18. Производство цветных металлов: меди, алюминия, магния, титана:

Для производство меди применяют медные руды, содержащее 1-6% Сu, а также отходы меди и ее сплавов. Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу при температуре 750 – 800⁰ С.

При пирометаллургическом способе полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре 1250-1300⁰ С восстанавливаются оксид меди и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди(Cu₂O), реагируя с FeS, дает Cu₂S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем расплавленный медный штейн заливают в конверторы и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов меди и железа, перевода образующихся оксидов железа в шлак, а серы в SO₂ и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огненное рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляются газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению SO₂ и других газов. При этом медь окисляется и для освобождения ее от Cu₂О ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99.5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди или плиты для электролитического рафинирования – получение меди чистотой - 99.95%.

После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5—99,85%.

Производство алюминия. Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.

Основное сырье для производства алюминия – алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Алюминий получают электролизом глинозема – оксида алюминия (Al₂O₃) в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) с добавлением фтористых алюминия и натрия (AlF₃, NaF). Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; Электролиз глинозема в расплавленном криолите.Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью: Al₂O₃ + n H₂O + 2NaOH = 2NaAlO₂ + (n + 1)H₂O Полученный алюминат натрия NaAlO₂ подвергают гидролизу: NaAlO₂ + 2H₂O = NaOH + Al(OH)₃ .

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия Al(OH)₃ Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200⁰ С и получают обезвоженный глинозем Al₂O₃.

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al₂O₃ , в результате чего образуется вторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок: 2H₃AlF₆ +3Na₂CO₃ = 2Na₃AlF₆ +3CO₂ + 3H₂O.

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема Al₂O₃ проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000С.

Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF3 и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al3+ и образуется алюминий, а на аноде—ион О2-, который окисляет углерод анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30—45 мин при температуре 690— 730° С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5—99,85%.

Для производства магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния (хлористого магния), электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl₂*KCl*6H₂O), магнезит (MgCO₃), доломит (СаСОз • MgCO₃), бишофит (MgCl2*6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2• КС1) используют для приготовления электролита. Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами—стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10% MgCl₂, 45% CaCI₂, 30% NaCI, 15% КСl с небольшими добавками NaF и CaF₂. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 ±10° С). Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом. Черновой магний содержит 5% примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl₂ , КСl, BaCl₂, CaF₂, NaCI, CaCI₂, нагревают в электропечи до температуры 700—750" С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670⁰ С и магний разливают в изложницы на чушки.

Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием.

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40—45% TiO2, ~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5—7% пустой породы.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы.

Основной продукт этого процесса—титановый шлак содержит 80— 90% TiO₂ 2—5% FeO и примеси SiO2, Al2O3, CaO и др. Побочный продукт этого процесса — чугун используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи—хлор. При температуре 800— 1250° С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды CaCI2, MgCl2 и др. Ti02+2C+2Cl2=TiCl4+2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950—1000° С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция 2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу—губку, а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора.

Титановая губка содержит 35—40% магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900—950° С в вакууме.Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава.Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6— 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.