Пирометаллургия Металлургия

Под пирометаллургией понимают металлургические процессы, протекающие при высоких температурах. Пирометаллургия занимает ведущее место в мире по производству чугуна, стали, меди, свинца, никеля и др. металлов.

Среди пирометаллургических процессов принято различать: обжиг, плавку и дистилляцию или возгонку.

Под обжигом понимают пирометаллургический процесс, протекающий при температурах, недостаточных для плавления рудного сырья. Продукт обжига является твердым телом и называется огарком. В процессе обжига происходит удаление примесей, а также изменение химического состава сырья. Компоненты сырья вступают в химическое взаимодействие с газами, в присутствии которых проводится обжиг, а также с специально добавляемыми твердыми или жидкими реагентами. Принято различать различные виды обжига.

Окислительный обжиг – это взаимодействие рудного сырья с кислородом воздуха или специальными добавками кислорода. В качестве примера можно привести обжиг медного, свинцового и цинкового сырья, содержащего серу. В процессе обжига сульфидное сырье превращается в оксиды металлов, а сера удаляется в виде SO2:

2MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2.

Восстановительный обжиг – это получение оксидов металлов с низ-шей валентностью или металлических элементов. Такой процесс протекает при обжиге железных руд с использованием в качестве восстановителя углерода, восстановлении оксидов вольфрама и молибдена водородом или углеродом.

Окислительно-восстановительный обжиг – это обжиг в восстановительной среде средней силы, приводящий к неполному восстановлению химического элемента. Например, обжиг, приводящий к образованию летучего оксида As2O3. Образовавшийся оксид As2O5 не подлежит возгонке.

Сульфатизирующий обжиг – это обжиг, приводящий к получению водорастворимых сульфатов.


В окислительной среде сульфиды металлов реагируют по схеме:

MeS + 2O2 = MeSO4.

Подобная реакция имеет место при обработке сульфидных медно-кобальтовых концентратов. При этом кобальт переходит в сульфат.

Процесс может протекать под действием серной кислоты:

MeO + H2SO4 = MeSO4 +H2O.

В качестве примера можно привести обжиг рутила или ильменита с серной кислотой, приводящий к образованию сульфатов титана.

Хлорирующий обжиг – это обжиг, проводимый в среде хлора или четыреххлористого углерода, а также в присутствии твердых хлоридов или смеси хлоридов с углеродом:

MgO + Cl2+ C = MgCl2 + CO.

Полученный хлорид магния используют для электролитического получения металлического магния.

Агломерация – это обжиг, приводящий к спеканию и образованию пористого агломерата. Такой обжиг проводят для мелких железных, цинковых и свинцовых руд. При этом легкоплавкая составляющая, затвердевая, скрепляет твердые частицы сырья.

При обжиге получаются возгоны и пыли, содержащие соединения редких металлов. Например, возгоны и пыли, образующиеся при обжиге цинковых и свинцовых руд, содержат кадмий, таллий, селен, теллур. При обжиге молебденитового сырья возгоны и пыли содержат рений.

Скорость обжига возрастает с температурой. Однако опасность спекания или оплавления частиц приводит к уменьшению их поверхности и замедлению скорости обжига. При агломерации спекание необходимо. По этой причине процесс агломерации проводят при более высоких температурах. В табл. 3 приведены допустимые температуры обжига.

Под плавкой понимают пирометаллургический процесс, протекающий при температурах, достаточных для плавления сырья или его части. При этом в результате химических реакций образуются несколько не смешивающихся расплавленных продуктов. За счет различия в их плотностях происходит расслаивание расплава. Различают следующие разновидности плавки.


Таблица 3

Допустимые температуры обжига

Разновидность обжига

Температура процесса, оС

Обжиг сульфидов при перемешивании

< 800

Обжиг сульфидов в псевдокипящем слое

1000-1100

Агломерация сульфидного сырья

1100

Обжиг железных руд

1300-1600

При восстановительной плавке сульфидных медных и никелевых руд образуются сплавы сульфидов меди или никеля с сульфидом железа – штейны (плотность ~5), шлаки (сплавы оксидов пустой породы) и газы. Температура плавления шлаков регулируется добавками флюсов, например известняка.

При восстановительном доменном процессе образуются слой жидкого чугуна (плотность ~7), слой шлака (плотность 3-3,5) и газы.

При окислительной плавке, например сульфидных медных руд, сульфид железа, входящий в состав пустой породы, взаимодействует с кислородом и кремнеземом с образованием шлака состава Fe2SiO4:

2FeS + 3O2 + SiO2 = Fe2SiO4 + 2SO2.

При этом сульфид меди не окисляется, поскольку сродство меди к сере больше, чем у железа, а к кислороду наоборот.

При получении стали из чугуна, происходит окислительная плавка. Избирательно, например кислородом воздуха, окисляются примеси: C, Si, Mn, P, S.

При металлотермической плавке происходит восстановление металлов из оксидов или других соединений более активными металлами.

При электротермической плавке происходит катодное восстановление металла из ионных расплавов.

При ликвационной плавке металл удается очищать за счет понижения растворимости примесей. По мере охлаждения жидкого металла кристаллы примеси всплывают или опускаются на дно расплава.


Процесс дистилляции, или возгонки, происходит при обжиге или плавке. При этом металлы или их соединения испаряются, затем конденсируются в виде жидкости или кристаллов. Иногда применяют дистилляцию, осложненную химической реакцией.

Например, титан реагирует с йодом, образуя йодиды титана, которые затем термически разлагаются на нагретой до 1400о С титановой проволоке. Аналогичным образом рафинируют цирконий.

Подобным образом рафинируют алюминий. Производят хлорирование алюминия при температуре 1050о С и давлении 0,1 мм рт.ст. парами AlCl3. При этом образуется летучий AlCl, который при температуре 800о С диспропорционирует:

3AlCl(газ) = 2Al(жидкость) + AlCl3 (газ).

Никель рафинируют через образование Ni(CO)4, который очищают дистилляцией, затем термически при температуре 320 оС разлагают. Аналогичным образом очищают железо.

Карбонильная технология, несмотря на высокую токсичность используемых карбонильных соединений, является весьма эффективным процессом для получения высокочистых металлов.

  • Читать все новости