книги из ГПНТБ / Ванюков, А. В. Теория пирометаллургических процессов учеб. пособие

Металлургия — одна из самых древних профессий, ко­ торые освоило человечество. Имеются сведения, что еще 6000 лет назад на территории теперешних Индии и Китая были известны некоторые металлы. Применение метал­ лов в Европе началось за 3000 лет до нашей эры. Первы­ ми вошли в обиход человека, по-видимому, самородные золото, медь, серебро и метеоритное железо. Затем в по­ следующие века древние ученые совершают великое от­ крытие— изобретены способы получения металлов из руд. По своему значению для дальнейшего развития че­ ловеческого общества это изобретение может быть при­ равнено к открытию методов получения огня и должно быть поставлено на один уровень с величайшими откры­ тиями современности. На смену «каменному веку» при­ шел «бронзовый век». Иначе говоря, целые исторические эпохи связаны с развитием производства металлов.

Не утеряла своего важного значения металлургия и в наше время. Практически все современные отрасли науки и техники в той или иной мере связаны с успехами метал­ лургии. Без развития металлургии немыслимо развитие энергетики, ракетной техники, самолетостроения, хими­ ческой промышленности, ядерной техники, строительства, машиностроения и многих других отраслей народного хо­ зяйства. Успехи таких современных областей техники, как радиоэлектроника, вычислительная техника, лазер­ ная техника, всецело зависят от достижений прецизион­ ной металлургии, получения особо чистых металлов и со­ единений со строго заданными свойствами.

По мере развития техники увеличилась как номенкла­ тура используемых металлов, так и их количество. Рас­ пределение по периодам известных и используемых в технике металлов в элементарном виде и в виде сплавов приведено ниже:

В первой половине XX в. . Все остальные металлы, встре­ чаемые в земной коре, а также искусственные заурановые эле­ менты

Из приведенных данных следует, что подавляющее количество металлов и их сплавов было вовлечено в экс­ плуатацию лишь в двадцатом веке. В настоящее время цветная металлургия Советского Союза осуществляет промышленное получение 75 элементов из 103 Периоди­ ческой системы Менделеева, причем производство боль­ шинства элементов организовано после революции. По­ лучение этих элементов связано с большим многообрази­ ем сложных технологических процессов. Техническая ре­ волюция затронула производство не только новых, но и традиционных металлов. Широким фронтом ведется раз­ работка новых эффективных технологических схем комп­ лексной переработки сырья, обеспечивающих извлечение всех ценных составляющих. Создается новая аппаратура. Разрабатываются пути комплексной механизации и авто­ матизации. Все это обусловливает необходимость подго­ товки инженера-металлурга по цветным металлам широ­ кого профиля с высоким уровнем теоретических знаний.

Темпы развития цветной металлургии в нашей стране благодаря неустанной заботе партии и правительства бы­ ли всегда неизменно выше, чем в других отраслях тяже­ лой индустрии. Царская Россия практически не имела собственного производства цветных металлов. Потребно­ сти в свинце и цинке удовлетворялись примерно на 3%. Только потребности в меди обеспечивались на 80%. В на­ стоящее время Советский Союз занимает одно из первых мест в мире по производству ведущих цветных металлов. Причем качество металлов отвечает самым высоким ми­ ровым стандартам. Масштабы ежегодного производства разных цветных металлов различаются на много поряд­ ков, т:

Ведущее положение как по масштабу производства, так и по значению в народном хозяйстве занимают алю­ миний, медь, цинк, свинец, никель и магний. Именно эти металлы определяют промышленный и военный потенци­ ал страны. Увеличению их производства партия и прави­ тельство уделяют особое внимание. Важное значение основных цветных металлов в современной технике подт­ верждается высокими темпами увеличения их производ-

Таблица 1

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ И МЕДИ В КАПИТАЛИСТИЧЕСКИХ СТРАНАХ, ТЫС. Т

П р и м е ч а н и е . В скобках приведены величины потребления, тыс. т.

ства, особенно в быстроразвивающихся капиталистиче­ ских странах. Проиллюстрируем это на примере меди и алюминия (табл. 1).

За последнее десятилетие производство алюминия уд­ воилось, а производство меди возросло более чем на 40%. Несмотря на это, на мировом рынке практически неогра­ ниченная потребность во многих цветных металлах, в том числе и в меди, никеле, титане и др. Непрерывно растут и цены. Нельзя не обратить внимания на то, что даже при недостатке собственного сырья очень резко увели­ чивается производство и потребление цветных металлов

в Японии и ФРГ. Это лишний раз подчеркивает значение цветных металлов в техническом прогрессе, поскольку именно в этих странах из числа стран капиталистического мира прогресс в развитии техники выражен особенно ярко.

Подчеркивая ведущую роль основных цветных метал­ лов, мы отнюдь не склонны умалять значение развития производства также и других цветных металлов, напри­ мер титана, вольфрама, молибдена, кремния, циркония и т. д. Нельзя также не отметить, что использование ряда металлов в промышленности в некоторых случаях за­ труднено из-за отсутствия областей их потребления. В ка­ честве примера можно привести лантан. Содержание его в земной коре выше, чем меди и никеля, однако потреб­ ление пока ничтожно. Для освоения этих металлов про­ мышленностью необходимы дальнейшие исследования, глубокое изучение их свойств.

Из 104 элементов Периодической системы Менделеева более 80 являются металлами. По сложившейся традиции все металлы принято разделять на два класса: черные и цветные. К черным относятся: железо (и его сплавы), а также марганец, ванадий и хром, которые используют­ ся в качестве легирующих добавок. Все остальные метал­ лы относятся к группе цветных.

Цветные металлы делят на следующие подгруппы: 1. Тяжелые цветные металлы. Основные— медь, сви­ нец, никель, цинк, олово являются важнейшими в народ­ ном хозяйстве и по своему значению, и по объему произ­ водства. К тяжелым цветным металлам относят также некоторые элементы, добыча которых заметно ниже ос­ новных. Это прежде всего кобальт, кадмий, мышьяк, сурьма, висмут, ртуть. Эти металлы нередко являются спутниками основных тяжелых металлов и их производят попутно в общем металлургическом цикле. Спутниками тяжелых цветных металлов являются также сера, селен, теллур и рассеянные элементы — талий, индий, германий, рений. Производство этих металлов по сравнению с ос­ новными невелико. Всего к группе тяжелых цветных ме­

таллов и их спутников относятся 18 элементов.

2. Легкие цветные металлы. Основные — алюминий, магний получают также в больших количествах и их зна­ чение в народном хозяйстве очень велико. К группе лег­ ких металлов относят обычно также щелочные, щелоч-

поземельные металлы, кремний и галлий. Всего 13 эле­ ментов.

3.Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (осмий, иридий, родий, рутений, палладий). Всего 8 элементов.

4.Редкие металлы. Редкие металлы объединяют зна­ чительную группу элементов. Производство их относи­

тельно невелико, однако значение в народном хозяйстве в связи с развитием техники возрастает с каждым годом. Редкие металлы принято делить на следующие под­ группы:

1)тугоплавкие — вольфрам, молибден, титан, тантал, ниобий, цирконий (6 элементов);

2)редкоземельные — лантан, иттрий и лантаноиды (16 элементов) ;

3)радиоактивные — радий, уран, полоний, торий, ак­ тиний и актиноиды, трансурановые элементы (16 эле­ ментов) .

В основу настоящей классификации положены, с од­

ной стороны, общность физико-химических свойств, с дру­ гой— распространенность в природе и исторически сло­ жившаяся общность методов их производства. Положе­ ние указанных групп элементов в Периодической системе элементов показано на рис. 1.

Очень характерно, что перечисленные выше группы элементов располагаются в Периодической системе эле­ ментов весьма компактно, что подчеркивает научную обоснованность принятой промышленной классификации металлов и сопутствующих им элементов.

Исходным сырьем для получения металлов являются руды или концентраты. Рудой называется горная порода, в которой в результате геологических процессов концент­ рация одного или нескольких ценных элементов значи­ тельно превышает среднюю концентрацию его в земной коре. Понятие руда имеет не только геологический, но и экономический смысл. Очевидно, рудой следует называть такую горную породу, из которой в данных конкретных условиях экономически выгодно добывать металл или группу металлов. Даже для одного и того же металла ми­ нимальное содержание его в руде, при котором руду це­ лесообразно еще разрабатывать, будет определяться многими факторами, в частности такими, как возможный уровень механизации, глубина залегания рудного тела,

Положение металлов ВПериодической системе элементов

степень освоенности района залегания месторождения, наличие ценных спутников в руде, обогатимость руды, на­ личие в районе месторождения дешевой электроэнергии, воды, флюсов, рабочей силы и т. д. Минимально допусти­ мое содержание металла в руде для разных металлов различается весьма существенно. Так, в алюминиевом производстве горные породы, содержащие 20% А1, не считаются промышленными рудами. В то же время окис­ ленная никелевая руда будет высококачественным сырь­ ем, если она содержит всего 0,8— 1,0% Ni и 0,02—0,04% Со. В результате истощения богатых месторождений, а также развития методов извлечения металлов из руд эко­ номически оправданная концентрация металла в руде постоянно снижается. Например, еще недавно считалось экономически целесообразным перерабатывать медную руду, содержащую не менее 1 % Си. В настоящее время эта концентрация снижена до десятых долей процента.

Руды цветных металлов принято классифицировать как по условиям их образования, так и по химическому составу. Согласно генетической классификации, рудные месторождения подразделяют на следующие виды:

1. Эндогенные месторождения. Образовались в ре­ зультате остывания и кристаллизации магмы в верхних слоях земной коры.

2. Экзогенные месторождения. Образовались в по­ верхностной зоне земной коры вследствие процессов вы­ ветривания и перераспределения компонентов извержен­ ных пород.

3. Метаморфогенные месторождения. Их образование связано с действием на осадочные и ранее изверженные породы высоких температур и давлений при вторичном попадании этих пород в глубь земной коры.

По химическому составу, по формам нахождения в горных породах ценных компонентов руды делят на сле­ дующие типы:

1) самородные, в которых металлы или элементы на­ ходятся в свободном состоянии (золото, серебро, медь, сера и др.) ;

2)сульфидные руды, металлы находятся , в составе различных минералов, представляющих собой соедине­ ния металлов с серой (медные, свинцовые, цинковые, медно-никелевые и другие руды) ;

3)окисленные руды, металл в этих рудах находится

в форме окислов, карбонатов или гидратов (медные, ни­ келевые, железные руды).

В значительно меньшей степени распространены ме­ сторождения, в которых металл находится в форме ка­ кой-либо водорастворимой соли (хлоридной, сульфатной и т. д.). Руды цветной металлургии, как правило, явля­ ются комплексными, и из них извлекают до 10—20 раз­ личных элементов и соединений.

мого сырья.

Обычно в голове технологической схемы переработки руд используются методы механического обогащения. С процессами обогащения студент знаком по изучению соответствующего курса. В результате обогащения полу­ чаются концентраты с повышенным содержанием ценных металлов. Важно отметить, что стоимость процессов обо­ гащения существенно меньше, чем металлургической пе­ реработки. По этой причине предварительное обогащение руд обычно экономически оправдано. Условно все про­ цессы, используемые в цветной металлургии, можно раз­ бить на три основные группы:

1. Пирометаллургические процессы. Осуществление физико-химических процессов этой группы с целью извле­ чения металлов из руд протекает в условиях высоких тем­ ператур и часто с расплавлением всей массы материала.

2.Гидрометаллургические процессы. Химические ре­ акции протекают в водных и солевых растворах в ряде случаев с участием органических растворителей или сор­ бентов при нормальном или повышенном давлении в ус­ ловиях умеренных температур 20—200° С.

3.Электрометаллургические процессы. Химические реакции (окисления, восстановления) осуществляются на электродах за счет создания на них электрического по­ тенциала, например А13++Зе=А1°. Электрохимические процессы могут протекать как в водных растворах при низких температурах, так и при повышенных температу­ рах в расплавах солей.

Внастоящем пособии рассматривается теория пиро-

металлургических процессов, так как теории гидрометал­ лургических и электрометаллургических процессов будут изложены в специальных курсах.

Конечная задача любого пирометаллургического про­ цесса — отделение компонентов пустой породы от ценных составляющих и получение металлов в элементарном со­ стоянии или в виде соединений. Технологическая схема получения металлов из руд и концентратов состоит из не­ скольких последовательных операций, в каждой из кото­ рых может иметь место целый ряд отдельных химических и физических процессов. Основная задача теории пиро­ металлургии — рассмотрение закономерностей протека­ ния этих отдельных химических и физических процессов.

Встречающиеся в пирометаллургии процессы можно условно разбить на следующие основные группы: 1) дис­ социация и диспропорционирование; 2) восстановитель­ ные; 3) металлотермия; 4) окислительные; 5) процессы сульфидирования окислов или металлов; 6) хлорирова­ ние; 7) плавление и растворение; 8) ликвациоиное раз­ деление фаз; 9) сублимации и возгонки.

В металлургическом производстве нередко приходит­ ся иметь дело сразу с несколькими из перечисленных про­ цессов даже в ходе одной технологической операции. Рассмотрим коротко эти отдельные процессы и их роль в металлургии.

Под процессами диссоциации понимается разложение неустойчивых химических соединений при нагревании. Уже этот простейший процесс может быть использован для получения металлов. Таким образом, в частности, может быть получено серебро из его хлорида или окисла

инекоторые другие элементы.

Впроцессах, протекающих при высоких температурах, возможно разложение карбонатов, сульфатов и высших соединений до низших:

Me С03 ->Me О-f-С02;

M eS04->MeO -j- S02-|- ~~~02;

FeS2->FeS+ -^-S2,

а также разложение других неустойчивых соединений. Процессы эти весьма существенны в металлургии.

Получение металлов прямым нагреванием их соедине­ ний обычно используется лишь в том случае, когда их сродство к сере, кислороду или другим анионам невелико. Однако в последние годы в связи с развитием науки и техники становится реальным использование плазменных процессов. Проведенные эксперименты показывают, что при температуре 8000— 10000° С полностью разлагаются даже такие прочные окислы, как трехокись вольфрама. Не исключено, что уже в недалеком будущем подобные процессы могут найти применение в получении некоторых металлов.

Диспропорционирование — процесс самоокисления — самовосстановления (одновременно образуются соедине­ ния, в которых элемент находится в более окисленном и более восстановленном состоянии по сравнению с перво­ начальным) :

(1+) (2+) (0)

H g aO - > H g O + H g .

В настоящее время для получения в свободном со­ стоянии металлов с высоким сродством к кислороду (се­ ре, хлору) используются восстановительные процессы. Восстановителями служат водород, окись углерода, твер­ дый углерод, естественный газ. Методами восстановления получают такие металлы, как свинец, железо, цинк, олово и др. В основе этих процессов лежат, например, реакции:

РЬО-|-СО=РЬж-|-С02;

ZnO-fC0=Znnap-|-C02;

FeC4-H2= F e+ H 20.

Металл, получающийся в результате этих процессов, может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Восстанавливаемые окислы в свою очередь могут быть в свободном состоянии, в оксидном или сили­ катном расплаве. Реакции восстановления при этом скла­ дываются из многих элементарных актов, протекающих последовательно или параллельно.

Для восстановления ряда окислов перечисленные вы­ ше восстановители оказываются непригодными, так как либо металлы, образующие эти окислы, имеют очень большое сродство к кислороду, либо восстановитель взаи­ модействует с восстанавливаемым металлом с образова­