Виробництво кольорових металів

Кольорові метали – це алюміній, мідь, цинк, свинець, титан, ряд благородних металів (золото, срібло, платина) та інші. Їх використовують в машинах і приладобудуванні, радіоелектроніці, ядерній енергетиці, космічній і обчислюваній техніці та в інших галузях народного господарства.

Основною сировиною для одержання кольорових металів є руди. Водночас для виробництва багатьох кольорових металів широко використовують вторинну сировину, до якої відносять відходи металообробної промисловості, браковані деталі і ті що відпрацювали свій термін, різноманітний металевий брухт, побутовий утиль та інші матеріали, що містять кольоровий метал. Роль вторинної сировини щорічно зростає.

Крім руд, концентратів і вторинної сировини, у кольоровій металургії застосовують також інші корисні копалини, найважливішими з який є паливо і флюси. В якості палива тут може використовуватись природний газ, вугілля, вугільний пил, кокс, дизельне паливо, мазут. При спалюванні одночасно з виконанням своїх основних функцій – підігріву матеріалу, що підлягає плавленню, в ході технологічних процесів паливо виконує роль відновлювача.

Флюси в кольоровій металургії виконують ту ж саму роль, що і в чорній металургії, – корегування складу шлаків, які утворюються в процесі плавлення. В якості флюсуючих добавок широко застосовують кварцити і вапняк, а іноді залізну руду, соду, фториди та інші сполуки.

Одержання кольорових металів з будь-якої сировини – дуже важкий процес. Він ускладнюється ще й тим, що в кольоровій металургії переробляють, як правило, порівняно бідну і складну за вмістом поліметалеву сировину. При її переробці металургійними засобами необхідно одночасно з одержанням основного металу забезпечити виділення всіх інших цінних компонентів у самостійні товарні продукти при високому ступені їхнього вилучення. Для цього застосовується цикл металургійних агрегатів. Для всіх підприємств кольорової металургії характерні багатоступеневі технологічні схеми.

Розрізняють чорнові та рафіновані метали. Чорновими називають метали, що містять у своєму складі шкідливі домішки, які погіршують споживчі якості певного металу, а також домішки цінних елементів – супутників. Чорнові метали підлягають очищенню від домішок – рафінуванню.

Шлаки є вторинним продуктом металургійних процесів. Вони утворюються внаслідок ошлакування оксидів пустої породи і флюсів. В їх складі може також знаходитись деяка кількість корисних металів. Тому шлаки попередніх років утворення, які розміщені у відвалах, можуть бути сировиною в послідуючі роки при наявності відповідної технології їх переробки. Крім того, з шлаків можна вилучати залізо, виготовляти цемент, ситали та інші матеріали для різних галузей народного господарства. Вихід шлаків при плавці руд або концентратів кольорових металів дуже великий і складає понад 60 % від маси рудної частини шихти.

Штейни є проміжним продуктом поліметалургійної переробки мідних, нікелевих і частково свинцевих руд і концентратів. Вони являють собою сплав сульфідів важких кольорових металів із сульфідами заліза, в якому розчинені домішки. Штейни утворюються у рідкому стані і практично не змішуються з рідкими шлаками, що дозволяє розділити їх простим відстоюванням.

Газ і пил, що утворюються у металургійному процесі, цілком визначаються типом перероблюваної сировини і особливостями самого процесу. Вихідні гази поділяються на топкові, які є продуктом спалювання палива, та технологічні, що утворюються завдяки хімічним реакціям між компонентами перероблюваної сировини. Основними компонентами газів кольорової металургії є: сірчаний ангідрид, діоксид і оксид вуглецю та пари води. Крім того в газах обов’язково присутній азот, вільний кисень, хлор, сполуки миш’яку та інші. Температура вихідних газів дорівнює 800 … 1300^оС.

Пил, який утворюється внаслідок технологічного процесу, умовно ділять на грубий (3.. 3000 мкм) і тонкий з розмірами часток менше 0,1 мкм. Грубий пил за хімічним складом ідентичний складу вихідного матеріалу, з якого він утворився. Звичайно, грубий пил повертають в обіг або об’єднують із продуктами даного процесу. Тонкий пил утворюється переважно завдяки сублімації легко летких компонентів. Тонкий пил в кольоровій металургії називають «перегоном». За своїм хімічним складом тонкий пил різко відрізняється від вихідного матеріалу – він збагачений леткими компонентами, такими як свинець, кадмій, цинк, індій, германій. Перегони є цінною сировиною для вилучення з них вищеназваних елементів, а тому вони обов’язково повинні піддаватися паралельній переробці за своєю технологією.

Розчини. Розчинами називають продукти процесу вилуджування (розчинення), в яких розчинена речовина знаходиться в стані молекулярного роздрібнення. Це робить їх досить стійкими, які не розділяються при тривалому стоянні. Найважливішою характеристикою розчинів є їхня концентрація, тобто відносна кількість даної речовини в розчині.

Кеки являють собою порошкоподібні матеріали. За природою утворення розрізняють два вида кеків:

– нерозчинені залишки вилуженого матеріалу;

– продукти (осади) цементаційного, коагуляційного або гравітаційного осадження розчинених металів у вільному стані або у формі нерозчинених хімічних сполук.

Іншими дуже численними різновидами продуктів металургійного процесу є окатиші, агломерати, спіки і сплави.

Кольорова металургія України не дуже поширена через обмеженість різновидів руд та їх запасів. Сировинна база кольорової металургії України подана запасами алюмінієвої сировини (бокситів, нефелінів, алунітів), значними ресурсами титану, цирконію, магнієвої сировини. Розвідані також родовища інших рідкісних кольорових металів.

Технологічні процеси

При виробництві кольорових металів процеси поділяються на дві групи: пірометалургійні і гідрометалургійні.

Пірометалургійні процеси проводять при високих температурах частіше з повним і рідше з частковим розплавленням металу, а гідрометалургійні – у водних середовищах при температурі не вище 300^оС з частковим розплавленням металу.

В окрему групу виділені електрометалургійні процеси, які можуть бути як піро-, так гідрометалургійними. Відмінною рисою цих процесів є використання електроенергії як рушійної енергетичної сили для їх перебігу.

Пірометалургіні процеси за характером протікаючих перетворень, поведінки компонентів, що беруть участь у процесі, і кінцевими результатами поділяють на три групи: випал, плавка і дистиляція.

Випал – металургійний процес, проведений при високих температурах (500-1200°С) в межах зміни мінералогічного і хімічного складів перероблюваної сировини.

Плавка – це пірометалургійний процес, проведений при температурах, що забезпечують у більшості випадків повне розплавлення перероблювального металу. Розрізняють плавки рудні і рафінувальні. Є різні технології рудних плавок – все залежить від виду кольорових металів і їх руд. При цих плавках одержують метали з різними домішками. Рафінувальні плавки проводять з метою очищення металів від домішок. В основі їх лежать розбіжності в деяких фізико-хімічних властивостях основного металу і його домішок.

Дистиляція – процес випаровування речовин при температурі дещо вищій точки її кипіння, що робить можливим сублімацією розділити компоненти оброблюваного матеріалу залежно від їхньої леткості. Дистиляцією користуються як для переробки рудної сировини, так і для видалення легколетких домішок при рафінуванні або розподілі металевих сплавів. Дистиляцією з метою рафінування називають ректифікацією.

Гідрометалургійні процеси. Гідрометалургійні процеси протікають при низьких температурах на межі поділу найчастіше твердої і рідкої фаз. Будь-який металургійний процес складається з трьох основних стадій: вилужування, очищення розчинів від домішок і осадження металу з розчину.

Вилужування – процес перетворення вилучених металів у розчин (розчинення) при впливі розчинника на перероблювальний матеріал часто при газовому реагенті – кисні, водні та інших. Внаслідок вилужування одержують два продукти: розчин вилуженого металу забруднений домішками, і нерозчинений залишок, що складається з пустої породи. В якості розчинників використовують воду, розчин кислот, лугів або солей.

Очищення розчинів від домішок проводять з метою запобігання їх потрапляння у вилучений метал при наступному його осадженні. Для очищення розчинів вилужування від домішок використовують методи хімічного осадження неорганічними або органічними реагентами, гідроліз, кристалізацію або цементацію.

Осадження металів з очисних розчинів від вилужування проводять електролізом водяних розчинів, цементацією або відновленням газопереробними відновлювачами під тиском.

Іонообмінний процес ґрунтується на спроможності деяких речовин (іонітів) поглинати іони з розчину в обмін на іони того ж знаку, що входять до складу іоніту.

В гідрометалургії кольорових металів, особливо при виробництві рідкісних і благородних металів все більше застосування набувають сорбційні (особливо хемосорбція) і екстракційні процеси. Застосування цих процесів спрямоване на вирішення таких задач:

1) переведення цінного металу після вилужування з одного розчину в інший більш зручний за сольовим складом для наступної переробки;

2) концентрування металів із розведених розчинників і пульп;

3) селективний розподіл металів і очищення розчинів від домішок.

Виробництво титану і магнію

Магній і сплави на його основі по питомій міцності перевершують багато стали, чавуни та алюмінієві сплави. Магній в 4,5 рази легше стали, в 5 - міді, в 2,5 - титану і в 1,5 - алюмінію. Мала питома вага зумовив його застосування як енергозберігаючого матеріалу в авіації, ракетної та космічної техніки, автомобілебудуванні. Хімічні властивості магнію дозволяють використовувати його для модифікації чавуну і десульфурації стали, протекторного захисту морських суден і магістральних трубопроводів для передачі нафти і газу.

Виробництво магнію здійснюється електролітичним способом, що включає чотири основних переділу, перша стадія зневоднення хлормагнієвого сировини, друга стадія зневоднення хлормагнієвого сировини; електроліз хлористого магнію; рафінування Мg. Перша стадія зневоднення збагаченого карналіту проводиться у обертових печах та печах "киплячого шару", друга стадія - у сольових хлоратора і печах СКМ. Магній-сирець отримують електролізом безводного карналіту і хлористого магнію титанового виробництва Електроліз проводять в бездіафрагменних електролізерах. Рафінування магнію здійснюється шляхом плавки металу з флюсом, що містить хлористі і фтористі солі лужних і лужноземельних елементів.

Для очищення газів, що відходять від хлору і хлористого водню при виробництві магнію в Росії і країнах СНД одним з найбільш поширених сорбентів є водна суспензія гідроксиду кальцію (вапняне молоко). Застосування такого сорбенту забезпечує високий ступінь очищення від зазначених компонентів і в той же час визначається його доступністю і низькою вартістю. В результаті реалізації цього способу в даний час утворюється значна кількість пульп, що містять крім хлориду кальцію, зважені речовини (оксид і карбонат кальцію), а також гіпохлорит і хлорат кальцію. Присутність двох останніх створює перешкоди для подальшої переробки одержуваних суспензій в товарні продукти і, крім того, вимагає проведення заходів по їх знешкодженню. За діючої технології відпрацьований сорбент з метою розкладання в ньому гіпохлориту кальцію піддають нагріванню до 80-90С, внаслідок чого в пульпу відбувається збільшення концентрації хлорату кальцію.

Для підвищення ефективності очищення газових викидів магнієвого виробництва від хлору був розроблений спосіб із застосуванням сорбенту що складається з суміші водної суспензії гідроксиду кальцію і карбаміду. Введення карбаміду має забезпечити значне зменшення вмісту загального активного хлору в сорбенті в процесі очищення газів, підвищити ефективність очищення і виключити утворення хлорат кальцію. Амортизаційний брухт магнію являє собою прийшли в непридатність частини автомобілів і літаків, офсетні формні пластини, а також деякі шлами від первинної плавки магнію. Нові відходи - обрізки, стружка, ізгаріна, шлаки, бракована продукція, зокрема листопрокатних цехів. Найбільша небезпека при обробці магнію - виникнення пожежі: невеликі частки металу легко спалахують від будь-якої іскри.
- Ручне сортування застосовується для відділення магнію і його сплавів від інших металів. Скрап розбирають і сортують за вагою.

- Плавка у відкритому тиглі. Цей процес використовується для відділення магнію від забруднень. Скрап нагрівають і вносять флюс, що складається з суміші кальцію, натрію і хлоридів калію. Розплавлений магній потім перетворюють на злитки.

Титановмисні мінерали.

Титан є одним з найбільш поширених хімічних елементів як за змістом його в земній корі, так і по наявності мінералів цього металу в дуже багатьох гірських породах.

Відомо більше 80 мінералів, які за сумарним вмістом титану складають досить велику частку в земній корі. Найважливіші мінерали титану в основному входять до складу п'яти характерних груп - рутилу, ільменіту, перовскіту, ніоботанталотітанатов і стено, з яких найбільше значення мають групи рутилу і ільменіту.

Титанові мінерали - ільменіт, рутил, стено - зустрічаються в розсіяному стані майже у всіх типах порід - магматичних і їх ефузивних породах, в породах метаморфічного комплексу (гнейси, амфіболіти, слюди), а також в осадових породах, особливо в глинах, бокситах, пісках і пісковиках. Переважна кількість відомих мінералів титану утворилося у зв'язку з магматогенних процесами, в результаті яких формуються мінерали цього металу в поєднанні з киснем і залізом і в меншій мірі - з кальцієм і кремнієм.

Переробка рудної сировини.

Промислові способи отримання титану і його основних сполук базуються на використанні в якості вихідної сировини титанових концентратів, що містять не менше 92-94% TiO₂ в рутилових концентратах, 52-65% TiO₂ в ільменітових концентратах з розсипів і 42-47% TiO₂ в ільменітових концентратах з корінних родовищ.

Ільменитовий концентрати використовуються головним чином як сировини для випуску діоксиду титану і металу, а також виплавки феросплавів і карбідів, а рутилові - для виробництва обмазки зварювальних електродів.

Близько 50% світового виробництва титанових концентратів базується на переробці руд розсипних родовищ і 50% - на переробці руд корінних родовищ.

Селекція входять до складу колективних концентратів немагнітних мінералів заснована на використанні різної їх електричної провідності, в міру спадання якої зазначені мінерали розташовуються в наступний ряд:

Таким чином, якщо в колективному концентраті переважають рутил, циркон і алюмосилікати, то процес доведення починається зазвичай з переділу електростатичної сепарації. Якщо ж у колективному концентраті переважає ільменіт, то технологічний процес доведення починається з переділу магнітної сепарації.

При доведенні чорнових колективних концентратів широко застосовується гвинтові сепаратори, пластинчасті і роликові магнітні сепаратори мокрого і сухого дії з високою напруженістю магнітного поля, магнітні сепаратори з перехресними стрічками, а також пневматичні і мокрі концентраційні столи та інше обладнання.

Останнім часом для підвищення вилучення мінералів з ​​вихідного сировини все частіше використовується так званий процес оттіркі, що полягає в обробці колективного концентрату розчинами лугу або слабкою плавикової кислоти при інтенсивному перемішуванні. При цьому з поверхні мінералів, зокрема рутилу і циркону, видаляються залізисті і глинисті плівки, утрудняють селекцію матеріалів.

Виплавка титанових шлаків.

Цю відновну плавку проводять у трьохелектродних круглих електропечах потужністю 3,5-20 МВА, з влаштування подібних з застосовуваним для плавки нікелю, електротермії цинку або сталеплавильними. Температура переділу 1650-1750 ^Про С. Середовище повинне бути помірно-відновної, вугільна футеровка непридатна. Подину викладають притертими магнезитовим цеглою, стіни захищають гарнісажем з тугоплавкого шлаку, накопиченим за особливим режимом. Чавун випускають через річку, підняту над подом на 400 мм, а шлак-через жужільну летку, іноді - разом з чавуном.

Завдання плавки - отримати багатий титановий шлак і чавун, перехід заліза в який обмежують: FeO єдина речовина, що дозволяє отримати помірно в'язкий шлак, при недоліку його було б потрібно зайвий перегрів. Щоб уникнути розбавлення шлаку і зайвих витрат, флюси застосовують рідко. На відміну від кольорової й чорної металургії тут над чавуном виходить сплав титанату, а не силікатів. Титанати заліза більше легкоплавкі, чим окисли титану, особливо ільменіт (1400 ^О С) і Fe₂ TiO₄ (1395 ^О С), вони в основному і знижують в'язкість шлаку. Відновлення FeO і TiO до металу можна записати в загальному вигляді рівнянням, з якого легко отримати:

pCo ₂ / pCo = a [Fe] / a [Ti] * a (TiO) / a (FeO) = exp (dZFeO-dZTiO) / RT

Розподіл заліза і титану між чавуном і шлаком - функція різниці спорідненості цих металів до кисню і залежить від парціального тиску окису вуглецю в порах шихти, що визначається витратою відновлення і температурою. Насправді рівновага не досягається через швидке відновлення заліза, накопичення чавуну на початку переділу і нестачі часу для подальшого вирівнювання складу фаз.