13.9.1 Руды и способы их переработки

Сырье в производстве металлов – металлические руды. За исключением небольшого числа (платина, золото, серебро) металлы находятся в природе в виде химических соединений, входящих в состав металлических руд. Металлической рудой называется горная порода, содержащая в своем составе один или несколько металлов в таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых возможно и целесообразно их извлечение.

По качеству и количеству металла руды делят на промышленные и непромышленные. К промышленным относятся те руды, в которых содержание металла превышает его рентабельный минимум, т.е. то минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды.

По числу содержащихся в руде металлов их делят на монометаллические (простые) и полиметаллические (комплексные). К полиметаллическим относят большинство руд цветных металлов, содержащие до 10-15 различных металлов.

По содержанию металла руды подразделяются на богатые, средние и бедные.

По форме нахождения металла руды делятся на: самородные, содержащие металлы в свободном состоянии (руда, содержащая золото); окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородных соединений; сульфидные, галогенидные.

Целесообразность переработки той или иной горной породы зависят от целого ряда условий, однако решающее значение имеет процентное содержание металла в руде. Для получения металла из руды необходимо удалить пустую породу и разложением рудного минерала отделить металл от химически связанных с ним элементов. Эти процессы переработки руды называются металлургическим процессами. Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификация и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления.

Для ускорения необходимых химических реакций металлургические процессы проводятся или с применением высоких температур и называются пирометаллургическими, или обработка руды ведется водными растворами реагентов; такие процессы называются гидрометаллургическими. Типовыми разновидностями пирометаллургических процессов являются обжиг, плавка и дистилляция, а гидрометаллургических – выщелачивание и осаждение из растворов.

Восстановление металлов в пирометаллургических способах осуществляется, главным образом, при помощи кокса и окиси углерода, получаемой непосредственно в печи при неполном сгорании углерода. Примеси отделяются от основного металла путем их отшлаковывания в виде окислов и солей, главным образом, в виде легкоплавких силикатов.

Черные металлы – чугун и стали различных марок – производят пирометаллургическим способами. В производствах цветных металлов обычно применяют комбинации пиро- и гидрометаллургических процессов.

В общем случае металлургический процесс включает три последовательные стадии:

– подготовка руды – превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металлы;

– восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла; восстановлению подвергаются преимущественно оксиды, реже галогениды, поэтому все остальные соединения должны быть переведены в них;

– вторичная обработка полученного металла.

Общая схема производства металлов из руд:

[ О]; Т

МеS_n

В обработка

р уда МеО_n Ме Ме_констр.

Т Т 111

Ме(ОН)n

Г2;НГ МеГ_n В

1. 1 1

1 – подготовка руды, 11- восстановление, 111- вторичная обработка, В – восстановитель,

[О] – окисление, Т – термическая обработка.

Физико-химичексие основы восстановленния металлов из руд:

1) гидрометаллургическое восстановление (химическое)

СuSО₄ + Zn =Сu + ZnSО₄

2) пирометаллургическое восстановление (химическое)

FеО +СО =Fе +СО₂

3) электрогидрометаллургичексое восстановление (электрический ток)

С uSО₄ +2е =Сu + SО₄ ^–2

4)электропирометаллургическое восстановление (электр. ток)

Аl₂О₃ +6е =2 Аl +3О^-3

Рассмотрим восстановление руд различными восстановителями.

1) Восстановление Н₂

Ме_хО_у +уН₂ =хМе +уН₂О

2)Восстановление углеродом

Ме_хО_у + уС =хМе +уСО

3)Восстановление СО (2)

Ме_хО_у + уСО =хМе +уСО₂

4)Восстановление металлами

Ме_хО_у + 2у Аl =хМе +у Аl₂О₃

Классификация черных металлов по химическому составу:

Низкоуглеродистые

С<0.25%

Углеродистые среднеуглеродистые

(Fе + С) С = 0.25- 0.6%

высокоуглеродистые

С>0.6%

Стали

2.14% С хромистые

никелевые

легированные ванадиевые

(Fе + С + Ме) содержащие несколько

легирующих

металлов

ф ерросплавы железоуглеро-

дистые сплавы

белые

2.2-3.5%

чугуны серые

>2.14 % С 2.5-4.0%

модифицированные