4. Производство цветных металлов.

Наибольшее применение в качестве конструкционных материалов нашли следующие цветные металлы - медь, алюминий, а также сплавы на их основе.

4.1. Производство меди.

Основным способом получения промышленной меди (до 80%) является пирометаллургический, его применяют для переработки сульфидных руд. Пирометаллургия подробно рассматривалась выше – производство стали и чугуна. Поэтому производство меди будет рассмотрено кратко.

В природе встречается самородная медь (99,9% Си); однако руды с самородной медью очень редки (лишь около 5% месторождений) и значение их невелико. Промышленное значение имеют медные руды - сульфидные и окисленные. На сульфидные руды приходится около 80% мировых запасов меди. Медь в них находится в сульфидных (содержащих серу) минералах: халькопирит (медный колчедан) - СuFeS₂, халькозин (медный блеск) - Сu₂S, борнит - Сu₃FеS₃ и др.

Технология производства меди пирометаллургическим способом из сульфидных руд происходит следующая:

- обогащение руды (уменьшение количества пустой породы), в результате которого получают медный концентрат;

- окислительный обжиг концентрата для частичного окисления серы и железа, находящихся в концентрате;

- плавка, в результате которой получают штейн (от немецкого Stein –камень – сплав сульфидов цветных металлов – в данном случае меди - и железа);

- обработка штейна в конвертерах (конвертирование – аналогично производству стали) – продувка воздухом для получения черновой меди (96…99,5%Cu);

- рафинирование (очистка от примесей) черновой меди электролитическим методом.

4.2. Производство алюминия

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов; его содержание в земной коре составляет 7,45%. В чистом виде алюминий не встречается, т.к. обладает весьма высокой химической активностью. Он находится в составе алюмосиликатных горных пород.

Рудами алюминия могут служить породы, богатые глиноземом (А1₂0₃). К таким породам относятся бокситы, нефелины, алуниты и каолины (глины). Рассмотрим процесс получения алюминия из бокситов – основная руда для его получения.

В состав бокситов алюминий входит в виде различных соединений (гиббсит - А1₂О₃·ЗН₂О, бемит - А1₂О₃·_·Н₂О, корунд А1₂О₃, каолинит - А1₂О₃·2SiO₂·2Н₂О), кроме того, в их состав могут входить соединения железа, кальция, магния и др.

Производство алюминия слагается из двух основных процессов:

- получение глинозема (А1₂О₃) из руды;

- электролиз глинозема.

Производство глинозема заключается в его отделении от примесей. Наибольшее распространение получил гидрометаллургический щелочной способ Байера, разработанный в России и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством кремнезема - SiO₂ (до 5…6%).

Процесс можно разделить на следующие стадии: выщелачивание руды - разделение раствора, содержащего алюминий и примесей, получение кристаллического гидроксида алюминия, его выделения из раствора и обезвоживания.

Выщелачиванию - обработке концентрированным раствором едкого натра с небольшими добавками извести подвергается боксит после дробления и размола. Процесс ведется в автоклавах (стальных герметических сосудах) при температуре 100…250°С (нагрев перегретым паром) и давлении 2,5…3МПа. При этом образуется алюминат натрия (Na₂O·Al₂O₃), находящийся в растворе и нерастворимый осадок – шлам, содержащий оксиды алюминия (Al₂O₃), кремния (SiO₂), железа (Fe₂O₃), кальция (CaO).

Отделение алюминатного раствора от шлама, проводится в сгустителях (отстойниках) - сосудах диаметром 15…50м. В них подается пульпа – продукт выщелачивания, разбавленный водой. Отстоявшийся алюминатный раствор сливается и фильтруется, а осевший на дно шлам идет в отвал.

Получение кристаллического гидроксида алюминия – производится в цилиндрических баках (декомпозерах). В них подается разбавленный водой и охлажденный алюминатный раствор. Гидроксид алюминия (Al₂O₃·3H₂O) получают в результате следующей реакции:

Na₂O·Al₂O₃+(n+1)H₂O↔Al₂O₃·nH₂O+2NaOH

Кристаллический гидроксид после промывки фильтруют и для полного обезвоживания обжигают (кальцинируют) в трубчатых вращающихся печах при постепенном нагревании: от 200...300°С в месте загрузки до 1200°С в месте выгрузки из печи. При нагреве происходит обезвоживание гидроксида: А1₂О₃·ЗН₂О→А1₂О₃+ЗН₂О, т.е. получение глинозема (А1₂О₃) в виде порошка белого цвета. Полученный глинозем подвергают электролизу.

Электролиз глинозема выполняют для получения чистого алюминия. Анод – угольные стержни, катод – медная шина, расположенная на дне ванны, электролит - растворенный криолит (Na₃AlF₆).

Глинозем диссоциирует на ионы: 2А1₂О₃→2А1³⁺+3О^2-. Ионы алюминия переносятся к катоду и осаждаются на нем.

Накапливающийся на подине ванны жидкий алюминий периодически (через 1...2 суток) отбирают вакуумным ковшом. На этой стадии получают алюминий, содержащий не менее 99,8 %Al.

Рафинирование электролитического алюминия позволяет получить весьма чистый алюминий (до 99,99%). Одна из технологий рафинирования – дополнительный электролиз, при котором анодом является исходный жидкий алюминий, а катодом тоже жидкий, но уже рафинированный алюминий (например, полученный хлорированием расплава).