1.4 Производство цветных металлов

Цветные металлы (Сu, Al, Zn, Pb, Sn, W и др.) и их сплавы широко применяются в машиностроительной, электрохимической, приборостроительной промышленности и т.д.

1.4.1 Производство алюминия. Алюминий и его сплавы благодаря малой плотности (2,7г/см³), хорошей коррозионной стойкости, высокой электропроводности, нашли широкое применение как конструкционные материалы.

Основной рудой для получения алюминия являются бокситы, состоящие из Al O(OH), Al(OH)₃ и SiO₂, FeO₂, TiO₂.

В производстве алюминия различают три основных процесса.

Получение чистого глинозема (Al₂O₃) из алюминиевых руд. Для этого применяется в основном щелочной способ, состоящий в том, что измельченный боксит загружают в автоклав, смешивают со щелочным раствором NaОН и пропускают сильную струю горячего пара. В результате в пульпе происходят реакции с образованием алюмината натрия:

Al(OH)₃+ NaОН=NaAlO₂+2Н₂О

Затем происходит разложение NaAlO₂ по реакции:

NaAlO₂+2Н₂О= NaОН+ Al(OH)₃

После чего осадок промывают, сушат и получают глинозем:

2Al(OH)₃= Al₂O₃+3Н₂О.

Выход глинозема из руды при щелочном способе составляет 87%. На производство 1 т глинозема расходуется 2,0-2,5 т боксита, 70-90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7-9 т пара, 160-180 т мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт·ч электроэнергии.

В тех случаях, когда в бокситах содержится много SiO₂ и FeO₂ глинозем получают электротермическим способом. Этот способ состоит из плавки шихты (боксита, железной руды, бариевой соли, кокса и т.д.) с получением ферросилиция и шлака, содержащего Al₂O₃·ВаО. Измельченный шлак обрабатывают раствором Na₂CO₃ и получают алюминат натрия в растворе NaAlO₂+Н₂О. Глинозем выделяется так же, как в щелочном способе.

Электролиз глинозема для получения первичного алюминия. Чистый глинозем очень прочное химическое соединение и для его разложения применяют только электролиз. При электролизе в качестве электролита используют криолит (Na₃AlF₆), который хорошо растворяет Al₂O₃. Анодами являются стержни из смоляного или нефтяного кокса. Катодами - медные шины, вмонтированные в углеродистые блоки. Жидкий алюминий собирается под слоем криолита на подине печи (катода), откуда его выбирают при помощи сифона.

Рафинирование первичного алюминия осуществляется путем продувки хлором в закрытом ковше при 750°С в течение 10-15 мин. После этого алюминий разливают в слитки.

На 1 т алюминия расходуется 2 т глинозема, 0,1 т криолита, 0,7 т анодной массы, 16-18тыс.квт.ч. электроэнергии. В сутки одна электролизная ванна дает 350 кг алюминия.

Для получения алюминия высокой чистоты используют электролитическое рафинирование. Электролитом являются хлористые и фтористые соли при температуре 750°С, анодом - подлежащий очистке алюминий, катодом - пластины чистого алюминия. В процессе электролиза анод растворяется, а рафинированный алюминий собирается на поверхности. По ГОСТу получают алюминий особой чистоты А999 (0,001% примесей), высокой чистоты А995 (0,005% примесей), А99 (0,01%примесей), А95 (0,05%примесей).

В структуре себестоимости 1 т алюминия затраты на электроэнергию составляют более 30 %, около 50 % приходится на сырье и основные материалы. В этих условиях рациональное и экономическое использование сырья и электроэнергии является одним из путей снижения себестоимости алюминия.

1.4.2 Производство меди.Медь - один из важнейших металлов, обладает высокой электропроводностью, является основой таких конструкционных сплавов как латунь, бронзы. Наиболее распространенной рудой для получения меди является медный колчедан ( СuS·FeS). Все медные руды являются бедными (1-3%Сu). Пирометаллургический способ является основным способом получения меди. Этот способ включает следующие основные процессы.

Обогащение медных руд, которое производится в основном методом флотации заключается в отделении пустой породы за счет смачивания ее водой, при этом частицы пустой породы оседают на дно. Частицы, содержащие металл, не смачиваются и вместе с пузырьками воздуха поднимаются на поверхность и непрерывно снимаются. В результате флотации содержание меди в рудном концентрате повышается до 35%.

Для удаления серы и окисления железа сульфидные медные руды подвергают обжигу в кипящем слое при 60О-700°С. При этом сера удаляется в виде SO₂, используемого для получения серной кислоты.

Получение черновой меди производится в два этапа. На первом получают продукт - штейн (Cu₂S, FeS) путем плавки рудного концентрата при 900°С. В штейне содержится до 60%Сu, он является исходным продуктом для получения черновой меди.

На втором этапе получают черновую медь, путем плавки штейна в горизонтальном конвертере, продуваемого воздухом, при 1200~1300°С. В результате реакций:

Cu₂S+1,5O₂=Cu₂O+SO₂

Cu₂O+ Cu₂S=6Cu+ SO₂

образуется 98-99% меди, которая разливается в слитки.

Рафинирование меди производится огневым и электролитическим способами. При огневом рафинировании в пламенных печах медь вначале окисляют по реакции 4Сu + О₂ = 2Сu₂O, затем восстанавливают Сu₂O путем сухой перегонки древесины ("дразнение" Сu):

Cu₂O+C=2Cu+CO

Cu₂O+CO=2Cu+CO₂

Полученную медь (99,5-99,7%) разливают в слитки для прокатки или в анодные пластины.

При электролитическом рафинировании в качестве электролита используют растворы Н₂SO₄ и СuSO₄, анодами являются пластины из рафинированной меди, катодами - тонкие листы из электролитической меди. При пропускании постоянного тока аноды постепенно растворяются, и медь в виде катионов переходит в раствор, а затем на катодах выделяется металлическая медь. Катоды наращиваются до массы 70-140 кг, затем извлекают из ванны. При электролизе в катодной меди растворяется водород, вызывающий ее охрупчивание. Для удаления водорода катодную медь переплавляют и разливают в слитки.

Для получения 1 т катодной меди расходуется 200-300 кВт·ч электроэнергии. По ГОСТу получают медь марок М00 (99,99%), МО(99,95%), MI, M2, МЗ, М4 (99,0%).

1.4.З Производство магния. Магний относится к легким металлам (1,74 г/см³), легко воспламеняется и окисляется. Однако, сплавы магния являются ценным конструкционным материалом (прочный, легкий, ударно- и виброустойчивый и т.д.). Основной магниевой рудой является карналлит (MgCl₂·KCl·6H₂O), а также магнезит МgС0₃, доломит Мg С0₃·СаС0₃.

Производство магния состоит из следующих процессов.

Получение безводного карналлита путем обогащения руды, обезвоживания карналлита в печи кипящего слоя, затем расплавления карналлита в печи и осаждения в миксере при 850°С. После такой обработки в рудном концентрате содержится до 50% MgCl₂.

Электролиз расплавленных хлоридов магния с целью разложения их на Mg и Cl . Для этой цели используют герметичные электролизеры, в которых при пропускании постоянного тока на графитовых анодах собираются пузырьки Cl, а на стальных катодах капельки Mg, которые отсасываются с по­мощью вакуумного ковша. Получают, таким образом магний-сырец, содержащий около 5% примесей.

Рафинирование магния-сырца производится путем переплавки его под флюсом (борная кислота) в тигле. Затем тигель устанавливают в электропечь, при 700°С, где отстаиваются примеси и магнии разливают в изложницы на чушки. Рафинированный магний имеет чистоту 99,9%. Чистота магния МГ-1 по ГОСТу составляет 99,92%, а МГ-2 - 99,82%.

1.4.4 Производство титана. Титан и его сплавы - ценные конструкционные материалы. Являются легкими, коррозионноустойчивыми, применяются в ракетостроении, судостроении, химической промышленности. Для производства титана используют минералы: ильменит (FeO·TiO₂), рутил (Fe· TiO₂) титанит и др. Трудность извлечения титана из руд связана с его высокой химической активностью при высоких температурах с СO, CO₂, CH₄, NН₃, водяным паром. В атмосфере чистого кислорода, азота титан горит при 500°С.

В настоящее время для получения титана применяют магни-етермический и водородотермический способы. Магниетермический способ состоит из следующих процессов:

Получение титановых концентратов путем обогащения руды. После этого ильменитовый концентрат содержит 51% TiO₂, 36% FeO, 8% Fe₂O₃ и т.д.

Производство титанового шлака путем переплавки концентрата в дуговой печи в присутствии древесного угля, антрацита. Состав получаемого шлака: 80~90% TiO₂, 2-5% FeO и т.д.

Производство четыреххлористого титана (TiCl₄). Этот процесс осуществляется путем хлорирования шлака в присутствии углерода при 800-1200°С:

TiO₂+2C+2Cl₂= TiCl₄+2CO

Восстановление хлористого титана магнием производится в вакууме или аргоне при 850-900°С:

TiCl₄+2Mg=Ti+2MgCl₂

В результате этого процесса в реакторе оседает метал­лический титан в виде реакционной губчатой массы, состав которой 60% Тi, 30%Мg, 10% MgCl₂. Аналогично может восстанавливать­ся титан за счет водорода.

Вакуумная сепарация реакционной массы при 900°С позволяет отделить титановую губку от Mg и MgCl₂. При этом магний испа­ряется.

Плавка титановой губки в дуговых печах в вакууме и разливка в слитки. Первичный слиток титана может иметь дефекты, поэтому его подвергают вторичной переплавке в вакууме. В результате этого чистота титана составляет 99,6-99,7%. После вторичного переплава слитки пригодны для ковки, штамповки, прокатки. Получение фасонных отливок из титана затруднено.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите исходные руды для производства алюминия, меди, магния и титана.

2. Какие основные процессы используются при производстве алюминия?

3. Какие способы применяют для получения чистого глинозема?

4. Технико-экономические показатели производства глинозема и алюминия.

5. Основные процессы при производстве меди.

6. Способы рафинирования меди.

7. Из каких процессов состоит производство магния?

8. Как производится рафинирование магния – сырца?

9. Перечислите основные процессы при производстве титана.

10. Цель вторичной переплавки первичных слитков титана.