Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦИЯ 1.
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ, РУД И ПРОЦЕССОВ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ОСНОВ МЕТАЛЛУРГИИ
В настоящее время под металлургией в узком смысле этого слова понимают ту область науки и промышленности, которая занимается получением металлов (иногда сплавов) из руд и дру гих материалов и очисткой (рафинированием) полученного чер нового металла или сплава.
Первым ученым-металлургом был Агрикола (Бауэр) (1494— 1555 гг.), изучавший металлургию на европейских заводах. В 1556 г. вышла написанная им первая книга по металлургии и горному делу «De Re Metallica», но научный уровень изложения в ней вопросов металлургии был очень низкий. В таком состоя нии металлургическая наука находилась на протяжении почти 200 лет.
Лишь открытие великим русским ученым М. В. Ломоносовым (1711—1765 гг.) закона сохранения веса при химических реакциях в 1748 г. позволило на основе этого закона дать изложение спосо бов извлечения металлов из руд на более высоком научном уровне, чем в существовавших до него руководствах по металлургии.
М. В. Ломоносов стал основателем научной металлургии и автором первой на русском языке книги по металлургии. Его «Пер вые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.) — выда ющийся труд в истории металлургии и химии. Ломоносов впервые научно обосновал явления: окисления металлов. Он эксперимен тально доказал, что не «материя огня» а воздух окисляет металлы. Это дало возможность правильно трактовать металлургические процессы с точки зрения взаимодействия руд и топлива с воздухом. Ломоносов первый качал преподавать физическую химию в уни верситете.
Действие серы на металл в расплавленном состоянии и влияние ее на изменение свойств металлов впервые изучал Н. П. Соколов (1748—1795 гг.).
ПРОМЫШЛЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
Все металлы делятся на две группы: черные и цветные.
1. Черные металлы. К ним относятся железо (и его сплавы), а также марганец, ванадий и хром, так как их производство тесно связано с выплавкой железа и его сплавов.
2. Цветные металлы. Цветные металлы подразделяются на следующие группы:
1)тяжелые цветные металлы, которые делятся на основные — медь, никель, свинец, цинк, олово, играющие ведущую роль, и младшие — кадмий, кобальт, мышьяк, сурьма, висмут, ртуть, которые производятся в значительно меньших количествах (по сравнению с основными металлами);
а) тугоплавкие — вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цир коний, ванадий;
б) рассеянные— таллий, галлий, германий, индий, рений, гафний, рубидий, цезий и другие;
в) редкоземельные - лантан и лантаниды;
г) радиоактивные— полоний, радий, уран, торий, актиний, плутоний, нептуний и остальные трансурановые металлы.
Как показывают сами названия, легкие цветные металлы отли чаются от тяжелых по их плотности. У первых она находится в пределах от 0,53 (Li) до 4,5 (Ti), у вторых — от 5—6 (As, Zn, Sb) до 13,6 г/'см3 (Hg).
Благородные (или драгоценные) металлы отличаются от других малой химической активностью, не соединяются непосред ственно с кислородом.
В группу редких металлов отнесены такие металлы, которые в промышленности и технике применяются еще в относительно небольших количествах по сравнению с другими металлами вслед ствие того,.что они редко встречаются в природе (собственно ред кие металлы), находятся в сильно рассеянном виде и добываются только как спутники других металлов из отходов их производства (рассеянные металлы), или очень дороги вследствие больших из держек производства, или еще мало изучены (редкоземельные металлы).
Радиоактивные металлы выделены в самостоятельную группу вследствие особых, присущих им радиоактивных свойств, которые используются, в частности, в атомной промышленности (уран, торий, плутоний и др.).
Промышленная классификация металлов с течением времени может меняться в зависимости от уровня развития техники в дан ной отрасли металлургии. Например несколько лет назад титан относили к группе редких металлов, а в настоящее время в связи с бурным развитием металлургии титана его часто причисляют к группе легких цветных металлов.
КЛАССИФИКАЦИЯ РУД
Основное сырье для получения металлов — руды. Рудой на зывается такая горная порода, из которой данный металл может, быть извлечен с экономической выгодой при определенной его концентрации в этой горной породе. Минимальное содержание металла в руде не остается постоянным, а зависит от уровня раз вития техники в данной отрасли металлургии. Так, например, до недавнего времени медной рудой считалась такая горная по рода, в которой содержание меди было более 1%. Однако в связи с развитием методов обогащения этот промышленный минимум снизился до 0,5—0,8%.
По химическому составу руды делятся на следующие виды:
По структуре руда неоднородна и состоит из следующих мине ралов:
1) рудные минералы первого основного металла;
2) рудные, минералы других основных металлов (полиметал лические руды); например свинцово-цинковые или медно-нике левые руды;
3) минералы — спутники основных рудных минералов (зо лото, серебро, редкие и рассеянные металлы), находящиеся от дельно или в твердых растворах с основными минералами. Напри мер постоянный спутник никеля — кобальту иногда платина и
металлы платиновой группы; спутники свинца и цинка— кадмий, индий, таллий и другие редкие металлы;
4) основная масса руды - пустая порода (не содержащая цен ных металлов), состоящая из кварца, силикатов, алюмосиликатов и других сложных минералов.
При переработке руды необходимо добиваться полного ком плексного использования ее ценных составляющих. На многих металлургических заводах извлекают по 10—15 металлов не только основных, но и металлов-спутников, а также других цен ных компонентов (сера, фосфор и др.).
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Процессы, цель которых в конечном счете извлечение металлов из руд или других материалов, называются металлургическими процессами.
Все металлургические процессы разбиваются на две резко от личные одна от другой группы: пирометаллургические и гидро металлургические процессы.
ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Эти процессы в большинстве случаев протекают при высоких температурах и часто с расплавлением материалов. Пирометал лургические процессы по температуре и по характеру принима ющих участие фаз разделяются на две большие группы: обжиг и металлургическая плавка. .
Обжиг — это такой металлургический процесс, который ведут при высокой температуре, но чаще даже без частичного расплавле ния фаз. Все процессы при обжиге проходят между твердыми и га зообразными фазами при температурах порядка 500—1000— 1200° С. Процессы обжига делятся на следующие:
1. Кальцинирующии обжиг (прокалка).
Цель его — изменить химический состав тех рудных минералов, которые находятся в сырье. Здесь протекают в основном реакции диссоциации. Такому обжигу подвергаются карбонаты
(1)
при 1000—1200° С или гидраты окислов
(2)
при 1200°С.
2. Окислительный обжиг сульфидных руд и концентратов Цель — перевод сульфидов металлов в окислы (окислительный обжиг) или сульфаты (сульфатизирующий обжиг). . .
Например
( 3)
при 900—1100° С и
(4)
при 500—600° С.
3. Обжиг с агломерацией — процесс, при котором порошкообразный материал превращается в кусковой. Этот про цесс осуществляется за счет рекристаллизации Материала без об разования жидкой фазы или за счет образования некоторого количества жидкой фазы, которая при застывании связывает (склеивает) частицы порошка в кусковой продукт:
(5)
при t =800-950° С.
Этот процесс применяется перед плавкой руды в шахтных
печах.
4. Восстановительный обжиг в свою очередь делится на магнетизирующий и восстановительный:
а) магнетизирующий обжиг железных руд:
(6)
при 500—700° С
Этот вид обжига может применяться перед обогащением желез ных руд с целью перевода слабо магнитных соединений в сильно магнитные (Fе304);
б) восстановительный обжиг, например UO3 и U3O8 в UO2:
(7)
при 700—900° С.
5. Хлорирующий обжиг или хлорирование. Цель его— превратить окислы или сульфиды металлов в хлориды. Например, хлорирование окиси циркония:
(8)
при 800—900° С.
Получающийся при: этом газообразный хлористый цирконий конденсируется затем при охлаждении в конденсаторе.
6. Фторирующий обжиг или фторирова ние. Цель его — превратить окислы металлов во фториды. Например:
(9)
при 500—700° С.
Металлургические плавки. В этих процессах жидкие фазы играют основную роль, но это не только расплавление, а сложный процесс, сопровождающийся многочисленными химическими пре вращениями. В этих процессах в общем случае исходные твердые вещества реагируют между собой и с газообразной фазой, давая сумму жидких фаз и измененную газообразную фазу. Образовав шиеся жидкие, фазы обладают малой взаимной растворимостью и поэтому разделяются. Металлургические плавки делятся на рудные и рафинировочные.
Рудные плавки — это те, в которых обработке подвергается руда или концентрат (сырой или подготовленный). По характеру протекающих химических реакций они разделяются на следующие виды:
1) восстановительная плавка — например доменный процесс:
(10)
Чугун и шлак — две жидкости, плохо растворяющиеся одна в дру гой, разделяются по плотности (вверху шлак, внизу чугун). С по--мощью восстановительной плавки получают свинец, олово;
2) окислительная концентрационная плавка. Цель ее — не по лучение металла в свободном виде, а перевод его в обогащенный продукт — штейн . Пример—плавка медных или никелевых руд на штейн:
(11)
Плавка ведется в присутствии воздуха. В результате получается медный штейн (сплав FeS и Cu2S) с более высоким содержанием меди, чем исходная руда, железистый шлак и газ. Штейн и шлак нерастворимы один в другом и разделяются по плотности. Напри мер при плавке руды, содержащей 2—5% Си, получают штейн с содержанием 20—25% Си; следовательно, этот процесс—концентрационный и одновременно окислительный;
Рафинировочные плавки. Цель их -—рафиниро вание металлов от примесей. При этом используют различия в свойствах основного металла и металлов примесей. Рафинировоч ные плавки имеют следующие разновидности:
1) ликвационное рафинирование. Оно основано на образова нии и разделении по плотности двух фаз, из которых основная по количеству жидкая или твердая —.состоит из рафинируе мого металла. Примесь же - концентрируется во второй твердой или жидкой фазе не растворимой в основном металле. Например, медь плохо растворяется в расплавленном свинце при 350° С и всплывает на его поверхность в виде твёрдого раствора свинца в меди;
2) дистилляциониое рафинирование. Разделение металлов в этом процессе ведется на основе различия в давлениях паров металла и его примесей и осуществляется, либо ректификацией, либо способом однократной дистилляции. Например магний (тем пература кипения 1107 °С) отгоняется, от алюминия (температура -кипения 2500° С) из их сплавов;
3) окислительное рафинирование. Оно основано на различном . сродстве к кислороду у основного металла и у примеси. Например; железо как примесь окисляется в расплавленной меди при вдува нии в нее воздуха, а образующаяся закись железа не растворяется в жидкоймеди и всплывает на ее поверхность:
(12)
. 4) хлорное рафинирование. Этот процесс основан на различ-ном сродстве металла и примеси к хлору. Например цинк можно отделить от свинца, пользуясь его большим сродством к хлору
(13)
Образующийся хлорид цинка не растворяется в жидком свинце и всплывает на его поверхность;
5) сульфидирующие плавки. Эти процессы основаны на раз личном сродстве металлов к сере. Например отделение меди от свинца с помощью серы:
(14)
6) карбонильное рафинирование. Основано на образовании .некоторыми металлами в специально подобранных условиях лету чих- соединений типа Me (СО)„. Например отделение , никеля от меди
(15)
ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Эти процессы протекают при температурах 10—300° С на по верхности соприкосновения твердой, и жидкой фаз. Гидрометаллургические процессы делятся на следующие виды:
1. Выщелачивание. В этом процессе металл из руды перево дится в раствор с последующим отделением пустой породы. В ка честве растворителей применяют растворы кислот, щелочей и солей. Пример — растворение окиси цинка из обожженного цинко вого концентрата в растворе серной кислоты с последующим от делением нерастворившихся остатков (кеков) от раствора отстаива нием и фильтрацией:
(16)
2. Очистка растворов от примесей. Растворы содержат, по мимо, основного металла, и ряд примесей, перешедших в них при выщелачивании. Для очистки растворов от примесей: применяют следующие процессы:
а) осаждение примесей реaгeнтами. Напри мер, осаждение примесей железа из сульфатных цинковых растворов окисью цинка:
(17)
б) экстракция органическими растворителями. Некоторые органические растворители обладают спо собностью растворять и одновременно образовывать с солями од них металлов комплексные соединения, не растворяя и не образо вывая их с солями других. Пример - экстракция, азотнокислого уранила трибутилфосфатом:
(18)
в) адсорбционные и ионообменные процессы с применением ионитов (синтетических смол). Некоторые смолы обладают способностью к обмену ионов Н+, имеющихся в их составе на некоторые катионы, находящиеся в растворе.
Пример— извлечение урана из растворов ионообменными смолами-
(19)
г) кристаллизация, обычно в форме дробной кристаллизации, т.е. кристаллизации, повторенной многократно (в результате чего в одном конце цепи кристаллизаторов получаются чистые кристаллы соли одного металла, а на другом конце — раствор примеси другого металла), например кристаллизационное разде ление оксифторидов циркония и гафния, основанное на их раз личной растворимости в воде.
3. Осаждение металла из раствора в свободном виде. Для осаждения металла из раствора можно использовать один из сле дующих; методов:
2)цементацию—вытеснение одного металла из раствора другим
3) восстановление газообразным (Н2,СО,СН4) или твердым
восстановителем под давлением.
Перечисленные процессы не охватывают всех операций, которые осуществляются на металлургическом заводе. Есть еще ряд других процессов, при которых не протекает никаких химических реакций, но они весьма важны. Это так называемые вспомогатель ные процессы:
1) транспортировка продуктов (твердых, жидких и газооб разных);.
2) смешение твердых продуктов с жидкими или твердых с твердыми;
3) сушка материалов;
4) брикетирование;
5) упаривание растворов;
6) пылеулавливание;
7) улавливание вредных или ценных газов и др.
ГЛАВНЫЕ РЕАКЦИИ
ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
В СВОБОДНОМ ВИДЕ
1. Восстановление окислов металлов углеродом, водородом
или другими газами (окись углерода, метан):
(20)
По этим реакциям получаются железо, олово, свинец, никель, цинк; вольфрам; молибден и другие, металлы
2. Металлотермические реакции (восстановление одного ме талла другим), часто идущие с выделением большого количества тепла. По этим реакциям можно получать химически менее актив ные металлы, применяя в качестве восстановителя более актив ные металлы:
(21)
По реакциям этого типа получают многие редкие и редкоземель ные металлы.
3. Вытеснение одних металлов другими из водных растворов
солей (цементация):
(22)
Таким путем можно получать индий, галлий, серебро, золото, медь, кадмий и другие металлы.
4. Электролитическое разложение расплавленных солей.
Электролизом расплавленных; солей можно выделить любой металл. Но этот процесс применяют в тех случаях, когда другие способы не дают возможности получить металл в свободном виде:
(23)
литий, бериллий, натрий, цирконий, титан и некоторые другие металлы.
5. Электролитическое разложение солей в водном растворе.
(24)
Таким путем получают цинк, кадмий, индий, медь, кобальт и дру гие металлы.
6. Разложение (диссоциация) непрочных соединений
(25)
при t = 120° С.
Таким путем получают металлы высокой чистоты.
7. Получение металлов реакционной (горновой) плавкой:
(26)
8. Восстановление солей в водных, растворах (водородом,
окисью углерода, метаном) под давлением в щелочной или кислой среде; например
(27)
Таким путем, можно получить медь, никель, кобальт, золото, серебро и другие металлы.
8