Металлургия цветных металлов

Если принять 30 катодов и 29 анодов в каждой ванне, число ванн будет

1,35-10*

450 шт.

30

Напряжение на ванне 0,3 в. Потери в подводке и контактах учи­ тываются коэффициентом /(=1,15. Общее напряжение цепи ванн

450-0,3- 1,15 = 155* в.

Расстояние между электродами 2—5 см\ примем 3 см, а расстоя­ ние от крайних анодов до торца ванны 10 см. Длина ванны будет

6 0 - 3 + 2 - 1 0

Расстояние от края катода до продольной стенки ванны обычно 5 см, поэтому ширина ванны

0,88 + 2 • 0,05 = 0,98 м.

Обычная глубина ванны 1—1,1 м.

Регенерация электролита

Обновление электролита (регенерация) необходимо для предупреждения накопления примесей и удаления избытка меди. Медь накапливается в электролите в ре­ зультате частичного растворения ее химическим путем при участии кислорода воздуха:

2Си О2 “f“ 2 H2SO4 —>■2 C11SO4 -f- 2 Н2О.

Кроме того, в анодах содержится закись меди, час­ тично растворимая в серной кислоте:

С112О -f- H2SO4—>- C11SO4 -f- Си -j- Н2О.

При этом в электролит переходит меди на 0,5—1 % больше, чем осаждается на катодах.

Постепенно накапливаемая в растворе сернокислая медь может начать кристаллизоваться; особенно на по­ верхности анодов.

Если содержание примесей невелико и требуется толь­ ко удалить избыток меди, электролит подвергают элек­ тролизу в ваннах обычного устройства, но с нераствори­ мыми свинцовыми анодами. Медь из электролита при этом осаждается на катодах, а на свинцовых анодах вы­

* Общее напряжение можно увеличить или уменьшить приме­ нительно к источнику питания, изменяя число катодов в ванне и чис­ ло ванн.

деляется кислород (см. стр. 92), в растворе образуется свободная серная кислота. После выделения части меди раствор можно возвратить в систему циркуляции.

Напряжение на ванне при электролизе с нераствори­ мым анодом составляет около 2,5 в; расход энергии в этих ваннах примерно в 10 раз больший, чем при электролизе с растворимыми анодами.

Если необходимо не только снизить содержание меди, но и удалить примеси, электролитический способ невыго­ ден: удалить примеси удается только после выделения электролизом всей меди; из бедных растворов медь осаждается в виде загрязненного примесями рыхлого осадка.

В этом случае выведенную часть электролита нейтра­ лизуют медной окалиной или медью при нагревании, продувая его воздухом для ускорения растворения ме­ ди. Горячий раствор сливают в особые ванны, где выпа­ дают кристаллы CUS0 4'5H20. Маточный раствор выпа­ ривают и вновь кристаллизуют, получая дополнительное количество медного купороса. На некоторых заводах для выпарки и кристаллизации применяются вакуумные ап­ параты.

Кристаллизацию — выделение растворенного вещества в виде твердых кристаллов — проводят из пересыщенных растворов, концен­ трация которых после охлаждения выше насыщения при конечной температуре. Пересыщение раствора достигается выпариванием части растворителя или охлаждением раствора. В обоих случаях кристал­ лизация начинается образованием зародышей — мельчайших первич­ ных частиц твердого, которые затем растут, закрепляя на своей по­ верхности ионы растворенного вещества в виде свойственного ему геометрически правильного построения (кристаллической решетки).

Крупность кристаллов зависит от скоростей образования зароды­ шей и их роста. Если зародыши образуются быстро, а растут мед­ ленно— кристаллы мелкие. При обратном соотношении скоростей кристаллы крупные.

Образованию зародышей способствует быстрое пересыщение рас­ твора, например от резкого его охлаждения и присутствия большой поверхности какого-либо нерастворимого твердого вещества. В опи­ санном случае горячий раствор медного купороса сливают для охлаж­ дения в бассейн, на краях которого подвешены полосы листового свинца; преимущественно на них возникают зародыши и вырастают крупные кристаллы.

В кристаллическую решетку включаются молекулы раствори­ теля (воды), поэтому состав медного купороса выражается фор­ мулой C uS04 • 5Н20 . После отделения кристаллов остается маточный раствор, в котором концентрируются примеси.

Описанный способ кристаллизации технически несовершенен: он требует устройства больших бассейнов и протекает медленно. Извест­

ны многие конструкции более производительных кристаллизаторов Особенно интенсивны и экономичны вакуумные кристаллизаторы, опи­ санные далее (см. стр. 339).

Часто пользуются комбинированным способом реге­ нерации, по которому одна порция электролита только обедняется медью в результате электролиза и возвра­ щается в циркуляцию; другую порцию перерабатывают на медный купорос, а из конечного маточного раствора удаляют главную массу меди электролизом и выкристал­ лизовывают никелевый купорос, если никель накаплива­ ется в электролите.

риодической очистке ванн шлам из них выгружают и на­ правляют на переработку.

Состав шлама зависит от состава анодов; примерный состав шлама дан ниже, %:

Главные ценные составляющие шламов: благородные металлы, селен и теллур. Перед извлечением этих эле­ ментов удаляют медь, выщелачивая ее горячим раство­ ром серной кислоты при продувке воздухом. Затем шлам спекают с содой. Селен и теллур образуют при этом рас­ творимые в воде селениты и теллуриты натрия — Na2Se0 3 и Na2Te03. Селен также частично улетучивается в виде Se02; его улавливают из газов пылеуловителями.

Спек выщелачивают водой, а из полученных раство­ ров выделяют селен и теллур. Остаток от выщелачива­ ния плавят с содой и окислителями, получая сплав золо­ та и серебра — металл доре. Его отправляют на аффи­ нажные заводы, где очищают от примесей и разделяют на золото и серебро (см. стр. 232).

Вопросы для самопроверки

1. Какие металлы обычно сопутствуют меди в рудах? Молибден, титан, вольфрам, цинк, свинец, магний, зо­

лото, серебро, олово, платина.

2. Какие ценные элементы содержатся в медных

Si02, FeS, А120 з, CaO, Cu2S, MgO, ZnS.

5. Какие примеси удаляются при огневом рафиниро­ вании меди?

Fe, Au, S, Ag, Bi, Sb, Se, Те.

6. Какие элементы переходят в шлам при электроли­ зе меди?

Fe, Au, Ni, Ag, S, Se, Те.

МЕТАЛЛУРГИЯ НИКЕЛЯ

§ 20. Химические свойства никеля

Никель — элемент VIII группы; вместе с тем он на­ ходится в том же периоде системы Д. И. Менделеева, что и медь, и имеет предшествующий меди порядковый но­ мер — 28. Из этого следует, что химические свойства ме­ ди и никеля близки, однако никель более активный ме­ талл, чем медь.

Впервые никель получил шведский химик А. Ф. Кронстедт в 1751 г., он и предложил название элемента.

Природный никель состоит из пяти стабильных изо­ топов с атомными массами 58, 60, 61, 63 и 64; итоговая атомная масса его 58,71.

Никель известен в двух модификациях: обычное состояние металла, в котором он ковок и пластичен, соот­ ветствует (3-модификации с гранецентрированной куби­ ческой решеткой. Вторая, а-модификация может быть по­ лучена из химических соединений и сплавов в виде серо­ черного порошка; она имеет гексагональную решетку и устойчива при температурах ниже 250° С.

Согласно положению в периодической системе, мак­ симальная валентность никеля достигает восьми (VIII группа); однако в простых соединениях он обычно двух­ валентен. Соединения трех- и четырехвалентного никеля нестойки, более высокие его валентности проявляются только в комплексных ионах.

Электрохимический потенциал никеля указывает на его большую металличность в сравнении с медью:

№2+ + 2е^№ ; ^ £° = — 0,24 в.

Никель не окисляется на воздухе; он медленно реаги­ рует с соляной и серной кислотами, выделяя водород, а в азотной кислоте растворяется энергично. Вместе с тем

концентрированная азотная кислота пассивирует поверх­ ность никеля и усиливает его стойкость к другим кисло­ там. В щелочах никель не корродирует.

Сульфид никеля NiS при нагревании до 600—700° С диссоциирует с образованием твердого раствора посто­ янного состава:

6 NiS = 2Ni3S2 + S 2.

Эти и другие менее стойкие сульфиды никеля №3 8 4 , Ni6S5 служат катализаторами для ряда переделов в тех­ нологии органических веществ. При температурах метал­ лургической переработки стоек только Ni3S2, который при окислительном обжиге превращается в NiO, часто через стадию промежуточного образования NiS0 4 .

Сульфат никеля NiSCU или NiSQi • 7Н20 — никелевый купорос хорошо растворим в воде, растворы его применя­ ют для электролитического никелирования стали и дру­ гих металлов с целью коррозионной защиты или улуч­ шения внешнего вида.

Окисел NiO — это закись никеля; она в воде нерас­ творима, но растворима в сильных кислотах. Прокалива­ ние при температурах выше 1000° С сильно снижает хими­ ческую активность NiO. Закись никеля легко восстанав­ ливается до металла углеродом и водородом при температурах 600—700° С.

При гидролизе водных растворов солей никеля выпа­ дает осадок Ni(OH)2, легко растворимый в кислотах и водном аммиаке с образованием комплексных ионов Ni(NH3)^+ и Ni(NH3)2+ синего цвета. Такие же комп­

лексные ионы получаются при действии водного аммиака на свежевосстановленный порошок металлического нике­ ля в присутствии окислителей.

Если гидролиз солей никеля проводить при одновре­ менном действии окислителя, например хлора, выпадает осадок черной гидроокиси Ni(OH)3, применяемой в про­ изводстве щелочных аккумуляторов.

§ 21. Руды никеля и их обогащение

Рудные минералы никеля — сульфиды и силикаты — образуют сульфидные и окисленные руды.

В с у л ь ф и д н ы х р у д а х никель представлен ми­ нералом пентландитом — изоморфной смесью сульфидов

железа и никеля (Ni, Fe)S, а частично и твердыми рас­ творами никеля в пирротине FezSe. Другие сульфидные минералы его имеют меньшее значение. Никелю в этих рудах сопутствует медь (главным образом в виде халь­ копирита) , кобальт и металлы платиновой группы — платина, осмий, иридий, родий, рутений и палладий.

Содержание никеля в сульфидных рудах колеблется в пределах 0,3—5,5%, меди 0,6—10%, кобальта до 0,2% (табл. 14).

Т а б л и ц а 14

Состав сульфидных медно-никелевых руд, %

В сульфидных медно-никелевых рудах никелю сопут­ ствуют пирротин, магнетит и силикаты железа, алюми­ ния, магния. Подобно медным рудам, они подразделяют­ ся на сплошные, колчеданные и вкрапленники сульфидов в основных и ультраосновных горных породах.

Медно-никелевые руды обогащают магнитной сепара­ цией, а также способами коллективной и селективной флотации, получая медно-никелевый концентрат либо два концентрата — медный и никелевый. Из-за тесного вза­ имного прорастания минералы часто невоможно доста­ точно четко разделить флотацией. Медные концентраты обычно почти не загрязнены никелем, а никелевые — часто загрязнены медью.

Отделение никеля от меди при металлургической пе­ реработке так или иначе неизбежно, поэтому иногда до­ вольствуются получением коллективных медно-никеле­ вых концентратов, не прибегая к более сложному селек­ тивному обогащению.

Никельсодержащий пирротин магнитен, его иногда выделяют перед флотацией способами электромагнитно­ го обогащения. В магнитном концентрате содержание ни­ келя достигает 2,5%, меди 1,5%; крупность его 25—60мм.

Обычное содержание никеля в окисленных рудах на сухую массу 0,9—1,5%, кобальта до 0,15%.

Пустая порода окисленных руд состоит из гидрати­ рованных окислов железа, алюмосиликатов, кварца и талька. Руды характерны землистым строением, малой прочностью кусков и значительной гигроскопичностью.

Рентабельные способы обогащения окисленных нике­ левых руд пока не разработаны, поэтому они поступают сразу на металлургическую переработку. В табл. 16 при­ веден состав некоторых окисленных руд.

Т а б л и ц а 16

Состав некоторых окисленных руд, %

§ 22. Способы получения нинеля

Сульфидные руды (концентраты) и окисленные руды перерабатывают различными способами: пиро- и гидро­ металлургическими.

Плавка на штейн сульфидных руд и концентратов

Руды с суммарным содержанием больше 2—5% меди и никеля считают богатыми, их плавят без предвари­ тельного обогащения.

Руды и концентраты содержат одни и те же минера­ лы, поэтому к ним могут быть применены после необхо­ димой подготовки одни и те же способы переработки.

При нагревании руды до 400—600° С еще до начала плавления халькопирит и никельсодержащие сульфиды разлагаются:

4CuFeS2 ->- 2Cu2S + 4FeS + S2,

2Fe7S8-M4FeS + S2.

В результате этих реакций сложная совокупность ми­ нералов превращается в смесь простых сульфидов: №3 8 2 , CU2S и FeS.

При температурах, необходимых для плавления шла­ ка, состоящего из окислов пустой породы и флюсов, суль­ фиды меди, никеля и железа неограниченно растворимы друг в друге; они образуют медно-никелевый штейн, от­ деляемый от шлака в виде более тяжелого жидкого слоя.

Если часть серы при плавке окислена или удалена предварительным обжигом, распределение меди, никеля и железа между штейном и шлаком будет зависеть от сродства этих металлов к кислороду и сере. В условиях плавки сродство к сере, определяющее возможность пе-» рехода металла в штейн, у меди больше, чем у никеля, а у никеля больше, чем у железа. Сродство тех же метал­ лов к кислороду убывает в обратной последовательности. При недостатке серы для сульфидирования всех метал­ лов сначала будет переходить в штейн медь, затем ни­ кель и, наконец, часть железа. Чем больше железа пе­ рейдет в штейн, тем больше полнота сульфидирования меди и никеля, но штейн, разбавленный сернистым же­ лезом, будет бедным. Для полного перевода никеля в

никелевый файнштейн — представляет собой сплав суль­ фидов меди и никеля, содержащий 1—3% железа.

Кобальт при продувке частично шлакуется вместе с железом.

Конвертерный шлак иногда направляют в отдельный передел для извлечения кобальта. Благородные металлы концентрируются почти полностью в файнДОтейне.

Охлажденный файнштейн дробят, измельчают и под­ вергают флотации. При этом получают два концентра­ та: никелевый, состоящий почти из чистого №з52, и мед­ ный, содержащий CU2S; последний перерабатывают на