Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Получение соединений тугоплавких металлов

Покупка
Артикул: 751046.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Изложены теоретические и технологические основы пирометаллургических и гидрометаллургических методов получения соединений тугоплавких металлов. Рассмотрены такие прецизионные методы очистки технических соединений от примесей, как ионный обмен, экстракция из водных растворов. Обращается внимание на выбор различных методов очистки в зависимости от необходимой чистоты тугоплавких металлов по примесям. Изложены особенности разделения близких по физико-химическим свойствам тугоплавких металлов. Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов».
Получение соединений тугоплавких металлов : учебное пособие / В. С. Челноков, И. В. Блинков, В. Н. Аникин [и др.]. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2015. - 60 с. - ISBN 978-5-87623-850-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1222918 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2370 

Кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных 
материалов 

 
 
 

Получение соединений
тугоплавких металлов 

 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва 2015 

УДК 669.018.8 
 
П53 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. В.В. Плошкин (Евразийский открытый институт); 
канд. техн. наук, доц. В.Ю. Лопатин 

А в т о р ы :  
В.С. Челноков, И.В. Блинков, В.Н. Аникин, Д.С. Белов, А.О. Волхонский 

 
 
 
Получение соединений тугоплавких металлов : учеб. посо- 
П53  
бие / В.С. Челноков и [др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 60 с. 
ISBN 978-5-87623-850-4 

Изложены теоретические и технологические основы пирометаллургических и гидрометаллургических методов получения соединений тугоплавких 
металлов. Рассмотрены такие прецизионные методы очистки технических 
соединений от примесей, как ионный обмен, экстракция из водных растворов. Обращается внимание на выбор различных методов очистки в зависимости от необходимой чистоты тугоплавких металлов по примесям. Изложены 
особенности разделения близких по физико-химическим свойствам тугоплавких металлов. 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов». 

УДК 669.018.8 

ISBN 978-5-87623-850-4 
© Коллектив авторов, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Общая схема получения тугоплавких металлов................................6 
2. Добыча и подготовка руд к переработке..........................................10 
3. Методы разложения (вскрытия) рудных концентратов..................15 
3.1. Разложение кислотами................................................................15 
3.2. Разложение щелочами или карбонатами...................................16 
3.3. Окислительный обжиг.................................................................18 
3.4. Восстановительные процессы ....................................................22 
3.5. Хлорирование ..............................................................................28 
4. Очистка технически чистых соединений от примесей ...................38 
4.1. Фракционная возгонка ................................................................38 
4.2. Фракционная (дробная) кристаллизация...................................39 
4.3. Сорбционные процессы ..............................................................41 
4.4. Экстракция из водных растворов...............................................47 
4.5. Ректификация...............................................................................54 
Библиографический список...................................................................59 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В отличие от условий производства черных и цветных металлов 
современная технология извлечения и производства тугоплавких металлов и их соединений характеризуется более сложными технологическими схемами, сочетающими пирометаллургические и гидрометаллургические процессы вскрытия сырья, химические процессы 
выделения и очистки соединений тугоплавких металлов, разнообразные процессы восстановления металлов и их перевод в необходимые 
компактные заготовки и изделия. Объясняется такая сложность технологического процесса получения тугоплавких металлов рядом 
причин. Прежде всего, производство тугоплавких металлов сопряжено с преодолением значительных трудностей, связанных с особыми 
геохимическими и физико-химическими свойствами этих металлов. 
Геохимические особенности распространения в земной коре тугоплавких металлов заключаются в их относительно малых количествах, а главное – в их рассеянности. Руды тугоплавких металлов, как 
правило, содержат малые количества минералов, а некоторые металлы вообще не образуют самостоятельных минералов и входят в состав других сложных минералов. Тугоплавкие металлы часто встречаются в комплексных видах сырья, где они сопутствуют друг другу, 
а также цветным и черным металлам. Например, промышленные 
вольфрамовые руды содержат 0,5…2,0 % WO3. Ниобий-танталовые 
руды содержат 0,003…0,1 % (Nb2О5 + Тa2О5). Рений собственных 
минералов не имеет, а встречается в молибденовых, ниобиевых и 
других рудах. В некоторых молибденитах содержание рения может 
достигать 0,25 %. В других рудах его содержится ничтожное количество – порядка 10–5 %. Исключение составляют титан, хром и цирконий, содержание которых в рудах достигает десятка процентов. 
Решение задачи комплексного извлечения всех ценных составляющих сырья часто требует значительного усложнения технологии. 
Вследствие того, что в большинстве случаев содержание тугоплавких металлов в сырье невысоко, а часто встречающаяся комплексность сырья вызывает дополнительное усложнение технологии, 
стоимость тугоплавких металлов, особенно высокой чистоты, относительно велика. Учитывая это обстоятельство, важное значение 
приобретает максимально полное извлечение всех полезных составляющих сырья. Это предъявляет соответствующие требования к построению технологического процесса извлечения и выделения тугоплавких металлов. 

Что касается физико-химических особенностей получения тугоплавких металлов, то здесь следует отметить высокие температуры 
плавления, а также их высокую химическую активность, что затрудняет получение их в чистом виде и усложняет технологию. Подавляющая часть областей применения тугоплавких металлов и их соединений предъявляет высокие требования к чистоте металла или его 
соединения. Это вызывает необходимость введения в технологическую схему производства ряд дополнительных операций как для 
первичного отделения тугоплавкого металла или его соединения от 
сопутствующих элементов, так и для окончательного снижения содержания примесей, во многих случаях до ничтожных следов. На 
последних стадиях очистки используют прецизионные и достаточно 
дорогостоящие химические и физические методы. 

1. ОБЩАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ 
ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ 

Хотя тугоплавкие металлы и обладают различными физикохимическими свойствами, технологические схемы их получения 
имеют много общего. Это позволяет предложить одну общую схему 
их получения. 
Извлечение тугоплавких металлов осуществляют из руд и других 
продуктов природного или искусственного происхождения (природные соли, отходы других производств и т.д.). 
В технологии получения тугоплавких металлов можно выделить 
следующие основные стадии: 
1) добыча и подготовка руд к переработке. Целью этой операции 
является получение рудных концентратов. Металлургическому процессу предшествует стадия первичной обработки руд – обогащение, 
использующая для выделения минерала или концентрата процессы, 
протекающие без химических превращений природного продукта. 
Выделяется (концентрируется) минерал, содержащий основной металл (минерал отделяется от пустой породы). Используются следующие методы: гравитационный, электростатическая и магнитная 
сепарация, флотация. Пределом обогатительной стадии является состав минерала; 
2) разложение (вскрытие) рудного концентрата. Целью этой стадии является получение технического продукта (технически чистого 
соединения металла). На этом этапе разлагается (вскрывается) сам 
минерал и из него выделяется соединение основного металла или 
нескольких ценных металлов. Разложение концентрата может осуществляться пирометаллургическими или гидрометаллургическими 
процессами. 
К пирометаллургическим процессам относятся процессы, протекающие при повышенных температурах. Из них можно выделить 
окислительный обжиг, восстановительная плавка, сплавление или 
спекание с различными реагентами, хлорирование, возгонка. 
К гидрометаллургическим процессам относятся процессы, связанные с использованием кислот, автоклавные процессы. 
Пирометаллургические процессы протекают при повышенных и 
высоких температурах, часто с полным или частичным расплавлением поступающей шихты. В пирометаллургических процессах происходит разделение на две или более жидкие расплавленные фазы, 

твердую и газообразную, две или более твердые фазы различные по 
химическим свойствам, твердую или жидкую. 
В гидрометаллургических процессах разделение происходит благодаря избирательному осаждению или растворению при воздействии химических реагентов (включая и воду), электролизом, экстракцией. Гидрометаллургические процессы являются основными при 
получении соединений тугоплавких металлов. Тугоплавкость металлов и их оксидов, невозможность разделить на две расплавленные 
фазы большие массы примесей и малые количества полезного металла или его соединений делают в некоторых случаях пирометаллургические процессы непригодными. Пирометаллургические процессы 
тогда применяют как вспомогательные в начале или на промежуточных стадиях технологической схемы для удаления части примесей. 
В любом из рассмотренных металлургических процессов преследуется цель – разделение полезного металла и примесей в различные 
фазы; 
3) очистка технического продукта от примесей. Целью этой операции является получение чистого соединения. Для этого используются прецизионные методы: ионный обмен, экстракция органическими растворителями, возгонка, хлорирование, ректификация, многократная перегонка, перекристаллизация, фракционное осаждение и 
др. Поскольку технический продукт содержит много примесей, причем весьма разнообразных, то при высоких требованиях к качеству 
металла для полного отделения примесей технологические схемы 
включают большое число стадий очистки. Для повышения степени 
извлечения металла применяется, как правило, доизвлечение весьма 
малых количеств полезного металла из отходов, промывных вод, пылей и т.д. Это еще более усложняет технологическую схему. Чтобы 
уменьшить потери металла и снизить загрязненность промежуточных продуктов в результате коррозии аппаратуры сильными реагентами (кислотами, щелочами), применяют коррозионно-устойчивые 
дорогие материалы, что повышает себестоимость продукции. Удешевление может быть достигнуто при комплексном использовании 
сырья, автоматическом контроле процессов и регулировании их параметров; 
4) получение металлов из соединений. На этой стадии металлургического передела получают, как правило, порошок или губку металла. Используются все основные методы производства металлов, применяемые в черной и цветной металлургии. Наиболее распространенными являются: восстановление соединений тугоплавких метал
лов, термическая диссоциация соединений (галогенидов, карбонилов), электролиз расплавленных сред. На этом этапе технологической схемы могут быть получены тугоплавкие соединения. Первый 
метод применяют, главным образом, для получения металлов технической чистоты. Практическое осуществление метода термической 
диссоциации соединений связано с высокой стоимостью исходных 
веществ (галоидов, карбонилов) и очень низкой производительностью процесса. Но зато он позволяет получать металлы с высокой 
степенью чистоты по примесям (кислорода, азота и водорода). Электролиз используют как для получения металлов, так и для рафинирования их от примесей. Методы восстановления и электролиза соединений более экономичны и позволяют осуществлять производство 
металлов в крупных масштабах; 
5) получение компактных заготовок и изделий из металла или его 
сплава. На этой стадии технологической схемы используются следующие способы: 
– порошковая металлургия (прессование, спекание порошков); 
– плавка в электрических вакуумных печах (индукционных, дуговых, электронно-лучевых, плазменных). 
На этом этапе можно производить сплавы, осуществлять литье и 
рафинирование металлов. В последнем случае широкое распространение получила плавка тугоплавких металлов в электронно-лучевых 
печах. Применение этого способа дало возможность получать ряд 
тугоплавких металлов высокой чистоты с минимальной примесью 
газов; 
6) обработка металлов давлением. На этом этапе технологической схемы используют ковку, прокатку, протяжку, экструзию. 
Таким образом, получение тугоплавких металлов или соединений 
тугоплавких металлов связано с большим числом переделов и значительными технико-экономическими затратами. Отсюда высокая 
стоимость тугоплавких металлов и соединений. В себестоимости тугоплавких металлов до 90 % составляет стоимость сырья. Поэтому 
максимальное извлечение полезного компонента из сырья и по возможности комплексное использование его являются основными требованиями к технологическим схемам переработки редкоземельных 
руд и концентратов. Кроме того, на снижение себестоимости металла 
существенно сказывается снижение стоимости добычи и первичной 
обработки руды. 
В отличие от черной металлургии тугоплавкие металлы не выплавляют из рудных концентратов, а получают из предварительно 

полученных и очищенных соединений. При переработке соединений 
часто приходится разделять элементы с очень сходными физико–
химическими свойствами (цирконий–гафний, ниобий–тантал, молибден–рений). Для получения тугоплавких металлов используют, 
главным образом, оксиды, галогениды, реже карбонилы. Чистота и 
качество тугоплавких металлов определяются содержанием примесей в исходном соединении. Итак, металлургия тугоплавких металлов характеризуется следующими особенностями: 
– высокая стоимость исходного сырья; 
– бедность исходных руд; 
– высокие требования к чистоте конечного продукта; 
– преобладание гидрометаллургических процессов на ранних стадиях технологической схемы; 
– многостадийность технологических схем; 
– необходимость применения сложных процессов с использованием особоактивных и дорогих реагентов. 
Выбор метода извлечения из руды или концентрата зависит, прежде всего, от соотношения количества и свойств полезных минералов и примесей. Именно эти фазы в основном определяют величину 
извлечения полезного компонента. На снижение себестоимости металлургического передела влияют, и иногда существенно, рациональный выбор необходимых реагентов и оборудования, охрана труда и техника безопасности, наличие реагентов и условий транспорта. 

2. ДОБЫЧА И ПОДГОТОВКА РУД 
К ПЕРЕРАБОТКЕ 

Под рудой понимают полезное ископаемое, добываемое из недр 
земли. Это горная порода, или минеральное сырье, из которого при 
данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать соединения металлов или металлы. Такая экономическая целесообразность, прежде всего, определяется содержанием ценных 
металлов в минеральном веществе, т.е. так называемом браковочном 
пределом по извлекаемому металлу. Например, для молибдена это 
0,005…0,02 %, для железа 30…60 %, для меди 3…5 %. Величина 
браковочного предела по содержанию ценных компонентов зависит 
главным образом от физических свойств и химического состава горной породы, а также от условий ее добычи. В частности, большое 
значение имеет характеристика породы по обогатимости. Из некоторых пород полезный металл извлекают более дешевыми и простыми 
способами. Эти породы относятся к легко обогащаемым и перевод 
такой породы в полезное ископаемое – руду осуществляется при более низком содержании полезного металла. По мере развития науки и 
техники и снижения запасов браковочные пределы постепенно снижаются и переработке подвергаются все более бедные руды. 
Подготовка руды имеет большое значение, так как чем тщательнее она будет подготовлена, тем меньше потери, тем больше выход 
полезных компонентов. К операциям подготовки руды относят дробление, обогащение, усреднение. 
Крупность добываемых руд различна. Например, при открытой 
добыче твердых руд размер отдельных глыб достигает 1 м в поперечнике. Обычный размер кусков руды составляет 300…400 мм. Для 
обогащения руду необходимо измельчить до частиц размером ∼ 0,1 
мм, а иногда и менее. Процесс дробления проводят в несколько стадий и перед каждой стадией выделяют грохочением куски заданного 
размера. Степень дробления характеризуется отношением диаметра 
наиболее крупных кусков руды, поступающей на дробление, к диаметру наиболее крупных кусков в продукте дробления. Степень 
дробления на каждом этапе составляет от 5 до 10. Общая степень 
дробления равна произведению степеней дробления на каждой стадии и достигает 5000. 
Обычно процесс дробления разделяют на следующие стадии: 
– крупное (до кусков, равных 100…300 мм); 

– среднее (до кусков, равных 40…60 мм); 
– мелкое (до кусков, равных 8…25 мм); 
– тонкое измельчение (до частиц < 1 мм). 
Крупное и среднее дробление производят в основном раздавливанием и раскалыванием. Этот процесс осуществляют между плоскими 
качающимися плитами (щеками), между эксцентрически вращающимися цилиндрическими поверхностями, между вращающимися 
навстречу друг другу валками. Соответственно различают щековые, 
конусные и валковые дробилки (рис. 2.1). 
Для тонкого измельчения применяют главным образом мельницы, 
в которых удар сочетается с истиранием. К ним относятся шаровые 
вращающиеся мельницы и вибромельницы (рис. 2.2). 
Грохочение осуществляют пропусканием материала через одно 
или несколько сит или решеток, которые выполняют в виде проволочных сеток, листовых или колосниковых решеток. Для разделения 
очень мелких материалов используют воздушную или гидравлическую классификацию. 
После измельчения следует операция обогащения. 
Под обогащением понимают разделение рудного сырья на концентрат с более высоким содержанием извлекаемого металла по 
сравнению с исходным сырьем и на хвосты, представляющие собой 
отходы с небольшим остаточным содержанием полезных составляющих. Методы обогащения руд основаны на различии физических 
свойств пустой породы и минералов, входящих в состав руды (плотность, магнитная восприимчивость), и физико-химических свойств 
поверхностей минералов. Поэтому используют следующие способы 
обогащения руд: промывка и гравитация, магнитная сепарация, флотация. 
Промывка используется для руд с плотными разновидностями 
рудных минералов, не размываемых водой, и с рыхлой пустой породой. Эту операцию выполняют во вращающихся барабанах с отверстиями или без отверстий. 
Гравитационное обогащение бывает воздушное или мокрое. Разделение происходит в струе жидкости или газа с переменным направлением пульсации. При этом более легкие частицы вытесняются 
в верхний слой, а более тяжелые частицы накапливаются внизу. Используется гравитационное осаждение в тяжелых жидких средах. В 
этом случае легкие фракции всплывают наверх, а тяжелые оседают 
вниз. В качестве жидких сред применяются суспензии, органические 
жидкости. 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину