Металлургия технология угля и неметаллических полезных ископаемых3

ния необходимой полноты расслаивания расплава. В нижнем слое собирается свинцово-цинковый сплав (93—94% РЬ и 4—6% Zn), который удаляется через трубу. Промежуточный слой пред­ ставляет собой кашеобразную -прослойку кристаллов FeZn7, назы­ ваемую твердым цинком. Верхний слой чистого цинка выпускают из !печи и разливают в изложницы. Твердый цинк периодически

саций. Однако эти процессы происходят в одном аппарате— рек­ тификационной колонне, состоящей из карбофраксовых тарелей, поставленных одна на другую. На каждой тарели сплав кипит; причем, чем ниже спускается сплав, тем выше его температураРектификацию цинка проводят в двух последовательно рабо­ тающих колоннах (рис. 41). Первая колонна служит для отделе­ ния цинка и кадмия от свинца, меди и железа и называется свин­ цовой. Конденсат свинцовой колонны направляют для отделения

цинка от кадмия во вторую, кадмиевую колонну.

Чистый цинк, выпускаемый из нижней тарели кадмиевой ко­ лонны, содержит более 99,99% Zn и по чистоте удовлетворяет марке ЦВ.

Извлечение кадмия превышает 90%, его получают в виде пыли в конденсаторе кадмиевой колонны.

Производительность ректификационных колонн около 20 т чистого цинка в сутки. Выход цинка 95—96%; около 4% его пере­ ходят в продукты ликвации.

Глава V II

МЕТАЛЛУРГИЯ АЛЮМИНИЯ

§ 1. Общие сведения

Ал юм и н и й — металл серебристо-белого цвета, плотность 2,7 г/с^и3, температура плавления 659,8°С, температура кипения 2500° С. Алюминий обладает многими ценными свойствами: высо­ кой теплопроводностью, около 0,5 кал/см-сек-град, высокой элек­ тропроводностью 3,8* 105 (ом-см)~\ хорошей пластичностью и до­ статочной механической прочностью. В сплавах алюминий сохра­ няет свои свойства; наибольшее значение из сплавов имеют дюр­ алюминий (3,4—4% Си; 0,5% Мп; 0,5% Mg) и силумины — сплавы алюминия с кремнием.

А л ю м и н и й и его с п л а в ы широко применяются в авиации, на транспорте, в металлургии, химии, электронике, пищевой про­ мышленности. Из алюминия и его спланов изготовляют детали

ill

в России К. И. Байером.

Алюминиевую руду обрабатывают щелочью (NaOH), при этом образуется растворимый в воде алюминат натрия (NaA102), ко­ торый отделяют от нерастворимых соединений железа, кремния и титана и 'затем разлагают с выделением осадка гидроокиси алю­ миния (А1(ОН)3). Последнюю отделяют от оборотного щелочного раствора и прокаливают для получения безводного глинозема.

Таким образом, глинозем, перешедший при выщелачивании из боксита в раствор, 'выпадает в осадок, а щелочь, пошедшая на образование алюмината натрия, освобождается при заключи­ тельной операции производства по реакции

NaA102 + 2Н20 = А1 (ОН)3 + NaOH.

Выделение из раствора гидроокиси алюминия осуществляют в гидроциклонах и вакуум-фильтрах. Маточный раствор подвер­ гают выпариванию для получения пульпы, состоящей из раствора

70—90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7—9 т пара, 160—180 кг условного топлива и около 290 квт-ч электроэнергии-

§ 3. Производство криолита

Криолит — двойная соль фтористого натрия и фтористого алю­ миния 3NaF*AlF3 (или Na3AlF6) в естественном виде встречается редко. Как правило, его приготовляют искусственно кислотным или щелочным способами.

При наиболее распространенном кислотном способе производ­ ства криолита сырьем служит плавиковый шпат, серная кислота,

CaF2 + H2S04 = CaS04 + 2HF;

Si02 + 4HF = SiF4+2H20;

SiF4 + 2HF = H2SiFe.

Для очистки плавиковой кислоты от H2S1F6 (обескремнивания) добавляют небольшое количество соды

H2SiF„ -h Na2C03 = Na2SiFe + H20 + C02.

6HF + А1 (ОН)3 - H3A1F(; + ЗН20;

2FI3A1F6 + 3Na2C03 = 2Na3AlFe + 3C02 + 3H20.

Криолит выпадает в осадок, его отфильтровывают и просуши­ вают.

Рис. 43. Схема алюминиевой ванны для электролиза криол'ито-глиноземного расплава:

Са2+, Mg2+ и др.). На катоде в первую очередь разряжаются ионы алюминия как более электроположительного материала по сравнению с натрием, магнием и кальцием. Анионы (А10з“\ F"

С1~ и другие) перемещаются к аноду и разряжаются с выделени­ ем газа.

Алюминий накапливается на подине ванны под слоем электро­

лита. Извлекают алюминий обычно через трое-четверо суток при

950—970° С.

Суммарный процесс электролиза сводится к следующим ре­ акциям:

А120 3 + ЗС = 2А1 + ЗСО; А120 3 + 1,5С = 2А1 + 1,5С02.

В результате расходуется глинозем и углерод электродов, а получаются алюминий и окислы углерода.

Анодные газы содержат также фтор, смолы и пылевидные ча­

а также от Na, Mg и Са, расплавленный алюминий при темпера­ туре 700° С продувают хлором и отстаивают в электрических печах.

Парообразный хлористый алюминий адсорбируется на всплы­ вающих частицах глинозема, карбида, угля и солей. Хлористые соединения Na, Mg и Са и газы, растворенные в алюминии, тоже всплывают на поверхность ванны.

Чистота первичного алюминия после такой очистки составляет 99,5—99,85% А1.

Алюминий более высокой чистоты получают электролитическим рафинированием, зонной плавкой или дистилляцией.

При электролитическом рафинировании алюминия получают металл, содержащий 99,996% А1.

Зонная плавка основана на том, что растворимость примесей алюминия в твердом металле ниже, чем в расплавленном. Этим методом можно получить металл, содержащий 99,999% А1.

Дистилляцию алюминия через субсоединения осуществляют пропусканием парообразны* хлористого или фтористого алюминия над расплавленным алюминием при температуре 1000° С и выше.

Образующиеся неустойчивые субсоединения алюминия A1CI и A1F при охлаждении до температуры 700—800°С разлагаются. Примеси чернового алюминия не перегоняются. Таким путем по­

§ 6. Извлечение галлия из алюминиевых руд

температура кипения 2070° С. Галлий растворяется в минеральных кислотах, едких щелочах. Содержание галлия в земной коре со­ ставляет 15-10~4%.

Галлий обычно является спутником алюминия. Содержание его в алюминиевых рудах составляет всего лишь сотые и тысячные доли процента.

При нагревании галлий окисляется, образуя Ga203 и другие окислы. Гидроокись галлия Ga(OH)3 -с кислотами и щелочами образует галлаты, близкие по свойствам к алюминатам. Поэтому галлий сопутствует алюминию в различных стадиях его производ­ ства. Повышенные концентрации галлия наблюдаются в анодном сплаве 'при электролитическом рафинировании алюминия, *в обо­

алюминия осадки обрабатывают известковым молоком, содержа­ щим едкий натр. В результате галлий переходит в раствор, из которого его осаждают углекислым газом. Полученный осадок содержит до 25% Ga$Os. Из анодного сплава после электролити­ ческого рафинирования алюминия, содержащего 0,1—0,3% гал­ лия, его выделяют путем обработки горячим раствором щелочи. Для очистки соединений галлия используют способность хлорида галлия растворяться в эфире.

сталью (ав=1Ю—180 кГ/мм2). Электропроводность и теплопро­ водность вольфрама приблизительно в три раза меньше, чем меди.

При 'комнатной температуре вольфрам устойчив к действию концентрированных минеральных кислот, а при нагревании до 80—100°С —только к HF. В горячих растворах щелочей вольфрам менее устойчив, чем в кислотах, вследствие образования хорошо растворимых вольфраматов.

При температуре 500—700° С вольфрам окисляется кислородом

чают в результате частичного восстановления вольфрамового ан­

зуется в качестве легирующего элемента для изготовления быстро­ режущей и других специальных сталей. Карбид вольфрама WC в смеси (с порошкообразным кобальтом (5—15% Со), а также тан­ талом, ниобием, используется для изготовления твердых сплавов, сохраняющих режущие свойства до температуры 1000—1100° С.

Вольфрам находит применение для изготовления нитей освети­ тельных ламп, .как покрытие поверхностей штампов, лопастей тур­ бин и других деталей машин. Контактные сплавы вольфрама с медью, золотом и серебром сочетают электропроводность и изно­ соустойчивость при искрении.

Вольфрамат натрия Na2W04, вольфрамовая кислота H2W 04 и другие соединения вольфрама применяют в текстильном, поли­

концентраты содержат 40—70% W03; 5—10% Si02; 0,5—4% S; до 0,11%’ Р; 0,25% Мо; 0,22% Си; 0,05% As; 1,5% Sn. Из кон­ центратов получают металлический вольфрам и ферровольфрам.

§ 2. Производство металлического вольфрама

Металлический вольфрам получают в виде порошка или ком­

вскрытие минералов для перевода .вольфрама в легко раствори­ мый вольфрамат натрия (Na2W 04).

Вольфрамит спекают с содой, а шеелит — со смесью соды и кварцевого песка (чтобы воспрепятствовать вторичному образо­ ванию шеелита при последующем 'выщелачивании) в отражатель­ ных или трубчатых вращающихся печах. Процесс вскрытия про­ текает по следующим реакциям:

2FeW04 + 2Na2C03 + 0,5О2 = 2Na2W04 + Fe20 3 + 2С02; 3MnW04 + 3Na2C03 + 0,5O2 = 3Na2W04 + Mn30 4 + 3C02; CaW04 + Na2C03 + Si02 = Na2W04 + CaSi03 + C02.

В т о р а я с т а д ия . Спек измельчают й выщелачивают водой в чанах при температуре 70—90°С. Полученный раствор вольфра­ мата натрия, содержащий 200—270 г/л WOs, очищают от кремне­ вой кислоты, мышьяка, фосфора и молибдена выделением из рас­ твора геля кремневой кислоты (Si02*H20 ), фосфатов, арсенатав.

Вольфрамовую кислоту (H2WO4) осаждают из раствора соля­ ной кислотой, содержащей также небольшое количество азотной кислоты или селитры. Вольфрамовая кислота содержит 99,2— 99,5% WO3; в некоторых случаях ее подвергают очистке.

Т р е т ь я с т а д и я . Для получения вольфрамового ангидрида (WO3) вольфрамовую кислоту прокаливают в муфельных элек­

W03+ ЗН2= W + ЗН20.

В производственных условиях вольфрамовый ангидрид поме­ щают в никелевые лодочки и восстанавливают в трубчатых печах со стальной трубой диаметром 50—100 мм при температуре 850— 860° С.

Водород перед подачей в печь очищают от кислорода и влаги. После осушки водород, прошедший через печь, снова используют для восстановления.

Производительность печей зависит от толщины слоя вольфра­ мового ангидрида, емкости применяемых лодочек, их количества, скорости движения газа и других факторов. Обычная вместимость

графита. В качестве восстановителя используют ламповую сажу или сахарный кокс, т. е- беззольные углеродистые материалы.

Таким путем можно получать мелкий порошкообразный воль­ фрам, пригодный для производства твердых сплавов.

Твердым углеродом можно восстанавливать и вольфраматы, минуя таким образом стадии переработки их в вольфрамовый ангидрид:

Na2W04+ ЗС = Na20 + W + ЗСО; CaW04+ ЗС = СаО + W + ЗСО.

Окись натрия удаляют из продуктов восстановления промыв­ кой в воде, а окись кальция — на концентрационных столах. По-

рошки, полученные этим способом, пригодны только для леги­ рования сталей и изготовления технических сплавов с другими металлами.

Получение компактного вольфрама

Для получения компактного вольфрама в виде проволоки или жести попользуют только вольфрамовый порошок, восстановлен­ ный водородом. Содержание «примесей в порошке не должно пре­ вышать 0,05%.

Из порошка прессуют штабики (прямоугольные тризмы с ос­ нованием 10X10 мм, длиной до 600 мм) тод давлением 2,5— 3,0 Т/см2. Перед прессованием порошок смачивают смесыо спир­

10—15%. Ковать такие штабики можно только при температуре 1200—1300° С в атмосфере водорода. После получения из штабика прутка диаметром около 2 мм используют волочение.

§ 3. Выплавка ферровольфрама

Выплавку ферровольфрама проводят в открытых трехфазных

вые концентраты, пековый кокоик, 75%-ный ферросилиций и же­ лезную стружку. Назначение стружки — разбавить концентрацию вольфрама в сплаве до заданной концентрации.

Смесь концентратов подбирается по содержанию примесей (меди, мышьяка, серы, фосфора, олова, марганца и др.). Химиче­

Расход ферросилиция составляет приблизительно 8—9 кг на 100 кг концентрата. Расход кокса регулируют в зависимости от температуры процесса и состава шлака.

Плавку ведут непрерывно с периодическим вычерпыванием сплава, доводкой и выпуском шлака. Причем в печи всегда остается некоторое количество сплава.

Проплавление равномерно загружаемой шихты, в первую оче­ редь отходов предыдущей плавки и железной стружки, а затем около 60% концентрата без восстановителя приводит к образо­ ванию шлака с высоким содержанием трехокиси вольфрама (до 30%). На поверхности раздела шлак — металл трехокись воль­ фрама частично восстанавливается углеродом, кремнием и мар­ ганцем сплава.

Присаживаемый кокс восстанавливает W 03 и вспенивает шлак. В результате большого электросопротивления шлака сплав

удается довести до 0,3% и ниже присадками 75%-ного ферроси­ лиция. Одновременно с восстановлением вольфрама в сплав пере­

В себестоимости ферровольфрама стоимость концентратов со­ ставляет 98%, стоимость передела 1%, в том числе стоимость электроэнергии 0,3 %.