книги / Металлургия цветных металлов
..pdfстью. Позднее из-за дефицитности олова подобные спла вы научились получать, добавляя к меди другие металлы. Теперь, помимо оловянных бронз, широко пользуются бронзами алюминиевыми (5—11% А1), свинцовистыми (25—33% РЬ), кремниевыми (4—5% Si), бериллиевыми (1,8—2,3% Ве); кадмиевыми (до 1% Cd) и др. Все эти сплавы содержат небольшие количества вторичных ле гирующих компонентов, которые усиливают те или иные свойства меди.
Каждый вид бронзы ценен в своей области примене ния: алюминиевые бронзы с добавками свинца нужны для подшипников, а бериллиевые идут для изготовления пружин.
Латуни и бронзы, подобно многим другим сплавам, подразделяются на литейные и деформируемые,. при годные для литья либо для обработки давлением, про каткой, ковкой, штамповкой, волочением.
Медноникелевые и медноникелевоципков_ые сплавы: мельхиор (5—35% Ni) и нейзильбер (5—30% Ni и 13— 45% Zn) особенно стойки в агрессивных средах, содержа щих активные химические вещества. В виде ленты, ли стов и проволоки эти сплавы идут на изготовление меди цинских инструментов, изделий точной механики, столо вых приборов, бытовых и художественных изделий.*.
Медь известна с древних времен — бронзовый век был периодом быстрого развития материальной культу ры. Впоследствии бронзу вытеснило более дешевое и до ступное железо. С возникновением крупной промышлен ности производство и потребление меди вновь стало быст ро увеличиваться.
До 1958 г. медь занимала первое среди цветных ме таллов место по масштабам мирового производства. Те перь она уступает в этом алюминию, но все еще остается дефицитным металлом, требующим заменителей. В элек тротехнике часть меди стали заменять алюминием — ме нее электропроводным, но более легким. Это выгодно: расход алюминия по массе почти в два раза меньше, чем меди. На железнородожном транспорте медь и брон зу частичке заменяют цинковыми сплавами. В военной технике патронные гильзы вместо латуни начали делать из стали и только покрывают их слоем латуни — плаки руют. Замена меди другими, менее дефицитными метал лами и сплавами — важная проблема нашего времени.
Никель
В сравнении с другими тяжелыми цветными металла ми никель наиболее прочен, тверд, тугоплавок и стоек против коррозии. Подобно железу и кобальту, он ферро магнитен. Чистый никель пластичен и легко обрабаты вается.
Никель сравнительно дорог, и потребление его в чи стом виде невелико. Для защиты от коррозии и декора тивных целей тонким слоем никеля покрывают изделия из железа, алюминия, магния, цинка и других металлов (никелирование). В виде листов, труб, проволоки его
расходуют на особые изделия для |
химических произ |
водств — детали аппаратуры и приборов. |
|
Никель требуется также для производства .щелочных |
|
аккумуляторов — железоникелевых |
и никелекадмиевых. |
Эти аккумуляторы легче, компактнее и надежнее в ра боте, чем свинцовые. Во многих производствах химиче ской технологии применяют никелевые катализаторы.
Более половины всего никеля потребляется в сплавах с железом. Хромоникелевые, нержавеющие и кислото упорные стали, содержащие обычно до 8% никеля, хром и другие металлы, широко применяются в химической промышленности и станкостроении, а также для построй ки долговечных сооружений, в машиностроении и воен ной технике. Прочные и износоустойчивые никелистые чугуны, содержащие хром, молибден и медь, нужны для производства мощных двигателей внутреннего сгорания локомотивов, специальных станков и штампов.
Многие никелевые сплавы жаростойки: они не окисля ются на воздухе при высоких температурах. Сюда отно сятся сплавы ЭИ, инконель, нимоник, гастеллой и др., способные работать при температурах до 600° С. Их при меняют для производства турбин реактивных самолетов, газотурбинных установок и в атомных реакторах.
Нихром (75—85% Ni, 10—20% Сг, остальное железо) и другие подобные термоэлектрические сплавы никеля не только жаростойки, но и обладают высоким омическим сопротивлением и служат для нагревателей из проволоки или ленты.
Сильномагнитный сплав никеля с железом (пермал лой) и другие сходные с ним сплавы применяются в элек тротехнике и радиотехнике.
Из сплавов никеля с цветными металлами наиболее важны медноникелевые, о них уже говорилось выше.
Первый металлический никель был получен в Швеции Клапротом в 1751 г., а производство его для продажи началось только в 1825 г. Долгое время оно оставалось незначительным. Многие ценные свойства никеля не были известны вплоть до начала XX в., поэтому только в на шем столетии спрос на этот металл начал быстро расти.
Теперь потребление никеля во всех странах строго учитывают и принимают меры к экономному его расхо дованию. Для этого все большую часть никеля в нержа веющих сталях заменяют хромом, а обычные стали по крывают тонким слоем нержавеющей стали (плакиро вание).
Свинец
Свинец известен с древних времен — не менее двух тысячелетий до н.э. Тогда особенно ценилась легкая об рабатываемость мягкого свинца и его высокая плотность. Из свинца делали монеты, украшения, различные сосуды, водопроводные трубы, метательные снаряды для пращей и катапульт. С изобретением пороха свинец стали при менять для изготовления картечи, пуль и дроби.
Стойкость свинца против разбавленной серной, соля ной кислот и многих других реагентов сделала этот ме талл в XIX в. основным материалом возникавшей тогда химической промышленности. Свинец легко прокатывает ся. Листовой (рольный) свинец толщиной от 2 до 10 мм удобен для покрытия аппаратуры и защиты ее от кор розии.
Оболочки кабелей, предназначенных для долгой рабо ты под землей, в воде или во влажной атмосфере, дела ют и теперь из свинца, добавляя к нему для большей пластичности небольшие количества других металлов.
Свинцовые аккумуляторы по-прежнему необходимы для зажигания двигателей внутреннего сгорания, несмот ря на появление никелевых аккумуляторов, которые зна чительно дороже. На производство кабелей и аккумуля торов затрачивается около половины всего свинца.
В атомной технике свинец служит защитой от у-лу чей, которые он поглощает лучше многих других мате риалов.
В военной технике свинец и теперь нужен для изго товления шрапнелей и сердечниковых пуль.
Сплавы свинца отличаются от чистого металла либо большей прочностью и твердостью, либо антифрикционностью; в большинстве своем они еще и стойки против коррозии.
Сплавы с малым коэффициентом трения — баббиты (по фамилии изобретателя Баббита)— подразделяются на оловянистые и безоловянистые. Первые содержат, кроме свинца, олово, медь, сурьму, кадмий, никель и тел лур, а вторые — натрий, кальций, теллур и другие эле менты. Баббиты легкоплавки, их заливают в жидком ви де во вкладыши подшипников или наносят слоем на стальную ленту.
^-"'Тйпографские сплавы для отливки шрифтов содержат, кроме свинца, сурьму, олово и медь. Сурьма придает им твердость, а олово — литейные качества.
Вхимической промышленности часто применяют сплавы свинца с сурьмой — твердые и стойкие против коррозии.
Всплавах для пайки — припоях свинцом частично за меняется более дорогое и дефецитное олово.
Спрос на свинец постоянно опережает его производ ство. Поэтому в современной промышленности намеча ются все новые пути экономии свинца. Свинцовые обо лочки некоторых кабелей теперь стараются заменять пластмассовыми, а антикоррозионные покрытия — синте тическими органическими материалами. Типографские свинцовые сплавы иногда удается заменить сплавами цинка, а в перспективе — пластмассами, когда будут по лучены пластмассы с хорошими литейными свойствами.
Цинк
Сведения об истории развития производства цинка различны. По некоторым из них этот металл умели полу чать в Индии и Китае еще в V в.; однако промышленное производство цинка в Европе возникло лишь в XVIII в. в Англии, затем в Верхней Силезии.
Сейчас около половины производимого цинка расхо дуется на покрытие железа для предохранения его от коррозии. Тонкий слой цинка наносят на железо горя чим способом либо электролизом. Электролитическое по крытие тоньше и расходуется цинк при этом более эко-
номио; однако из-за более сложного оборудования го рячее оцинкование пока применяется чаще, чем электро лиз. Цинк надежно предохраняет железо от коррозии на воздухе и в холодной воде. Оцинкование значительно дешевле покрытия оловом — лужения или никелем — никелирования.
Другая важная область потребления цинка — изго товление сплавов, в том числе уже известных нам лату ней и нейзильбера.
Сплавами на основе цинка частично заменяют брон зы и баббиты в подшипниках. Эти цинковые сплавы со держат алюминий (8—11%), медь (1—2%) и магний (0,03—0,06%). Те же компоненты, но в иных соотноше ниях с цинком, содержатся в типографских сплавах, сходных по свойствам со свинцовосурьмяными спла вами.
В сравнении с другими цветными металлами цинк де шев, а ресурсы его в известных месторождениях доста точно велики. Поэтому проблема замены цинка другими металлами не возникала. С ростом производства алюми ния и снижением его стоимости может оказаться выгод ным покрытие железа не цинком, а алюминием —алити рование.§
§ 9. Руды тяжелых металлов и их обогащение
Характеристика руд тяжелых металлов
Руды тяжелых цветных металлов бывают сульфид ными и окисленными, другие их разновидности сравни тельно редки. Руды, в которых более 3Д всех рудных ми нералов сульфиды, считают сульфидными, а если суль фидов менее V* — окисленными. Остальные руды называют смешанными.
Сульфидные руды образовались в процессе застыва ния расплавленной магмы — в результате кристаллиза ции из расплава и конденсации выделявшихся из него паров и газов, поэтому сульфидные руды имеют наиболь ший геологический возраст.
Окисленные руды — обычно продукты вторичного преобразования сульфидных руд — окисления и выветри вания близ поверхности земли под действием воздуха и
грунтовых вод. Но возможны и иные процессы образо вания некоторых окисленных руд. В результате окисле ния и выветривания сульфидные минералы постепенно превращаются в окислы, карбонаты, силикаты и другие кислородсодержащие соединения. Сульфиды меди, нике ля, свинца, цинка и всегда сопутствующего им железа часто залегают в виде плотных камневидных масс и мед ленно подвергаются геологическим преобразованиям.
Кроме сплошных сульфидных руд, известны и вкрап ленники, характеризующиеся мелким вкраплением зерен сульфидов в кварце или других породах. Вкрапленные руды окисляются быстрее сплошных: сульфиды в них имеют большую суммарную поверхность и окружены бо лее рыхлой и пористой пустой породой. В зависимости от условий залегания и выветривания сульфидных руд получаются окисленные или смешанные руды.
Для руд тяжелых цветных металлов характерна комп лексность— одновременное присутствие минералов раз ных металлов, например сульфидов меди и никеля (мед но-никелевые руды), сульфидов свинца и цинка (свинцо во-цинковые руды). Встречается и более сложная комп лексность: медно-свинцово-цинковые руды.
Сульфидам в природе всегда сопутствуют благород ные металлы. Присутствие серебра в виде аргентита Ag2S и самородного золота характерно для медных, свин цовых и цинковых руд, а платины и платиноидов (осьмия, рутения, родия, иридия и палладия) — для медно никелевых руд.
Рудам тяжелых цветных металлов свойственно при сутствие металлов-спутников, процентное содержание ко торых сравнительно невелико. Однако эти металлы име ют мало собственных руд и месторождений; их получа ют преимущественно попутно с тяжелыми цветными металлами. В некоторых медных рудах имеется молиб ден, в медно-никелевых и никелевых — кобальт, в свин цово-цинковых — висмут и кадмий.
Помимо минералов цветных металлов, в сульфидных рудах присутствует пирит FeS2 и реже пирротин FeTSeОсобенно много пирротина в медно-никелевых рудах, кристаллы его часто содержат никель в виде тонкой вкрапленности или твердого раствора.
Минералы металлов-спутников не всегда представле ны отдельными зернами; чаще они тонко диспергирова
ны в минералах тяжелых металлов либо образуют в них твердые растворы замещения.
Сера пирита и других сульфидов имеет существенную ценность и ее желательно использовать при переработке руд — выделить в виде элемента, получить серную кисло ту, сжатый сернистый газ или использовать иначе. Не изменные спутники серы — селен и теллур — ценные ред кие элементы, весьма важные для некоторых отраслей новой техники.
Помимо пирита и пирротина, в рудах всегда присут ствуют кварц БЮг и различные силикаты алюминия, же леза, кальция и магния. Силикаты — соли кремневой кис лоты, склонной к полимеризации — усложнению молеку лы, поэтому сложен и состав природных силикатов. В нашем кратком изложении силикаты можно упрощенно
считать соединениями |
окислов: БЮг, AI2O3, FeO, СаО |
и др., обозначая связь |
между ними точкой, например |
AI2O3 • 2SiC>2• 2 НгО.
Окисленные руды тяжелых цветных металлов состо ят главным образом из окислов, карбонатов и силикатов; они содержат те же ценные составляющие, однако обыч но мало серы, которая связана преимущественно в суль фаты. Окисленные руды залегают ближе к поверхности, чем сульфидные, поэтому многие из них уже выработаны. Только для никеля и меди окисленные руды все еще имеют значение в современной металлургии.
Содержание тяжелых цветных металлов в сульфид ных и окисленных рудах исчисляется единицами и деся тыми долями процента, а более богатые руды редки. Со держание благородных металлов — от единиц до десят ков граммов на тонну; молибдена, висмута, кадмия — со тые, реже — десятые доли процента. Серы в сульфидных рудах бывает до 40—50%.
Важнейшие рудные минералы тяжелых цветных ме таллов приведены в табл. 7, а в табл. 8 даны примеры состава некоторых руд.
Состав руды или концентрата характеризуется про центным содержанием элементов или простейших окис лов— элементарный состав. Для металлургических рас четов бывает нужен вещественный состав, называемый также рациональным или фазовым. Он выражается про центными содержаниями минералов или химических со единений. Вещественный состав получают расчетом по
Минерал |
Формула |
Плотность, |
Твердость |
кг/м 3/{г/см 3)* |
Медные минералы
Борнит |
|
Cu5FeS4 |
4900—5200 |
3 |
|
|
|
|
|
(4 ,9 —5,2) |
2,5 —3 |
Медный |
блеск |
Cu2S |
5500—5800 |
||
(халькозин) |
|
|
|
(5,5—5,8) |
1,5—2 |
Ковеллин |
|
CuS |
4600 (4,6) |
||
Халькопирит |
|
CuFeS2 |
4100—4300 |
3 ,5 - 4 |
|
|
|
|
|
(4,1 —4,3) |
|
Малахит |
|
CuC03 • |
Си (ОН) 2 |
3700—4100 |
3 ,5 - 4 |
|
|
|
|
(3 ,7 - 4 ,1 ) |
2,4 |
Хризаколла |
|
СиБЮ з |
• и Н20 |
2000—2200 |
|
Самородная |
медь |
Си |
(2 ,0 - 2 ,2 ) |
|
|
|
|
Никелевые минералы
Пентландит |
(Fe, N i)9S8 |
4500—5000 |
3 ,5 - 4 |
|
|
( 4 ,5 - 5 ) |
|
Гарниерит |
Ni4[SiOio] X |
2300—2800 |
•2 —2,5 |
|
X (ОН) 4 • 4HjO |
( 2 ,3 - 2 ,8 ) |
|
Ревденскнт |
(Ni, Mg) e X |
2500—3000 |
2—2,5 |
|
X [Si40,o)(O H )8 |
(2,5 —3) |
|
Свинцовые минералы
Галенит |
PbS |
7450 (7,45) |
2,5 |
Англезит |
P bS04 |
6100—6400 |
2 ,5 - 3 |
Церуссит |
|
(6 ,1 - 6 ,4 ) |
|
PbC03 |
6400—6600 |
3 - 3 ,5 |
|
|
|
(6,4 —6,6) |
|
Цинковые минералы
Сфалерит |
ZnS |
3900—4200 |
3,5 |
(цинковая обмот |
|
( 3 ,9 - 4 ,2 ) |
|
ка) |
|
|
|
Смитсоннт |
Z11CO3 |
3400—3500 |
4.5 |
|
|
(3 ,4 - 3 ,5 ) |
|
* Размерность без |
скобок выражена |
в системе единиц СИ, |
в скобках — |
в системе СГС, |
|
|
|
sa
Рулы
Медная сульфидная Медная окисленная Медно - свинцово-цинко вая сульфидная Медно-никелевая суль фидная Никелевая окисленная
Содержание компонентов, % (по массе)
|
|
|
|
|
|
м |
ом |
СаО |
о |
Си |
N1 |
рь Zn |
Fe |
S |
<75 |
< |
Ьо |
||
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
1 |
_ _ __ |
40 |
42 |
10 |
3 |
— |
_ |
||
2 |
— |
— |
— |
2 |
— |
75 |
6 |
— |
— |
3 |
_ |
6 |
7 |
20 |
30 |
20 |
3 |
— |
— |
2 |
3 |
_ |
__ |
45 |
28 |
10 |
9 |
3 |
4 |
-— |
1 |
— |
— |
12 |
|
39 |
5 |
|
14 |
данным химического анализа и минералогического иссле дования. Приведем пример такого расчета.
Расчет вещественного состава медной руды
По данным химического анализа руда содержит, %:
5,65 Си; 20 Fe; 6,2 Zn; 25,9 S; 23,3 Si02; |
10,2AI2O3; |
4,0 CaO; 1,0 BaO; 3,1 C02; 0,7 H20. |
присутст |
Минералогическое исследование показало |
вие в руде халькопирита CuFeS2, пирита FeS2 и сфалери та ZnS.
Расчет ведут на 100 г руды. Это удобно: цифры в граммах и процентах одинаковы.
Минералы, обнаруженные минералогами, состоят из меди, железа, цинка и серы. Содержания этих элемен тов выражаем количествами грамм-атомов в 100 г руды:
5,65 = 0,0889 Си; |
20 |
0,358 Fe; |
||
63,57 |
|
55,84 |
||
6,2 |
. 0,095 Zn; |
|||
65,38 |
’ |
|
|
|
26 |
= 0,811 |
S. |
||
32,07 |
||||
|
|
|
1 г-атом меди дает 1 моль CuFeS2, поэтому халько пирита в руде 0,0889 моль-, он содержит 0,0889 г-атом Fe и 2 • 0,0889=0,1778 г-атом S.
Содержание железа в пирите будет 0,358—0,089= =0,269 г-атом, а пирита в руде соответственно 0,269 моль; в нем 2-0,269=0,538 г-атом S.
Тогда в сфалерите серы по разности 0,811—0,538_ —0,1778 = 0,095 г-атом, а сфалерита 0,095 моль.
Для нового перехода к процентам по массе надо мо лярные содержания минералов умножить на соответст вующие молекулярные массы. Тогда получим, %:
CuFeS2 |
0,0889 • 183,4 = 16,3 |
FeS2 - |
0,269-120 = 32,3, |
ZnS -0,095.97,4 = 9,2.
Других данных для выражения вещественного соста ва пустой породы в нашем примере не дано, поэтому при водим ее составляющие по исходному составу и получаем вещественный состав руды, %:
CuFeS2 |
16,3 |
CaO |
4,Q |
FeSa |
32,3 |
BaO |
1,0 |
ZnS |
9 ,2 |
C0 2 |
3,1 |
SiOa |
23,3 |
H20 |
0 ,7 |
AI2O3 . |
10,2 |
|
|
И т о г о . |
1 0 0, 1* |
♦Лишняя десятая |
процента — результат округлений; |
ею можно пренебречь. |
|
Обогащение руд
Руды тяжелых цветных металлов обогащают преиму щественно флотацией, а другие способы обогащения применяют реже.
Флотация (от английского flotation — плавание, всплывание) кратко описывается так: пульпу тонкоизмельченной руды после добавления небольших коли честв особых флотационных реагентов продувают возду хом и интенсивно перемешивают. Под действием флота ционных реагентов рудные минералы теряют способность смачиваться водой, поэтому зерна их прили пают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность в виде пены, а пустая порода остается в пульпе. Несу щую частицы рудных минералов пену снимают и обезво живают, получая концентрат. Пульпу пустой породы (хвосты) сбрасывают в отвал. Ее перекачивают и спускают по желобам, или также сначала обезвоживают для по вторного использования воды (в районах с трудным во доснабжением), а затем отвозят на отвал в виде густой влажной массы.