10. Обжиг в цветной металлургии. Кальцинирующий, окислительный, агломерирующий, восстановительный, хлорирующий и фторирующий (дайте определение и приведите примеры химических реакций)

Обжиг – металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500-12000С) с целью изменения химического состава перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными. В цветной металлургии применяют следующие виды обжига:

1.Кальцинирующий обжиг (прокалку) проводят с целью разложения (диссоциации) нагревом неустойчивых химических соединений – гидроксидов, карбонатов и др. В общем виде этот вид обжига описывается следующими уравнениями:

Me(OH)₃  Me₂O₃ + H₂O;

MeCO₃  MeO + CO₂

2. Окислительный обжиг применяют для подготовительной обработки сульфидных руд и концентратов с целью полного или частичного перевода сульфидов в оксиды:

2MeS + 3O₂  2MeO + 2SO₂.

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

3. Восстановительный обжиг проводят для восстановления высших оксидов некоторых металлов до низших, например:

3Fe₂O₃ + CO  2Fe₃O₄ + CO₂

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

11. Классификация металлургических процессов при производстве цветных металлов. Пиро-, гидро- и электрометаллургические процессы, их краткая характеристика и назначение. Приведите примеры химических реакций обжига, плавки, дистилляции, выщелачивания, экстракции, цементации, электролиза

Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяют на три группы:

• Пирометаллургические;

• Гидрометаллургические;

• Электрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах, чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов. Эти процессы разделяют на три группы: обжиг, плавка и дистилляция. Обжиг – металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500-12000С) с целью изменения химического состава перерабатываемого сырья. В качестве примера приведем уравнения окислительного обжига

2MеS + 3O₂  2MeO + 2SO₂.

Плавка – пирометаллургический процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала. Различают две разновидности плавок – рудные и рафинировочные. В качестве примеров приведем восстановительную рудную плавку:

(MeO, SiO₂, CaO, Fe₂O₃) + C + O₂,N₂ = Me + (SiO₂, CaO, FeO) + CO₂,N₂.

Дистилляция – процесс испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения, позволяющий разделить компоненты обрабатываемого материала в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы могут использоваться как для первичной переработки рудного сырья, так и для удаления легколетучих примесей при рафинировании металлов или разделении металлических сплавов.

Гидрометаллургические процессы проводятся при низких температурах на границе раздела, чаще всего твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.

Выщелачивание – процесс перевода извлекаемых металлов в раствор при воздействии растворителя на перерабатываемые материалы (руду, концентрат и т.д.), часто в присутствии газового реагента – кислорода, водорода и др. 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 используют методы химического осаждения неорганическими или органическими реагентами, кристаллизацию или цементацию. Примерами цементационной очистки могут служить процессы выделения меди из сернокислых цинковых растворов цинком

(CuSО₄ + Zn  ZnSO₄ + Cu)

или из никелевого электролита никелем

(CuSO₄ + Ni  NiSO₄ + Cu).

Большее распространение приобретают сорбционные и экстракционные процессы. Экстракцией называют процесс извлечения растворенных химических соединений металлов из водных растворов в жидкую органическую фазу, несмешивающуюся с водой.

Особенностью электрометаллургических процессов является использование электроэнергии в качестве движущей энергетической силы для их протекания. Электролиз расплавленных солей ведут при воздействии постоянного тока на расплавленную среду, состоящую из оксидов или хлоридов. Процесс описывается следующей схемой:

MeO (MeCl₂)  Me²⁺ + O^2- (2Cl^-).

Me²⁺ + 2e  Me -на катоде;

O^2- - 2e  O₂  или 2Cl^- - 2e  Cl₂ на аноде.

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

12. Огнеупорные материалы и их классификация по огнеупорности и характеру химической активности оксида, служащего огнеупорной основой. Кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезиальные, хромистые, углеродистые огнеупоры. Рабочие свойства огнеупоров

Для сооружения плавильных печей и ряда других агрегатов, а также для создания в них внутренней защитной облицовки, которая называется футеровкой, используют чаще всего огнеупорные материалы. Огнеупорными называют строительные материалы, выдерживающие без расплавления температуры до 1600С и более. По своему составу они, в основном, представляют оксидные системы. Огнеупорные материалы в зависимости от их физико-химических свойств классифицируются по огнеупорности, химико-минералогическому составу, химической активности оксидов и ряду других характеристик.

Огнеупорность – стойкость материалов при длительном воздействии температур. По огнеупорности изделия подразделяют на огнеупорные (1580-1770С), высокоогнеупорные (1770-2000С) и высшей огнеупорности (более 2000С).

По химико-минералогическому составу огнеупорные материалы классифицируют на следующие основные группы:

1. кремнеземистые – огнеупорная основа SiO₂ (динасовые, кварцевые стекла).

2. алюмосиликатные – огнеупорная основа А1₂О₃ и SiO₂ (полукислые, шамотные и высокоглиноземистые)

3. магнезиальные – основа MgO (магнезитовые, доломитовые, шпинельные, форстеритовые)

4. хромистые – основа Cr₂O₃  MgO (хромитовые, хромомагнезитовые)

5. углеродистые – основа углерод (графитовые, угольные, карборундовые).

По характеру химической активности оксида, служащего огнеупорной основой, огнеупоры бывают кислые (SiO₂) и нейтральные (Аl₂О₃), а также основные (MgO, CaO).

Огнеупоры должны обладать следующими рабочими свойствами:

1. термическая стойкость;

2. способность сохранять в процессе эксплуатации первоначальный объем и форму.

3. пористость или газопроницаемость

4. теплопроводность

5. электропроводность и ряд других свойств.

13. Металлургическое топливо. Классификация его по агрегатному состоянию и способу получения (приведите примеры основных видов топлива). Теплотворная способность топлива. Полнота сгорания топлива (приведите примеры реакций сгорания топлива). Коэффициент избытка дутья

Необходимые температуры в металлургических процессах достигаются сжиганием топлива или за счет использования электроэнергии. Основные разновидности топлива имеют органическое происхождение. В состав топлива входят C, H₂, S, O₂, N₂, присутствующие в виде различных соединений и составляющие горючую массу. Кроме того, в топливе могут содержаться вода и зола – негорючая часть. По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо, а по способу получения – естественное и искусственное. Искусственное топливо получают в результате направленной переработки естественного топлива. Основными видами топлива являются дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, кокс, нефть, сульфидные руды и концентраты, а также природный газ.

При сжигании топлива выделяется тепловая энергия, количество которой тесно связано с химическим составом топлива и условиями его сжигания. Количество тепла, которое выделяется при сжигании топлива, называется теплотой сгорания топлива или его теплотворной способностью. Теплота сгорания выражается в следующих единицах: КДж/кг, кДж/м³ или кДж/моль. Приведем примеры некоторых реакций сгорания топлива:

C + O₂ = CO₂ + 34070 КДж/кг

H₂ + ½ O₂ = H₂O + 241800 кДж/мол

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 35800 кДж/м³

Горение топлива осуществляется за счет кислорода дутья: воздуха (21%(об.) О₂), смеси воздуха с кислородом или технологического кислорода (95-98% (об) О₂). Полнота сжигания топлива характеризуется коэффициентом избытка дутья (). Если количество дутья соответствует теоретически необходимому для полного сжигания топлива, то  = 1. При недостатке дутья   1, при его избытке  1.

14. Дробление и измельчение рудного сырья цветных металлов. Крупное, среднее, мелкое дробление, тонкое измельчение. Степень дробления (измельчения). (щёковые, конусные, валковые и молотковые дробилки, барабанные мельницы (нарисуйте схему и поясните принцип действия)

Для вскрытия минералов и отделения их друг от друга руду нужно раздробить и измельчить. При тесном взаимном срастании минералов для их разделения требуется измельчение до крупного порядка 0,2 мм и мельче. Степень дробления (измельчения) представляет собой отношение диаметров наибольших кусков руды (D) к диаметру кусков продукта измельчения (d): K = D / d. Дробление и измельчение руды обычно ведут в несколько стадий с использованием дробилок и мельниц различных типов. Приведем размеры кусков продуктов на каждой стадии: крупное дробление 100…300 мм, среднее дробление – 10…50 мм, мелкое –3…10 мм, тонкое – 0,05…2,0 мм и мельче. Для дробления руд цветных металлов наиболее часто применяют щековые, конусные, валковые и молотковые дробилки. В щековых дробилках дробление руды происходит между неподвижной и подвижной щеками. Вместе с боковыми стенками щеки образуют рабочее пространство дробилки. Щековые дробилки – аппараты периодического действия. Это является основным недостатком щековых дробилок, которые имеют более низкую производительность по сравнению с конусными дробилками непрерывного действия. Дробление в конусных дробилках осуществляется в кольцевом пространстве между двумя усеченными конусами.

Валковые дробилки с гладкими и рифлеными валками применяют для мелкого дробления. Исходный материал подается в дробилку сверху, захватывается валками, вращающимися навстречу друг другу, дробится и разгружается вниз под дробилку. Для измельчения кусковых материалов до крупности частиц менее 1…2 мм используют барабанные мельницы, которые в зависимости от вида дробящих тел делятся на шаровые, стержневые, самоизмельчения и др.

15. Качественная схема обогащения руд цветных металлов. Подготовительные, обогатительные и вспомогательные процессы. Технологические показатели обогащения руд. Извлечение, степень обогащения, выход продукта (дайте определение и приведите примеры)

Перед обогащением руду приводят к такому состоянию, при котором содержащиеся в ней минералы будут, как можно полнее освобождены от сростков друг с другом. Это достигается при дроблении и измельчении руды и сортировкой измельченного материала по крупности грохочением или классификацией. В свою очередь, полученный концентрат необходимо подготовить к металлургической переработке путем его обезвоживания (рисунок). На рисунке знаками «+» и «-» обозначены крупная и мелкая фракции продукта измельчения. Таким образом, процесс обогащения слагается из подготовки руды к обогащению, собственно обогащения и подготовки концентрата к металлургической переработке.