Пирометаллургия

Получение меди

После добычи руды возникает следующая проблема: как извлечь из неё необходимый материал? Существует несколько способов.

Одна из древнейших технологий заключалась в сжигании малахитовых руд с ограниченным доступом воздуха. Размещённая в горшках масса, смешанная с углём, сгорала, выделяя при этом угарный газ. Что приводило к достижению желаемого результата – получению достаточно чистой для своего времени меди.

Понятно, что за прошедшие века методы и способы переработки руд претерпевали серьёзные изменения движимые целью достижения наиболее оптимальных результатов при любом виде первичного сырья. Вот почему современная металлургия базируется на трёх основных способах получения меди.

Пирометаллургический метод

Основанный на проведении высокотемпературных процессов, пирометаллургический метод как нельзя лучше подходит для сульфидных руд, подчас достаточно бедных в отношении концентрации меди. Он позволяет извлекать металл даже при содержании его в 0,5%.

Но прежде всего исходное сырьё подвергается обогащению в процессе флотации. Суть его заключается в тщательном измельчении руды, заливке её водой, добавлении туда сложных органических флотореагентов. Они обволакивают частицы минерала, содержащие в своём составе сплавы меди, придавая им несмачиваемость.

На втором этапе этого процесса в растворе создаётся пена, пузырьки которой забирают покрытые органикой частицы. Происходит это под воздействием потока воздуха, в результате чего образования всплывают на поверхность, откуда в дальнейшем забираются. Насыщенная медными соединениями пена собирается, отжимается и высушивается.

После чего полученный концентрат подвергают обжигу при температуре 14000 C. Это необходимо для удаления серы и окисления сульфидов. Затем производят высокотемпературную (14 0000 – 15 0000C) плавку в шахтных печах для получения сплава железа и меди – штейна. Далее в процессе бессемеровской плавки в конвертере под воздействием кислорода получают оксид, а затем и саму черновую медь, содержащую в себе 90,95% металла. При этом сера переходит в кислотный остаток, а железо – в силикатный шлак.

Получить из черновой субстанции чистую медь можно с помощью:

огневого рафинирования,
электролиза,
экзотермической реакции восстановления под воздействием водорода.

Гидрометаллургический метод

Для извлечения меди и ряда других металлов из полиметаллических руд, содержащих в своём составе менее 0,5% искомого минерала, применяют гидрометаллургический метод.

Добытые минералы растворяют с помощью неконцентрированной серной кислоты или аммиака. Из образовавшихся жидкостей в процессе реакции вытеснения получают медь. Для проведения реакции используется металлическое железо.

Электролизный метод

Метод предназначен для получения чистой меди в процессе электролитической реакции.

Его технология заключается в изготовлении чистых медных тонких листовых катодов и толстых пластинчатых анодов из черновой меди. Помещённые затем в ванну, заполненную медным купоросом, они вступают в реакцию под воздействием электрического тока. Происходит растворение меди на анодах и её осаждение на катодах. Освободившиеся примеси удаляют химическими методами.

Медные трубы

Гидрометаллургия

Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.

Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СуО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:

СуО + Н
₂
SО
₄
= СuSO
₄
+ Н
₂

Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

СuSO
₄
. + Fе = Сu + FеSO
₄

Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Общие способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.

Получение металлов из руд — задача металлургии.

Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.

Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:

М n+ + ne−→M

Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.

В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:

• пирометаллургический;

• гидрометаллургический;

• электрометаллургический.

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.

Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O

прокаливанием с углем (коксом):

Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).

В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:

1) МоO3 + ЗН2 = Мо + ЗН2O (водородотермия)

К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.

2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)

ЗМnO2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl2O3 (алюминотермия)

Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида

https://youtube.com/watch?v=_-nVROAFWAY

которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:

Q= Σ Q1 — Σ Q 2 ,

где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.

Доменный процесс (производство чугуна):C + O2 = CO2, CO2 + C 2CO3Fe2O3 + CO = 2(Fe2Fe32)O4+ CO2(Fe2Fe32)O4+ CO= 3FeO + CO2FeO + CO= Fe + CO2(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);

Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева.

Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов.

При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Гидрометаллургия

Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.

Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:

СuО + Н2SО4 = СuSO4 + Н2

Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

СuSO4. + Fе = Сu + FеSO4

Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Электрометаллургия

Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.

Примеры:а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl2

Почему используют именно сплавы?

Технику производят из металлических материалов с многочисленными свойствами. Чистейшие и полученные различные способами металлы содержат в себе небольшие следы примесей, но не обладают нужными характеристиками. Чтобы добиться необходимых эксплуатационных свойств, используют сплавы. Они обладают необходимыми физическими свойствами и позволяют производить огромное количество разнообразных изделий. Сплавами называют однородные макроскопические материалы, которые являются двух- и многокомпонентными. Основная доля химических элементов приходится именно на металлы.

Сплавы отличаются собственной структурой. Все сплавы состоят из следующих компонентов:

основы — один либо большее количество металлов;
добавки — модифицирующие либо легирующие в небольшом количестве;
примеси — остаточные вещества природного, случайного либо технологического характера.

Конкретный состав уже обусловлен сплавом и конкретным производимым конечным изделием.

Вторичное сырье. Переработка

Ресурсы черной и цветной руды истощаются ежегодно, а рынок ее потребления имеет тенденцию к неуклонному росту. Металлопродукция всегда необходима во многих областях: судостроении, производстве сантехники, строительной индустрии, машиностроении. Поэтому вполне разумно заниматься переработкой изделий и деталей, которые уже отработали свой ресурс. Это неплохая и прибыльная идея для развития частного бизнеса.

Наиболее просто перерабатывать однотипные металлы, со сплавами же дело обстоит сложнее. Металлический лом отделяют от других отходов, прессуют, запаковывают и отправляют на литейные предприятия. Там он подвергается дальнейшей обработке и переплавке в электрических индукционных печах.

В качестве сырья для повторной переработки чаще используются:

Использование вторичного сырья не только экономически оправдано, но и положительным образом сказывается на экологии. В отличии от первичного литья, здесь не происходит выделения тяжелых металлов и других вредных соединений в окружающую среду.

Металлургия — это та отрасль, в которую постоянно происходят финансовые вливания для разработки инновационных технологий. Поэтому в ближайшие годы появится еще немало интересных новинок, которые прочно войдут в повседневные производственные процессы.

Определение коррозии

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.

Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Пирометаллургия

Пирометаллургия занимает ведущее место в металлургии. Она охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют уголь, активные металлы, оксид углерода ( II), водород, метан.

Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах. В основе пирометаллургии лежат реакции восстановления металлов из их окислов.

Пирометаллургия занимает ведущее место в металлургической промышленности. Суть метода заключается § получении металлов из руд с помощью восстановителей при высоких температурах.

Пирометаллургией называется способ получения металла из руд, основанный на их нагревании, например, в печах, продуваемых воздухом. Этот способ используется в двух из трех восстановительных процессов, приведенных в таблице. Нагрев при этом происходит либо на воздухе ( обжиг), либо в присутствии восстановителя. Обычно используются уголь ( кокс) или моноксид углерода, поскольку они недороги и доступны. Если оба этих вещества не годятся, в качестве восстановителя можно использовать более активный металл. Пирометаллургия — наиболее важный и старейший способ получения металлов из руд.

В пирометаллургии материалом, с помощью к-рого ведется В.

Если пирометаллургия основана на химических процессах, протекающих в расплаве сырья при высоких температурах, и для разделения его компонентов используется различное их сродство к шлакообразующим, кислороду или к сере, то гидрометаллургия основана на извлечении соединений металлов из: руд и концентратов водными растворами различных реагентов при низких температурах. При селективном действии реагентов в раствор переходят главным образом полезные компоненты; пустые породы практически не растворяются в реагентах. Этим гидрометаллургия выгодно отличается от пирометаллургии, при которой переплавляется вся масса руды

Такое отличие особенно важно при переработке бедных руд, содержание полезного компонента в которых мало.

В пирометаллургии используют также способность сульфидов металлов восстанавливать их оксиды, что приводит к самовосстановлению металлов из смеси их соединений. Это происходит при получении меди и свинца из их сульфидных руд.

В пирометаллургии и электротермии также широко применяют трубчатые конденсаторы ( иногда состоящие из одной трубы), однако паро-газовую смесь подают внутрь труб. Благодаря этому для них более характерным является ламинарное движение паро-газовой смеси, для которого схема Прандтля непригодна.

Если пирометаллургия основана на химических процессах, протекающих в расплаве сырья при высоких температурах, и для разделения его компонентов используется различное их сродство к шлакообразующим, кислороду или к сере, то гидрометаллургия основана на извлечении соединений металлов из руд и концентратов водными растворами различных реагентов при низких температурах. При селективном действии реагентов в раствор переходят главным образом полезные компоненты; пустые породы практически не растворяются в реагентах. Этим гидрометаллургия выгодно отличается от пирометаллургии, при которой переплавляется вся масса руды

Такое отличие особенно важно при переработке бедных руд, содержание полезного компонента в которых мало.

В пирометаллургии велики расходы на топливо, электроэнергию и огнеупорные материалы.

Применяют пирометаллургии, ( см. Рафинирующие переплавы, хим. и электролитич.

К пирометаллургии относятся методы восстановления металлов из руд при повышенной температуре.

В пирометаллургии материалом, с помощью к-рого ведется В.

В пирометаллургии цинка для окисления сульфидных концентратов применяют агломерирующий обжиг. Одностадийный агломерирующий обжиг обеспечивает необходимую десульфуризацию только при шихте, содержащей около 80 % оборотного агломерата. Признано более целесообразным обжиг перед дистилляцией проводить в две стадии.

В пирометаллургии цинка огнеупоры применяют для агломерирующего обжига цинковых концентратов на агломерационных машинах, для печей дистилляции цинка в горизонтальных ретортах, для вертикальных реторт, в установках КИВЦЭТ, при электротермическом способе получения цинка в дуговых электропечах, в футеровке шахтных печей для восстановительной плавки цинкового агломерата, в вельц-печах для доизвлечения цинка из раймовки, в отражательных печах и ректификационных колоннах для рафинирования цинка.

Технология гидрометаллургического производства меди

Медная руда также может содержать золото

Этот способ не получил широкого распространения, поскольку, при этом можно потерять драгоценные металлы, содержащиеся в медной руде.

Его использование оправдано, когда порода бедная – содержит менее 0,3% красного металла.

Как получить медь гидрометаллургическим способом?

Вначале порода измельчается до мелкой фракции. Затем помещается в щелочной состав. Чаще всего используют растворы серной кислоты или аммиака. Во время реакции медь вытесняется железом.

Цементация меди железом

Оставшиеся после выщелачивания растворы солей меди проходят дальнейшую обработку – цементацию:

в раствор помещают железную проволоку, листы или прочие обрезки;
в ходе химической реакции железо вытесняет медь;
в результате металл выделяется в виде мелкого порошка, в котором содержание меди достигает 70%. Дальнейшее очищение происходит путем электролиза с использованием катодной пластины.

Что такое пирометаллургия?

Пирометаллургия — это отрасль науки и техники, связанная с использованием высоких температур для извлечения и очистки металлов. Следовательно, это отрасль добывающей металлургии. Этот процесс позволяет производить чистые металлы, подходящие для прямых продаж, и сплавы, подходящие в качестве сырья для дальнейшей обработки. Пирометаллургические процессы можно разделить на следующие категории в зависимости от техники: кальцинирование, обжиг, плавка и рафинирование.

Прокаливание или прокаливание — это термическое разложение материала. Этот процесс осуществляется в камерах, способных выдерживать большие затраты энергии. Например, печи, такие как шахтные печи, вращающиеся печи и реакторы с псевдоожиженным слоем.

Обжарка включает термические газо-твердые реакции. В этом процессе используются такие методы, как окисление, восстановление, хлорирование и сульфирование. Кроме того, этот метод в основном подходит для сульфидных руд металлов. Здесь сульфид металла нагревается в присутствии воздуха до высокой температуры; Эта температура может вызвать реакцию кислорода в воздухе с сульфидом с образованием диоксида серы, который покидает оксид металла.

Плавка — это термический процесс, при котором, наконец, один продукт находится в расплавленном состоянии. Затем оксиды металлов плавятся путем нагревания вместе с коксом (или древесным углем), что позволяет выделять диоксид углерода. Остается очищенный минерал. Рафинирование — это удаление примесей из руды с помощью термических процессов.

Способы получения и добычи

Добыча и обработка проводится на природных рудниках. Потом расходное сырье доставляется до литейного предприятия, где происходит его переработка в конечный материал. Способы получения:

Порошковый. При изготовлении сплавов используются порошки — смесь основных компонентов сплава по ГОСТу. С помощью специального оборудования порошок спрессовывается, ему придают определенную форму. После этого расходный материал спекают в промышленной печи.
Литейный способ. Все компоненты будущего сплава сначала расплавляются, а потом перемешиваются. Смесь должна застыть.

Природные источники

Самое большое количество металлов содержится в земной коре. Их соединения можно найти в разных продуктах питания, воде, воздухе, химических веществах.

Природные соединения

Природные соединения:

сульфиды — киноварь, цинковая обманка, серный колчедан;
хлориды — каменная соль, сильвинит;
сульфаты — гипс, глауберова соль;
карбонаты — магнезит, доломит, известняк, мрамор, мел;
оксиды — красный, магнитный, бурый железняк;
нитраты — чилийская селитра.

Добыча руды

Способы добычи

Существует два способа добычи металлических руд:

Открытый. Подразумевает разработку огромного карьера, который углубляется к центру. С его глубины на карьерных самосвалах руда вывозится наверх, где проходит дальнейшую переработку. Средняя глубина карьеров — 300 метров. Для разработки применяются крупные экскаваторы, земснаряды, карьерная техника. Карьерный метод добычи металлической руды применяется только, если после проверки почвы в ней было обнаружено более 57% руды. Главный недостаток карьера — малая глубина разработки.
Закрытый. Подразумевает разработку шахт, которые могут уходить вниз на глубину нескольких сотен метров. Применяется, когда на поверхности после проверки было обнаружено менее 57% полезных руд. Внешне шахта напоминает колодец, который разветвляется в стороны на большой глубине. Главный недостаток — опасность для рабочих (частые обвалы, взрывы газов, большая вредность для здоровья).

Один из современных способов добычи металлической руды — СГД. Представляет собой гидромеханических метод добычи руды, который подразумевает создание глубокой шахты, снабженной трубопроводом с гидромонитором. Струя воды под большим напором подается в трубопровод. С ее помощью откалываются горные породы, которые всплывают наверх шахты. Эффективность данного способа небольшая, но он полностью безопасен для людей.

Шахта

Богатые рудники

Богатые железные рудники:

Бакчарское железорудное месторождение.
Абаканское железорудное месторождение.
Абагасское железорудное месторождение.
Курская магнитная аномалия.

Самые богатые месторождения алюминиевых руд находятся в

Венгрии;
Франции;
Индии;
Южной Африке;
Казахстане;
России;
Югославии;
Кольском полуострове;
Сибири.

Богатые месторождения медной руды расположены в США, Швеции, Канаде, России, Финляндии, ЮАР.

Гидрометаллургия

Методика, которая основана на проведении химических реакциях. Они протекают в различных растворах. Наиболее распространенные материалы, которые получаются подобным способом — никель, цинк, золото.

Пирометаллургия

Из расходного сырья металл извлекается под воздействием высоких температур. Для проведения данного способа применяются печи, плавильни. Этим методом получают чугун, свинец, сталь, никель, медь, хром

Для изготовления активных металлов важно использовать восстановители

Электрометаллургия

Подразумевает обработку расходного сырья электрическим током. Сила тока изменяется зависимо от преобладающих в составе руды компонентов. С помощью электрометаллургии получаются разные металлы — щелочноземельные, щелочные. Основные из них — алюминий, магний.

С помощью металлов. Этот процесс называют металлотермией.
С помощью водорода. С помощью этой методики можно получить материал с наименьшим количеством посторонних вкраплений.
С помощью углерода или оксида углерода. Эта методика называется карботермией.

Что такое гидрометаллургия?

Гидрометаллургия – это отрасль промышленной химии, в которой мы используем водный раствор для извлечения металла из руды, концентратов, переработанного или остаточного материала и т. Д. В гидрометаллургии есть три основных области: выщелачивание, концентрирование и очистка, а также извлечение металла.

Процесс выщелачивания можно проводить разными способами, например: на месте выщелачивание, кучное выщелачивание, чановое выщелачивание, выщелачивание в резервуаре и выщелачивание в автоклаве. Это пять основных типов выщелачивания. В процессе выщелачивания используется водный раствор для извлечения металла из руды. Раствор, который используется специально в гидрометаллургии, называется выщелачивающим раствором. Он может иметь разные значения pH, окислительно-восстановительный потенциал, состав хелатирующего агента, температуру и другие свойства в зависимости от типа металла, который мы собираемся извлечь. Эти условия реакции меняются в зависимости от необходимости оптимизации скорости реакции, степени и селективности растворения и т. Д.

Следующий этап гидрометаллургии – это концентрирование и очистка раствора. Эта стадия включает концентрацию иона металла в выщелачиваемой жидкости и удаление нежелательных ионов металлов. Основными этапами, включенными в этот этап, являются осаждение, цементация, экстракция растворителем, ионный обмен и электрохимическое извлечение.

Стадия извлечения металла – заключительный этап гидрометаллургии. Металл, полученный на этом этапе, подходит для прямой продажи. Однако, когда нам нужен металл сверхвысокой чистоты, необходима дополнительная очистка. Извлечение металла может осуществляться двумя способами: электролизом и осаждением.