Пирометаллургия

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЯ (от греч. ру-огонь и металлургия), совокупность высокотемпературных процессов получения и рафинирования металлов и их сплавов. До кон. 19 в. металлы получали только с помощью пирометаллургич. процессов; в настоящее время, несмотря на быстрый прогресс новых направлений - гидрометаллургии и электрометаллургии, П. сохраняет ведущее положение. В крупнейших по объему выпускаемой продукции произ-вах чугуна и стали используют только пирометаллургич. переделы. Пирометаллургич. способом получают осн. часть Cu, Pb, Ni, Ti и др. важнейших металлов, а, кроме того, во мн. технол. схемах пирометаллургич. процессы сочетаются с гидро- и электрометаллургическими.

По целевому признаку пирометаллургич. процессы можно разделить на подготовительные, концентрирозание и очистку от осн. массы примесей, получение металлов из их соед., глубокую очистку металлов (рафинирование).

Наиб. распространенная подготовительная операция-обжиг, к-рый проводят при т-ре ниже т-р плавления сырья и продукта с целью изменения состава, удаления вредных примесей или(и) укрупнения пылевидных материалов (агломерирующий обжиг, или агломерация). По назначению и характеру протекающих процессов различают: окислит. обжиг, приводящий к получению оксидов или сульфатов (сульфатизирующий обжиг) при взаимод. сульфидных материалов с кислородом воздуха (напр., обжиг медных и молибденовых концентратов, сульфатизирующий обжиг цинковых концентратов); восстановит. обжиг для получения низших оксидов или металлов путем взаимод. исходных материалов с углем или др. восстановителями (напр., магнетизирующий обжиг железных руд с добавкой угля для перевода Fe₂O₃ в Fe₃O₄ перед электромагн. обогащением); кальцинирующий обжиг для получения оксидов металлов из их гидратов, карбонатов или др. соед., разлагающихся при высокой т-ре; обжиг с добавками твердых или жидких реагентов (напр., спекание вольфрамовых концентратов с содой для получения р-римого в воде Na₂WO₄, сульфатизация концентратов и пром. продуктов, содержащих Nb, Та и др. редкие металлы, с использованием H₂SO₄) и др. способы обжига.

Концентрирование металлов достигается переводом их и осн. массы пустой породы в разные легко отделяющиеся одна от другой фазы. Важнейший способ концентри-рования - плавка, осуществляемая при т-ре, достаточной для расплавления (полного или осн. части) исходного материала и продуктов. При плавке образуются два или более несмешивающихся жидких слоя, различающихся по плотности,-металлический, шлак (сплав оксидов), штейн (сплав сульфидов), расплавы солей и т.д. Восстановит. плавку проводят с использованием восстановителя, чаще всего твердого угле-родсодержащего (кокс, уголь). Продукты восстановит. плавки-металлич. расплав и шлак, иногда и др. фазы. Распределение металлов и примесей между слоями зависит от легкости их восстановления. При восстановит. плавке железных руд (доменный процесс), свинцовых, оловянных и др. концентратов извлекаемый металл переходит в металлич. фазу, примеси-в шлак или штейн, в то время как при плавке ильменитового концентрата (FeTiO₃) целевым продуктом является шлак с высоким содержанием Ti, а в металлич. расплав переходит осн. примесь-Fe.

В основе окислит. плавки (окислитель - кислород) сульфидных руд, концентратов и пром. продуктов (отражательная, шахтная и электроплавка медных и медно-никелевых концентратов и руд на штейн, конвертирование никелевых и медно-никелевых штейнов и др.) лежит различие в сродстве металлов к кислороду и сере. При недостатке S в штейне концентрируются Cu, Ni, Со и др. цветные металлы, а осн. часть Fe, Ca, Si, Al, Mg и др. переходят в шлак. На этом же различии основана восстановительно-сульфидирующая плавка окисленных никелевых руд.

Др. группа процессов концентрирования основана на отделении металла в виде пара (или летучего соед.) от осн. массы исходного материала, находящегося в твердом или жидком состоянии. Осн. примеры: фьюминг-процесс-отгонка Pb, Zn, Cd, SnS и SnO при продувке жидких шлаков смесью воздуха с угольной пылью; вельц-процесс - отгонка Zn из смешанного с коксом дисперсного материала при т-ре, исключающей плавление; хлорирование титановых шлаков, лопаритового и цирконового концентратов с получением летучих TiCl₄, NbOCl₃, TaCl₅, ZrCl₄.

Для очистки от основной массы примесей применяют дистилляцию и др. процессы, основанные на разл. летучести соед. целевого металла и примесей (дистилляция MoO₃, TiCl₄, возгонка ZrCl₄, вакуумная дистилляция Mg и MgCl₂ из титановой губки и др.). Различия в летучести увеличивают избират. восстановлением, окислением или др. приемами (напр., избират. восстановление ZrCl₄ в смеси с HfCl₄ до нелетучего ZrCl₃, избират. восстановление NbCl₅ в смеси с TaCl₅ до нелетучего NbCl₃). Наиб. эффективный способ разделения в-в с разной т-рой кипения - ректификация (напр., очистка TiCl₄ от SiCl₄, разделение TaCl₅ и NbCl₅ и т.д.).

Получение металлов из соед. осуществляют разл. методами. Если соед. металла имеет достаточно низкую термич. устойчивость, металл из него можно получить без применения восстановителей-термич. диссоциацией. Этим способом получают, напр., Fe, Ni, Со и др. металлы из их карбонилов, W и Mo-из их хлоридов. Металлы с небольшим сродством к кислороду производят окислением их сульфидов (конвертирование медного штейна на черновую медь, получение Hg при окислит. обжиге HgS). В остальных случаях применяют электролиз в расплаве солей (напр., произ-во Al из Al₂O₃, Mg из MgCl₂, Та из Ta₂O₅, Zr из K₂ZrF₆) или используют восстановители. С помощью восстановителей металлы чаще всего получают из оксидов и галогенидов. При произ-ве металлов из оксидов применяют СО, CH₄, продукты неполного сжигания или взаимод. с водяным паром угля или прир. газа (восстановление оксидов Fe), H₂ (восстановление оксидов W, Mo, Fe, Cu), углерод (получение Ni, Fe, W). Самые устойчивые оксиды восстанавливают углеродом (карботермич. способ) в вакууме (напр., получение Nb и Та) или металлами (см. Металлотермия), имеющими наибольшее сродство к кислороду (алюминотер-мич. способ получения Nb и Та, восстановление оксидов Ti и Zr кальцием или CaH₂, оксидов U кальцием или Mg и т. д.). Галогениды восстанавливают металлами или H₂ (восстановление TiCl₄ и ZrCl₄ магнием или натрием, BeF₂ магнием, UF₄ магнием или кальцием, натриетермич. восстановление K₂TaF₇, K₂NbF₇, K₂ZrF₆ и т.д.).

При рафинировании металлов используют различия в их хим. св-вах, в коэф. распределения между твердой фазой и расплавом, в летучестях металлов и примесей или их соединений. На избират. окислении примесей (С, Si, Mn, P, S и др.) основано получение стали из чугуна (см. Железа сплавы)-при окислении кислородом воздуха или обогащенного им дутья (конвертерные процессы) или оксидами, содержащимися в руде или скрапе (мартеновский процесс), примеси из металлич. расплава переходят в шлак или газы. Высокое сродство Cu к S используют при тонком рафинировании Pb-после добавления небольшого кол-ва элементарной S на пов-сть расплавленного Pb всплывает твердый сульфид Cu₂S.

В основе ликвационной очистки металлов лежит выделение примесей из расплава при понижении т-ры. Примерами могут служить очистка Pb от Cu, Sn от Fe и др. Дистилляц. очистке подвергают металлы, имеющие достаточно высокую летучесть (Hg, Cd, As, Zn и др.). В ряде случаев дистилляцию проводят в вакууме (Li, Rb, Cs и др.).

При очистке от примесей, более летучих, чем основной металл, последний переплавляют в вакууме. Этот метод применяют в металлургии W, Mo, Nb, Та, Ti, Zr и др. Глубокую очистку металлов обеспечивают химические транспортные реакции (р-ции переноса) - обратимые р-ции, сопровождающиеся переносом основного металла из одной температурной зоны в другую в результате образования и разложения промежут. газообразных соед. (напр., очистка Ni в виде тетракарбонила, Ti и Zr в виде тетраиодидов). Самые чистые металлы получают с помощью направленной кристаллизации и зонной плавки-процессов, основанных на обогащении выделившихся из расплава кристаллов примесями, повышающими т-ру плавления металла, а расплава - примесями, понижающими ее. Эти способы очистки применяют при получении монокристаллов W, Mo, Ga, Al, Sn и др.

Пирометаллургич. процессы осуществляют в печах разл. типа с использованием разнообразных видов нагрева (см. Печи). В последние годы развиваются автогенные процессы, в к-рых требуемая т-ра поддерживается благодаря выделяющемуся теплу экзотермич. р-ций, напр. обжиг сульфидных концентратов в кипящем слое, плавка во взвешенном состоянии на кислородном или горячем воздушном дутье, процессы "Норанда" и "Мицубиси", плавка в жидкой ванне и др. (см. Медь).

Важное направление совершенствования пирометаллур-гич. процессов-снижение их вредного воздействия на окружающую среду, связанное с внедрением безотходных технологий, с сокращением и обезвреживанием отходов и выбросов.

Лит.: Ванюков А. В., Зайцев В. Я., Теория пирометаллургических процессов, M., 1973; Севрюков H. H., Кузьмин Б. А., Челищев E. В., Общая металлургия, 3 изд., M., 1976; Зеликман A. H., Металлургия редких металлов, M., 1980; Ванюков А. В., Уткин H. И., Комплексная переработка медного и никелевого сырья, Челябинск, 1988. Г. M. Вольдман.