Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Как получают металлы?

Чистые металлы из руд

За редким исключением металлы встречаются в природе не в чистом, самородном состоянии, а в виде химических соединений. Эти соединения в ходе истории Земли возникли благодаря реакциям металлов с другими химическими элементами. В большинстве случаев руды представляют собой оксиды, сульфиды или карбонаты (табл. 6). Металлсодержащие полезные ископаемые в земной коре содержат одновременно и нежелательные минеральные составные части, безрудную или жильную породу. Поэтому методами флотации, измельчения, грохочения и агломерации руды должны быть сначала приведены к состоянию, удобному для дальнейшей металлургической переработки.

Чтобы добыть чистые металлы из руд, их подвергают соответствующему химическому разложению. В качестве примера возьмем оксид, из которого путем восстановления вначале получают черновой загрязненный материал, который далее путем рафинирования перерабатывают до чистого или особо чистого металла.

На   металлургических   производствах либо неокисленные руды путем нагрева в присутствии кислорода воздуха и обжига переводят в оксиды металлов, либо необходимые соединения металлов удаляются из руды выщелачиванием с помощью подходящих растворителей, таких как вода, разбавленные кислоты,   щелочи,   растворы   солей (гидрометаллургия).

Далее оксиды металлов  можно восстановить  веществом,  обладающим большим сродством к кислороду, чем получаемый материал. К ним относятся, например, углерод или его оксид при высоких температурах (карботермический метод), алюминий (алюмотермия) или кремний (кремнетермия). Эти способы объединены под общим понятием пирометаллургии.

В электрометаллургии металл может быть получен электролитически из расплава или водного раствора его соединения. Известно также и термическое разложение соединений металлов. Черновой металл, образующийся вначале во всех вышеназванных методах, очищается затем путем избирательного окисления, электролитическими методами, выпариванием и повторной конденсацией или зонной плавкой.

На основании этих принципов были разработаны самые разнообразные технологические варианты получения металлов. Мы рассмотрим в дальнейшем те из них, которые применяются для производства наиболее важных металлических материалов.

Чугун-продукт доменной печи

Для производства чугуна в настоящее время служат преимущественно оксидные руды в виде агломерата или кусков, которые восстанавливают в доменных печах с помощью углерода или его оксида. Доменная печь ( 24) имеет высоту до 40 м; в ее самом широком месте, распаре, диаметр достигает от 3,5 до 10 м. С колошниковой площадки в печь послойно засыпают металлическое сырье с добавками (шихту) и кокс. Кокс служит для протекания химической реакции восстановления и в то же время помогает создать необходимую температуру, которая непосредственно в зоне реакции, в заплечиках, достигает почти 2000 °С. Подаваемый в печь воздух предварительно нагревается в воздухоподогревателях (кауперах) до 800 °С, поступает по кольцевому трубопроводу через дюзы (фурмы) в доменную печь и стремится вверх навстречу потоку металлического сырья и кокса. Загрузочная масса постоянно пополняется из колошника. При восстановлении в ходе металлургического процесса возникают жидкое железо, которое науглероживается присутствующим коксом, и шлаки. Жидкие чугун и шлаки собираются в горне, причем, ввиду своей небольшой плотности, шлак плавает на металле. Шлаки через шлаковые летки постоянно удаляют из печи, а чугун периодически, через 2-4 часа, отбирают через летку в нижней части печи.

Доменная печь работает непрерывно 10-15 лет. Из нее получают чугун, содержащий 3,543% С, 1-3% Si, 0,5-1,5% Мп, 0,05-0,1% S и 0,05-0,1% Р, а также шлаки. Этот побочный продукт используют при производстве гравия, мелкого щебня, материала для мостовых, цемента, шлаковой ваты. Колошниковый газ, который через колосник выходит нагретый до 300-400 °С, поступает на обогрев воздухоподогревателей. Доменный чугун поступает либо в чугуносмеситель и перерабатывается дальше в жидком виде на сталеплавильных заводах, либо в литьевую машину, в которой получают твердые чугунные плашки, поступающие далее на сталелитейные заводы или на литейное производство.

От мартеновского способа к прямому восстановлению

Сталью называют железоуглеродные сплавы с содержанием углерода менее 2%. В чугуне содержание углерода составляет более 2,5%.

Сущность получения стали состоит в том, что путем избирательного окисления из доменного чугуна удаляют часть углерода и другие нежелательные элементы. Важным процессом в производстве стали поэтому является так называемая переделка чугуна. Под этим понятием объединены все реакции окисления углерода и других спутников железа (кремний, марганец, фосфор, сера), происходящие внутри металлургической печи в полученном там или введенном расплаве доменного чугуна и металлолома. К необходимому для этого воздуху примешиваются для окисления топочные газы и кислород.

Все важнейшие в настоящее время способы производства стали можно классифицировать так:

Способы производства стали

Прямое восстановление

Горновые способы

Конвертерный способ

При мартеновском способе металлическая шихта (чугун и металлический лом) в твердом или жидком виде находится в лоткообразном очаге, вдоль которого бьет длинный нагретый до 1900 °С факел. Это факел образуется при сгорании генераторного газа в потоке подогретого воздуха (принцип регенеративной топки). Мартеновские печи работают многие месяцы без перерывов. Их вместимость составляет от 10 до 600 т стали, которую в зависимости от размеров печи и особенностей технологии выпускают из печи в виде готового расплава через 5-20 часов. Необходимый для переделки чугуна в сталь кислород присутствует в печи в химически связанном состоянии в виде оксида углерода или оксидов металлов, содержащихся в руде.

Производство стали с помощью электроэнергии происходит чаще всего в электродуговых и реже в индукционных печах. Здесь металлическая засыпка тоже находится в плоском очаге. Между тремя вводимыми сверху графитовыми электродами и металлической шихтой возникают электрические дуги. Электродуговые печи эксплуатируются многие месяцы, а их вместимость колеблется от 5 до 100 т стали, для изготовления которой требуются от 4 до 10 часов.

В конвертере ( 25) металлическая шихта постоянно находится в жидком состоянии. Кислород поступает либо из воздуха, который продувается снизу через расплав (нижнее дутье), либо в виде чистого кислорода через небольшую форсунку нагнетается поверх материала (верхнее, или кислородное дутье). Вследствие очень интенсивной окислительной реакции необходимая теплота выделяется в ходе процесса в конвертере, так что отпадает необходимость в подводе дополнительного горючего. Вместимость таких конвертеров лежит в пределах от 5 до 100 т, а время изготовления стали составляет от 20 до 60 минут.

Большая часть нелегированной стали производится сейчас мартеновским способом. При более раннем конвертерном способе (методы Томаса и Бессемера) получается также нелегированная сталь, которая, однако, обогащена азотом и потому имеет невысокое качество. Современные способы воздушного или кислородного дутья позволяют получать стали, не уступающие по качеству мартеновским. Методы с использованием электричества дают возможность производить нелегированные стали высшего качества, а также низко- и высоколегированные. Приложение 3 позволяет познакомиться с классическими и современными способами производства стали.

Готовую сталь большей частью отливают в виде слитков круглого, квадратного или прямоугольного сечения, из которых затем на прокатном стане получают заготовки (листы, штанги, профили). Небольшую часть стали перерабатывают непосредственно в литейных цехах в фасонное стальное литье (например, детали машин).

Новейшим направлением в производстве стали является прямое восстановление приготовленной железной руды газом-восстановителем, минуя доменные процессы. При этом возникает губчатое железо, состав которого в отличие от доменного чугуна очень близок к стали.

В ГДР нелегированные стали производятся в основном мартеновским способом, а при получении легированных применяются электродуговые печи. Старый конвертерный метод практически потерял свое значение. Прогрессивные методы воздушного и кислородного дутья уже нашли свое применение в ГДР и в перспективе станут играть при производстве стали все большую роль.

Получение алюминия электролизом

Используемые в промышленности цветные металлы, такие как алюминий, медь, магний, цинк, свинец, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми различными способами. Однако каждый из них основан на одном из перечисленных выше принципов получения металлов. Рассмотрим подробнее электротермию на примере получения алюминия.

Алюминий получают из бокситов-руды, содержащей около 55-65% А12О3, не более 28% Fe2O3 и до 24% SiO2. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного (способ Бауера), либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах (способ Левига). Из раствора алюмината можно осадить гидроксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300-1400°С превращается в чистый глинозем (А12О3). После растворения полученного таким образом глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава ( 26). При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% А1). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% А1).