Производство магния. Магниевые руды. Понятие об электролитическом способе получения магния.

Производство титана. Титановые руды. Схемы получения титана.

Производство алюминия. Исходные материалы. Производство глинозема. Электролитическое производство алюминия. Рафинирование алюминия.

Производство меди. Исходные материалы. Получение медных штейнов. Рафинирование меди.

Тема 16. Производство цветных металлов и их сплавов.

Вопросы:

1. Медь – металл красновато – розового цвета, плотностью 8940 кг/м³, с температурой плавления 1083°С. Она обладает высокой электропроводностью, теплопро­водностью, хорошо куется, прокатывается, но плохо от­ливается. Медь в чистом виде применяют для изготов­ления проводов, шин и других деталей в электротехнике. По электропроводности она уступает только серебру. Широко используют медь для изготовления различных сплавов. В природе этот металл встречается в самород­ном виде и в виде руды.

Из самородков выплавляют примерно 5% меди. Мед­ные руды содержат небольшое количество меди. Пригод­ной для переработки считается руда, содержащая 0,5% меди и более. Для получения 1 т меди расходуется до 200 т руды. По химическому составу руды делят на сульфидные, в которых медь находится в виде соединений с серой, и окисленные, содержащие соединение меди с кислородом. Примерно 80% меди выплавляют из суль­фидных руд.

Рис. 19. Схема пламенной печи для плавки медных руд и концентра­тов:

1 – под печи; 2 – воронки для загрузки руды; 3 – бункер с рудой; 4 – шихта на поду печи; 5 – отверстие для выпуска готового продукта

Руды, содержащие менее 3% меди, перед плавкой обогащают обжигом флотационным способом. Флотаци­онный способ основан на различном смачивании водой частиц руды, содержащих металл, и пустой породы. В обогащенной руде (концентрате) содержится от 10 до 40% меди.

Из руд медь извлекают двумя способами: пироме­таллургическим и гидрометаллургическим. Преимущест­венное распространение получил пирометаллур-гический способ. Он включает в себя следующие стадии произ­водства: обжиг концентрата, плавку на штейн, получе­ние черновой меди, рафинирование. Обжиг проводят в многоподовых печах или в печах кипящего слоя в окис­лительной среде при температуре до 850ºС. В процессе обжига из концентрата удаляют значительную часть серы и других примесей. Образуется обожженная ших­та (огарок) и газ SО₂, который используют для произ­водства серной кислоты. Следующим процессом являет­ся плавка обожженной шихты на штейн в шахтных или пламенных печах (рис. 26) при температуре до 1550°С. Наибольшее применение имеют пламенные печи. В них поддерживается слабоокислительная или нейтральная атмосфера, чтобы сернистое железо FeS не окислялось печными газами.

Продуктами плавки являются штейн и шлак. Штейн, имеющий большую, чем шлак, плотность, собирается на поду печи, а шлак образует верхний жидкий слой. Шлак выпускают по мере накопления через окно, расположен­ное в хвостовой части печи, а штейн – через отверстия (обычно два), расположенные в боковой стенке печи. Штейны содержат 16...60% Сu, 1...50% Fe и 23...28% S.

Черновую медь получают из жидкого штейна, проду­вая его воздухом, в горизонтальных цилиндрических конвертерах с боковым дутьем или в вертикальных кон­вертерах.

Впервые продувку штейна в конвертере осуществил в 1886 г. русский инженер В. А. Семенников. В процессе продувки, которая длится от 16 до 24 ч, выгорает сера.

Черновая медь содержит до 2% различных примесей, и ее в дальнейшем рафинируют (очищают). Применяют­ся два вида рафинирования: огневое и электрическое. Огневому рафинированию подвергают медь, содержащую незначительное количество благородных металлов. Ра­финированная огневым способом медь содержит 99...99,7% Сu. Ее выпускают из печи и разливают в слитки для прокатки или в анодные пластины для электриче­ского рафинирования. Электрическим рафинированием получают медь высокой чистоты (не менее 99,9% Си) и извлекают находящееся в ней золото и серебро.

2. Алюминий – серебристо-белый металл, об­ладающий хорошей электропроводностью и теплопровод­ностью. По электропроводности он уступает только сере­бру и меди. На воздухе в присутствии влаги алюминий покрывается синевато-серой пленкой, защищающей его от дальнейшего окисления.

Рис. 20. Схема электролизной ванны для получения алюминия:

1 – катодные шины; 2 – угольные плиты; 3 – футеровка; 4 – кожух; 5 – анодные стержни; 6 – угольные блоки; 7 – шихта; 8 – дно ванны

Плотность алюминия 2700 кг/м³, температура плавления 658 °С. Главные при­родные запасы алюминия заключены в бокситах, алуни­тах, нефелинах и глинах. Наибольшее промышленное применение получили бокситы, которые содержат 30... 57% А1₂О₃ и пустую породу.

Технология производства алюминия включает сле­дующие процессы: получение чистого глинозема из руд. Получение первичного алюминия электролизом глино­зема, рафинирование первичного алюминия. Чистый гли­нозем А1₂О₃ получают из бокситов щелочным, кислотным, электро-металлургическим и комбинированным мето­дами.

Металлический алюминий получают по методу, раз­работанному профессором П. П. Федотьевым в 20-х го­дах XX в., – электролизом глинозема, растворенного в криолите. Электролизная ванна заключена в стальной кожух 4 (рис. 20), внутри она выложена угольными бло­ками 2. К подине подведены катодные шины 1, и весь корпус ванны является, таким образам, катодным уст­ройством. Анодами служат угольные блоки 6, которые присоединены к электрододержателям 5. Через загружен­ную глиноземом и криолитом ванну пропускают посто­янный ток силой 70...75 кА и напряжением 4...4,5 В. Ших­та нагревается и расплавляется теплотой, выделяющейся при прохождении тока между анодом и катодом. Рабо­чая температура составляет 930...950°С. Образующийся в процессе электролиза жидкий алюминий собирается на подине ванны, откуда его выкачивают вакуум-насосом в ковш.

Для получения 1 т алюминия расходуется до 18 5000 кВт·ч электроэнергии. Для очистки расплавлен­ного алюминия от растворенных в нем газов и примесей его продувают в течение 10...15 мин хлором.

После рафинирования хлором получают алюминий чистотой до 99,85%, а после дальнейшего электролити­ческого рафинирования – чистотой до 99,99%.

3. Титан – металл серебристого цвета, плотно­стью 4500 кг/м³ с температурой плавления 1660°С. Ти­тан и его сплавы имеют большую .коррозионную стой­кость, жаропрочность и легко поддаются механической обработке. Они хорошо куются, штампуются и прокаты­ваются в листы, ленты и даже в фольгу. Наиболее рас­пространенными рудами для производства титана явля­ются ильменит FeO·TiО₂ и рутил TiО₂. Существует не­сколько способов получения металлического титана из руд.

Наиболее широкое применение на заводах получил магнийтермический способ производства титана, кото­рый включает следующие технологические операции: обогащение титановой руды; плавку на титановый шлак; получение четыреххлористого титана TiCI₄; восстанов­ление титана магнием; очистку титана. Из титана и его сплавов изготовляют насосы для перекачки агрессивных жидкостей, применяемых на животноводческих фермах, которые работают во много раз дольше аналогичных на­сосов, изготовленных из чугуна, стали и других материа­лов. Применение деталей из титана и его сплавов в дви­гателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей примерно на 20%.

4. Магний – серебристо-белый металл, плотно­стью 1740 кг/м³, с температурой плавления 651°С. Маг­ний и сплавы на его основе имеют малую плотность при сравнительно высоких механических свойствах. Магние­вые сплавы обладают способностью хорошо противо­стоять ударным нагрузкам. Они подразделяются на деформируемые и литейные. Эти сплавы исключительно хорошо обрабатываются резанием. Основными рудами для производства магния являются карналит (MgCI₂·KCI·6H₂О), магнезит (MgCО₃) и другие. Маг­ний получают электролизом из его расплавленных солей.

Электролиз производят при температуре 720°С, напря­жении около 3 В и силе тока до 50 кА. Расход электро­энергии на получение 1 т магния составляет 15... 17 тыс. кВт·ч. После рафинирования чернового магния, полу­ченного электролизом, его разливают в изложницы на чушки.

Чистый магний применяют при получении высо­копрочного чугуна, в пиротехнике, для приготовления сплавов.

Магниевые сплавы используются для изготов­ления деталей колес автомобилей, самолетов, а также отбойных молотков, фотоаппаратов, радиодеталей.