Братковский Е.В., Заводяный А.В. Высокие технологии в металлургии. Производство цветных металлов

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Государственный технологический университет

«Московский институт стали и сплавов»

Новотроицкий филиал

Кафедра металлургических технологий

Е.П. Большина

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

«ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ.

Ч.1 ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»

для студентов специальности:

150101 «Металлургия черных металлов»

очной и заочной форм обучения

Новотроицк – 2008

Большина Е.П. Учебное пособие по дисциплине «Высокие технологии в металлургии.

ч.1 Производство цветных металлов» для студентов специальности 150101 «Металлургия

черных металлов» очной и заочной форм обучения. – Новотроицк: НФ МИСиС, 2008. – 68 с.

Учебное пособие предназначено для студентов металлургических специальностей.

Кратко изложена теория и практика современной металлургии меди, никеля, алюминия,

магния и титана. Рассмотрены основы производства, применяемое оборудование, приведены

технико-экономические показатели основных переделов.

Одобрено на заседании кафедры МТ

Протокол № 22 от 29.04.08

Содержание

Введение

Раздел 1. Металлургия меди 5

1.1 Основы металлургии 5

1.2 Свойства меди и области её применения 8

1.3 Сырье для получения меди 9

1.4 Пирометаллургический способ производства меди 10

1.5 Плавка на штейн медного сырья 13

1.6 Автогенные процессы 20

1.7 Конвертирование медных штейнов 21

1.8 Рафинирование черновой меди 23

Раздел 2. Металлургия никеля 26

2.1 Свойства никеля и его применение 26

2.2 Сырье для получения никеля 27

2.3Схемы переработки никелевых руд 28

2.4 Получение огневого никеля из окисленных руд 30

2.5 Получение никеля из сульфидных медно-никелевых руд 35

Раздел 3. Металлургия алюминия 41

3.1 Свойства алюминия и области его применения 41

3.2 Сырье для получения алюминия 42

3.3 Схема производства алюминия 43

3.4 Производство глинозема 44

3.5 Производство криолита и фтористых солей 50

3.6 Электролитическое получение алюминия 51

3.7 Рафинирование алюминия 53

Раздел 4. Металлургия магния и титана 56

4.1 Свойства магния и области его применения 56

4.2 Сырье для получения магния 56

4.3 Общие принципы производства магния 57

4.4 Хлоридное производство магния 57

4.5 Свойства титана и области его применения 62

4.6 Сырье для получения титана и общие принципы его переработки 62

4.7 Хлоридное производство титана 63

Библиографический список 68

Введение

Металлургическое производство – одно из древнейших. Металлургией называют

науку и область техники, занимающиеся получением металлов из руд и других видов

металлосодержащего сырья.

С древности человеку известно восемь металлов: золото, серебро, медь, олово,

свинец, ртуть, сурьма и железо. В настоящее время производится и потребляется около 80

металлов.

Несмотря на успехи в технологиях, поставляющих новые синтетические материалы,

комплекс свойств, присущих металлам, остается непревзойденным.

Потребность в металлах из года в год возрастает. Они используются во всех отраслях

экономики. Ежегодное мировое производство основных цветных металлов составляет

десятки миллионов тонн. Некоторые металлы получают в небольших количествах, но они

необходимы новым отраслям экономики.

Постоянный рост выплавки металлов истощает запасы сырья. Уже в настоящее время

по некоторым рудам возникает угроза дефицита сырья. Поэтому одной из основных задач на

современном этапе развития металлургического производства является комплексное

использование сырья и внедрение ресурсосберегающих технологий.

Сырье цветных металлов бедное, поэтому велико количество отходов. Их необходимо

подвергать переработке или утилизации, чтобы не загрязнять окружающую природную

среду. Все это приводит к усложнению и удорожанию существующих металлургических

технологий.

Из-за внедрения принципиально новых технологических процессов повышаются

требования к чистоте металлов, часто они не ограничиваются допуском содержания

примесей в количествах порядка сотых и тысячных долей. Иногда необходимы металлы и

сплавы с содержанием примесей порядка не менее 10

-4

В то же время глубокая очистка приводит к дополнительным потерям металлов и

снижает их выход. Устранение этого противоречия требует взвешенных, обоснованных

решений, подкрепленных технико-экономическими расчетами. Научный технико-

экономический анализ – необходимое условие современного производства металлов.

Раздел 1. Металлургия меди

1.1 Основы металлургии

С электрохимической точки зрения металлами называются элементы, имеющие в

процессе реакций преимущественную тенденцию к отдаче электронов, в отличие от

металлоидов, стремящихся к их присоединению.

Многочисленность металлов, различия в их свойствах, методах получения и областей

потребления определяет необходимость их классификации по отдельным группам.

В современных условиях используют промышленную классификацию металлов,

которая отражает исторически сложившуюся структуру металлургической промышленности

и, как следствие этого, структуру подготовки инженерно-технических кадров нашей страны.

Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: черные

и цветные (в зарубежной практике металлы обычно делят на железные и нежелезные).

К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец, и хром, производство

которых тесно связано с металлургией чугуна и стали. Все остальные металлы относятся к,

цветным. Название «цветные металлы» довольно условно, так как фактически только золото

и медь имеют ярко выраженную окраску. Все остальные металлы, включая черные, имеют

серый цвет с различными оттенками - от светло-серого до темно-серого.

Цветные металлы условно делятся на пять групп:

1. Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. Своё название они

получили из-за больших масштабов производства и потребления, большого («тяжелого»)

удельного веса в народном хозяйстве.

2. Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт. Они

являются природными спутниками основных тяжелых металлов. Обычно их получают

попутно, но производят в значительно меньших количествах.

3. Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций,

стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди всех металлов плотность

(удельную массу).

4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий,

рутений, осмий, иридий). Эта группа металлов обладает высокой стойкостью к воздействию

окружающей среды и агрессивных сред.

5. Редкие металлы. В свою очередь подразделяются на подгруппы:

а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий;

б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий, цезий;

в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен,

теллур;

г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды;

д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы.

В металлургической промышленности используют почти все виды полезных

ископаемых.

Основным сырьем для получения металлов являются руды – горные породы,

содержащие в своем составе металл или металлы в количествах, которые при современном

уровне развития обогатительной и металлургической техники могут быть экономически

выгодно извлечены в товарную продукцию.

Руды состоят из минералов – природных химических соединений, подразделяющихся

на рудные (ценные) и пустую породу. К пустой породе относят минералы, не содержащие

извлекаемых элементов; эти породы чаще всего представлены кварцем, карбонатами,

силикатами, алюмосиликатами.

Хотя с металлургической точки зрения пустая порода не представляет ценности,

безотходные технологии должны полностью использовать все сырьевые ресурсы. Пустая

порода может с успехом применяться при получении ряда строительных материалов

(цемент, шлаковата, шлаковая брусчатка и пр.)

Состав руды определяют химическим анализом. Кроме химического состава для

практических целей необходимо знать и вид присутствующих в сырье минералов

(минералогический состав), и распределение всех компонентов сырья между минералами

(фазовый состав).

В зависимости от вида присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных

металлов делятся на группы:

1) сульфидные, в которых металлы находятся в форме сернистых соединений.

Примером таких руд могут служить медные, медно-никелевые и свинцово-цинковые руды;

2) 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;

3) смешанные, в которых металлы могут находиться как в сульфидной, так и в

окисленной форме (медные руды);

4) самородные, содержащие металлы в свободном состоянии. В самородном

состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь и платина.

Сульфидные руды по форме размещения в земной коре делятся на сплошные,

состоящие почти полностью из сульфидных минералов, и вкрапленные, когда сульфиды в

виде мелких включений присутствуют в пустой породе. Вкрапленные руды, как правило,

беднее сплошных.

По числу присутствующих металлов руды классифицируются 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. Однако многие сопутствующие элементы по

ценности значительно превосходят основные компоненты руды. Примерная стоимостная

оценка двух видов руд приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Ценностная структура медной и окисленной никелевой руд

компонент

руды

содержание,

ценность,

компонент

руды

содержание

, %

ценность,

Медная руда Окисленная никелевая руда

медь 2,5 26 никель 1,0 37,0

цинк 2,5 15,6 кобальт 0,1 11,1

сера 40,0 41,7 железо 35,0 51,9

золото 2 · 10

-4

10,4

серебро 30 · 10

-4

6,3

При переработке сложных по составу руд необходимо добиваться полного

комплексного использования всех ее ценных составляющих, т. е. безотходной технологии.

Об уровне технического развития металлургического предприятия и его технологии в

первую очередь судят по коэффициенту комплексности использования сырья, который

определяется как отношение стоимости извлеченных в товарную продукцию компонентов к

их стоимости в исходной руде.

Рентабельный минимум, т. е. то минимальное содержание основного металла, которое

определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды,

постоянно снижается. Так, если в конце XIX в. к категории медных руд относили горные

породы с содержанием меди не менее 1,5%, то сейчас эта величина снизилась до 0,4-0,5%.

Снижению рентабельного минимума способствуют развитие и совершенствование

обогатительной и металлургической техники и повышение коэффициента комплексности

использования сырья, т. е. чем больше извлекается ценных компонентов, тем с меньшим

содержанием основного компонента экономически и технически выгодно перерабатывать

руду.

Руды, как и другие полезные ископаемые, образуют естественные скопления,

которые называются месторождениями. Содержание ценных элементов в месторождениях

значительно выше их среднего содержания в земной коре. Самый распространенный металл

в природе – алюминий (7,5%), наиболее редкие – полоний и актиний (их кларк близок к 10

Распространенность в земной коре некоторых металлов характеризуется следующими

величинами, %:

алюминий 7,50 вольфрам 7 · 10

-3

железо 4,70 молибден 1 · 10

-3

кальций 3,40 свинец 8 · 10

-4

натрий 2,64 олово 6 · 10

-4

калий 2,40 уран 5 · 10

-4

магний 1,94 селен 8 · 10

-5

титан 0,58 платина 2 · 10

-5

медь 0,01 серебро 4 · 10

-6

цинк 0,02 золото 5 · 10

-7

никель 0,018 рений 1 · 10

-7

Ряд металлов, например рассеянных, собственных месторождений не образует.

Обычно в очень небольших концентрациях они присутствуют в виде примесей в минералах

основных цветных металлов.

Так как большинство руд цветных металлов бедны, руды обычно обогащают, т.е.

повышают содержание металлов в сырье, поступающем на металлургическую переработку.

Основной метод обогащения, применяемый в цветной металлургии – флотация. Перед

обогащением сырье проходит механическую подготовку: дробление, измельчение,

грохочение.

Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяются на

две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах 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 в качестве движущей энергетической

силы для их протекания.

Пирометаллургические процессы

Пирометаллургические процессы по характеру поведения участвующих в процессе

компонентов и их конечным результатам можно разделить на три группы: 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: кальцинирующий, окислительный,

восстановительный, хлорирующий и фторирующий.

Плавка – пирометаллургический процесс, проводимый при температурах,

обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого

материала.

Различают две разновидности плавок – рудные и рафинировочные. По характеру

протекания химических реакций рудные плавки подразделяют на виды: восстановительная,

плавка на штейн, электролиз расплавленных солей, металлотермическая, реакционная.

Некоторые металлы получают проведением восстановительной или окислительной плавки. В

случае переработки сульфидного сырья содержащуюся в рудах серу часто используют в

качестве топлива и химического реагента.

Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных металлов от

примесей. В их основе лежат различия в физико-химических свойствах основного металла и

металлов-примесей. Различают разновидности рафинировочных плавок: окислительное

(огневое) рафинирование, ликвационное, сульфидирующее рафинирование, хлорное

рафинирование. Могут использоваться дистилляционные процессы – процессы испарения

вещества при температуре несколько выше точки его кипения. Дистилляция с целью

рафинирования называется ректификацией.

При получении металлов высокой степени чистоты также используют различные

специальные методы: зонная плавка (в металлургии алюминия, вольфрама), иодидное

рафинирование титана и др.

Гидрометаллургические процессы

Эта группа процессов проводится при низких температурах на границе раздела чаще

всего твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех

основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из

раствора.

Применяющиеся на действующих предприятиях цветной металлургии

технологические процессы в большинстве случаев далеко не полностью удовлетворяют

современным требованиям. Ряд процессов и их аппаратурное оформление устарели и

нуждаются в замене новыми, более совершенными.

Современные металлургические процессы получения цветных металлов и, тем более,

процессы ближайшего будущего должны удовлетворять по меньшей мере следующим

основным требованиям:

1) высокая удельная производительность применяемых аппаратов;

2) высокая производительность труда (выпуск продукции на одного работника в

количественном или стоимостном выражении);

3) высокая степень извлечения всех ценных составляющих;

4) высокая степень комплексности использования сырья;

5) минимальные энергетические затраты за счет использования внешних источников

тепловой энергии или электричества;

6) максимальное использование вторичных энергоресурсов;

7) обеспечение возможности комплексной механизации и автоматизации всех

операций;

8) использование простой, дешевой, долговечной и удобной в работе, пуске, наладке и

ремонте аппаратуры;

9) обеспечение возможности создания непрерывных, поточных, полностью

автоматизированных технологических линий получения металлов;

10) обеспечение безопасных и безвредных условий труда и охраны окружающей

природы.

1.2 Свойства меди и области её применения

В периодической системе элементов Д.И.Менделеева медь расположена в I группе 4-

го периода, её порядковый номер 29. Атомная масса 63,54. Как элемент первой группы медь

одновалентна. В этом состоянии она широко представлена в рудных минералах, штейнах,

шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах их окисления в природе и в

технологических процессах более устойчивым является двухвалентное состояние.

Температура плавления меди 1083

С. Температура кипения – 2325

С.

Медь – мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета, легко поддается

механической обработке. Легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку.

Важнейшее свойство - электропроводность (уступает только серебру). Примеси

снижают электропроводность, поэтому в электротехнике применяют медь высокой степени

чистоты.

Также медь отличается высокой теплопроводностью.

В химическом отношении медь малоактивна, хотя может непосредственно

соединяться с кислородом, серой, галогенами и некоторыми другими элементами.

При обычной температуре и сухом воздухе медь остается инертной, но во влажном

воздухе, содержащем СО

, медь окисляется и покрывается защитной пленкой основного

карбоната СuCO

·Cu(OH)

, являющегося ядовитым веществом.

В растворах соляной и серной кислот в отсутствии окислителя медь не растворяется.

В кислотах, одновременно являющихся окислителями (азотная или горячая

концентрированная серная), медь растворяется легко.

При высоких температурах в пирометаллургических процессах устойчивыми

соединениями меди являются Cu

O и Cu

Медь и её сульфид Cu

S являются хорошими коллекторами (растворителями) золота и

серебра, что делает возможным их высокое попутное извлечение при производстве меди.

Важное свойство меди – образовывать сплавы с другими металлами. Это бронзы (Cu

+ Sn), латуни (Cu + Zn) медно-никелевые сплавы.

В современных бронзах в качестве присадок используют алюминий, кремний,

бериллий, свинец. Применяются эти бронзы для изготовления ответственных деталей и

литых изделий.

Например, бериллиевые бронзы (2% Ве) по механическим свойствам превосходят

многие сорта стали и имеют хорошую электропроводность. Алюминиевые бронзы (5-10%

Al) очень прочны и идут на изготовление авиационных двигателей.

В специальные латуни, кроме цинка, добавляют алюминий, железо, кремний, никель.

Латуни идут на изготовление радиаторов, труб, гибких шлангов, патронных гильз,

художественных изделий.

Из медно-никелевых сплавов наиболее известны мельхиор (применяется в

кораблестроении, т.к. устойчив к воздействию морской воды) и нейзильбер – стоек в

растворах солей и органических кислот (изготавливают медицинские инструменты).

Около 50% всей меди использует электропромышленность. Также медь используется

в машиностроении, ракетной технике, при производстве строительных материалов, в

транспорте, химической промышленности, сельском хозяйстве.

1.3 Сырье для получения меди

Кларк меди, т.е. её содержание в земной коре, равен 0,01%. Однако она образует

многочисленные месторождения. Характерным для меди является наличие в природе всех 4-

х типов руд. Однако основным медным сырьем являются сульфидные руды. Из сульфидных

руд в настоящее время выплавляют 85-90% всей первичной меди.

В России медные руды добывают на Урале – Кировград, Красноуральск, Медногорск,

Гай и др., в Заполярье – на Кольском полуострове и на Таймыре.

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения -

концентраты - и вторичное сырье. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится

около 40 % от общего выпуска меди.

Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим.

Монометаллических руд меди в природе нет. Ценными спутниками меди в рудном сырье

являются около 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золото,

серебро, металлы платиновой группы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий,

таллий, молибден, железо.

Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются редко.

Наибольшее промышленное значение имеет небольшая группа минералов, состав которых

приведен в таблице 2.

Таблица 2 – Промышленные медные минералы

минерал химическая

формула

содержание меди,

Сульфидные минералы

халькопирит CuFeS

34,5

ковеллин CuS 66,4

халькозин Cu

S 79,8

борнит Cu

FeS

63,3

Окисленные минералы

малахит CuCO

·Cu(OH)

57,4

азурит CuCO

· 2Cu(OH)

55,1

куприт CuO 88,8

хризоколла CuSiO

·2H

O 36,2

самородная медь Cu, Ag, Au, Fe, Bi и др. до 100

Бóльшая часть медных руд добывается в настоящее время открытым способом. В

России на долю подземной добычи приходится около 30%.

В современной практике обычно разрабатывают руды с содержанием 0,8-1,5% меди,

иногда выше. Но для крупных месторождений вкрапленных руд минимальное содержание

меди, пригодное для разработки, составляет 0,4-0,5%. Если в породе содержится меньше

указанного количества меди, её переработка нерентабельна.

Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных

металлов и ряда редких – селена, теллура, рения, висмута и др.

Вследствие низкого содержания меди в руде и комплексного характера руд сырье

предварительно подвергают флотационному обогащению. При обогащении медных руд

основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55% Cu (чаще 10-30%).

Также получают пиритные концентраты и концентраты других цветных металлов, например

цинковый. Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами

крупностью 74 мкм и влажностью 8-10%.

Медные руды и концентраты имеют одинаковый минералогический состав и

отличаются лишь количественным соотношениями между различными минералами. Физико-

химические основы их металлургической переработки совершенно одинаковы.

1.4 Пирометаллургический способ производства меди

Для переработки медьсодержащего сырья с целью получения металлической меди

применяют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы. В общем объеме производства

меди на долю пирометаллургических способов приходится около 85% мирового выпуска

этого металла. В России на долю гидрометаллургического способа производства меди

приходится менее 1%.

Пирометаллургическая технология предусматривает переработку исходного сырья

(руды или концентрата) на черновую медь с последующим её обязательным

рафинированием. Так как основная масса медной руды или концентрата состоит из

сульфидов меди и железа, то конечная цель пирометаллургии меди – получение черновой

меди - достигается за счет практически полного удаления пустой породы, железа, серя.