7

70

1226,3

125



При нагріванні металів може початися викидання електронів. Цей термоелектричний ефект залежить від температури і особливостей будови ґраток. У деяких металів він особливо великий і тому використовується в електроніці.

Рідкі метали відрізняються від твердих порівняно малим зв'язком між атомами і іонами. Але свобода руху електронів і тут збережена, тому рідкі метали також електропровідні і теплопровідні.

Іноді один і той самий метал при різних температурах має різні кристалічні ґратки. Перехід з однієї кристалічної системи в іншу (поліморфне перетворення) змінює відстань між вузлами ґраток і їх розташування, він істотно відбивається і на властивостях поліморфних модифікацій. Наприклад олово, відоме при звичайних температурах як пластичний блискучий метал з щільністю 7,29 г/см3 (β - модифікація), при температурах нижче 13,2° З, а особливо швидко – при переохолодженні перетворюється на сірий порошок з щільністю 5,85 г/см3 (α - модифікація).

Багато металів взаємно розчинні в рідкому і твердому станах, деякі з них утворюють між собою хімічні сполуки (інтерметалеві з'єднання). Все це приводить до утворення інших кристалічних систем і широкої зміни властивостей. Мова йде про утворення сплавів, які відкривають широкий простір отримання нових цінних матеріалів з потрібними властивостями. У сучасній техніці застосовуються тисячі подвійних, потрійних і складніших металевих сплавів.

У періодичній системі елементів Д.І.Менделєєва метали розміщені у всіх групах, окрім нульової і сьомої. У кожній із головних підгруп металеві властивості елементів посилюються зверху вниз, а в кожному із семи горизонтальних рядів вони слабшають зліва направо. Всі ці зміни властивостей закономірно пов’язані з електронною будовою атомів.

Хімічну активність металів можна характеризувати положенням в електрохімічному ряді напруги, де метали розміщені в порядку наростання нормальних електрохімічних або електродних потенціалів. Нагадаємо, що величина нормального електрохімічного потенціалу, що виникає між металом і однополярным розчином його іонів, характеризує здатність металу віддавати електрон (окиснюватися), тобто бути відновником. Чим більша величина нормального електродного потенціалу, тим менша відновна здатність і хімічна активність металу. У ряді напруги кожен метал здатний витісняти правіші за нього метали з водних розчинів і сольових розплавів.

Метали з негативними електрохімічними потенціалами легко схильні до окиснення, тому вони трапляються в природі тільки у вигляді хімічних сполук: оксидів, галогенідів, а також сульфідів, силікатів та інших солей. У міру підвищення потенціалу, а отже, і зниження хімічної активності вільний стан металів стає все більш стійким. Наприклад, мідь, срібло і ртуть знаходяться в природі не тільки у вигляді солей, але і у вільному стані, а золото і платина – переважно у вільному стані. Зв'язок між електродними потенціалами і деякими властивостями металів показаний в табл. 1.2.

Періодична система елементів Д.І.Менделєєва дає чітку класифікацію металів за їх хімічними властивостями, але вона, природно, не відображає важливих для металургії особливостей виробництва і застосування металів. З цієї причини склалася промислова або технічна класифікація металів, що не має наукової основи, але традиційно прийнята в технічній літературі і практиці.

Залізо далеко випереджає всі інші метали за масштабами виробництва і застосування. Тому розрізняють «залізні метали» (залізо і його багатообразні сплави – чавуни і сталі) та інші «незалізні метали». У російській мові цьому відповідають прийняті назви «чорні» і «кольорові» метали.

Кольорові метали, у свою чергу, поділяються за деякими умовними ознаками на ряд груп і підгруп (табл. 1.3).

Таблиця 1.2 - Ряд напружень і деякі властивості металів




Властивості

металів


Са/Са2+

Nа/Nа+

Mg/Mg2+

Al/Al3+

Ti/Ti2+

Zn/Zn2+

Fe/Fe2+

Cd/Cd2+

Co/Co2+

Ni/Ni2+

Sn/Sn2+

Pb/Pb2+

H/2H+

Cu/Cu2+

Ag/Ag+

Pt/Pt2+

Au/Au3+

2,87

2,71

2,37

1,66

1,63

0,76

0,44

0,40

0,28

0.24

0,14

0,13

0,0

0,34

0,88

1,20

1,50

Окиснюються киснем повітря при звичайній температурі



Швидко



Повільно, з різною швидкістю








Не

окиснюються

Відновлюються із окислів вуглецю


При температурах вище 10000С


При температурах нижче 10000С










Витісняють водень із кислот (сірчаної, соляної)


Бурхливо


З різною швидкістю





Не витісняють

Знаходяться в природі у вигляді

Галогенідів та сполук окислів

Сполуки окислів


Сульфідів і сполук окислів







Переважно в елементарному стані

Способи отримання

Електроліз розплавів і металотермія (силікокарботермія)

Відновлення вуглецем.

Електроліз водних розчинів







Одночасно з цинком, свинцем, нікелем


Таблиця 1.3 – Промислова класифікація металів


Група

Підгрупа

Метали

Чорні метали




Fe - залізо та його сплави – чугуни та сталі




Важкі

Cu – мідь, Ni – нікель, Pb – свинець, Zn – цинк, Sn – олово

Кольорові метали

Легкі

Al – алюміній, Mg – магній, Ti – титан, Be – берилій, Ca – кальцій, Sr – стронцій, Ba – барій, Li – літій, Na – натрій, K – калій, Rb – рубідій, Cs – цезій

Малі

(молодщі)

Co – кобальт, Cd – кадмій, Sb – сурма, Bi – вісмут, Hg – ртуть, As – миш’як

Благородні

Au – золото, Ag – срібло, Pt – платина, Os – осмій, Ru – рутеній, Rh – родій, Pd – паладій

Тугоплавкі

W – вольфрам, Mo – молібден, V – ванадій, Ta – тантал, Nb – ніобій, Cr – хром, Mn – марганець, Zr - цирконій

Рідкоземельні

Sc – скандій, Y – ітрій, La – лантан, Ce – церій, Pr – празеодим, Nd – неодим, Sm – самарій, Eu – європій, Gd – гадоліній, Tb – тербій, Yb – ітербій, Dy – диспрозій, Ho – гольмій, Er – ербій, Tu – тулій, Lu – лютецій

Розсіяні

Ge – германій,Ga – галій, Tl – талій,Re – реній, Hf – гафній, Se – селен, Te - телур

Радіоактивні

U – уран, Th – торій, Pa – протактиній, Ra - радій



^ 1.2 Способи отримання металі
^ 1.3 Продукти металургійного виробництв
^ 1. 5 Металургійне палив
^ 2.1.5.2 Рафінування шляхом алюмоорганічних комплексних сполук і зонною плавко
2.2 Фізико-металургійні основи титану


^ 2.2.1 Отримання титану з ільменітових ру
^ Тестові питання

1. Які породи можуть служити рудами алюмінію?

2. З яких основних стадій складається технологічний процес отримання алюмінію?

3. Які використовуються способи отримання глинозему?

4. За якою схемою отримуємо окис алюмінію за способом Байєра?

5. Які типи анодів застосовують при електролізі окислу алюмінію?

6. У чому полягає метод відновлення хлориду алюмінію марганцем?

7. У чому полягає сутність рафінування алюмінію методом тришарового електролізу?

8. Яким чином можна отримати високу чистоту алюмінію – номінально до Аl99,99999?

9. З яких стадій складається електротермічний спосіб отримання алюмінієво-кремнієвих сплавів?

10. Що входить до складу електролізу промислових алюмінієвих електролізерів?

11. Для чого первинний алюміній з електролізу передають у ливарне відділення?

12. Який вміст натрію не повинен перевищувати у первинному алюмінію?

13. Яким чином визначається чистота алюмінію, рафінованого за тришаровим методом?

14. У чому полягає принцип зонної плавки алюмінію?

15. Скільки каскадів зонної плавки є оптимальними?

16. Що є сировиною для отримання титану?

17. Яким чином проводять хлорування титанового шлаку?

18. При якій температурі плавиться тетрахлорид титану?

19. За якою реакцією відновлюється титан з чотирихлористого титану?

20. На якій установці проводять плавку титанової губки?

21. Якої чистоти отримують титан після переплавлення губки?

22. Які магнієві мінерали знаходяться у земній корі?

23. Які мінерали служать сировиною для отримання магнію?

24. Який основний спосіб отримання магнію?

25. Які солі застосовують для електроліту при отриманні магнію?

26. Яким чином видаляють магній з електролізера?

27. На чому ґрунтується карботермічний спосіб отримання магнію?

28. Чому картометрічний спосіб отримання не може конкурувати з електролітичним?

29. Яким чином проводять рафінування магнію?

30. Як проводять глибоке очищення магнію?


^ 3 ФІЗИКО-МЕТАЛУРГІЙНІ ОСНОВИ

ВИРОБНИЦТВА ВАЖКИХ МЕТАЛІВ


3.1 Фізико-металургійні основи виробництва міді


3.1.1 Основи виробництва міді

Для отримання міді застосовують мідні руди, а також відходи міді та її сплавів. У рудах міститься 1-6% міді.

У рудах мідь звичайно знаходиться у вигляді сірчистих сполук (мідний колчедан або халькопірит CuFeS2, халькозин Cu2S, ковелін CuS), оксидів (куприт Сu2О, тенорит СuО) або гідрокарбонатів (малахіт СuСО3·Сu(ОН2), азурит 2СuСО3·Сu(ОН)2).

Порожня порода складається з піриту FeS, кварцу SiO2, карбонатів магнію і кальцію (МgСО3 і СаСО3), а також з різних силікатів, що містять AI2O3, CaO, MgO і оксиди заліза.

У рудах іноді міститься значна кількість інших металів: цинк, олово, нікель, золото, срібло, кремній та інші.

Руда ділиться на сульфідні, окислені і змішані. Сульфідні руди бувають звичайно первинного походження, а окислені руди утворилися у результаті окиснення металів сульфідних руд.

У невеликих кількостях зустрічаються так звані самородні руди, в яких мідь знаходиться у вільному вигляді.

Відомі два способи витягання міді з руд і концентратів: гідрометалургійний і пірометалургійній.

Перший з них не знайшов широкого застосування. Його використовують при переробці бідних окиснених і самородних руд. Цей спосіб на відміну від пірометалургійного не дозволяє добувати попутно з міддю дорогоцінні метали.

Другий спосіб придатний для переробки всіх руд і особливо ефективний у тому випадку, коли руди піддаються збагаченню.

Основу цього процесу становить плавка, при якій розплавлена маса розділяється на два рідкі шари: штейн-сплав сульфідів і шлак-сплав оксидів. У плавку надходять або мідна руда, або обпалені концентрати мідних руд. Випалення концентратів здійснюється з метою зниження вмісту сірки до оптимальних значень.

Рідкий штейн продувають в конвертерах повітрям для окиснення сірчистого заліза, перекладання заліза в шлак і виділення чорнової міді.

Чорнову мідь далі піддають рафінуванню - очищенню від домішок.

^ 3.1.2 Підготовка руд до плавлення

Більшість мідних руд збагачують способом флотації. У результаті одержують мідний концентрат, що містить 8-35% Сі, 40-50% S, 30-35% Fe і пусту породу, головним чином складовою якої є SiO2, А12О3 і СаО.

Концентрати звичайно обпалюють у окиснювальному середовищі для того, щоб видалити близько 50% сірки і одержати обпалений концентрат із вмістом сірки, необхідним для отримання при плавці достатньо багато штейну.

Обпалюють концентрат при 750-850°С у повітряній атмосфері з метою окиснення сульфідів і зменшення вмісту сірки.

Прогресивним є випалення в киплячому шарі. Подрібнений концентрат завантажується у піч (рис. 3.1) через вікно 3. Знизу в піч по каналу 2 і отвори в піддоні подається повітря. Тиск повітря встановлюється таким, щоб частинки концентрату знаходилися у зваженому («киплячому») стані. Обпалений концентрат «переливається» через поріг 5 печі у вигляді недогарка. Сірчисті гази, що відходять, очищаються в циклонах 4 і спрямовують у сірчанокислотне виробництво.

Випалення забезпечує добре змішування всіх компонентів шихти і нагрівання її до високої температури, знижує витрату палива у відбивній печі в два рази. Проте при переплавленні обпаленої шихти дещо зростають втрати



Рисунок 3.1 – Схема печі для випалення концентрату


міді в шлаку і віднесення пилу. Тому звичайно багаті мідні концентрати (25-35% Сu) плавлять без випалення, а бідні (8-25% Сu) піддають випаленню.

^ 3.1.3 Виплавка мідного штейну

Мідний штейн, що складається в основному з сульфідів міді і заліза (Cu2S+FeS=80-90%) та інших сульфідів, а також оксидів заліза, кремнію, алюмінію і кальцію, виплавляють у печах різного типу.

Комплексні руди, що містять золото, срібло, селен і телур, доцільно збагатити так, щоб в концентрат була переведена не тільки мідь, але й ці метали. Концентрат переплавляють у штейн у відбивних або електричних печах.

Сірчисті, чисто мідні руди доцільно переробляти у шахтних печах.

При високому вмісті сірки в рудах доцільно застосовувати так званий процес мідно-сірчаного плавлення у шахтній печі з уловлюванням газів і витяганням з них елементарної сірки.

У піч завантажують мідну руду, вапняк, кокс і оборотні продукти. Завантаження проводять окремими порціями сирих матеріалів і коксу.

У верхніх горизонтах шахти створюється відновне середовище, а в нижній частині печі - окиснювальне. Нижні шари шихти плавляться, і вона поступово опускається вниз назустріч потоку гарячих газів. Температура у фурм досягається 1500°С на верху печі вона дорівнює приблизно 450°С.

Така висока температура газів, що відходять, необхідна для того, щоб забезпечити можливість із очищення від пилу до початку конденсації пари сірки.

У нижній частині печі, головним чином біля фурм, проходять такі основні процеси:

а) спалювання вуглецю коксу

С + О2 = СО2 ; (3.1)

б) спалювання сірки сірчистого заліза

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2;(3.2)

в) утворення силікату заліза

2 FeO + SiO2 = (FeO)2 · SiO2. (3.3)

Гази, що містять СО2, SO2, надлишок кисню і азот, проходять вгору через стовп шихти. На цьому шляху газів відбувається теплообмін між шихтою і ними, а також взаємодія СО2 з вуглецем шихти. При високих температурах СО2 і SO2 відновлюються вуглецем коксу при цьому утворюються окисел вуглецю, сірковуглець і сіркоокис вуглецю:

СО2 + С = 2СО, (3.4)

2SO2 + 5С = 4СО + CS2,(3.5)

SO2 + 2С = COS + CO. (3.6)

У верхніх горизонтах печі пірит розкладається за реакцією:

FeS2 = Fe + S2.(3.7)

При температурі близько 1000°С плавляться найбільш легкоплавкі евтектики з FeS і Cu2S, внаслідок чого утворюється пориста маса.

У порах цієї маси розплавлений потік сульфідів зустрічається з висхідним потоком гарячих