Способы получения цветного металла

Металлы применяются практически во всех сферах. Сейчас известно большое количество однородных материалов и сплавов, которые обладают разными техническими характеристиками. Получение металлов — особый процесс, от правильности проведения, которого зависит качество готового материала.

Загрузка руды

Металлы — группа элементов, которые являются простыми веществами и обладают рядом характерных металлических свойств:

• электро- и теплопроводностью;
• высокой прочностью;
• большой удельной массой;
• высоким температурным коэффициентом сопротивления;
• ковкостью;
• характерным металлическим блеском;
• высокой пластичностью.

Для изменения свойств материала при производстве к его составу добавляются сторонние компоненты, которые называют легирующими добавками. С помощью этого способа можно получить материал с нужными техническими характеристиками.

Виды

Серьезной разницы между металлами, сплавами нет. Абсолютно чистых материалов не существует. Каждый из них содержит несколько компонентов. Металлы с наименьшим содержанием сторонних включений редко применяются в промышленных масштабах, поскольку не имеют требуемых технических характеристик.

Виды:

• железо, титан, уран;
• золото, серебро, платина;
• медь, алюминий, цинк;
• вольфрам, кобальт, никель;
• магний, бериллий, палладий;
• свинец, олово.

• Металлы можно разделить на благородные, цветные, черные.
• Медное украшение

Способы получения и добычи

Добыча и обработка проводится на природных рудниках. Потом расходное сырье доставляется до литейного предприятия, где происходит его переработка в конечный материал. Способы получения:

1. Порошковый. При изготовлении сплавов используются порошки — смесь основных компонентов сплава по ГОСТу. С помощью специального оборудования порошок спрессовывается, ему придают определенную форму. После этого расходный материал спекают в промышленной печи.
2. Литейный способ. Все компоненты будущего сплава сначала расплавляются, а потом перемешиваются. Смесь должна застыть.

Природные источники

Самое большое количество металлов содержится в земной коре. Их соединения можно найти в разных продуктах питания, воде, воздухе, химических веществах.

Природные соединения

Природные соединения:

• сульфиды — киноварь, цинковая обманка, серный колчедан;
• хлориды — каменная соль, сильвинит;
• сульфаты — гипс, глауберова соль;
• карбонаты — магнезит, доломит, известняк, мрамор, мел;
• оксиды — красный, магнитный, бурый железняк;
• нитраты — чилийская селитра.

Основные природные соединения — руды, которые встречаются в разных областях земного шара.

Добыча руды

Способы добычи

Существует два способа добычи металлических руд:

1. Открытый. Подразумевает разработку огромного карьера, который углубляется к центру. С его глубины на карьерных самосвалах руда вывозится наверх, где проходит дальнейшую переработку. Средняя глубина карьеров — 300 метров. Для разработки применяются крупные экскаваторы, земснаряды, карьерная техника. Карьерный метод добычи металлической руды применяется только, если после проверки почвы в ней было обнаружено более 57% руды. Главный недостаток карьера — малая глубина разработки.
2. Закрытый. Подразумевает разработку шахт, которые могут уходить вниз на глубину нескольких сотен метров. Применяется, когда на поверхности после проверки было обнаружено менее 57% полезных руд. Внешне шахта напоминает колодец, который разветвляется в стороны на большой глубине. Главный недостаток — опасность для рабочих (частые обвалы, взрывы газов, большая вредность для здоровья).

Один из современных способов добычи металлической руды — СГД. Представляет собой гидромеханических метод добычи руды, который подразумевает создание глубокой шахты, снабженной трубопроводом с гидромонитором.

Струя воды под большим напором подается в трубопровод. С ее помощью откалываются горные породы, которые всплывают наверх шахты. Эффективность данного способа небольшая, но он полностью безопасен для людей.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Получение цветных металлов из руд осуществляется различными способами, причем производится несколько последовательных процессов.

Существуют РґРІР° основных СЃРїРѕСЃРѕР±Р° — пирометал-лургический Рё гидрометаллургический.

При пирометаллургиче-ском способе металл выплавляется из обогащенной руды в электрических печах.

РџСЂРё гидрометаллургическом СЃРїРѕСЃРѕР±Рµ металл получается путем выщелачивания его растворимых соединений Рё последующим электролизом раствора.  [1]

Получение цветных металлов — меди, цинка, никеля Рё РґСЂСѓРіРёС…, осуществляется главным образом обжигом сернистых СЂСѓРґ.

На многих предприятиях удается проводить металлургические процессы с получением газов, пригодных для производства серной кислоты.

Однако часть их с содержанием от 0 2 до 3 0 % SO2 выбрасывается в атмосферу. Значительным источником загрязнения атмосферы, и водоемов двуокисью серы служат отходы производства целлюлозы.

Р’СЃСЏ РґРІСѓРѕРєРёСЃСЊ серы, применяемая РІ производстве целлюлозы РїРѕ сульфитному СЃРїРѕСЃРѕР±Сѓ, переходит РІ сточные РІРѕРґС‹ Рё газовые выбросы этих предприятий.  [2]

Печи для получения цветных металлов подразделяются следующим образом.  [3]

Технологические Методы получения цветных металлов РІ отдельных агрегатах, например шахтных печах, характеризуются относительно высокими скоростями химических реакций. Диффузионные слон, образующиеся РЅР° поверхностях раздела фаз, снижают скорость химических превращений. Поэтому конечную РЎР  определяет главным образом диффузия. Для увеличения производительности металлургического агрегата необходимо ускорить диффузию турбулентной конвекцией.  [4]

• РЎ целью получения цветных металлов предусматривается раздельная утилизация отработанных медь -, никель -, цинксо-держащих электролитов; хромсодержащие электролиты используются для получения свинцового РєСЂРѕРЅР°.  [5]
• РЎ целью получения цветных металлов предусматривается утилизация отработанных медь -, никель -, цинксо-держащих электролитов; хромсодержащие электролиты используются для получения свинцового РєСЂРѕРЅР°.  [6]
• РЎ целью получения цветных металлов предусматривается утилизация отработанных медь -, никель -, цинксо-держаищх электролитов; хромсодержащие электролиты исполь — получения свинцового РєСЂРѕРЅР°.  [7]

Технологические методы получения цветных металлов РІ отдельных агрегатах, например шахтных печах, характеризуются относительно высокими скоростями химических реакций. Диффузионные слои, образующиеся РЅР° поверхностях раздела фаз, снижают скорость химических превращений. Поэтому конечную РЎР  определяет главным образом диффузия. Для увеличения производительности металлургического агрегата необходимо ускорить диффузию турбулентной конвекцией.  [8]

Технологические Методы получения цветных металлов РІ отдельных агрегатах, например шахтных печах, характеризуются относительно высокими скоростями химических реакций. Диффузионные слон, образующиеся РЅР° поверхностях раздела фаз, снижают скорость химических превращений. Поэтому конечную РЎР  определяет главным образом диффузия. Для увеличения производительности металлургического агрегата необходимо ускорить диффузию турбулентной конвекцией.  [9]

Обеззолоченные отходы РёРґСѓС‚ РЅР° получение цветных металлов. Золотой шлам после фильтрации направляется РЅР° плавку, Р° осветленный раствор католита возвращается РІ процесс.  [10]

Почти все технологические процессы получения цветных металлов характеризуются образованием пыли, уносимой технологическими и вентиляционными газами.

Количество образующейся пылн ( пылевыиос) Р·Р°-РІРёСЃРёС‚ РѕС‚ РІРёРґР° металлургического процесса, интенсивности его проведения, количества Рё скорости движения газов физико-химических свойств перерабатываемого сырья Рё СЂСЏРґР° РґСЂСѓРіРёС… факторов.  [12]

1. Очень широко применяется электролитический СЃРїРѕСЃРѕР± получения цветных металлов РІ электрометаллургии путем электролиза расплавленных солей этих металлов.  [14]
2. Развитие исследовательских работ РїРѕ технологическим способам получения редких Рё цветных металлов высокой чистоты требует более чувствительных Рё точных методов анализа для СЂСЏРґР° примесей, РІ первую очередь для РѕСЃРѕР±Рѕ вредных: кислороду, азоту, РІРѕРґРѕСЂРѕРґСѓ, углероду, сере, фосфору, мышьяку, висмуту, свинцу, олову Рё кадмию.  [15]
3. Страницы:      1    2    3    4

Производство цветных металлов

Разделение металлов на черные и цветные является условным. Обычно к черным металлам относят железо, марганец и хром, а остальные металлы — к цветным. Термин “цветные металлы” не следует понимать буквально.

Фактически существуют лишь два цветных металла: розовая медь и желтое золото, в отношении же остальных металлов можно говорить не об их цвете, а об их различных оттенках, чаще всего серебристо-серого или красноватого тонов.

Также условно цветные металлы можно разделить на четыре группы:

1. тяжелые металлы — медь, никель, свинец, цинк, олово;
2. легкие металлы — алюминий, магний, кальций, калий, натрий, барий, бериллий, литий;
3. благородные металлы — золото, серебро, платина и ее природные спутники (родий, иридий, палладий, осмий);
4. редкие металлы; к этой группе относятся:
   1. тугоплавкие металлы — молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, тантал и цирконий;
   2. легкие — стронций, скандий, рубидий и цезий;
   3. радиоактивные — уран, радий, торий, актиний и протактиний;
   4. рассеянные и редкоземельные — германий, галлий, гафний, индий, лантан, таллий, церий и рений.

Промышленное значение цветных металлов очень велико и особенно возросло с развитием новой техники, в том числе связанной с реактивной и атомной энергетикой, освоением космического пространства и расцветом радиоэлектроники. Наиболее массовыми металлами являются медь, цинк, свинец, олово, никель, алюминий, магний и титан.

В последние годы все более важное значение начинают приобретать металлы, отнесенные к группе редких.

Развитие современной авиации с широким использованием реактивных двигателей потребовало все большего применения не только никеля и хрома, но и молибдена и вольфрама.

Расширяется область применения радиоактивных металлов, открывающих огромные энергетические ресурсы атомного распада и позволяющих получать новые элементы.

Сильно возросла роль многих металлов и металлоидов, в том числе полупроводниковых материалов (бора, германия, селена, теллура, кремния), в развитии приборостроения, радиоэлектроники, радиолокации и вычислительной техники.

В связи с развитием квантовой техники и других отраслей промышленности большое значение начинают приобретать металлы, переходящие при температуре 0,5—8 К в сверхпроводящее состояние. К ним относятся алюминий, галлий, ванадий, титан, олово и др.

Выпуск цветных металлов, в том числе высокой чистоты, возрастает из года в год. Совершенствуются прежние и создаются новые способы их производства.

Методы производства цветных металлов очень разнообразны.

Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Ряд металлов с успехом получают так называемым гидрометаллургическим способом с переводом их в растворимые соединения и последующим выщелачиванием.

Часто оказывается наиболее приемлемым электролитический процесс водных растворов или расплавленных сред.

Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду. Можно указать еще на такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.

Хлор обладает большим химическим сродством к металлам и при определенных условиях может вытеснить кислород из оксидов с образованием хлоридов. Процесс значительно облегчается в присутствии углерода, так как в этом случае кислород соединяется с углеродом. Например, применительно к двухвалентному металлу возможны следующие процессы:

1. МеО + Cl2 = MeCl2 + 1/2O2 — Q1
2. МеО + Cl2 + С = MeCl2 + СО — Q2.

При этом Q2 1 (по абсолютному значению), и даже в некоторых случаях процесс, протекающий по второй реакции, экзотермичен. Следует подчеркнуть, что и реакции первого типа протекают при более низких температурах, чем анало­гичные реакции восстановления оксидов углеродом.

Важным обстоятельством является то, что хлориды обычно образуют­ся в газообразном состоянии, легко уводятся из процесса, а процесс производства карбидообразующих металлов хлоридным методом в отличие от восстановления углеродом обеспечивает получение малоуглеродистого продукта. В некоторых случаях хлориды находятся в недрах земли или в соленых водоемах.

Из хлоридов металлы получают восстановлением или же электролизом из расплавов.

Производство цветных металлов

В условиях современного прогресса, с ростом интереса к радиоэлектронике и другим сложным направлениям производство цветных металлов приобретает совершенно особую значимость.

При этом наиболее активно производится медь, алюминий, свинец, цинк, титан, никель и некоторые другие металлы – они пользуются наибольшим спросом.

Технологии производства цветных металлов

При производстве цветных металлов применяются самые разные технологии:

• Пирометаллургические методы при избирательной плавке восстановительного или окислительного характера,
• Гидрометаллургические методы при создании растворимых соединений с их дальнейшим выщелачиванием,
• Металлотермические процессы при использовании других металлов в качестве восстановителей.

Таким образом, производство цветных металлов – это весьма многосторонний процесс, и к тому же данная сфера сегодня активно прогрессирует.

Причин для прогресса имеется немало, и это не только возрастающий спрос на цветные металлы, но и высокие требования к экологичности производства, желание получить в распоряжение более дешевые методы выполнения таких работ и многое другое.

Технологии литья цветных металлов

На сегодняшний день литье цветных металлов оказывается востребованным, потому как и сами изделия из такого материала становятся объектом особого внимания и закупаются массово – для нужд технического назначения и множества других направлений.

На практике такой процесс, как литье цветных металлов, оказывается весьма специфичным, и технологии могут сильно разниться в зависимости от конкретики металлов, с которыми идет работа, потому как такие материалы могут иметь:

• Разную температуру плавления,
• Различные физические и химические свойства,
• Различную специфику обработки.

Таким образом, многие из них требуют особого внимания и создания строго определенных условий при выполнении всех специфических работ.

Новые технологии и оборудование для литья цветных металлов на выставке

На сегодняшний день существует немало новых технологий для работы с такими материалами, и прогресс в этом направлении не останавливается.

Все это оказывается вполне закономерным, потому как именно новые технологии могут обеспечить максимальную экономию электроэнергии и материала в процессе обработки, а кроме того, обеспечить безопасность, и в том числе экологическую.

Переход на новые технологии оказывается целесообразным в первую очередь именно с экономической стороны, но при этом он предполагает немало вполне типичных для узкопрофессиональной отрасли проблем.

И в первую очередь это проблема ознакомления с новыми технологиями и оборудованием, ведь такая информация обычно остается в профессиональных кругах, и ознакомление с ней требует приобщения к таковым.

• Прекрасной возможностью присоединения к современным техническим достижениям оказывается посещение профильных событий, таких как выставки, которые реализуются в ЦВК «Экспоцентр» и предоставляют шанс рассмотрения значительного количества интересных вещей.
• Такие события, как «Металлообработка», проводятся по плотному графику и привлекают немалое количество сведущих людей из данной и смежных областей.
• Готовые к производительной работе профессионалы открыты для общения и действий, и использование тех возможностей, что предоставляются данными выставками, обеспечивает все возможности для поиска новых полезных знакомств, для изучения самых новых открытий, а также технологий, для демонстрации личных открытий и проектов.
• Иначе говоря, от посещения подобных выставок отказываться и в самом деле не стоит, так как шансов они открывают массу.
• Выставка становится удобным и целесообразным вариантом формирования прогресса и раскрытия кардинально новых вариантов, и при этом добиться весомого результата в рамках данного события можно с малыми затратами сил и вложениями времени.
• Это выгодный и актуальный подход, имеющий значительные возможности как для малого, так и для солидного бизнеса, а также и для предпринимателей, еще только задумавших создание бизнеса в данном направлении и рассматривающих оптимальные возможности для организации дела, и в том числе в деле технического оснащения и в вопросах задействования необходимых технологий.

В рамках столь активного прогресса уследить за всем происходящим просто не удается, и порой производители упускают интереснейшие новинки, которые могли бы произвести настоящую революцию в производстве и позволить достичь целого ряда необходимых целей. Это вполне закономерно, потому как любая узкопрофессиональная сфера имеет проблемы с распространением полезной информации.

1. Идеальным шансом присоединения к нынешним техническим достижениям бывает посещение профильных событий, таких как выставки, которые реализуются в ЦВК «Экспоцентр» и дают шанс рассмотрения множества актуальных вещей.
2. Такие события проводятся по плотному графику и привлекают огромное количество специалистов из данной и смежных областей.
3. Подготовленные к сотрудничеству и общению специалисты открыты для активного взаимодействия, и использование тех шансов, что предоставляются данными мероприятиями, дает все возможности для нахождения новых партнеров и клиентов, для рассмотрения новейших достижений и технологий, для представления общественности собственных новинок и задумок.
4. Иначе говоря, от посещения таких событий отказываться не стоит, поскольку возможностей они предполагают немалое количество.
5. Выставка, например, как «Металлообработка», оказывается вполне закономерным вариантом формирования новых достижений и рассмотрения новых горизонтов, и при этом получить нужный результат в рамках данного события можно с малыми трудозатратами и тратой времени.
6. Это удобный и выгодный подход, предоставляющий большие перспективы как для начинающегося, так и для солидного бизнеса, а также и для предпринимателей, еще только планирующих создание бизнеса в рамках данной сферы.
7. При этом достигнуть максимального объема целей и получить достойный результат от участия в таком мероприятии оказывается совсем не сложно: для этого достаточно бывает уделить должное внимание процессу подготовки.
8. Производство металлических изделий

Производство цветных металлов

Укажем наиболее распространенные способы получения из руд четырех широко используемых в машиностроении цветных металлов.

Медь — температура плавления 1083 °С, плотность 8,9 г / см3; из руды получают в основном пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Медные руды содержат 1-5 % меди; медь в них находится в виде сернистых соединений CuS, C112S, CuFeS2, оксидов CuO, С112О, карбонатов. Наряду с медью эти руды часто содержат никель, свинец, цинк, золото, серебро и другие металлы.

Упрощенная схема пирометаллургического способа производства меди:

• а) подготовка руды к плавке (обогащение, обжиг руды);
• б) плавка руды на медный штейн (штейн — сплав, содержащий 20- 60 % Си, 10-60 % Fe, до 25 % S);
• в) конвертирование штейна (продувка расплава воздухом в конвертере), в результате чего получают черновую медь (содержит до 1,5 % примесей);
• г) огневое рафинирование (окисление примесей в отражательных печах, после чего чистота меди возрастает до 99-99,5 %);
• д) электролитическое рафинирование (применяют для получения меди чистотой до 99,95 %).

Алюминий — температура плавления 660 °С, плотность 2,7 г / см3; из руды получают электролитическим способом. Алюминиевыми рудами служат бокситы, нефелины, апатиты, алуниты. Алюминий входит в них в виде глинозема AI2O3 или гидроксидов А1(ОН)з и АЮ(ОН).

Производство алюминия электролитическим способом состоит из двух этапов.

1. Выделение глинозема из руды. Глинозем А120з чаще получают из руды щелочным способом. Для этого измельченный боксит подвергают выщелачиванию — химическому разложению концентрированным раствором щелочи NaOH:

При этом хорошо растворяющийся алюминат натрия NaA102 переходит в раствор, а примеси (оксиды железа, титана и др.) выпадают в осадок. Затем алюминат натрия NaA102 разлагают, получая гидроксид алюминия А1(ОН)з.

При прокаливании гидроксида образуется глинозем:

2. Электролиз глинозема. Полученный глинозем растворяют в криолите Na3AlF6 и подвергают электролизу. Последний осуществляют в электролизерах, состоящих из корпуса 1 (рис. 2.7), футерованного внутри угольными блоками 6, в подовую часть которого подведены катодные шины 5. Над ванной на шинах 2 подвешены угольные аноды 3.

Рис. 2.7. Схема электролизера для получения алюминия

В рабочем состоянии нижняя часть анодов 3 находится в электролите 8 (Na3AlF6+ А120з). При прохождении тока (4,0-4,5 В, 75- 150 кА) электролит нагревается до температуры 950 °С. При этом часть электролита настывает на стенках электролизера и вокруг анодов, образуя твердую корку 4, на которую сверху насыпают очередную порцию глинозема 9.

Катион А13+ разряжается на катоде, которым является дно ванны, и образуется жидкий алюминий, а анион 02~ — на аноде, окисляя углерод анода до СО и С02. Жидкий алюминий 7 через 1-2 суток сливают.

На получение 1 т алюминия электролизом расходуется примерно 16 тыс. кВт • ч электроэнергии и до 0,6 т угольных анодов.

Полученный алюминий содержит примеси железа, кремния, меди, глинозема. Поэтому его подвергают рафинированию.

Рафинирование алюминия заключается в продувке жидкого металла хлором в течение 10-15 минут. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий А1С1з адсорбируется на поверхности мелких неметаллических примесей, и они всплывают в виде шлака. Хлор также способствует удалению растворенных газов (кислорода, окиси углерода).

После рафинирования и отстаивания в течение 30—45 минут чистота алюминия достигает 99,5-99,85 %.

Если к алюминию предъявляются более высокие требования по чистоте, его подвергают еще и электролитическому рафинированию. Такой алюминий обладает чистотой до 99,99 %.

Магний — температура плавления 651 °С, плотность 1,74 г / см3; из руды получают электролитическим способом. Основным сырьем для получения магния являются карналлит, магнезит, доломит, би- шофит. Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2KCl) используют для приготовления электролита.

Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами — стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава: 10 % MgCl2, 45 % СаС12, 30 % NaCl, 15 % КС1 с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления ((720 ± 10) °С).

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 ванны, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом.

Черновой магний содержит до 5 % примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl, КС1 ,ВаС12, CaF2, NaCl, СаС12, нагревают в электропечи до температуры 700-750 °С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. После этого печь охлаждают до температуры 670 °С и магний разливают в изложницы на чушки.

Титан — температура плавления 1665 °С, плотность 4,5 г / см3; из руды получают магниетермическим способом. Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45 % ТЮ2, ~30 % FeO, 20 % Fe203 и 5-7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO-Ti02.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.

Образующееся железо науглероживается, и получается чугун (побочный продукт процесса), а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы.

Основной продукт этого процесса — титановый шлак, содержащий 80-90 % ТЮ2, 2-5 % FeO и примеси — Si02, А120з, СаО И др.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию 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 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС12, MgCl2 и др.:

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

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950-1000 °С. В реактор загружают чушковой магний. После откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция:

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 примесей ее нагревают до температуры 900-950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят способом 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.

Особенности производства цветных металлов и сплавов

• Цветные металлы разделяют на четыре группы:
• 1) тяжелые металлы (Cu, Ni, Zn, Pb, Sn);
• 2) легкие металлы (Al, Mg, Be, Li);
• 3) благородные металлы (Au, Ag, Pt и ее природные спутники Ro, Ir, Os);
• 4) редкие металлы:
• — тугоплавкие (Mo, W, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr);
• — легкие (Sc, St, Ru);
• — радиоактивные (U, Th, Ra);
• — редкоземельные

Наиболее широко в машиностроении применяют Cu, Al, Mg, Ti, Zn, Ni, Pb и Sn, которые используют в чистом виде и в составе многих сплавов. Цветные металлы имеют решающее значение для развития современного машиностроения и обеспечивают прогресс в развитии новой техники. Однако они весьма дороги, и когда это возможно, их заменяют на черные или неметаллические материалы. Из всех рассмотренных цветных металлов по объемам производства в металлургии важнейшими считаются Cu, Al, Mg и Ti.

Методы производства цветных металлов очень разнообразны. Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Кроме того, используют электролиз.

Этот способ основан на диссоциации содержащего металл сырья в электролите и последующем осаждении металла на катоде. Электролиз ведут не из водного раствора, а из расплава.

Это обусловлено тем, что в растворе на катоде осаждается водород, как более положительный ион, а чистый металл выделить невозможно, образуются лишь его соединения (гидраты окислов). Оборудование – электролизер, имеющий катодное и анодное устройство.

Катодное устройство – ванна из огнеупорного материала, в которой находится расплавленный металл и электролит (криолит Na3AlF6 для производства алюминия, хлористый магний MgCl для производства магния и т.п.). Катодом служит либо расплавленный металл, как в случае получения алюминия, либо стальные пластины, как при получении магния.

Анодом служит, как правило, угольный стержень или пластина. В процессе электролиза происходит разряжение ионов металла на катоде и осаждение. Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду.

Металлотермия– восстановление соединений металла (хлоридов или окислов) другими металлами. Используется при производстве титана.

Титановый шлак (продукт доменного производства) хлорируют: TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO.

Хлорид титана очищается от остальных побочных продуктов за счет различной температуры кипения в конденсационных и фильтрационных установках, затем восстанавливается в реакторах: 2Mg + TiCl4= Ti = 2MgCl2.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, т.к. MgCl2 – побочный продукт при получении титана служит сырьем для получения магния, а магний и хлор используют при производстве титана.

Также используются такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлические элементы встречаются в земной коре, в почве и воде в виде простых и сложных веществ. Получение металлов в промышленности основано на химическом составе сырья и свойствах компонентов.

Понятие о металлургии

Металлургия — получение металлов из руд — один из древнейших видов человеческой деятельности. Еще во втором тысячелетии до н. э. в Египте умели выплавлять железо из железной руды. Так называемый железный век пришел на смену бронзовому, тот, в свою очередь, наступил после каменного.

Получают металлы из рудных полезных ископаемых. Например, халькопирит или медный колчедан — сырье для производства железа, меди и серы (Рис. 1). Химическая формула минерала CuFeS2. Металлы в составе других руд находятся в виде оксидов или солей неорганических кислот, химически связанных катионов.

Рис. 1. Халькопирит

Суть металлургического процесса заключается в восстановлении положительных ионов до свободных атомов металла. Используют в качестве источников электронов углерод и его соединения, водород, металлы. В процессе восстановления катионы получают недостающие электроны. Происходит восстановление электронных оболочек металла. Схема процесса:

Ме+n + ne- → Me, где

• Ме+n — металл в окисленной форме;
• +n — степень окисления;
• ne- — количество присоединяемых электронов;
• Ме — металл в восстановленной форме.

Способы получения металлов

В зависимости от того, кокой восстановитель используют в металлургическом процессе различают: пиро — ,  гидро, электро —  и биометаллургию. 

Наиболее распространенные способы получения металлов: пирометаллургический и электрометаллургический. Большинство реакций восстановления протекают при высоких температурах (Рис. 2). Так как металлическая связь обладает повышенной прочностью, то выделение металлов в чистом виде из природных соединений проводят при высоких температурах.

Рис. 2. Металлургическое производство

Пирометаллургический способ

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах при участии восстановителей. В переводе с греческого «пирос» означает «огненный». Используют в качестве восстановителей кокс, диоксид углерода, водород. Применяют активные металлы для получения менее активных.

Пирометаллургия подразделяется на 

• карботермия, 
• водородотермия, 
• металлотермию. 

• Карботермия: перевод сульфида металла путем обжига в оксид и дальнейшим восстановлением углем до чистого состояния.
• 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2 SO2
• ZnO + C = CO + Zn

Руды, состоящие из оксидов и сульфидов железа, подвергают карботермии. Проводят восстановление коксом или диоксидом углерода (угарным газом). Получают сплавы железа — чугун и сталь. Первый содержит больше углерода, а также оксидов серы, фосфора и кремния. Углерод снижает твердость и другие характерные для металлов качества.

Химические реакции, лежащие в основе выплавки чугуна:

1. C + O2 = CO2↑,
2. CO2 + C ↔ 2CO↑,
3. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2↑,
4. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2↑,
5. FeO + CO = Fe + CO2↑.

Сталь выплавляют в специальных печах — электрических, конвертерных, мартеновских (Рис. 3). При продувании обогащенного кислородом воздуха выгорает избыточный углерод, его содержание уменьшается до 2% и ниже. Этот способ является более экономически применим, т.к. при помощи него получают сталь и чугун, которые широко используются в современной промышленности.

Рис. 3. Пирометаллургия

Восстановлением углем можно получить железо, медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и другие металлы. В качестве сырья используют медную (Cu2O), оловянную (SnO2), марганцевую (MnO2) руды.

Металлы можно извлечь из сульфидных руд. Сначала проводят обжиг, затем — восстановление полученного оксида углем. Схемы обжига цинковой обманки и получение цинка:

1. 2ZnS +3O2 = 2ZnO + 2SO2↑;
2. ZnO + C = Zn + CO↑.

Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:

1. FeCO3 = FeO + CO2↑;
2. FeO + C = Fe + CO↑.

Водородотермия — производство металлов восстановлением водородом

Достоинством этого металлургического метода является получение очень чистых металлов. Восстановление меди из оксида CuO — пример восстановительных свойств водорода из школьного курса неорганической химии. Схема протекания реакции (Рис 4):

Рис. 4. Восстановление меди водородом

Водородом восстанавливают из оксидов тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

Металлотермия

Проводят восстановление одного металла другим, более химически активным. Этот способ применяют для получения металлов из оксидов и галогенидов.

В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием. 

Силикотермия — восстановление металлов кремнием. Процесс протекает согласно схеме: 2MgO + Si → 2Mg + SiO2.

Гидрометаллургический способ

Гидрометаллургия — способ получения благородных, цветных, редких металлов. Например, оксид меди сначала переводят в сульфат с помощью серной кислоты. Медь вытесняют из раствора железом. Протекает следующая реакция замещения: CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4. Либо медь извлекают из раствора электролизом. Пропускают электрический ток, ионы Cu2+ осаждаются на катоде.

Преимущество гидрометаллургического способа — возможность получать металлы из бедных руд. Еще один плюс метода — снижение газообразных выбросов в атмосферу. Большое количество вредных газов и сажи поступает в воздух при обжиге руды и пирометаллургии.

Электролиз

Электролиз расплавов оксидов, солей и гидроксидов проводят для получения металлов, расположенных в ряду активности от лития до марганца. Электролиз водных растворов служит для производства менее активных металлов (Рис. 5).

Рис. 5. В цехе электролиза

Электролиз расплавов

Катодные (восстановительные)процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и водорода или молекул воды.

• Для растворов кислот: К(-) Н+ + 2 е- ⟶H20↑.
• Для растворов солей или щелочей: К(-) Mn+, H2O.

Характер восстановительного процесса зависит от значения стандартного потенциала металла:

Схема электролиза расплава хлорида натрия:  2NaCl (эл. ток) → 2Na + Cl2↑.

Схема электролиза сульфата марганца в растворе: 2MnSO4 + 2H2O (эл. ток) → 2Mn + O2↑+2H2SO4.

Способ термического разложения

Железо с диоксидом углерода при повышенных давлении и температуре образует пентакарбонил Fe(CO)5. Эту жидкую субстанцию перегоняют для очистки от примесей, затем нагревают. Карбонил разлагается с образованием порошка железа. Дальнейшее нагревание в вакууме или атмосфере водорода приводит к получению очень чистого железа. Схема процесса: Fe(CO)5 → Fe + 5CO↑.

Биометаллургия

Способ, основанный на биохимических процессах с участием микроорганизмов. Метод получил распространение на Западе, так как позволяет меньше загрязнять окружающую среду. Биометаллургия служит для получения меди, серебра, никеля, свинца, урана, рения и ряда других металлов.

Кроме собственно добычи металла из природных соединений (руд), металлургия включает в себя вторичную переработку сплавов и металлических изделий.

Минеральные ресурсы Земли огромны, но конечны, а переплавка бывших в употреблении изделий бывает выгоднее и проще.

Иногда обработку металлов тоже относят к металлургии, поэтому можно сказать, что это действительно одна из самых крупных областей промышленности.

Смотри также: