Металлургия цветных металлов

ZnC03 — к карбонатам, каолинит Al20 3 -2 Si0 2 -2 H20 — к алюмосиликатам. Реже встречаются самородные мине­ ралы, представленные свободными элементами или их сплавами. В числе таковых можно назвать самородную медь, самородные сплавы золота и платины с другими металлами и серу.

Горные породы редко бывают простыми смесями ми­ нералов, чаще это — камневидные массы, в кусках кото­ рых одни минералы включены или тонко вкраплены в другие.

Рудами называют горные породы, которые при сов­ ременном уровне техники выгодно перерабатывать для получения металлов. Первым основанием для такой оцен­ ки служит процентное содержание в руде ценных состав­ ляющих. Оно дополняется расчетом стоимости добычи из недр, перевозки и переработки.

Руды называют по извлекаемым из них металлам, на­ пример медная, свинцовая, никелевая руда и дополни­ тельно — по преобладающему типу минералов: сульфид­ ная, окисленная, самородная. Руды, служащие сырьем для получения нескольких металлов, называют комплек­ сными (реже полиметаллическими), например свинцово­ цинковая, медно-никелевая.

Минералы, содержащие ценные элементы, извлекае­

и другими условно, оно зависит от уровня техники пере­ работки и связанной с этим степенью комплексности. По мере совершенствования металлургического производст­ ва к пустой породе относят все меньшее число минералов.

При формировании земной коры металлы распреде­ лились неравномерно — они скопились в некоторых ее участках и образовали руды. Так возникли рудные мес­ торождения. Средние содержания металлов в земной ко­ ре (кларки) весьма невелики. Это следует из табл. 5, где они приведены в процентах от веса земной коры, взя­ той до глубины 16 км. Сравнивая, например, среднее со­ держание меди в рудах (а оно составляет около 1%) с кларком меди, легко убедиться, что рудные месторож­ дения встречаются нечасто.

Найдя руду, геологи начинают разведку месторожде­ ния: определяют качество руд и их запасы. Если запасы достаточно велики и могут оправдать строительство гор-

Таблица 5

Среднее содержание металлов в земной коре (кларки), % (по массе)

но-металлургического предприятия, месторождение начи­ нают разрабатывать.

Иногда руды залегают неглубоко и их можно добы­ вать сравнительно дешевыми открытыми способами с по­ мощью экскаваторов, бульдозеров, гидромониторов и других механизмов. Нередко залегание бывает глубоким. Тогда руду добывают более сложными и дорогими под­ земными способами — строят шахты.

Металлургические заводы стараются размещать близ месторождений, стремясь избежать дальних перевозок руды, но это не всегда возможно, например из-за отсут­ ствия в данном районе топлива, в связи со сложными климатическими условиями и по другим причинам.

§ 4. Обогащение руд

Чтобы при получении металлов не приходилось тра­ тить вспомогательные материалы, топливо, энергию, реа­ генты на всю руду, в которой преобладает по массе пус­ тая порода, пустую породу или некоторую часть ее пред­ варительно удаляют из руды способами, более дешевыми, чем металлургическая переработка, не требующими из­ менения химического состава или агрегатного состояния минералов. Эти способы предварительной подготовки руды, основанные на различии таких свойств минералов, как цвет, блеск, плотность, крупность, магнитная вос­ приимчивость, смачиваемость водой, электропроводность и других физических особенностей минералов, называют обогащением.

Простейший, правда устаревший теперь, способ обо­ гащения рудоразборка по цвету и блеску.

Минералы в кусках руды часто тесно переплетены между собой, они взаимно прорастают или образуют тон­ кие вкрапленности. Обогащение таких руд возможно только после их дробления и измельчения до крупности, позволяющей обособить отдельные минералы, расколов их сростки. Переизмельчение нежелательно, так как раз­ личия в физических свойствах тонких частиц проявляют­ ся менее резко.

После дробления и измельчения до нужной крупности руду обогащают одним из следующих способов:

1.Ручная рудоразборка по цвету, блеску и форме кусков минералов непосредственно в забое при добыче руды или на рудоразборочных конвейерах. Отбирают ли­ бо крупные куски богатой руды, либо отсортировывают пустую породу.

2.Обогащение по твердости, хрупкости и форме кус­ ков минералов. Основано на том, что при дроблении одни минералы измельчаются в большей степени, чем другие. Последующим грохочением (просеиванием) можно раз­ делить руду на концентрат и хвосты.

3.Электростатическое обогащение. Основано на раз­ личии в электропроводности, электроемкости и диэлект­ рических свойствах минералов.

4.Магнитное, или, вернее, электромагнитное, обога­ щение. Основано на разделении минералов по их различ­ ным магнитным свойствам.

Иногда при обогащении получают третий — проме­ жуточный продукт. Он беднее концентрата, но богаче хвостов. Промпродукт перерабатывают отдельно от кон­ центрата, для него обычно выгоднее особые переделы.

Комплексные руды, в которых содержатся два-три рудных минерала, подвергают селективному (избиратель­ ному) обогащению, извлекая каждый рудный минерал в отдельный концентрат. Например из медно-свинцово­ цинковых руд получают медные, свинцовые, цинковые концентраты, промпродукты и хвосты. Каждый из кон­ центратов перерабатывают затем отдельно на соответст­ вующий металл.

Обогащение не только упрощает и удешевляет пере­ работку руд, но и способствует расширению ресурсов ми­ нерального сырья. Бедные горные породы, которые ранее не считали рудами из-за низкого содержания в них ме­ таллов и поэтому не перерабатывали, теперь обогащают. В прошлом веке породы, содержавшие менее 1% меди, не считали рудами и медь из них не выплавляли: она об­ ходилась слишком дорого. Теперь иногда обогащают и ис­ пользуют породы, в которых всего 0,5% Си.

Селективное обогащение делает возможным эконом­ ное комплексное использование руд.

К сожалению, обогащение пригодно не для всех руд, некоторые из них по разным причинам ему не поддаются. Эти упорные руды приходится сразу подвергать более дорогой металлургической переработке.

§ 5. Металлургическая переработка концентратов и руд

Для получения металла из концентрата или руды на­ до не только разложить рудный минерал и восстановить из него металл, но и отделить металл от пустой породы

ипримесей. Приемы необходимой для этого химической

ифизической переработки называют металлургическими процессами. Обычно металл получают в результате не­ скольких последовательных металлургических процессов,

составляющих способ производства данного металла или технологическую (металлургическую) схему его произ­ водства.

В результате всякого металлургического процесса пе­ рерабатываемый материал разделяется на несколько не

талл— шлак — газы. Металл и шлак расслаиваются по плотностям, а газы отводятся. Нужные металлы концент­ рируются в одной из фаз, а в другие фазы переходят примеси. Возможность четкого разделения фаз — усло­ вие успешной металлургической переработки.

Имеются три разновидности пирометаллургических процессов: обжиг, плавка и дистилляция.

О б ж и г — нагревание рудного сырья или другого ма­ териала при температуре, не достаточной для плавления, но достаточной для изменения химического состава ми­ нералов и удаления примесей с газами. Например, обжи­ гая природный галенит, превращают его в окись свинца, удобную для восстановления углеродом до металла:

2PbS + 302 2РЬО + 2S02.

Обжигом вольфрамового ангидрида в токе водорода получают порошок вольфрама:

W03 + 3H2-^W + 3H20.

Обжиг со спеканием или агломерацию осуществляют для окусковаиия порошкообразного материала при тем­ пературах, достаточных для плавления только наиболее легкоплавкой его составляющей.

Капли расплава этого вещества смачивают соседние с ним твердые частицы и, затвердевая при последующем охлаждении, прочно скрепляют их. Порошкообразный материал превращается в прочный пористый спек (агло­ мерат). Иногда взаимное сцепление твердых веществ происходит также в результате их рекристаллизации. Од­ новременно со спеканием (в зависимости от состава га­ зовой среды) возможен окислительный или восстанови­ тельный обжиг.

П л а в к и характерны полным или почти полным рас­ плавлением сырья и расслаиванием расплава на взаим­ но нерастворимые продукты различной плотности. Это могут быть две жидкости либо жидкости и твердое ве­ щество, которое всплывает или тонет в расплаве. Пример

восстановительной плавки свинцовой руды рассматривал­ ся выше.

Ди с т и л л я ц и я — способ разделения металла и при­ месей, основанный на различном давлении паров метал­

лов и их соединений. Пары отводят и конденсируют в ви­ де жидкого или твердого продукта. При дистилляции и в испарителе, и в конденсаторе имеются по две легко разделяющиеся фазы: одна из них — пары и газы, а дру­ гая — твердая или жидкая.

Нагреванием с углем цинковой руды, содержащей ZnO, РегОз, БЮг и другие окислы, получают цинк в виде паров, так как он кипит при 907° С, а большинство со­ путствующих металлов и окислов нелетучи:

ZnO + C-)-Zn (пар) + СО.

При охлаждении газов, содержащих пары цинка, полу­ чают жидкий цинк.

Основных гидрометаллургических процессов три: вы­ щелачивание, концентрирование растворов и осаждение

рудных минералов сырья в кислотах, щелочах либо в рас­ творах других химических реагентов. Для этого выбира­ ют условия, при которых максимум пустой породы ос­ тается в нерастворимом остатке. Жидкую фазу — рас­ твор отделяют от твердого нерастворимого остатка от­ стаиванием, фильтрованием и промывкой, реже центри­ фугированием.

О с а ж д е н и е из растворов металлов или их соеди­ нений возможно разными способами: электролизом, це­ ментацией или путем образования нерастворимых соеди­ нений с соответствующими реагентами. Здесь также по­ лучают раствор и осадок, разделяемые далее теми же способами, что и после выщелачивания.

К процессам осаждения относится и кристаллизация. К о н ц е н т р и р о в а н и е р а с т в о р о в перед осаж­ дением необходимо, когда они бедны металлом. Для этого применяют ионный обмен, экстракцию, сооса-

ждение и выпаривание.

Ионный обмен основан на поглощении ионов метал­ лов из растворов зернистыми синтетическими смолами — ионитами. Различают смолы, поглощающие только анио­ ны — аниониты, и только катионы — катиониты. Погло­ щенные ионы можно потом вытеснить в меньший объем раствора другими ионами; для этого пользуются раство­ рами солей или кислот.

Для осуществления экстракции раствор перемешива­ ют с органическим растворителем и комплексообразователем, который способен давать с нужным металлом комплексные соединения, лучше растворимые в данной органической жидкости, чем в воде. Иногда комплексообразователь и растворитель — одно и то же вещество. По­ следующим отстаиванием смесь разделяют на два слоя: водный и органический. Соединения нужного металла переходят преимущественно в органическую фазу, кото­ рую отделяют и из нее вымывают ценные соединения сравнительно небольшим объемом раствора кислоты или какой-либо соли. Несколько последовательных стадий экстракции позволяют практически полно извлечь ме­ талл из бедного раствора и перевести его в меньший объем — сконцентрировать.

Выпаривание растворов с целью повышения их кон­ центрации не требует пояснений. Надо только отметить, что этот способ всегда дорог из-за больших затрат на топливо.

Современные способы получения металлов часто сло­ жны и состоят из нескольких последовательных пирометаллургических и гидрометаллургических процессов.§

§ 6. Металлургическое топливо

Высокие температуры, необходимые для многих ме­ таллургических переделов, достигаются сжиганием топ­ лива- и (пока реже) элекронагревом.

Топливом служат горючие вещества, которые выгодно сжигать для получения тепла. Они бывают твердыми (уголь, торф, дрова, кокс), жидкими (нефть, мазут, ке­ росин, бензин), либо газообразными (природный и дру­ гие горючие газы).

В состав любого топлива входят горючие составляю­ щие — углерод, водород, углеводороды, например метам СН4 и иные, описываемые в общем виде формулой С„ Нот, а также негорючие — минеральные вещества и влага.

При достаточном присутствии кислорода воздуха уг­ лерод сгорает по реакции

С + Ог->- СОг + 408,2 кдж (97,65 ккал).

Из этого легко вычислить количество тепла, получаемое от сгорания одного килограмма углерода (или 1 л 3 газа)

Высокая влажность топлива также невыгодна: на ис­ парение воды и нагревание ее паров затрачивается много тепла.

Минеральные примеси при сгорании топлива дают золу; она состоит из окислов алюминия, железа, кремния, кальция и других элементов. Зола поглощает сравнитель­ но немного тепла; однако чем больше в топливе золы, тем меньше горючих составляющих. Зола обволакивает частицы топлива, затрудняя доступ кислорода к ним, а значит и сжигание топлива. Особенно нежелательна легкоплавкая зола, пленки расплава которой на топливе наиболее плотны.

В табл. 6 показана теплотворность и зольность неко­ торых видов топлива.

Часто пользуются понятием условного топлива с теп­ лотворной способностью 29260 кдж (7000 ккал). Это удобно для сравнения расходов разных видов топлива.

Например расход одного килограмма нефти с теплот­

условного топлива.

Температура, которую можно получить, сжигая топ­ ливо, зависит от условий горения. Если все тепло, полу­ ченное от сжигания топлива в замкнутом пространстве, идет только на нагревание дымовых газов и не теряется