- •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
2.4.9.2. Восстановление тетрахлорида титана натрием.
Некоторые зарубежные титановые заводы применяют в качестве восстановителя натрий, который обладает следующими преимуществами перед магнием:
1. Вследствие низкой точки плавления (98 оС) натрий легко транспортировать по трубам и подавать в реактор одновременно с подачей TiCl4. От оксидных пленок и ряда примесей натрий очищается простой фильтрацией через металлические сетки.
2. Реакция восстановления хлоридов титана натрием завершается в расплаве NaCl, в котором растворяются и низшие хлориды титана, и натрий. Это позволяет проводить процесс без избытка восстановителя и без слива NaCl.
3. Образующийся хлорид натрия, в отличие от MgCl2, не гидролизуется. Это обстоятельство, а также незначительное содержание металлического натрия в реакционной массе позволяют применить для отделения шлака от титана простое выщелачивание водой вместо сложной и энергоемкой вакуумной сепарации.
4. Получаемый титановый порошок удобнее, чем титановая губка, для производства сплавов, так как он легко смешивается с легирующими добавками, что обеспечивает однородность сплавов.
Суммарная реакция восстановления натрием:
TiCl4(газ) + 4 Na(ж) = Ti(тв) + 4 NaCl(ж) (2.103)
Восстановление проводят в одну или две стадии, более распространен одностадийный процесс. Восстановление ведут в аппаратах из нержавеющей стали, куда одновременно из мерных бачков подают тетрахлорид титана и жидкий натрий в соотношении, близком к стехиометрическому. Натрий плавится при 98 оС, его подают в реактор при температуре 120 – 150 оС. Процесс ведут в атмосфере аргона, поддерживая температуру в реакторе 850 – 880 оС. Избыточное тепло отводят обдувкой реторты воздухом.
В первый период восстановление в большей мере протекает в газовой фазе с образованием тонкодисперсного титана и низших хлоридов титана. Последние восстанавливаются растворенным натрием в расплаве с образованием кристаллитов титана, оседающих на дно реторты. Для полного восстановления низших хлоридов и укрупнения частиц металлов в конце процесса включают печь и выдерживают реторту при 950 – 1000 оС в течение 4 – 6 ч. Реакционную массу после охлаждения вырезают из реторты на станке специальной фрезой. Массу, измельчают на молотковой дробилке, выщелачивают водой, подкисленной соляной кислотой (до 1 %), в стальных гуммированных чанах с мешалками в течение 30 мин, затем отделяют титановый порошок на центрифуге. Промытый порошок сушат в вакуумной сушилке при давлении 6,5 кПа.
С точки зрения качества слитков, оцениваемого по твердости, - магние- и натриетермический процессы идентичны. Примерно одинаковая стоимость сырьевых материалов по двум вариантам. Однако магниетермический способ при использовании вакуумной сепарации требует более высоких энергетических и капитальных затрат. К недостаткам натриетермического способа можно отнести необходимость утилизации большого объема растворов хлористого натрия.
2.4.9.3. Восстановление диоксида титана кальцием или гидридом кальция
В некоторых количествах титан в виде мелкозернистого порошка получают восстановлением диоксида титана кальцием или гидридом кальция (CaH2) при температурах 1000 – 1100 оС. Восстановление гидридом кальция является разновидностью кальциетермического восстановления, так как основным восстанавливающим агентом служит кальций, а не атомарный водород.
Гидрид кальция получают действием сухого водорода на кальций при 400 – 600 оС. Выше 800 оС гидрид разлагается на кальций и атомарный водород. В отличие от кальциетермического процесса в результате восстановления гидридом кальция получают порошок гидрида титана (TiH2). Это представляет некоторые преимущества, так как гидриды меньше окисляются при отмывке оксида кальция, сем порошок титана.
Восстановление TiO2 кальцием и гидридом кальция протекает по суммарным реакциям:
TiO2 + 2 Ca = Ti + 2 CaO (2.104)
TiO2 + 2 CaH2 = TiH2 + 2 CaO + H2 (2.105)
Теплоты реакций не хватает для поддержания процесса, необходим постоянный подвод тепла. Поскольку титан способен растворять кислород, в результате восстановления получают порошок с содержанием кислорода ≥ 0,2 – 0,3 %.
Восстановление кальцием проводят в герметичных аппаратах из жаростойкой стали, куда загружают брикетированную смесь TiO2 с кальцием (в виде кусочков или стружки). Необходимо применять кальций, очищенный дистилляцией и не содержащий примесей азота и кислорода. Аппарат откачивают, заполняют аргоном, нагревают до 1000 – 1100 оС и выдерживают при этой температуре примерно 1 час. Продукт восстановления измельчают, обрабатывают большим объемом воды для удаления части CaO, затем разбавленной HCl, промывают водой и сушат в вакууме при 40 – 50 оС.
При использовании для восстановления гидрида кальция в аппарат загружают брикеты из смеси диоксида титана с гидридом кальция. Гидрид кальция разлагается в присутствии влаги воздуха. Поэтому его хранят в герметичной таре, а измельчение и шихтовку проводят в герметизированных мельницах и смесителях, заполненных аргоном. Реактор после откачки заполняют сухим водородом и нагревают до 900 – 1000 оС. Обработка полученного продукта проводится аналогично.
Полученный порошок используют для приготовления компактных заготовок и изделий из титана и его сплавов с другими металлами методом порошковой металлургии.