Производство цветных металлов

Производство меди

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6% Cu, а также отходы от меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS₂, Cu₂S, CuS), оксидов (Cu₂O, CuO) или гидрокарбонатов (CuCO₃×Cu(OH)₂, 2CuCO₃×Cu(OH)₂). Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу при температуре 750-800 ⁰С.

При пирометаллургическом способе полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре 1250-1300 ⁰С восстанавливается оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди (Cu₂O), реагируя с FeS, дает Cu₂S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов меди и железа, перевода образующихся оксидов железа в шлак, а серы SO₂ и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98.4-99.4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубам, погруженным в расплавленную медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению SO₂ и других газов. При этом медь окисляется и для освобождения ее от Cu₂O ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее дерево. При сухой перегонки древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают Cu₂O.

После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99.5 %. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы, латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99.95 % Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO₄ (10-16 %) и Н₂ SO₄ (10-16 %). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди:

 

Сu²⁺ + 2e^- ® Cu.

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

 

Производство алюминия

Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов - гидроокисей Al(OH)₃, AlOOH, корунда Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O. Алюминий получают электролизом глинозема - окиси алюминия (Al₂O₃) в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) с добавлением фтористых алюминия и натрия (AlF₃, NaF). Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их переработки щелочью:

 

Al₂O₃×n H₂O + 2NaOH = 2NaAlO₂ + (n+1)H₂O.

Полученный алюминат натрия NaAlO₂ подвергают гидролизу:

 

NaAlO₂ + 2H₂O = NaOH + Al(OH)₃ ¯.

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия Al(OH)₃. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200 ⁰С и получают обезвоженный глинозем Al₂O₃.

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)₃, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок:

 

2H₃AlF₆ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃AlF₆ ¯ + 3CO₂ + 3H₂O.

 

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема Al₂O₃ проводят в электролизере, в котором в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4.5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000 ⁰С.

Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF₃ и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al³⁺ и образуется алюминий, а на аноде - ион О^2-, который окисляет углерод анода до СО и СО₂, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси и газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Са, Mg и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течении 30-45 мин при температуре 690-730 ⁰С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99.5-99.85 %.

 

Производство магния

Подобно алюминию магний получают электролизом из его расплавленных солей.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl₂×KCl×6H₂O), магнезит (MgCO₃), доломит (CaCO₃× MgCO₃), бишофит (MgCl₂×6H₂O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Безводный карналлит (MgCl₂×KCl) используют для приготовления электролита.

Электролиз осуществляется в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины а катодами - стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава: 10 % MgCl₂, 45 % СаCl₂, 30 % NaCl, 15 % KCl с небольшими добавками NaF и СаF₂. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 ± 10 ⁰С).

Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом.

Черновой магний содержит 5 % примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl₂, KCl, ВаCl₂, СаF₂, NaCl, СаCl₂, нагревают в электропечи до температуры 700-750 ⁰С и перемешивают. После этого печь охлаждают до температуры 670 ⁰С и магний разливают в изложницы на чушки.

 

Производство титана

Сырьем для получения титана являются титано-магнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45 % TiO₂,» 30 % FeO, 20 % Fe₂O₃ и 5-7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO× TiO₂.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса - титановый шлак содержит 80-90 % TiO₂, 2-5 % FeO и примеси - SiO₂, Al₂O₃, CaO и др. Побочный продукт этого процесса- чугун - используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлориров анию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800-1250 ⁰С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды CaCl₂, MgCl₂ и др.:

 

TiO₂ +2C + 2Cl₂ = TiCl₄ + 2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого восстанавливают в реакторах при температуре 950-100 ⁰С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция:

2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl₂ выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35-40 % магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900-950 ₀С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99.6-99.7 %. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.