Глава IV Производство цветных металлов

1. ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

Медь получают главным образом пи-рометаллургическим способом. Пироме­таллургия - это совокупность металлурги­ческих процессов, протекающих при вы­соких температурах. Производство меди из медных руд включает их обогащение, обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черновой меди (кон­вертирование) и ее очистку от примесей (рафинирование).

На рис. 2.16 приведена упрощенная схема получения меди пирометаллургиче-ским способом, которым получают более 85 % производимой меди.

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1 ... 6 % Си, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS₂, Cu₂S, CuS), оксидов (Cu₂0, CuO) или гидрокарбонатов [CuC0₃, Cu(OH)₂, 2CuC0₃ • Cu(OH)₂]. Перед плав­кой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окис­лительному обжигу при температуре 750 ... 800 °С. Полученный концентрат переплавляют в отражательных или элек­трических печах. При температуре 1250 ... 1300 °С восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Обра­зующийся оксид меди (Cu₂0), реагируя с FeS, дает Cu₂S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а рас­плавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем

расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (кон­вертируют) для окисления сульфидов ме­ди и железа и получения черновой меди.

Руда

Обогащение

X

Хбость/ (отходи/)

X

Сырой концентрат

Газы

Обжиг

Т

г{

Обожженный концентрат

Шлак

Газы

Плавка на штейн

I Штейн]

Т.

Г Газы j-*- Конвертирование -*Ашлак\

и и

X

На производства [Черновая медь серной кислоты

Рафинирование

(огнебое излетро-

литическое)

Разливка +

Т

Катодная медь

Рис. 2.16. Схема производства меди

54

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Черновая медь содержит 98,4 ... 99,4 % Си и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируют для уда­ления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в от­ражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воз­духа, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего сни­мают шлак и погружают в медь сырое де­рево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению S0₂ и других га­зов. При этом медь окисляется, и для ос­вобождения ее от Cu₂0 ванну жидкой ме­ди покрывают древесным углем и погру­жают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают Cu₂0.

После огневого рафинирования полу­чают медь чистотой 99 ... 99,5 %. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от приме­сей меди (99,5 % Си). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огне­вого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит вод­ный раствор CuS0₄ (10 ... 16 %) и H₂S0₄ (10 ... 16 %). При пропускании постоянно­го тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди:

Си²⁺ + 2е~ -> Си.

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

2. ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Основным способом производства алюминия в настоящее время является электролитический. Электролиз - это со­вокупность процессов электрохимическо­го окисления-восстановления, происходя­щих на погруженных в электролит элек­тродах при прохождении электрического тока.

Производство алюминия включает по­лучение безводного, свободного от приме­сей оксида алюминия (глинозема); полу­чение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Упрощенная схема технологического процесса производства алюминия приве­дена на рис. 2.17.

Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наиболь­шее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов - гид-роксидов А1(ОН)₃, АЮ(ОН), корунда А1₂0₃ и каолинита А1₂0₃ • 2Si0₂ ■ 2Н₂0. Алюминий получают электролизом глино­зема - оксида алюминия (А1₂0₃) - в рас­плавленном криолите (Na₃AlF₆) с добав­лением фтористых алюминия и натрия (A1F₃, NaF).

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью:

А1₂0₃ ■ лН₂0 + 2NaOH = = 2NaA10₂ + (n + l)H₂0.

Полученный алюминат натрия NaA10₂ подвергают гидролизу:

NaA10₂ + 2Н₂0 = NaOH + А1(ОН)₃1.

В результате в осадок выпадают кри­сталлы гидроксида алюминия А1(ОН)₃. Гид-роксид алюминия обезвоживают во вра­щающихся печах при температуре 1150 ... 1200 °С и получают обезвоженный глино­зем А1₂0₃.

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

55

Пла&икодый шпат

₃

Руды алюминия

Обогащение

Произдодстдо глинозема

Углеродистые материалы

_I

Производство фтор, солей и криолита

Чистый оксид алюминия

ПроиздодстЬо анодоб и анодной массы

_I

Криолит

Электролитическое получение алюминия

Угольные аноды или анодная масса

_I

Ратинирование

_I

Чушковый алюминий

Рис. 2.17. Схема производства алюминия

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят А1(ОН)₃, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую ней­трализуют содой, и получают криолит, выпадающий в осадок:

2H₃A1F₆ + 3Na₂C0₃ = = 2Na₃AlF₆1 + 3 C0₂ + 3H₂0.

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема А1₂0₃ проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне сло­ем 250 ... 300 мм находится расплавлен­ный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из уголь­ного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70 ... 75 кА и на­пряжением 4 ... 4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000 °С.

Электролит состоит из криолита, гли­нозема, A1F₃ и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде раз­ряжается ион А1³⁺ и образуется алюминий, а на аноде - ион О²", который окисляет углерод анода до СО и С0₂, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически из­влекают, используя специальное устрой­ство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем со­держатся металлические и неметалличе­ские примеси, газы. Примеси удаляют ра­финированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, про­ходя через расплавленный металл, обво­лакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия спо­собствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии.

56

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30 ... 45 мин при температуре 690 ... 730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После ра­финирования чистота первичного алюми­ния составляет99,5 ... 99,85 %.

3. ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ

Для производства магния наибольшее распространение получил электролитиче­ский способ. Производство магния вклю­чает получение чистых безводных солей магния (хлористого магния), электролиз этих солей в расплавленном состоянии и рафинирование металлического магния.

Основная составляющая электролита -хлористый магний (MgCl₂), а для сниже­ния температуры плавления и повышения его электропроводности в него вводят NaCl, CaCl₂, KC1 и в небольших количест­вах NaF и CaF₂. Упрощенная схема совре­менного технологического процесса про­изводства магния приведена на рис. 2.18.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl₂ • КС1 • 6Н₂0),

магнезит (MgC0₃), доломит (СаСОз х х MgC0₃), бишофит (MgCl₂ • 6Н₂0). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обога­щают и обезвоживают. Безводный карнал­лит (MgCl₂ • КС1) используют для приго­товления электролита.

Электролиз осуществляют в электро­лизере, футерованном шамотным кирпи­чом. Анодами служат графитовые пласти­ны, а катодами - стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10 % MgCl₂, 45 % СаС1₂, 30 % NaCl, 15 % КС1 с небольшими добавками NaF и CaF₂. Такой состав элек­тролита необходим для понижения темпе­ратуры его плавления (720 ± 10 °С). Для электролитического разложения хлористо­го магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выде­ляются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, по­этому он всплывает на поверхность, отку­да его периодически удаляют вакуумным ковшом.

_С

Карналлит

_I

Обогащение карналлита

Обезвоживание карналлита

_I

Электролитическое получение магния

Рафинирование магния

_I

f Чушю

Рис. 2.18. Схема производства магния

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

57

Черновой магний содержит 5 % приме­сей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl₂, KC1, ВаС1₂, CaF₂, NaCl, СаС1₂ нагревают в электропе­чи до температуры 700 ... 750 °С и пере­мешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670 °С и маг­ний разливают в изложницы на чушки.

4. ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА

Титан получают магниетермическим способом. Производство титана включает обогащение титановых руд, выплавку из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановление из последнего металлического титана магнием.

Основные этапы производства титана из ильменитовой руды приведены на упро­щенной технологической схеме рис. 2.19.

Г Руда титана

_э

Хлор

Обогащение руды

_I

Произдодстдо титанового шлака

Хвосты (8 отвал)

—*/ Чугун Л

_I

Жидкие хлорида/

_I

Хлорирование титанового шлака

_I

На производство стали

Электролитическое получение магния

_т

Гетрахлорид питана TL L

_I

Магний

Восстановление титана из Тс С1%

Хлористый магний

( Титановая гудка )

вакуумная дистилляция титановой гудки

_I

_Г

Вакуумный дуговой переплав гудки

₁

Титан

Рис. 2.19. Схема магниетермического способа получения титана

58

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Сырьем для получения титана являют­ся титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, со­держащий 40 ... 45 % ТЮ₂, -30 % FeO, 20 % Fe₂0₃ и 5 ... 7 % пустой породы. На­звание этот концентрат получил по нали­чию в нем минерала ильменита FeOTi0₂.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, где оксиды железа и титана восстанавливают­ся. Образующееся железо науглерожива­ется, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак -разливают отдельно в изложницы. Основ­ной продукт этого процесса - титановый шлак - содержит 80 ... 90 % ТЮ₂, 2 ... 5 % FeO и примеси Si0₂, A1₂0₃, СаО и др. По­бочный продукт этого процесса - чугун -используют в металлургическом произ­водстве.

Полученный титановый шлак подвер­гают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают уголь­ную насадку, нагревающуюся при пропус­кании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800 ... 1250 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС1₂, MgCl₂ и др.:

Ti0₂ + 2C + 2С1₂ = TiCL, + 2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благо­даря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специ­альных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при темпе­ратуре 950 ... 1000 °С. В реактор загру­жают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

2Mg + TiCl₂ = Ti + 2MgCl₂.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl₂ выпускают через летку реактора. Титано­вая губка содержит 35 ... 40 % магния и хлористого магния. Для удаления из тита­новой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900 ... 950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят методом ва-куумно-дугового переплава (см. с. 50). Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично пе­реплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 ... 99,7 %. После вторич­ного переплава слитки используют для обработки давлением.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите исходные материалы для про­изводства чугуна, стали, цветных металлов.

2. Назовите основные операции подготовки руд к плавке.

3. Назовите основные металлургические процессы доменного производства.

4. Возможно ли удаление серы и фосфора при выплавке чугуна в домнах?

5. Сформулируйте принципиальную сущ­ ность процессов при получении стали из чугуна.

6. Назовите этапы плавки стали и основные процессы в каждом из них.

7. На каком из этапов выплавки стали про­изводят легирование?

8. Назовите этапы процессов плавки в ос­новных мартеновских печах, в конвертерах, в электропечах.

9. Вспомните основные различия в качестве сталей, выплавленных в конвертерах, марте­новских печах, в электропечах - дуговых и индукционных.

10. Назовите способы разливки стали; оп­ределите их преимущества и недостатки.

11. Назовите основные отличия в кристал­лизации и в строении слитков спокойной, ки­пящей и полуспокойной стали.

12. Назовите принципиальную сущность и назначение основных способов повышения качества выплавляемой стали.

13. Перечислите основные способы и ис­ходные материалы, используемые при произ­водстве меди, алюминия, магния, титана.

РАЗДЕЛ О ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ *3 ДАВЛЕНИЕМ