Общие методы получения металлов

Металлы в природе встречаются преимущественно в виде оксидов, сульфидов, гидроксидов и солей некоторых кислот (угольной, кремниевой, галогеноводородных и др.). Выделение металлов из руд включает чаще всего три основных этапа:

  • 1) подготовка руды к переработке;
  • 2) восстановление металла из химического соединения;
  • 3) вторичная обработка восстановленного продукта.
  • 1. Подготовка руды к переработке осуществляется сразу после ее добычи и включает ряд механических, физико-химических или химических процессов -классификацию, измельчение, усреднение, обогащение и превращение концентрата в форму, удобную для дальнейшей переработки. С этой целью используют грохоты, дробилки, мельницы, флотаторы и другие устройства, применяемые для обогащения, укрупнения (агломерация, окусковывание), обезвоживания.

Процессы подготовки руд разделяют на пирометаллургические и гидрометаллургические. Для пирометаллургических процессов характерно использование повышенных температур с полным или частичным расплавлением материалов. Гидрометаллургические процессы проводят в водных средах при относительно невысоких (до 300 °C) температурах.

К пирометаллургическим процессам относят обжиг, плавку и дистилляцию. Обжиг - это, как правило, твердофазный процесс, проводимый при температурах

500 - 1200 °C. Различают окислительный, восстановительный, кальцинирующий, хлорирующий и другие виды обжига. Окислительный обжиг применяют для подготовительной обработки сульфидных руд цветных металлов с целью превращения сульфидов в оксиды:

MeS + 1,5О2 = МеО + SO2

Восстановительный обжиг используют для предварительного (неполного) восстановления высших оксидов:

3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2

При кальцинирующем обжиге неустойчивые соединения металлов разлагаются при нагревании:

МеСОз = МеО + СО2

Хлорирующий обжиг проводят с целью превращения оксидов или сульфидов в летучие или водорастворимые галогениды металлов.

Плавку чаще всего осуществляют с целью перевода пустой породы в шлак. Металл попутно может либо восстанавливаться углеродистыми восстановителями (получение свинца, олова), либо превращаться в полупродукт - штейн, содержащий сульфиды металлов (производство меди, никеля).

Дистилляцию осуществляют в тех случаях, когда отдельные компоненты обрабатываемого сырья могут быть разделены благодаря различиям в их летучести. Испарение вещества при температуре более высокой, чем точка его кипения, может быть использовано не только для подготовки руды, но и для удаления летучих примесей. Дистилляцию применяют при переработке цинковых руд и в производстве некоторых легких и редких металлов.

К гидрометаллургическим процессам относят выщелачивание - перевод извлекаемых компонентов в раствор с использованием воды или водных растворов кислот, солей и оснований или биологических субстанций. В соответствии с этим различают физическое, химическое и биологическое выщелачивание.

Растворы, полученные при выщелачивании, подвергают очистке - обработке органическими или неорганическими реагентами. Извлечение металлов из очищенных растворов осуществляют электролизом, восстановлением газообразными восстановителями, либо вытеснением одного металла другим.

В гидрометаллургии редких и благородных металлов в последнее время большое значение приобрели сорбционные и экстракционные процессы. В качестве сорбентов чаще всего используются синтетические иониты, способные обменивать свои ионы на ионы того же знака, присутствующие в растворе. В качестве экстрагентов применяют отличающиеся высокой селективностью органические или элементоорганические соединения (органические кислоты и их соли, производные аминов и аммониевых оснований, спирты, кетоны, фосфорорганические соединения).

2. Восстановление металлов из химических соединений. Выбор метода восстановления металлов из руд, прошедших предварительную подготовку, определяется концентрацией полезного компонента, достигнутой при обогащении, прочностью связей металла с соседними атомами, природой восстановителя, физико-химическими свойствами исходных и конечных продуктов (их плотностью, температурами плавления, взаимной растворимостью). Восстановление проводят в растворе, расплаве и в твердой фазе.

Наиболее часто в качестве восстановителя применяют углерод, оксид углерода (II), водород и металлы.

Из металлов наиболее сильными восстановительными свойствами отличаются кальций и магний, которые образуют наиболее прочные соединения с кислородом. Однако оксиды этих металлов имеют достаточно высокие температуры плавления, что затрудняет разделение продуктов металлотермических реакций. Поэтому в качестве металла-восстановителя в таких реакциях чаще используется порошкообразный алюминий, образующий достаточно прочный оксид с относительно меньшей температурой плавления. Он легче расплавляется и всплывает над слоем восстанавливаемого металла или сплава.

Алюминотермическому восстановлению можно подвергнуть даже наиболее прочные оксиды, например оксид кальция. В подобных случаях используются особые свойства восстановленного металла, позволяющие сместить равновесие металлотермической реакции в нужную сторону, например удаление из реакционной сферы кальция, отличающегося заметной, летучестью при повышенных температурах. Процесс проводят в вакууме в обогреваемом стальном реакторе при 1100 - 1200 °C, происходит испарение восстановленного металлического кальция, что смещает равновесие вправо:

4СаО + 2А1 ЗСа + Са(А1О2)2 (67)

Разновидностью металлотермии можно считать восстановление галогенидов металлами:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 (68)

Использование этого метода оказывается предпочтительным в тех случаях, когда присутствие кислорода и некоторых примесей резко ухудшает свойства восстанавливаемого металла (титан, ниобий, ванадий, тантал). Восстановление галогенидов металлов чаще всего проводят в атмосфере аргона. Образующийся галогенид магния отгоняют из реактора в вакууме или растворяют водой. Восстановленный металл образуется в виде губки, которая превращается в компактный металл в результате нагревания электрическим током в атмосфере инертного газа.

Электрохимическое восстановление металлов проводят с целью образования декоративных или защитных покрытий (никелирование, хромирование, цинкование), либо для получения и рафинирования металлов. Кристаллическая структура восстановленного металла и прочность его сцепления с катодом зависят от условий электролиза и состава электролита. Плотные, мелкокристаллические осадки, прочно сцепленные с поверхностью электрода, образуются в электрохимических покрытиях при электролизе растворов комплексных солей. Электролиз растворов простых солей приводит к образованию крупнокристаллических осадков в виде губки или чешуек, слабо сцепленных с катодом. Так получают порошки железа, кобальта, меди и других металлов.

Металлы с повышенными отрицательными значениями электродного потенциала (Ео < -1,5 В) не могут быть получены электролизом водных растворов. Для их получения в промышленности применяют электролиз расплавов. Так получают щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, тантал.

3. Вторичная обработка восстановленного продукта. Важнейшее направление вторичной обработки металлов — их глубокая очистка. Особо чистые металлы сегодня можно рассматривать как самостоятельный класс современных материалов с целым комплексом ценных свойств. Снижение содержания примесей резко улучшает коррозионную устойчивость и свариваемость ряда металлов, увеличивает их пластичность и прочность, уменьшает хладноломкость, значительно расширяет сферы их применения. Так, нитевидные кристаллы, выращенные из высокочистых железа и меди, оказались более чем в 10 раз прочнее обычных образцов этих металлов. Увеличение содержания примесей в титане выше уровня 0,5 % делает его практически непригодным для технических целей. Высокая пластичность чистого титана, позволяющая вовлечь его в технологическую обработку (ковка, прокатка), лишь в последние десятилетия открыла для этого металла широкие перспективы использования, в результате чего его применение увеличилось в несколько раз. То же самое можно отнести к танталу, цирконию и ряду других металлов и материалов, без которых сегодня немыслимо представить развитие таких передовых областей, как микроэлектроника, атомная и лазерная техника, волоконная оптика, производство современных керамических и композиционных материалов.

Приемы, используемые для получения высокочистых материалов, применяются не только в металлургии, но и в ряде смежных областей. Ниже приводится краткая характеристика некоторых методов получения высокочистых материалов, нашедших наибольшее распространение в технике.

1. Транспортные реакции используются для очистки металлов с повышенным сродством к кислороду, способных образовывать термически неустойчивые летучие соединения. Примером могут служить методы получения чистого циркония или титана. Подвергаемый очистке металл в смеси с небольшим количеством кристаллического йода помещают в реактор, в котором создают пониженное давление. При взаимодействии паров йода с металлом образуется летучий галогенид:

Zr + 2I2 Zrl4 (69)

Иодид циркония заполняет весь объем реактора и разлагается на исходные продукты при соприкосновении с раскаленной нитью. Нить представляет собой пруток диаметром около 1-1,5 см и длиной до 100 см, закрепленной в центральной части. Очищенный цирконий откладывается на поверхности нити, а освободившийся йод переносит на нить новые порции иодида циркония, тем самым отделяя металл от примесей, остающихся на дне реактора.

  • 2. Для специальной очистки целого ряда цветных металлов используют электролитическое рафинирование. Этот метод позволяет обеспечить не только необходимую чистоту металла, но и попутно извлечь присутствующие в исходном материале в качестве примесей ценные компоненты (серебро, золото, платиноиды). Используя достижения электрохимии и возможности тонкого регулирования параметров избирательного восстановления, подвергают рафинированию медь, никель, цинк, свинец и другие металлы.
  • 3. В тех случаях, когда давление паров металла и содержащихся в нем примесей значительно различаются, эффективным методом очистки может стать вакуумная дистилляция и ректификация технического металла или его более летучих соединений. Этим способом в устройствах различной конструкции осуществляют очистку лития и других щелочных и щелочноземельных металлов, а также бериллия, цинка. Более высокая степень очистки достигается при ректификации под пониженным давлением с использованием различного типа колонн.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >