Металургія кольорових металів

МЕТАЛУ́РГІЯ КОЛЬОРО́ВИХ МЕТА́ЛІВ  — комплекс технологічних процесів, за допомогою яких із кольорових металічних корисних копалин і допоміжних матеріалів отримують незалізні метали. У складі М. к. м. розрізняють: металургію важких (зокрема міді, нікелю, свинцю, цинку, олова); легких (алюмінію, магнію, літію, берилію, кальцію, стронцію, натрію, калію, барію); благородних (золота, срібла, платини та її супутників); малих (вісмуту, стибію, ртуті, кадмію, миш’яку, кобальту) і рідкісних, зокрема легких (рубідію, цезію), тугоплавких (титану, цирконію, гафнію, ванадію, ніобію, танталу, молібдену, вольфраму), розсіяних (галію, індію, талію, германію, селену, телуру, ренію), рідкісноземельних (лантаноїдів), радіоактив. (урану та торію) металів. Вони базуються на теорії металург. процесів, що вивчає їхні заг. закономірності, та на практиці металург. виробництва (див. Кольорова металургія).

Археол. дослідж. засвідчують, що мідь людство навчилося вилучати з руди ще в 7–6 тис. до н. е. Пром. значення мають мінерали міді: азурит, малахіт, халькозин, халькопірит, ковелін. Мідні руди спочатку збагачують, потім плавлять (див. Електрометалургія), унаслідок знач. спорідненості міді з сіркою, а компонентів пустої породи та заліза з киснем мідь лишається у сульфід. розплаві (шихті), а оксиди утворюють шлак (у нього менша щільність, тому він легко відділяється від розплаву). У шихті мідь міститься у вигляді сульфідів, основу яких становлять Сu₂S і FеS. На поверхню рідкого шлаку в спец. конверторах вдувають повітря, окислюючи сульфід заліза. Для сполучання оксидів заліза в конвертор додають кварц. Реакція — утворення чорнової міді (97–99 % Сu): Сu₂S + О₂ = 2Сu + SO₂. Її розливають у форми, а при рафінуванні (найчастіше електролітич.) з неї вилучають цінні метали-супутники, зокрема й золото, срібло, вісмут, нікель, кобальт, цинк, селен і телур. Чистота електролітич. міді сягає 99,98 %. Гол. мінерали, що містять нікель: бунзеніт, герсдорфіт, мілерит, нікелін. Окислені нікелеві руди переробляють на штейн (легкоплав. напівпродукт, збагачений нікелем) у шахт. печах і на феронікель у руднотерміч. плавил. агрегатах. Для плавлення використовують пірит, гіпс, вапняк і кокс. Під час нагрівання пірит розкладається на сульфід заліза та сірку. З гіпсу під час нагрівання у шахт. печі спочатку видаляють вологу, а потім зневоднений сульфат кальцію відновлюють оксидом вуглецю до сульфіду. Сульфіди заліза та кальцію, взаємодіючи з силікатом нікелю, в штейні утворюють сульфіди нікелю. Силікати заліза та кальцію переходять у шлак, а NiS при високій т-рі утворює у штейні стійкішу сполуку Ni₃S₂. При цьому відбувається відновлення нікелю та заліза за реакціями: NiO + СО = Ni + СO₂; 3Fе₂O₃ + СО = 2Fе₃O₄ + СO₂; Fе₃O₄ + СО = 3FеО + СO₂; FеО + СО = Fе + СО. Чистий нікель отримують електролізом із чорнового. Виплавлення свинцю — один із перших металург. процесів, відомих людству. Пром. значення мають мінерали свинцю: церусит, галеніт, англезит. Під час нагрівання лише до 320 °С церусит розпадається на СO₂ і РbО. Оксид свинцю при т-рі 400–500 °С відновлюють вугіллям до металу. Більш складнішим є процес перероблення галеніт. руди (див. Свинцеві руди), яку спочатку збагачують пінною флотацією, а потім нагрівають у печі з коксом і вапняком. Реагуючи з киснем, що вдувають із повітрям у піч, окислюються домішки, а сульфід свинцю перетворюється на оксид, що також під час контактування з розпеченим вугіллям відновлюють до металу. Потім здійснюють елеролізне видалення домішок зі свинцю. Сировиною для виробництва цинку є флотац. сульфідні концентрати (цинк міститься у вигляді мінералу ZnS) та багаті окислені руди (карбонату ZnCO₃ та склад. силікату Zn₄Si₂O₇(OH)₂∙H₂O; див. Цинкові руди). Перероблення цинк. концентрату (48–58 % Zn) розпочинають з обпалювання, в процесі якого утворюється оксид цинку (потім відновлюють піро- (див. Пірометалургія) і гідрометалург. способами) та газ SO₂ — сировина для виробництва сірчаної кислоти. Осн. мінерал для отримання олова — каситерит. Олово виробляють з концентрату, що містить 45–75 % Sn, відновлювал. плавленням у електротерміч., відбивал., барабан. обертал. та ін. печах. Як відновлювач використовують кокс або вугілля, як флюс — вапно чи вапняк. При т-рі 500–600 °С олово відновлюють оксидом вуглецю.

У природі оксид алюмінію (Аl₂O₃) трапляється у вільному стані у вигляді мінералів корунду, рубіну та сапфіру. Для металургії як алюм. руду переважно використовують гірську породу боксит, а також породоутворювал. мінерал нефелін. Початк. матеріалом для виробництва алюмінію слугує глинозем, що отримують унаслідок склад. хім. перероблення бокситів. Із глинозему алюміній вилучають у спец. агрегатах — електролізерах (див. Алюмінієва промисловість). Електроліт складається з розплаву кріоліту Nа₃АlF₆ та оксиду алюмінію. Евтектична температура в цій системі 937 °С. Струм до електродів, що виготовляють з нафт. коксу, підводять за допомогою шин — плоских проводів прямокут. перерізу. Катодами є блоки з коксу, якими встелено дно та стінки ванни. Аноди закріплюють на рухомій рамі, що автоматично опускається відповідно до згорання. Аl₂О₃ дисоціює на катіони Аl³⁺ й аніони О^2-. Катіони спрямовуються до катода, де розряджаються (Аl³⁺ + 6е = 2Аl). У процесі розрядження аніонів кисню на аноді утворюється вільний кисень, що відразу реагує з вуглецем. Рідкий алюміній, що збирається на дні ванни, періодично виливають через похилий канал. Зі знач. кількості мінералів, що містять магній, початк. сировиною для отримання металу (переважно електролізом) є карналіт (див. також Магнієві руди). Спочатку в печах при т-рі 120–140 °С видаляють осн. кількість гігроскопіч. і кристалізац. води. Твердий обгрудк. залишок плавлять в електропечах при т-рі 750–800 °С до повного видалення вологи. Для електролізу розплавлений карналіт заливають у ванни — прямокутні коробки зі сталевих листів, футерованих шамотом. У ваннах встановлені графіт. аноди та сталеві катоди з товтих листів. Після включення постій. струму іони натрію, калію, магнію та хлору переміщуються до катода й анода. При цьому на катоді розряджаються лише іони магнію, оскільки потенціал розряджання іонів натрію та калію значно вищий. Відомо бл. 150 мінералів, що містять літій; з них пром. значення мають сподумен, лепідоліт, цинвальдит, петаліт, амблігоніт (див. також Літієві руди). Унаслідок високої спорідненості з киснем і галогенами літій отримують електролізом розплавлених середовищ або металотерміч. відновленням (див. Металотермія) з переганянням. Електроліз проводять в електроліті з суміші LiСl + КСl (1 : 1 за масою) при т-рі 400–460 °С. Електролізери за конструкцією подібні до пристроїв, що застосовують для виробництва магнію. Рідкий літій, що виділяється на катоді, спливає на поверхні електроліту. Серед мінералів, що містять берилій, пром. значення мають берил, хризоберил, фенакіт, гельвін, бертрандит, даналит. Берилієві руди важко збагачувати (ВеО 0,03–2 %). Пром. спосіб електролітич. отримання берилію ґрунтується на використанні хлорид. електроліту — суміші ВеСl₂ і NaСl (1 : 1 за масою). Електроліз проводять при низькій т-рі (бл. 350 °С). Берилій осаджується на стінках катода лускуватої форми — нікелевого тигля, що потім у гарячому стані витягають з ванни, промивають і сушать. Лускуватий берилій пресують в брикети, що переплавляють у вакуум. печі в тиглях з оксиду берилію (див. Металургія вакуумна). Кальцій дуже поширений у природі у вигляді СаСО₃ (кальцит, крейда, мармур), СаSO₄∙2Н₂O (гіпс), СаF₂ (флюорит) і Са₅(РO₄)3F (фторапатит). Для отримання метал. кальцію у промисловості використовують 2 методи: електроліз розплавленого хлориду кальцію у ваннах «катода дотику» та «з рідким катодом»; металотермія оксиду кальцію метал. відновниками. Осн. пром. метод виробництва метал. стронцію — термічне відновлення його оксиду алюмінієм. Стронцій отримують в електровакуум. установках, що дозволяють поєднувати процеси відновлення та дистиляції металу, здійснювати плавлення та розливання. Оксид стронцію (96–98 % SrO), що утворюється внаслідок терміч. розкладання нітрату чи карбонату стронцію, подрібнюють і змішують із порошкоподіб. алюмінієм у моляр. співвідношенні Sr : Al = 2 : 1. Шихту пресують у брикети й завантажують в установку. Попередньо вакуумов. піч нагрівають до температури 1150–1200 °С, при цьому шихта дегазується. Реакція відновлення оксиду стронцію алюмінієм: 4SrO + 2Аl → 3Sr + SrO∙Аl₂О₃. Подальше нагрівання у вакуумі призводить до сублімації стронцію та осадження його на стінках конденсатора. Потім піч заповнюють аргоном. Для розплавлення стронцію зону конденсації нагрівають до 850–900 °С. Осн. мінерали, що містять натрій: галіт (див. Кам’яна сіль), мірабіліт, трона. У промисловості найпоширеніший метод отримання натрію — електроліз розплавленої кам’яної солі. При цьому на аноді виділяється хлор, а на катоді — натрій. Т-ри плавлення NaCl (801 °С) і кипіння натрію (882,9 °С) є близькими, тому додають ін. солі (КCl, NaF, СаСl₂). Такі суміші плавляться при т-рі нижчій 600 °С. Гол. мінерали калію: сильвін, сильвініт, карналіт, канніт. У промисловості метал. калій вилучають у невеликих кількостях унаслідок дії на розплавлені КОН або КCl метал. натрієм. Цей процес потребує температури 450 °С, його виконують у спец. апаратах з нікелю. При т-рі бл. 1000 °С калій можна витіснити кальцієм. Практ. значення з небагатьох мінералів барію мають барит і більш рідкісніший вітерит. Барій отримують відновленням оксиду барію алюмінієм у вакуумі при т-рі 1200 °С. Після сублімації домішок залишається не більше 1∙10^-4 %.

Пром. інтерес викликають як корінні родовища золота, так і розсипища. Пром. значення мають руди (див. Золоті руди і розсипища, Золото самородне), що містять понад 2 г золота на 1 т руди. У природі самородне срібло (з домішками золота, ртуті та стибію; відомі самородки масою 13,5 т) та його власні мінерали (сріб. блиск і рогове срібло) рідкісні (див. також Срібні руди). Після подрібнення та збагачення рудних порід золото і срібло видобувають унаслідок ціанування. Отримані осади переплавляють у злитки, водночас очищуючи їх від домішок. Осн. масу срібла та значну частку золота видобувають як побічні продукти при переробленні поліметалевих, мідних, свинцевих і цинк. руд. Платина та платинові метали (рутеній, родій, паладій, осмій, фридій) є найменш поширеними у природі, унаслідок мізер. хім. активності найчастіше трапляються у самород. стані — переважно у вигляді як платин. сплавів, так і у сплавах з ін. металами. Гол. джерелом для вилучення платино­їдів є сульфідні поліметал. руди, зокрема й мідно-нікелеві. Сировина для отримання чистих платин. металів: самородна та шихт. платина; осмістий іридій; анод. шлам — мулоподібні осади, що накопичуються на дні ванн під час переплавляння сульфід. поліметал. руд. Розділення платин. металів є досить склад. процесом через значну схожість їхніх хім. властивостей. Самородну платину, платин. шліхи та брухт обробляють при нагріванні цар. водою (суміш концентрованих нітрат. і хлорид. кислот). Нерозчин. у цар. воді залишок складається з осмістого іридію, хроміду залізняку, кварцу та ін. мінералів. Із розчину хлоридом амонію осаджують платину у вигляді (NH₄)₂[PtCl₆]. Щоб в осад разом із платиною не випав іридій (ін. платин. метали хлоридом амонію не осаджують), перед цим унаслідок додавання цукру відновлюють Ir⁺⁴ до Ir⁺³. Хлорплатинат амонію відфільтровують, промивають, висушують і пропікають. Губчасту платину пресують, а потім розплавляють у киснево-водневому полум’ї чи у високочастот. індукцій. печі. Після металург. перероблення сульфід. мідно-нікелевих руд платин. метали переходять у т. зв. чорнові метали та мідь. Електролітич. рафінуванням благородні метали осаджують на дні ванни у вигляді шламу, що афінують.

Осн. мінерали вісмуту: вісмутин, вісмут. вохра, вісмутит і самород. нікель. У рудних родовищах цей метал часто є супутником свинцю, цинку, міді, олова, вольфраму та молібдену. 85–90 % вісмуту отримують як додатк. продукт у свинцевому, мідному та олов’яному виробництвах. Після збагачення вісмутвміс. руд отримують 10–65-відсотк. концентрати, що переробляють пірометалург. методами, зокрема й лужно-реакцій. плавленням. Процес здійснюють при т-рі 600–700 °С. Вилучення чорнового вісмуту з 18–40-відсотк. концентрату досягає 98–99 %. Осн. домішки (свинець, мідь, стибій, миш’як, телур, срібло) видаляють вог­невим рафінуванням. З-понад 70-ти мінералів стибію лише ан­тимоніт і тетраедрит мають пром. значення. Вміст стибію в рудах переважно становить 2–9 %. Після флотац. збагачення отримують 25–65-відсотк. концентрати, що переробляють осаджувал. або осаджувал.-віднов. плавленням. Відновлення здійснюють у відбив., шахт. або електротерміч. печах. Вилучення чорнового стибію досягає 80–85 %. Потім здійснюють рафінування. Для видалення, напр., заліза чорновий метал плавлять при т-рі 1100–1200 °С з сульфід. стибієвим концентратом, сульфатом натрію чи їх сумішшю. Для напівпровідник. техніки стибій очищають до вмісту осн. речовини 99,99–99,9999 % унаслідок низки хім. операцій і зон­ного плавлення. Найчистіший стибій вдалося отримати методом дистиляції. Вміст ртуті в земній корі 7∙10^-6 %. Осн. ртутна руда — мінерал кіновар (типові супутники ртуті — стибій і миш’як). Самородна ртуть трапляється рідко та не має пром. значення. Під час металург. перероблення здійснюють обпалювання (при т-рі від 400 до 900 °С у трубчастих, багатопод., муфел. та ін. печах), що полягає у дисоціації кіноварі й окисленні парів сірки, та переганяння ртуті, що виділяється. Очищені від пилу випалювал. гази, що нагріті до температури 200–350 °С і містять 2–20 г/м³ ртуті, надходять у трубчасті конденсатори з зовн. повітряно-водяним охолодженням. Оскільки неможливо ідеально відділити пари ртуті від ін. компонентів пилегаз. суміші, то 10–40 % ртуті виділяється в конденсаторах у вигляді тонкодисперс. маси — ступи, що додатк. обробляють. Ртуть високої якості отримують методами озонування, дистилювання у вакуумі чи в середовищі інерт. газу, електролізу та ін. Кадмій вилучають попутно при переробленні цинк. (85–90 %), свинцевих і мідно-цинк. концентратів. Залежно від властивостей сировини застосовують гідрометалург. або комбінов. способи отримання кадмію. Вилуговування мідно-кадмієвих кеків здійснюють відпрацьованим цинк. електролітом або сірчаною кислотою. При цьому змішувачі обладнують герметич. кришками з відсмоктувачами для унеможливлення отруєння миш’яковистим воднем. Спочатку розчиняється цинк, потім — кадмій, останньою — мідь, що слугує важливим показником у кадмієвому виробництві. Переплавляння та рафінування чорнового кадмію здійснюють при т-рі 400–500 °С у чавун. або сталевих електр. котлах ємністю 1,0–2,0 т. Для видалення 0,05–0,6 % нікелю в розплавлену ванну з кадмієм додають алюміній, що при т-рі 650–680 °С утворює з нікелем хім. сполуки, що спливають на поверхню. Самород. миш’як трапляється у природі досить рідко. Зі 120 мінералів, що його містять, найпоширеніші арсенопірит, аурипігмент і реальгар. Сульфідні поліметал. руди обпалюють, закачуючи повітря, унаслідок чого сульфід переходить в оксид. Відновлення вільного миш’яку здійснюють унаслідок нагрівання оксиду з дерев. вугіллям. Осн. мінерали, що містять кобальт (у природі завжди трапляється з нікелем): кобальт. колчедан, кобальтин, анальтин (див. також Кобальтові руди). Після видалення з поліметал. руд металу, що переважав, здійснюють вилучення кобальту. Оксид кобальту та безсірчистий відновлювач (зламки графіту, нафт. кокс) завантажують у гарячу піч порційно. Плавлення виконують при т-рі 1600–1700 °С. У процесі вилучення кобальту також додають алюміній, кремній і вапняк. шлак.

Під час виробництва рідкісних металів вагоме значення має збагачення руд, оскільки вони переважно бідні. Спочатку вилучають чисті хім. сполуки (оксиди, солі), що слугують початк. матеріалом для виробництва, а потім отримують відповід. рідкіс. метал. Їх відновлюють з водного розчину цементацією чи електролізом (галій, індій, талій, германій, реній, селен, телур); з оксидів або галогенідів воднем, оксидом вуглецю чи вуглецем при підвищених т-рах (вольфрам, молібден, реній, германій, ніобій, тантал); з оксидів або солей металами чи електролізом у розплавлених середовищах (тантал, ніобій, ванадій, талій, цирконій, літій, берилій, рідкісноземел. метали, торій, уран). Таким чином, лише декілька металів можна виділити тільки безпосередньо з водних розчинів їхніх солей; ін. метали отримують пірометалург. методами або електролізом у розплавлених середовищах. Тугоплавкі метали переважно вилучають у вигляді порошку або пористої маси, що перетворюють на компактні метали унаслідок дугового чи електронно-променевого плавлення, чи методом порошк. металургії.

Завантажити статтю