Рецензенты: докт. техн. наук С. И. Соболь и кольчугинский тех­никум по обработке цветных металлов 1 страница

УДК 669.2

Рецензенты: докт. техн. наук С. И. Соболь и кольчугинский тех­никум по обработке цветных металлов

УДК 669.2

Металлургия цветных металлов. Уткин Н. И. Учебник для технику­мов. М.: Металлургия, 1985. 440 с.

Описаны теория н практика производства цветных металлов: медн, никеля, свинца, цинка, золота, алюминия, магния, тнтана, вольфрама н молибдена. Рассмотрены общие вопросы металлургического производ­ства. Приведены технологические схемы, их аппаратурное оформление, технико-экономические показатели. Освещены новые металлургические процессы.

Для учащихся металлургических техникумов. Может быть полезна студентам институтов неметаллургнческнх специальностей, инженерно- техническим работникам, мастерам и рабочим новаторам производ­ства. Ил. 188. Табл. 16. Бйблиогр. список: 10 назв.

2603000000-005, _о

У -------------- 40—85

040(01)-85

Издательство «Металлургия», 1985

Оглавление

Предисловие................................................................................................................................. - 6

Введение................................................................................................................................................................ 8

Раздел I. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ.................................................................................. 13

Глава 1. Общие вопросы............................................................................................................... 13

§ 1. Металлы и нх классификация......................................................................................... 13

§ 2. Руды цветных металлов........................................................................................................ 17

§ 3. Разведка месторождений и добыча руд................................................................ 23

§ 4. Вторичное сырье................................................................................................................................ 26

§ 5. Металлургическое топливо................................................................................................. 27

§ 6. Огнеупорные материалы......................................................................................................... 31

Глава 2. Обогащение руд цветных металлов.................................................... 36

§ 1. Общие сведения.................................................................................................................................. 36

§ 2. Продукты и показатели обогащения........................................................................ 38

§ 3. Дробление и измельчение рудного сырья........................................................... 40

§ 4. Сортировка материала по крупности 45

§ 5. Методы обогащения руд........................................................................................................... 49

§ 6. Обезвоживание продуктов обогащения................................................................. 55

Глава 3. Принципы и методы металлургии....................................................... 60

§ 1. Задачи металлургического производства..К..., 60

§ 2. Классификация металлургических процессов............................................... 61

§ 3. Требования к современному металлургическому процессу и _t

его структура 66

§ 4. Некоторые вопросы.теории окислнтельио-восстановнтельных

процессов 68

§ 5. Отстаивание жидких продуктов плавки.................................................. 74

Глава 4. Продукты и полупродукты металлургического произ­водства 75

§ 1. Общие сведения.................................................................................................................................. 75

§ 2. Металлы..................................................................................................................................................... 76

§ 3. Штейны...................................................................................................................................................... 77

§ 4. Металлургические шлакн..................................................................................................... 80

§ 5. Газы н пыли........................................................................................................................................... 87

Глава 5. Подготовка сырьевых материалов к металлургиче­ской переработке 89

§ 1. Требования к подготовке сырья..................................................................................... 89

§ 2. Приготовление шихты.............................................................................................................. 91

§ 3. Окускованне мелких Материалов................................................................................. 95

Глава 6. Пылеулавливание и газоочистка........................................................ 105

§ 1. Принципы пылеулавливания........................................................................................ 105

§ 2. Сухне пылеуловители............................................................................................................. 106

§ 3. Мокрые пылеуловители...................................................................................................... 111

§ 4. Электрофильтры............................................................................................................................ 111

§ 5. Химическая очистка газов.................................................................................................. 113

Раздел И. МЕТАЛЛУРГИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕ­ТАЛЛОВ....... 114

Глава 7. Металлургия меди.......................................................................................... 114

• § 1. Медь и ее применение.............................................................................................. 114

§ 2. Сырье для получения меди.................................................................................... 116

■ § 3. Современное состояние производства меди.......................... 119'

§ 4. Окислительный обжиг медных коицеитратов.... 122

⁴ § 5. Плавка на штейи в отражательных и электрических печах. 131 ■

§ 6. Плавка на штейи в шахтиых печах.......................................................... 142

§ 7. Автогенные процессы......................................................................... 149

§ 8. Конвертирование медных штейиов........................................................... 159

§ 9. Огневое рафинирование черновой меди................................................ 165

§ 10. Электролитическое рафинирование меди......................................... 170

§‘11. Гидрометаллургия меди.......................................................................................... 178

Глава 8. Металлургия никеля................................................................................ 183

§ 1. Никель и его применение......................................................................................... 183

§ 2. Сырье для получения никеля............................................................................. 185

§ 3. Современное состояние производства никеля.... 188 ’

§ 4. Получение огневого никеля из окисленных руд.... 189

§ 5. Получение никеля из сульфидных медио-иикелевых руд. 207

§ 6. Электролитическое рафинирование никеля...................................... 215

§ 7. Гидрометаллургия никеля...................................................................................... 220

Глава 9. Металлургия свинца................................................................................ 224

§ 1. Свинец и его применение......................................................................................... 224

§ 2. Сырье для получения свинца и способы его переработки. 227

§ 3. Приготовление шихты восстановительной плавки... 230

§ 4. Шахтная плавка свинцового агломерата................................................. 235 '

§ 5. Переработка шлаков свинцовой плавки............................................. 242

§ 6. Реакционный метод получения свинца................................................ 245

§ 7. Пирометаллургическое рафинирование чернового свинца. 247

§ 8. Электролитическое рафинирование чернового свинца.. 256

Глава 10. Металлургия циика................................................................................ 257

§ 1. Цинк и его применение. - 257

§ 2. Сырье для получения цинка и способы его переработки. 259 -

§ 3. Обжиг цинковых концентратов....................................................................... 263

§ 4. Дистилляция цинка¹..................................................................................................... 265

§ 5. Рафинирование чернового циика j................................................................. 274

§ 6. Выщелачивание обожженных цинковых коицеитратов.. 278

§ 7' Очистка растворов сульфата цинка от примесей.... 284

§ 8. Электролитическое осаждение Циика из растворов... 287

Раздел III. МЕТАЛЛУРГИЯ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 294

Глава 11. Металлургия золота.............................................................................. 294

§ 1. Общие сведения о свойствах и применении благородных ме­таллов 294

§ 2. Сырье для получения золота и способы его переработки. 296

§ 3. Гравитационное обогащение золотосодержащих руд.. 299

§ 4. Амальгамация........................................................................................................................ 302

§ 5. Цианирование золотосодержащих руд....................................................... 305

§ 6. Осаждение золота из цианистых растворов. 309

§ 7. Аффинаж благородных металлов...................................................................... 313

Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЯ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ... 315

Глава 12. Металлургия алюминия....................................................................... 315

§ 1. Алюминий и его применение................................................................................ 315

§ 2. Сырье для получения алюминия........................................................................ 318

§ 3. Современное состояние алюминиевой промышленности.. 321

§ 4. Производство глинозема............................................................................................... 324

§ 5. Производство фтористых солей н угольных изделий.. 344

§ 6. Электролитическое получение алюминия.............................................. 346

§ 7. Рафинирование алюминия........................................................................................... 357

§ 8. Термические способы получения алюминиевых сплавов.. 361

Глава 13. Металлургия магния................................................................................ 362

§ 1. Магний и его применение......................................................................................... 362

§ 2. Сырье для получения магния................................................................................. 364

§ 3. Общие принципы производства магния..................................................... 366

§ 4. Получение безводного хлорида магния...................................................... 367

§ 5. Электролиз магния............................................................................................................. 374

§ 6. Термические способы получения магния...... 376

§ 7. Рафинирование магния................................................................................................... 381

Глава 14. Металлургия титана....................................................................................... 384'

§ 1. Титан и его применение............................................................................................... 384

§ 2. Сырье для получения титана и общие принципы его пере­работки 386

§ 3. Производство тетрахлорида титана............................................................... 389

§ 4. Магииетермическое восстановление тетрахлорида титаиа. 392

§ 5. Натриетермическое восстановление тетрахлорида титаиа. 395.

§ 6. Восстановление двуокиси титана...................................................................... 396

§ 7. Производство компактного титана................................................................. 397

§ 8. Рафинирование титана................................................................................................... 400

Раздел V. МЕТАЛЛУРГИЯ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ.. 402

Глава 15. Металлургия вольфрама...................................................................... 402

§ 1. Общие сведения о редких металлах............................................................... 402

§ 2. Вольфрам и его применение..................................................................................... 403

§ 3. Сырье для получения вольфрама и методы его переработки 406 § 4. Разложение вольфрамсодержащих концентратов... 407 § 5. Переработка растворов вольфрамата натрия на вольфра­мовый ангидрид 409

§ 6. Производство вольфрамового порошка....................................................... 414

§ 7. Производство компактного вольфрама....................................................... 419

Глава 16. Металлургия молибдена...................................................................... 424

§ 1. Молибден и его применение.................................................................................... 424

§ 2. Сырье для получения молибдена и способы его переработки 426

§ 3. Окислительный-обжиг молибдеиитовых концентратов.. 428

§ 4. Производство чистой трехокиси молибдена....................................... 429

§ 5. Производство металлического мйлибдена.......................................... 433

Рекомендательный библиографический список...................................... 437

Предметный указатель........................................................................................................... 438

Предисловие

Основные направления развития цветной металлургии СССР на ближайшие годы определены решениями XXVI съезда КПСС, которыми предусматривается дальнейший рост выпуска цветных металлов, расширение ассортимента и-повышение качества выпускаемой продукции, повышение комплексности использования сырья, снижение потерь цен­ных компонентов в цикле переработки, где особую роль призвана-сыграть порошковая металлургия, внедрение но­вых, прогрессивных процессов, направленных на создание малоотходных и безотходных, полностью механизирован­ных и автоматизированных технологий. Важное место в ре­шениях XXVI съезда КПСС отводится повышению эконо­мической эффективности металлургического производства, созданию безопасных условий труда, охране окружающей среды и использованию вторичных энергоресурсов.

Особая роль в решении поставленных перед цветной металлургией задач принадлежит инженерно-техническому персоналу предприятий, проектных и научно-исследователь­ских организаций отрасли, в том числе и выпускникам гор­но-металлургических и металлургических техникумов.

С момента выхода в свет последней книги по металлур­гии цветных металлов с аналогичным данному учебнику назначением прошло более 15 лет (Н. Н. Севрржов. Ме­таллургия цветных металлов. М.: Металлургия, 1969). За это время произошел значительный прогресс в технологии получения большинства цветных металлов и в аппаратур­ном оформлении технологических процессов; разработаны и внедрены новые процессы и оборудование. В данном учебнике, предназначенном для ряда специальностей уча­щихся металлургических техникумов, приведены достиже­ния цветной металлургии за последние годы. С учетом этих достижений рассмотрены общие вопросы металлургическо­го производства, а также основы производства важнейших цветных металлов: меди, никеля, свинца, цинка, золота, алюминия, магния, титана, вольфрама, молибдена.

Приведенные в книге значения ряда величин выражены в единицах СИ. При пересчете на метрическую систему еди­ниц или наоборот следует пользоваться следующими соот­ношениями: 1 кгс=9,80665 Н; 1 ат=1 кгс/см²=9,8066Х ХЮ⁴ Па; 1 мм вод. ст.=9,80665 Па; 1 мм рт. ст.= = 1,33322-10² Па; 1 ккал=4,1868 кДж; 1 кВт-ч=3,6Х X10³ кДж.

Согласно Международной химической номенклатуре слово «окислы» заменено словом «оксиды». Исключение составляют товарные полупродукты — окись цинка, закись никеля, пигментная двуокись титана, трехокись вольфрама, трехокись молибдена, вельц-окислы.

Автор выражает благодарность С. С. Пыжову за боль­шую помощь при подготовке рукописи к изданию.

Автор искренне благодарит рецензентов докт. техн. на­ук С. И. Соболя и инж. В. JI. Рогозянского за ценные за­мечания и рекомендации, которые способствовали повыше­нию качества рукописи.

\

Введение

Металлургией называют науку и область техники, за­нимающиеся получением металлов из руд и других видов металлсодержащего сырья. Она является звеном в общем цикле горно-металлургического производства, включаю­щего геологию, горное дело, обогащение руд, собственно металлургию и металлообработку.

Металлургическое производство — одно из древнейших; оно возникло на ранних ступенях развития человеческого общества.

Человек начал использовать металлы около 6000 лет тому назад. Первыми металлами, вошедшими в обиход че­ловека, были самородные медь и золото и метеоритное же­лезо, встречающиеся в природе в свободном состоянии.

О значении металлов в жизни первобытного человека гово­рят названия целых исторических эпох: бронзовый, мед­ный и железный века.

Впервые металл из руды был получен, по-видимому, случайно на месте разведения костров. Но это, бесспорно, послужило толчком к возникновению примитивных спосо­бов получения металлов из руд. Рост потребности в метал­ле вследствие значительных преимуществ металлических изделий по сравнению с деревянными и каменными также способствовал возникновению и развитию металлургичес­кого производства и расширению числа используемых ме­таллов.

В древности были известны восемь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть и сурьма. К концу XVIII в. их число увеличилось до 20, а к концу XIX в. — до 50. В настоящее время производится и потреб­ляется около 80 металлов.

Потребность в металлах из года в год растет. Они ис­пользуются абсолютно во всех отраслях народного хозяй­ства. Человечество сейчас живет в веке¹ металлов, когда развитие хозяйства, науки и культуры немыслимо без ма­шин, механизмов, приборов, бытовой техники и бесчислен­ного множества других изделий из металлов.

Бурный рост в последние годы производства и потреб­ления различных синтетических материалов, во многих слу­чаях заменяющих металлы, способствует лишь более ра­циональному использованию металлических материалов с учетом их специфических физико-механических, электриче­ских, химических и других свойств.

Распространенность металлов в земной коре различна —

от нескольких процентов до миллионных долей. Техничес­кое значение металлов определяется, однако, не только распространением в природе, но и производственными воз­можностями их получения. Последнее вместе с народнохо­зяйственной потребностью и определяет масштабы произ­водства отдельных металлов.

В наибольших количествах из металлов в настоящее время производится железо. Его выпуск почти в 20 раз пре­вышает выпуск самого распространенного из цветных ме­таллов — алюминия. Темпы роста производства некоторых цветных металлов характеризуются данными, приведенны­ми в табл. 1.

Таблица I. Годовое производство некоторых цветных металлов в капиталистических и развивающихся странах, тыс. т

Металл	1964 г.	1970 г.	1975 г.	1980 г.
Алюминий.................................................. Рафинированная медь.... Цянк.............................................................. Свинец............................................................. Никель............................................................. Магний........................................................... Молибден (в концентратах). Вольфрам (в концентратах). Губчатый титан.................................	312,1 147,3 44,69 23,81 14,2	459.1 194.2 73.8 17,6 22.9	71,16 19,1 23,0	233,9 99,0 26,3 45,9

Основными потребителями цветных металлов являются промышленно развитые капиталистические страны. Общее потребление цветных металлов в капиталистическом мире в 1980 г. составило около 30 млн. т в год. Ежегодное по­требление отдельных цветных металлов отличается от Их годового выпуска не более чем на ±10—15 %.

Металлургия, как отрасль промышленности, относится к категории сложных производств. При осуществлении ме­таллургических процессов перерабатываемые¹ материалы претерпевают многочисленные физико-химические превра­щения (разложение неустойчивых соединений, химические взаимодействия, плавление, растворение, возгонка и др.). Без знания основных законов физики и химии невозможно грамотно управлять металлургическим процессом и совер­шенствовать металлургическое производство. По этой при­чине металлургия, как отрасль промышленности и как нау­ка, тесно связана с физикой, химией н особенно с физнчес- кой химией. Последняя является научной основой теоретической и практической металлургии.

Из года в год возрастает связь металлургии с матема­тикой. Математические методы с применением ЭВМ все ши­ре используют в металлургии при выполнении новых раз­работок и управлении металлургическим производством.

На территории нашей страны производство цветных ме­таллов возникло много столетий назад. Археологи неодно­кратно обнаруживали остатки рудных разработок на Ура­ле, в Средней Азии, в Сибири и Армении. В небольших количествах медь выплавляли в Архангельской и Олонец­кой губерниях в XV—XVI вв. Документально подтвержда­ется строительство первых железоделательных и медепла­вильных заводов в XVII в.

В XVIII в. и в первой половине XIX в. Россия занимала одно из ведущих мест в мире по выпуску меди, серебра и свинца. Медь даже вывозили за границу. Однако крепост­нический строй затруднял дальнейшее развитие промыш­ленности, и рост выпуска металлов стал отставать от их потребности.

В начале текущего столетия производство цветных ме­таллов в нашей стране не отвечало ни природным ресур­сам, ни потребности в металлах. Характерным для этого периода является тот факт, что все заводы страны, произ­водящие цветные металлы, оказались в руках иностранных акционерных обществ, которые были заинтересованы в по­лучении максимальных прибылей и вели хищническую раз­работку рудных месторождений.

С началом первой мировой войны выплавка цветных металлов в России начала сокращаться и к 1918 г. почти полностью прекратилась.

В программе электрификации страны, выдвинутой В. И. Лениным в 1920 г., ставился вопрос о восстановлении и развитии цветной металлургии СССР.

Весной 1922 г. был восстановлен и пущен в работу Ка- латинский (ныне Кировоградский) медеплавильный завод на Урале. Это время считается датой рождения цветной ме­таллургии нашей страны. В настоящее время цветная ме­таллургия Советского Союза является высокоразвитой от­раслью промышленности.

Производство большинства цветных металлов в нашей стране было организовано в годы Советской власти. Если в царской России из цветных металлов производились толь­ко медь, серебро, золото, свинец и цинк, то сейчас освоено промышленное производство 75 элементов Периодической системы Д. И. Менделеева. Детищем Советской власти яв­ляются алюминиевая, никелевая и титапо-магниевая отрас­ли промышленности, производство кобальта, вольфрама, молибдена и многих других цветных металлов.

Качество и состав металлической продукции предприя­тий цветной металлургии СССР регламентируются Госу­дарственными стандартами (ГОСТами). Многим маркам выпускаемых цветных металлов присвоен Знак качества, а некоторые из них, например медь Балхашского горно- мев!аллургического комбината, служат эталоном чистоты на Лондонской бирже металлов.

По мере развития современной науки и техники растет спрос на металлы высокой чистоты, имеющие особые свой- ства. Так, сверхчистый алюминий обладает повышенной коррозионной стойкостью, более высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью и рядом других ценных свойств. Германий приобретает свойства полупроводника только при содержании в нем одного атома примеси на мил­лион и. более атомов самого германия. Особые требования к металлам высокой чистоты предъявляются при исследо­вании атомного ядра, в атомной энергетике и радиоэлек­тронике.

Помимо металлов различной степени чистоты, цветная металлургия выпускает в большом ассортименте другую товарную продукцию —элементарную серу, серную кислоту, минеральные удобрения, цемент, соли и т. д.

В развитие отечественной цветной металлургии боль­шой вклад внесла многочисленная плеяда выдающихся русских и советских ученых.

Особо важное значение для развития горнозаводского дела в России имели труды гениального ученого М- В. Ло­моносова. Его труд «Первые основания металлургии или рудных дел», изданный в 1763 г., был первым учебником по металлургии на русском языке. В разделе металлургий М. В. Ломоносов привел описание физико-химических свойств главнейших металлов, изложил теорию вопросов окисления и восстановления, дал описание металлургичес­ких процессов получения из руд золота, серебра, меди и свинца.

Всемирно известный Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева является основой современной химии, теоретической базой металлургического производ­ства.

Широкую известность в области цветной металлургии получили труды русских ученых Н. Н. Бекетова, П. Г. Со­болевского, В. Н, Митина и др.

U

Исключительно плодотворно над созданием теоретичес­ких основ и разработкой новых процессов получения цвет­ных металлов работали советские ученые-металлурги ака­демики А. А. Байков и Н. С. Курнаков, профессора В. Я- Мос- товнч, П. П. Федотьев, В. А. Ванюков, Н. П Асеев, академики Г. Г. Уразов, А. Н. Вольский, члены-кор. АН СССР И. Н. Плаксин и А. И. Беляев, акад. АН КазССР В. И. Смирнов, проф. Г. А. Меерсон и многие другие.

На развитие современной цветной металлургии СССР плодотворно влияют работы многочисленных научных школ, созданных в Московском институте стали и сплавов, Уральском политехническом институте, Ленинградском гор­ном институте и ряде других металлургических институтов и факультетов, а также труды ученых и инженеров акаде­мических и отраслевых научно-исследовательских и проек- ных институтов и предприятий Министерства цветной ме­таллургии СССР.

Раздел ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ I

Глава 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

§ 1. Металлы и их классификация

Из 107 известных в настоящее время элементов Периоди­ческой системы Д. И. Менделеева около 80 имеют более или менее ярко выраженные металлические свойства. Об­щими признаками металлического состояния являются: ме­таллический блеск и непрозрачность, высокая электро- и теплопроводность, высокая пластичность (ковкость), кри­сталлическая структура, серый цвет с оттенками от светло­серого до темно-серого (исключение составляют только два металла— красная медь и желтое золото).

Кроме того, для типичных металлов общим является ха­рактер зависимости электропроводности от температуры: с повышением температуры электропроводность их умень­шается.

Большинство характерных свойств металлов является следствием наличия в металлической структуре свободных электронов. Установлено, что металлическая структура со­держит атомы, как нейтральные, так и ионизироЬанные, т. е. в них отсутствует некоторое количество электронов.

Все атомы металла имеют равную возможность иони­зации, и переход электронов от ионизированного атома к нейтральному может происходить без затраты энергии. В результате этого в металлической структуре непрерывно происходит обмен электронами. При этом появляется неко­торое количество свободных электронов, не принадлежа­щих в данный момент каким-либо определенным атомам.

Ничтожно малые даже по сравнению с атомами разме­ры электронов позволяют последним достаточно свободно перемещаться по всему металлическому кристаллу, кото­рый можно рассматривать как пространственную решетку из нейтральных атомов и положительных ионов, находя­щихся в атмосфере «электронного газа». Наличие свобод­ных электронов*в металлической структуре определяет свойства металлов.

Дата добавления: 2015-08-29