Производство цветных металлов Производство меди

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6%Cu, а такжеотходы от медии ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS₂, Cu₂S, CuS ), оксидов (Cu₂O, CuO) или гидрокарбонатов (CuCO₃Cu(OH)₂, 2CuCO₃Cu(OH)₂). Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергаютокислительному обжигупри температуре 750-800⁰С.

При пирометаллургическом способеполученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре 1250-1300⁰С восстанавливается оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди (Cu₂O), реагируя сFeS, даетCu₂S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов меди и железа, перевода образующихся оксидов железа в шлак, а серыSO₂и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98.4-99.4%Cuи небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируютдля удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. ПримесиS, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубам, погруженным в расплавленную медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалениюSO₂ и других газов. При этом медь окисляется и для освобождения ее отCu₂Oванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее дерево. При сухой перегонки древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливаютCu₂O.

После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99.5 %. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы, латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинированиепроводят для получения чистой от примесей меди (99.95 %Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный растворCuSO₄ (10-16 %) иН₂ SO₄ (10-16 %). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди:

Сu²⁺ + 2^-  Cu.

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

Производство алюминия

Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов - гидроокисейAl(OH)₃, AlOOH, корундаAl₂O₃и каолинитаAl₂O₃2SiO₂2H₂O. Алюминий получают электролизом глинозема - окиси алюминия (Al₂O₃) в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) с добавлением фтористых алюминия и натрия (AlF₃, NaF). Производство алюминиявключает получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получаютиз бокситов путем их переработки щелочью:

Al₂O₃n H₂O + 2NaOH = 2NaAlO₂ + (n+1)H₂O.

Полученный алюминат натрия NaAlO₂подвергают гидролизу:

NaAlO₂ + 2H₂O = NaOH + Al(OH)₃ .

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия Al(OH)₃. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200⁰С и получают обезвоженный глиноземAl₂O₃.

Для производства криолитасначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводятAl(OH)₃,в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок:

2H₃AlF₆ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃AlF₆  + 3CO₂ + 3H₂O.

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глиноземаAl₂O₃проводят в электролизере, в котором в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4.5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000 ⁰С.

Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF₃ и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ионAl³⁺и образуется алюминий, а на аноде - ионО^2-, который окисляет углерод анода доСО иСО₂, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси и газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалениюNa, Са, Mg и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течении 30-45 мин при температуре 690-730 ⁰С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99.5-99.85 %.