Раздел 5. Производство цветных металлов
Цель раздела:
Ознакомиться с современными технологиями при производстве цветных металлов
План раздела 5:
5.1. Металлургия меди
5.2. Металлургия никеля
5.3. Металлургия алюминия
5.4. Получение других цветных металлов
Цель подраздела 5.1:
Ознакомиться с современными технологиями и оборудованием при производстве меди.
План подраздела 5.1:
5.1.1. Свойства меди и ее применение
5.1.2. Сырье для получения меди
5.1.3. Пирометаллургический способ производства меди:
a) Подготовка медных руд к плавке;
b) Плавка на штейн;
c) Конвертирование медного штейна;
d) Рафинирование меди.
5.1.1. Свойства меди и ее применение
Разделение металлов на черные и цветные является условным. Обычно к черным металлам относят железо, марганец и хром, а остальные металлы – к цветным. Термин "цветные металлы" не следует понимать буквально. Фактически существуют лишь два цветных металла: розовая медь и желтое золото, в отношении же остальных металлов можно говорить не об их цвете, а об их различных оттенках, чаще всего серебристо-серого или красноватого тонов.
Также условно цветные металлы можно разделить на четыре группы:
1) тяжелые металлы – медь, никель, свинец, цинк, олово;
2) легкие металлы – алюминий, магний, кальций, калий, натрий, барий, бериллий, литий;
3) благородные металлы – золото, серебро, платина и ее природные спутники (родий, иридий, палладий, осмий);
4) редкие металлы; к этой группе относятся:
- тугоплавкие металлы - молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, тантал и цирконий;
- легкие - стронций, скандий, рубидий и цезий;
- радиоактивные - уран, радий, торий, актиний и протактиний;
- рассеянные и редкоземельные - германий, галлий, гафний, индий, лантан, таллий, церий и рений.
Промышленное значение цветных металлов очень велико и особенно возросло с развитием новой техники, в том числе связанной с реактивной и атомной энергетикой, освоением космического пространства и расцветом радиоэлектроники. Наиболее массовыми металлами являются медь, цинк, свинец, олово, никель, алюминий, магний и титан.
Свойства меди и ее применение
Медь очень хорошо проводит электричество и тепло. Удельное сопротивление меди равно 0,018 Ом×мм2/м, а теплопроводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м×К). По электропроводности медь лишь немного уступает серебру. Ее электропроводность в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обладает ценными механическими свойствами - ковкостью и тягучестью.
На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др., и реже с неметаллами Р, S, О и др. Область применения этих сплавов очень обширна. Многие из них обладают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы применяют в литом и кованом состоянии, а также в виде изделий из порошка.
В химической промышленности и машиностроении также широко применяют латунь - сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количеств других элементов (Al, Si, Ni, Mn). Сплавы меди с фосфором (6-8 %) используют в качестве припоев.
Маркировка технической меди следующая:
- М0 – 99,95 % Cu;
- М1 – 99,9 % Cu;
- М2 – 99,7 % Cu;
- М3 – 99,5 % Cu;
- М4 – 99,0 % Cu.
Буква М означает медь, цифра – номер марки.
Классификация медных сплавов по:
- химическому составу (латунь, бронза);
- технологическим свойствам (деформируемые, литейные);
- изменению прочности (упрочняемые, неупрочняемые).
Сырье для получения меди
Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди. Горную породу, содержащую меньше 0,5% Сu, не перерабатывают, так как при современном уровне техники извлечение из нее меди нерентабельно.
В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит CuFeS2, халькозин Cu2S, ковелин CuS), окислов (куприт Cu2О, тенорит CuO) или гидрокарбонатов [малахит CuСО3×Cu(ОН)2, азурит 2CuСО3×Cu(OH)2].
Пустая порода руд состоит из пирита FeS2, кварца SiО2, карбонатов магния и кальция (MgCО3 и СаСО3), а также из различных силикатов, содержащих Al2О3, CaO, MgO и оксиды железа наряду с SiО2.
Руды разделяют на сульфидные, окисленные и смешанные. Сульфидные руды обычно бывают первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления минералов сульфидных руд. В сульфидных рудах медь находится в виде сернистых соединений, в этих рудах всегда много пирита FeS2. Окисленные руды состоят главным образом из оксидов.
Сульфидные руды содержат обычно 1-6% Cu, 8-40% Fe, 9-46% S, 1-6% Zn, 5-55% SiО2, 2-12% А12О3, 0,3-4% CaO, 0,3-1,5 % MgO, а в окислительных рудах обычно находится около 2% Cu, около 1% Fe, 0,1-0,2% S, 60-68% SiО2, 10-16% A12О3, 0,3-0,7% CaO и 0,3-0,7% MgO. В небольших количествах встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.
Нередко руды являются комплексными, т.е. они содержат заметные количества других металлов: цинка, свинца, никеля, золота, серебра, селена, таллия и др.
Способы производства меди
Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.
Первый из них не нашел широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позволяет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.
Ограниченность применения гидрометаллургического способа:
1. Малые запасы окисленных руд;
2. Сложность попутного извлечения золота и серебра.
Гидрометаллургический способ состоит 2 стадий:
1 стадия – обработка рудного сырья растворителем (выщелачивание);
2 стадия – осаждение металла из раствора.
Методы выщелачивания:
- Выщелачивание в кучах;
- Подземное выщелачивание;
- Выщелачивание путем просачивания раствора через слой рудного материала (перколяция);
- Выщелачивание в чанах с механическим перемешиванием (агитация);
- Автоклавное выщелачивание (под давлением).
Кучное выщелачивание позволяет обрабатывать огромные массы забалансового сырья (используют для карьерных отвалов на БМЗ).
Подземное выщелачивание очень медленный процесс (используют в основном на отработанных или законсервированных шахтах).