Производство цветных металлов

1.

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

2.

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ
В земной коре содержится около 0,01 % меди. Обычно это сульфидные
руды, состоящие из смеси CuS, Cu2S и FeS. Среднее содержание меди в рудах
менее 3 %, пустая порода состоит из песка, глины и известняка.
В связи с низким содержанием меди руды подвергаются обогащению.
Извлечение меди из руд производится двумя способами: пирометаллургическим
и гидрометаллургическим. Первый чаще применяется для сульфидных, а второй
— для оксидных руд.

3.

ОБЩАЯ СХЕМА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО
СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ
МЕДИ
а – измельчение руды; б – обогащение флотацией; в – обжиг руды; г – плавка огарка ;д – конвертирование штейна; е –
огневое рафинирование; ж – электролитическое рафинорование.
Рисунок 1.1 - Металлургия меди

4.

Как следует из схемы, перед обогащением руда измельчается. Наиболее
приемлемым методом обогащения медных руд считается флотация. Смесь
измельченной руды с водой, называемая пульпой 2, загружается в чаны 1 и
продувается сжатым воздухом. Пузырьки воздуха 3 адсорбируют на своей
поверхности не смачиваемые водой частицы руды 4, содержащие соединения
металлов, и поднимают их на поверхность, образуя пену. Пустая порода
смачивается водой и в виде шлама 5 оседает на дне чанов.
Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плавкой
спекается в обжиговых печах. Чаще других используется обжиг в кипящем слое,
при котором концентрат 6 загружается на решетку 7, через которую снизу из
топки 8 подается горячий воздух 9. При температуре свыше 600 °С происходит
частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком.

5.

Огарок плавят в отражательных печах, куда он засыпается из бункеров 10.
Печные газы 11 плавят огарок, перегревают расплав до 1600 °С и обеспечивают
дальнейшее окисление FeS с образованием FeO и S02. Сплавляясь с пустой
породой, FeO образует шлак 12, ниже которого располагаются более тяжелые
сульфиды меди и железа, так называемый медный штейн 13.
Конвертирование штейна, содержащего около 35 % меди, 40 % железа в
виде сульфидов и некоторое количество Si02, осуществляют в горизонтальных
конвертерах, футерованных изнутри магнезитовым кирпичом 14. Опорноприводные ролики 15 позволяют поворачивать конвертер для заливки штейна и
выдачи черновой меди через горловину 17. Продувку воздухам осуществляют
через фурмы 16.

6.

Рисунок 1.2 - Слитки черновой меди
Черновая
медь
содержит
примеси неметаллических включений
и около 2 % примесей железа, цинка,
никеля, свинца и др. Слитки черновой
меди (рисунок 1.2) нуждаются в
рафинировании,
которое
осуществляется
огневым
или
электролитическим способом. При
огневом
рафинировании
слитки
расплавляют в пламенных печах и
расплав
окисляют
продувкой
воздухом через стальные трубы.
Так как большинство примесей (Si, Mn, Zn, Fe, Si и др.) имеют
более высокое сродство к кислороду, чем медь, они окисляются и переходят в
шлак, который удаляют в конце периода окисления примесей. Продувка расплава
меди природным газом во втором периоде способствует ее раскислению и
удалению неметаллических включений. Окончательное раскисление меди
осуществляют древесным углем и добавкой фосфористой меди.

7.

Рисунок 1.3 - Электролитическое рафинирование меди
Электролитическое рафинирование (рисунок 1.3) основано на анодном
растворении чушек черновой меди в растворе медного купороса и серной
кислоты 18. Катионы меди из раствора поступают на катод и там разряжаются.
Процесс идет в течение нескольких дней. Примеси выпадают в осадок 19, а медь
после переплава и разливки подается на прокатку.

8.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ
Алюминий относится к наиболее распространенным в земной коре металлам.
Он встречается в виде смеси оксидов алюминия, кремния и железа. В порядке
уменьшения содержания глинозема (А1203) и увеличения содержания силиката
различают бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Технологический процесс
производства алюминия разбивается на три этапа: извлечение глинозема из руд, его
электролиз с целью получения алюминия и рафинирование. Предложено много
различных методов извлечения глинозема из руд, но для самой богатой руды
(боксита), содержащей до 50 % А12О3 и 10 % SiO2, чаще других применяют мокрый
щелочной метод.

9.

ОБЩАЯ СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА
АЛЮМИНИЯ
а – прокалка руды; б – измельчение руды; в – выщелачивание; г – охлаждение гидроксида ;
е – обезвоживание глинозёма; ж – электролизная ванна; з – электрическое рафинирование;
И – рафинирование хлором.
Рисунок 2.1 - Металлургия алюминия

10.

Бокситы прокаливают в проходных
трубчатых печах (рисунок 2.2) и измельчают в
мельницах, после чего загружают в автоклав
для выщелачивания при температуре около 200
°С и давлении до 3 МПа. При этом протекает
реакция образования растворимого в воде
алюмината
натрия:
А12О3 +ЗН20 + 2NaOH=NA20Al203 + 4Н20.
Рисунок 2.2 - Схема трубчатой печи типа ГН
Параллельно идет процесс образования нерастворимого в воде Na20 • А1203
• 2Si02 • 2Н20 . Чем выше содержание Si02 в боксите, тем больше необратимые
потери А1203 и NaOH. Пульпа после фильтрации сливается в отстойник и
охлаждается, в результате чего гидрооксид алюминия выпадает в осадок:
Na2O • А120 3 + 4Н20 = 2NaOH + 2А1(ОН)3.

11.

Воду
отделяют
от
А1(ОН)3
фильтрованием, после чего гидрооксид
обезвоживают нагреванием в печах и
образующийся
глинозем
подают
в
электролизные ванны. Алюминий получают
электролизом глинозема в расплавленном
криолите NA2AlF6.
Сварные стальные ванны футеруют изнутри угольными блоками 1, а у
стенок — шамотным кирпичом. Стальные катодные шины 4 вмонтированы в
футеровку, благодаря чему угольный слой футеровки является катодом. Анодами
5 служат самообжигающиеся угольные электроды, которые по мере обгорания
снизу наращиваются сверху анодной массой, отвердевающей в результате
коксования. Температура электролита 2 порядка 950 °С. Глинозем, расходуемый
в ходе электролиза, загружается в ванну сверху, для чего твердая корка
электролита периодически проламывается. При этом происходит удаление С02 в
атмосферу.

12.

Растворенный
в
электролите
глинозем диссоциирует на ионы (А1203 =
2А13+ + ЗО 2- ). На поверхности катода ионы
алюминия восстанавливаются до металла
(2Аl3+ + 6е = 2Аl), который собирается на
дне ванны 3, откуда периодически удаляется
через металлическую летку. Кислородные
ионы разряжаются на угольном аноде 5 и,
взаимодействуя с ним, образуют С02.
Рисунок 2.3 - Продувка алюминия хлором
Алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен
примесями кремния, железа, неметаллическими включениями и газами, в
основном водородом, и нуждается в рафинировании. Для очистки от газов и
неметаллических включений расплав алюминия продувают хлором (рисунок 2.3).
Пузырьки хлора и А1С13 (парообразного при температуре жидкого алюминия
растворяют водород и адсорбируют на своей поверхности включения, вынося их
в верхние слои расплава и атмосферу. Более чистый алюминий можно получить
повторным электролизом через расплав хлористых и фтористых солей б,
подобранных таким образом, чтобы их плотность была выше 2,7 г/см3.

13.

В рафинируемый алюминий для увеличения плотности добавляют медь 7.
При этом анодом 8 является угольная ванна, а катодом 9 — угольный электрод. В
расплавленном электролите алюминий подвергается анодному растворению и
электролизу, скапливаясь в верхней части ванны. В ходе электролиза он
очищается не только от неметаллических включений, растворяющихся в
электролите, но и от металлических примесей.

14.

ТИТАН
Титан относится к числу широко распространенных в природе металлов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Но из-за трудности восстановления из оксидов он до сих пор не нашел такого широкого применения в технике, как, например, алюминий или железо.
Т

15.

Известны две основные разновидности титановых руд: рутил ТIO2 и
ильменит FeO • ТIO2.
Технологический процесс получения титана из ильменита представлен на рисунке 3.1 В первом приближении он может быть разбит на
следующие этапы: обогащение руды и получение двуокиси титана,
получение четыреххлористого титана, восстановление титана и
получение губки и, наконец, переплавка титановой губки в слитки.
Рисунок 3.1 - Технологический процесс
получения титана

16.

Обогащение титана можно производить как магнитной сепарацией, так и флотацией. Смесь концентрата с углем загружают в отражательные или индукционные печи и нагревают до температуры
плавления чугуна. В результате восстановления железа из оксида и
его науглероживания углем на подине печи образуется расплав чугуна, а
сверху — слой белого титанового шлака, содержащего 90 % ТIO2.
Порошок ТIO2 смешивают с углем и после добавки каменноугольной
смолы в качестве связующего брикетируют.

17.

Брикеты прокаливают при 800 °С и загружают в хлораторы, где они при
такой же температуре подвергаются хлорированию. В его ходе идет
реакция образования четыреххлористого титана:
ТIO2 + 2С12 + С = TiCl4 + С02.
Четыреххлористый титан представляет собой бурую жидкость с температурой кипения 136 °С.

18.

Вместе с ним образуются хлористые соединения элементов, входящих в
состав руды в виде примесей (Fe, V, Si).
Для разделения хлоридов используется принцип ректификации, для
чего пары смеси хлоридов пропускают через систему термостатов,
в которых поддерживается температура, более низкая, чем температура кипения соответствующего хлорида.

19.

Восстановление титана из TiCl4 осуществляется магнийтермическим или натрийтермическим методами. В герметически закрываемых
ретортах (реакторах) расплавляют чушки магния и при температуре
свыше 900 °С к нему добавляют жидкий TiCl4.
В результате реакции TiCl4 + 2 Mg = Ti + 2MgCl2 + Q
образуется MgCl2, который периодически сливают из реактора, и хлопья
титана, осаждающиеся в виде пористой массы (губки) на стенках
реактора.

20.

Губку, содержащую до 60 % титана и в виде примесей MgCl2,
и магний, рафинируют при 900...950 °С отгонкой магния и MgCl2
в водоохлаждаемые кристаллизаторы с помощью вакуума, после чего ее
размалывают, брикетируют и переплавляют в слитки в вакуумных
электрических дуговых печах с расходуемым электродом. Чтобы
исключить загрязнение титана материалом тигля, плавку ведут в
водоохлаждаемой медной изложнице. Электрическая дуга горит между
расходуемым электродом из прессованной титановой губки и жидкой
ванной металла. По мере оплавления электрод опускается вниз. Качество
металла улучшается, если переплавка производится дважды.
Готовые слитки титана поступают на прокатку или на производство титановых сплавов.

21.

МАГНИЙ
Магний относится к числу широко распространенных металлов. Его
содержание в земной коре превышает 2,3 %. Встречается он в виде
следующих минералов:
□ магнезита — природного карбоната магния (MgC03), содержащего
28,8 % магния;
□ доломита—двойного карбоната магния и кальция (MgC03 • СаСО),
содержащего 13,2 % магния;
□ карналлита—двойного хлорида магния и калия (MgCl2 ■ КС1 • 6Н 20),
содержащего 8,8 % магния;
□ бишофита — шестиводного хлорида магния (MgCl2 • 6Н20), растворенного в морской воде.

22.

Независимо от вида исходного сырья процесс получения магния
можно разбить на три периода: подготовку сырья, получение из него
магния и рафинирование. Магний можно получать термическим и
электролитическим способами. Последний способ применяется наиболее часто.

23.

Общая схема технологического процесса производства магния из
карналлита приведена на рисунке 4.2. Карналлит обезвоживают и плавят в печах, после чего подают на электролиз, который протекает при
температуре выше 700 °С, поддерживаемой пропусканием электрического тока (U= 6...7 В, /= 30 000...70 ООО А). Электролизер представляет собой сварную стальную ванну, футерованную внутри огнеупорным кирпичом 1.

24.

Рисунок 4.2 - Технологический процесс производства магния

25.

В расплав карналлита 3 опускают стальные катоды 4, облицованные с
внутренней стороны огнеупором. Графитовый анод 5 устанавливается
между двумя катодами и сверху закрывается хлороуловителем 6.
Выделяющийся на аноде хлор в виде пузырьков 7 всплывает, собираясь в
хлороуловителе, из которого он удаляется через отверстие 8.
Ионы магния разряжаются на катоде (Mg2 + 2е = Mg). Плотность
электролита поддерживают выше плотности магния 2, вследствие чего
последний всплывает на поверхность, откуда периодически удаляется
с помощью вакуумных ковшей и насосов.

26.

При этом применяются определенные меры предосторожности,
исключающие контакт расплавленного магния с кислородом воздуха (чтобы
избежать возгорания).
Дальнейшую очистку магния можно осуществлять возгонкой, используя сравнительно низкую температуру его кипения, или за счет
повторного плавления смеси магниевых чушек и специально подобранного
флюса 9, растворяющего неметаллические включения чернового магния.

27.

Если в качестве исходного сырья применяют магнезит или доломит, то процесс подготовки руды включает ее обжиг при 900 °С с целью разложения карбонатов, после чего полученный оксид магния
смешивают с углем и нагревают в атмосфере хлора. Образующийся
в ходе реакции хлорид магния используют для получения магния
в электролизерах:
MgO + С + С12 = MgCl2 + СО.
Процесс получения бишофита из морской воды и его переработку
с целью производства магния применяют редко, так как он связан со
значительными затратами энергии и большой трудоемкостью.

28.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Технология конструкционных материалов: учебник / О.С. Комаров, В.Н.
Ковалевский, Л.Ф. Керженцева и др. ; под общ. ред. О.С. Комарова. — 2-е
изд., испр. — Минск: Новое знание, 2007. — 567 с .: ил. — (Техническое
образование).