Металлургические процессы

В основе производства металлов лежат металлургические процессы, то есть технологические процессы извлечения металлов из руд и отходов производства. В общем случае металлургический процесс включает три последовательных стадии:

— подготовка руды — превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металла;

— восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла;

— вторичная обработка полученного металла.

Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификацию и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления. Необходимость последней операции связана с тем, что восстановлению подвергаются преимущественно оксиды, реже галогениды металлов, поэтому все остальные соединения (сульфиды, гидроксиды) должны быть переведены в них. Это достигается воздействием на обогащенную руду высокой температуры или соответствующих реагентов:

В соответствии с методом технологические процессы подготовки руды подразделяются на пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением руды. К ним относят:

— обжиг — процесс, проводимый при высокой (500—1200°С) температуре в твердой фазе с целью изменения химического состава руды. Условия обжига зависят от состава руды и назначения процесса. Руды, содержащие сульфиды металлов, подвергаются окислительному обжигу до их оксидов; руды для последующего магнитного обогащения подвергаются восстановительному обжигу;

— восстановительная плавка — процесс восстановления оксидов металлов при температурах, обеспечивающих полное расплавление руды;

— дистилляция — процесс испарения перерабатываемого вещества с целью разделения его компонентов на основе их различной летучести.

Гидрометаллургические процессы проводятся в водных средах при температурах до 300°С на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Наиболее распространенным гидрометаллургическим процессом является выщелачивание — процесс перевода в жидкую фазу (раствор) извлекаемых из руды соединений металлов при воздействии на нее растворителей. Выщелачивание может быть физическим процессом (растворитель вода) или химическим процессом (растворитель — реагент, взаимодействующий с извлекаемым компонентом).

Вторичная обработка восстановленного металла проводится для его очистки, а также с целью перестройки кристаллической структуры металла, изменения его состава и свойств. К операциям вторичной обработки относятся очистка металла методами дистилляции, электролиза, электрошлакового переплава и зонной плавки; получение сплавов, закалка, отжиг, отпуск, цементирование и др. Некоторые из них рассматриваются ниже.

На рис. 1.2 представлена общая схема производства металлов из руд (металлургического процесса).

Рис. 1.2. Общая схема производства металлов из руд:

I — подготовка руды, II — восстановление, III — вторичная обработка, В — восстановитель, [О] — окисление, Т — термическая обработка

Существуют несколько основных способов получения — металлов.
Восстановление:

— из их оксидов углем или оксидом углерода (II)

ZnО + С = Zn + СО

Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂

— водородом

WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O

СоО + Н₂ = Со + Н₂О

— алюминотермия (металлотермия, силикотермия..)

4Аl + 3МnО₂ = 2А1₂О₃ + 3Мn