1.4.1 Пірометалургійні процеси

                Пірометалургійні процеси за характером фізико-хіміч-них  перетворень, що  відбуваються поведінки компонентів, що беруть участь у процесі, і кінцевими результатами можна розділити на три групи: випал, плавка і дистиляція.

                Випал - металургійний процес, проведений при високих тем­пературах (500-1200°С) з метою зміни мінералогічного і хімічного складів перероблюваної сировини. Випалювальні процеси, за винятком випалу зі спіканням, є твердофазними.

                У кольоровій металургії застосовують такі види випалюваль­них процесів:

                1) кальцинуючий випал (прожарювання) проводять з метою роз­кладання (дисоціації) нагріванням хитких хімічних сполук - гідроксидів, карбонатів та ін. У загальному вигляді цей вид випалу опи­сується такими рівняннями:

                      2Ме(ОН)3 → Ме20,+ЗН20,                         (1.21)

                        МеСО3 → МеО + СО2;                            (1.22)

                2) окисний випал застосовують для підготовчої обробки сульфідних руд і концентратів з метою повного або часткового переведення сульфідів в оксиди:

                   2МеS + 3О2 → 2МеО + SО2.                         (1.23)

                Різновидом окисного випалу є сульфатизуючий випал:

                          МеS + 2О2 → МеSО4.                              (1.24)

                До окисного процесу належить також агломеруючий  випал, (випал із спіканням). При цьому ставиться завдання одночасно з окиснюванням сульфідів спекти матеріал. Спікання відбувається за рахунок утворення при нагріванні деякої кількості рідкої фази, що при затвердінні зв'язує тугоплавкі дрібні частинки в грудковий пори­стий продукт – агломерат;

                3) відновний випал проводять для відновлення вищих оксидів дея­ких металів до нижчих, наприклад:

                      3Fе2О3 + СО-+2FегО4 + С02.                     (1.15)

                Магнезит Fе3О4 має високу магнітну сприйнятливість і може бути легко відокремлений від іншої породи магнітною сепарацією.

                4)  хлоруючий випал проводять з метою переведення оксидів або сульфідів у водорозчинні або леткі хлориди.

                Плавка - пірометалургійний процес, проведений при темпера­турах, що забезпечують у більшості випадків повне розплавлення перероблюваного матеріалу. Розрізняють два різновиди плавок - рудні і рафінувальні.

                Рудні плавки бувають п'ятьох видів:

                1) Відновна плавка. Її проводять з метою одержання металу за раху­нок відновлення його оксидних сполук вуглецевими відновника­ми і переведення порожньої породи в шлак (сплав оксидів).

                У загальному вигляді відновна плавка руд кольорових металів описується такою схемою:

                     (МеО,Sі02, СО, Fе2О3) + СаО →                (1.26)

                                             руда

                      Ме + (Sі02, СаО, Fe 0) + СО2.                    (1.27)  

                        метал        шлак           газ

                У кольоровій металургії методом відновної плавки одержують, наприклад, свинець і олово.

                2) Плавку на штейн, застосовують з метою переведення вилучено­го металу у напівпродукт, названий штейном (сплав сульфідів). Другим продуктом плавки є шлак, що концентрує в собі оксидні компоненти.

                Цей вид плавки можна проводити в нейтральній, відновній або окисній атмосфері. В останньому випадку плавку часто називають концентраційною, тому що плавка в окисних умовах дозволяє одер­жувати штейни з великим вмістом (концентрацією) вилученого ме­талу.

                Схема концентраційної (окисної) плавки мідної сировини на штейн така:

                       (СuFеS2, FеS, SiO2, СаО) +

                           руда або концентрат                            (1.28)

(SіО2, СаО) + (О2, N2) →  штейн

                              флюс        повітря                               (1.29)

                Плавку на штейн у всіх її різновидах широко застосовують у металургії міді і нікелю. До окисних процесів переробки сульфідних розплавів належить також процес конвертування штейнів.

                3) Електротермічна плавка (електроліз розплавлених солей). Плав­ку проводять при впливові постійного струму на розплавлене середо­вище, що складається з оксидів або хлоридів. Процес описується такого схемою:

                             МеО → Ме+ + О2, або                         (1.30)

                               МеСl2 → Ме2++2Сl-.                          (1.31)

                                  Ме2+ + 2е → Ме.                             (1.32)

На катоді -    O2- - 2e →O2.

 

На аноді -     2Сl2- - 2е → Сl2.

                При цьому на катоді виділяється метал у рідкому або твердо­му стані, а на аноді - газ (кисень або хлор).

                Електроліз розплавлених солей можна застосовувати для одер­жання практично будь-якого металу. Проте внаслідок відносної до­рожнечі процес застосовують тільки тоді, коли інші, більш дешеві методи плавок виявляються непридатними. Електроліз розплавів за­стосовують при одержанні алюмінію, магнію і деяких інших легких і рідкісних металів.

                4)  Металотермічна плавка. Її застосовують для одержання важковідновлювальних металів, схильних при взаємодії з вуглецем утво­рювати карбіди (МехСу), що надають їм крихкості.

                В основі цієї плавки лежить принцип витиснення одного мета­лу з його сполуки (оксиду, хлориду і т.п.) іншим, більш активним.

                Металотермічну плавку застосовують для одержання ряду лег­ких і рідкісних металів.

                5) Реакційна плавка. Ґрунтується на одержанні металу за реакцією взаємодії його оксиду і сульфіду:

                              МеО + МеS - ЗМе + SO2.                    (1.33)

                Реакційною плавкою, зокрема, одержують металеві мідь і свинець.

                Рафінувальні плавки проводять з метою очищення металів від домішок. В основі їх лежать розбіжності в деяких фізико-хімічних вла­стивостях основного металу і його домішок. Існують такі різновиди рафінувальних плавок.

                1) Окисне (вогневе) рафінування. Ґрунтується на підвищеній спорі­дненості домішки до кисню в порівнянні з основним металом. Ок­сиди домішок, що утворюються при окиснюванні розплаву, спли­вають на його поверхню й утворюють шлак. Прикладом такого процесу служить вогневе рафінування чорнової міді.

                2) Лікваційне рафінування. В основі цього процесу лежить утворен­ня двох взаємно нерозчинних фаз і їхнє розшаровування (ліквація) за щільністю. Одна з фаз є металом, що рафінується, а друга повинна концентрувати в собі домішки. Утворення другої фази є наслідком зменшення розчинності домішки в металі при зниженні температури. Залежно під щільності ця фаза буде спливати на поверхню або занурюватися на дно розплаву в рідкому чи твер­дому стані. Процес широко застосовують у металургії свинцю.

                3) Сульфідуюче рафінування застосовують для видалення домішок, що мають підвищену спорідненість до сірки. При цьому також ут­воряться дві незмішувані фази, які розділяються ліквацією. Цим методом видаляють, наприклад, мідь із свинцю.

                4) Хлорне рафінування. Ґрунтується на розбіжності спорідненості металу і домішки до хлору. Утворені хлориди можуть спливати на поверхню розплаву або звітрюватися.

                5) Дистиляція - процес випаровування речовини при температурі дещо вище точки її кипіння, що дозволяє сублімацією розділити компоненти оброблюваного матеріалу залежно від їх лет­кості. Дистиляційні процеси використовують як для переробки рудної сировини, так і для видалення легколетких домішок при рафінуванні або поділі металевих сплавів. Дистиляцію з метою ра­фінування називають ректифікацією.