Металлургия цветных металлов

стью. Позднее из-за дефицитности олова подобные спла­ вы научились получать, добавляя к меди другие металлы. Теперь, помимо оловянных бронз, широко пользуются бронзами алюминиевыми (5—11% А1), свинцовистыми (25—33% РЬ), кремниевыми (4—5% Si), бериллиевыми (1,8—2,3% Ве); кадмиевыми (до 1% Cd) и др. Все эти сплавы содержат небольшие количества вторичных ле­ гирующих компонентов, которые усиливают те или иные свойства меди.

Каждый вид бронзы ценен в своей области примене­ ния: алюминиевые бронзы с добавками свинца нужны для подшипников, а бериллиевые идут для изготовления пружин.

Латуни и бронзы, подобно многим другим сплавам, подразделяются на литейные и деформируемые,. при­ годные для литья либо для обработки давлением, про­ каткой, ковкой, штамповкой, волочением.

Медноникелевые и медноникелевоципков_ые сплавы: мельхиор (5—35% Ni) и нейзильбер (5—30% Ni и 13— 45% Zn) особенно стойки в агрессивных средах, содержа­ щих активные химические вещества. В виде ленты, ли­ стов и проволоки эти сплавы идут на изготовление меди­ цинских инструментов, изделий точной механики, столо­ вых приборов, бытовых и художественных изделий.*.

Медь известна с древних времен — бронзовый век был периодом быстрого развития материальной культу­ ры. Впоследствии бронзу вытеснило более дешевое и до­ ступное железо. С возникновением крупной промышлен­ ности производство и потребление меди вновь стало быст­ ро увеличиваться.

До 1958 г. медь занимала первое среди цветных ме­ таллов место по масштабам мирового производства. Те­ перь она уступает в этом алюминию, но все еще остается дефицитным металлом, требующим заменителей. В элек­ тротехнике часть меди стали заменять алюминием — ме­ нее электропроводным, но более легким. Это выгодно: расход алюминия по массе почти в два раза меньше, чем меди. На железнородожном транспорте медь и брон­ зу частичке заменяют цинковыми сплавами. В военной технике патронные гильзы вместо латуни начали делать из стали и только покрывают их слоем латуни — плаки­ руют. Замена меди другими, менее дефицитными метал­ лами и сплавами — важная проблема нашего времени.

Никель

В сравнении с другими тяжелыми цветными металла­ ми никель наиболее прочен, тверд, тугоплавок и стоек против коррозии. Подобно железу и кобальту, он ферро­ магнитен. Чистый никель пластичен и легко обрабаты­ вается.

Никель сравнительно дорог, и потребление его в чи­ стом виде невелико. Для защиты от коррозии и декора­ тивных целей тонким слоем никеля покрывают изделия из железа, алюминия, магния, цинка и других металлов (никелирование). В виде листов, труб, проволоки его

Эти аккумуляторы легче, компактнее и надежнее в ра­ боте, чем свинцовые. Во многих производствах химиче­ ской технологии применяют никелевые катализаторы.

Более половины всего никеля потребляется в сплавах с железом. Хромоникелевые, нержавеющие и кислото­ упорные стали, содержащие обычно до 8% никеля, хром и другие металлы, широко применяются в химической промышленности и станкостроении, а также для построй­ ки долговечных сооружений, в машиностроении и воен­ ной технике. Прочные и износоустойчивые никелистые чугуны, содержащие хром, молибден и медь, нужны для производства мощных двигателей внутреннего сгорания локомотивов, специальных станков и штампов.

Многие никелевые сплавы жаростойки: они не окисля­ ются на воздухе при высоких температурах. Сюда отно­ сятся сплавы ЭИ, инконель, нимоник, гастеллой и др., способные работать при температурах до 600° С. Их при­ меняют для производства турбин реактивных самолетов, газотурбинных установок и в атомных реакторах.

Нихром (75—85% Ni, 10—20% Сг, остальное железо) и другие подобные термоэлектрические сплавы никеля не только жаростойки, но и обладают высоким омическим сопротивлением и служат для нагревателей из проволоки или ленты.

Сильномагнитный сплав никеля с железом (пермал­ лой) и другие сходные с ним сплавы применяются в элек­ тротехнике и радиотехнике.

Из сплавов никеля с цветными металлами наиболее важны медноникелевые, о них уже говорилось выше.

Первый металлический никель был получен в Швеции Клапротом в 1751 г., а производство его для продажи началось только в 1825 г. Долгое время оно оставалось незначительным. Многие ценные свойства никеля не были известны вплоть до начала XX в., поэтому только в на­ шем столетии спрос на этот металл начал быстро расти.

Теперь потребление никеля во всех странах строго учитывают и принимают меры к экономному его расхо­ дованию. Для этого все большую часть никеля в нержа­ веющих сталях заменяют хромом, а обычные стали по­ крывают тонким слоем нержавеющей стали (плакиро­ вание).

Свинец

Свинец известен с древних времен — не менее двух тысячелетий до н.э. Тогда особенно ценилась легкая об­ рабатываемость мягкого свинца и его высокая плотность. Из свинца делали монеты, украшения, различные сосуды, водопроводные трубы, метательные снаряды для пращей и катапульт. С изобретением пороха свинец стали при­ менять для изготовления картечи, пуль и дроби.

Стойкость свинца против разбавленной серной, соля­ ной кислот и многих других реагентов сделала этот ме­ талл в XIX в. основным материалом возникавшей тогда химической промышленности. Свинец легко прокатывает­ ся. Листовой (рольный) свинец толщиной от 2 до 10 мм удобен для покрытия аппаратуры и защиты ее от кор­ розии.

Оболочки кабелей, предназначенных для долгой рабо­ ты под землей, в воде или во влажной атмосфере, дела­ ют и теперь из свинца, добавляя к нему для большей пластичности небольшие количества других металлов.

Свинцовые аккумуляторы по-прежнему необходимы для зажигания двигателей внутреннего сгорания, несмот­ ря на появление никелевых аккумуляторов, которые зна­ чительно дороже. На производство кабелей и аккумуля­ торов затрачивается около половины всего свинца.

В атомной технике свинец служит защитой от у-лу­ чей, которые он поглощает лучше многих других мате­ риалов.

В военной технике свинец и теперь нужен для изго­ товления шрапнелей и сердечниковых пуль.

Сплавы свинца отличаются от чистого металла либо большей прочностью и твердостью, либо антифрикционностью; в большинстве своем они еще и стойки против коррозии.

Сплавы с малым коэффициентом трения — баббиты (по фамилии изобретателя Баббита)— подразделяются на оловянистые и безоловянистые. Первые содержат, кроме свинца, олово, медь, сурьму, кадмий, никель и тел­ лур, а вторые — натрий, кальций, теллур и другие эле­ менты. Баббиты легкоплавки, их заливают в жидком ви­ де во вкладыши подшипников или наносят слоем на стальную ленту.

^-"'Тйпографские сплавы для отливки шрифтов содержат, кроме свинца, сурьму, олово и медь. Сурьма придает им твердость, а олово — литейные качества.

Вхимической промышленности часто применяют сплавы свинца с сурьмой — твердые и стойкие против коррозии.

Всплавах для пайки — припоях свинцом частично за­ меняется более дорогое и дефецитное олово.

Спрос на свинец постоянно опережает его производ­ ство. Поэтому в современной промышленности намеча­ ются все новые пути экономии свинца. Свинцовые обо­ лочки некоторых кабелей теперь стараются заменять пластмассовыми, а антикоррозионные покрытия — синте­ тическими органическими материалами. Типографские свинцовые сплавы иногда удается заменить сплавами цинка, а в перспективе — пластмассами, когда будут по­ лучены пластмассы с хорошими литейными свойствами.

Цинк

Сведения об истории развития производства цинка различны. По некоторым из них этот металл умели полу­ чать в Индии и Китае еще в V в.; однако промышленное производство цинка в Европе возникло лишь в XVIII в. в Англии, затем в Верхней Силезии.

Сейчас около половины производимого цинка расхо­ дуется на покрытие железа для предохранения его от коррозии. Тонкий слой цинка наносят на железо горя­ чим способом либо электролизом. Электролитическое по­ крытие тоньше и расходуется цинк при этом более эко-

номио; однако из-за более сложного оборудования го­ рячее оцинкование пока применяется чаще, чем электро­ лиз. Цинк надежно предохраняет железо от коррозии на воздухе и в холодной воде. Оцинкование значительно дешевле покрытия оловом — лужения или никелем — никелирования.

Другая важная область потребления цинка — изго­ товление сплавов, в том числе уже известных нам лату­ ней и нейзильбера.

Сплавами на основе цинка частично заменяют брон­ зы и баббиты в подшипниках. Эти цинковые сплавы со­ держат алюминий (8—11%), медь (1—2%) и магний (0,03—0,06%). Те же компоненты, но в иных соотноше­ ниях с цинком, содержатся в типографских сплавах, сходных по свойствам со свинцовосурьмяными спла­ вами.

В сравнении с другими цветными металлами цинк де­ шев, а ресурсы его в известных месторождениях доста­ точно велики. Поэтому проблема замены цинка другими металлами не возникала. С ростом производства алюми­ ния и снижением его стоимости может оказаться выгод­ ным покрытие железа не цинком, а алюминием —алити­ рование.§

§ 9. Руды тяжелых металлов и их обогащение

Характеристика руд тяжелых металлов

Руды тяжелых цветных металлов бывают сульфид­ ными и окисленными, другие их разновидности сравни­ тельно редки. Руды, в которых более 3Д всех рудных ми­ нералов сульфиды, считают сульфидными, а если суль­ фидов менее V* — окисленными. Остальные руды называют смешанными.

Сульфидные руды образовались в процессе застыва­ ния расплавленной магмы — в результате кристаллиза­ ции из расплава и конденсации выделявшихся из него паров и газов, поэтому сульфидные руды имеют наиболь­ ший геологический возраст.

Окисленные руды — обычно продукты вторичного преобразования сульфидных руд — окисления и выветри­ вания близ поверхности земли под действием воздуха и

грунтовых вод. Но возможны и иные процессы образо­ вания некоторых окисленных руд. В результате окисле­ ния и выветривания сульфидные минералы постепенно превращаются в окислы, карбонаты, силикаты и другие кислородсодержащие соединения. Сульфиды меди, нике­ ля, свинца, цинка и всегда сопутствующего им железа часто залегают в виде плотных камневидных масс и мед­ ленно подвергаются геологическим преобразованиям.

Кроме сплошных сульфидных руд, известны и вкрап­ ленники, характеризующиеся мелким вкраплением зерен сульфидов в кварце или других породах. Вкрапленные руды окисляются быстрее сплошных: сульфиды в них имеют большую суммарную поверхность и окружены бо­ лее рыхлой и пористой пустой породой. В зависимости от условий залегания и выветривания сульфидных руд получаются окисленные или смешанные руды.

Для руд тяжелых цветных металлов характерна комп­ лексность— одновременное присутствие минералов раз­ ных металлов, например сульфидов меди и никеля (мед­ но-никелевые руды), сульфидов свинца и цинка (свинцо­ во-цинковые руды). Встречается и более сложная комп­ лексность: медно-свинцово-цинковые руды.

Сульфидам в природе всегда сопутствуют благород­ ные металлы. Присутствие серебра в виде аргентита Ag2S и самородного золота характерно для медных, свин­ цовых и цинковых руд, а платины и платиноидов (осьмия, рутения, родия, иридия и палладия) — для медно­ никелевых руд.

Рудам тяжелых цветных металлов свойственно при­ сутствие металлов-спутников, процентное содержание ко­ торых сравнительно невелико. Однако эти металлы име­ ют мало собственных руд и месторождений; их получа­ ют преимущественно попутно с тяжелыми цветными металлами. В некоторых медных рудах имеется молиб­ ден, в медно-никелевых и никелевых — кобальт, в свин­ цово-цинковых — висмут и кадмий.

Помимо минералов цветных металлов, в сульфидных рудах присутствует пирит FeS2 и реже пирротин FeTSeОсобенно много пирротина в медно-никелевых рудах, кристаллы его часто содержат никель в виде тонкой вкрапленности или твердого раствора.

Минералы металлов-спутников не всегда представле­ ны отдельными зернами; чаще они тонко диспергирова­

ны в минералах тяжелых металлов либо образуют в них твердые растворы замещения.

Сера пирита и других сульфидов имеет существенную ценность и ее желательно использовать при переработке руд — выделить в виде элемента, получить серную кисло­ ту, сжатый сернистый газ или использовать иначе. Не­ изменные спутники серы — селен и теллур — ценные ред­ кие элементы, весьма важные для некоторых отраслей новой техники.

Помимо пирита и пирротина, в рудах всегда присут­ ствуют кварц БЮг и различные силикаты алюминия, же­ леза, кальция и магния. Силикаты — соли кремневой кис­ лоты, склонной к полимеризации — усложнению молеку­ лы, поэтому сложен и состав природных силикатов. В нашем кратком изложении силикаты можно упрощенно

AI2O3 • 2SiC>2• 2 НгО.

Окисленные руды тяжелых цветных металлов состо­ ят главным образом из окислов, карбонатов и силикатов; они содержат те же ценные составляющие, однако обыч­ но мало серы, которая связана преимущественно в суль­ фаты. Окисленные руды залегают ближе к поверхности, чем сульфидные, поэтому многие из них уже выработаны. Только для никеля и меди окисленные руды все еще имеют значение в современной металлургии.

Содержание тяжелых цветных металлов в сульфид­ ных и окисленных рудах исчисляется единицами и деся­ тыми долями процента, а более богатые руды редки. Со­ держание благородных металлов — от единиц до десят­ ков граммов на тонну; молибдена, висмута, кадмия — со­ тые, реже — десятые доли процента. Серы в сульфидных рудах бывает до 40—50%.

Важнейшие рудные минералы тяжелых цветных ме­ таллов приведены в табл. 7, а в табл. 8 даны примеры состава некоторых руд.

Состав руды или концентрата характеризуется про­ центным содержанием элементов или простейших окис­ лов— элементарный состав. Для металлургических рас­ четов бывает нужен вещественный состав, называемый также рациональным или фазовым. Он выражается про­ центными содержаниями минералов или химических со­ единений. Вещественный состав получают расчетом по

Тогда в сфалерите серы по разности 0,811—0,538_ —0,1778 = 0,095 г-атом, а сфалерита 0,095 моль.

Для нового перехода к процентам по массе надо мо­ лярные содержания минералов умножить на соответст­ вующие молекулярные массы. Тогда получим, %:

ZnS -0,095.97,4 = 9,2.

Других данных для выражения вещественного соста­ ва пустой породы в нашем примере не дано, поэтому при­ водим ее составляющие по исходному составу и получаем вещественный состав руды, %:

Обогащение руд

Руды тяжелых цветных металлов обогащают преиму­ щественно флотацией, а другие способы обогащения применяют реже.

Флотация (от английского flotation — плавание, всплывание) кратко описывается так: пульпу тонкоизмельченной руды после добавления небольших коли­ честв особых флотационных реагентов продувают возду­ хом и интенсивно перемешивают. Под действием флота­ ционных реагентов рудные минералы теряют способность смачиваться водой, поэтому зерна их прили­ пают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность в виде пены, а пустая порода остается в пульпе. Несу­ щую частицы рудных минералов пену снимают и обезво­ живают, получая концентрат. Пульпу пустой породы (хвосты) сбрасывают в отвал. Ее перекачивают и спускают по желобам, или также сначала обезвоживают для по­ вторного использования воды (в районах с трудным во­ доснабжением), а затем отвозят на отвал в виде густой влажной массы.