Металлургические процессы

В основе производства металлов лежат металлургические процессы, то есть технологические процессы извлечения металлов из руд и отходов производства. В общем случае металлургический процесс включает три последовательных стадии:

• подготовка руды — превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металла;

• восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла;

• вторичная обработка полученного металла.

Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификацию и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления. Необходимость последней операции связана с тем, что восстановлению подвергаются преимущественно оксиды, реже галогениды металлов, поэтому все остальные соединения (сульфиды, гидроксиды) должны быть переведены в них. Это достигается воздействием на обогащенную руду высокой температуры или соответствующих реагентов:

В соответствии с методом технологические процессы подготовки руды подразделяются на пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением руды. К ним относят:

• обжиг — процесс, проводимый при высокой (500—1200°С) температуре в твердой фазе с целью изменения химического состава руды. Условия обжига зависят от состава руды и назначения процесса. Руды, содержащие сульфиды металлов, подвергаются окислительному обжигу до их оксидов; руды для последующего магнитного обогащения подвергаются восстановительному обжигу;

• восстановительная плавка — процесс восстановления оксидов металлов при температурах, обеспечивающих полное расплавление руды;

• дистилляция — процесс испарения перерабатываемого вещества с целью разделения его компонентов на основе их различной летучести.

Гидрометаллургические процессы проводятся в водных средах при температурах до 300°С на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Наиболее распространенным гидрометаллургическим процессом является выщелачивание — процесс перевода в жидкую фазу (раствор) извлекаемых из руды соединений металлов при воздействии на нее растворителей. Выщелачивание может быть физическим процессом (растворитель вода) или химическим процессом (растворитель — реагент, взаимодействующий с извлекаемым компонентом).

Вторичная обработка восстановленного металла проводится для его очистки, а также с целью перестройки кристаллической структуры металла, изменения его состава и свойств. К операциям вторичной обработки относятся очистка металла методами дистилляции, электролиза, электрошлакового переплава и зонной плавки; получение сплавов, закалка, отжиг, отпуск, цементирование и др. Некоторые из них рассматриваются ниже.

На рис. 1.2 представлена общая схема производства металлов из руд (металлургического процесса).

Рис. 1.2. Общая схема производства металлов из руд:

I — подготовка руды, II — восстановление, III — вторичная обработка, В — восстановитель, [О] — окисление, Т — термическая обработка

Существуют несколько основных способов получения — металлов. Восстановление:

— из их оксидов углем или оксидом углерода (II)

ZnО + С = Zn + СО 

Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂

— водородом

WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O

СоО + Н₂ = Со + Н₂О

— алюминотермия (металлотермия, силикотермия..)

4Аl + 3МnО₂ = 2А1₂О₃ + 3Мn

Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем)

2ZnS + 3О₂ = 2ZnО + 2SО₂

ZnО + С = СО + Zn

Электролизом расплавов солей

СuСl₂, ® Сu²⁺ + 2Сl^-

Катод (восстановление): Анод (окисление):

Сu²⁺ + 2е^- = Сu^о                    2Cl^- - 2е^- = Сl°₂ 

Физико-химические основы восстановления металлов из руд

Процессы восстановления металлов из руд различаются по природе восстановителя и по условиям восстановления. В качестве восстановителей применяют химические вещества (водород, оксид углерода (II), углерод, металлы) или электрический ток, а процесс восстановления можно проводить в растворе, в расплаве или в твердой фазе. В зависимости от этого различают следующие методы восстановления:

1. Гидрометаллургическое восстановление — восстановление химическими восстановителями из водных растворов, на пример:

CuSO₄ + Zn = Си + ZnSO₄

2. Пирометаллургическое восстановление — восстановление химическими восстановителями при высокой температуре из расплавов или твердой фазы, например:

FeO + СО = Fe + СО₂

3. Электрогидрометаллургическое восстановление — восстановление электрическим током из водных растворов, например:

CuSO₄ + 2e^- = Сu + SO₄^2-

4. Электропирометаллургическое восстановление — восстановление электрическим током при высокой температуре из расплавов, например:

А1₂О₃ + 6 e^- = 2А1 + 3O^-2

Оба случая восстановления электрическим током представляют собой процессы электролиза в водных растворах или расплавах электролитов, при которых восстанавливаемый металл выделяется на катоде.

При восстановлении металлов из их соединений необходимо учитывать как принципиальную осуществимость этого процесса, так и полноту его протекания, от которой зависит экономичность процесса.

Принципиальная возможность процесса восстановления определяется условием G<0, где G — изобарно-изотермический потенциал равный:

G=H-TS (1.1)

Скорость самопроизвольно протекающей реакции восстановления тем выше, чем больше по абсолютному значению величина G. Из 1.1 следует, что соблюдению неравенства AG<0 способствует уменьшение энтальпии (Н<0), увеличение энтропии (S>0) и проведение процесса при максимально осуществимой в данных условиях температуре Т. Использование температурного фактора позволяет в ряде случаев применять для восстановления слабые восстановители, которые не «работают» при обычных температурах.

Наиболее распространенный процесс восстановления оксидов металлов описывается общим уравнением:

МеО + В  Me + ВО (а)

где: В — восстановитель, ВО — продукт окисления восстановителя.

Производство алюминия

По объёму производства и масштабам практического использования алюминий занимает первое место среди цветных металлов.