Технологические процессы в цветной металлургии

Цветная металлургия — одна из важнейших отраслей промышленности. Технический прогресс, начиная от освое­ния космического пространства и кончая электротехникой, химическим оборудованием и радиоэлектроникой, тесно связан с развитием технологии производства цветных металлов. Некоторые, давно освоенные металлы и сплавы, например, алюминиевые и титановые, ранее применявшиеся преимущественно в авиационной технике, теперь становятся одним из основных конструкционных материалов в строительстве, машиностроении и других отраслях.

По плотности цветные металлы подразделяют на тяжелые (4,5 г/см3) и легкие (4,5 г/см3). Тяжелые металлы — свинец, медь, олово, цинк и др., легкие — алюминий, титан, магний и др.

По температуре плавления металлы разделяются на легкоплавкие и тугоплавкие. К легкоплавким относятся металлы с температурой плавления до 1000°С (свинец, олово, цинк, алюминий и др.), остальные — к тугоплавким (вольфрам, молибден, ниобий и др.).

По степени окисления металлы подразделяются на благо­родные и обыкновенные. К благородным металлам относятся: золото, серебро, платина, к обыкновенным — все остальные.

Отличительной чертой руд цветных металлов является низкое содержание в них основного металла. Лишь в алюминиевых и магниевых рудах основного компонента находится от 10 до 30%. Второй отличительной чертой руд цветных металлов является их комплексный характер. Так, в медных и свинцово-цинковых рудах обычно содержатся кадмий, золо­то, серебро, селен, теллур, молибден, висмут и др. Присутствие столь ценных компонентов вызывает необходимость комплексной переработки руд для выделения всех элементов.

Медь — тяжелый цветной металл, плотность Сu — 8,94 кг/м3 , температура плавления 1083 °С. В чистом виде медь применяют для электротехнических целей (провода, шины, кабель). Более 50% чистой меди потребляет электротехническая про­мышленность и энергетика.

Сплавы на основе меди — это бронзы и латуни, которые широко применяются в технике в качестве конструкционных материалов.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием марганцем, свинцом, бериллием. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянистыми и безоловянистыми — кремниевыми, алюминиевыми и т.д. Бронзы обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами. Оловянистые бронзы, содержащие до 6% Sn, хорошо обрабатываются давлением; бронзы, содержащие до 15% Sn, обладают хорошими литейными свойствами. Дефицитность и высокая стоимость олова — основной недостаток оловянистых бронз.

Бронзы маркируют следующим образом: буквы Бр означают бронзу, следующие буквы означают легирующий элемент (О — олово, Ц — цинк, Ф — фосфор, Б — бериллий, Н — никель, А — алюминий, Ж — железо, К — кремний, Mg —марганец, С — свинец), цифры показывают содержание элементов в сплаве. Например, БрОФ 10-1 (10% Sn, 1% Р, ос­тальное — медь).

Латуни — это сплавы меди с цинком. Применяют латуни с содержанием Zn до 45%. Сплавы, содержащие до 10% Zn, называют томпаксами. Если латунь, кроме цинка, не содер­жит легирующих элементов, то такая латунь называется про­стой. Латуни, содержащие алюминий, свинец, никель, мар­ганец, олово и другие элементы, называются сложными. До­бавки этих элементов повышают прочность латуни, а также придают им специальные свойства. Алюминий и никель по­вышают прочность и твердость латуни; олово, никель и мар­ганец увеличивают прочность и коррозионную стойкость, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатывае­мость латуни резанием.

Латуни маркируются следующим образом: Л — обознача­ет латунь, последующие две буквы обозначают легирующие элементы, цифры показывают содержание меди и легирующих элементов, например, ЛАЖМЦ 66-6-3-2 (66% Сu, 6% Аl, 2% Мn, остальное — Zn).

Около 90% извлекаемой из руд меди получают пирометаллургическим способом. Этот традиционный способ выплавки меди состоит из следующих операций:

1) флотация — обога­щение руды, так как все медные руды очень бедны медью;

2) обжиг рудного концентрата для уменьшения содержания серы и примесей в нем (образующийся при обжиге SO2 по­ступает в химическую промышленность для производства сер­ной кислоты);

3) плавка на штейн при температуре 1600 °С (штейн — расплав, состоящий из сульфидов меди около 80%);

4) передел штейна на черновую медь путем продувки воздухом в конвертере;

5) огневое рафинирование меди в от­ражательных печах;

6) электролитическое рафинирование меди в целях получения меди высокой степени чистоты и вы­деления драгоценных металлов.

Пирометаллургические процессы служат основой получения не только меди, но и свинца, никеля и других цветных металлов. Традиционные пирометаллургические процессы сопровож­даются образованием большого количества шлаков, в кото­рых содержатся окислы кремния, алюминия, кальция, магния, железа, марганца, меди, никеля, кобальта, цинка, свинца, кадмия, редких металлов. Вот почему переработка этих шлаков играет очень важную роль.

Новая технология извлечения цветных металлов из шла­ков называется "карбидотермическое обогащение" шлаков. Процесс идет в электропечах. Шлаковые расплавы, содержа­щие оксиды металлов, восстанавливаются смесью кокса и из­вести до металла. В качестве побочного продукта получают силикат кальция — прекрасное сырье для производства строительных материалов.

Наиболее прогрессивными процессами, применяемыми в ме­таллургии, являются автогенные процессы. Автогенный процесс — это процесс, протекающий без подвода внешнего тепла, источник тепла кроется в самой руде. Процесс идет с помощью экзотермических химических реакций. Автогенный процесс кардинально меняет технологию и многократно улучшает тех­нико-экономические показатели. Особенно эффективно его ис­пользование в цветной металлургии. Так, например, при выплавке свинца производительность труда по сравнению с традиционным методом увеличивается в два раза. На столько же снижается расход кокса, себестоимость свинца уменьшается на 20%. Кроме того, этот способ получения свинца позволяет полностью извлечь из руды серу, которая поступает в химическую промышленность для производства H₂SO₄. Такая техно­логия является практически безотходной. Автогенный про­цесс мало инерционен, что дает возможность мгновенно запускать и останавливать агрегат, который прост в обслуживании, герметичен, работает без шума. В результате приме­нения этой технологии происходит сокращение капитальных и эксплуатационных затрат на 30—35%.

Одной из разновидностей автогенных процессов является плавка в жидкой ванне (ПЖВ). Применение ПЖВ для выплавки меди позволяет без использования какого-либо топли­ва резко повысить производительность плавки, уменьшить размеры плавильных агрегатов. Кроме того, сокращается технологический цикл, так как ПЖВ позволяет отказаться от конвертерного производства и получать черновую медь уже на первом переделе, т.е. исключить из технологического процесса целый передел.

Суть технологического процесса ПЖВ состоит в следую­щем: шихту загружают прямо в расплавленный шлак. Идет эк­зотермическая реакция с выделением такого количества тепла, при котором расплав остается жидким, пока в него поступает шихта. Этим же способом можно получать цинк и никель.

Алюминий — легкий легкоплавкий металл с температурой плавления 659°С, плотностью 2,7 кг/м3. Чистый алюминий обладает высокой пластичностью, высокой тепло- и электро­проводностью и коррозионной стойкостью на воздухе. Алю­миний подразделяется на особо чистый А999 (99, 999% Аl), высокой чистоты А99, А995, А97, А95 и технически чистый А85, А8, А7, А6, А5 и т.д. Примеси значительно снижают электропроводность, теплопроводность и пластические свой­ства алюминия. Чистый алюминий применяют в электротех­нике в качестве заменителя дорогой меди.

В качестве конструкционных материалов в промышлен­ности широко применяют сплавы на основе алюминия. Спла­вы на основе алюминия подразделяют на две группы — деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, широко применяются в строительст­ве и мостостроении, для малонагруженных и ненагруженных элементов конструкций зданий, для несущих сварных кон­струкций (фермы, арки, балки и т.д.). Деформируемые алю­миниевые сплавы, упрочняемые термической обработкой, приобретают высокие механические свойства и хорошую со­противляемость коррозии после термической обработки — это авиали (АВ, АД31, АДЗЗ), дуралюмины (Д1, Д16, Ак6, Ак8), сплавы высокой прочности (В95, В96), жаропрочные сплавы (АК4, ВД17 и др.). Термическая обработка — закалка и старе­ние — эти сплавы применяется в авиации и судостроении.

Литейные алюминиевые сплавы находят в промышленнос­ти широкое применение. Это — сплавы на основе:

1) Al-Si; АЛ2, АЛ5, АЛ9 и др.;

2) Al-Mg;

3) Al-Cu;

4) Al-Zn.

Все эти сплавы обладают хорошими литейными и меха­ническими свойствами, хорошо обрабатываются резанием. Широко применяются в авиации, судостроении, строительст­ве и в быту.

В природе в чистом виде алюминий не встречается, но он широко распространен в виде окисла, называемого глинозе­мом Аl₂Oз. Технология получения чистого алюминия из его руд включает две основные стадии: выделение из руд чистого глинозема и получение из глинозема металлического алюми­ния.

В настоящее время в промышленности применяется в ос­новном один технологический процесс получения алюминия из глинозема, основанный на электролизе расплава окиси алюми­ния. Глинозем Аl₂0з является тугоплавким соединением (tпл = 2050 °С), которое расплавить в чистом виде весьма сложно. В связи с этим выделение металлического алюминия осуществляют не из расплава чистого глинозема, а из расплава смеси, состоящей из 8—10% глинозема и 90—92% криолита Na₂AlF₆. Смесь тако­го состава плавится при температуре 935 °С.

Процесс электролиза осуществляют в ваннах — электро­лизерах, выложенных изнутри графитовыми плитами. Такая футеровка, кроме защитного действия, играет роль катода. В качестве анода используют графитовые или угольные пласти­ны, которые подвешивают внутри ванны. При прохождении через расплав постоянного тока глинозем разлагается на ионы, и у катода (на дне ванны) собирается расплавленный металлический алюминий, который периодически выпускают в специальные ковши.

В связи с тем, что производство меди и алюминия включает процесс электролиза, одним из основных технико-экономических показателей является удельный расход электроэнергии (кВт×ч.). Кроме того, технико-экономические показатели определяются на всех переделах. К ним отно­сятся такие, как: выход металла на 1 кВт×ч. затраченной энергии; продолжительность операции (ч), расход воздуха на 1 т металла и др.