II. 2. 5. Переработка концентратов редких металлов

Группа редких металлов самая многочисленная из цветных металлов. Большинство редких металлов имеют низкое содержание в земной коре. Руды этих металлов требуют глубокого обогащения и организации комплексной переработки с извлечением всех ценных составляющих. Задача усложняется тем, что часто необходимо обеспечить разделение близких по свойствам элементов и получить конечный продукт высокой чистоты. Производство редких металлов рассмотрим на примере тугоплавких, одним из которых является титан.

Титан (Ti) - металл серебристо-белого цвета с плотностью 4540 кг/м³ и температурой плавления 1725 °С. Из-за своих уникальных физических и химических свойств (малая плотность, высокая антикоррозионность, механическая прочность и т.д.) находит широкое применение в промышленности, особенно в ракетостроении, химии и приборостроении. Стоимость титана в настоящее время составляет 8500 долларов/т. Одним из основных источников получения титана являются железотитановые руды, в которых титан представлен минералами: ильменитом (FeTiO₃), титаномагнетитом (Fe₂O₃ × TiO₂), сфеном (CaO × TiO₂ × SiO₂). Железотитановые концентраты, получаемые при обогащении таких руд, перерабатываются по следующей схеме: электроплавка, хлорирование, восстановление.

Задача электроплавки - получить чугун и перевести весь титан в шлак. Осуществляется в дуговых электропечах при 1650-1750 °С, для восстановления железа к концентрату добавляют уголь. Состав получаемого шлака: 48 % Ti (80 % TiO₂), 2 % Fe, 3-5 % SiO₂, 2,5-4 % CaO, 2-4 % MgO. Шлак после охлаждения дробят и измельчают, смешивают с коксом и хлорируют.

Задача хлорирования - перевести титан в виде хлорида в газовую фазу. Осуществляется в специальных аппаратах-хлораторах при 800 °С в расплаве хлористых солей (NaCl, KCl, CaCl₂) в присутствии кокса. При продувании газообразного хлора протекает реакция

TiO₂ + 2Cl₂ + C = TiCl₄ + CO₂,

и титан переходит в газовую фазу в виде тетрахлорида. Поскольку он содержит какое-то количество примесей, его подвергают очистке, которая проводится сначала с газовой фазой, а затем, после конденсации тетрахлорида, с жидкой. В результате этой операции получается чистый тетрахлорид титана.

Задача восстановления - получить металлический титан. Осуществляется в специальных ретортах металлическим магнием при 800-900 °С в атмосфере аргона. Титан образуется по реакции

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂.

Поскольку титан при этом оказывается в смеси с магнием и хлористым магнием, эту смесь подвергают возгонке - нагревают под вакуумом. В результате последней операции получают чистую титановую губку.

 

Ii.3. ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА

ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Ii.3.1. КОКСОВАНИЕ И ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ

 

Ископаемые угли представляют собой твердые горючие горные породы растительного происхождения. По составу материнского вещества угли подразделяются на гумусовые, сапропелевые и гумусосапропелевые. Наибольшее распространение имеют гумусовые угли (бурые и каменные). Бóльшая часть добываемых углей (>80 %) являются энергетическими, т.е. используются для производства тепла. Меньшая часть перерабатывается на различные химические продукты. Химическая переработка углей включает два таких масштабных процесса, как пиролиз и газификация.

Пиролиз углей (коксование и полукоксование) - это процесс нагревания угля без доступа воздуха до 400-1200 °С. Задачей коксования каменных углей является получение кокса, коксового газа и ценных химических продуктов (бензол, нафталин, смолы и др.). Для коксования используются смеси каменных углей (шихты), дающие прочный кусковой кокс. Коксование проводят в коксовых печах, которые для удобства обслуживания компонуют в батарею, состоящую из 45-71 печи.

Коксовая печь представляет собой прямоугольную плоскую камеру, изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. Продольные стенки камеры пустотелые, и в них сжигается топливо, обычно коксовый газ. Исходная шихта загружается сверху по всей длине камеры через специальные отверстия. Тепло от стенок передается внутрь камеры и нагревает «пирог» до нужной температуры (1100-1200 °С). При постепенном нагреве в камере протекают следующие процессы: в начальной стадии нагрева (100-110 °С) из шихты удаляется влага и часть сорбированных газов (кислород, азот и др.); при 300-350 °С начинается частичная деструкция цепей молекул угля с отщеплением низкомолекулярных соединений; при 480-550 °С - разложение угля с образованием и выделением жидких и газообразных продуктов, образуется твердый полукокс; при 550-1000 °С полукокс подвергается дальнейшей деструкции и усадке с образованием твердого продукта высокотемпературного кокса. Таким образом, конечными продуктами коксования являются кокс, коксовый газ и каменноугольная смола.

Кокс после выпуска из печи подвергают охлаждению водой и сортировке по крупности. Каждый класс крупности используется по своему назначению. Например, кокс крупнее 40 мм направляется в доменное производство, а меньше 5-10 мм - в агломерацию руд. К каждому классу предъявляются требования не только по крупности, но и по составу, механической прочности, пористости и теплотворной способности.

Коксовый газ после выделения из него смолы, аммиака, сырого бензола и других химических продуктов используется в качестве горючего.

Каменноугольная смола содержит до 10 % свободного углерода и ряд ценных ароматических и гетероциклических органических соединений, которые выделяются на химических заводах. В настоящее время из смолы получают до 100 различных продуктов.

Газификацией углей называется процесс превращения органической массы угля в горючие газы. Он основан на горении и неполном окислении угля. Газификация осуществляется воздухом и водяным паром при высокой температуре (1000-1500 °С) в специальных аппаратах, называемых газогенераторами, в которых протекают реакции:

C + O₂ = CO₂;

2C + O₂ = 2CO;

C + H₂O = CO + H₂;

C + 2H₂O = CO₂ + 2H₂;

C + 2H₂ = CH₄.

Таким образом, газы, выходящие из газогенераторов, насыщаются оксидом углерода, водородом и метаном, т.е. компонентами, являющимися прекрасным топливом. Поэтому их используют, в основном, как теплоноситель, иногда как восстановитель.

 

 

Ii.3.2. ПЕРЕРАБОТКА АПАТИТОВЫХ

И ФОСФОРИТОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

 

Основным ценным компонентом в таких концентратах является фосфор, который содержится в апатите [3Ca₃(PO₄)₂ ´ ´ Ca(F,Cl)₂] и фосфорите Ca₃(PO₄)₂. Фосфорсодержащие соединения являются хорошими минеральными удобрениями, поэтому бóльшая часть апатитовых и фосфоритовых концентратов, получаемых на обогатительных фабриках, перерабатывается в удобрения. Различают несколько видов фосфорных удобрений: фосфорная мука, простой суперфосфат, двойной суперфосфат, аммофос и преципитат.

Фосфорная мука получается простым дроблением исходного фосфоритового концентрата. Считается самым дешевым и малоэффективным удобрением.

Простой суперфосфат получают, обрабатывая апатитовый концентрат серной кислотой при 100-120 °С:

3Ca₃(PO₄)₂ × CaF₂ + 7H₂SO₄ = ¯3CaH₄(PO₄)₂ + ¯7CaSO₄ + 2HF.

Как видно из реакции, получаемая фосфорная соль сильно разбавляется гипсом, который неизбежно выпадает в осадок.

Этого недостатка лишен двойной суперфосфат, который получают обработкой апатитового концентрата фосфорной кислотой:

3Ca₃(PO₄)₂ × CaF₂ + 14H₃PO₄ + 10H₂O =

= ¯10CaH₄(PO₄)₂ × H₂O + 2HF.

Кроме того, из этих концентратов получают фосфорную кислоту, используя которую производят аммофос:

H₃PO₄ + NH₃ = NH₄H₂PO₄

и преципитат:

H₃PO₄ + Ca(OH)₂ = CaHPO₄ × 2H₂O.

Амофос и преципитат считаются наиболее эффективными удобрениями.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................... 3

I. Обогащение полезных ископаемых............................................... 4

I.1. Основные характеристики............................................................................. 4

I.2. Гранулометрический состав.......................................................................... 7

I.3. Подготовительные процессы обогащения................................................... 9

I.3.1. Грохочение......................................................................................... 9

I.3.2. Классификация................................................................................. 15

I.3.3. Дробление.......................................................................................... 18

I.3.4. Измельчение...................................................................................... 22

I.4. Основные процессы обогащения.......................................................... 24

I.4.1. Гравитационные методы обогащения....................................... 24

I.4.2. Флотационные методы обогащения.......................................... 29

I.4.3. Магнитные методы обогащения................................................. 34

I.4.4. Электрические методы обогащения........................................... 36

I.4.5. Специальные методы обогащения............................................. 39

I.4.6. Комбинированные методы обогащения.................................. 40

I.5. Вспомогательные процессы обогащения........................................... 40

I.5.1. Обезвоживание................................................................................. 40

I.5.2. Пылеулавливание............................................................................ 42

I.5.3. Очистка сточных вод...................................................................... 42

II. Переработка полезных ископаемых......................................... 43

II.1. Вспомогательные материалы для процессов переработки........ 44

II.2. Металлургическая переработка продуктов обогащения............ 46

II.2.1. Производство чугуна и стали..................................................... 48

II.2.2. Переработка концентратов тяжелых цветных металлов... 58

II.2.3. Переработка руд и концентратов благородных металлов 74

II.2.4. Переработка руд и концентратов легких металлов............. 77

II.2.5. Переработка концентратов редких металлов....................... 78

II.3. Химическая переработка полезных ископаемых........................... 80

II.3.1. Коксование и газификация углей.............................................. 80

II.3.2. Переработка апатитовых и фосфоритовых концентратов 82