Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Методы добычи и получения металлов

Основные процессы

Основным процессом пирометаллургии является рудная плавка, которая проводится при таких высоких температурах, когда продукты химического взаимодействия расплавляются, образуя две жидкие фазы — металлическую или сульфидную и шлаковую. Различают восстановительную и окислительную плавки.

Определяющий процесс восстановительной рудной плавки — это восстановление оксидов металла с получением в конечном итоге расплава металла или его сплава с другими элементами. Типичной восстановительной плавкой является получение чугуна в доменных печах. Восстановительные процессы являются также главными при плавке марганцевых, окисленных никелевых, свинцовых, титановых руд.

Основными реагментами-восстановителями служат углерод, оксид углерода и водород. Оксид углерода образуется в самой печи при неполном горении углерода; основное количество водорода получается в результате разложения вдуваемого в печь природного газа.

Разновидностью восстановительных плавок является металлотермическое получение металлов, при котором в качестве восстановителя какого-то металла (Mn, Cr, V и др.) используется другой металл — с большим сродством к кислороду: Ca; Mg; Al, а также Si. Одним из достоинств металлотермического восстановления является получение металлов, не загрязненных углеродом или водородом.

Типичной окислительном рудной плавкой является переработка в шахтных печах богатых медных сульфидных руд. В ходе плавки окисляется основная доля серы сульфидных минералов, в результате чего выделяется значительное количество тепла. Основным целевым продуктом плавки является расплав сульфидов FeS и Cu2S — штейн.

Чугун и штейн рудных плавок являются, по-существу, полупродуктами, которые требуют дополнительной обработки. Такая обработка заключается в продувке расплавов воздухом или чистым кислородом, в результате чего содержащиеся в сплавах примеси окисляются и переходят либо в шлак (SiO2; MnO; FeO и др.), либо в газ (СО; SO2). Процесс называется конвертированием.

Аналогичным конвертированию является фьюминг-процесс — продувка газом шлаковых расплавов. Отличие его от конвертирования состоит в том, что металлический расплав продувают окислительным газом, а при фьюминговании шлака восстановительным. А во-вторых, продукты окисления металлического расплава — оксиды металлов — образуют вторую жидкую фазу — шлак, а продукты фьюмингования шлака — восстановленные легколетучие металлы (или сульфиды) в парообразном состоянии удаляются из реакционного пространства газовым потоком.

Описание

Это химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах при высоких (800—2000°С) температурах. Поэтому пирометаллургию иногда называют «химией высоких температур». Часто химические реакции сопровождаются изменением агрегатного состояния реагирующих веществ: плавлением, возгонкой, испарением образующихся металлов или их соединений. В таких процессах взаимодействия могут протекать между твёрдой, жидкой (расплавы) и газообразной фазами в любых сочетаниях.

Пирометаллургическими процессами являются процессы агломерации металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования металлов. В частности, это — обжиг, доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах.
Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др.

В пирометаллургии часто применяется восстановление углеродом — в тех случаях, когда восстанавливаемые металлы не образуют устойчивых карбидов, помимо указанных выше, к таким металлам относятся германий, кадмий, олово и другие. В случаях образования восстанавливаемыми металлами устойчивых карбидов вместо восстановления углеродом часто применяется металлотермия.

Пирометаллургия — основная и наиболее древняя область металлургии. С давних времён до конца 19 столетия производство металлов базировалось почти исключительно на пирометаллургических процессах. На рубеже 19 и 20 столетий промышленное значение приобрела другая крупная ветвь металлургии — гидрометаллургия. Однако пирометаллургия продолжает сохранять господствующее положение как по масштабам производства, так и по разнообразию процессов.

В начале 20 столетия вместе с пламенными способами нагрева в металлургии начали использоваться разные виды электрического нагрева (дуговой, индукционный и др.); приблизительно в это же время в промышленности был внедрён электролиз расплавленных химических соединений (производство алюминия и других цветных металлов).

Во 2-й половине 20 столетия получили распространение плазменная плавка металлов, зонная плавка и электроогневая плавка. Металлургические процессы, основанные на использовании электрического тока, выделяют в самостоятельную область пирометаллургии — электрометаллургию.

Способы получения и добычи

Добыча и обработка проводится на природных рудниках. Потом расходное сырье доставляется до литейного предприятия, где происходит его переработка в конечный материал. Способы получения:

  1. Порошковый. При изготовлении сплавов используются порошки — смесь основных компонентов сплава по ГОСТу. С помощью специального оборудования порошок спрессовывается, ему придают определенную форму. После этого расходный материал спекают в промышленной печи.
  2. Литейный способ. Все компоненты будущего сплава сначала расплавляются, а потом перемешиваются. Смесь должна застыть.

Природные источники

Самое большое количество металлов содержится в земной коре. Их соединения можно найти в разных продуктах питания, воде, воздухе, химических веществах.

Природные соединения

Природные соединения:

  • сульфиды — киноварь, цинковая обманка, серный колчедан;
  • хлориды — каменная соль, сильвинит;
  • сульфаты — гипс, глауберова соль;
  • карбонаты — магнезит, доломит, известняк, мрамор, мел;
  • оксиды — красный, магнитный, бурый железняк;
  • нитраты — чилийская селитра.

Добыча руды (Фото: Instagram / dikomnw)

Способы добычи

Существует два способа добычи металлических руд:

  1. Открытый. Подразумевает разработку огромного карьера, который углубляется к центру. С его глубины на карьерных самосвалах руда вывозится наверх, где проходит дальнейшую переработку. Средняя глубина карьеров — 300 метров. Для разработки применяются крупные экскаваторы, земснаряды, карьерная техника. Карьерный метод добычи металлической руды применяется только, если после проверки почвы в ней было обнаружено более 57% руды. Главный недостаток карьера — малая глубина разработки.
  2. Закрытый. Подразумевает разработку шахт, которые могут уходить вниз на глубину нескольких сотен метров. Применяется, когда на поверхности после проверки было обнаружено менее 57% полезных руд. Внешне шахта напоминает колодец, который разветвляется в стороны на большой глубине. Главный недостаток — опасность для рабочих (частые обвалы, взрывы газов, большая вредность для здоровья).

Один из современных способов добычи металлической руды — СГД. Представляет собой гидромеханических метод добычи руды, который подразумевает создание глубокой шахты, снабженной трубопроводом с гидромонитором. Струя воды под большим напором подается в трубопровод. С ее помощью откалываются горные породы, которые всплывают наверх шахты. Эффективность данного способа небольшая, но он полностью безопасен для людей.

Шахта (Фото: Instagram / subcities)

Богатые рудники

Богатые железные рудники:

  1. Бакчарское железорудное месторождение.
  2. Абаканское железорудное месторождение.
  3. Абагасское железорудное месторождение.
  4. Курская магнитная аномалия.

Самые богатые месторождения алюминиевых руд находятся в

  • Венгрии;
  • Франции;
  • Индии;
  • Южной Африке;
  • Казахстане;
  • России;
  • Югославии;
  • Кольском полуострове;
  • Сибири.

Богатые месторождения медной руды расположены в США, Швеции, Канаде, России, Финляндии, ЮАР.

Медная руда (Фото: Instagram / alex_tango1910)

Гидрометаллургия

Методика, которая основана на проведении химических реакциях. Они протекают в различных растворах. Наиболее распространенные материалы, которые получаются подобным способом — никель, цинк, золото.

Пирометаллургия

Из расходного сырья металл извлекается под воздействием высоких температур. Для проведения данного способа применяются печи, плавильни. Этим методом получают чугун, свинец, сталь, никель, медь, хром

Для изготовления активных металлов важно использовать восстановители

Электрометаллургия

Подразумевает обработку расходного сырья электрическим током. Сила тока изменяется зависимо от преобладающих в составе руды компонентов. С помощью электрометаллургии получаются разные металлы — щелочноземельные, щелочные. Основные из них — алюминий, магний.

  1. С помощью металлов. Этот процесс называют металлотермией.
  2. С помощью водорода. С помощью этой методики можно получить материал с наименьшим количеством посторонних вкраплений.
  3. С помощью углерода или оксида углерода. Эта методика называется карботермией.

Сплавы металлов

По мере развития науки, человек понял, что соединяя воедино несколько различных металлов, можно получить вещество, которое будет превосходить по своим показателям исходные компоненты — так появились сплавы металлов.

Сплавы получают из расплавов металлов, которые в жидком виде хорошо растворяются и смешиваются друг с другом.

Главные разновидности сплавов металлов:

  • Механическая смесь металлов представляет собой смесь очень мелких кристаллов отдельных металлов, как, например, перемешать цемент с песком;
  • Твердые растворы представляют собой однородные кристаллы в узлах кристаллической решетки которых находятся атомы сплавляемых металлов;
  • Интерметаллические соединения получаются взаимным растворением металлов, в результате которого атомы образуют «экзотические» соединения, например, Ag2Zn5, Cu3Zn.

Следует сказать, что сплавляются друг с другом не только металлы, в состав некоторых сплавов входят и неметаллы, с которыми металлы не только механически смешиваются, но и образуют атомные соединения, в результате чего полученный сплав обладает резко отличающимися физическими свойствами от исходных металлов. Современная наука разработала много разнообразных сплавов, которые обладают заранее заданными свойствами.

Популярные сплавы:

  • Сталь — сплав железа с углеродом (обычно, до 1%) с легирующими добавками хрома, никеля, кремния, фосфора, марганца и проч.
  • Чугун — сплав железа с углеродом (более 3%) с легирующими добавками.
  • Бронза — сплав меди с оловом с легирующими добавками.
  • Латунь — сплав меди с цинком.
  • Мельхиор — сплав меди с никелем.
  • Дюралюминий — сплав алюминия с медью (3-5%), магнием (1%), марганцем (1%).
  • Амальгама — сплав металла с ртутью.

Общая характеристика и способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным  образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде  встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

      Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.

Получение металлов из руд — задача металлургии.

    Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.

Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:

М n+ + ne−→M

Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.

В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:

• пирометаллургический;

• гидрометаллургический;

• электрометаллургический.

Гидрометаллургия

Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.

Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:

СuО + Н24 =  СuSO4 + Н2

Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

СuSO4. + Fе = Сu + FеSO4

Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Оборудование

Для получения и обработки применяется разное оборудование:

  1. Для термической обработки — печи, плавильни, горны.
  2. Для изменения шероховатостей поверхностей — шлифовальные станки, пескоструи.
  3. Для создания углублений, обработки кромок, торцов — долбежные, сверлильные, фрезеровальные станки.
  4. Для придания простой или сложной цилиндрической формы — токарные станки.
  5. Для разрезания заготовок — пилы, лазерные или гидроабразивные резаки.

Современное оборудование оснащается автоматическими системами управления, что ускоряет производство, минимизирует физические затраты со стороны человека.

Самодельный горн (Фото: Instagram / vetal7070)

Пирометаллургия

     Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.

Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O

прокаливанием с углем (коксом):

Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).

В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:

1)      МоO3 + ЗН2 = Мо + ЗН2O (водородотермия)

К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.

2)      TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)

ЗМnO2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl2O3 (алюминотермия)

Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида

которого очень велика  (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций  восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:

Q= Σ Q1 — Σ Q 2 ,

где  Q1— теплота образования продукта, Q-теплота образования исходного вещества.

Доменный  процесс (производство чугуна):C + O2 = CO2, CO2 + C 2CO3Fe2O3 + CO = 2(Fe2Fe32)O4+ CO2(Fe2Fe32)O4+ CO= 3FeO + CO2FeO + CO= Fe + CO2(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);

Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Главные медные центры России.

Медная руда в нашей стране добывается в разных регионах. Самые богатые месторождения руды расположены в Казахстане, хотя медь добывается и в других районах, например, богатые месторождения есть и на Урале. Стоит отметить, что Россия по добыче медной руды сегодня занимает первое место в мире.

Главные центры производства меди находятся на Урале. Этот регион занимает первое место по производству меди.

Медные предприятия чаще всего размещают рядом с рудниками. Сырьевой фактор является ключевым из-за низкого содержания концентратов в сырье. Сегодня производители меди широко используют в качестве сырья медные колчеданы, добываемые на месторождениях, расположенных в разных районах Урала. Поэтому и предприятия по производству меди также сконцентрированы в этом регионе, хотя в своей деятельности они используют и завезенные казахстанские руды. Имеет эта отрасль и свой сырьевой резерв в виде медистых песчаников, которые находятся в Восточной Сибири.

Чернову медь на Урале изготавливают такие предприятии, как Среднеуральский, Кировоградский, Красноуральский («Святогор»), Медногорский и Карабашский заводы. Рафинированием меди занимаются Верхнепыменский и Кыштымский заводы.

Всего на Урале работает 11 медных предприятий, которые производят 43 процента всей меди в России.

Предприятия Урала характеризуются и утилизацией отходов. Так, заводы в таких городах как Ревда, Кировоград и Красноуральск используют образующиеся в ходе производства сернистые газы для изготовления серной кислоты, которая в дальнейшем служит для производства удобрений.

Крупные центры медного производства находятся, не только на Урале, но и в других районах страны. В таблице показано, где расположены сырьевые и отраслевые центры.

Пирометаллургические методы

Основными методами (способам) такого извлечения металлов является восстановление. К ним относятся:

  • металлотермия;
  • силикатотермия;
  • восстановление различными элементами или химическими соединениями.

Любой пирометаллургический метод предполагает высокотемпературное протекание процесса. Первый из перечисленных пирометаллургических способов предполагает ускорение реакции восстановления за счёт свойств более активных металлов. Например, алюминия, магния, натрия.

Второй метод пирометаллургии – это восстановление необходимого элемента с помощью кремния. Остальные способы реализовываются за счёт применения различных химических элементов (например, водорода,углерода) или соединениями (например, гидритами различных металлов, монооксидом углерода).

Применение углерода и его монооксида в пирометаллургии считается целесообразным, когда отсутствуют высокие требования к чистоте получаемого материала и не допускаются высокие затраты на проведение реакции.

Обычно углеродом восстанавливают следующие элементы:

  • железо из двух его соединений с кислородом: оксид железа (III) и четырёхмерного оксида железа (магнетита);
  • олова из касситерита;
  • меди из куприта.

Методы с применением углерода объединяются одним термином – карбометрия. Кроме перечисленных технологий к современной пирометаллургии относят так называемую хлорную металлургию. Она обеспечивает выделение материала при хлорировании сырья с добавлением, так называемого восстановителя. На завершающем этапе производят переработку полученных хлоридов. Этот метод обладает определёнными преимуществами перед классической пирометаллургией. К ним относятся: практически полное извлечение необходимого содержимого, более высокая скорость реакции.

Химические свойства щелочных металлов

Единственный внешний электрон в атомах щелочных металлов слабо притягивается к ядру, поэтому им свойственна низкая энергия ионизации, отрицательное или близкое к нулю сродство к электрону. Элементы 1-й группы, обладая восстановительной активностью, практически не способны окислять. В группе сверху вниз возрастает активность в химических реакциях:

  • Натрий, калий и литий при небольшом нагревании загораются на воздухе. Для первых двух металлов характерно образование в этой реакции пероксидов и надпероксидов, а для лития — оксида Li2O. Рубидий и цезий на воздухе самовоспламеняются.
  • Щелочные металлы способны восстанавливать даже водород. При нагревании взаимодействуют с атомами самого легкого элемента и восстанавливают его до отрицательно заряженного иона H-. В реакции получаются гидриды, например, NaH, KH.
  • Простые вещества, соответствующие элементам 1-й группы, взаимодействуют с водой и образуют щелочи, например, LiOH, NaOH, KOH. Процесс сопровождается выделением газообразного водорода, который самовоспламеняется или взрывается. 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑. Рубидий и цезий вступают в реакцию даже со льдом. Хранение щелочных металлов допускается под слоем минерального масла, в керосине, в запаянных стеклянных сосудах.
  • Активно взаимодействуют металлы 1-й группы с галогенами, особенно энергично происходит реакция с фтором и хлором, при нагревании — с серой и фосфором. Большинство получившихся солей обладает хорошей растворимостью.
  • Качественная реакция — разложение солей щелочных металлов в огне газовой горелки. Пары окрашивают пламя в определенный цвет.
  • При взаимодействии щелочных металлов со спиртами получаются алкоголяты, с карбоновыми кислотами они дают соответствующие соли, например, формиат натрия.

Описание

Это химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах при высоких (800—2000°С) температурах. Поэтому пирометаллургию иногда называют «химией высоких температур». Часто химические реакции сопровождаются изменением агрегатного состояния реагирующих веществ: плавлением, возгонкой, испарением образующихся металлов или их соединений. В таких процессах взаимодействия могут протекать между твёрдой, жидкой (расплавы) и газообразной фазами в любых сочетаниях.

Пирометаллургическими процессами являются процессы агломерации металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования металлов. В частности, это — обжиг, доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах.
Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др.

В пирометаллургии часто применяется восстановление углеродом — в тех случаях, когда восстанавливаемые металлы не образуют устойчивых карбидов, помимо указанных выше, к таким металлам относятся германий, кадмий, олово и другие. В случаях образования восстанавливаемыми металлами устойчивых карбидов вместо восстановления углеродом часто применяется металлотермия.

Пирометаллургия — основная и наиболее древняя область металлургии. С давних времён до конца 19 столетия производство металлов базировалось почти исключительно на пирометаллургических процессах. На рубеже 19 и 20 столетий промышленное значение приобрела другая крупная ветвь металлургии — гидрометаллургия. Однако пирометаллургия продолжает сохранять господствующее положение как по масштабам производства, так и по разнообразию процессов.

В начале 20 столетия вместе с пламенными способами нагрева в металлургии начали использоваться разные виды электрического нагрева (дуговой, индукционный и др.); приблизительно в это же время в промышленности был внедрён электролиз расплавленных химических соединений (производство алюминия и других цветных металлов).

Во 2-й половине 20 столетия получили распространение плазменная плавка металлов, зонная плавка и электроогневая плавка. Металлургические процессы, основанные на использовании электрического тока, выделяют в самостоятельную область пирометаллургии — электрометаллургию.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации