Классификация металлургических процессов

В основном все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяются на две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов.

Гидрометаллургические процессы - в водных средах при температурах максимально до ~300 С.

Выделяемые иногда в отдельную группу электрометаллургические процессы могут быть как пиро- так и гидрометаллургическими. Отличительной особенностью этих процессов является использование электроэнергии в качестве движущей энергетической силы для их протекания.

Пирометаллургические процессы.

Пирометаллургические процессы по характеру поведения участвующих в процессе компонентов и их конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка и дистилляция.

Обжиг - металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500-1200 °С) с целью изменения химического состава перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием являются твердофазными.

В цветной металлургии применяются следующие виды обжига:

1. Кальцинирующий обжиг (или прокалку) проводят с целью разложения (диссоциации) нагревом неустойчивых химических соединений - гидроксидов, карбонатов и др.

Me(OH)₃ ---> Me₂O₃ + H₂O (1)

MeCO₃ ---> MeO + CO₂ (2)

2. Окислительный обжиг применяют для подготовительной обработки сульфидных руд и концентратов с целью удаления серы в газовую фазу и полного или частичного перевода сульфидов металлов в оксиды.

2MeS + 3O₂ ---> 2MeO +2SO₂ (3)

Разновидностью окислительного обжига является сульфатизирующий обжиг.

MeS + 2O₂ ---> MeSO₄ (4)

К окислительному обжигу относится агломерирующий обжиг (со спеканием). Последний имеет целью одновременно окислить и спечь материал. Спекание происходит за счет образования некоторого количества жидкой фазы, которая при застывании связывает (сваривает) тугоплавкие мелкие частицы в кусковой пористый материал - агломерат.

3. Восстановительный обжиг проводят для восстановления высших оксидов некоторых металлов до низших или частичного восстановления оксидов металлов до металлов. Например:

3Fe₂O₃ +CO ---> 2Fe₃O₄ + CO₂ (5)

NiO + C(CO) ---> Ni + CO(CO₂) (6)

4. Хлорирующий и фторирующий обжиг проводят с целью перевода оксидов или сульфидов в водорастворимые или летучие хлориды или фториды.

Плавка - пирометаллургический процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление материала. Различают две разновидности плавок - рудные и рафинировочные.

По характеру протекающих основных химических реакций рудные плавки разделяются на следующие виды.

1. Восстановительная плавка. Ее проводят с целью получения металла за счет восстановления его оксидных соединений углеродистыми восстановителями и перевода пустой породы в шлак (сплав оксидов). В цветной металлургии методом восстановительной плавки получают, например, свинец, олово, никель.

2. Плавка на штейн. Ее проводят с целью извлечения металла в полупродукт, называемый штейном (сплав сульфидов). Вторым продуктом является шлак, концентрирующий в себе в основном оксидные компоненты. Этот вид плавки может проводится в нейтральной, восстановительной или окислительной атмосфере. Плавку на штейн широко используют при производстве меди и никеля. К окислительной плавке относится также процесс конвертирования штейнов.

3. Электролиз расплавленных солей ведут при воздействии постоянного тока на расплавленную среду, состоящую из оксидов или хлоридов. Процесс может быть в общем виде описан следующей схемой:

MeO(MeCl₂) --->Me²⁺ +O^2-(2Cl^-) (7)

на катоде:

Me²⁺ + 2e ---> Me (8)

на аноде:

O₂^- - 2e ---> O₂ или 2Cl^--2e --- >Cl₂ (9)

В результате на катоде выделяется металл (в жидком или твердом состоянии), а на аноде - газ.

В принципе электролиз расплавленных солей можно применять для получения любого металла, но из-за дороговизны он находит применение только тогда, когда не могут быть использованы более дешевые виды плавок. Электролиз расплавов широко применяют для получения алюминия, магния и ряда других легких и редких металлов.

4. Металлотермическая плавка. Ее применяют для получения трудновосстановимых металлов, склонных в случае применения углеродистых восстановителей к образованию карбидов (Me_xC), придающих им хрупкость. В основе этой плавки лежит принцип вытеснения одного металла из его соединений другим, более активным:

Me'O(Me'Cl₂) + Me"--->Me' + Me"O(Me"Cl₂) (10)

Металлотермическую плавку используют при получении ряда легких и редких металлов.

5. Реакционная плавка. Основана на получении металла за счет взаимодействия его оксида и сульфида:

2MeO + MeS ---> 3Me + SO₂ (11)

Примером реакционной плавки служат процессы получения металлического свинца и меди.

Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных металлов от примесей. В основе их лежит различие в физико-химических свойствах основного металла и металлов-примесей. Существуют следующие разновидности рафинировочных плавок.

1. Окислительное (огневое) рафинирование. Основано на различии в сродстве к кислороду основного металла и примеси. Образующиеся при этом оксиды металлов всплывают на поверхность рафинируемого металла, образуя шлак. Типичным примером такого процесса является огневое рафинирование черновой меди.

2. Ликвационное рафинирование. В основе этого процесса лежит принцип образования и разделения по плотности (ликвация) двух фаз, одна из которых является рафинируемым металлом Примесь при этом должна концентрироваться в другой, нерастворимой в основном металле фазе. В зависимости от плотности она будет всплывать на поверхность или погружаться на дно расплава. Образование второй фазы является следствием снижения растворимости примеси в основном металле при снижении температуры. При ликвации одна из фаз обязательно должна быть жидкой, а вторая может быть как жидкой так и твердой. Этот процесс широко используют в металлургии свинца.

3. Сульфидирующее рафинирование используют для очистки металлов от примесей, обладающих повышенным сродством к сере. При этом образуются две несмешивающиеся фазы, отделяющиеся друг от друга ликвацией. Примером такого процесса может служить рафинирование свинца от меди.

4. Хлорное рафинирование. Основано на различии сродства к хлору металла и примеси. Образующиеся хлориды примеси будут всплывать на поверхность металла или улетучиваться.

Дистилляция - процесс испарения вещества при температуре несколько выше его точки кипения, дающий возможность разделить компоненты обрабатываемого материала в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы могут быть использованы как для первичной переработки рудного сырья, так и для удаления легколетучих примесей при рафинировании металлов или разделения металлических сплавов. Дистилляция с целью рафинирования называется ректификацией. Дистилляционные процессы используют в металлургии цинка и при получении ряда легких и редких металлов.

Гидрометаллургические процессы

Как уже было сказано гидрометаллургические процессы проводятся при низких температурах в водных растворах (кислот, оснований, солей и т.д.). Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.

Выщелачивание - процесс перевода металлов в раствор (растворение) при воздействии растворителя на перерабатываемый материал (руду, концентрат, полупродукты металлургического производства и т.п.) часто в присутствии газового реагента - кислорода, водорода и др. В результате выщелачивания получается два продукта: раствор извлекаемого металла, загрязненный примесями, и нерастворимый осадок, состоящий в основном из пустой породы.

В качестве растворителей используют воду, растворы кислот, щелочей или солей. Растворитель должен быть доступным, дешевым и обладать селективным действием по отношению к компонентам обрабатываемого материала, по возможности регенерироваться в ходе технологического процесса.

Очистку растворов от примесей проводят с целью предотвращения их попадания в извлекаемый металл при последующем его осаждении в виде химического соединения или в свободном состоянии. Для очистки растворов выщелачивания от примесей используют методы химического осаждения неорганическими или органическими реагентами, кристаллизацию или цементацию. В основе последнего лежит принцип вытеснения из раствора одного металла другим, более электроотрицательным. Примерами цементационной очистки могут служить процессы выделения меди из сернокислотных цинковых растворов цинком или из никелевого электролита никелем:

CuSO₄ + Zn ---> ZnSO₄ + Cu (12)

CuSO₄ + NI ---> NiSO₄ + Cu (13)

Осаждение металлов из очищенных растворов от выщелачивания может быть проведено электролизом водных растворов, цементацией или переводом растворимых соединений основного металла в нерастворимые формы.