Из расплавленного металла получают
Обновлено: 04.10.2024
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Универсальная таблица растворимости
Коллекция таблиц к урокам по химии
Общая характеристика и способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.
Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).
Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.
Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.
Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.
Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.
Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.
Основные стадии металлургических процессов:
- Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
- Получение металла или его сплава.
- Механическая обработка металла
1. Нахождение металлов в природе
Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.
2. Получение активных металлов
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.
Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
2NaCl = 2Na + Cl2
Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
KCl + Na = K↑ + NaCl
Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
2LiCl = 2Li + Cl2
Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
3. Получение малоактивных и неактивных металлов
Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.
3.1. Обжиг сульфидов
При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.
3.2. Восстановление металлов углем
Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо получают восстановлением из оксида углем:
2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
ZnO + C → Zn + CO
Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
CaO + 3C → CaC2 + CO
3.3. Восстановление металлов угарным газом
Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:
3.4. Восстановление металлов более активными металлами
Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:
Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.
Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu
Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
CuO + Mg = Cu + MgO
Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
Медь покроется белыми кристаллами серебра.
При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом
Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.
CuO + H2 = Cu + H2O
4. Производство чугуна
Чугун получают из железной руды в доменных печах.
Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.
1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор
Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.
В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.
Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.
Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.
Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
CO2 + С = 2CO
Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
Последовательность восстановления оксида железа (III):
FeO + CO → Fe + CO2
Суммарное уравнение протекающих процессов:
При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.
Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:
и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
Глава 5. Технологии получения, обработки, преобразования и использования материалов
§ 5.1 Плавление материалов и отливка изделий
Технологии получения, обработки, преобразования и использования материалов
В современном производстве применяются конструкционные материалы, обладающие иными свойствами, чем применявшиеся ранее материалы. Это особо прочные сплавы, материалы для изготовления микросхем, хрупкие материалы, такие как кварц, рубин, алмаз, стекло. На пластины из германия и кремния, применяемые в радиоэлектронике, бывает необходимо наносить очень тонкие плёнки других материалов.
Более высокие требования предъявляются и к шероховатости поверхности деталей и изделий. Во многих случаях недопустимы даже микроскопические заусенцы и неровности. Детали и изделия современных технических устройств становятся очень сложными по форме, с полостями и отверстиями различной конфигурации. Традиционные технологии механической обработки материалов, литья уже не обеспечивают потребность производства.
Для решения подобных технологических задач в современном производстве широко применяются электрофизические, электрохимические, ультразвуковые и лучевые методы обработки материалов.
• какими технологиями, кроме технологий резания, можно обрабатывать даже очень твёрдые или хрупкие материалы;
• воздействию каких технологий на производстве подвергаются жидкости и газы.
• разбираться в видах и предназначении современных прогрессивных технологий обработки материалов;
• подбирать возможные для применения технологии в своих учебных или предпринимательских проектах;
• выполнять гравировку электроискровым методом, наносить гальванические покрытия на изделия.
Плавление материалов и отливка изделий
До какой температуры надо нагреть железную руду, чтобы она перешла в жидкое состояние; можно ли это сделать на газовой плите или в дровяной печи?
В природе очень мало самородных металлов, которые существуют в чистом виде. Это драгоценные металлы: золото, серебро, платина. В некоторых месторождениях находят чистую медь, ртуть, а в упавших на Землю метеоритах — железо и его сплавы (рис. 5.1).
Самородных металлов недостаточно для организации какого-либо производства, за исключением ювелирного дела. Потребность в металлах заставила людей выплавлять их из руд.
Руда — это природное минеральное образование с таким содержанием металлов и полезных минералов, которое обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения; вид полезных ископаемых, добываемых из Земли.
Руду расплавляют с помощью каменного угля (кокса), газа или мощной электрической дуги, примеси выгорают или отделяются от металла. Из расплавленного металла по технологии литья можно сразу получать готовые изделия или полуфабрикаты для дальнейшей обработки в последующем производстве.
Выплавкой можно получить не только металлы, но и такие материалы, как германий и кремний, используемые для производства полупроводников.
Полученный металл становится сырьём для производства желаемых материальных благ. Из него по технологии литья можно сразу получать готовые изделия или делать полуфабрикаты для дальнейшей обработки в последующем производстве.
Литьё — это технологический процесс изготовления отливок, заключающийся в заполнении литейной формы расплавленным материалом (литейным сплавом, пластмассой, некоторыми горными породами) и дальнейшей обработке полученных после затвердения предметов.
Литьё изделий из металлов или других материалов проводится либо в многократные (многоразовые) формы, либо в одноразовые формы. Многократные формы бывают металлические, графитовые или керамические огнеупорные.
Формы для литья подразделяются на изложницы, кокили и разовые формы.
Литьё в изложницу. Изложница — это форма для отливки металла для получения слитка (рис. 5.2, а). Слиток затем идёт в переплавку или в прокатку. Изложницы могут изготовляться из металла, глины, гипса, специальной формовочной земли на основе песка и специальной огнеупорной глины.
Литьё в кокиль. Кокиль — разборная закрытая металлическая литейная форма. Форма внутренней полости кокиля повторяет форму будущего изделия.
Кокили изготавливают точением, фрезерованием, строганием металлических блоков. Такое литье применяют, если необходимо изготовить не менее 1000 отливок.
Кокиль может состоять из нескольких частей. После их соединения сверху остаётся небольшое отверстие для заливки расплавленного металла. Литьём в кокиль получают отливки из пластмасс, алюминия, меди, цинка, магния, олова и свинца (рис. 5.2, б). В кокиль отливают и кондитерские изделия, например известные многим с детства петушки.
Литьё в разовые формы. Такие формы применяют для изготовления изделий разных форм и размеров.
Наиболее часто формы для отливки изготовляют из кремнистого песка, глины и специальных связующих веществ, например жидкого стекла.
В форме по заранее изготовленной модели делается полость с коническим отверстием для заливки расплавленного материала (рис. 5.3).
Литейная форма — это устройство для получения отливок. При изготовлении литейной формы вокруг модели помещается формовочный материал.
Литьё по выплавляемым моделям. Сначала из легкоплавких материалов изготавливают модель отливки и литниковой системы, запрессовывая или заливая их в пресс-формы. После извлечения из пресс-формы затвердевшую модель припаивают к литниковой системе, образуя модельный блок.
На поверхность модельного блока наносят несколько слоёв специального облицовочного покрытия, которое после сушки становится высокоогнеупорной керамической оболочкой. Далее, после выплавления модельного состава из оболочки, получают тонкостенную оболочку литейной формы отливки.
Полученную оболочку помещают в ящик (опоку) с сухим кварцевым песком, прокаливают и заливают расплавом.
Используя метод литья по выплавляемым моделям, можно получить:
• отливки, имеющие максимально приближенные размеры и форму, а также поверхность высокой чистоты;
• отливки из любых сплавов (в том числе не поддающихся ковке и штамповке) с минимальным припуском на обработку, что особенно важно для сплавов, труднообрабатываемых механической обработкой;
• конструкции, которые невыполнимы какими-либо другими методами обработки.
Методом литья по выплавляемым моделям изготовляют ювелирные изделия, корпуса и детали приборов, лопатки газовых турбин, режущий и хирургический инструмент и т. п.
Профессии и производство
Модели для отливок изготовляют мастера — модельщики по деревянным моделям, работающие в модельном цеху предприятия. Модельщики должны знать устройство деревообрабатывающего станка, основные приёмы токарных и фрезерных работ, общие понятия о свойствах наиболее распространённых пород дерева, назначение и условия применения режущих и контрольно-измерительных инструментов.
Профессия модельщика всегда очень востребована. По объёму знаний и полученным квалификационным навыкам эта профессия шире большинства других рабочих профессий. Она требует знаний инженера-конструктора.
На некоторых предприятиях для изготовления моделей используют не только древесину, но и пенопласт и другие материалы. В настоящее время модели для отливок изготовляют и с помощью ЗО-принтера.
Литьё по выплавляемым моделям является технологическим процессом, для реализации которого применяют цельные модели из легкоплавких материалов на основе парафина, полистирола и других полимеров. Модели вместе с элементами литниковой системы (система каналов и полостей для вливания металла в полости литейной формы) покрывают несколькими слоями жидкой формовочной смеси (огнеупорный и связующий материал) с предварительной просушкой каждого слоя. Затем модель выплавляют и получают тонкую пустотелую оболочку толщиной 1,5—4 мм. Литейную форму устанавливают в опоку (ящик) и засыпают снаружи песком для придания большей прочности. Затем оболочку прокаливают в печи при температуре 900— 1000 С и заливают металл (в горячую форму).
Механическая обработка заготовок сводится к минимуму или может быть полностью исключена.
Литейщик — это общее название группы профессий, занятых в литейном производстве. За последние годы в области литейного производства резко обозначился дефицит кадров. Сегодня молодых специалистов не хватает. Одну из специальностей литейщика можно получить непосредственно на производстве в процессе курсового обучения.
Словарь
самородный металл; руда; литьё; изложница; кокиль; модельщик.
Проверьте себя:
1. Какие металлы получают из самородных залежей?
2. Что такое руда?
3. Что такое литьё в изложницу?
4. Что позволяет получить технология литья в кокиль?
5. Когда применяется литьё в разовые формы?
6. Зна ния каких учебных предметов понадобились вам на уроках технологии?
* Найдите в справочниках или в Интернете, по какой тех1юлогии на Руси отливали пушки во времена царя Ивана Грозного.
Способ получения металлического порошка из расплава
Использование: в порошковой металлургии для получения металлических порошков из расплава. Сущность изобретения: металлический расплав диспергируют путем перемешивания с порошком твердого вещества-носителя, имеющего температуру плавления, возгонки или разложения более высокую, чем температура плавления диспергируемого металла, смесь охлаждают и отделяют порошок от носителя.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения металлических порошков из расплава.
Известны способы получения металлических порошков диспергированием их расплавов с помощью энергоносителей (газов, жидкостей), а также под действием центробежной силы [1] К недостаткам известных способов следует отнести невозможность получения монодисперсных порошков с формой частиц, близкой к сферической.
Известен способ получения металлического порошка со сферическими частицами, который заключается в том, что смешивают порошки металлов или их сплавов с металлокерамикой, механическую смесь агломератов вводят в поток газа, направляемого в зону нагрева с температурой, превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкого компонента смеси. При этом расплавляется по меньшей мере 50% массы агломерированного порошка, образуя сферические частицы [2] Однако известный способ не обеспечивает получения мелкодисперсных порошков, технологически сложен и энергоемок.
Известен способ получения металлических порошков из расплавленного металла, заключающийся в том, что криогенную жидкость приводят в контакт с металлом, находящимся в закрытой камере для обработки, удаляют из этой камеры криогенную жидкость, содержащую твердые частицы, отделяют эти частицы и собирают их [3] Недостатками известного способа являются использование криогенной жидкости, низкая производительность и сложность аппаратурного оформления.
Известен способ получения алюминиевого порошка путем диспергирования исходного алюминия в виде кусков или стружки в расплавленном едком натре при 660-680 о С с последующим охлаждением расплава и отмыванием щелочи от алюминиевого порошка органическим растворителем и растиранием алюминиевой губки в мельнице [4] Известный способ позволяет получить порошок несферической формы с размером частиц 63 мкм.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения металлического порошка, заключающийся в том, что исходный материал загружают в термопластичную жидкость при комнатной температуре, нагревают до температуры плавления, диспергируют путем перемешивания термопластической жидкости со скоростью 5000-5500 об/мин в течение 1,5-2,0 мин, охлаждают и отделяют порошок от жидкости.
К недостаткам известного способа следует отнести применимость только для легкоплавких металлов и сплавов, обусловленная отсутствием термопластичных жидкостей, не разлагающихся и не взаимодействующих с диспергируемым металлом при высоких температурах, невозможность получения очень мелких порошков, загрязнение порошка включениями эмульгирующей жидкости.
Цель изобретения получение чистых мелкодисперсных порошков металлов и сплавов с формой частиц, близкой к сферической.
Цель достигается способом получения металлического порошка, включающим диспергирование расплавленного металла при перемешивании в присутствии носителя, охлаждение и отделение порошка от носителя, в котором в качестве носителя используют порошок с температурой плавления, возгонки или разложения более высокой, чем температура плавления диспергируемого металла и инертного по отношению к расплаву.
Способ осуществляют следующим образом.
Металл или сплав подвергают интенсивному механическому перемешиванию при температуре, превышающей температуру его плавления, с порошком твердого вещества-носителя, устойчивого при данной температуре и инертного по отношению к расплаву металла или сплава. В процессе перемешивания частицы носителя разбивают расплав на микрокапли и разъединяют их, предотвращая обратное слияние. После достижения требуемой степени диспергирования расплава перемешивание прекращают, смесь охлаждают и удаляют из нее твердый носитель. В результате получают порошок металла или сплав, частицы которого имеют форму, близкую к сферической, и размер в 10-15 раз меньший, чем размер частиц твердого носителя.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА ИЗ РАСПЛАВА, включающий диспергирование расплавленного металла или сплава при перемешивании в присутствии носителя, охлаждение и отделение порошка от носителя, отличающийся тем, что в качестве носителя используют порошок с температурой плавления, возгонки или разложения более высокой, чем температура плавления диспергируемого металла или сплава, и инертный по отношению к расплаву.
4.2.1. Понятие о металлургии: общие способы получения металлов.
Металлургия — это комплексная отрасль промышленности, которая занимается производством металлов.
Поскольку большинство металлов в природе существует в виде различных соединений, то химическая суть металлургических процессов заключается в восстановлении металлов:
В зависимости от того, какой используется восстановитель и каковы условия, при которых проводят процессы восстановления различают пиро-, гидро-, электро- и биометаллургию.
Пирометаллургия (от греч. огонь и металлургия) представляет собой все химические способы восстановления металлов из руд, осуществляемые с применением высоких температур.
В качестве восстановителей в пирометаллургии используют уголь (кокс), оксид углерода (II), водород, активные металлы, кремний.
Оксидные руды чаще всего восстанавливают коксом или оксидом углерода (II) — этот процесс носит название карботермия:
Для извлечения металлов пирометаллургическим способом из сульфидных руд их сначала подвергают предварительному отжигу:
А затем, полученный оксид восстанавливают коксом:
Тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам, восстанавливают водородом:
Если восстановителями химически активные металлы, то этот пирометаллургический способ называют металлотермия. В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием. Способ металлотермии позволяет восстанавливать металлы не только из оксидов, но и с галогенидов:
Известен способ восстановления металлов кремнием, называемый силикотермией:
Гидрометаллургия представляет собой метод получения металлов, заклющийся в преобразовании природных соединений металлов в растворимую форму с последующим восстановлением металла из раствора. О возможности применения гидрометаллургических процессов для извлечения металлов еще в 1763 г.. Говорил М. В. Ломоносов. Гидрометаллургического способами добывают благородные (золото, серебро, платину), цветные (медь, никель, цинк, кобальт), редкие (цирконий, гафний, тантал) и другие металлы:
К преимуществам данного способа относится возможность его использования для получения металлов при их малом содержании в руде, которую невозможно перерабатывать обычными способами; снижение во многих случаях загрязнения окружающей среды, например, при обжиге сульфидных руд.
Электрометаллургия — это способ получения металлов с применением электрического тока — электролиза. Электролизом расплавов получают самые активные металлы (от лития до марганца в ряду активности), электролизом водных растворов — менее активные (Zn, Cu, Ni, Cr и т.д.).
Биометалургия основана на биохимических процессах, протекающих при использовании микроорганизмов. Известно, что микроорганизмы типа литотрофы (с лат. – «поедающие камни») могут преобразовывать нерастворимые сульфиды металлов в растворимые сульфаты. Сейчас с применением микроорганизмов добывают медь (в США данный метод достигает 10% от общего ее производства), уран, рений, серебро, никель, свинец, а также некоторые редкие металлы.
Читайте также: