Принципиальная технологическая схема переработки редкоэлементного сырья.

Технология переработки сырья, содержащего редкие элементы, чрезвычайно разнообразна. Это детально исследованные крупномасштабные производства молибдена и вольфрама и процессы, близкие к укрупненно-лабораторным (Rb, Cs).

В задачу технологии редких элементов входит изучение методов и приемов промышленной переработки сырья, содержащего редкие элементы, с целью получения их в промышленно пригодном виде, в виде готового продукта или полупродукта. Способы переработки сырья тесно связаны с дальнейшим использованием полупродуктов. Значительная часть редких элементов, используемая в металлургии для выработки специальных сплавов, производится в виде ферросплавов. Главная масса редкоэлементного сырья перерабатывается чисто химическим путем – в результате получают соединения редких элементов. Часто сырьем являются продукты и отходы металлургических производств.

Характер химической технологии определяется природой сырья, особенности этого сырья определяют сущность и содержание отдельных стадий переработки. Основная особенность редкоэлементного сырья – относительная бедность на ценный компонент, подчас и отсутствие собственных руд. Следовательно, главную массу рудного материала составляют разнообразные примеси. Кроме того, руды комплексные, сложного состава, который обычно непостоянен. В связи с этим извлечение редких элементов является химически сложным и очень разнообразным по приемам обработки процессом. И, наконец, большинство редких элементов в соответствии с требованиями техники выпускается квалификации “особо чистые”, для чего необходимы различные методы разделения и очистки.

В общем виде технологическая схема переработки сырья, содержащего редкие элементы, выглядит следующим образом:

I. Первая операция над рудной массой – ее обогащение, освобождение от главной массы пустой породы, что необходимо для удешевления перевозки материала и процесса переработки на заводе. В итоге обогащения получаются концентрат и пустая порода, идущая в отвал.

II. Следующая операция – химическое разложение концентрата, целью которого является наиболее простым способом перевести ценные составляющие концентрата в такую форму, которая дала бы возможность в дальнейшем осуществить очистку и разделение. В результате разложения получают две фракции – растворимую и нерастворимую, иногда только растворимую, в которой находятся элементы в виде простых солеобразных соединений.

Выбор процесса разложения является сложной технологической задачей. При ее решении учитываются как степень разложения, так и условия осуществления процесса с точки зрения необходимых мер по технике безопасности, аппаратурного оформления процесса, возможной автоматизации и, наконец, экономические соображения. Различают пиро- и гидрометаллургические процессы. Гидрометаллургические процессы – процессы, протекающие в растворах (разложение растворами кислот и щелочей), а пирометаллургические процессы – процессы, протекающие при высоких температурах.

В зависимости от реагента, применяемого при гидрометаллургическом разложении можно выделить:

Кислотные способы разложения.

Разложение концентратов редких металлов серной кислотой. Сульфатизация находит широкое применение в технологии редких металлов. В результате сульфатизации редкие элементы переходят в соединения, хорошо растворимые в воде. Серная кислота – один из основных продуктов химической промышленности, она дешева и доступна, одна из самых активных неорганических кислот. При нагревании в паровую фазу переходит только вода, если концентрация H₂SO₄ ниже 70 масс. %. При большей концентрации H₂SO₄ в парах появляются ее молекулы, но до 260 ºC лишь в очень незначительных количествах.

Серная кислота используется в технологии редких металлов для разложения руд лития и бериллия, редкоземельных элементов, тория, титана, ниобия и тантала. Это, как правило, силикаты, алюмосиликаты, фосфаты, сложные оксиды. Для разложения руд используются также соляная и бромистоводородная кислоты (руды, содержащие цезий). фтористоводородная кислота (руды циркония, ниобия, тантала), азотная кислота (извлечение редкоземельных элементов их апатита).

Разложение щелочью.

Для этой цели используют NaOH или, реже, KOH. Щелочи применяют в виде концентрированных растворов при температуре 200 ºC или в виде расплава. Температура плавления NaOH. – 300 ºC. В результате разложения получаются оксиды, гидратированные оксиды и гидроксиды, а также растворимые в воде фосфаты и силикаты натрия. Например, монацит (редкоземельные элементы), концентраты бериллия, ниобия и тантала перерабатываются сплавлением со щелочью.

К пирометаллургическим способам относятся такие способы как спекание, сплавление, обжиг и процесс хлорирорвания.

Разложение концентратов редких металлов спеканием с известью широко применяется в технологии. CaO – дешевый и доступный реагент, его можно получить обжигом известняка; CaCO₃ можно использовать непосредственно. Процесс спекания проходит при температуре ниже температур плавления реагентов. Жидкая. и газовая фазаиграют важную роль в большинстве реакций. В присутствии жидкой фазы значительно увеличивается поверхность контакта зерен, что приводит к увеличению скорости реакций. Жидкая фаза появляется в результате образования эвтектик с продуктами промежуточных реакций. Количество жидкой фазы должно быть очень небольшим, в противном случае образуются настыли (оплавленные наросты в печи).

Помимо извести и известняка в технологии используются также сульфаты натрия и калия и гидрофторид аммония.

Хлорирование редкометального сырья.

В технологии большое значение имеют процессы выделения редких металлов из сырья в виде летучих хлоридов и оксихлоридов (иногда хлорируют непосредственно руду). Хлорирование – один из методов выделения редких металлов из полиметаллических и отходов промышленности. Хлорирование газообразным хлором протекает с трудом. Обычно смешивают концентрат минерала с восстанавливающим агентом (уголь, сера, сульфиды металлов) для связывания кислорода. Например, переработка руд редкоземельных элементов, ванадия, молибдена.

III. Далее следует химическое концентрирование. Концентрирование можно проводить двумя путями: 1) уводя постепенно примеси в отдельные фракции, поступающие в отвал; 2) путем выделения в соответствующую фракцию ценного компонента добавлением какого-либо реактива.

IV. Затем следует очистка концентрата от примесей, которая ведется на основании аналитической характеристики элемента и часто состоит из нескольких операций, постепенно удаляющих примеси. В итоге получают соединение редкого элемента, которое обычно выпускается в виде готового продукта.

При необходимости получения особо чистого продукта его дополнительно подвергают очистке. Чистые соединения, как правило, идут на получение металла или сплава.

Метод получении металла зависит от его электроотрицательности. Если металл в «ряду напряжений находится правее водорода, то его можно получить восстановлением из растворов такими методами как цементация, электролиз или восстановлением газообразным восстановителем. Таким образом, получают такие рассеянные элементы как галлий, индий и германий.

Большинство же редких металлов, таких как тугоплавкие и легкие из-за их высокой электроотрицательности нельзя получить восстановлением из растворов. Их получают восстановлением при высоких температурах либо из расплавов, либо из твердого. При этом используют методы металлотермии, электролиза из расплава, восстановлением газообразными реагентами.

Таким образом, конечный продукт – металл или сплав. Эта схема является ориентировочной, иногда отдельные звенья могут выпадать, но, как правило, переработки редкоэлементного сырья осуществляется по такой схеме (рис. 2):

Рис. 2

Принципиальная схема переработки редкоэлементного сырья