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

R-OH + {Au (CN) ₂}^-  R-Au (CN)₂ + OH^- (3)
А также многочисленные примеси, присутствующие в рабочих цианистых растворах:
2 ROH + [Zn(CN)₄]^2-↔ R₂[Zn(CN)₄] +2OH^- (4)
2 ROH + [Cu(CN)₃]^2-↔ R₂[Cu(CN)₃] +2OH^- (5)
4 ROH + [Fe(CN)₆]^4-↔ R₄[Fe(CN)₆] +4OH^- (6)
2 ROH + CNS^-↔ R₂CNS +2OH^- (7)
Cледует отметить, что в присутствии анионита увеличивается скорость растворения золота и, как следствие, повышается коэффициент извлечения целевого металла из руды. Из последнего аппарата выходит пульпа с отвальным содержанием золота в твёрдых и жидких фазах, которая, пройдя контрольный грохот для отделения смолы, уносимой из-за дефектов дренажных сит, обезвреживается от цианистых соединений и сбрасывается в хвостохранилище. Отрегенерированный анионит с добавкой свежего для компенсации его потерь загружают в последний аппарат. Насыщенный золотом сорбент выходит их первого аппарата сорбционного выщелачивания и направляется на регенерацию. Процесс проводят при концентрации NaCN 0,03-0,05%; CaO 0,01-0,02%. Продолжительность процесса сорбционного выщелачивания составляет 10-20 часов.
Насыщенный анионит, помимо золота и серебра содержит значительные количества примесей, сорбированных в результате побочных реакций, - железо, медь, цинк, никель, цианид и т.д.
Для извлечения драгоценных металлов и удаления примесей анионит подвергают регенерации. В результате регенерации восстанавливаются сорбционные свойства анионита, что делает возможным многократное его использование.

Лекция №16. Очистка сточных вод и газа от пыли

ПЛАН.

1. Целесообразность обезвреживания отходов металлургической переработки.
2. Конденсаторы и фильтры для улавливания пыли и газа.

Основными потребителями воды являются обогатительные фабрики и гидрометаллургические заводы и цехи. Сточные воды являются отходами производств. В настоящее время во многих случаях сточные воды сбрасываются в специальные хранилища. При наличии в них вредных веществ они могут служить источником загрязнения почвенного покрова, грунтовых и подземных вод и различных водоёмов. Сточные воды предприятий цветной металлургии отличаются исключительно большим разнообразием загрязняющих веществ, состав и вид которых зависит главным образом от характера перерабатываемого сырья и применяемых технологических реагентов, а также от качества очистки (обезвреживания) сточных вод. Сточные воды цветной металлургии могут содержать: грубодисперсные примеси в виде взвеси твёрдых частиц хвостов обогатительных фабрик и гидрометаллургических переделов; применяемые в технологическом процессе в качестве регуляторов среды и растворителей; ионы железа, меди, кадмия, сурьмы, ртути, титана и других элементов, которые попадают в сточные воды из растворов выщелачивания; цианиды – основное и наиболее токсичное загрязнение процессов флотационного обогащения и цианирования золотосодержащих руд; различные флотореагенты, применяемые при флотационном обогащении руд; различные органические реагенты, находящие всё большёе применение в гидрометаллургических и обогатительных процессах.

Приведённый перечень возможных загрязнений сточных вод предприятий цветной металлургии убедительно указывает на обязательность и необходимость их обезвреживания и на недопустимость сброса загрязнённых вод в природные «хранилища». Наилучшим вариантом предотвращения вредного влияния сточных вод на окружающую среду следует считать организацию частичного или полного водооборота и повторное использование сточных вод в производственном цикле. При введении водооборота хранилища сточных вод должны использоваться в качестве очистных сооружений. В случае сброса сточных вод в водоёмы их очистка должна приводить к снижению содержания каждой из загрязняющих примесей ниже предельно допустимых концентраций вредных веществ в воде водоёмов санитарно-бытового использования.
Выбор той или иной схемы очистки сточных вод зависит от многих факторов. Важнейшим из них являются: объём образующихся сточных вод, вид и концентрация загрязняющих веществ и особенно вредных для окружающей среды примесей, физико- химический свойства примесей или химических соединений, которые могут быть положены в основу методов очистки. При выборе схемы очистки должны учитываться возможности использования таких эффективных мероприятий, как сокращение объёма сбрасываемых сточных вод, экономия технологической воды, устранение переливов и аварийных сбросов и т.д. В основе наиболее часто встречающихся методов очистки сточных вод предприятий цветной металлургии лежат три основных принципа:
1) механическое отстаивание грубодисперсной взвеси (иногда с добавлением коагулянотов и флокулянтов);
2) осаждение примесей в виде трудновосстановимых солей;
3) окисление до безвредных соединений.
В свою очередь возможны два варианта организации схемы очистки сточных вод: путём последовательного выделения отдельных примесей с помощью соответствующих реагентов и комплексным выделением большинства примесей. Первый путь обеспечивает более глубокую очистку сточных вод, но приводит к сложной и дорогой многоступенчатой схеме. Второй вариант более прост и дешёв, но для каких-то отдельных примесей он может оказаться не лучшим.
Наиболее дешёвыми, распространёнными реагентами являются известь, используемая в качестве коагулянта, осадителя и химического реагента, а также хлорная известь, гипохлориды натрия, жидкий хлор, используемый в качестве окислителей.
Простое отставание сточных вод является наиболее дешёвым методом выделения из них механических взвесей твёрдых веществ. Однако оно эффективно только при осветлении воды до требуемых кондиций при продолжительности отстаивания не более 8 ч. Необходимая степень осветления воды при этом определяется её дальнейшим использованием или требованиями водоёма, в который производится сброс.
При чрезмерно медленном отстаивании грубодисперсных примесей применяют коагулирование. Коагулянтами могут быть гашеная известь, сульфаты и хлориды двух- и трёхвалентного железа, сульфат алюминия и их смеси. Для ускорения отстаивания скоагулированных примесей часто применяют синтетические флокуляторы (например, полиакриламид (СН₂СНСОN₂)_n, способствующий объединению отдельных частиц в более крупные агрегаты ,которые будут осаждаться быстрее).
Очистка сточных вод от кислот заключается в их нейтрализации с помощью любых щелочей, извести, известняка и т.д. по техническим и экономическим соображениям наиболее дешёвым и доступным реагентом является гашенная известь. При нейтрализации известью серной кислоты в осадок выпадает малорастворимый сульфат кальция – гипс. Сточные воды предприятий цветной металлургии чаще всего очищают от меди, никеля, свинца.
Все продукты, содержащие основные металлы, выделенные из сточных вод любым способом, возвращают в основное производство в качестве оборотных материалов. Для очистки сточных вод многих предприятий цветной металлургии пригодны почти стандартные схемы, сводящиеся к обработке их известью и активным хлором. Такие схемы в большинстве случаев обеспечивают очистку сразу от большинства примесей. В то же время такие стандартные схемы не гарантируют глубокой очистки сточных вод от примесей, т.е. не гарантируют сохранения должной чистоты природных водных объектов.
Для обезвреживания стоков предприятий цветной металлургии широкое применение могут найти ионообменные смолы. Сорбционный метод позволяет не только практически полностью обезвредить сточные воды но и одновременно извлечь из них реагентные вещества и цветные металлы. Однако этот метод в настоящее время ещё дорог.
Учитывая непрерывный рост потребления воды многими предприятиями промышленного производства, включая металлургию, следует считать единственным правильным направлением в рациональном использовании природных водных ресурсов и предотвращении их от загрязнений организацию замкнутых схем водоснабжения с переводом предприятий на бессточный режим работы. Отработанные технологические воды в этом случае не сбрасывают в поверхностные и подземные водоёмы, а подвергают очистке только от тех примесей, которые могут отрицательно влиять на технологию или обслуживающий персонал. Достигнутая степень очистки позволяет использовать частично очищенные стоки в водообороте.
Оборотное водоснабжение может быть организовано как единая система для всего предприятия, так и в виде оборотных циклов для отдельных переделов. Выбор схемы водооборота зависит от масштабов производства, потребности в воде отдельных переделов, особенностей технологии и вида применяемого оборудования.
Пыли в металлургических процессах образуются в результате выноса потоками вентиляционных, технологических и топочных газов мелких частиц перерабатываемых материалов и возгонов, образующихся при возгонке летучих компонентов. Запылённость газов, гранулометрический и химический составы пыли определяется видом перерабатываемого сырья, способом подготовке шихты к металлургической переработке, видом применяемого металлургического процесса, условиями относительного движения газов и шихты (прямо- или противоточное), объёмом и скоростью движения образующихся в процессе газов.
Пыли классифицируются на грубые с крупностью частиц более 100 мкм и тонкие – менее 100 мкм. Тончайшие фракции мелкой пыли, образующиеся при конденсации паров летучих веществ и в результате химических реакций, состоят из первичных частиц, размеры которых не более 1 мкм. По степени насыщенности газов пылью их делят на сильно- (запылённость до 50 г/м³), средне- (запылённость 10 г/м³) и малозагрязнённые (запылённость 1 г/м³) и технически чистые (запылённость около 0,05 г/м³).
Пылеулавливанием называется комплекс инженерных и технологических мероприятий, процессов и сооружений, предназначенных для отвода запылённых газов от источников образования пыли и последующего выделения твёрдых частиц из газового потока. Пылеулавливание не только позволяет утилизировать уловленную пыль, но и создаёт реальные предпосылки для использования ценных компонентов самих газов.
Вследствие многообразия исходных характеристик очищаемых газов (температуры, влажности, химического состава) и улавливаемой пыли (крупности частиц, их химического и фазового составов и некоторых физических свойств) применяют различные типы пылеулавливающих устройств – пылеуловителей. Осаждение твёрдых частиц из газового потока может происходить под действием гравитационных сил или путём осаждения на пористых поверхностях и различных телах. Эффективность работы пылеуловителей можно оценивать остаточным содержанием пыли в очищаемом газе или коэффициентом полезного действия, выражаемым отношением количества уловленной пыли к её количеству в исходном газе в процентах.
Существует три метода очистки воздуха или промышленных газов от пыли: сухой, мокрый и электрический.
При сухом методе пыль улавливается осаждением частиц под действием силы тяжести из сравнительно медленно движущегося потока газов, центробежной силы, инерционных сил и фильтрованием.
Мокрый метод основан на смачивании частиц пыли водой или другими жидкостями и осаждении их в виде пульпы. Для этого газ пропускают через слой жидкости или завесу мелкодисперсных частиц.
При электрическом методе выделение частиц из запылённого газа происходит под воздействием электрического поля на одноименно заряженные частицы пыли, приобретающие заряд в результате ионизации молекул газа коренным разрядом.
К сухим пылеуловителям относятся пылевые (осадительные) камеры, газоходы, одиночные, групповые и батарейные циклоны, инерционные пылеуловители и тканевые фильтры.
Пылевые камеры и газоходы являются простейшими пылеуловителями, в которых за счёт увеличения поперечного сечения (в пылевых камерах, составляющих часть общей газоходной системы) или уменьшения объёма газа при его охлаждении (в длинных газоходах) снижается скорость движения газового потока. В результате этого наиболее крупные частицы пыли начинают осаждаться под действием силы тяжести. В пылевых камерах и газоходах улавливается только грубая пыль с крупностью частиц более 100 мкм при к.п.д. не выше 40-70%. Из-за громоздкости и низкого к.п.д. пылевые камеры в цветной металлургии почти не применяются; их роль выполняют частично транспортирующие газ газоходы.
В настоящее время из числа сухих пылеуловителей более распространёнными являются циклоны. Выделение пыли в циклонах происходит под воздействием центробежной силы, возникающей при вращении газового потока в замкнутом цилиндрическом или коническом пространстве и превышающей в несколько раз силу тяжести. Развиваемые в циклоне центробежные силы отбрасывают частицы пыли к стенкам его корпуса, и они по внешней вихревой спирали перемещаются к нижнему пылеотводящему патрубку. Газовый поток, сузившись в нижней конусной части корпуса поворачивается и движется вверх к выходной трубе, образуя внутренний вращающийся вихрь. Скорость осаждения пыли в циклонах при прочих равных условиях уменьшается с увеличением радиуса вращения газового потока. Следовательно, более высокий эффект работы циклонов небольшого диаметра. На основе практического опыта рекомендуется использовать простые циклоны диаметром не более 0,8-1, м. По этой причине признано целесообразным при больших потоков газов вместо одного большого циклона устанавливать несколько небольших с параллельным распределением по ним общего газового потока. Такая система получила название групповых циклонов.
Циклоны обычно используются для предварительной очистки газов от пыли с крупностью частиц 5-10 мкм. К.п.д. циклонов в среднем составляет 70-80%. Повышение эффективности работы циклонов с уменьшением радиуса вращения газового потока послужило причиной разработки конструкции батарейных циклонов с набором (батареей) циклонных элементов диаметром 40-250 мм. Эффективность работы батарейных циклонов при крупности пыли 5 мкм составляет 82-85%, а при 15 мкм 95-96%. Закручивание газовой струи в отдельных элементах батарейного циклона осуществляется с помощью установленного в каждом элементе направляющего устройства в виде винта или розетки.
В тканевых фильтрах запылённый газ пропускают через фильтровальную ткань, изготовленную из волокнистых материалов, преимущественно стеклянных и синтетических волокон, а также иногда из шерсти и хлопка. В цветной металлургии наибольшее распространение получили так называемые рукавные (мешочные) фильтры. Наиболее эффективно рукавные фильтры работают при улавливании тонких пылей (возгонов). Поэтому газ, поступающий в них, необходимо предварительно очищать от грубой пыли (например, в циклонах). Во время работы рукавного фильтра поры ткани забиваются пылью и её фильтрующая способность постепенно уменьшается. Для повышения эффективности работы фильтра его отдельные секции заслонкой периодически отключают и рукава встряхивают вибрационным механизмом. Осевшая на внутренней поверхности ткани пыль при этом осыпается в бункер и с помощью шнека выводится из фильтра. К.п.д. рукавных фильтров достигает 98-99%.
Мокрое пылеулавливание основано на взаимодействии пыли с водой. Наиболее распространёнными пылеулавителями этого типа являются орошаемые водой скрубберы. Они представляют собой вертикальные башни, полые или с насадкой, через которые пропускают запылённый газ и в которые тем или иным способом подаётся вода. В качестве насадки применяют кусковые материалы, керамические или фарфоровые трубчатые цилиндрики, деревянные рейки и т.д. эффективность улавливания пыли простейшими скрубберами невелика. Практически даже частицы размером 2-5 мкм улавливаются не более чем на 70%. Более мелкие частицы улавливаются ещё хуже.
Более эффективными аппаратами мокрого пылеулавливания являются скрубберы с плавающей насадкой из полиэтиленовых или полипропиленовых шаров диаметром около 40 мм и скрубберы ударного действия. В скрубберах ударного действия газовой поток вводится в жидкость с высокой скоростью, ударяясь при этом о её поверхность, что приводит к образованию жидкостно- капельной завесы.
Электрический метод пылеулавливания является одним из основных способов глубокой очистки газов цветной металлургии от тонкой и тончайшей пыли с к.п.д., достигающим 99,5%. Аппараты для электрического улавливания пыли называют электрофильтрами. Принцип действия электрофильтров заключается в отрицательной ионизации пылинок коронным разрядом постоянного тока напряжением 50-100 кВ. Ионизированные частицы притягиваются осадительным электродом и осаждаются на нём. Необходимый для зарядки частиц пыли поток отрицательных ионов создаётся за счёт ионизации воздуха коронированием в неоднородном электрическом поле. Существуют сухие и мокрые электрофильтры. В цветной металлургии наиболее распространение получили сухие горизонтальные (с горизонтальным движением газового потока) многопольные пластинчатые электрофильтры, предназначенные для очистки газов с температурой до 400-450⁰С как с высокой начальной запылённостью, так и с небольшой запылённости. Мокрые электрофильтры используют для улавливания пыли с высоким электрическим сопротивлением или для выделения мельчайших взвешенных в газе капель(например, сернистой кислоты из туманов).
Перед поступлением в электрическое поле мокрого электрофильтра запылённые газы увлажняют до насыщения; мокрая пыль улавливается лучше. Мокрые электрофильтры обычно имеют трубчатые осадительные электроды. Движение газового потока в них в межэлектродном пространстве вертикальные – сверху вниз.
Пылеулавливание в промышленных условиях проводится в несколько стадий – по крайней мере в две. Вначале из запылённых газов выделяют грубую пыль в газоходах и циклонах, а затем с большой эффективностью осаждают тонкие фракции. Это позволяет наиболее рационально использовать уловленную пыль и повысить эффективность тонкого пылеулавливания. Грубые пыли обычно возвращают в оборот, а тонкие (возгоны), содержащие в своём составе ценные летучие компоненты ,должны подвергаться специальной комплексной переработке.
Выбор системы пылеулавливания для конкретного металлургического процесса зависит от многих факторов. Важнейшими из них являются: выход пыли (пылеунос), её гранулометрический состав, содержание в пыли ценных элементов-спутников основного металла, температура отходящих газов и ряд других.
Очистка газов от пыли во многих случаях не является самоцелью. Отходящие газы многих металлургических производств сами содержат в своём составе компоненты, которые либо являются источником серьёзных загрязнений окружающей среды., либо представляют большую материальную ценность и их необходимо извлекать из газов.
В числе компонентов отходящих газов представляющих двоякий практический интерес следует назвать оксиды серы, газообразный хлор, фтористый водород, сероводород, пары ртути. Сернистый ангидрид, например, наносящий огромный ущерб окружающей среде, успешно может использоваться для производства серной кислоты или элементарной серы.
Для выделения из металлургических газов ценных компонентов и обезвреживания их применяются следующие методы:
1) абсорбция, т.е. их поглощение при промывке газов жидкостями. Часто выделяемый газообразный компонент вступает в химическое взаимодействие с поглощающей жидкостью с образованием растворимого в нём соединения. Такой процесс называют хемосорбцией.
2) адсорбция – поглощение газов поверхностью твёрдых частиц (например, ионообменных смол);
3) перевод газообразных веществ с помощью специальных добавок в твёрдое или жидкое состояние с последующим их выделением из газа методами пылеулавливания.
Сернистые газы предприятий цветной металлургии, непригодные для непосредственного производства серной кислоты из-за низкого содержания в них сернистого ангидрида, должны обязательно обезвреживаться с последующим использованием поглощённой серы для получения ценных серосодержащих продуктов.

Лекция №17. Основы процесса производства цветных металлов

ПЛАН.

1. Основы процесса производства цветных металлов.
2. Применение вспомогательных материалов при получении цветных металлов.
3. Основные процессы и показатели производства цветных металлов.

Алюминий – важнейший лёгкий цветной металл. По производству и потреблению он занимает второе место среди металлов. Важнейшими физическими свойствами алюминия обусловливающими его широкое использование практически во всех отраслях народного хозяйства, являются малая плотность, высокие пластичность, электро- и теплопроводность. Многие физические свойства алюминия существенно изменяются в зависимости от степени их чистоты. Алюминий в настоящее время находит широкое применение в виде чистого металла, многочисленных сплавов, в виде солей и оксидов. Известно около 250 минералов, содержащих алюминий. Важнейшими алюминиевыми рудами являются бокситы, нефелины, алуниты. Из алюминиевых руд, сначала выделяют глинозём – технический оксид алюминия, из которого затем получают металлический алюминий. Возможность использования алюминийсодержащих горных пород в качестве рудного сырья для получения алюминия определяется технико-экономическими соображениями с учётом применимости известных способов переработки. В то время как в крупномасштабном производстве тяжёлых цветных металлов преобладают горно-металлургические предприятия, объединяющие горное, обогатительное и металлургическое производства, современная алюминиевая промышленность в большей части строится на основе чёткой дифференциации глинозёмных заводов и алюминиевых заводов. Это обусловлено тем, что электролитическое получение алюминия относится к категории очень энергоёмких производств и размещение таких заводов тяготеет к источникам дешёвой энергии электростанций. Производство глинозёма, наоборот, базируется в местах добычи алюминиевых руд, что сокращает объёмы перевозимых на электролитные заводы сырьевых материалов.

Процесс получения металлического алюминия достаточно сложен и состоит по существу из четырёх отдельных технологий:
1) производства глинозёма;
2) производства криолита и фтористых солей;
3) производства угольных изделий;
4) производства электролитного алюминия.
Со времени открытия и внедрения электролитического способа производства алюминия его развитие шло в направлении улучшения конструкции применяемых аппаратов, механизации и автоматизации технологических операций и их совершенствования. Сущность способа при этом оставалась неизменной.
Несмотря на преимущественное применение электролиза расплавов для получения алюминия, эта технология имеет определённые недостатки по сравнению с крупномасштабным производством ряда других цветных металлов:
1) малая единичная мощность даже самых крупных электролизёров;
2) высокий удельный расход электроэнергии;
3) необходимость преобразования перемененного тока в постоянный;
4) сложность технологических схем производства глинозёма;
5) большой расход дорогостоящих чистых фтористых солей;
6) невозможность использования низкосортных видов алюминийсодержащих сырьевых материалов.
Производство глинозёма Глинозём – чистый оксид алюминия AI₂O₃ – является основным исходным материалом при производстве алюминия электролизом. Большое внимание при оценке качества технического глинозёма уделяется его физическим свойствам: влажности, плотности, насыпной массе, гранулометрическому составу и т.д. От этих свойств зависит поведение глинозёма при его транспортировке, загрузке в электролизёры и в самом процессе электролиза.
В настоящее время практически весь глинозём получают щелочными методами, которые в свою очередь делятся на гидрохимические, термические, комбинированные.
Получение глинозёма по способу Байера Способ Байера относится к щелочным гидрохимическим процессам. В основе способа Байера лежит обратимая химическая реакция

AI(OH)₃ + NaOH ↔ NaAIO₂ + 2H₂O (1)

В условиях обработки (выщелачивания) исходной руды раствором едкого натра эта реакция идёт направо, т.е. алюминий переходит в раствор в форме алюмината натрия. При разложении полученных растворов равновесие реакции сдвигается в обратную сторону и происходит гидролиз алюминатного раствора с образованием кристаллического осадка гидрооксида алюминия. В способе Байера технологический цикл по щелочи замкнут. Способ Байера применяют обычно для переработки высококачественных бокситов с относительно низким содержанием кремнезёма. Исходный боксит дробят, а затем измельчают в среде концентрированного оборотного раствора щелочи. Далее пульпу выщелачивают с целью перевода оксида алюминия в раствор. Образование больших количеств нерастворимого гидроалюмосиликата натрия при выщелачивании бокситов недопустимо, так как ведёт к неизбежным потерям дорогостоящей щелочи и к снижению извлечения в раствор алюминия. По этой причине бокситы с повышенным содержанием кремнезёма перерабатывать способом Байера нецелесообразно. Для выщелачивания бокситов, требуются температуры не ниже 180-240⁰С. При таких условиях давление насыщенных паров водного раствора гораздо выше атмосферного. Поэтому выщелачивание бокситов проводят в специальных аппаратах – автоклавах, работающих под давлением. Алюминатные растворы, образующиеся при выщелачивании, склонны к распаду, т.е. обратному выделению из них гидрооксида алюминия. Стойкость алюминатных растворов зависит от избытка щелочи, который на практике принято характеризовать каустическим модулем α_к. Каустический модуль выражается мольным отношением Na₂O : AI₂O₃ и должен составлять в оборотном растворе величину ~ (3,5-4,0). Чем больше каустический модуль, тем устойчивее алюминатный раствор и быстрее протекает выщелачивание. Алюминатный раствор от шлама отделяют обычно сгущением с последующей фильтрацией от тонкой взвеси.

Выпущенный из сгустителей шлам подвергают многократной промывке по принципу противотока, что позволяет более полно отмыть его от остатков алюминатного раствора и получить промывные воды более высокой концентрации. Промытый красный шлам откачивают в хвостохранилище. Алюминатный раствор после сгущения обрабатывают на фильтрах, работающих под давлением или под разрежением. Далее раствор подвергают декомпозиции (разложению).
Процесс декомпозиции проводится с целью кристаллизации раствора AI(OH)₃. В основе его лежит обратимость реакции (1), протекающей в условиях процесса справа налево. Для того чтобы осуществить процесс разложения алюминатного раствора, необходимо разбавить раствор, охладить его, ввести «затравку» (ранее полученные мелкие кристаллы гидрооксида алюминия) и перемешивать пульпу в течение 50-90 ч, чтобы вырастить достаточно крупные кристаллы. В результате декомпозиции полученный маточный раствор и кристаллы гидрооксида алюминия различной крупности направляют на сгущение. Для отделения гидрооксида от маточного раствора и классификации гидрооксида используют гидросепараторы, гидроциклоны и сгустители; сгущённую пульпу фильтруют и промывают на барабанных вакуум-фильтрах. После классификации пульпы получают две фракции гидрооксида алюминия и маточный раствор. Крупная фракция с размером частиц не более 40-100 мкм является продукционным гидрооксидом, который направляют на кальцинацию, а мелкую используют в качестве затравки при декомпозиции алюминатных растворов. Маточный раствор после отделения гидрооксида объединяют с промывными водами и направляют на выпаривание. Крупную фракцию гидрооксида алюминия после тщательной промывки и фильтрации направляют на завершающую стадию получения глинозёма – кальцинацию. Цель кальцинации – обезвоживание гидрооксида.
Электролитическое получение алюминия. В связи с тем, что алюминий в ряду напряжений находится среди наиболее электроотрицательный металлов, его электрическое получение возможно только из электролитов, не содержащих в своём составе более электроположительных по сравнению с алюминием ионов. К таким электролитам относятся солевые расплавы, содержащие катионы щелочных и щелочноземельных элементов и обладающие достаточно хорошей растворимостью глинозёма. Основой современного промышленного электролита является система криолит – глинозём (Na₃AIF₆ – AI₂O₃). Для снижения температуры плавления электролита, увеличения его электропроводности, улучшения смачиваемости электролитом анода и придания ему ряда других свойств в электролит вводят различные добавки в количестве, не превышающем суммарно 6-10%. Оптимальная температура электролита в нормально работающем электролизёре колеблется от 950-970⁰С. В процессе электролиза глинозёма его концентрация в электролите непрерывно снижается до предельно допустимой. Обеднение электролита глинозёмом приводит к снижению вязкости электролита, некоторому уменьшению его плотности и ухудшению смачиваемости анода расплавом. Убыль глинозёма в электролите периодически или непрерывно пополняют. Конечные результаты электрохимического процесса могут быть описаны следующими реакциями:

На катоде 2AI³⁺ + 6e → 2AI;

На аноде 3О^2- - 6е → 3О.

Основными продуктами процесса электролитического получения алюминия являются металлический алюминий и анодные газы. Полученный электролизом алюминий содержит металлические, неметаллические и газообразные примеси.

Рафинирование алюминия. Примеси значительно ухудшают механические, электролитические и литейные свойства алюминия, а также снижают его коррозионную стойкость. Для очистки от механических примесей и растворённых газов алюминий, извлечённый из электролизных ванн, перед разливкой хлорируют. После обработки хлором алюминий сливают в отражательные электрические печи. Назначение этой операции: а) дополнительно очистить металл от неметаллических примесей за счёт длительного отстаивания; б) усреднить состав получаемого металла путём смешивания алюминия из различных ванн. После выдержки и усреднения состава алюминий отливают в слитки.
Металлургия свинца. Свинец – один из немногих металлов, которые нашли применение уже в глубокой древности. Со многими металлами свинец образует ряд важных для народного хозяйства сплавов. Свинец находит широкое применение в самых различных областях техники. В наибольших количествах его используют в производстве аккумуляторов и антикоррозионных оболочек кабелей. Крупнейшими производителями свинца за рубежом являются США, ФРГ, Великобритания, Япония, Австралия, Франция, Канада.
Основным сырьём для производства свинца являются сульфидные полиметаллические руды. Наибольшее распространение имеют свинцово-цинковые и медно-свинцово-цинковые руды. Важнейшим свинцовым минералом является галенит РbS. В смешанных и окисленных рудах встречаются церуссит PbCO₃ и англезит PbSO₄. свинцовые руды, содержащие менее 8-9% Pb , для непосредственной металлургической переработки непригодны. По этой причине практически все добываемые руды подвергают обогащению методом селективной флотации.
При обогащении свинецсодержащих руд преследуют две цели: отделить большую часть пустой породы и одновременно разделить основные ценные компоненты по самостоятельным концентратам.
Для переработки сульфидных свинцовых концентратов применимы в принципе как пирометаллургическая, так и гидрометаллургическая технология. Однако гидрометаллургические способы извлечения свинца вследствие технологического несовершенства не конкурентоспособны с пирометаллургией и до настоящего времени не нашли применения в промышленности.
Возможны три варианта выплавки свинца из сульфидных концентратов: реакционной, осадительной, восстановительной плавкой.
В основе реакционной плавки свинца лежит принцип частичного окислительного обжига концентрата по реакциям:
2 PbS + 3O₂ = 2PbO + 2SO₂; (1)
PbS + 2O₂ = PbSO₄. (2)
С последующим взаимодействием продуктов обжига с остатком неокислившегося сульфида свинца:
PbS + 2 PbO = 3Pb + SO₂; (3)
PbS + PbSO₄ = 2Pb + 2SO₂. (4)
По принципу реакционной плавки в настоящее время получают свинец методом электроплавки и кивцэтным процессом.
Осадительная плавка основана на реакции вытеснения свинца из его сульфида металлическим железом:
PbS + Fe = Pb + FeS. (5)
Хотя осадительная плавка не применяется в настоящее время в промышленности, реакция, лежащая на его основе, частично реализуется в практике шахтной восстановительной плавки.
Прямое восстановление сульфидов традиционными углеродистыми восстановителями – задача сложная и технологически в промышленных условиях не осуществимая. Чтобы получить металлический свинец методом восстановительной плавки из сульфидных концентратов, их нужно предварительно подвергнуть окислительному обжигу с одновременным спеканием, так как плавку на черновой свинец ведут в шахтных печах. Обожжённый агломерат плавят с коксом; свинец при этом восстанавливается по реакции PbO + CO = Pb + CO₂.
Примеси с большим сродством к кислороду пр плавке образуют шлак, а с малым – восстанавливаются до металлов и растворяются в свинце. После выпуска из печи черновой свинец в жидком виде направляют на рафинирование. Рафинирование чернового свинца проводится преимущественно пирометаллургическим способом, хотя на некоторых заводах для этого используют электролиз.
Металлургия цинка. Цинк является одним из известных металлов с древних времён. Температура плавления и кипения соответственно равны 419, 5 и 906 ⁰С. Цинк – типичный электроотрицательный металл. Он вытесняет медь, никель, кобальт, свинец, олово и благородные металлы из растворов. Это свойство цинка широко используют в металлургической практике для цементационного выделения ряда металлов из растворов. Хорошие литейные свойства сплавов на основе цинка позволяют методами литья под давлением получать изделия сложнейших форм с хорошими механическими характеристиками.
В настоящее время по выпуску и потреблению цинк занимает среди цветных металлов третье место – после алюминия и меди.
Основным источником получения цинка являются сульфидные медно-свинцово-цинковые, медно-цинковые, свинцово-цинковые руды. В сульфидных рудах цинк обычно присутствует в виде сфалерита ZnS. Можно считать, что цинк извлекают в значительной степени из тех же руд, что и свинец. В окисленных цинкосодержащих минералах присутствуют следующие минералы цинка: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO• SiO₂• H₂O.
В сульфидных полиметаллических рудах содержание цинка обычно составляет 1-3%. Эти руды имеют сложный состав. Цинковые концентраты получаемые селективным флотационным обогащением содержат до 60% Zn. Переработку цинкового концентрата ведут двумя методами: пирометаллургическим (дистилляционным) и гидрометаллургическим.
В основе пирометаллургического способа лежит процесс восстановления оксида цинка при 1000-1100⁰ С, т.к. при такой температуре обеспечивается выделение его в момент образования в парообразном состоянии и возгонку (дистилляцию) в виде паров:
ZnO + C ↔ Zn_пар + CO; ZnO + CO ↔ Zn_пар + CO₂
Пары цинка в дальнейшем конденсируют.
Получающийся пирометаллургическим способом цинк содержит большое количество металлов – примесей, возгоняемых вместе с ним или попадающих в него из выносимых газами пыли. Поэтому дистилляционный цинк обязательно подвергают рафинированию.
В связи с ограниченным использованием дистилляционных процессов в производстве цинка и неперспективностью их дальнейшего использования в настоящее время этот способ применяется ограниченно.
В настоящее время на большинстве цинковых заводах получили широкое распространение гидрометаллургические процессы. они имеют следующие преимущества:
1) более высокое извлечение цинка и сопутствующих элементов;
2) более высокая комплексность использования сырья;
3) высокое качество цинка;
4) высокая механизация трудоёмких процессов.
По этому способу цинк выщелачивают раствором серной кислоты из предварительно обожженного концентрата. При выщелачивании цинкового огарка в раствор в виде сернокислого цинка по реакции:
ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O
При выщелачивании цинкового огарка в раствор частично переходят содержащиеся в нём компоненты. Качество получаемого электролитическим осаждением цинка зависит от чистоты раствора; чем чище поступает на электролиз раствор, тем более чистым получается товарный цинк. Поэтому перед электролизом раствор тщательно очищают от примесей. Цинк при электролизе осаждается на катоде, а на аноде регенерируется серная кислота, необходимая для выщелачивания свежий порций огарка, и выделяется кислород. Катодные осадки цинка переплавляют. Кек, получаемый после выщелачивания, подвергают дополнительной переработке с целью доизвлечения из него цинка и других ценных компонентов.

Лекция №18. Основы производства чёрных металлов.

План.

1. Получение чугуна и стали.
2. Металлургия хрома, марганца, стали и чугуна.
3. Обработка металлов. Литейное дело.

Железо среди других металлов занимает особое положение. Развитие материальной культуры, технический прогресс человеческого общества напрямую связаны с развитием, совершенствованием способов производства железа.

Следует отметить, что в практике используется не чистое железо, а его сплавы с другими элементами и в первую очередь с углеродом. Эти сплавы получили название черные металлы. По свойствам – в зависимости от содержание углерода – черные металлы делят на три группы: железо (техническое) до 0,02%С, сталь - 0,02 – 2,14% и чугун – 2,14 – 7%С.
Доля черных металлов составляет примерно 95% от общего объема производства металлов. Черные металлы, и прежде всего стали, широко применяют в промышленности, транспорте, строительстве и в быту. Такое широкое распространение черных металлов обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, в земной коре содержатся большие запасы железорудного сырья, а стоимость извлечения железа из руд сравнительно невелика.
По распространенности в земной коре железо занимает четвертое место(после кислорода, кремния, алюминия). Многие месторождения железных руд имеют запасы в сотни миллионов и даже в несколько миллиардов тонн, что позволяет строить крупные горнорудные предприятия, благодаря чему затраты на добычу 1т руды оказываются невысокими. Стоимость производства черных металлов значительно ниже, чем цветных и редких металлов вследствие высокой концентрации железа рудах (40-65) и сравнительно не большой энергии связи железа с кислородом в рудных минералах. Последнее позволяет применять для восстановления железа относительно недорогие и широко распространенные химические реагенты: углерод, монооксид углерода (из кокса, природного газа).
Во–вторых, черные металлы удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к конструкционным материалам в машиностроительной, электротехнической, строительной и других отраслях промышленности. Разнообразные свойства, которыми обладают различные стали (механические, магнитные, электрические, химические и др.), обусловлены введением в сплавы легирующих элементов и применением способов термической обработки.
Отрасль промышленности, которая занимается извлечением железа из руд и переработкой черных металлов, называется черная металлургия.
Археологические раскопки показывают, что человек использует железо уже несколько тысячелетий. В чистом виде железо в природе не встречается. В земной коре оно находится в виде различных, химических соединений, чаще всего с кислородом - в виде оксидов, смешанных с пустой породой, не содержащей железа. Извлечение железа из руд, т.е. получение его в металлической форме, требует решения двух задач: 1) восстановление железа из его оксидов; 2) отделение восстановленного железа от пустой породы. В древности производство железа осуществляли в так называемых сыродутных горнах, которые вырывали в земле, а позднее сооружали на поверхности земле из камня.
Со временем способ получения металла совершенствовался. Наиболее эффективными направлениями оказались, во-первых, увеличение высоты печей, что способствовало лучшему использованию энергии газового потока, и во-вторых, применение специальных устройств для вдувания воздуха в печь. В результате увеличивалась интенсивность горения топлива, повышалась температура в горне печи, снижался удельный расход топлива и росла производительность печей.
Освоение в промышленных масштабах способа получения кислорода в 50-х годах ХХ века позволило возродить конвертерный процесс на новой технической основе.
Избыток тепла, который получается в кислородно – конвертерном переделе, позволяет, не снижая температуру стали ниже требуемой, расходовать тепло на переплавку металлического лома, на плавление повышенного количества шлака – для удаления серы и фосфора.
Высокая экономическая эффективность современного массового производства стали обусловлена использованием высокопроизводительных и экономичных металлургических агрегатов: доменной печи и кислородного конвертера. Все более широкие масштабы в последние годы получает выплавка стали в электрических печах. Эти печи удобны на машиностроительных заводах для получения стали в сравнительно небольших количествах. Электрометаллургия имеет большие преимущества при получении высококачественных легированных сталей, ферросплавов и в случае необходимости расплавления тугоплавких металлов и сплавов. На рубеже ХХ века появились печи другого типа – индукционные.
Производство железа, а точнее – стали включает в себя следующие четыре стадии:
1 стадия – механическое обогащение и окускование железных руд;
2 стадия – восстановление оксидов железа и отделение железа от пустой породы пирометаллургическим способом – доменной плавкой;
3 стадия – очистка полупродукта – чугуна – от нежелательных примесей с получением стали заданного химического состава;
4 стадия – комплекс технических приёмов улучшения потребительских свойств различных марок стали путём дальнейшей очистки её от газовых и неметаллических включений.
В качестве сырья для получения железа используют железные руды, которые в соответствии с минералогическим типом рудного минерала делят на четыре типа:
1. красные железняки – рудный минерал – гематит – Fe₂O₃
2. магнитные железняки – рудный минерал – магнетит - Fe₃O₄
3. бурые железняки – рудный минерал – гидрооксиды железа - Fe₂O₃ * nH₂O
4. сидериты – рудный минерал - FeCO₃
Часто в железных рудах есть в небольших концентрациях примеси:
- полезные: Mn, V, Cr, Ni и др.
- вредные S, P, As, Zn и др.
С целью комплексного использования минерального сырья в шихте доменных печей часто используют оборотные продукты доменной плавки и отходы производств, содержащие повышенное количество железа и других ценных компонентов.
Современное доменное производство предъявляет к железорудным материалам очень высокие требования по гранулометрическому и химическому составам, по содержанию вредных примесей, по прочности, восстановимости. Поэтому практически все добываемые железные руды подвергаются полному комплексу подготовки: дробление, измельчение, грохочение, классификация, обогащение, усреднение, окускование.
Основным агрегатам для извлечения железа из железных руд является доменная печь. Получаемый в результате доменной плавки чугун имеет ограниченную область применения, так как он хрупок, не обладает пластичностью, имеет низкую ударную прочность. Задачей сталеплавильного производства является используя чугун как исходный материал, получить сплавы – стали – со значительно лучшими механическими свойствами.
Первое принципиальное отличие сталеплавильного производства от доменного – это окислительный характер процессов. Второе отличие состоит в том, что производство стали требует значительно более высоких температур, чем производство чугуна. Третьим отличием является периодический характер производства, когда в металлургический агрегат даётся определённое количество чугуна и других материалов и начинают вести передел чугуна в сталь. По истечении некоторого времени, за которое окислительные процессы пройдут в необходимом объёме, готовую сталь выпускают из печи или конвертера. После чего начинается очередная плавка.
Литьё является одним из наиболее распространённых способов производства заготовок для деталей машин. около 70% заготовок получают литьём, а в некоторых отраслях машиностроения, например, в станкостроении, - 90%. Нет ни одной отрасли машиностроения или приборостроения, в которой не применяли бы литые детали. Широкое распространение литейного производства объясняется большими его преимуществами по сравнению с другими способами изготовления заготовок (ковкой, штамповкой): литьём можно получать заготовки практически любой сложности с минимальными припусками на механическую обработку, что уменьшает расход металла, сокращает затраты на обработку резанием, снижает себестоимость изделий.
В настоящее время наибольшее количество отливок получают в разовых формах. Сущность метода заключается в том, что с помощью модели, представляющей копию изготовляемой детали чуть больше натуральной величины, в формовочной смеси делается пустое пространство соответствующей конфигурации, которое затем заполняется расплавленным металлом.
Формовочная смесь – сыпучий материал, из которого изготовляются формы, состоит из трёх компонентов, основных (песок, глина), связующих и добавок. В литейном производстве применяют разовые, полупостоянные и постоянные формы. Модели бывают деревянные, металлические, из пластмасс.