Производство цветных металлов

Наиболее широкое применение в машиностроении получили медь, алюминий, магний, титан, цинк, никель, свинец и олово. Их используют в чистом виде и в составе многих сплавов. Основным сырьем при получении цветных металлов являются руды. Отличительной чертой руд цветных металлов является низкое содержание в них основного металла. Лишь в алюминиевых и магниевых рудах его находится от 10 до 30%. Второй отличительной чертой руд цветных металлов является их комплексный характер. Так, в медных и свйнцово - цинковых рудах обычно содержится кадмий, золото, серебро, селен, теллур, молибден, висмут и другие элементы. Присутствие столь ценных компонентов вызывает необходимость комплексной переработки руд с целью выделения всех элементов.

Методы производства цветных металлов очень разнообразны. Рассмотрим технологические процессы получения двух металлов- меди и алюминия, которые наиболее широко применяемых в промышленности.

Производство меди

В природе чистая медь встречается весьма редко. Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь находится в виде сернистых соединений, окислов или гидрокарбонатов. Пустая порода руд состоит из пирита, кварца и др. Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для промышленного производства наибольшее значение имеют сернистые соединения меди, в них содержится от 1 до 6% меди.

В промышленности наиболее широкое применение получил пирометаллургический способ получения меди, пригодный для переработки любых медных руд, позволяющий извлекать попутно с медью ее спутники -драгоценные металлы. Этот способ включает следующие основные переделы: подготовка руд к плавке, выплавка штейна, конвертирование штейна, рафинирование черновой меди.

Обогащение медных руд осуществляется способом флотации. Флотация -обогащение, основанное на различной смачиваемости минералов, образующих руду. Процесс осуществляется во флотационных машинах. В результате флотации содержание меди в медном концентрате повышается до 8-35 %. Кроме меди, в него входят 35-40% серы, 30-35% железа, а также глинозем и другие окислы. Для снижения содержания серы медный концентрат подвергается обжигу в печах. Продукт обжига медного концентрата называется огарком. Под действием потока воздуха огарок выводится из обжиговой печи и используется для выплавки меди.

Плавка огарка осуществляется в специальных печах. Наиболее распространены отражательные печи, которые по своему устройству напоминают мартеновские. Плавка в этих печах происходит за счет тепла сгорающего топлива, в качестве которого применяются природный газ, мазут или угольная пыль. Производительность отражательных печей низкая. Более перспективна плавка огарка в циклонах, представляющих собой плавильные печи, имеющие форму цилиндра. В циклон с большой скоростью по касательной к цилиндру подается воздух. Воздушная струя образует внутри циклона вращающийся вихрь. Предварительно измельченный пылевидный огарок, подаваемый в печь, обдувается горячим воздухом, быстро нагревается и плавится, стекая в отстойную камеру. Производительность циклонной плавки в 30-50 раз выше, чем в отражательных печах.

При расплавлении огарка образуется расплав, разделяющийся на два слоя. Нижний слой состоит на 80-90% из сульфидов меди и железа и носит название штейна; верхний слой представляет собой шлак, состоящий в основном из окислов кремния, алюминия, железа и кальция. Расплавленный штейн отделяют от шлака и используют для получения черновой меди. Процесс получения черновой меди осуществляется в конверторе с боковым дутьем. Современные медеплавильные конверторы имеют диаметр 3-4 метра и длину 6-

10 метров. Производительность такого конвертора составляет 80-100 тонн за одну операцию.

При продувке воздухом через расплавленный штейн вначале происходит окисление железа как элемента, имеющего более высокое сродство с кислородом по сравнению с медью. Образующаяся при этом закись железа соединяется с добавляемым в конвертор кварцевым флюсом и переходит в шлак. Образование закиси железа сопровождается выделением тепла, что поддерживает температуру в конверторе в пределах 1250-1350 градусов. Когда окисление железа заканчивается, в реакцию с кислородом вступают сульфиды меди. Образующаяся при этом закись меди взаимодействует с присутствующим в расплаве сульфидом меди. Эта реакция приводит к выделению свободной (черновой) меди. Она содержит до 98,4-99,4% меди, 0,01-0,04% железа, 0,05-0,1% серы и небольшие примеси никеля, олова, мышьяка, сурьмы, золота и серебра. Для получения меди необходимой чистоты в промышленности применяют два способа рафинирования - огневой и электролитический.

Огневое рафинирование осуществляется в отражательных печах. При этом присутствующие в черновой меди примеси окисляются и уходят в шлак. Примеси благородных металлов остаются в расплаве меди. Для их отделения медь подвергают электролитическому рафинированию. Процесс электролиза осуществляется в ваннах-электролизерах, футерованных внутри свинцом или винипластом. Из меди, очищенной огневым способом рафинирования, изготовляют аноды, а катоды - из тонкой листовой чистой меди. Электроды погружают в электролит, представляющий собой подкисленный раствор сернокислой меди(10-16%). При прохождении постоянного тока через электролит происходит растворение анода - медь переходит в раствор. У катода ионы меди разряжаются и осаждаются на его поверхности слоем чистой меди. Через 7-15 дней катоды извлекаются, тщательно промываются водой и переплавляются в печах. Рафинированная таким образом медь содержит до 99,98% меди. В процессе электролиза содержащиеся примеси (мышьяк, сурьма,

висмут, селен, теллур) осаждаются на дно электролизера, образуя шлам. Из шлама в последующем извлекаются все ценные элементы.

Производство алюминия

В мировом производстве металлов алюминий занимает второе место после железа. Он нашел исключительно широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Основные потребители алюминия и его сплавов - авиация, машиностроение, электротехника и энергетика.

В природе в чистом виде алюминий не встречается, но он широко распространен в виде кислородного соединения - глинозема. К алюминиевым рудам относятся бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Наибольшее

значение имеют бокситы. В них содержится до 28-70% глинозема. Основными компонентами пустой породы в алюминиевых рудах являются окислы кремния и железа. Технология получения металлического алюминия из его руд включает в себя две основные стадии: выделение из руд чистого глинозема и получение из глинозема металлического алюминия. В зависимости от вида исходной руды чистый глинозем выделяется из нее различными способами. Она основаны на способности алюминия образовывать при взаимодействии со щелочами или содой хорошо растворимые в воде алюминаты щелочных металлов, которые могут быть легко отделены в виде раствора от остальных компонентов руды. Переработку руд с высоким содержанием окиси кремния производят способом спекания их с содой в присутствии извести, связывающей кремнезем в нерастворимое соединение. Если кремнезем не связать известью, то при переработке руды он будет образовывать с глиноземом плохо растворимые в воде соединения, что приведет к потере алюминия. Спекание осуществляется во вращающихся печах при температуре 1200-1300 градусов. Этот процесс весьма трудоемкий и связан с большими затратами топлива.

Широкое распространение получили методы, основанные на обработке алюминиевых руд раствором щелочи. Они пригодны для переработки руд с небольшим содержанием кремнезема. Технологический процесс при этом состоит из следующих стадий: 1) исходную руду сушат, дробят и подают в шаровые мельницы, представляющие собой металлические цилиндры, футерованные внутри кислотоупорным покрытием и заполненные керамическими или стальными шарами. Вместе с измельченной рудой в шаровую мельницу загружают раствор едкого натрия. При вращении шаровой мельницы происходит тщательное перемешивание и измельчение руды, при этом образуется пульпа; 2) пульпа подается в автоклавь, работающие под давлением 5-7 ат. Сюда же поступает водяной пар, за счет которого осуществляется нагрев пульпы до температуры 105-240 градусов. При этом окись алюминия, содержащаяся в руде, взаимодействует со щелочью и, образуя алюминат, переходит в водный раствор;

3) раствор алюмината отделяют от нерастворимых примесей путем
фильтрования. После чего он поступает на дальнейшую переработку, сущность
которой состоит в разложении алюмината и получении из него гидроокиси
алюминия. Эта операция носит название «выкручивания».Образующаяся
гидроокись алюминия представляет собой белый студенистый осадок;

4) с помощью фильтрования осадок гидроокиси отделяют от раствора и подают
в печь, где при температуре порядка 1200 градусов происходит обезвоживание
гидроокиси и образуется чистый глинозем.

В настоящее время в промышленности применяется в основном один технологический процесс получения алюминия из глинозема, основанный на электролизе расплава окиси алюминия.