Түсті металдарды өндіру

 

Алюминий өндіру

 

Боксит рудасының құрамы мынадай: 44,5-60% Al₂O₃; 11-23% Fe₂O₃; 1,6-13% SiO₂; 0,1-10% TiO₂. Нефелин рудасының құрамында сілтілік элементтер (Na, K)₂O₂*Al₂O₃*2SiO₂ болғандықтан, одан глиноземмен бірге жанама өнім ретінде поташ пен сода алынады, құрамында 27,3-29,3% Al₂O₃ бар.

Алюминий өндірісінің техникалық процесі екі кезеңнен тұрады:

- рудадан глинозем алу;

- глиноземді электролиздеу арқылы алюминий алу.

Өндірісте глинозем алудың сілтілі, қышқылды, электротермиялық тәсілдері қолданылады.

Глинозем алудың сілтілі тәсілі. Ұнтақталған бокситті автоклавқа салып, оның құрамындағы глиноземді сілтілеу үшін күйдіргіш натрий ерітіндісі құйылады жене 3-4% әк қосады. Автоклавта 100-240⁰С температурада боксит құрамындағы глинозем алюминий гидратының тотығы түріндегі күйдіргіш натриймен әрекеттесіп, натрий алюминатына айналады. Пайда болған натрий алюминаты ерітіндіге өтеді:

Al₂O₃*3H₂O + 2NaOH = Na₂O · Al₂O₃ + 4H₂O

Руданың құрамындағы темір тотығы ерітіндіге өтпей, шлам түрінде автоклавтың түбінде шөгеді, ал кремнезем күйдіргіш түрінде автоклавтың түбінде шөгеді, ал күйдіргіш натриймен химиялық реакцияға түсіп, натрий силикаты түрінде ерітіндіге өтеді:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂O · SiO₂ + H₂O

Пайда болған натрий силикаты мен натрий алюминаты өзара әрекеттесіп, ерімейтін натрийлі алюмосиликат түзеді:

Na₂O · Al₂O₃ + 2(Na₂О · SiO₂) + 4H₂O = Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂· 2H₂O + 4NaOH

Пайда болған натрий алюмосиликаты шлам түрінде ерітіндіден бөлініп, ерітінді кремнеземнен тазарады. Бірақ (3) реакцияның нәтижесінде шламға глиноземнің бір бөлігі өтіп кетеді, мұны кеміту күйдіргіш натрий ерітіндісінің шығынын арттырүды талап етеді.

(1) реакция нәтижесінде пайда болған қоймалжың натрий алюминаты автоклавтан арнаулы түтік арқылы буландырғышқа барады. Буландырғышта натрий алюминаты гидролизденіп, мына реакция бойынша алюминий гидрототығының кристалдары бөлінеді:

Na₂O · Al₂O₃ + 4H₂O = Al₂O₃*3H₂O + 2NaOH.

Алюминий гидрототығы сүзіліп аынып, айналмалы түтікті пеште 1200⁰С температурада қыздырылғаннан кейін сусыз аюминий тотығына – глиноземге – айналады:

Al₂O₃*3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂O

Глиноземді электролиздеу. Глинозем – балқу температурасы 2323⁰К (2050⁰С), алюминий мен оттегінің берік қосылысы. Алюминийді глемноземнен электролиздеу арқылы алады. Электролит қызметін алюминий мен натрий фториды (Na₃AlF₆) криолит атқарады. Глинозем балқыған криолитте жақсы ериді. Глинозем мен криолитті белгілі қатынаста араластырып, электролиздеу астауына салады да, ток көзінің оң полюсіне көмір электродтар жалғастырады, ал астаудың түбінде катод шиндері орналастырылады. Астау тізбегі бойынша кернеуі 4 –4,5 в, күші 70 кА -ден 75 кА-ға дейін болатын тұрақты ток жібереді. Тізбектегі электр тогы екі қызмет атқарады: электролитті 950-1000⁰С-қа дейін қыздырып, астауда электрохимиялық процестің жүруіне себепші болады. Токтың әсерінен криолит еріп, иондарға ыдырйды:

Na₃AlF₆ = 3Na⁺ + AlF₆^3-

Сонымен қатар криолитте еріген глинозем мынадай иондарға ыдырайды:

2Al₂O₃ = Al³⁺ + 3AlO₂^---

AlO₂ = Al³⁺ + 2 O ^2-

Диссоциацияланған иондар катодқа қарай жылжиды, алюминий иондарының натрий иондарына қарағанда бөліну потенциалы аз болғандықтан катодта алюминий иондары бейтараптанып, астаудың түбіне таза алюминий жиналады:

Al³⁺ + 3^-e = Al⁰

Анодта бөлінген оттегі анодпен әрекеттесіп, газ (СО, СО₂)күйінде астаудан ұшып шығады. Астау түбінде жиналған сұйық алюминий оқтын-оқтын ожауға құйып алынып отырады.

Тазарту. Металл емес және газ тәрізді зиянды қоспалардан алюминийді қорыту немесе хлорлау арқылы, ал металл қоспаларынан оны электролиздеу арқылы тазартады.

Тазартудың бұл әдісі арқылы алюминийдің тазалығын 99,5 % дейін жеткізуге болады. Егер алюминидің тазалығына қатаң талап қойылатан болса, оны электролиздеу әдісімен тазартады. Тазартудың бұл әдісінде тазартылатын алюминий құймасын астаудың анодына жалғап, катодқа таза алюминий пластинасын жалғайды. Электролит ретінде фтор немесе хлор тұздары пайдаланылады. Электролиз процесінде алюминий катодқа өтіп, анод алюминийінің құрамындағы зиянды қоспалар астауда қалады. Тазартудың бұл тәсілі бойынша тазалығы 99,85 – 99,9 % болатын алюминий алуға болады.

 

Магний өндіру

 

Магний рудалары. Магний өндірісінде карбонаттар (магнезит MgCO₃, доломит MgCO₃*CaCO₃), және хлоридтер (карналлит MgCl₂∙KCl∙6H₂O бишофит MgCl₂∙6H₂O) қолданылады.

Қазіргі кезде магний екі түрл жолмен алынады: электролиттік және термиялық.

Термиялық әдіспен магний өз оксидтерінен көміртегі, кремний немесе ферросилициймен тотықсыздандыру процесі арқылы өндіріледі.

Магний алудың электролиттік жолыекі процестен тұрады: 1) хлорлы магний (MgCl₂) және оны элетролиздеу. Сусыз карналлит (MgCl₂∙KCl) электролит ретінде пайдаланады.

Карналиттің құрамында 7-8% Mg болғандықтан, оны алдын ала байыту қажет. Арнаулы вакуум-кристалдандырғышта карналиттің байытылған жасанды кристалдары түзіледі. сонан соң олар электр пешінде 750-800ºc температурада кептіріліп сусыз карналитке айналады.

Магний алуды ішінен шамот кірпішімен астарланған элекролизерде жүргізеді. Графитті пластинадан анод, болат пластинадан катод жасалады. Электролизерге құйылатын электролит ерітіндісі 10% MgCl₂, 45%СаCl₂, 30% NаCl, 15% KCl аздаған NаF және СаF₂- ден тұрады. Хлорлы магнийдың электролитті бөлінуі үшін электролит арқылы тоқ жіберіледі. Оның күші 150 кА-ге дейін, кернеуі 5,5 В шамасында болады.

Элетролиздеу 700-720ºc температурада жүреді. Демек электролит балқып магний хлориды диссоцияланып, катодта магний, ал анодта хлор бөлінеді. Элетролидке қарағанда магнийдың тығыздығы төмен, сондықтан ол жоғарғыға қалқып шығады да оны оқтын-оқтын вакуум ожауымен құйып алады. Астаудың астында шлам жиналады.

Жоғарыдағы тәсілмен алынған магнийдің құрамында 5 %-те дейін түрлі зиянды қоспалар кездеседі. Сондықтан оны тазарту үшін құрамында MgCl₂, СаCl₂, NаCl, KCl және т.б. бар флюстермен қосып қайта қорыта. Қайта қорыту 700-750ºc температурада электр пештерінде жүргізіледі. Флюстер магнийдің құрамындағы қажетсіз қоспалармен әрекеттесіп қожға қосылады. Тазартылған магнийдің тазалығын 99,9; 99,95; 99,96%-ке дейін жеткізуге болады.

 

Мысты өндіру

 

Мыс рудаларында мыстың мөлшері (концентрациясы) әр түрлі болғандықтан,концентрациясы жоғары мыс рудалары тікелей қортылады да, концетрациясы орта және төмен мыс рудалары байытуға жіберіледі.

Мыс табиғатта күкірт, оттегі элементтерімен күрделі қосылыс түрінде, кейде таза күйінде кездеседі. Табиғатта жиі кездесетін мыс минералдары мен рудалары: холькозин Cu₂ S; халькопирит CuFe S₂; куприт Cu₂O; гидрокарбонаттар CuCO₃*Cu(OH)₂, 2CuCO₃*Cu(OH)₂.

Руда арнайы жасалған диірмендерде, түйірлерінің өлшемі 0,5 – 0,05 миллиметрге дейін ұсақталып флотация әдісімен байытылады.

Сульфидті руда мен концентратты қорытудан бұрын оларды 600 – 900ºС температурада күйдіреді. Мыс рудаларын күйдірудің мынадай түрлері бар: тотықтандыру, сульфидтеу, хлорлау. Соңғы екі әдіс гидрометаллургия өндірісінде жиі қолданылады. Мыс рудасы арнаулы пештерде күйдіріледі.

Сульфидті руданы күйдіргенде көзделетін мақсаттар:

а) руданың құрамындағы күкірттің мөлшерін кеміту;

б) тотыққа айналдыру арқылы шихтаны мышьяк, сурьма, селен, мырыш, кадмий элементтерінен тазарту;

в) темірді тотықтандыру.

Штейн алу. Концентрат күйдірілгеннен соң шахталы немесе жалынды пештерде қорытылып, штейнге айналады.

Штейн дегеніміз – құрамында мыс және темір сульфиді, аздаған темір тотығы және Au, Ag, As, Sb т.б. элементтері бар шала өнім. Мыс концентраты мен флюсты жалын шағылыстыру пештеріне тиеу арқылы 1300-1350ºС температурада Cu₂S + FeS + МеS + Fe₃O₄ тұратын штейн өндіріледі және қож түзілу процесі жүреді. Штейінде мыстың мөлшері 20-45%, ал қожда 0,4-0,6% құрайды.

Тік шахталы пештің жұмыс істеу принципі мен құрылысы домна пештерінікіне ұқсас. Штейн пеште мынадай реакциялардың жүруі нәтижесінде пайда болады: 1173 º К (900 ºc) температурада мыстың күкіртті қосылыстары мен тотықтары химиялық реакцияға түсіп, таза мыс түзеді, яғни:

Cu₂ S + 2Cu₂ O = 6 Cu + SO₂,

Cu₂S + 2 CuO = 4 Cu + SO₂.

Реакция нәтижесінде пайда болған мыс, пириттің мөлшері рудада жеткілікті болған жағдайда, онымен мына реакциялар бойынша әрекеттеседі:

FeS + 2 Cu₂ O = Cu₂ S + Fe,

Cu₂O + Fe S = 2Cu + FeO.

Сульфид қосылыстарының (FeS және CuS) мөлшері қорытпада белгілі қатынаста болғанда мыс штейні түзіледі.

Таза емес мыс алу. Балқытылған штейінді арнаулы конвертерге құйып, үрлеп оны тазартылмаған мысқа айналдырады. Тазартылмаған мыс алу процесін екі кезеңге бөлуге болады: темірдің тотығу кезеңі және күкіртті мыстың тотығу кезеңі.

Бірінші кезең – темірдің тотығуы:

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂

FeS болған жағдайда Cu₂O тұрақсыз болып келесі реакция бойынша түрленеді

Cu₂O + Fe S = Cu₂S + FeO

Реакция нәтижесінде пайда болған темірдің шала тотығы кремний тотығымен қосылып, мына реакция бойынша шлакқа айналады:

2FeO + SiO₂ = (FeO)₂ · SiO₂

Екінші кезеңде ақ штейіннен таза емес мыс алынады:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂О + 2SO₂

Cu₂S + 2CuO₂ = 6Cu + SO₂

Таза емес мыс құрамында (98,4-99,4%) Cu, (0,01-0,04%)Fe, (0,02-0,1%)S және басқа да қоспалар болады, сондықтан оны тазартуға ұшыратады.

Мысты тазарту. Тазартылмаған мыстың құрамында тотықтар, күкіртті қосылыстар, темір т. б. қоспалар болғандықтан, оны техникада пайдалануға болмайды.

Тазартылмаған мысты тазартудың екі түрлі жолы бар: бірі – жылумен тазарту, екіншісі – электролизбен тазарту.

Өндірілген мыстың тазалығына қатаң талаптар қойылған жағдайда мысты тазарту үшін электролиз әдісі қолданылады. Астауға тұрақты тоқ көзінің оң полюсіне жалғастырылып тазартылмаған мыс пластиналары (анод) және тоқ көзінің теріс полюсіне жалғастырылып қалыңдығы 0,5–0,7 мм болатын таза мыс пластиналары (катод) түсіріледі, элетролит ретінде мыстың күкіртқышқылды ерітіндісі пайдаланылады.

 

Титан өндіру

 

Титан рудаларына негізінен ильменит FeO*TiO₂ және рутил TiO₂ жатады. Ильменитті титаномагнетиттен FeTiO₃* Fe₃O₄ алады. Құрамында ильмениті бар руда флотация немесе магнитті сеперация әдісімен концентратта TiO₂ мөлшері 40-65%-ке жеткенше байытылады. Ильминетті концентраттың құрамында 40 – 45% TiO₂ , 30% FeO, 20% Fe₂O₃ және 5 – 7% бос жыныс болады. Ильменитті концентратты темір мен титан оксидттерін тотықсыздандыру үшін арнаулы пештерде 1600-1700⁰ С температурада ағаш көмірмен, антрацитпен қосып балқытады. Бұл кезде темір тотығы келесі реакция бойынша тотықсызданады

FeO*TiO₂ + С = Fe + TiO₂ + СО

Пайда болған темір көміртектеніп шойынға айналады да пештің түбіне жиналады, титан тотығы TiO₂ қожға айналып қорытпаның бетіне шығады. Шойын мен шлакты бөлек құйып алады. Бұл процестің негізгі өнімі болып 80 – 90% TiO₂ , 2 – 5% FeO және SiO₂ , AI₂O₃ , CaO т.б. қоспалары бар титанды қож саналады.

Титан тетрахлоридін алу үшін рутил концентратына ағаш көмірі немесе кокс және байланыстырғыш зат қосып, қоспаны престеу арқылы брикетке айналдырады. Брикетті герметикалық электр пешіне салып 650-800⁰С) температурада қыздырған соң, ол кокстеліп қуысталады. Алынған титанды қож арнаулы пештерде хлорланады. Пешке электр тоғы берілгенде оны қыздыру үшін астыңғы жағынан көмір қалайды. Пешке брикеттелген титанды қож салынып, фурма арқылы хлор жеткізіледі. 800 – 1200⁰ С температурада көміртегімен әрекеттесіп төрт хлорлы титан және CaCl₂ , MgCl₂ т.б. хлоридтер түзіледі.

TiO₂ +2Cl₂ + C = TiCl₄ +CO₂.

Төртхлорлы титаннан 800 – 900⁰ С температурада реакторларда титанды ажыратады. Реакторға чушкалы магний салып, ауаны сорып алған соң аргонмен реактор кеңістігі толтырылып бу түстес төртхлорлы титан беріледі.

Сұйық магниймен төртхлорлы титан арасындағы реакция бойынша титан алынады:

2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂

Титанның қатты бөлшектері қуысты масса губка болып бірігеді, ал сұйық MgCl₂ реактордың науасы арқылы құйып алынады. Титан губкасында 35 – 40% магний және хлорлы магний болады.

Титанды губкаларды мыс су салқындатқышы бар тигельдермен вакуумды электр - доғалы пештерде балқытады. Престелген титанды губкадан жасалған түтік және балқыған металл екі электродтың қызметін атқарады. Доға жанғанда түтік балқып, титан тамшылары тигельге ағып кесек болып қатады. Вакуум металды тотығудан сақтап басқа газдардан тазартады. Губкадан қайта қорытқан титанның тазалығы 99,6 – 99,7%.

Жоғары тазалықтағы титан алу үшін иодпен тазарту жүргізіледі. Ол үшін титан сымы арқылы 1400⁰С температурада электр тоғын өткізу қажет.Титан мен иод әрекеттескенде төртиодты TiJ₄ пайда болады, ал ол жоғары температурада ылырауға ұшырап пайда болған титан жіңішке титан сымына жабысып жуандай береді. Титанды тазартудың бұл тәсілі өте құнды, бірақ өндіріс өнімділігі төмен болады.

Титанның, басқа металдарға қарағанда, меншікті салмағы аз болғандықтан ол өндірістің массасы аз машиналары мен жабдықтарға қажет салаларында конструкциялық материалдар ретінде пайдаланады.

 

Екінші бөлім