- •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
5.1.10. Очистка редкоземельных металлов дистилляцией
Рафинирование редкоземельных металлов, полученных одним из описанных способов, можно осуществить дистилляцией в вакууме. Этот метод эффективен для очистки тугоплавких металлов иттриевой группы и самого иттрия.
Металл помещают в танталовый тигель, соединенный с танталовым конденсатором. Тигель с конденсатором помещают в кварцевую трубу, соединенную с вакуумной системой. Тигель нагревают с помощью индуктора. Плавка ведется при вакууме ≤ 0,0013 Па. При плавке диспрозия, гольмия, эрбия поддерживают температуру в тигле 1600 - 1700 °С, конденсатора 900 — 1000 °С. Для более тугоплавких металлов — иттрия, тербия и лютеция – 2000 - 2200 °С и 1300 - 1400 °С соответственно.
5.2. Металлургия скандия
5.2.1. Общие сведения
Элемент с атомным номером 21 «экабор» и его свойства предсказал в 1871 году Д.И. Менделеев. Открыл элемент шведский химик Нильсон в 1879 году, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия из минерала гадолинита. Металлический скандий 94 - 98 %-ной чистоты получен в 1937 году Фишером электролизом расплавленного хлорида скандия.
5.2.2. Свойства скандия
Скандий элемент IIIA подгруппы Периодической системы химических элементов. В природе известен один стабильный изотоп 45Sc известно 12 искусственных радиоактивных изотопов.
Некоторые физические свойства скандия: атомная масса 44,9559, плотность.2,989 г/см3, тип и параметры решетки: гексагональная, а = 0,33085 нм, температура плавления 1541 °С, кипения – 2836 °С.
Компактный скандий - серебристо-белый металл. Непосредственно реагирует с кислородом, галогенами, серой, углеродом. На воздухе образующаяся на поверхности металла пленка предотвращает дальнейшее окисление. С азотом реагирует выше 500 °С с образованием нитрида ScN. При нагревании вытесняет водород из воды, легко растворяется в минеральных кислотах, за исключением хромовой и плавиковой кислот, медленно реагирует с концентрированным раствором гидроксида натрия. Радиус иона Sc3+ (0,083 нм по Н.В.Белову и Г.В.Бокию) меньше, чем радиус иона Y3+ (0,097 нм) и трехзарядных ионов РЗЭ (0,088 - 0,103 нм). Поэтому в соединениях скандия выражено стремление к гидролизу сильнее, чем в аналогичных соединениях РЗЭ. Скандий склонен к образованию двойных и комплексных соединений с анионами и нейтральными лигандами в большей мере, чем РЗЭ.
С металлами I, II, VII, VIII побочных подгрупп и II, III, IV, V главных подгрупп Периодической системы элементов скандий образует интерметаллические соединения типа ScMe, Sc2Me, ScMe2, ScMeS и другие.
Элементы III, IV, V и VI побочных подгрупп образуют со скандием эвтектики или области несмешиваемости в жидком состоянии, проявляется растворимость в твердом состоянии.
5.2.3. Соединения скандия
Скандий образует соединения, отвечающие степени окисления элемента +3. Другие степени окисления нехарактерны для скандия.
Оксид и гидроксид скандия. Оксид Sc203 — белое вещество, образующееся при окислении скандия кислородом, термическом разложении гидроксида, карбоната, оксалата, сульфата, нитрата скандия. Тпл = 2480 °С, плотность 3,86 г/см3. В воде малорастворим. Хорошо растворяется в концентрированных минеральных кислотах.
Гидроксид скандия Sc(OH)3 - аморфное соединение. Осаждается действием на растворы солей скандия растворами аммиака или щелочей; рН начала выделения 4,9. Растворим в растворах щелочей, карбонатов аммония, щелочных металлов; растворимость резко снижается в присутствии малорастворимых гидроксидов железа, марганца и др.
Карбонат скандия. Для скандия характерно образование основных карбонатов [Sc(OH)m]2(C03)3m·ЗН20, растворимых в растворах (NH4)2C03 и Na2C03 лучше, чем аналогичные соединения РЗЭ.
Нитрат скандия Sc(NO3)3·4Н20 - хорошо растворимая соль; растворимость в воде: 61,27 % (при 15 °С), 67,60 % (при 504 оС).
Сульфат скандия Sc2(S04)3 образует гидраты с 2; 4; 5 и 6 молекулами воды. Растворимость в воде 28,53 % (при 25 оС). С сульфатами щелочных металлов образует соединения Me[Sc(SO4)2] или Me3Sc[SO4]3 в 20 раз менее растворим в растворе K2S04, чем аналогичные соединения элементов иттриевой подгруппы РЗЭ.
Фосфат скандия ScP04·2Н20 - малорастворим, получается действием на водный раствор солей скандия фосфорной кислоты.
Оксалат скандия Sc2(C204)3·nН20 (n = 3; 4; 5; 6; 18) образуется при действии щавелевой кислоты на нейтральные или слабокислые растворы солей скандия.
Иодат скандия Sc(IO3)3·1,5Н20 - хорошо растворим в отличие от аналогичных соединений тория и циркония.
Фторид скандия ScF3 - белое кристаллическое вещество, Т пл = 1552°С, Т кип = 1607 °С. Малорастворим. При обработке концентрированной H2S04 превращается в сульфат, при нагревании в растворе NaOH — в гидроксид. Растворим в HF, растворах фторидов щелочных металлов и аммония; в растворе образуются комплексы [ScF4]-, [ScF6]3-.
Хлорид скандия ScCl3 - белое кристаллическое вещество, гигроскопичен, Т пл = 968 оС, Т кип = 975 оС. Температурная зависимость давления пара (МПа): lgP = -14200/Т + 10,49 (1066 - 1229 К).
Кристаллогидрат ScCl3·6Н20 при нагревании на воздухе превращается сначала в оксохлорид ScOCl, плохо растворимый в воде, кислотах и щелочах, затем — в Sc20.
Карбид скандия ScC изучен больше, чем другие карбиды скандия. Получается синтезом из элементарных веществ или восстановлением Sc203 углем. Температура плавления 1800 °С, микротвердость 26,7 ГПа.