Особенности технологи производства металлов из рудного сырья
ВВЕДЕНИЕ
С начала ХХ века в промышленности важную роль начали играть химические элементы, ранее не находившие практического применения. Эти новые для промышленности элементы получили общее название редких. Понятие “редкие металлы” сложилось исторически для обозначения тех металлов, которые позже других человек стал использовать для практических целей. Редкие металлы невозможно сгруппировать по общности физико-химических свойств.
В настоящее время без редких металлов не мыслима ни одна отрасль современной техники, например, электровакуумная техника, полупроводниковая электроника, атомная энергетика, авиа- и ракетостроение, оптическая промышленность, производство специальных сплавов.
В класс редких металлов входит около 43 элементов, 41 из них – это металлы. Редкие металлы расположены в различных группах Периодической системы элементов Менделеева, обладают разнообразными свойствами и поэтому их трудно классифицировать по какому-либо единому физико-химическому признаку. В связи с этим, в технической классификации редких металлов их обычно подразделяют на 5 групп, в каждой из которых находятся элементы, близкие по физико-химическим свойствам, сходству способов извлечения из сырья и производства металлов.
Таблица 1.
Техническая классификация редких металлов
| Группа технической классификации | Элементы |
| 1. Лёгкие | Li, Rb, Cs, Be |
| 2. Тугоплавкие | Ti, Zr, Hf, W, Mo, V, Nb, Ta, (Re)* |
| 3. Рассеянные | Ga, In, Tl, Ge, Se, Te, (Re)* |
| 4. Редкоземельные | Sc, Y, La и лантаноиды (от Ce до Lu) |
| 5. Радиоактивные | Th, Ac, Ra, U, Po |
(Re)*– рений – рассеянный элемент, но по свойствам может быть отнесен к тугоплавким (температура плавления Re = 3180±20°С).
Классификация металлов на редкие и нередкие определяется следующими положениями:
1. Содержанием металла в земной коре, например, In = 1•10-5 %, Re = 1•10-7 % .
2. Степенью рассеяния металлов в земной коре. Например, содержание Ag=1•10-5 % , Hg = 7•10-6 % , но эти металлы концентрируются в достаточно мощных рудных месторождениях, их руды легко поддаются обогащению. Такие как, например: ванадий (V), содержание которого 0,015 % , галлий (Ga) − 1,5•10-3 % сравнительно равномерно распределены в земной коре и не имеют мощных рудных месторождений (спутники), поэтому их отнесли к редким, т.е. техническое определение редких металлов не всегда совпадает с геохимическим.
3. Сложностью технологии получения, вследствие их малой концентрации в исходном сырье.
4. Сравнительной новизной применения металлов.
В настоящее время для ряда редких металлов этот термин утратил свое первоначальное значение, поскольку их производство и технология отработаны, они широко применяются в различных областях техники и производятся в значительном количестве (например, Ti).
Термин редкий элемент не является неизменным, установленным, он изменяется по мере изучения редких элементов, изыскания новых источников сырья и путей извлечения, расширения областей применения. По мере развития технологии, количество редких металлов будет уменьшаться.
Характеристика каждой из групп технической классификации следующая:
I. ЛЁГКИЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ. В эту группу включены металлы I и II групп периодической системы. Они обладают малой плотностью Li – 0,53 г/см3, Rb –1,55 г/см3, Cs – 1,87 г/см3, Be – 1,85 г/см3.
Отличаются высокой химической активностью. Их химические соединения (оксиды, хлориды) довольно прочны и трудно восстанавливаются до металла.
II. ТУГОПЛАВКИЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ. В эту группу входят элементы IV, V и VI группы Периодической системы, так называемые переходные металлы. Электронный d–уровень достраивается при переходе от одного элемента к другому. Металлы этой группы характеризуются высокими температурами плавления, высокой твёрдостью, антикоррозийной устойчивостью. Проявляют переменную валентность, обуславливающую многообразие соединений этих элементов.
В связи с высокими температурами плавления тугоплавких металлов, в технологии их производства широко используются методы порошковой металлургии, электронно-лучевой, дуговой и плазменной плавки.
III. РАССЕЯННЫЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ. Объединяющий признак группы – рассеянность элементов в земной коре. Большинство элементов этой группы не образует собственных минералов (или редки). Это создаёт для них специфическую технологию, связанную с их попутным извлечением из полупродуктов и отходов других металлургических производств. Галлий (Ga) встречается в минералах алюминия; индий (In), таллий (Tl), германий (Ge), селен (Se), теллур (Te) встречаются в сульфидных минералах Zn, Cu, Pb. Рений (Re) извлекается при переработке молибденового сырья.
IV. РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ. Обладают близкими физико-химическими свойствами. Эта одинаковость в физико-химических свойствах объясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, т.к. при переходе от одного элемента к другому у лантаноидов происходит заполнение глубоколежащего недостроенного 4f–уровня от (Се – № 58 до Lu – № 71). К этой группе примыкают и элементы третьей группы: лантан (La), скандий (Sc) и иттрий (Y). Включённые в эту группу элементы всегда сопутствуют один другому в сырье. Кроме того, специфика их технологии связана с трудностью разделения.
V. РАДИОАКТИВНЫЕ РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ. В этой группе объединены естественные радиоактивные элементы: полоний (Po), радий (Ra), актиний (Ac) и актиноиды: торий (Th), протактиний (Pa), уран (U), а так же искусственно полученные заурановые элементы: нептуний (Np), плутоний (Pu) и др.
Радиоактивные свойства в значительной степени определяют особенности технологии этих металлов, приемы работы с ними и области использования. В рудном сырье естественные радиоактивные металлы встречаются совместно, часто им сопутствуют редкоземельные элементы. Эти металлы играют большую роль в производстве атомной энергии.
Особенности технологи производства металлов из рудного сырья
Технологические методы, применяемые в металлургии редких металлов, имеют ряд особенностей:
Рудное сырье, содержащее редкие металлы, являются бедным. Поэтому особое значение приобретает обогащение руд. Обогащением называют обработку руд способами, не изменяющими, как правило, химического состава и агрегатного состояния минералов, в результате которой руда разделяется на две части: пустую породу и концентрат. Процесс обогащения состоит обычно из нескольких стадий и характеризуетсястепенью обогащения, которая представляет собой отношение содержания ценного компонента в концентрате к содержанию его в исходной руде. Низкое содержание редких металлов в руде, исчисляемое в пределах от тысячных до десятых долей процента, и высокие требования к качеству готовых концентратов редких металлов вызывают необходимость доводить степень обогащения до 100¸1000 и более.
В технологии находят применение нескольких способов обогащения.
Ручная рудоразборка применяется для материала, крупностью 40¸250 мм и только для ценных минералов. Ручная рудоразборка обязательна при обогащении берилловых руд, т.к. при этом могут быть обнаружены изумруды. Этот способ обогащения ведут на транспортёре.
Обогащение по твёрдости – основано на том, что при дроблении одни минералы измельчаются в большей степени, чем другие. Последующим грохочением можно разделить руду на концентрат и хвосты.
Обогащение по трению заключается в использовании различия в скольжении разных минералов по наклонной плоскости.
Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в воде или воздухе. Минералы редких металлов, как правило, обладают высокой плотностью (более 4 г/см3и выше), плотность пустой породы приблизительно 2,5 г/см3.
Флотационное обогащениеосновано на возможности изменять смачиваемость поверхности минералов водой, обрабатывая руду специальными флотореагентами.
Магнитное обогащениепозволяет разделить минералы по степени их магнитной восприимчивости.
Электростатическое обогащение использует различие в электропроводности, электроёмкости и диэлектрической проницаемости.
‚. Часто руды имеют сложный состав. Например, вольфрамо-молибденовые, молибдено-рениевые, тантало-титано-ниобиевые, литий-цезиевые и др. Кроме того, имеются включения руд цветных металлов, рассеянных и редкоземельных. При сложности состава исходного сырья промышленность предъявляет очень высокие требования к чистоте металлов. Поэтому в технологии переработки сырья особую роль играют процессы отделения примесей и получения соединений высокой чистоты.
ƒ Ни один редкий металл не выплавляется непосредственно из сырья. Первоначально из рудного сырья получают чистые химические соединения, а затем уже получают металл.
В технологии производства редких металлов из рудного сырья можно выделить следующие основные стадии:
1. Разложение концентрата или вскрытие концентрата. Цель– разрушение минерала, отделение извлекаемого металла от сопутствующих элементов и концентрирование его в растворе или осадке. Это достигается при помощи пирометаллургических процессов (обжиг окислительный или восстановительный, хлорирование, сплавление или спекание с реагентами, возгонка и т.д.), или гидрометаллургическим путём (разложение растворами кислот, щелочей, автоклавные процессы).
2. Получение чистых химических соединений (оксидов, солей). Цель – получить чистые химические соединения. Здесь преобладают химические процессы в водных растворах (осаждение, кристаллизация, экстракция, ионный обмен и т.д.). Иногда используют и пирометаллургические процессы (возгонка хлоридов, оксидов, ректификация).
3. Получение металла из химических соединений. Здесь используют преимущественно пирометаллургические процессы восстановления химических соединений.
По способам восстановления соединений редких металлов они разделяются на 3 группы:
| Способ восстановления | Металл |
| Выделение из водного раствора путём цементации или электролиза. | Ga, In, Tl, Re. |
| Восстановление оксидов или солей водородом, окисью углерода или углеродом при высоких температурах. Электролиз расплавленных сред. | W, Mo, Re, Ge. |
| Восстановление окислов или солей металлами (металлотермия) или электролиз в расплавленных средах. | Ta, Nb, V, Ti, Zr, Li, Be, редкоземельные металлы, Th, U и т.д. |
Тугоплавкие металлы большей частью сначала получают в виде порошка или пористой массы – губки. Последние затем превращают в компактные металлы дуговой, электронно-лучевой плавкой или методом порошковой металлургии.