Металлургические технологии производство цветных металлов Лекция 1 Классификация

Металлургические технологии (производство цветных металлов) Лекция 1 «Классификация металлов. Металлургические процессы. Продукты металлургического производства»

Задачи металлургического производства Металлургией называют науку и область техники, занимающиеся получением металлов из руд и других видов металлсодержащего сырья. Она является звеном в общем цикле горно-металлургического производства, включающего геологию, горное дело, обогащение руд, собственно металлургию и металлообработку. Задачей металлургического производства является получение металлов из перерабатываемого сырья: Ø в свободном металлическом состоянии; Ø в виде металлического сплава; Ø в форме химического соединения. Цель металлургической переработки рудного сырья реализуется в практических условиях использованием различных металлургических процессов с получением в конечном итоге чистых металлов. 2

Металлургические процессы - это специальные технологические операции и приемы, обеспечивающие отделение компонентов пустой породы от ценных составляющих сырья. Для получения металлов достаточно высокой чистоты из исходного сырья недостаточно применить один металлургический процесс или один металлургический агрегат. Эта задача может быть реализована применением нескольких последовательно проводимых процессов, обеспечивающих постепенное разделение компонентов перерабатываемого сырья. Она существенно усложняется при производстве цветных металлов тем, что цветная металлургия имеет дело, как правило, со сравнительно бедным и сложным по составу полиметаллическим сырьем. В результате металлургического процесса осуществляется: 1) переход исходного материала в гетерогенную систему, состоящую из нескольких фаз, которые различаются по содержанию основного компонента, составу и физическим свойствам; 2) разделение фаз полученной гетерогенной системы. Весь комплекс применяемых металлургических процессов, подготовительных и вспомогательных операций формируется в технологическую схему участка, отделения, цеха или предприятия в целом. Для всех предприятий цветной металлургии характерны многоступенчатые технологические схемы. 3

Классификация цветных металлов Из 107 известных в настоящее время элементов Периодической системы Д. И. Менделеева около 80 имеют более или менее ярко выраженные металлические свойства. Общими признаками металлического состояния являются: металлический блеск и непрозрачность, высокая электро- и теплопроводность, высокая пластичность (ковкость), кристаллическая структура, серый цвет с оттенками от светло-серого до темно-серого, тенденция к отдаче электронов в химических реакциях. Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: черные и цветные. Классификация цветных металлов Цветные металлы условно делятся на пять групп: 1. Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. 2. Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт. 3. Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. 4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий). 5. Редкие металлы. Подразделяются на следующие подгруппы: а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и ванадий; б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий и цезий; в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен и теллур; г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды; д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы. 4

Сырье для производства металлов Рудой называется горная порода, содержащая в своем составе металл или металлы в таких количествах, которые при современном уровне развития обогатительной и металлургической техники могут быть экономически выгодно извлечены в товарную продукцию. Руда состоит из минералов - природных химических соединений. Минералы подразделяют на рудные (ценные) и пустую породу. К пустой породе относят минералы, не содержащие извлекаемых элементов. В зависимости от вида присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных металлов делятся на следующие группы: Ø сульфидные, в которых металлы находятся в форме сернистых соединений. Примером таких руд могут служить медные, медно-никелевые и свинцово-цинковые руды; Ø окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородсодержащих соединений (оксидов, карбонатов, гидроксидов и т. д. ). К этой группе относятся алюминиевые, окисленные никелевые, оловянные руды, руды ряда редких металлов; Ø смешанные, в которых металлы могут находиться как в сульфидной, так и в окисленной форме (медные руды); Ø самородные, содержащие металлы в свободном состоянии. В самородном состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь и платина. 5

Сырье для производства металлов По числу присутствующих металлов руды классифицируют на монометаллические и полиметаллические (комплексные). Большинство руд цветных металлов являются полиметаллическими и содержат минимум два ценных компонента. Наиболее сложными по составу являются медные, медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды. Они содержат до 10 -15 ценных металлов. Руды цветных металлов, как правило, очень бедные и содержат всего несколько процентов, а часто и доли процента основного металла. Концентрация ценных элементов-спутников обычно во много раз меньше. Помимо рудных источников, для получения многих цветных металлов (алюминия, меди, цинка, свинца, благородных и ряда других металлов) используют вторичное сырье. К вторичному сырью относят отходы металлообрабатывающей промышленности, бракованные и отслужившие свой срок металлические детали и изделия, различный металлический лом, бытовой утиль и т. д. 6

Виды металлургических процессов Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах (500 -1500°С) чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов. Гидрометаллургические процессы - в водных средах при температурах максимально до 300°С. Выделяемые иногда в отдельную группу электрометаллургические процессы могут быть как пиро- так и гидрометаллургическими. Отличительной особенностью этих процессов является использование электроэнергии. Пирометаллургические процессы : обжиг, плавка и дистилляция. Обжиг - металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500 -1200 °С) с целью изменения химического состава перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными. В цветной металлургии применяют следующие виды обжига: 1. Кальцинирующий обжиг (прокалку) проводят с целью разложения (диссоциации) нагревом неустойчивых химических соединений - гидроксидов, карбонатов и др. 2. Окислительный обжиг применяют для подготовительной обработки сульфидных руд и концентратов с целью полного или частичного перевода сульфидов в оксиды. Разновидностью окислительного обжига является сульфатизирующий обжиг. К окислительному процессу относится и агломерирующий обжиг (обжиг со спеканием). 3. Восстановительный обжиг проводят для восстановления высших оксидов некоторых металлов до низших. 4. Хлорирующий (фторирующий) обжиг проводят с целью перевода оксидов или сульфидов в водорастворимые или летучие хлориды (фториды). 7

Виды металлургических процессов Плавка - пирометаллургический процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала (1000 -1500 о. С). Различают две разновидности плавок - рудные и рафинировочные. Рудные плавки разделяются на следующие виды: 1. Восстановительная плавка. Проводят с целью получения металла за счет восстановления его оксидных соединений углеродистыми восстановителями и перевода пустой породы в шлак (сплав оксидов). В цветной металлургии методом восстановительной плавки получают, например, свинец и олово. 2. Плавка на штейн. Ее применяют с целью извлечения металла в полупродукт, называемый штейном (сплав сульфидов). Вторым продуктом плавки является шлак, концентрирующий в себе оксидные компоненты. Плавку на штейн широко используют при производстве меди и никеля. 3. Электролиз расплавленных солей ведут при воздействии постоянного тока на расплавленную среду, состоящую из оксидов или хлоридов. В результате на катоде выделяется металл (в жидком или твердом состоянии), а на аноде - газ. Электролиз расплавов применяют при получении алюминия, магния и ряда других легких и редких металлов. 4. Металлотермическая плавка. В основе этой плавки лежит принцип вытеснения одного металла из его соединений другим, более активным. Металлотермическую плавку используют при получении ряда легких и редких металлов. 5. Реакционная плавка. Основана на получении металла за счет взаимодействия его оксида и сульфида. Примером реакционной плавки служат процессы получения металлического свинца или меди. 8

Виды металлургических процессов Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных металлов от примесей. В основе их лежит различие в физико-химических свойствах основного металла и металлов-примесей. Существуют следующие разновидности рафинировочных плавок: 1. Окислительное (огневое) рафинирование (образование оксидов примесей). 2. Ликвационное рафинирование (образование и разделение по плотности двух фаз). 3. Сульфидирующее рафинирование (образование сульфидов примесей). 4. Хлорное рафинирование (образование хлоридов). Дистилляция - процесс испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения, дающий возможность разделить компоненты обрабатываемого материала в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы могут использоваться как для первичной переработки рудного сырья, так и для удаления легколетучих примесей при рафинировании металлов или разделении металлических сплавов. Дистилляционные процессы используют в металлургии цинка, кадмия и при получении ряда легких и редких металлов. 9

Виды металлургических процессов Гидрометаллургические процессы Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора. • Выщелачивание - процесс перевода извлекаемых металлов в раствор (растворение) при воздействии растворителя на перерабатываемый материал (руду, концентрат, полупродукты металлургического производства и т. п. ) часто в присутствии газового реагента - кислорода, водорода. В результате выщелачивания получают два продукта: раствор извлекаемого металла, загрязненный примесями, и нерастворимый остаток, состоящий в основном из пустой породы. В качестве растворителей используют воду, растворы кислот, щелочей или солей. • Очистку растворов от примесей проводят с целью предотвращения их попадания в извлекаемый металл при последующем его осаждении в виде химического соединения или в свободном состоянии. Для очистки растворов выщелачивания от примесей используют методы химического осаждения неорганическими или органическими реагентами, кристаллизацию или цементацию. • Осаждение металлов из очищенных растворов может быть проведено электролизом водных растворов, цементацией или восстановлением газообразными восстановителями под давлением. 10

Требования к современному металлургическому процессу 1. Высокая производительность труда (выпуск продукции на одного работника в количественном или стоимостном выражении) 2. Высокая степень извлечения всех ценных составляющих (комплексность использования сырья) 3. Высокая удельная производительность применяемых аппаратов 4. Минимальные энергетические затраты за счет использования внешних источников тепловой и электрической энергии 5. Максимальное использование вторичных энергоресурсов 6. Обеспечение возможности комплексной механизации и автоматизации всех операций 7. Использование простой, надежной, долговечной, безопасной и удобной в эксплуатации, пуске, наладке и ремонте аппаратуры 8. Обеспечение безопасных и безвредных условий труда и охраны окружающей природной среды 11

Продукты и полупродукты металлургического производства Продукцией отдельных предприятий цветной металлургии могут быть: • цветные металлы и сплавы в виде слитков, катодов, проката и т. д. ; • химическая продукция: серная кислота, элементарная сера, медный и никелевый купорос, кальцинированная сода, поташ, различные химические реактивы (соли, оксиды, гидроксиды и т. д. ); • минеральные удобрения: суперфосфат, амофос и др. ; • строительные материалы: цемент, минераловатные и асбошиферные изделия, щебень, гранулированный шлак, шлаковая брусчатка и т. д. ; • тепловая и электрическая энергия; • кислород и аргон. Отходы и полупродукты металлургического производства. К ним относятся: шлак, штейн, пыль, газ, огарок, спёк, кек, шлам, раствор и т. д. Металлы являются основным видом продукции металлургического производства. В цветной металлургии в зависимости от применяемой технологии и состава получающихся металлов различают черновые и рафинированные металлы. Товарной продукцией, поступающей к потребителю для дальнейшего использования по прямому назначению, как правило, являются рафинированные металлы. Черновыми металлами называют металлы, загрязненные примесями. В число примесей входят вредные и ценные элементы - спутники основного металла. Ценные спутники - благородные металлы, селен, галлий, индий, висмут и многие другие - необходимо попутно обязательно извлекать. 12

Штейны Штейном называется сплав сульфидов тяжелых цветных металлов (меди, никеля, свинца, цинка) с сульфидом железа, в котором растворены примеси. Штейны являются промежуточными металлсодержащими продуктами, получение которых характерно для пирометаллургии меди, никеля и частично свинца. В практике цветной металлургии получают медные, медно-никелевые, никелевые и полиметаллические штейны. Они образуются в жидком состоянии и практически не смешиваются с жидкими шлаками, что позволяет отделять их друг от друга путем отстаивания. Для успешного разделения штейнов и шлаков необходимо, чтобы разность их плотностей была не менее 1 (шлак - плотность около 3 г/см 3, плотность штейна - более 4 г/см 3). Основными компонентами медных штейнов являются сульфиды меди и железа (Cu 2 S и Fе. S). В медно-никелевых штейнах преобладают Ni 3 S 2, Сu 2 S и Fе. S. В никелевых – сульфиды никеля и железа, а также ферроникель Fe-Ni. Характерными особенностями медных и медно-никелевых штейнов являются примерное постоянство в них содержания серы (25 %) и обязательное присутствие кислорода в форме растворенных оксидов железа (Fе 3 О 4). Вид штейна Cu Ni Pb Zn Fe S Медный 10 - 60 До 0, 5 До 1, 0 1 -6 30 – 50 23 - 26 Медно-никелевый 5 – 10 5 - 13 - - 40 – 60 24 – 27 0, 1 – 0, 3 12 - 20 - - 55 – 60 15 - 22 10 - 30 - 10 - 20 5 - 10 20 - 40 13 - 22 Никелевый Полиметаллический 13

Шлаки являются вторым обязательным продуктом большинства металлургических плавок. Они образуются за счет пустой породы и флюсов и состоят в основном из оксидов. Кроме шлакообразующих компонентов, реальные заводские шлаки обязательно содержат некоторое количество извлекаемых металлов. При относительно низком содержании ценных компонентов шлаки являются отвальным продуктом, т. е. отходами металлургического производства. С развитием металлургической техники они могут вновь стать ценным сырьем для получения ряда цветных металлов, а также железа и других ценных составляющих. В отдельных видах металлургических плавок и особенно в рафинировочных процессах шлаки получаются очень богатыми. Такие шлаки требуют обязательного обеднения. Для каждого металлургического процесса и применяемого для его осуществления плавильного агрегата подбирают оптимальный состав шлаков. Корректировку состава шлака с целью приближения его к оптимальному проводят введением в исходную шихту соответствующих флюсов - минеральных добавок (кварц Si. O 2, известняк Ca. CO 3). Основными компонентами шлаков цветной металлургии являются Si. O 2, Fе. О и Са. О. Суммарное содержание этих трех основных оксидов обычно составляет от 70 до 90 -95 % (концентрация Са. О 6 -8 %), могут также присутствовать Al 2 О 3, Мg. О, Fе 3 О 4, Zn. О и некоторые другие оксиды. 14

Шлаки К числу важнейших физико-химических свойств шлаковых расплавов, влияющих на показатели плавки, относятся плавкость, вязкость, плотность, растворимость в шлаках металлсодержащего продукта и поверхностные свойства. Плавкость шлаков должна быть минимально допустимой для конкретного металлургического процесса. Реальные шлаки цветной металлургии плавятся обычно при 1100 -1250 °С. От величины вязкости зависит скорость отстаивания металлсодержащей фазы (штейна или металла) и кинетика металлургических реакций. Кремнезем (Si. O 2) снижает плотность шлака и растворимость в нем штейна, но увеличивает плавкость шлака, его вязкость и межфазное натяжение на границе раздела шлак - металлсодержащий продукт. Влияние Fе. О обратно действию Si. O 2. Потери ценных металлов со шлаками обусловлены частичным растворением в шлаке металла в виде оксида Me. O (Cu 2 O, Ni. O…) (электрохимические или растворенные потери), а также содержанием мелких, взвешенных в шлаках сульфидных или металлических капель (механические потери). Механические потери снижаются с увеличением разности плотностей шлака и штейна, размера капель металлсодержащей фазы и жидкотекучести шлаков. Электрохимические потери ценного металла будут тем выше, чем с большим содержанием металла получается штейн, а также при более высоком содержании в шлаке магнетита - Fе 3 О 4, что связано с возможностью протекания реакции Сu 2 S + 3 Fе 3 О 4 = Сu 2 О + 9 Fе. О + SО 2 15

Газы и пыли Большинство пирометаллургических процессов характеризуется образованием значительных количеств газов и пылей. Как правило, эти два продукта удаляются из печей совместно. Пыли и газы пирометаллургических технологий представляют материальную ценность, но служат источником загрязнения окружающей среды. Необходимо проводить их улавливание, использование и обезвреживание. Отходящие металлургические газы можно классифицировать на технологические, образующиеся за счет протекания химических реакций, и топочные, являющиеся продуктами сжигания топлива. Основными компонентами технологических газов являются сернистый ангидрид (SО 2), углекислый газ (СО 2), и пары воды (Н 2 О). В отдельных металлургических процессах возможно выделение газообразного хлора, хлоридов, мышьяковистых и других химических соединений. При сжигании топлива преимущественно образуются СО 2, СО и Н 2 О. Кроме того, в газах обязательно будут присутствовать азот (N 2) и свободный кислород (О 2), поступающие с дутьем. В большинстве случаев газы покидают металлургический агрегат нагретыми до 800 -1300 °С. Комплексная переработка отходящих газов предусматривает: • использование ценных компонентов, например SО 2, для производства серной кислоты, элементарной серы или жидкого сернистого ангидрида; • использование физического тепла газов для получения пара, горячей воды, подогрева воздуха (дутья) и т. д. ; • обезвреживание газов с целью охраны окружающей среды с одновременным использованием содержащихся в них ценных компонентов 16

Газы и пыли Пыли, образующиеся в металлургических процессах, условно можно классифицировать на грубые и тонкие. Образование грубых пылей ( 5 -10 мкм) связано с воздействием газового потока на мелкие частицы перерабатываемой шихты или продукта металлургической переработки. Химический состав грубых пылей обычно идентичен составу исходного материала, из которого они образовались. Обычно грубые пыли возвращают в оборот или объединяют с продуктом данного процесса. Тонкие пыли (возгоны) образуются преимущественно за счет улетучивания (возгонки) легколетучих компонентов. Пары, получающиеся при этом, уносятся газовым потоком и при последующем охлаждении газов конденсируются с образованием твердых частиц или жидких капель (0, 01 -0, 1 мкм). По химическому составу возгоны резко отличаются от исходного материала - они обогащены летучими компонентами, например цинком, кадмием, свинцом, германием, индием и рядом других редких и рассеянных элементов. Возгоны являются ценным сырьем для извлечения этих элементов, поэтому должны обязательно подвергаться самостоятельной дальнейшей переработке. Для наиболее полного извлечения всех ценных компонентов перерабатываемого сырья, высокой комплексности его использования и защиты окружающей природы от загрязнений необходимы хорошо организованные пылеулавливание и газоочистка. 17

Металлургическое топливо Многие металлургические процессы осуществляются при высоких температурах и связаны с затратами тепловой энергии. Необходимые температуры достигаются сжиганием топлива или за счет использования электроэнергии (кроме автогенных процессов). В состав топлива входят в основном углерод, водород, а также сера, присутствующие в виде различных соединений и составляющие горючую массу (несгораемая масса - зола). По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо, а по способу получения - естественное и искусственное. Горение топлива осуществляется за счет кислорода дутья. В качестве дутья используется: Ø воздух (21 % О 2); Ø смесь воздуха с кислородом (обогащенное дутье); Ø технологический кислород (95 -98 % O 2). Полнота сжигания топлива характеризуется коэффициентом избытка дутья α. Если количество дутья соответствует теоретически необходимому для полного сжигания топлива, то α = 1. При недостатке дутья α меньше 1, а при его избытке больше 1. В металлургии стремятся использовать высококачественное топливо с высокой теплотворной способностью и низким содержанием золы. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют природный газ, высококалорийный каменный уголь, мазут, кокс. Кокс относится к искусственным видам топлива. Его получают путем сухой перегонки специальных сортов (коксующихся) каменных углей при 9001000 °С в герметично закрытых камерах - коксовых батареях. 18

Флюсы, огнеупорные материалы Флюсами называются минеральные добавки, используемые в пирометаллургических процессах для корректирования состава получающихся шлаков. При производстве меди и никеля в качестве флюсующих добавок используют, как правило, кварц и известняк. Ø Кварц является кислым флюсом, состоящим в основном из кремнезема Si. O 2 (от 60 до 95%). Кварцевый флюс применяют при переработке сырья с повышенным (избыточным) содержанием основных оксидов (Fе. О, Са. О и др. ). Ø Известняк, состоящий в основном из Са. СО 3 (45 – 52 % Сa. O), относится к основным флюсам. При нагревании до температур выше 900 -1000 °С он разлагается по реакции Са. СО 3 → Са. О + СО 2. Известняк в больших количествах обычно применяют при переработке шихт с повышенным содержанием кремнезема. Добавки флюсов в чрезмерных количествах ведут к увеличению выхода шлаков, что может привести к увеличению абсолютных потерь извлекаемых металлов. Использование огнеупорных материалов в металлургии меди и никеля связано с проведением многих металлургических процессов при температурах до 1500 °С и выше в условиях сильно агрессивных сред, главным образом расплавленных шлаков. Огнеупорные материалы используют для сооружения плавильных печей и ряда других металлургических агрегатов, а также для создания в них внутренней защитной облицовки - футеровки. Огнеупорными называют строительные материалы, выдерживающие без расплавления температуры до 1600 °С и более. По своему составу они в основном представляют собой оксидные системы (Si. O 2, Al 2 O 3, Mg. O, Cr 2 O 3). 19