Lektsia_11_Chernaya_i_tsvetnaya_metallur gia (Лекции)

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯТЕХНОЛОГИЯЛекция 11. Черная и цветнаяметаллургия.Классификация металловМеталлыЧерныеЦветныеFe Mn CrТугоплавкиеW Mo V Ta Ti Zr NbРедкиеЛегкиеSr Sc Cs RbРедкоземельныеLa Y Hf Ce Sc РадиоактивныеTh Ra Ac Pa Po UТяжелыеСu Pb Sn Zn NiЛегкиеAl Mg Ca K Na Ba Be LiБлагородныеPt Ir Os Pd Ru Rh Au AgКлассификация рудРуда — вид полезных ископаемых, природное минеральное образование, содержащее соединения полезныхкомпонентов (минералов, металлов) в концентрациях, делающих извлечение этих компонентов экономическицелесообразным.По добываемому металлуЖелезныеМедныеСвинцовыеМедно-никелевыеСвинцово-цинковыеПо составу минераловСульфидныеОкисленныеСамородныеCuFeS2 PbS ZnSОксиды, силикаты,карбонатыAu S···Обогащение рудыОбогащение руды — совокупность методов разделения металлов и минералов друг от друга поразнице их физических и/или химических свойств.

Химический состав компонентов руды приэтом не изменяется.Основные процессы обогащения рудыРудоразборка – ручной отбор кусков руды или пустой породы, или вредных примесей изсортируемой рудной массы. Почти не применяется и повсеместно заменена механизированнымипроцессами разделенияПромывка – процесс, при котором происходит разрыхление (дезинтеграция) и отделение глинистыхсоставляющих от частиц руды. Процесс происходит под действием воды и производится вспециализированных устройствах.Гравитационное обогащение основано на использовании действия силы тяжести, при которойминералы отделяются от пустой породы за счет разницы их плотности и размера частиц.Осуществляется в водной, воздушной или в тяжёлой среде, в шлюзах, сепараторах, гидроциклонах,отсадочных машинах, на концентрационных столах и т.

п.Магнитная сепарация – разделение материалов на основе различия их магнитных свойств иразличного поведения материалов в зоне действия магнитного поля, изменяющего гравитационнуютраекторию материалов.Флотация – метод, основаный на различии способностей минералов удерживаться на межфазовойповерхности. Гидрофобные частицы минералов избирательно закрепляются на границе раздела фаз,обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных частиц.

При флотации пузырьки газа или каплимасла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.Fe(чугун и сталь)Диаграмма состояния Fe-C< 0,02 % С – железо0,02 - 2,14 % С – сталь> 2,14 % C – чугунПринципиальная схема2КоксСРудаFe2O3, Fe3O4ЧугунДоменнаяпечь1Fe + CСтальТоварFe + C3металлоломобогащение и прямое восстановление1 – Конвертер (более 60% мирового производства)2 – Дуговая печь3 – Мартеновская печь (устаревший способ, менее 2% мирового производства)Доменный процессКислородно-конвертерный процессКонвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путемпродувки жидкого чугуна воздухом или кислородом.Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугунепримесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава.Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой длярасплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы.Дуговая сталеплавильная печьДуговая сталеплавильная печь — электрическая плавильная печь, в которой используетсятепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов.Использование электрической энергии (электрического тока)Возможность расплавить шихту (металлолом) практически любого составаТочное регулирование температуры металла и его химического составаМартеновская печьОсновной принцип действия — вдувание раскалённой смеси горючего газа и воздуха в печь с низкимсводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав.Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретыйрегенератор (специальная камера, в которой огнеупорным кирпичом выложены каналы).

Происходитпопеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувкахолодного воздуха.Стадии процесса:1. Плавление Fe, окисление Si, Mn, Fe, P2. Окисление C за счёт FeO3. Раскисление – удаление остатков FeOс помощью FeSi, FeMn, AlНачиная с 1970-х годов новые мартеновские печи в мире не строятся.В 2018 году была закрыта последняя крупная мартеновская печь в России.CrПолучение хромаХром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO2)2 (хромитжелеза). Основная его часть идет на производство легированных сталей, поэтомухромистый железняк в основном перерабатывают вместе с железной рудой.Получение чистого хрома:1. Сплавление хромита железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе:Fe(CrO2)2 + 8Na2CO3 + 7O2 = 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO22.

Растворение хромата натрия для отделения от оксида железа3. Перевод хромата в дихромат в кислой среде, выкристаллизовывание дихромата4. Получение чистого оксида хрома восстановлением дихромата натрия углем:Na2Cr2O7 + 2C = Cr2O3 + Na2CO3 + CO5. Алюминотермическое восстановление оксида хрома:Cr2O3 + Al = Cr + Al2O3CuПирометаллургический способобжигобогащениеРудаМедныйконцентратОбожженныйконцентратплавка на штейнШтейнCu2S·nFeSCuS, CuFeS2ЧистаямедьЧерноваямедьпродувка вконверторерафинированиеПроцессы, протекающие при обжиге:2CuS → Cu2S + SFeS2 → FeS + S2CuFeS2 → Cu2S + 2FeS + SS + O2 → SO22FeS + 3O2 → 2FeO + 2SO22Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2Cu2O + FeS → Cu2S + FeOПроцессы, протекающие в конверторе:1 стадия (до окончания Fe):2FeS + 3O2 → 2FeO + 2SO22FeO + SiO2 → 2FeO·SO22 стадия:2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO22Cu2O + Cu2S → 6Cu + SO2NiСпособы получения никеляНикель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет ок.0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритахсодержится самородный никель (от 5 до 25 %).

Основную массу никеля получают изгарниерита (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6·H2O и магнитного колчедана (Fe, Ni, Cu)S1. Переработка гарниерита:Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах дожелезо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают иобрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитическиполучают металл.2. Переработка магнитного колчедана (метод Монда).Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СОпод высоким давлением.

Образуется легколетучий тетракарбонилникель Ni(CO)4,термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.3. Алюминотермическое восстановления никеля из оксидной руды:3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3Ag, Au, Pd, PtСырьеСамородные формы – коренные месторождения и россыпи с содержаниемблагородных металлов 1-30 г/тМинералы – электрум (Ag, Au), кюстелит (Ag, Au), калаверит AuTe2, креннерит(Au, Ag)Те2, сильванит (Au, Ag)Te4Отходы других производствВыделение благородных металловКупелирование — метод, основанный на свойстве свинца, расплавленного с серебром,окисляться на воздухе, отделяясь от металла вместе с посторонними примесями. Неотделяется только золото, платина и другие металлы семейства платины, которыеостаются в сплаве с серебром.Хлорный аффинаж (метод Миллера) - через расплав металлов пропускают газообразныйхлор.

Хлор в первую очередь начинает реагировать с неблагородными металлами исеребром, а уже в последнюю очередь золотом и металлами платиновой группы.Образовавшиеся хлориды всплывают на поверхность имея меньшую плотностьХимическое рафинирование золота – многостадийный процесс, заключающийся врастворении металлов в 40% азотной кислоте и последующем осаждении компонентовотдельно друг от другаВыделение платины производится из раствора в царской водке с помощью образованиянерастворимого (NH4)2PtCl6 и его последующего разложенияПосле осаждения золота и платины осаждают Pd(NH3)2Cl2, очищают егоперекристаллизацией из аммиачного раствора HCl и разлагают до порошкообразногопалладия.