Основы рафинирования цветных металлов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 
 

№ 644 

Кафедра высокотемпературных процессов, материалов и алмазов
Кафедра металлургии цветных, редких и благородных металлов 
Кафедра металлургии цветных металлов Запорожской 
     государственной инженерной академии 

Основы рафинирования
цветных металлов 

 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 669.053.2 
 
О-75 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.С. Панов 

 
 
 
Основы рафинирования цветных металлов: Учеб. пособие/ 
О-75  
Г.А. Колобов, А.В. Елютин, Н.Н. Ракова, В.Н. Бруэк. – М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2010. – 93 с. 
ISBN 978-5-87623-317-2 

Дана классификация рафинировочных процессов. Описаны методы рафинирования цветных металлов от неметаллических и металлических примесей. Приведены способы выражения чистоты металлов и содержания в них 
примесей. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия» 
по профилям подготовки 150200 «Металлургия цветных металлов» и 150108 
«Порошковые, композиционные материалы, покрытия» и по направлению 
«Коммерция (Торговое дело)» по профилю 080301 «Рынок цветных и драгоценных металлов». 

Авторы выражают благодарность Н.А. Пинаевой за помощь в подготовке 
рукописи. 

УДК 669.053.2 

ISBN 978-5-87623-317-2 
© Колобов Г.А., Елютин А.В., 
Ракова Н.Н., Бруэк В.Н., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Чистота металлов и методы рафинирования .....................................6 
1.1. Способы выражения чистоты металлов и содержания 
примесей................................................................................................6 
1.2. Классификация рафинировочных процессов .............................7 
Контрольные вопросы.....................................................................9 
2. Очистка от неметаллических примесей............................................10 
3. Очистка от металлических примесей ...............................................14 
3.1. Физико-химические методы.......................................................14 
3.1.1. Ликвационное рафинирование ...........................................14 
3.1.2. Сульфидирующее рафинирование .....................................17 
3.1.3. Выделение нерастворимых интерметаллических 
соединений .....................................................................................19 
3.1.4. Метод избирательной растворимости................................21 
3.1.5. Окислительно-восстановительное рафинирование ..........22 
3.1.6. Щелочное рафинирование ..................................................28 
3.1.7. Хлорное рафинирование .....................................................31 
3.1.8. Флюсовое рафинирование ..................................................32 
3.1.9. Дистилляция и ректификация.............................................33 
3.1.10. Рафинирование методом химических транспортных 
реакций............................................................................................54 
3.1.11. Карбонилирование.............................................................67 
3.1.12. Гидрометаллургическое (химическое) рафинирование .70 
3.2. Электролитическое рафинирование..........................................73 
3.3. Кристаллофизическое рафинирование......................................76 
3.4. Рафинирующие переплавы.........................................................82 
Тесты по дисциплине.........................................................................88 
Библиографический список...............................................................91 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Основным продуктом металлургического производства являются 
металлы. Обычно в результате переработки рудного или вторичного 
сырья получают так называемые черновые металлы, которые содержат большее или меньшее количество примесей, что снижает уровень их потребительских свойств и ограничивает сферы применения. 
Поэтому очистка металлов от примесей является обязательной операцией в технологической схеме производства практически любого 
цветного металла. 
Очистка металлов и сплавов путем удаления из них примесей называется рафинированием (от фр. raffiner – очищать). Задача рафинирования – получение металла максимально возможной чистоты 
как по металлическим примесям, так и по неметаллическим включениям и растворенным газам. 
Полученные в результате рафинирования высокочистые металлы 
зачастую обнаруживают совершенно новые и неожиданные свойства 
по сравнению с черновыми, что не раз было доказано в истории металлургии. Чистые металлы необходимы для определения их истинных физических и химических свойств, создания сплавов с особыми 
свойствами и для других целей.  
Потребность в чистых металлах увеличилась в середине XX столетия в связи с возникновением и бурным развитием новых направлений в науке и технике:  
– атомной энергетики и необходимости в связи с этим получения 
чистых топливных (уран) и конструкционных (цирконий, бериллий, 
литий) металлов, которые не содержат вредных примесей и обладают 
высокой способностью поглощения тепловых нейтронов; 
– радиоэлектроники и вычислительной техники, в материалах которых (германий, кремний и др.) нежелательны примеси, изменяющие тип электропроводимости полупроводника; 
– реактивной авиации и космической техники, для нужд которых 
необходимы жаропрочные и жаростойкие материалы, получаемые на 
основе чистых тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий, 
тантал, титан); 
– порошковой металлургии, которая потребляет порошки из чистых металлов и сплавов; 
– получения композиционных материалов на металлической основе; 

– производства прецизионных сплавов и массивных монокристаллических отливок. 
Однако следует заметить, что рафинирование в цветной металлургии, как правило, не ставит целью получение металлов ультравысокой степени чистоты, как в металлургии полупроводников. Это 
объясняется следующим. 
Во-первых, в большинстве случаев цветные металлы используют 
как конструкционные и функциональные материалы и применяют 
их, как правило, не в чистом, индивидуальном виде, а в виде сплавов. 
Это означает, что в основной, предварительно очищенный металл 
специально вводят (в количестве процентов и даже десятков процентов) добавки – легирующие элементы с целью повышения уровня 
каких-либо функциональных свойств металла. Поэтому предварительно очищать металл следует лишь до разумной, технически обоснованной степени чистоты. 
Во-вторых, при рафинировании удаляют не все примеси, а только 
те, которые снижают технологические свойства (так называемые 
вредные примеси). 
И наконец, в-третьих, необходимо учитывать, что достижение каждой следующей ступени очистки металла сопряжено со значительными затратами. Поэтому достигаемая степень чистоты металла 
должна быть обоснована не только с точки зрения технической целесообразности, но и экономически.  
При очистке металлов от примесей используют процессы, основанные на различных химических и физических свойствах основного 
металла и металлов-примесей; на различном поведении ионов металлов при прохождении постоянного электрического тока через электролит, в состав которого входят ионы основного металла и металлов-примесей; на различной растворимости металлов-примесей в основном металле; на различии давлений паров металлов или их химических соединений и т.д. 

1. ЧИСТОТА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ 
РАФИНИРОВАНИЯ 

1.1. Способы выражения чистоты 
металлов и содержания примесей 

До настоящего времени не существует единой международной 
классификации химических веществ по степени их чистоты. Это 
объясняется разнообразными специфическими требованиями, предъявляемыми к высокочистым веществам и материалам различными 
отраслями науки и техники.  
Химические вещества, используемые при химическом анализе и 
для научных исследований, еще в начале XX столетия были объединены под общим названием реактивы, которое используется и в настоящее время. По степени чистоты реактивы делят на четыре категории:  
1) чистые (ч.) – до 1 % примесей; 
2) чистые для анализа (ч.д.а.) – до 0,4 % примесей; 
3) химически чистые (х.ч.) – до 0,05 % примесей; 
4) особо чистые (ос.ч.) – менее 0,05 % примесей.  
Примечательна быстрота эволюции, которую претерпели показатели, определяющие степень чистоты вещества. Самый давний и 
распространенный до сих пор показатель – процент (от лат. pro 
centum – на сто) содержания в веществе основного компонента или 
примеси (обозначение – %; 1 % = 10–2 = 0,01). Чаще применяют проценты по массе (% масс), реже прибегают к атомным процентам (% ат.). 
Позднее для малого содержания примесей стали употреблять единицу промилле (от лат. pro mille – на тысячу). Обозначение – ‰; 1 ‰ = 
= 10–3 = 0,001 = 0,1 %.  
Концентрацию малых примесей выражают также в единицах ppm, 
ppb, ppT. 
Ppm (parts per million) – число частей примеси на один миллион 
частей основного компонента (1 ррm = 10–6); ppb (parts per billion) – 
число частей примеси на один биллион (миллиард) частей основного 
компонента (1 ррb = 10–9); ррТ (parts per trillion ) – число частей примеси на один триллион частей основного компонента (1 ррТ = 10–12). 
Единицы ppm и ppb можно выражать в атомных долях или долях 
по массе. При выражении в атомных долях металл с концентрацией 

примеси, равной 1 ppm, содержит 1 атом примеси на 106 атомов основного компонента. Соотношения между вышеуказанными единицами приведены в табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Соотношение между единицами измерения 

Единица измерения 
% 
‰ 
г/т 
ppm 
ppb 
ppT 

1 % 
1 ‰ 
1 г/т или 1 ppm 
1 мг/т или 1 ppb 
1 ppT 

1 
10–1 

10–4 

10–7 

10–10 

10 
1 
10–3 

10–6 

10–9 

104 

103 

1 
10–3 

10–6 

104 

103 

1 
10–3 

10–6 

107 

106 

103 

1 
10–3 

1010 

109 

106 

103 

1 

Выражение чистоты вещества через содержание основного компонента широко используется в металлургии. При этом содержание 
основного компонента принимается равным разности 

 
100 % – ∑Сi %, 

где Сi – суммарное содержание определяемых примесей, %.  
Так, если общее содержание определяемых в металле примесей 
составляет 10–2 (0,01) %, то говорят, что этот металл имеет чистоту 
99,99 % («четыре девятки»).  
За рубежом для обозначения чистоты металлов (содержания основного компонента) часто пользуются символом N (nine). Цифра, стоящая перед символом N, означает общее количество девяток (в сумме 
до запятой и после), а цифра, стоящая после символа N, означает последнюю значащую цифру в выражении чистоты металла в процентах. Например: 2N = 99,0 %; 3N5 = 99,95 %; 6N2 = 99,99992 %; 4N+ – 
чистота выше 99,99 % и т.д. 
Для обозначения степени чистоты особо чистых металлов и полупроводниковых материалов прибегают к выражению содержания 
примеси в виде числа ее атомов, содержащихся в 1 см3 материала, 
например: 1013, 1016 ат/см3 и т.д. Очевидно, что чем меньше показатель степени, тем чище материал.  

1.2. Классификация рафинировочных процессов 

Иногда в литературе все рафинировочные процессы, предназначенные для очистки черновых металлов от примесей (неметаллических включений, растворенных газов и примесных металлов), по 
аналогии с классификацией металлургических процессов разделяют 
на три группы: пиро-, гидро- и электрометаллургические.  

К пирометаллургическому рафинированию относят способы, в 
которых рафинируемая система (основной металл и металлыпримеси) находится в жидком (расплавленном) состоянии.  
Гидрометаллургическое рафинирование – это чисто химические 
способы (например, кислотно-щелочная обработка), основанные на 
избирательном растворении металлических примесей при обработке 
основного металла растворами кислот или щелочей. 
Электрохимическое рафинирование предусматривает отделение 
примесных металлов под действием электрического тока в электролитах – водных растворах и расплавленных солях.  
Известно, что при любом методе рафинирования используют различия в физико-химических свойствах (температурах плавления и кипения, плотности, электропроводности, химической активности и т.д.) основного (очищаемого) металла и металлов-примесей. Эти различия 
обусловливают различное их поведение при каком-либо воздействии 
(физическом, химическом, термическом, электрическом и т.д.) на 
систему «металл–примесь», что и позволяет выделить в разные фазы 
основной и примесные металлы. В любом случае при осуществлении 
рафинирования первоначально гомогенная физико-химическая система «металл–примесь» переходит в гетерогенное состояние (как 
минимум, двухфазное). 
Основываясь на вышесказанном, предлагаем систему классификации построить с учетом другого критерия, а именно формы взаимодействия рафинируемой системы с внешним воздействием, оказываемым на нее. Предлагаемая система классификации укрупненно 
выглядит следующим образом:  
1) физико-химические методы рафинирования, к которым относятся как чисто физические или химические методы, так и комбинированные физико-химические; 
2) электролитическое рафинирование; 
3) кристаллофизические методы рафинирования; 
4) рафинирующие переплавы.  
Зачастую для получения металла высокой чистоты используют 
последовательно несколько методов рафинирования.  
Предложенная система классификации методов рафинирования, 
как и любая другая, не является совершенной, однако, на наш взгляд, 
более точно отражает физико-химическую сущность рафинировочных процессов.  
 

Контрольные вопросы 

1. В каких единицах выражается чистота металлов и содержание 
примесей? 
2. Назовите четыре категории степени чистоты реактивов. 
3. Промилле: обозначение и соотношение с процентом.  
4. Раскройте сущность единиц ppm, ppb и ppT. 
5. Выразите в процентах чистоту металлов, записанную как 3N+, 
4N3, 6N7. 
6. Расшифруйте содержание примеси бора в кремнии, выраженное 
как 1010 и 1020 ат/см3. В каком из этих двух случаев кремний чище? 
7. Общие принципы классификации рафинировочных процессов. 
8. Какова сущность любого метода рафинирования?  
9. Назовите четыре укрупненные группы методов очистки металлов.  
 

2. ОЧИСТКА ОТ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ 
ПРИМЕСЕЙ 

Примеси, которые присутствуют в черновых металлах, можно 
разделить на три группы:  
1) растворенные металлические; 
2) газовые; 
3) неметаллические.  
Газовые примеси (водород, кислород и др.) находятся в расплавленном металле в растворенном виде и при затвердевании расплава 
образуют твердые растворы замещения или внедрения. 
Неметаллические примеси (чаще всего, оксиды) находятся в расплавленном металле в виде нерастворимых твердых частиц. 
Для очистки металлических расплавов от неметаллических и газовых примесей применяют такие операции, как отстаивание, фильтрование, центрифугирование, продувка газами, вакуумирование, обработка флюсами и другие, в зависимости от природы очищаемого 
металла и находящихся в нем примесей. Эти методы по характеру их 
воздействия на расплав разделяют на адсорбционные и неадсорбционные.  
При адсорбционных методах расплавы приводятся в соприкосновение с каким-либо рафинирующим средством, удаляющим примеси 
из расплава. К ним относятся: фильтрование, обработка флюсами, 
нейтральными или активными газами.  
Действие неадсорбционных методов основано на нарушении равновесия системы «металл–газ–твердое» во всем объеме расплава. К ним 
относятся: отстаивание, вакуумирование, центрифугирование, обработка расплавов ультразвуком и постоянным электрическим током.  

Отстаивание 

Отстаивание расплава как способ рафинирования основано на 
разнице плотностей расплава и материала неметаллических примесей и осуществляется в результате оседания или всплывания твердых 
частиц. Крупные частицы при отстаивании расплава отделяются за 
несколько минут, мелкие (менее 5 мкм) практически невозможно отделить отстаиванием: они равномерно распределяются в объеме расплава в виде взвеси. Поскольку на поверхности твердых частиц, как 
правило, присутствуют адсорбированные газы, то при отстаивании 
расплава наблюдается и его дегазация.  

Обработка расплава ультразвуком 

Рафинирование обработкой расплава ультразвуком основано на 
том, что при воздействии ультразвука в расплаве возникают пустоты, 
в которых парциальное давление растворенного в жидком металле 
газа равно нулю. Например, растворенный в жидком алюминии водород диффундирует в эти пустоты с образованием пузырьков, которые, поднимаясь к поверхности расплава, флотируют мелкодисперсные твердые нерастворимые частицы.  

Вакуумирование 

Интенсивная дегазация металла происходит при вакуумной обработке расплава. Сущность рафинирования вакуумированием состоит в том, 
что при создании разрежения парциальное давление газов над расплавом становится меньше давления растворенных в металле газов (например, водорода в алюминии) и последний выделяется из расплава в виде 
пузырьков. Вакуумирование осуществляется при остаточном давлении 
500…1000 Па. Поскольку дегазация вакуумированием связана с диффузией газа в расплаве и с отделением газовых пузырьков, для ее осуществления требуется время, которое составляет от нескольких минут до 
часа в зависимости от массы расплава. Вакуумирование сопровождается 
также очисткой расплава от неметаллических примесей в результате 
флотирующего действия выделяющихся пузырьков газа.  

Центрифугирование 

Этим методом удаляют из жидких металлов и сплавов твердые частицы под действием центробежных сил. Центробежное рафинирование 
используют, например, для очистки олова, применяя погружную фильтрующую центрифугу, в которую набирают съемы. Процесс ведут при 
температуре 300…500 °С. В центрифуге съемы разделяются на жидкий 
металл, который удаляется из нее при вращении, и остающиеся в центрифуге тугоплавкие твердые соединения. В результате содержание железа в олове снижается до 0,01 %, мышьяка – до 0,1 %. Центробежное 
рафинирование используют также для обработки чернового свинца, серебристой пены, висмутовых дроссов.  

Фильтрование 

Фильтрование для очистки расплава от взвешенных дисперсных 
частиц и оксидных пленок проводится через сетчатые, зернистые и 
пористые фильтры.