Производство цветных металлов
Производство алюминия.
По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре составляет 8,8%. В свободном состоянии в природе не встречается из-за большой химической активности. Главная масса алюминия сосредоточена в бокситах, нефелинах, алунитах, каолинах и др. рудах. Наиболее ценная алюминиевая руда – бокситы, содержащие около 50% оксида алюминия Al2O3.
Производство алюминия заключается в получении оксида алюминия из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированными способами, получении первичного металла электролизом оксида алюминия (в специальных аппаратах – электролизерах), растворенного в расплавленном криолите Na2[NaAlF6] при температуре около 9500С, и рафинировании этого металла. Максимальное содержание оксида алюминия в электролите составляет 6…8%.
Черновой алюминий содержит примеси, от которых его очищают продуванием расплава хлором при температуре 750…7700С в течение 10…15 мин, после чего разливают в изложницы. Чистота первичного алюминия составляет 99,7…99,5%. Перспективен хлоридный способ получения алюминия, позволяющий уменьшить затраты энергии и снизить загрязнение окружающей среды.
В зависимости от способов получения и химического состава различают: алюминий особой чистоты (марки А999), содержащий не более 0,001% примесей и получаемый зонной плавкой и дистилляцией электролитически рафинированного металла; алюминий высокой чистоты (марок А995, А99, А97, А95), содержащий от 0,005 до 0,05% примесей и получаемый из первичного металла технической чистоты дополнительным рафинированием; алюминий технической чистоты (марок А85, А8, А7, А6, А5, А0, А и АЕ), содержащий от 0,15 до 1,00% примесей.
Производство меди.
Содержание меди в земной коре составляет 4,7×10-3% по массе. Около 30% всех мировых запасов сосредоточены в сульфидных рудах: медном колчедане CuS·FeS, халькозине Cu2S, ковеллите CuS и др. Содержание меди в рудах, как правило, не превышает 5%. Медь самородная встречается редко.
Извлечение меди производят двумя способами: гидрометаллургическим и пирометаллургическим, причем второй нашел более широкое распространение. Он включает операции обогащения руд с получением концентрата, его обжиг, плавку на медный штейн, получение черновой меди и ее рафинирование.
После обогащения концентрат подвергают обжигу при температуре 800…9000С для частичного удаления (до 50%) серы. При этом образуются оксиды меди и железа. Руду, прошедшую обжиг, называют огарком. Плавка на штейн проводится в отражательных пламенных печах и электропечах. Штейн – это сплав, состоящий, в основном, из сульфидов Cu2S и FeS и небольшого количества примесей.
В рабочем пространстве температура достигает 16000С. На поду печи скапливаются жидкие продукты плавки: шлак и штейн. Штейн, по мере накопления, выпускают в ковш при температуре 900…11500С, и он поступает в конвертер для переработки в черновую медь. Этот процесс, длящийся в общей сложности до 30 часов, делится на два периода. Первый период заключается в окислении сульфидов железа кислородом дутья:
2FeS+3O2=2FeO+2SO2+Q1.
Образующийся оксид железа FeO взаимодействует с кремнеземом флюса и переходит в шлак:
2FeO+SiO2=SiO2··2FeO+Q2.
В результате получается белый штейн, состоящий, в основном, из сульфида меди, и силикатный шлак, который скачивают.
Во втором периоде продолжается окисление сульфида меди при продувке штейна воздухом:
2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2.
Образующийся оксид меди взаимодействует с сульфидом с образованием черновой меди:
2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO2.
Черновая медь содержит в качестве примесей до 0,1% Fe, 0,5% S, 1,0% O2 и др. элементы. Полученную черновую медь разливают в слитки и отправляют на рафинирование, проводимое огневым или электролитическим способами. Огневое позволяет получать медь чистоты 99,5%. Для получения большей чистоты (до 99,98%), а также для извлечения из меди благородных металлов осуществляют электролитическое рафинирование.
Производство титана.
Содержание титана в земной коре составляет 0,63% (4-е место после Al, Fe и Mg). Он входит в состав свыше 100 минералов, из которых важнейшими являются рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3·Fe3O4, перовскит CaTiO3 и титанит CaO·TiO2·SiO2. Промышленное производство было освоено только после второй мировой войны.
Исходным продуктом для производства металлического титана служат, главным образом, не содержащие кислорода вещества, получаемые из титановых руд. Основное вещество – четыреххлористый титан TiCl4. При проектировании всех титановых заводов в СССР был принят магниетермический способ производства титана из TiCl4.
Более низкое, по сравнению с кальцием, натрием и магнием сродство титана к хлору при температурах, представляющих практический интерес для осуществления процесса восстановления, доступность TiCl4, достаточно высокая его чистота и относительно низкая его стоимость, а также возможность получения из него титана высокого качества делают TiCl4 в настоящее время основным сырьем для металлотермического получения титана.
В процессе производства очищенный TiCl4 восстанавливают чистым магнием в среде аргона по суммарной реакции
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2.
Затем образовавшуюся титановую губку (пористая масса) подвергают вакуумнотермической обработке, чтобы удалить избыточный магний и MgCl2.
Содержание основных примесей в магниетермическом титане составляет (%): 0,01…0,03 С; 0,05…0,015 O; 0,01…0,05 N; 0,03…0,2 Fe; 0,04…0,12 Mg.
Более глубокой очистки достигают зонной плавкой.