Производство цветных металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция № 7. Производство цветных металлов

1. Медные руды

2. Производство меди

3. Производство алюминия

4. Производство титана и магния

1) Медные руды

Медные руды, природные минеральные образования, содержание меди в которых достаточно для экономически целесообразной добычи этого металла. Из 170 известных медьсодержащих минералов 17 используются в промышленных масштабах: медь самородная Cu; борнит (пёстрая медная руда) Cu5FeS4; халькопирит (медный колчедан) CuFeS2; халькозин (медный блеск) Cu2S; ковеллин CuS; бурнонит CuPbSbS3; блёклые руды: тетраэдрит Cu12Sb4S13 и теннантит Cu12As4S13; энаргит Cu3AsS4; куприт Cu2O; тенорит CuO; малахит Cu2[CO3](OH)2; азурит Cu3[CO3](OH)2; хризоколла CuSiO3ЧnH2O; брошантит Cu4[SO4](OH)6; халькантит CuSO4Ч5H2O; атакамит CuCl2Ч3Сu(OH)2.

В зависимости от минерального состава, крупности зёрен минералов, характера взаимного их прорастания и других факторов выделяется несколько технологических сортов М. р., которые по химическому составу и наличию в них сульфидов, окислов, карбонатов и сульфатов меди подразделяются на следующие природные типы: сульфидные, окисленные и смешанные. Главное значение имеют сульфидные руды, дающие 90 % мирового производства меди.

М. р., как правило, являются комплексными: наряду с нерудными минералами (кварцем, серицитом, баритом и другими) в них содержится пирит, часто пирротин, сульфиды цинка, свинца, никеля, кобальта, молибдена, сурьмы и т. д., а также примеси рассеянных элементов: Cd, Se, Te, Ga, Tl, Ge, In, Re и другие. Указанные сопутствующие компоненты (в том числе и S в сульфидах) представляют собой значительную ценность (до 50 % стоимости меди, извлекаемой из М. р.).

По текстурным особенностям выделяются руды массивные (обычно богатые) с содержанием меди выше 3 %, пригодные для непосредственной металлургической плавки (при непромышленном содержании других металлов), и прожилково-вкрапленные (рядовые 1--2 % и бедные 0,4--1,0 %), подвергаемые обычно обогащению методом коллективной или селективной флотации нередко с предварительным применением тяжёлых суспензий. Всё шире используется гидрометаллургический способ переработки бедных, особенно окисленных, руд с применением различных экстрагирующих реагентов.

2) Производство меди

медь алюминий титан магний

Медь в природе находится в виде сернистых соединений , оксидов , гидрокарбонатов , углекислых соединений в составе сульфидных руд и самородной металлической меди.

Наиболее распространенные руды - медный колчедан и медный блеск, содержащие 1…2 % меди.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % - гидрометаллургическим.

Гидрометаллургический способ - получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора.

Получение меди пирометаллургическим способом состоит из обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Обогащение медных руд производится методом флотации и окислительного обжига.

Метод флотации основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы. Позволяет получать медный концентрат, содержащий 10…35 % меди.

Медные руды и концентраты, содержащие большие количества серы, подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700…800 0C в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое против исходного. Обжигают только бедные (с содержанием меди 8…25 %) концентраты, а богатые (25…35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 0C.

Полученный медный штейн, с целью окисления сульфидов и железа, подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак, а серу - в . Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300?C. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование.

Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,95% ).

Электролиз проводят в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод - из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор (10…16%) и (10…16%).

При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.

Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения металлов.

Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).

3) Производство алюминия

Алюминий повсюду - двести пятьдесят минералов содержат его. Но не из всякого минерала, не из всякой глины выгодно его добывать. Если одна десятая часть глины - алюминий, то возиться не стоит. Слишком дорого его освобождать. А вот если из двух килограммов глины можно добыть килограмм соединенного с кислородом алюминия - это другое дело. Такие глины (иногда и камни), богатые алюминием, есть. И у нас в стране их много. Они называются БОКСИТЫ

Из бокситов надо прежде всего извлечь окись алюминия. У окиси алюминия есть еще и другое название -- глинозем.

Некоторые виды глинозема вы знаете. Например, наждак, которым чистят ножи. Это крупинки на редкость твердого камня -- корунда. Им пользуются, чтобы натачивать стальные инструменты, ножи. А корунд -- это глинозем, окись алюминия.

Добывать из бокситов глинозем -- сложный и долгий труд. Его выполняют в химических цехах алюминиевых заводов. Но добыть глинозем -- это только полдела. Чтобы получить алюминий, надо еще выгнать из глинозема кислород. Для этого высыпают в сделанные из графита ванны расплав глинозема и пропускают сквозь него сильный электрический ток. Тока нужно очень много. Поэтому заводы для получения алюминия строят всегда около мощных электростанций.

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов; его содержание в земной коре составляет 7,45%. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов. В чистом виде алюминий не встречается вследствие своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием - алюмосиликатов.

Рудами алюминия могут служить лишь породы, богатые глиноземом (Al2O3) и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины -- (Na, K)2O ? Al2O 3 ? 2SiO2, алуниты -- (Na, K)2SO4 ? Al2(SO4)3 ? 4Al(OH)3 и каолины (глины), полевой шпат (ортоклаз) -- K2O ? Al2O3 ? 6SiO2.

Основной рудой для получения алюминия являются бокситы. Алюминий в них содержится в виде гидроокисей Al(OH), AlOOH, корунда Al2O3 и каолинита Al2O3 ? 2SiO2 ? 2H2O. Химический состав бокситов сложен: 28-70% глинозема; 0,5-20% кремнезема; 2-50% окиси железа; 0,1-10% окиси титана. В последнее время в качестве руды стали применять нефелины и алуниты.

Крупные месторождения бокситов находятся на Урале, в Тихвинском районе Ленинградской области, в Алтайском и Красноярском краях.

Нефелин (K ? Na2O ? Al2O3 ? 2SiO2) входит в состав апатитонефелиновых пород (на Кольском полуострове).

Впервые в свободном виде алюминий был выделен в 1825 г. датским физиком Эрстедом путем воздействия амальгамы калия на хлорид алюминия. В 1827г. немецкий химик Велер усовершенствовал способ Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием: AlCl3 + 3K > 3KCl + Al (Реакция протекает с выделением тепла).

Технологический процесс получения алюминия состоит из трех основных стадий:

1). Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд;

2). Получение алюминия из глинозема;

3). Рафинирование алюминия.

Получение глинозема из руд.

Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5-6%) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рис. 1.

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170оС может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1). Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2). Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230-250°С (500-520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH > NaAlO2+H2O

или

Al(OH)3+NaOH > NaAlO2+2H2O;

содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

SiO2+2NaOH > Na2SiO3+H2O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100°С;

3). Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6-1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4). Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60°С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси -- затравки:

Na2O М Al2O3+4H2O > Al(OH)3+2NaOH;

5). Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50-60% частиц Al(OH). Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затравочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Остаток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах -- для выщелачивания новых бокситов);

6). Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150-1300оС; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH)3 > AlOOH > г-Al2O3 > б-Al2O3

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% б-Al2O3 (корунд), остальное г-Al2O3.

Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 оС.

4) Производство титана и магния

Для получения магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния, электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.

Основным сырьем для получения магния являются: карналлит, магнезит, доломит, бишофит. Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит используют для приготовления электролита.

Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами - стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10 % , 45 % , 30 % , 15 % , с небольшими добавками и . Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 0С). Для электролитического 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 капельки 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 переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из , нагревают в печи до температуры 700…750 0С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670 0С и магний разливают в изложницы на чушки.

Для производства титана применяют главным образом рутил (ТiO2), ильменит (ТiO2-FeO) и перовскит (ТiO2*CaO). В связи с большим сродством титана к кислороду восстановить его из двуокиси (ТiO2) не удается. Поэтому двуокись титана сначала переводят в тетрахлорид титана (TiCl4), а затем из последнего получают чистый металл. Основным исходным сырьем для производства титана являются рутиловый и ильменитовый концентраты, которые получают обогащением титановых руд.

Для получения четыреххлористого титана рутил смешивают с коксом, древесным углем или графитом и каменноугольным пеком. Из полученной смеси изготовляют прессованием брикеты, которые затем в герметически закрывающихся печах прокаливают при температуре 800-900° С. Полученные пористые брикеты подвергают хлорированию в специальных установках при температуре 800-850° С.

Тетрахлорид титана в виде паров вместе с другими газообразными продуктами хлорирования поступает в пылеочиститель, где поддерживается температура 150-200 °С с тем, чтобы предотвратить в нем кон­денсацию паров TiCl4. Очищенную от пыли смесь хлоридов направляют для охлаждения в конденса­торы.

Тетрахлорид титана концентрируется - накапливается в конденсаторах главным образом в жидком виде. Он содержит примеси в виде хлористых соединений других металлов, от которых освобождаются путем отстаивания, фильтрации и фракционной перегонки. В результате очистки получают тетра­хлорид титана в виде бесцветной прозрачной жидкости.

Для восстановления титана из TiCl4 существует несколько способов. Лучшим из них, получившим широкое распространение, является магнийтермический. Восстановление титана из TiCl4 производится магнием в специальных печах, называемых реакторами. Для этого магний высокой чистоты в виде чушек загружают в стальной стакан реактора и затем реактор плотно закрывают крышкой. Далее из реактора откачивают воздух, наполняют его аргоном и подают туда TiCl4. Скорость подачи тетрахлорида титана должна быть такой, чтобы температура внутри реактора поддерживалась в пределах 800-850° С, в противном случае материал реактора будет взаимодействовать с восстановленным титаном.

Металлический титан выпадает на дно и стенки стального стакана и спекается в плотную губчатую массу, содержащую чистый и хлористый магний. Образующийся в результате реакций жидкий хлористый магний периодически удаляется.

После окончания процесса и охлаждения стакана из него извлекают полученный продукт. Примерный состав губчатой массы: 65-55%Ti, 25-30% Mg и 10-15% MgCl2.

Для удаления металлического и хлористого магния полученный титан подвергают рафинированию вакуумной сепарацией. Для этого стакан с реакционной массой закрывают крышкой, имеющей отверстия, затем поворачивают вверх дном, устанавливают в печь, создают вакуум 10-3 мм рт. ст. и нагревают до 900-950° С. При этом металлический и хлористый магний испаряются и проходят через отверстия в крышке стакана, конденсируются на конденсаторах, переходя из паров в жидкое, а затем в твердое состояние, и собираются в нижней части печи.

Полученную титановую губку переплавляют в дуговых вакуумных печах и металл разливают в слитки. Плавка под вакуумом позволяет дополнительно очистить титан от влаги, водорода, металлического и хлористого магния. Слитки изготовляют массой до 5 кг и более. Их обрабатывают давлением для получения различных профилей.

Технический титан высокой чистоты содержит не более 1% примесей. Хлористый магний (побочный продукт при производстве титана) можно использовать для получения магния, а хлор (побочный продукт при электролизе магния) и магний рационально применять при производстве титана.

Согласно ГОСТу титан выпускается следующих марок: ТГ0 (99,65% Т), ТГ1 (99,21% Т), ТГ2 (99,18% Т).

Размещено на Allbest.ru