Последовательность получения меди

Для производства меди используют пирометаллургический способ, так как он позволяет извлекать из руд попутно с медью другие металлы, в том числе и драгоценные. Производство меди осуществляется в следующей последовательности (рис. 7):

1. Для плавки применяют медные руды, содержащие 1 – 6 % Cu, в виде, главным образом, сернистых соединений (CuFeS₂, Cu₂S, CuS), а также отходы меди.

2. Для обогащения применяют метод флотации, позволяющий получить концентрат с содержанием Cu ~ 10 – 35 %.

Флотация – процесс обогащения, основанный на избирательном прилипании частиц минералов, дисперсированных в жидкой среде, к поверхности раздела двух фаз (жидкость – газ, жидкость – жидкость и др.).

3. Для уменьшения содержания серы в руде (концентрате) проводят окислительный обжиг при Т = 750 – 800⁰ С. В присутствии кислорода сульфиды окисляются и содержание серы уменьшается почти в 2 раза. Отходящие газы в виде SO₂ (сернистый газ) идут на производство H₂SO₄. Для бедных руд, с содержанием Cu 8 – 25 %, обжиг проводят. Богатые руды, с содержанием Cu 25 – 35 %, плавят без обжига.

4. В специальных печах при Т = 1250 – 1300⁰ С происходит плавка концентрата, при которой расплавленная масса за счет соответствующих химических реакций разделяется на две части: штейн, состоящий из сульфидов Cu₂S и FeS, и шлак, состоящий из окислов и силикатов.

Штейн – промежуточный продукт производства цветных металлов (Cu, Ni, Pb и др.), представляет сплав сульфидов этих элементов с FeS.

5. Продукт плавки выпускают из печи в виде сплава – штейна, который содержит 20 – 60 % Fe и 20 – 25 % S. В расплавленном состоянии (Т_пл = 950 – 1050⁰С) штейн поступает в конвертеры.

6. В конвертерах расплавленный медный штейн продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов Cu и Fe с образованием оксидов Cu и Fe. Оксиды железа выводятся в шлак и на первом этапе продувки образуется штейн, содержащий в основном, только сульфиды меди (белый штейн).

7. На втором этапе продувки в конвертере образуется черновая медь за счет окисления сульфида меди и перевода серы в SO₂. Черновая медь содержит 98,4 – 99,4% Cu (МК1), 0,01 – 0,04% Fe и 0,02 – 0,1% S и др. примеси (Ni, Sn, Sb, Au, Ag). Эту медь через ковш разливают в изложницы на чушки или плиты. Для удаления вредных примесей черновую медь рафинируют.

8. Для очистки черновой меди от примесей применяют двойное рафинирование огневым и электролитическим способом.

9. Огневое рафинирование применяют для удаления примесей с большим сродством к кислороду за счет продувки воздухом расплавленной черновой меди. Окисляют S, Fe, Ni, As, Sb, Zn и переводят их в шлак. Затем с использованием технологии сухой перегонки древесины, погруженной в расплав меди, удаляют газы и восстанавливают остатки Cu₂O. В результате получают медь чистотой 99,0 – 99,5%. Эта медь в виде чушек идет на производство сплавов меди (латуней, бронз), а в виде плит на электролитическое рафинирование.

10. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (не менее 99,95% Cu). Электролиз ведут в ваннах, где электролитом служит водный раствор CuSO₄ (10 – 16%) и H₂SO₄ (10 – 16%). Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды – из листов чистой (электролитической) меди. Анод при постоянном токе растворяется и ионы меди через раствор переходят и осаждаются на катоде. Примеси (Sb, As, Bi, Au, Ag) осаждаются на дно ванны и после выгрузки перерабатываются для извлечения этих металлов. Катоды переплавляют в электропечах.

Получения титана

Наиболее распространенным сырьем для получения титана являются следующие руды: ильменит FeO · TiO₂; рутил TiO₂; титаномагнетит FeTiO₃ · Fe₃O₄. Наибольшее количество титана получают из минерала ильменит (FeO · TiO₂), содержащего до 60 % TiO₂.

Сущность процесса получения металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана (TiCl₄) магниетермическим способом.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, так как хлористый магний (MgCl₂) – побочный продукт при получении титана, служит сырьем для получения магния.

Производство титана осуществляется в следующей последовательности (рис. 8):

1. Руда титана содержит от 10% TiO₂ (титаномагнетит) до 90 – 100% TiO₂ (рутил). Поэтому бедные руды обогащают магнитной сепарацией или флотацией. Получают ильменитовый концентрат, содержащий: 40 – 45% TiO₂, около 30% FeO, около 20% Fe₂O₃, остальное примеси. Рутил используют без обогащения.

Рисунок 7 - Схема технологических операций получения меди

Рисунок 8 - Схема технологических операций получения титана

2. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом (восстановителем) в специальных руднотермических печах (электродуговых). При Т = 1600 – 1800⁰С оксиды Fe восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Основной продукт – титановый шлак содержит до 80 – 90% TiO₂, 2 – 5 % FeO и примеси – SiO₂, Al₂O₃, CaO и др. Шлак совместно с древесным углем брикетируют, спекают и отправляют на хлорирование. Побочный продукт – чугун используют в металлургическом производстве.

3. Хлорирование титанового шлака проводят в специальных печах с электронагревом и герметизацией рабочего пространства. Брикеты титанового шлака через специальные фурмы продуваются газообразным хлором. При Т = 800 – 1250⁰С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, также другие хлориды: CaCl₂, MgCl₂ и др. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от других хлоридов благодаря различию температур кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют. Жидкий тетрахлорид титана направляют на восстановление.

4. Титан восстанавливают в реакторах при Т = 950 – 1000⁰С. В реактор загружают чушковый магний, откачивают воздух и заполняют реактор аргоном. Затем внутрь подают парообразный TiCl₄. Жидкий Mg и TiCl₄ взаимодействуют по реакции: 2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂ с образованием чистого титана в виде спеченной массы – губки с оченьвысокой пористостью. Губка титана пропитана Mg и MgCl₂ в количестве до 35 – 40 %, поэтому ее подвергают последующему вакуумированию. Жидкий MgCl₂ через летку удаляют из реактора.

5. Для удаления из губки MgCl₂ и других примесей ее нагревают до Т = 900 – 950⁰С в вакууме. Все примеси возгоняются и в виде паров конденсируются в специальных конденсаторах реактора.

6. Титановую губку на слитки плавят в вакуумно-дуговых печах. Вакуум в печах предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки из-за высокой пористости губки имеют большое количество дефектов – раковин, пор. Для получения плотного металла их подвергают второму вакуумно-дуговому переплаву, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. Слитки после второго переплава используют для прокатки на лист, профиль, ковки, штамповки заготовок и т. д.

Для получения сплавов титана с другими металлами (Al, Mg, V и др.) эти металлы примешивают к губке перед первым переплавом. После второго переплава получают плотные с равномерным составом сплавы.

Получение алюминия и магния

Основной способ изготовления алюминия – электролиз из расплава криолита (Na₃AlF₆) с добавлением AlF₃ и Na. Перед электролизом проводят подготовку расплава и подготовку алюминиевых руд, а затем путем электролиза и рафинирования получают чушковый алюминий. Последовательность получения алюминия схематично показана на рис. 9.

Последовательность получения меди - student2.ru

Рисунок 9 - Последовательность производства алюминия

Так же, как и алюминий, магний получают электролизом из его расплавленных солей. Основным сырьем для производства магния являются: карналлит, магнезит, доломит. Последовательность получения магния схематично показана на рис. 10.