Металлургией называется область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд и др

Цирконий оказался наиболее подходящим материалом для изготовления элементов ядерных реакторов. В электронике используют способность циркония активно поглощать газы – для поддержания высокого вакуума в электронном устройстве. Более половины производимого циркония в виде ZrO₂ и ZrSiO₄ применяют в производстве огнеупоров, фарфора, эмалей, стекла.
Уран – основное горючее ядерных реакторов.
Тантал и ниобий используют в радиоэлектронике и электротехнике, производстве жаропрочных, твёрдых сплавов, атомной энергетике и химическом машиностроении.
Рений. Основная область применения – в химической и нефтяной промышленности в качестве катализаторов химических процессов. Значительное количество рения идёт на выплавку жаропрочных сплавов.
Редкоземельные элементы – РЗЭ в виде металлов, сплавов и химических соединений нашли применение в чёрной и цветной металлургии, в производстве стекла и керамики, в атомной энергетике. Возможности использования РЗЭ далеко не исчерпаны и расширяются по мере исследования свойств лантаноидов, их сплавов и соединений.
Таблица 2
Примерные объёмы мирового годового производства некоторых металлов

Сталь	750 млн.т	Ванадий	45 тыс.т	Тантал	1тыс.т
Алюминий	16-17 млн.т	РЗЭ	35-45 тыс.т	Бериллий	500 т.
Марганец	10-12 млн.т	Цирконий	40 тыс.т	Теллур	300 т.
Медь	8-10 млн.т	Вольфрам	25-40 тыс.т	Германий	200 т.
Хром	5-7 млн.т	Ниобий	20 тыс.т	Платина	200 т.
Цинк	5-6 млн.т	Кобальт	20 тыс.т	Индий	100 т.
Свинец	4-5 млн.т	Серебро	15-19 тыс.т	Гафний	100 т.
Никель	760 тыс.т	Кадмий	15 тыс.т	Галлий	50 т.
Олово	200 тыс.т	Литий	9 тыс.т	Теллур	20 т.
Титан	100 тыс.т	Магний	3,5 тыс.т	Рений	10 т.
Молибден	100 тыс.т	Золото	2-3 тыс.т	Скандий	100 кг

Лекция №3. Классификация металлургических процессов

ПЛАН.

1. Применение пирометаллургических процессов.
2. Роль гидрометаллургии в производстве цветных металлов.

Все используемые при производстве металлов процессы делят на две группы: 1) пирометаллургические; 2) гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах чаще всего с полным или реже с частичным расплавлением перерабатываемых материалов, гидрометаллургические – в водных средах при температурах до 300⁰ С. Выделяемые иногда в отдельную группу электрометаллургические процессы могут быть как пиро-, так и гидрометаллургическими. Отличительной особенностью этих процессов является использование электроэнергии в качестве движущей энергетической силы для их протекания. Выделение их в самостоятельную группу с этой точки зрения не оправдано.
Пирометаллургические процессы. Пирометаллургические процессы по характеру поведения участвующих в процессе компонентов и их конечным результатам делят на три группы: обжиг, плавка, дистилляция.
Обжиг – пирометаллургический процесс, проводимый при температурах 500-1200⁰С с целью изменения физического или фазового состава перерабатываемого сырья. За исключением обжига со спеканием обжиговые процессы являются твёрдофазными. В цветной металлургии наиболее часто принимают следующие виды обжига:

1. 
   Кальцинирующий (прокалку). Его принимают для термического разложения (диссоциации) неустойчивых химических соединений путём нагревания до определённых температур. В общим виде этот вид обжига описывается следующими уравнениями:
   

Ме(ОН)₃→ Ме₂О₃ + Н₂О
МеСО₃→ МеО + СО₂

2. 
   Окислительный обжиг проводят для подготовительной обработки сульфидных руд и концентратов с целью частичного или полного перевода сульфидов в оксиды:
   

2МeS + 3O₂ = 2MeO + 2SO₂
Разновидностью окислительного обжига является сульфатизирующий обжиг:
MeS + 2O₂ = MeSO₄
К окислительному процессу относится и агломерирующий обжиг сульфидных материалов. Этот вид обжига имеет целью с одновременно окислением спечь материал. Спекание происходит за счёт образования некоторого количества жидкой фазы, которая при застывании сваривает тугоплавкие мелкие частицы в кусковый пористый продукт – агломерат.
3) Хлорирующий обжиг проводят с целью перевода оксидов или сульфидов в водорастворимые или летучие хлориды.
В цветной металлургии находят применение также восстановительных и фторирующие обжиги.
Плавка – пирометаллургический процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала. Различают две разновидности плавок – рудные и рафинировачные.
По характеру протекающих основных химических процессов рудные плавки делят на следующие виды:

1. 
   Восстановительная плавка - самый старый способ получения металлов из руд. Сущность её заключается в получении металла за счёт восстановления его оксидных соединений углеродистыми восстановителями и перевода пустой породы в шлак. В общем виде плавка описывается следующей схемой:
   

(МеО, SiO₂, CaO, Fe₂O₃) + C + O₂ , N₂ → Me + (SiO₂, CaO, FeO) + CO₂, N₂
руда металл шлак газы
В цветной металлургии восстановительную плавку применяют при производстве, например, свинца и олова.
2. Плавку на штейн применяют при переработки руд некоторых тяжёлых цветных металлов с переводом извлекаемых металлов в полупродукт, называемым штейном (сплав сульфидов). Кроме штейна при плавки получают шлак, концентрирующий в себе оксиды руды и флюсов.
Плавку на штейн можно проводить в нейтральной, восстановительной, окислительной атмосферах. При плавки в окислительных условиях за счёт окисления части сульфидов железа и перевода его оксидов в шлак штейны получаются с большой концентрацией (содержанием) извлекаемого металла. Такую плавку часто называют концентрационной.
Концентрационная плавка на штейн медных руд или концентратов происходит по схеме:
(CuFeS₂, FeS₂ , SiO₂, CaO) + (SiO₂, CaO) + (O₂,N₂) → (Cu₂S, FeS) +
флюс воздух штейн
(FeO, SiO₂- руда или концентрат, СаО) + (SO₂, N₂)
шлак газы
Все разновидности плавки на штейн широко принимают при получении меди и никеля.
3) Электролиз расплавленных солей проводят при воздействии постоянного тока на расплавы оксидов или хлоридов, получающихся плавкой перерабатываемого сырья непосредственно в электролизёре.
Процесс электролиза расплавов описывается следующей схемой: электролитическая диссоциация расплава МеО(МеСI₂) → Ме²⁺ + О^2- (2СI);
Катодный процесс: Ме²⁺ + 2е → Ме
Анодный процесс: О^2- - 2е → О₂ ↑ или 2СI^- - 2е → CI₂ ↑
В результате на катоде выделяется металл в жидком или твёрдом состоянии, а аноде – газ.
Электролиз расплавленных солей можно применить для получения практически любого металла, но следствие относительной дороговизны этот способ находит применение только тогда, когда другие, более дешёвые виды плавок не могут быть использованы.
Электролиз расплавов широко применяют для получения алюминия, магния и ряда других лёгких и редких металлов.
4. Металлотермическая плавка используется при получении трудновосстановимых металлов, склонных в случае применения углеродистых восстановителей к образованию карбидов Ме_хС, придающих металлам хрупкость. Металлотермический способ используют при получении ряда лёгких и редких металлов.
5. Реакционная плавка основана на получении металлов за счёт взаимодействия их сульфидов с оксидами, присутствующими в перерабатываемом сырье одновременно: 2МеО + МеS → 3Me + SO₂.
По методу реакционной плавки получается черновая медь при конвертировании медных штейнов и свинец.
Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных черновых металлов от примесей. В основе их лежат различия в физико – химических свойствах рафинируемого металла и элементов- примесей. В практике цветной металлургии встречаются несколько разновидностей рафинировочных плавок. Наиболее часто применяют окислительное и ликвационное рафинирования.
В основе окислительного (огневого) рафинирования лежит принцип перевода примеси, обладающей большим сродством к кислороду по сравнению с основным металлом, в шлак путём окислительной обработки расплава. Типичным примером такого процесса является огневое рафинирование меди.
Ликвационное рафинирование основано на образовании и разделении по плотности (ликвации) двух фаз, одна из которых является рафинируемым металлом. Примесь при этом должна концентрироваться в другой фазе, нерастворимой в основном металле. В зависимости от плотности примесь содержащая фаза будет сплывать на поверхность или погружаться на дно расплава. Образование второй фазы является следствием снижения растворимости примеси в рафинируемом металле при его медленном охлаждении. При ликвации одна из фаз должна быть жидкой, а вторая может быть как и жидкой, так и твёрдой. Ликвационное рафинирование широко используют в металлургии свинца.
При глубокой очистки некоторых металлов иногда применяют метод зонной перекристаллизации – зонную плавку и другие способы.
Дистилляция – процесс испарения (возгонки) вещества при температуре, несколько превышающей точку его кипения, позволяющей разделить компоненты обрабатываемого металла в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы могут быть использованы как для первичной переработки рудного сырья, так и для удаления легколетучих примесей при рафинировании металлов или разделении металлических сплавов. Дистилляция с целью рафинирования называется ректификацией. Дистилляционные процессы до недавнего времени использовались в металлургии цинка и применяются при получении ряда редких и лёгких металлов.
Гидрометаллургические процессы. Гидрометаллургические процессы находят широкое применение в промышленности при производстве многих цветных металлов. Они проводятся при относительно низких температурах (не выше 300⁰С) в жидкой, чаще всего в водной среде. Основными разновидностями гидрометаллургических процессов являются процессы выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металлов из растворов.
Выщелачивание – процесс перевода извлекаемых компонентов в раствор (растворение) при воздействие на перерабатываемый материал растворителя, часто в присутствии газового реагента – кислорода, водорода и др.
В результате выщелачивания получают два продукта: раствор извлекаемого металла, загрязнённый, как правило, примесями, и нерастворённый остаток (кек), состоящий в основном из компонентов пустой породы и трудновосстановимых соединений.
В качестве растворителей используют воду, растворы кислот, щелочей или солей. Растворитель должен быть доступным, дешёвым и обладать селективным действием по отношению к компонентам обрабатываемого материала, по возможности регенерироваться в ходе технологического процесса.
Очистку раствора от примесей проводят с целью предотвращения попадания в извлекаемый металл при последующем его осаждении из раствора или вредного воздействия на процесс осаждения.
Для очистки растворов выщелачивания от примесей используют методы их осаждения в виде химических соединений с помощью неорганических или органических реагентов, гидролиз, кристаллизацию или цементацию. При кристаллизации примесь выпадает в осадок при пересыщении раствора в результате, например, выпаривания из него воды. В основе цементационного осаждения лежит принцип вытеснения из раствора одного металла другим, более активным. Примером цементационной очистки могут служить процессы удаления меди из сернокислых растворов цинком или никелем.
CuSO₄ + Me→ Cu + MeSO₄
Осаждение металлов из растворов в свободном состоянии может быть проведено электролизом водных растворов, цементацией или восстановлением газообразными восстановителями под давлением или в форме химических соединений – кристаллизацией или гидролизом.
В гидрометаллургии цветных металлов (особенно в металлургии редких и благородных металлов) всё большое распространение приобретают сорбционные и экстракционные процессы. Применение этих процессов направлено на решение следующих задач:
- перевод ценного металла из раствора после выщелачивания в другой раствор, более удобным по солевому составу последующей переработке;
- концентрирование металлов из разбавленных растворов и пульп;
- селективное выделение металлов из растворов и очистка их от примесей;
- выщелачивание, совмещённой с сорбцией.
Ионообменные процессы основаны на способности некоторых твёрдых веществ (ионитов) при контакте с растворами поглощать ионы из раствора в обмен на ионы того же знака, входящие в состав ионита. В качестве ионита чаще всего используют синтетические высокомолекулярные вещества (смолы), обладающие высокой обменной ёмкостью, химической стойкостью и механической прочностью.
Экстракцией называется процесс извлечения растворённых химических соединений металлов из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающеюся водой. В качестве экстрагентов используют органические кислоты и их соли, соли аминов и аммониевых оснований, спирты, эфиры.
Лекция №4. Сырьё для получения цветных металлов

ПЛАН.

1. Понятие о руде.
2. Получение концентрата при обогащении.
3. Классификация металлосодержащих минералов.

Цветная металлургия является исключительно материалоёмкой отраслью промышленного производства. При производстве цветных металлов потребляются огромные количества различных полезных ископаемых, металлосодержащих материалов вторичного происхождения и других вспомогательных материалов.

В наибольших количествах при получении цветных металлов расходуется рудное сырьё. Расход руд на единицу товарной продукции в связи с относительно низким содержанием в сырье цветных металлов чрезвычайно велик и находится с концентрацией сильного компонента в нём в обратно пропорциональной зависимости – чем беднее перерабатываемое сырьё, тем большим будет расход руды в металлургическом производстве. Что многие предприятия цветной металлургии для выполнения своей производственной программы вынуждены перерабатывать десятки миллионов тонн в год.
Кроме рудного сырья на предприятиях цветной металлургии часто перерабатывается значительные количества других полезных ископаемых – угля, природного газа, флюсов, минеральных материалов для производства огнеупоров и т.д.
К горным породам относят все природные образования, возникшие внутри или на поверхности земной коры под воздействием различных геологических процессов. Причиной образования в земной коре месторождений руд и других полезных ископаемых является способность отдельных элементов или их комплексов к концентрированию в отдельных регионах. Рудой называется горная порода, содержащиеся в своём составе металл или металлы в таких количествах, которые при современном уровне развития обогатительной и металлургической технике могут быть экономически выгодно извлечены в товарную продукцию.
Понятие «руда» имеет геологический, технический и экономический смысл. Минимальное содержание основного металла в руде, позволяющее подвергать руду металлургической переработке, называется рентабельным минимумом.
Руды, как и другие рудные породы, состоят из минералов – природных химических соединений. Минералы, присутствующие в рудах, обычно делят на рудные, содержащие ценные компоненты, и пустую породу. К последней обычно относят минералы, не содержащие извлекаемых металлов и других ценных компонентов. Чаще всего породообразующими минералами являются кварц, карбонаты, силикаты, алюмосиликаты и т.д. Во многих случаях к пустой породе относят железосодержащие минералы, что в настоящее время является неправильным.
Понятие «пустая порода» весьма условно. Развитие металлургической технологии, направленной на создание безотходных металлургических процессов, уже создало предпосылки для полного использования компонентов пустой породы для получения ряда строительных материалов (цемента, шлаковатных изделий и т.д.).
Состав руды обычно определяют химическим анализом. Однако для практических целей знание химического состава часто бывает недостаточным. Необходимо также знать ещё вид присутствующих в сырье минералов (минералогический состав) и распределение между минералами всех компонентов перерабатываемого сырья (фазовый состав). Знание минералогического и фазовых составов позволяет предсказать поведение всех компонентов данного сырья при металлургической переработке, выбрать наиболее рациональную технологию и наиболее правильно выполнить металлургические расчёты в целом. Руды как металлосодержащие горные породы классифицируют по ряду признаков.
Руды, из которых на практике извлекают только один металл называются простыми или монометаллическими. Примером таких руд, и то достаточно условно, в настоящее время могут служить только некоторые сорта железных руд. Все руды цветных металлов, по существу, являются полиметаллическими (или комплексными) и содержат как минимум два извлекаемых металла. Наиболее сложны по химическому (и по минералогическому тоже) составу являются медные, медно – никелевые, медно – цинковые, медно – свинцово – цинковые руды, из которых уже сейчас извлекают до 10-15 ценных элементов.
По виду присутствующих металлосодержащих минералов руды цветных металлов делят на следующие основные группы:

1. 
   сульфидные, содержащие металлы в форме соединений серой – сульфидов. К таким рудам в основном относятся медные, медно – цинковые, медно – молибденовые, медно – никелевые, свинцово – цинковые (полиметаллические) руды;
   
2. 
   окисленные, в которых металлы содержатся в форме различных кислородсодержащих соединений: оксидов, карбонатов, гидроксидов и т.д. примером таких руд служат алюминиевые, окисленные никелевые, оловянные, некоторые разновидности медных и редкометалльных руд;
   
3. 
   самородные, содержащие металлы в свободном состоянии. В самородном состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь, платина, висмут, ртуть.
   
4. 
   смешанные, в которых металлы могут присутствовать в сульфидной и окисленных формах, а иногда и в самородном состоянии (медные руды);
   
5. 
   хлоридные, содержащие металлы в форме солей хлористоводородной кислоты. Из таких руд, извлекают магний, а также ряд лёгких и редких металлов.
   

Сульфидные минералы по характеру минерализации делятся, в свою очередь, на сплошные, состоящие почти полностью из сульфидов, и вкрапленные, в которых сульфиды в виде включений размещены в пустой породе.
Руды цветных металлов во многих случаях очень бедные и содержат чаще всего несколько процентов и даже доли процента основного металла. Концентрация сопутствующих основному металлу элементов – спутников обычно во много раз меньше. Однако многие сопутствующие элементы по ценности сравнимы, а иногда и превосходят основные компоненты руды, для извлечения которых она и добывается. К числу ценных составляющих следует относить и железо, содержание которого в рудах некоторых цветных металлов иногда достигает 40 – 50 % (по массе) и более. Экономическое значение комплексной переработки руд цветных металлов приводится в табл.3.
Табл. 3