18.4.3 Получение меди

Сырьем для выплавки меди служат сульфидные руды – медный колче­дан или халькопирит Cu₂S и другие с содержанием меди 1–2 %. Медь полу­чают чаще всего пирометаллургическим способом, который включает обо­гащение руд для получения концентрата, его обжига, плавку на медный штейн, получение черновой меди и ее рафинирование. Обогащение осуще­ствляют флотацией, после чего медный концентрат содержит до 30 % меди. Затем его обжигают для частичного удаления серы (до 50 %) и получают огарок. Плавка на штейн производится в пламенных отражательных или

электропечах при температуре до 1600 °С, затем штейн заливают в конвер­тор (рисунок 18.18) и перерабатывают в черновую медь. Для шлакования ок­сидов железа на поверхность штейна загружают кварцевый песок. Затем производят продувку воздухом в два периода.

Рисунок 18.18 – Медеплавильный конвертор: 1 – фурмы воздушного дутья;

2 – футеровочный корпус; 3 – зубчатая передача; 4 – обод;

5 – горловина для заливки штейна; 6 – отверстие для загрузки флюса;

7 – воздухопровод; 8–опорные ролики; 9 – электродвигатель с редуктором

В первый период сульфиды железа окисляются кислородом воздуха. FeO, взаимодействуя с SiO₂, переходит в шлак, a SO₂ направляется на изго­товление серной кислоты:

2FeS + ЗО₂ = 2FeO + 2SO₂ + Q;

2FeO + SiO₂ = SiO₂ ∙ 2FeO + Q.

Шлак направляют на повторную переработку для извлечения меди. Ос­тавшийся штейн белого цвета продувают вторично воздухом и получают черновую медь:

2Cu₂S + ЗО₂ = 2Cu₂O + 2SO₂;

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂.

Она содержит в своем составе до 2 % железа, серы, цинка, никеля, свин­ца, алюминия и других примесей. Ее рафинируют огневым и электролити­ческим способами. Огневое рафинирование черновой меди осуществляется в пламенных 400-тонных печах, где ее расплавляют и продувают воздухом. В результате чего образуется 4Сu + О₂ = 2Сu₂О, который окисляет примеси Al, Si, Mn, Zn, Fe, Ni и др. Не окисляются только золото и серебро. После скачивания шлака медь раскисляют, перемешивая природным газом. Это происходит по реакции

4Сu₂О + СН₄ = 8Сu + СО₂ + 2Н₂О.

Расплав с содержанием 99,5–99,7 % меди разливают в слитки или анод­ные пластины для электролитического рафинирования.

Электролиз осуществляют в ваннах. Электролитом является 15%-ный раствор медного купороса (CuSO₄ · 5Н₂О) и серной кислоты (H₂SO₄). В электролит погружают анодные пластины из черновой меди и катоды, изго­товленные из чистой электролитической меди. Их подвешивают на анодной и катодной шинах и включают постоянный ток. Металл анодов растворяет­ся и переходит в раствор, а на катодах выделяется металлическая медь чис­тотой 99,98 %. Ее переплавляют в слитки, из которых получают лист, про­волоку, трубы, используют для выплавки латуней и бронз.

18.4.4 Получение алюминия

Алюминий производят из руд, богатых глиноземом. Чаще всего исполь­зуют бокситы. Состав их следующий, %: AI₂O₃ – 40–60, Fe₂О₃ – 15–30, SiO₂– 5–15, TiO₂ – 2–4 и гидратная вода – 10–15. Процесс получения алю­миния включает три этапа: извлечение глинозема из руды, электролиз рас­плавленного глинозема и получение первичного алюминия, его рафиниро­вание.

Глинозем извлекают мокрым или сухим способами. При мокром – бок­ситы дробят, измельчают в шаровых мельницах, а затем выдерживают в автоклавах 2–3 часа с концентрированной щелочью при температуре 150–250 °С и давлении до 3 МПа. Происходит взаимодействие между гли­ноземом и щелочью:

А1₂О₃ + ЗН₂О + 2NaOH = Na₂O  А1₂О₃ + 4 Н₂О.

Раствор алюмината натрия в виде пульпы, после фильтрации и разбав­ления водой, выдерживается в отстойнике, в котором выпадает в осадок гидроксид алюминия,

Na₂O ∙ А1₂О₃ + 4 Н₂О = 2NaOH + 2А1(ОН)₃,

который фильтруют, прокаливают при температуре 1200-1300 °С во вра­щающихся печах и получают глинозем:

2А1(ОН)₃ = А1₂О₃ + 3Н₂О.

При сухом способе смесь боксита, соды и известняка спекают во вра­щающихся печах при температуре 1200 °С. Образуется спек с водораство­римым алюминатом натрия

А1₂О₃ + Na₂ CO₃ = Na₂O · А1₂О₃ + СО₂

и нерастворимый в воде силикат кальция CaO · SiO₂, в образовании которо­го участвует известь.

Алюминат натрия извлекают из спека горячей водой и продувают газо­образным СО₂:

Na₂O ∙ А1₂О₃ + 3Н₂О + СО₂ = 2А1(ОН)₃ + Na₂ CO₃.

Осадок промывают, прокаливают и затем получают глинозем, как при мокром способе.

Глинозем растворяют в расплавленном криолите Na₃AlF₆, из которого электролизом получают алюминий. Процесс осуществляется в алюминие­вой ванне-электролизере (рисунок18.19). Внутренняя поверхность ванны облицована угольными блоками, которые являются катодом. Анодами слу­жат угольные электроды, погруженные в расплав.

Рисунок 18.19 – Схема электролизера для производства алюминия:

1 – катодные угольные блоки; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – стальной кожух;

4 – угольные плиты; 5 – жидкий алюминий; 6 – металлические стержни с шинами;

7 – угольный анод; 8 – глинозем; 9 – жидкий электролит; 10 – корка затвердевшего

электролита; 11 – катодная токоподводящая шина; 12 – фундамент

При температуре 930–950 °С глинозем электролита диссоциирует на ионы:

А1₂О₃  2 А1³⁺ + 3О^2-

На поверхности угольной подины, которая служит катодом, ионы вос­станавливаются до металла:

2А1³⁺ + 6е = 2А1.

По мере накопления жидкий алюминий периодически удаляется.

Очистка алюминия от примесей А1₂О_з, Fe, Si, С, Н₂ и др. осуществляется чаще всего электролитическим рафинированием, где электролитом являют­ся безводные хлористые и фтористые соли. Получают алюминий чистотой 99,996 %.