Способы получения металлов и сплавов
Технология производства металлов и сплавов
Технология производства металлов и их сплавов называется металлургией. Металлургию подразделяют на черную – производство железа и его сплавов и цветную – производство остальных металлов
Сырьем для получения металлов служат руды. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.
Как правило, производство металла происходит в два основных этапа:
Предварительная подготовка сырья.
В процессе предварительной подготовки сырья важной стадией является обогащение руды – удаление примеси пустой породы (например, кварца, полевого шпата и др.). После обогащения в руде увеличивается содержание полезного компонента.
- Чтобы очистить руду от пустой породы, используют физические методы разделения смесей веществ, основанные на различии свойств компонентов смеси. При обогащении железной руды магнетит (Fe3O4) отделяют от пустой породы с помощью магнита.
- Некоторые руды можно обогащать с помощью метода флотации, основанного на различии в смачиваемости полезного компонента руды и пустой породы.
- Многие металлы встречаются в природе в виде сульфидных руд. Тогда на первом этапе такое сырье подвергают обжигу. Например, при обжиге железного колчедана образуются оксид железа (II), который поступает на следующий этап производства, и диоксид серы: 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + +8SO2
2. Восстановление самого металла из сырья.
На втором этапе проводят окислительно-восстановительную реакцию, в результате которой образуется металл. В качестве восстановителя используют уголь (кокс), монооксид углерода (СО) и водород. В некоторых случаях восстановление проводят путем электролиза.
Способы получения металлов и сплавов
Металлы и сплавы получают различными способами. (от греч. «пиро» - огонь и металлургия).
1. Пирометаллургический способ (от греч. «пиро» - огонь и металлургия). Этим способом производство металлов и сплавов основывается на использовании тепловой энергии, которая выделяется в процессе сгорания топлива или протекания химических реакций в сырье. Во время сгорания топлива выделяется тепловая энергия и образуется CO. Тепловую энергию используют для разогрева и расплавление сырья, a CO - для восстановления металлов из их соединений (оксидов). Пирометаллургическим способом получают чугуны в доменных печах, стали в мартеновских печах и т.д.
2. Электрометаллургический способ. В процессе электрометаллургического способа металлы и сплавы получают в дуговых, индукционных и других типах электрических печей. В электрических печах сырье нагревают до более высоких температур, чем в ходе пирометаллургического способа. Сырье плавится очень быстро.
3. Плазменный способ. Суть плазменной металлургии заключается в том, что при температуре 10 000 С оксиды металла превращаются в плазму с определенной степенью ионизации. Поскольку энергия ионизации атомов металлов меньше энергии ионизации атомов кислорода, то в такой плазме атомы металла ионизируются, а атомы кислорода остаются нейтральными.
Из полученной смеси с помощью магнитного поля изымают ионы металла. В плазменных печах получают вольфрам, молибден, синтезируют карбид титана и др. Этот способ используют для получения очень качественных металлов и сплавов.
4. Химико-металлургический способ. Этот способ сочетает химические и металлургические процессы. Таким способом производят титан: из титановой руды получают четыреххлористый титан (ТіСІ4), который восстанавливают с помощью магния (Mg).
5. Гидрометаллургическим способом. При этом способе металлы из руд, концентратов и отходов производства изымают с помощью растворителей. Затем из этих растворов электролизом получают металлы. Так производят и рафинируют цветные металлы: медь, цинк, никель, кобальт, хром, серебро, золото и т.д.
Производство металлов гидрометаллургическим способом состоит из следующих стадий: подготовка руды к растворению; растворение руды и концентрата в растворителе; очистка полученного раствора от вредных для электролиза примесей; электролиз.
6. Порошковая металлургия. Этот способ объединяет процессы, в результате которых изготавливают порошки металлов и неметаллических соединений, из которых прессованием (для придания формы и размеров) с последующим спеканием изготавливают изделия (заготовки, детали и т.д.).
Черная металлургия
Черная металлургия долгое время содержала в себе два последовательных производства. Сначала из железной руды получали чугун, а затем из чугуна – сталь. Чугун производят в доменных печах. Восстановление железа осуществляется углеродом(C) и монооксидом (CO) углерода.
Выплавляемый металл насыщается углеродом и образуется сплав железа с углеродом – чугун. Большая часть произведенного чугуна используется на получение стали. Сталь содержит менее 2% углерода и существенно меньше, чем в чугуне, примесей серы, азота и фосфора. Поэтому необходимо выжечь углерод и примеси, а окисленное железо восстановить.