- •1. Вводная лекция
- •1.1. Общие сведения о редких металлах
- •1.2. Классификация редких металлов
- •1.3. Особенности технологии производства редких металлов из рудного сырья
- •1.4. История развития промышленности редких металлов в стране
- •2. Металлургия тугоплавких редких металлов
- •2.1. Металлургия вольфрама
- •2.1.1 Краткие исторические сведения
- •2.1.2. Основные свойства вольфрама и его соединений
- •2.1.3. Области применения
- •2.1.4. Минералы, руды, концентраты
- •2.1.5. Основные месторождения
- •2.1.6. Способы переработки вольфрамовых концентратов
- •2.1.7. Спекание вольфрамитовых концентратов с содой и селитрой
- •2.1.8. Спекание шеелитовых концентратов с содой и песком
- •2.1.9. Выщелачивание содовых спеков
- •2.1.10. Автоклавно-содовое вскрытие вольфрамитовых и шеелитовых концентратов
- •2.1.11. Разложение вольфрамитовых концентратов растворами едкого натра
- •2.1.12. Переработка растворов вольфрамата натрия
- •2.1.12.1. Очистка растворов от примесей
- •2.1.12.2. Осаждение вольфрамовой кислоты
- •2.1.13. Очистка технической вольфрамовой кислоты
- •2.1.14. Получение паравольфрамата аммония и триоксида вольфрама
- •2.1.15. Экстракционный способ переработки растворов вольфрамата натрия
- •2.1.16. Разложение шеелитового концентрата растворами кислот
- •2.1.17. Получение вольфрамового порошка
- •2.1.17.1. Восстановление вольфрамового ангидрида до металла водородом
- •2.1.17.2. Восстановление трёхокиси вольфрама углеродом.
- •2.1.18. Производство компактного металла методом порошковой металлургии
- •2.1.19. Плавка вольфрама
- •2.1.19.1. Дуговая плавка
- •2.1.19.2. Электронно-лучевая плавка
- •2.2. Металлургия молибдена
- •2.2.1. Краткая историческая справка
- •2.2.2. Свойства молибдена и его соединений
- •2.2.3. Области применения молибдена
- •2.2.4. Минералы, руды и рудные концентраты молибдена
- •2.2.5. Способы переработки молибденовых концентратов
- •2.2.6. Окислительный обжиг молибденитовых концентратов
- •2.2.6.1. Окисление молибденита
- •2.2.6.2. Окисление примесей других сульфидов
- •2.2.6.3. Образование молибдатов
- •2.2.7. Практика обжига
- •2.2.7.1. Обжиг в многоподовых печах.
- •2.2.7.2. Обжиг в печах кипящего слоя (кс)
- •2.2.8. Производство чистого триоксида молибдена
- •2.2.9. Способ возгонки
- •2.2.10. Гидрометаллургический способ переработки огарков
- •2.2.10.1. Аммиачное выщелачивание
- •2.2.10.2. Очистка растворов от примесей меди и железа.
- •2.2.10.3. Выделение молибдена из аммиачных растворов
- •2.2.10.4. Извлечение молибдена из хвостов аммиачного выщелачивания огарков
- •2.2.10.5. Термическое разложение парамолибдата аммония
- •2.2.11. Азотнокислый способ переработки молибденитового концентрата
- •2.2.12. Производство молибденовых порошков
- •2.2.13. Получение молибдена из его триоксида восстановлением водородом
- •2.2.14. Производство компактного молибдена методом порошковой металлургии
- •2.2.14.1. Прессование штабиков
- •2.2.14.2. Гидростатическое прессование
- •2.2.14.3. Спекание штабиков
- •2.2.14.4. Спекание крупных заготовок
- •2.2.15. Плавка молибдена
- •2.3. Металлургия тантала и ниобия
- •2.3.1. Краткая историческая справка
- •2.3.2. Физические и химические свойства тантала и ниобия
- •2.3.3. Свойства важнейших химических соединений тантала и ниобия
- •2.3.4. Области применения
- •2.3.5. Минералы, руды и месторождения руд
- •2.3.6. Металлургическая переработка танталито – колумбитовых концентратов
- •2.3.6.1. Сплавление со щелочами
- •2.3.6.2. Разложение плавиковой кислотой
- •2.3.7. Переработка лопаритовых концентратов
- •2.3.7.1. Способ хлорирования
- •2.3.7.2. Сернокислотный способ
- •2.3.8. Разделение тантала и ниобия и очистка их соединений от примесей
- •2.3.8.1. Дробная кристаллизация комплексных фторидов
- •2.3.8.2. Разделение тантала и ниобия экстракцией
- •2.3.8.3. Разделение тантала и ниобия ректификацией хлоридов
- •2.3.9. Получение металлических тантала и ниобия
- •2.3.9.1. Натриетермическое восстановление тантала и ниобия из фтортанталата калия и фторниобата калия
- •2.3.9.2. Карботермический способ получения ниобия и тантал.
- •2.3.9.3. Алюминотермический способ получения ниобия и тантала из их пятиокисей
- •2.3.9.4. Получение тантала и ниобия восстановлением из хлоридов водородом
- •2.3.9.5. Электролитический способ получения тантала
- •2.3.10. Получение компактных тантала и ниобия
- •2.3.11. Обработка тантала и ниобия давлением
- •2.4. Металлургия титана и ванадия
- •2.4.1. Общие сведения. Краткая историческая справка
- •2.4.2. Важнейшие свойства титана и его химических соединений
- •2.4.3. Области применения титана
- •2.4.4. Титановые минералы, руды и рудные концентраты
- •2.4.5. Производство химических соединений титана
- •2.4.6. Выплавка титанового шлака из ильменита
- •2.4.7. Производство четыреххлористого титана
- •2.4.7.1. Подготовка сырья
- •2.4.7.2. Хлорирование
- •2.4.7.3. Конденсация и разделение продуктов хлорирования
- •2.4.7.4. Очистка технического тетрахлорида титана
- •2.4.8. Производство диоксида титана
- •2.4.8.1. Сернокислотный способ
- •2.4.8.2. Способ «сжигания»
- •2.4.9. Способы производства титана
- •2.4.9.1. Восстановление тетрахлорида титана магнием.
- •2.4.9.2. Восстановление тетрахлорида титана натрием.
- •2.4.9.3. Восстановление диоксида титана кальцием или гидридом кальция
- •2.4.10. Рафинирование титана
- •2.4.10.1. Электролитическое рафинирование титана
- •2.4.10.2. Иодидный метод рафинирования титана
- •2.4.11. Производство компактного титана
- •2.4.11.1. Метод порошковой металлургии
- •2.4.11.2. Плавка титана.
- •2.4.12. История открытия ванадия
- •2.4.13. Физические и химические свойства ванадия
- •2.4.14. Соединения ванадия
- •2.4.15. Области применения ванадия и его соединений
- •2.4.16. Сырьевые источники ванадия
- •2.4.17. Обогащение ванадийсодержащих руд
- •2.4.18. Производство ванадия из железных руд
- •2.4.18.1. Получение ванадиевых шлаков
- •2.4.18.2. Переработка ванадиевого шлака
- •2.4.18.3. Выплавка феррованадия
- •2.4.18.4. Получение металлического ванадия
- •2.4.19. Извлечение ванадия из руд
- •2.4.20. Хлорирование феррованадия
- •2.5. Металлургия циркония и гафния
- •2.5.1. Общие сведения. Краткая историческая справка
- •2.5.2. Важнейшие свойства циркония и гафния и их химических соединений
- •2.5.3. Области применение циркония и гафния
- •2.5.4. Циркониевые минералы, руды и рудные концентраты Весовое содержание циркония в земной коре – 0,025 %. Известно около 20 минералов циркония.
- •2.5.5. Производство химических соединений циркония
- •2.5.5.1. Разложение циркона спеканием с содой
- •2.5.5.2. Разложение циркона спеканием с карбонатом кальция
- •2.5.5.3. Выделение циркония из солянокислых и сернокислых растворов
- •2.5.5.4. Производство фторцирконата калия
- •2.5.5.5. Производство четыреххлористого циркония
- •2.5.6. Разделение циркония и гафния
- •2.5.6.1. Фракционная кристаллизация комплексных фторидов
- •2.5.6.2. Жидкостная экстракция
- •2.5.7. Способы производства циркония и гафния
- •2.5.7.1. Производство губчатого циркония и гафния магниетермическим восстановлением хлорида циркония и гафния
- •2.5.7.2. Получение циркония из его фторцирконата калия восстановлением натрием
- •2.5.7.3. Получение циркония из его диоксида восстановлением кальцием или гидридом кальция
- •2.5.7.4. Получение циркония и гафния электролизом
- •2.5.8. Иодидный метод рафинирования циркония и гафния
- •3. Металлургия рассеянных редких металлов
- •3.1 Металлургия рения
- •3.1.1. Краткая историческая справка
- •3.1.2. Свойства рения
- •3.1.3. Свойства важнейших соединений рения
- •3.1.4. Области применения рения
- •3.1.5. Сырьевые источники рения
- •3.1.6. Распределение рения при переработке молибденитовых концентратов и в производстве меди
- •3.1.7. Извлечение рения из растворов
- •3.1.8. Получение рениевого порошка
- •3.1.9. Получение компактного рения
- •3.2. Металлургия индия
- •3.2.1. Общие сведения
- •3.2.2. Свойства индия
- •3.2.3. Химические соединения индия
- •3.2.4. Применение индия
- •3.2.5. Сырьевые источники индия
- •3.2.6. Поведение индия в производстве цветных металлов
- •3.2.7. Первичная обработка индийсодержащего сырья
- •3.2.8. Получение индиевых концентратов
- •3.2.9. Получение чернового индия
- •3.2.10. Рафинирование чернового индия
- •3.2.10.1. Химические методы
- •3.2.10.2. Электрохимические методы
- •3.2.10.3. Физические методы
- •3.2.10.4. Кристаллофизические методы
- •3.3. Металлургия галлия
- •3.3.1. Краткая историческая справка
- •3.3.2. Свойства галлия и его соединений
- •3.3.3. Химические соединения галлия
- •3.3.4. Области применения галлия
- •3.3.5. Источники получения галлия
- •3.3.6. Поведение галлия при переработке сульфидных цинковых концентратов
- •3.3.7. Поведение галлия при переработке углей
- •3.3.8. Поведение галлия в производстве алюминия
- •3.3.12. Цементация галлия на галламе алюминия
- •3.3.13. Выделение галлия из гидратного осадка второй карбонизации
- •3.3.14. Способы получения металлического галлия
- •3.3.15. Рафинирование чернового галлия
- •3.4. Металлургия таллия, селена и теллура
- •3.4.1. Краткая историческая справка о таллии
- •3.4.2. Свойства таллия и его соединений
- •3.4.3. Химические соединения таллия
- •3.4.4. Области применения таллия
- •3.4.5. Сырьевые источники таллия
- •3.4.6. Поведение таллия при переработке свинцовых, цинковых и медных концентратов
- •3.4.7. Извлечение таллия из обогащенных им продуктов
- •3.4.8. Получение таллиевых концентратов
- •3.4.9. Получение чернового таллия и его рафинирование
- •3.4.10. Общие сведения о селене и теллуре
- •3.4.11. Физические свойства селена и теллура
- •3.4.12. Химические свойства слена и тллура
- •3.4.13. Химические соединения и их свойства
- •3.4.14. Области применения
- •3.4.15. Источники сырья
- •3.4.16. Технология переработки продуктов, содержащих селен и теллур
- •3.4.17. Извлечение селена и теллура из медеэлектролитных анодных шламов
- •3.4.18. Извлечение селена и теллура из шламов сернокислотного и целлюлозно-бумажного производства
- •3.4.19. Рафинирование селена и теллура
- •3.4.20. Техника безопасности при работе с селеном и теллуром
- •3.5. Металлургия германия
- •3.5.1. Краткая историческая справка
- •3.5.2. Свойства германия и его соединений
- •3.5.3. Химические соединения германия
- •3.5.4. Области применения
- •3.5.5. Источники сырья
- •3.5.6. Поведение германия при переработке сульфидного сырья
- •3.5.7. Поведение германия при переработке углей
- •3.5.8. Способы первичной обработки германиевых концентратов
- •3.5.9. Способы осаждения германия
- •3.5.10. Общая схема переработки германиевых концентратов
- •3.5.10.1. Разложение концентратов
- •3.5.10.2. Очистка от примесей
- •3.5.10.3. Получение чистого диоксида германия
- •3.5.10.4. Получение металлического германия Наиболее распространенный способ получения металлического германия – восстановление двуокиси германия водородом.
- •3.5.10.5. Рафинирование металлического германия Рафинирование проводят кристаллизационными способами:
- •4. Металлургия легких редких металлов
- •4.1 Металлургия лития
- •4.1.1. Краткая историческая справка
- •4.1.2. Свойства лития и его соединений
- •4.1.3. Применение лития и его соединений
- •4.1.4. Источники сырья
- •4.1.5. Технология производства соединений лития из рудных концентратов
- •4.1.5.1. Сернокислотный способ
- •4.1.5.2. Сульфатный способ
- •4.1.5.3. Известковый способ
- •4.1.6. Получение чистого хлорида лития
- •4.1.7.1. Получение лития электролитическим способом
- •4.1.8. Рафинирование лития
- •4.2. Металлургия цезия и рубидия
- •4.2.1. Краткая историческая справка
- •4.2.2. Свойства рубидия и цезия
- •4.2.3. Соединения рубидия и цезия
- •4.2.4. Области применения
- •4.2.5. Сырьевые источники цезия и рубидия
- •4.2.6. Переработка поллуцитового концентрата
- •4.2.6.1. Кислотные способы
- •4.2.6.2. Способы спекания
- •4.2.7. Извлечение рубидия и цезия из лепидолитового концентрата
- •4.2.8. Извлечение рубидия из карналлита
- •4.2.9. Получение металлического рубидия и цезия
- •4.2.9.1. Металлотермические способы
- •4.2.9.2. Электролитические способы
- •4.3. Металлургия бериллия
- •4.3.1. Краткие исторические сведения
- •4.3.2. Свойства бериллия и его соединений
- •4.3.3. Области применения бериллия
- •4.3.4. Сырьевые источники бериллия
- •4.3.5. Методы обогащения руд
- •4.3.6. Способы переработки берилловых концентратов
- •4.3.6.1. Сульфатный способ
- •4.3.6.2. Фторидный способ
- •4.3.7. Получение чистого оксида бериллия
- •4.3.8. Получение фторида бериллия
- •4.3.9. Получение хлорида бериллия
- •4.3.10. Производство металлического бериллия
- •4.3.10.1. Магниетермическое восстановление фторида бериллия
- •4.3.10.2. Получение бериллия электролизом
- •4.3.11. Получение компактного бериллия
- •5. Металлургия редкоземельных и радиоактивных металлов
- •5.1. Металлургия редкоземельных металлов
- •5.1.1. Общие сведения о редкоземельных металлах
- •5.1.2. Историческая справка
- •5.1.3. Физические свойства лантаноидов
- •5.1.4. Химические свойства
- •5.1.5. Области применения
- •5.1.6. Источники сырья. Минералы, руды, концентраты
- •5.1.7. Способы переработки монацитовых концентратов
- •5.1.7.1. Сернокислотный способ
- •5.1.7.2. Щелочной способ
- •5.1.8. Методы разделения редкоземельных металлов
- •5.1.8.1. Избирательное окисление
- •5.1.8.2. Избирательное восстановление
- •5.1.8.3. Разделение рзэ экстракцией
- •5.1.8.4. Разделение рзэ методом ионообменной хроматографии
- •5.1.8.5. Общие схемы полного разделения
- •5.1.9. Технология получения редкоземельных металлов
- •5.1.9.1. Получение хлоридов
- •5.1.9.2. Получение фторидов
- •5.1.9.3. Электролитическое получение редкоземельных металлов
- •5.1.9.4. Металлотермические способы получения лантаноидов из галогенидов
- •5.1.9.4.1. Восстановление галогенидов кальцием
- •5.1.9.4.2. Восстановление хлоридов кальцием
- •5.1.9.4.3. Восстановление фторидов кальцием
- •5.1.9.4.4. Литиетермический способ восстановления рзм из хлоридов
- •5.1.9.4.5. Восстановление самария, европия и иттербия из оксидов
- •5.1.10. Очистка редкоземельных металлов дистилляцией
- •5.2. Металлургия скандия
- •5.2.1. Общие сведения
- •5.2.2. Свойства скандия
- •5.2.3. Соединения скандия
- •5.2.4. Области применения скандия
- •5.2.5. Сырьевые источники скандия
- •5.2.6. Переработка скандийсодержащего сырья
- •5.2.6.1. Методы осаждения скандия из растворов
- •5.2.6.2. Переработка тортвейтита
- •5.2.6.3. Переработка уран - ториевых руд
- •5.2.6.4. Переработка титаномагнетитовых концентратов
- •5.2.6.5. Переработка отходов вольфрамового и оловянного производства
- •5.2.6.6. Переработка шлаков ферровольфрамового u oловянного производства
- •5.2.7. Получение металлического скандия
- •5.3. Металлургия тория и урана
- •5.3.1. Общие сведения о металлах
- •5.3.2. Свойства тория и урана
- •5.3.3. Химические соединения тория
- •5.3.4. Химические соединения урана
- •5.3.5. Области применения
- •5.3.6. Сырьевые источники урана
- •5.3.7. Извлечение урана из руд
- •5.3.8. Извлечение урана из растворов
- •5.3.9. Очистка концентратов
- •5.3.10. Получение тетрафторида урана
- •5.3.11. Производство урана
- •5.3.12. Восстановление тетрафторида урана кальцием
- •5.3.13. Восстановление тетрафторида урана магнием
- •5.3.14. Плавка урана
- •5.3.15. Получение чистых соединений тория
- •5.3.16. Производство тория
- •5.3.16.1. Восстановление диоксида тория кальцием
- •5.3.16.2. Восстановление тетрафторида тория кальцием
- •5.3.17. Получение компактного тория
2.1.12.2. Осаждение вольфрамовой кислоты
Для осаждения вольфрамовой кислоты в очищенный раствор вольфрамата натрия добавляют соляную кислоту
Na2WO4 + 2 HCl == H2WO4 + 2 NaCl (2.26)
Характер получаемого осадка зависит от концентрации исходного раствора, температуры, способа осаждения.
Из холодных разбавленных растворов образуются коллоидные осадки белой вольфрамовой кислоты. Сравнительно грубые и легко отмываемые осадки кислоты выпадают при вливании нагретого концентрированного раствора вольфрамата натрия в кипящую соляную кислоту. Скорость вливания раствора в соляную кислоту влияет на крупность осадка.
Осаждение вольфрамовой кислоты ведут в керамических или стальных реакторах, футерованных кислотоупорной плиткой.
В кипящую 2530 % HCl вливают с определённой скоростью нагретый до 8090 С вольфрамат натрия. Скорость вливания определяют опытным путём в зависимости от требуемой зернистости кислоты.
Чистота и зернистость кислоты зависит и от конечной кислотности раствора, которую поддерживают в пределах 712 %. Осаждённую вольфрамовую кислоту отмывают от хлористого натрия и других растворённых примесей дистиллированной горячей водой в реакторе, а затем на фильтрах. Всего промывают 68 раз, причём к третьей промывной воде добавляют 1 % HCl и NH4Cl для лучшего отстаивания и фильтрации вольфрамовой кислоты.
Затем вольфрамовую кислоту фильтруют на тканях из стекловолокна или перхлорвинила, а затем дополнительно обезвоживают на центрифуге.
Общее извлечение вольфрама из раствора при осаждении H2WO4 составляет 9899 %, причём большую часть вольфрамовой кислоты (0,30,4%) теряют при промывке.
2.1.13. Очистка технической вольфрамовой кислоты
Техническая вольфрамовая кислота, может содержать 0,23% примесей. Для её очистки применяется аммиачный способ. При этом такие примеси, как SiO2, гидроокиси железа и марганца, CaWO4 и др. остаются в осадке, а вольфрамовая кислота растворяется в аммиаке с образованием вольфрамата аммония
H2WO4 + 2 NH4OH –– (NH4)2WO4 + 2 H2O (2.27)
Вольфрамовую кислоту в виде предварительно приготовленной суспензии нагревают до 8085 С и вливают в реактор, содержащий 25 % аммиачный раствор. После отстаивания (812 час.) аммиачные растворы отделяют от осадка декантацией и отправляют на выделение из них вольфрама.
2.1.14. Получение паравольфрамата аммония и триоксида вольфрама
Из аммиачного раствора вольфрам осаждают в виде паравольфрамата аммония, из которого получают трехокись вольфрама.
Выделение паравольфрамата. Для выделения паравольфрамата из аммиачного раствора пользуются способами выпаривания или нейтрализации раствора.
Способ выпаривания. При выпаривании аммиачного раствора удаляется часть аммиака и образуется паравольфрамат аммония (ПВА). После охлаждения из раствора выпадают кристаллы ПВА:
12(NH4)2WO4 –– 5(NH4)2O∙12WO3∙5H2O + 14 NH3 + 2 H2O (2.28)
Кристаллы отжимают на фильтре, промывают холодной водой и сушат. Выпаривание ведут из расчёта выделения 80 % вольфрама. Более глубокую выпарку проводить нежелательно во избежание загрязнения выделяющихся кристаллов ПВА примесями.
Из маточного раствора, обогащённого примесями, вольфрам осаждают в виде CaWO4 или H2WO4, которые возвращают вновь на переработку.
Способ нейтрализации. При осторожной нейтрализации холодных аммиачных растворов выделяется паравольфрамат
12(NH4)2WO4 + 14HCl + 4H2O == 5(NH4)2O∙12WO3∙11H2O + 14NH4Cl (2.29)
Раствор нейтрализуют HCl при непрерывном перемешивании во избежании местных перекислений, которое может привести к образованию метавольфраматов. После длительного стояния (приблизительно 24 часа) из раствора выделяется до 90 % вольфрама в виде паравольфрамата. Обычно соль имеет высокую степень чистоты. Иногда с целью дополнительной очистки её разлагают соляной кислотой и получают вольфрамовую кислоту.
5(NH4)2O∙12WO3∙11H2O + 10 HCl == 12 H2WO4 + 10 NH4Cl + 4 H2O (2.30)
Для этого соль небольшими порциями вводят в концентрированную соляную кислоту, после чего раствор доводят до кипения.
Получение трёхокиси вольфрама. Трёхокись вольфрама (WO3) получают прокаливанием вольфрамовой кислоты (H2WO4) или паравольфрамата аммония.
H2WO4 –– WO3 + H2O (2.31)
(при 500 С полностью теряет воду)
5(NH4)2O∙12WO3∙nH2O –– 12WO3 + 10 NH3 + (n+5) H2O (2.32)
(при t 250 С разлагается нацело)
Вольфрамовую кислоту или ПВА прокаливают при 750850 С в барабанной вращающейся электропечи. Она представляет собой трубу из нержавеющей жаропрочной стали (длиной 2,5м), которую помещают в нагревательную камеру (печь). Печь наклонена на 23 к горизонту. Наклон печи и вращение обуславливают перемешивание и перемещение материала по винтовой линии. Заполнение печи материалом составляет 815 %. Загрузка производится шнековым питателем. Труба вращается от электродвигателя. К выгрузочному отверстию прикреплено барабанное сито с отверстиями 1,23 мм.