Металлургия алюминия

Заочная форма обучения. Курс - Металлургия цветных металлов

Краткий конспект

Подготовка сырья к металлургическому производству

Металлургия меди

Металлургия цинка

Металлургия алюминия

Все металлы делят на две группы: черные и цветные.

К группе черных металлов относят железо, а также марганец (Mn), ванадий (V) и хром (Cr).

Все остальные металлы составляют группу цветных.

В свою очередь цветные металлы подразделяются на следующие под­группы по физико-химическим свойствам:

а)тяжелые цветные металлы ( плотность больше 5 г/см³): Cu(медь), Ni (никель), Pb (свинец), Sn(олово), Zn(цинк), Cd(кадмий),Co (кобальт), As (мышьяк), Sb (сурьма);

б) легкие цветные металлы (плотность до 5 г/см³): Al(алюминий), Mg (магний), Na (натрий), а также Be (бериллий),Li (литий), Ba(барий), Ca (кальций), Sr (стронций), K(калий), Ti (титан), Zr(цирконий);

в)благородные металлы: Au(золото), Ag (серебро), Pt платина), Os(осьмий), Ir (иридий), Rh (родий),Ru (рутений), Pd (палладий);

г)редкие металлы, которые подразделяются на :

- тугоплавкие (температура плавления более 1873 К): Hf (гафний), Nb(ниобий), Ta (тантал), Mo (молибден), W(вольфрам), Re(рений);

- рассеянные: Ga ( галлий), Tl (таллий), Ge (германий), Se(селен), Te (теллур),In (индий), Rb(рубидий), Cs (цезий);

- редкоземельные: Sc (скандий), Y(иттрий), La (лантан) и лантаноиды (14 элементов от церия до лютеция);

- радиоактивные: Ra (радий), Ac (актиний), актиноиды (торий, протактиний, уран и заурановые элементы), полоний.

Следует иметь в виду, что редкие металлы не обязательно содержатся в земной коре в малых количествах. Металлы этой подгруппы получили название «редкие» главным образом потому, что они рассеяны в большом количестве других пород. Отсюда невелика концентрация этих металлов в рудах, а месторождения руд редких металлов имеют небольшие размеры (запасы).

Исходным сырьём для производства абсолютного большинства металлов являются минеральные образования, добываемые из земной коры, - руды.

Рудой называется горная порода, содержащая металл в такой форме и в таком количестве, что его экономически выгодно извлекать на данном уровне развития техники.

Руда любого металла состоит обычно из двух основных частей: рудного минерала, представляющего химическое соединение металла с другим (другими) элементом, механически перемешанного с соединениями, не содержащими данного металла - пустой породой.

руда = рудный минерал + пустая порода.

Все рудные минералы (более 3000) по вещественному составу подразделяются на:

I группа самородные (золото, платина, S, углерод)

II группа сульфидные – это минералы, в состав которых входит сера.

III группа несульфидные (окисленные), которые подразделяются на:

1) окислы (Fe₃O₄ – магнетит, SiO₂ – кварц, SnO₃ – касситерит)

2) силикаты (цирконий ZrSiO₄)

3) карбонаты (РbСО₃ – церрусит)

IV группа смешанные

Таким образом, npoцecc получения металла из руды включает две последовательные операции:

а) отделение рудного минерала от пустой породы – это достигается в процессе обогащения на обогатительных фабриках;

б) отделение металла от элемента, с которым он образует химическое соеди­нение – это происходит в пиро- или гидрометаллургических процессах на металлургических предприятиях.

Характеристика руд цветных металлов

1. Руды цветных металлов являются комплексным сырьем. В рудах цветных металлов, наряду с основными металлами (медью, свинцом, цинком, никелем, кобальтом, молибденом, вольфрамом, висмутом), присутствуют золото, серебро, кадмий, индий, селен, теллур, рений, таллий, галлий, редкие земли, сера, барит, флюорит, кварц и другие элементы и минералы. Основная масса (80–85 %) цветных металлов в рудах представлена сульфидными минералами. Благородные металлы и примеси присутствуют в рудах главным образом в виде изоморфных примесей и тонкодисперсных включений в минералы основных и сопутствующих полезных компонентов. Несульфидные минералы представлены оксидами, силикатами, карбонатами, фосфатами и другими породными минералами в различном их соотношении.

2. Низкое содержание цветных металлов в рудах. Среднее содержание меди в медно-порфировых рудах в настоящее время составляет около 1 %, в медистых песчаниках – 2 %, в медно-колчеданных рудах – 1,4 %. В этих же пределах изменяются средние содержания свинца, никеля и

цинка. Содержания сопутствующих металлов при этом оцениваются обычно десятыми, сотыми и тысячными долями процента. Постоянный рост производства и потребления основных цветных металлов (меди, свинца, цинка, никеля) сопровождается непрерывным снижением их содержания в перерабатываемых рудах. Например, среднее содержание меди в медных рудах за последние 90 лет уменьшилось в 10 раз и составляет в настоящее время около 1,3 %.

3. Руды цветных металлов весьма разнообразны и изменчивы по химическому и минеральному составу, характеру вкрапленности и степени окисленности, крепости, дробимости, измельчаемости, обогатимости. Различные сочетания свойств руд создают большое многообразие их типов и разновидностей, отличающихся между собой важными технологическими свойствами по отношению к процессам дробления, измельчения, обогащения и др.

4. Руды цветных металлов отличаются сложными горно-геологическими условиями залегания. Месторождения цветных металлов обычно отличаются сравнительно небольшими запасами, сложностью и разобщенностью рудных тел, весьма крепкими рудами и вмещающими породами, предопределяющими большую трудоемкость при их разработке.

5. Руды ЦМ отличает тонкая дисперсная связь ценных компонентов с вмещающими горными породами и между собой. Как правило, руды ЦМ требуют хорошего измельчения, чтобы разрушить эти связи.

Цель подготовки руд к металлургическому переделу

Перерабатываемые в металлургическом переделе руды должны иметь:

- высокое содержание металла (или, что то же самое, минимальное содержание пустой породы);

- оптимальный состав пустой породы;

- минимальное содержание вредных примесей;

- требуемый для данной технологии гранулометрический состав руды;

- максимальную однородность химического и гранулометрического составов рудного материала.

Добытые из недр земли руды, как правило, не отвечают этим требо­ваниям и нуждаются в предварительной обработке, представляющей часто целый комплекс специальных операций.

Обогащением руды называется комплекс процессов, с помощью которых от руды существующими физическими и физико-химическими методами отделяют минералы пустой породы.

В результате обогащения происходит:

1. концентрация ценного компонента в десятки, сотни раз;

2. с помощью обогащения удаляются вредные примеси из концентратов, что облегчает металлургический или другой последующий передел;

3. сокращаются затраты на перевозки материала потребителю (за счет сокращения общей массы продукта);

4. переработка обогащенного материала производится с большим эффектом (увеличивается производительность последующего передела, уменьшается расход топлива и электроэнергии, снижаются потери ценного компонента с отходами производства, повышается извлечение).

Продуктами обогащения являются:

концентрат - материал, содержащий полезного минерала больше, чем его было в исходной руде. При обогащении многокомпонентных полезных ископаемых получают 2 и более концентратов. Концентраты должны удовлетворять ГОСТу или техническим условиям.

хвосты - материал, состоящий в основном из пустой породы и содержащий небольшое количество полезного минерала. Это отход обогащения. Но отвальные хвосты удается получить не всегда. Если хвосты содержат много полезного минерала, их подвергают повторному обогащению один или несколько раз, в результате чего получают отвальные хвосты и продукт, обогащенный полезным минералом. Это продукты более бедные, чем основные концентраты. Они занимают по содержанию полезного элемента промежуточное положение между концентратом и хвостами – и называются промежуточными продуктами (промпродукты), которые подвергаются дополнительному обогащению.

Обогатительная фабрика – это промежуточное звено между рудником и металлургическим заводом. Мощность фабрики определяется обычно количеством переработанной руды и бывает различна - от десятков тыс. т до нескольких млн. т в год.

Руда различной крупности (D = 1500-2000 мм – характерна для открытых горных работ, D = 500-600 мм – характерна для подземных горных работ), поступающая с рудника, на обогатительной фабрике проходит различные процессы, которые по своему назначению можно разделить на:

- подготовительные;

- собственно обогатительные;

- вспомогательные.

Подготовительные процессы включают, прежде всего, операции уменьшения размеров кусков руды: дробление и измельчение и связанные с ними грохочение и классификацию. Конечная крупность измельчения определяется крупностью вкрапленности минералов, которые надо раскрыть. Именно это позволяет выделить их в самостоятельный продукт. В зависимости от технологии конечная крупность минеральных частиц может достигать от 2-3 мм до 40 микрон. Операции грохочения и классификации позволяют отделить крупные куски минералов от мелких.

К собственно обогатительным процессам относятся процессы разделения рудных минералов и пустой породы и выделения их в отдельные продукты. Основаны эти процессы на различных физических свойствах рудных минералов и минералов пустой породы – цвете, блеске, магнитных свойствах, электропроводности, плотности, смачиваемости и т.д. К этим процессам относятся гравитационное обогащение, флотация, магнитная и электрическая сепарация и другие процессы. Задача основных процессов обогащения − разделить полезный минерал и пустую породу. Это и является обогатительным процессом.

Основные группы обогатительных процессов:

1) Гравитационные методы обогащения. Это разделение минеральных частиц, как правило, в потоке воды, основанное на различной плотности минералов. Этот метод является основным для обогащения золотосодержащих, платиновых, вольфрамовых и оловянных руд.

2) Флотация – разделение минеральных частиц, основанное на их различной смачиваемости водой. Это основной метод при обогащении медных, цинковых, свинцовых, молибденовых, никелевых руд.

3) Магнитное обогащение – разделение минеральных частиц в магнитном поле, основанное на различных магнитных свойствах минералов. Это основной метод при обогащении железных руд и руд редких металлов.

4) Электрическое обогащение – основано на разной электропроводности минеральных частиц.

5) Радиометрическое обогащение – основано на различной радиоактивности разделяемых минералов - естественной или наведенной.

Вспомогательные процессы. Поскольку большая часть основных методов проводится в воде, продукты, получаемые в результате, содержат много влаги - до 80%. Требования пирометаллургического производства – от 5 до 10% влажности, поэтому на обогатительных фабриках товарная продукция подвергается обезвоживанию с помощью трех последовательно идущих операций:

1) Сгущение

2) Фильтрация

3) Сушка

Совокупность и последовательность операций, которым подвергается руда при обогащении, путь движения руды и продуктов обогащения от одной операции к другой называются технологической схемой обогащения.

Итак, в результате обогащения руды получаем продукт, поступающий на металлургическое производство – концентрат. Концентрат содержит металла гораздо больше (в десятки раз), чем исходная руда, что позволяет его перерабатывать с большей эффективностью.