Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии переработки руд. Учебное пособие
.pdf
5 Основы технологии переработки металлических руд.
Металлургические процессы
Большинство из известных в настоящее время химических элементов
являются металлами. Они составляют 86 % химических элементов. К металлам
относятся: s-элементы, кроме водорода и гелия, все d-элементы, все f-элементы,
часть р-элементов (алюминий, галлий, индий, таллий). Металлы широко
распространены в литосфере и гидросфере Земли.
Значение металла в экономике страны принято оценивать долей его
производства в общем производстве всех металлов или в производстве железа и его
сплавов. Роль в промышленности, а значит, и получение различных металлов
существенно меняется со временем. Появляются новые отрасли техники, такие как в
свое время ракетостроение, атомная энергетика, электроника и ряд других. Это
вызывает в свою очередь потребность в материалах с новыми заданными
свойствами и способствует развитию новых направлений в металлургической
промышленности. В середине 20 века важное промышленное значение приобрели
металлы – титан, молибден, цирконий, ниобий. В настоящее время цветная
металлургия производит более 30 металлов. Они являются редкими элементами и
нашли применение в сотнях их сплавов. Следовательно, объем производства
различных металлов с течением времени изменяется. Так, в последние годы
значительно выросла доля производства алюминия. А для меди она практически не
изменилась. Строгой научной классификации металлов до сих пор не существует. В
основе промышленной классификации – принцип, который учитывает уже
сложившуюся структуру металлургической промышленности, а также
распространенность металлов в природе и их свойства.
Согласно промышленной классификации металлы подразделяются на черные
(железо и его сплавы, марганец и хром) и цветные. Производство черных металлов
связано с производством чугуна и стали. Подразделение на цветные металлы очень
условно, поскольку из всех металлов этой группы реально только золото и медь
101
имеют ярко выраженный цвет. Из цветных металлов основные тяжелые металлы
получили название из-за значительных, «тяжелых» масштабов их производства и
потребления (Cu, Pb, Ni, Zn, Sn). Малые тяжелые металлы обычно сопутствуют
основным тяжелым металлам в природе. Их извлекают попутно и в гораздо
меньших количествах (Bi, As, Sb, Hg, Cd, Co). К цветным легким металлам относят
Al, Mg, Ni, Na, R, Ba, Cf, Sr. Также в группе цветных металлов выделяют редкие
металлы. Они, в свою очередь, подразделяются радиоактивные (Ra, U, Th, Ac и
трансурановые элементы), редкоземельные (Sc, La и его группа и др.), рассеянные
(Ga, In, Tl, Ge, Gh, Re, Se, Te, Cd), легкие (Li, Be, Rb, Cs), тугоплавкие (W, Mo, Ta, V,
Nb, Zr) [22].
5.1 Металлические руды
Сырьем при производстве металлов являются металлические руды. Только
некоторые металлы, как правило, благородные (платина, золото, серебро) иногда
ртуть и медь находятся в природе в самородной форме. Большинство же металлов
встречаются в природе в виде химических соединений, которые входят в состав
металлических руд.
Металлическая руда – это горная порода, содержащая в своем составе
металлы или один металл в таких соединениях, количествах и содержаниях, при
которых возможно целесообразное извлечение их при современном уровне
обогатительной и металлургической техники и технологии.
Понятие «руда» имеет несколько смыслов. Различают геологический,
технический и экономический смысл руды. Например, с открытием ртутного и
цианидного методов извлечения золота, старые отвалы с низким содержанием
металла стали промышленными и рассматриваются теперь как бедные золотоносные
руды. Металлические руды принято подразделять по ряду признакам:
1. По качеству и количеству металла. По этому признаку руды делят на
102
промышленные и непромышленные. Промышленными считают руды с содержанием
металла превышающем его рентабельный минимум. Рентабельный минимум – это
минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и
целесообразность металлургической переработки данной руды. По мере развития
технологии производства рентабельный минимум понижается. Например, в конце
19 века к промышленным рудам относились руды с содержанием меди 1,5 %. В
настоящее время эта цифра уменьшилась до 0,4 %. На снижение рентабельного
минимума влияет и совершенствование обогатительной и металлургической
техники и технологии, повышение комплексности переработки природного сырья.
2. По количеству содержащихся в руде металлов руды подразделяют на
монометаллические или простые и полиметаллические или комплексные. К
полиметаллическим следует отнести большинство руд цветных металлов: медные,
медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды. Такие руды содержат до 10 –
15 различных металлов. Полиметалличность большинства руд вынуждает
экономически их комплексное использование, а это ведет к разработке и
организации безотходных, малоотходных производств.
3. По концентрации металлов руды делят на богатые, средние и бедные. Руды
цветных металлов обычно бывают очень бедными, но сопутствующие основному
компоненту в них другие металлы по ценности могут значительно превосходить
основной элемент руды (таблица 3) [22].
4. По форме нахождения металла руды подразделяют на:
самородные, содержат металл в свободной форме, например, золото, платина,
палладий;
окисленные, в них металл может присутствовать в форме различных соединений
с кислородом (оксиды МеОn, гидроксиды Ме(ОН)n, соли многоосновных
кислородных кислот МеМе nО n, МеЭО
), например, брусит, бокситы и др.;
п
сульфидные, руды, содержащие сульфиды (MeS) или полисульфиды (MeSn)
металлов, например, железный или медный колчедан;
галогенидные, представляют собой соли галогеноводородных кислот (МеГn),
например, хлориды натрия, калия, магния и др.
103
Элемент руды
Содержание, %
Ценность, %
Медь
2,5
26,0
Цинк
2.5
15,6
Сера
40,0
41.7
Золото
2-10 -4
10.4
Серебро
3-10 -3
6.3
Металл
Содержание, %
Металл
Содержание, %
Алюминий
7,50
Вольфрам
7*10 -3
Таблица 3 – Ценностная структура полиметаллических руд (на примере
медно-цинковой руды)
Применение металлов в промышленности зависит от их характерных свойств,
от разведанных запасов, а также доступности руд и возможности промышленного
извлечения металлов из их соединений. В земной коре металлы распространены
крайне неравномерно. Более распространенными являются металлы, у которых
нечетные и малые номера в периодической системе Д.И. Менделеева. Ниже, в
таблице 4 даны содержания металлов в земной коре в порядке их убывания [22].
Доступность руд металлов как исходного сырья для их производства зависит
от их состава – бедные, богатые и административного местоположения региона их
нахождения, а также распределения в земной коре.
Руды формируют в земле естественные скопления или месторождения. Могут
также содержаться металлы в незначительных количествах в виде изоморфных
примесей в основных минералах, так называемые рассеянные элементы.
Месторождение металла – это скопление каких-либо металлических руд,
которое пригодно для их промышленного применения. Конечно,
Таблица 4 – Примеры распространенности некоторых металлов в земной коре
104
4,70
Молибден
1*10 -3
Кальций
3,40
Свинец
8*10
– 4
Натрий
2,64
Олово
6*10
– 4
Калий
2,40
Уран
5*10
– 4
Магний
1,94
Селен
8*10
– 5
Титан
0.58
Платина
2*10
– 5
Цинк
0,02
Серебро
4*10
– 6
Никель
0,018
Золото
5*10
– 7
Медь
0,01
Рений
1*10
– 7
Металл
Содержание металла, т
Кларк металла, г/т
содержание металла в месторождении значительно выше его среднего содержания
(кларка) в земной коре. Богатство месторождения определяют его
металлоносностью М. Металлоносность представляет следующее отношение: М =
кларк месторождения / кларк планеты:
Для металлических руд принято различать:
запасы – это выявленные количества руды, для которых известны метод
и стоимость извлечения из них конкретного металла, и
потенциальные ресурсы – это количества руды, расположение и метод
добычи которых неизвестен.
В таблице 5 приведены примеры содержания наиболее важных металлов в
земной коре и в их рудах [22].
В настоящее время основное количество металлов извлекают из руд земной
коры. Потенциальными источниками металлов можно считать воды Мирового
океана, которые содержат до 3,5 % растворенных солей, залежи металлсодержащих
конкреций океанического дна [22].
Таблица 5 - Содержания наиболее важных металлов в земной коре и в их
рудах
105
в земной коре
в рудах
Алюминий
Железо
Цинк
Медь
1,5*1016
8,8*1015
2,4*1013
1,8*10
13
5*108
1*1011
8,2*107
1,8*108
81000
46000
80
70
5.2. Металлургические процессы
В основу производства металлов положены металлургические процессы.
Металлургические процессы – это технологические процессы получения различных
металлов из соответствующих руд, отходов производства. В общем случае
металлургические процессы включает три основных стадии: подготовка руды, то
есть превращение ее в состояние, которое в дальнейшем способствует извлечению
металла из руды; восстановление природного соединения, в форме которого металл
содержится в исходной руде, до свободного металла; обработка полученного
металла с целью очищения [22].
Подготовка руды включает серию механических и физико-химических
процессов, которые зависят от состава руды и формы нахождения химического
соединения металла в ней. К этим процессам можно отнести измельчение,
укрупнение, классификацию, обогащение исходного сырья, сюда же включается
преобразование содержащего металл соединения в ту форму, из которой его можно
восстановить. Необходимость последнего процесса обусловлена тем, что
восстановлению подвергаются чаще всего оксиды металлов, реже галогениды их,
именно поэтому все другие соединения металлов, такие как сульфиды, гидроксиды
и прочие должны быть переведены в них. Это достигают либо воздействием на
обогащенную руду высоких температур, либо специальных химических веществ.
Согласно используемым методам технологические процессы подготовки руды
принято разделять на пирометаллургические и гидрометаллургические.
106
Пирометаллургические процессы ведутся при высокой температуре с полным
либо частичным расплавлением руды. Это такие процессы как:
– обжиг. Обжиг – это процесс, который проводят при достаточно высокой
температуре, порядка 500 – 1200 С в твердофазном состоянии с целью изменения
химических соединений руды. Условия обжига определяются составом руды и
назначением процесса. Руды сульфидов металлов подвергают окислительному
обжигу с образованием их оксидов. Руды, используемые для последующего
магнитного обогащения, подвергают восстановительному обжигу;
– восстановительная плавка – это процессы восстановления оксидов металлов
при таких температурах, при которых происходит полное расплавление руды;
– дистилляция – это процесс испарения, подвергающегося переработке
вещества, для разделения составных его компонентов на основе их различий в
летучести.
Гидрометаллургические процессы проводят в водных растворах при
температурах менее 300 С. Эти процессы протекают на границе раздела твердой и
жидкой фаз. Распространенным гидрометаллургическим процессом является
выщелачивание – это перевод в раствор извлекаемых из исходного сырья
соединений металлов под действием растворителей. Выщелачивание может быть
физическим процессом, если в качестве растворителя выступает вода либо
химической реакцией, если в качестве растворителя выступает химический реагент,
который взаимодействует с извлекаемым компонентом.
Вторичная обработка полученного металла служит целям очистки и
перегруппировки кристаллической структуры металлов, для изменения его состава и
свойств. K подобным операциям относят очистку металлов методами дистилляции,
электролиза, электрошлакового переплава и зонной плавки, а также получение
различных сплавов, закалка металла, отжиг, отпуск, цементирование и ряд других
операций. Некоторые из них рассматриваются ниже [22].
107
Общая схема производства металлов из руд представлена на рисунке 5.
I – стадия подготовки руды, II – стадия восстановления, III – стадия вторичной
обработки, В – это восстановитель, [О] – это процессы окисления, Т – стадия
термической обработки
Рисунок 5 – Общая схема металлургического процесса
5.2 Физико-химические основы восстановления металлов из руд
Реакции восстановления металлов из исходных руд отличаются природой
восстановителя и условиями восстановления. В качестве восстановителей металлов
применяют следующие химические вещества: водород, оксид углерода (II), углерод,
металлы или электрический ток. Сам процесс восстановления проводят либо в
растворе, либо в расплаве, либо в твердой фазе. В зависимости от условий и
применяемых реагентов применяют следующие методы восстановления [22]:
1. Гидрометоллургическое восстановление – это восстановление химическими
восстановителями из водных растворов, например, применяется на Медногорском
медно-серном комбинате в Оренбургской области:
CuSO4 + Fe → Сu + FeSO
4
2. Пирометаллургическое восстановление – это восстановление химическими
восстановителями при высоких температурах из расплавов или твердой фазы:
108
FeO + CO → Fe + CO
2
3. Электрoгидрометаллургическое восстановление – это восстановление
электрическим током из водных растворов, например, применяется также на
Медногорском медно-серном комбинате в Оренбургской области:
CuSO4 + 2ē → Сu + SO
4
– 2
4. Электропирометаллургическое восстановление – восстановление
электрическим током при высокой температуре из расплавов, например, при
получении алюминия из бокситов:
Al2O3 + 6 ē→ 2Al + 3О
– 2
Два последних примера восстановления электрическим током меди и
алюминия являются процессами электролиза в водных растворах (медь) или
расплавах электролитов (алюминий), при этом восстанавливаемый металл
разряжается на катоде.
При восстановлении металла из его соединений надо принимать во внимание
принципиальную возможность данных процессов, а также полноту их протекания,
так как от этого зависит рентабельность процесса.
Принципиальная осуществимость процесса восстановления определяется
условием ∆G < 0, где ∆G – изобарно-изотермический потенциал равный:
∆G =∆H – T∆S
Скорость самопроизвольно протекающего данного процесса восстановления
тем выше, чем больше по абсолютному значению величина изобарноизотермического потенциала ∆G. Из приведенной выше формулы видно, что
109
выполнению неравенства ∆G < 0 способствует уменьшение энтальпии (∆H < 0),
возрастание энтропии (∆S > 0) и ведение реакции при максимально осуществимой в
данных условиях температуре Т. Применение фактора температуры позволяет
использовать при восстановлении даже слабые восстановители, которые
эффективны при повышенной температуре.
В общем виде реакцию восстановления оксидов металлов можно описать
таким уравнением:
МеО + В → Ме + ВО
где: В – это восстановитель, ВО – это продукт окисления восстановителя.
Тогда изобарно-изотермический потенциал этой реакции будет равен:
∆G = ∆G во- (∆G
+ ∆G B) < 0
МеО
Очевидно, что для восстановителей – простых веществ (металлы, углерод,
водород) ∆G B = 0 и это выражение превращается в уравнение:
∆G = ∆G во – ∆G
МеО
(а)
Ниже приведем примера конкретного восстановления оксидов металлов
разными восстановителями.
1. Восстановление водородом.
МехО
∆G = у∆G
+ уН
у
↔хМе + уН
2
– ∆G
Н2О
Мех Оу
О (б)
2
< 0
2.Восстановление углеродом.
МехО
∆G = у∆G СО – ∆G
+уС ↔ хМе + уСО (в)
у
< 0
Мех Оу
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]