Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии

Металлургия — получение металлов из руд — один из древнейших видов человеческой деятельности. Еще во втором тысячелетии до н. э. в Египте умели выплавлять железо из железной руды. Так называемый железный век пришел на смену бронзовому, тот, в свою очередь, наступил после каменного.

Получают металлы из рудных полезных ископаемых. Например, халькопирит или медный колчедан — сырье для производства железа, меди и серы (Рис. 1). Химическая формула минерала CuFeS2. Металлы в составе других руд находятся в виде оксидов или солей неорганических кислот, химически связанных катионов.

Рис. 1. Халькопирит

Суть металлургического процесса заключается в восстановлении положительных ионов до свободных атомов металла. Используют в качестве источников электронов углерод и его соединения, водород, металлы. В процессе восстановления катионы получают недостающие электроны. Происходит восстановление электронных оболочек металла. Схема процесса:

Ме+n + ne- → Me, где

  • Ме+n — металл в окисленной форме;
  • +n — степень окисления;
  • ne- — количество присоединяемых электронов;
  • Ме — металл в восстановленной форме.

Улучшение свойств сплавов

Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, предел текучести чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.

Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.

Способы получения металлов

В зависимости от того, кокой восстановитель используют в металлургическом процессе различают: пиро — , гидро, электро — и биометаллургию.

Наиболее распространенные способы получения металлов: пирометаллургический и электрометаллургический. Большинство реакций восстановления протекают при высоких температурах (Рис. 2). Так как металлическая связь обладает повышенной прочностью, то выделение металлов в чистом виде из природных соединений проводят при высоких температурах.

Рис. 2. Металлургическое производство

Пирометаллургический способ

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах при участии восстановителей. В переводе с греческого «пирос» означает «огненный». Используют в качестве восстановителей кокс, диоксид углерода, водород. Применяют активные металлы для получения менее активных.

Пирометаллургия подразделяется на

  • карботермия,
  • водородотермия,
  • металлотермию.

Карботермия: перевод сульфида металла путем обжига в оксид и дальнейшим восстановлением углем до чистого состояния.

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2 SO2

ZnO + C = CO + Zn

Руды, состоящие из оксидов и сульфидов железа, подвергают карботермии. Проводят восстановление коксом или диоксидом углерода (угарным газом). Получают сплавы железа — чугун и сталь. Первый содержит больше углерода, а также оксидов серы, фосфора и кремния. Углерод снижает твердость и другие характерные для металлов качества.

Химические реакции, лежащие в основе выплавки чугуна:

  1. C + O2 = CO2↑,
  2. CO2 + C ↔ 2CO↑,
  3. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2↑,
  4. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2↑,
  5. FeO + CO = Fe + CO2↑.

Сталь выплавляют в специальных печах — электрических, конвертерных, мартеновских (Рис. 3). При продувании обогащенного кислородом воздуха выгорает избыточный углерод, его содержание уменьшается до 2% и ниже. Этот способ является более экономически применим, т.к. при помощи него получают сталь и чугун, которые широко используются в современной промышленности.

Рис. 3. Пирометаллургия

Восстановлением углем можно получить железо, медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и другие металлы. В качестве сырья используют медную (Cu2O), оловянную (SnO2), марганцевую (MnO2) руды.

Схема получение железа и хрома(Cr2Fe)O4 + 4C(кокс) = Fe + 2Cr + 4CO↑
Реакция, лежащая в основе выплавки медиCu2O + C (кокс) = 2Cu + CO↑
Схема производство оловаSnO2 + 2C (кокс) = Sn + 2CO↑
Процесс выплавки марганцаMnO2 + C(кокс) = Mn + CO2↑
Схема получения свинца2PbO + C → Pb + CO↑

Металлы можно извлечь из сульфидных руд. Сначала проводят обжиг, затем — восстановление полученного оксида углем. Схемы обжига цинковой обманки и получение цинка:

  1. 2ZnS +3O2 = 2ZnO + 2SO2↑;
  2. ZnO + C = Zn + CO↑.

Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:

  1. FeCO3 = FeO + CO2↑;
  2. FeO + C = Fe + CO↑.

Водородотермия — производство металлов восстановлением водородом

Достоинством этого металлургического метода является получение очень чистых металлов. Восстановление меди из оксида CuO — пример восстановительных свойств водорода из школьного курса неорганической химии. Схема протекания реакции (Рис 4):

Рис. 4. Восстановление меди водородом

Водородом восстанавливают из оксидов тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

Металлотермия

Проводят восстановление одного металла другим, более химически активным. Этот способ применяют для получения металлов из оксидов и галогенидов.

В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием.

Схема получение марганца3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3
Процесс выплавки хромаCr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3
Схема получение кальция4CaO+ 2Al= 2Ca+ (CaAl2)O4

Силикотермия — восстановление металлов кремнием. Процесс протекает согласно схеме: 2MgO + Si → 2Mg + SiO2.

Пирометаллургия

Пи́рометаллу́ргия
— совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах. Это отрасль металлургии, связанная с получением и очищением металлов и металлических сплавов при высоких температурах, в отличие от гидрометаллургии, к которой относятся низкотемпературные процессы.

Описание[ | ]

Это химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах при высоких (800—2000°С) температурах. Поэтому пирометаллургию иногда называют «химией высоких температур».

Часто химические реакции сопровождаются изменением агрегатного состояния реагирующих веществ: плавлением, возгонкой, испарением образующихся металлов или их соединений.

В таких процессах взаимодействия могут протекать между твёрдой, жидкой (расплавы) и газообразной фазами в любых сочетаниях.

Пирометаллургическими процессами являются процессы агломерации металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования металлов. В частности, это — обжиг, доменная плавка, , плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах.Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др.

В пирометаллургии часто применяется восстановление углеродом — в тех случаях, когда восстанавливаемые металлы не образуют устойчивых карбидов, помимо указанных выше, к таким металлам относятся германий, кадмий, олово и другие. В случаях образования восстанавливаемыми металлами устойчивых карбидов вместо восстановления углеродом часто применяется металлотермия[1].

Пирометаллургия — основная и наиболее древняя область металлургии. С давних времён до конца 19 столетия производство металлов базировалось почти исключительно на пирометаллургических процессах.

На рубеже 19 и 20 столетий промышленное значение приобрела другая крупная ветвь металлургии — гидрометаллургия.

Однако пирометаллургия продолжает сохранять господствующее положение как по масштабам производства, так и по разнообразию процессов.

В начале 20 столетия вместе с пламенными способами нагрева в металлургии начали использоваться разные виды электрического нагрева (дуговой, индукционный и др.); приблизительно в это же время в промышленности был внедрён электролиз расплавленных химических соединений (производство алюминия и других цветных металлов).

Во 2-й половине 20 столетия получили распространение плазменная плавка металлов, зонная плавка и . Металлургические процессы, основанные на использовании электрического тока, выделяют в самостоятельную область пирометаллургии — электрометаллургию.

Основные процессы[ | ]

Основным процессом пирометаллургии является рудная плавка, которая проводится при таких высоких температурах, когда продукты химического взаимодействия расплавляются, образуя две жидкие фазы — металлическую или сульфидную и шлаковую. Различают восстановительную и окислительную плавки.

Определяющий процесс восстановительной рудной плавки — это восстановление оксидов металла с получением в конечном итоге расплава металла или его сплава с другими элементами. Типичной восстановительной плавкой является получение чугуна в доменных печах. Восстановительные процессы являются также главными при плавке марганцевых, окисленных никелевых, свинцовых, титановых руд.

Основными реагментами-восстановителями служат углерод, оксид углерода и водород. Оксид углерода образуется в самой печи при неполном горении углерода; основное количество водорода получается в результате разложения вдуваемого в печь природного газа.

Разновидностью восстановительных плавок является металлотермическое получение металлов, при котором в качестве восстановителя какого-то металла (Mn, Cr, V и др.) используется другой металл — с большим сродством к кислороду: Ca; Mg; Al, а также Si. Одним из достоинств металлотермического восстановления является получение металлов, не загрязненных углеродом или водородом.

Типичной окислительном рудной плавкой является переработка в шахтных печах богатых медных сульфидных руд. В ходе плавки окисляется основная доля серы сульфидных минералов, в результате чего выделяется значительное количество тепла. Основным целевым продуктом плавки является расплав сульфидов FeS и Cu2S — штейн.

Чугун и штейн рудных плавок являются, по-существу, полупродуктами, которые требуют дополнительной обработки. Такая обработка заключается в продувке расплавов воздухом или чистым кислородом, в результате чего содержащиеся в сплавах примеси окисляются и переходят либо в шлак (SiO2; MnO; FeO и др.), либо в газ (СО; SO2). Процесс называется конвертированием.

Аналогичным конвертированию является фьюминг-процесс — продувка газом шлаковых расплавов. Отличие его от конвертирования состоит в том, что металлический расплав продувают окислительным газом, а при фьюминговании шлака восстановительным.

А во-вторых, продукты окисления металлического расплава — оксиды металлов — образуют вторую жидкую фазу — шлак, а продукты фьюмингования шлака — восстановленные легколетучие металлы (или сульфиды) в парообразном состоянии удаляются из реакционного пространства газовым потоком[2].

Литература[ | ]

Гидрометаллургический способ

Гидрометаллургия — способ получения благородных, цветных, редких металлов. Например, оксид меди сначала переводят в сульфат с помощью серной кислоты. Медь вытесняют из раствора железом. Протекает следующая реакция замещения: CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4. Либо медь извлекают из раствора электролизом. Пропускают электрический ток, ионы Cu2+ осаждаются на катоде.

Преимущество гидрометаллургического способа — возможность получать металлы из бедных руд. Еще один плюс метода — снижение газообразных выбросов в атмосферу. Большое количество вредных газов и сажи поступает в воздух при обжиге руды и пирометаллургии.

Свойства сплавов

Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.

Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).

Часть 2. Оксиды, получение и свойства. Получение оксидов:

Способы получения. Примеры. Ограничения и примечания
1. Окисление простых веществ: а) металлов: 2Ca + O2  2CaO

б) неметаллов:

4P + 3O2 (нед) 2P2O 3

4P + 5O2 (изб) 2P2O5

(Из S – SO2, из Fe – Fe2O3 и Fe3O4, из N2 – NO)

С кислородом не реагируют галогены, инертные газы, Au, Pt. Азот реагирует в жестких условиях (2000°C).
2. Окисление сложных веществ: а) водородных соединений:

2Н2S + 3O 2  2H2O + 2SO 2

б) сульфидов, карбидов, фосфидов (бинарных соединений):

2ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2

Каждый элемент сложного вещества окисляется в соответствии со своими свойствами.
3. Разложение гидроксидов и солей: а) гидроксидов (оснований и кислот):2Al(OH)3→t Al2O3 + 3H2O

H2SiO3 →t SiO2 + H2O

б) карбонатов: СаСО3→t CaO+CO2

Гидроксиды и карбонаты щелочных металлов (Na,K, Rb,Cs) не разлагаются.
4. Окисление кислородом или озоном а) кислородом:

2СО + О2  2СО2

б) озоном:

NO + O3  NO2 + O2

Возможна, если элемент имеет несколько оксидов (сера, фосфор, углерод, азот, железо).

Свойства оксидов.

Основные оксиды

– оксиды, которым соответствуют основания. Это оксиды металлов со степенями окисления +1 и +2, кроме амфотерных (ZnO, BeO, SnO, PbO)

Свойства основных оксидов.

Свойства Примеры реакций Ограничения и примечания
1) Реакция с
растворами кислот
Li2O + 2HCl= 2LiCl+ H2O

NiO + H2SO4 = NiSO4 + H2O

Кислота должна существовать в виде раствора (не реагируют кремниевая, сероводородная, угольная)
2) Реакция
с водой
Li2O + H2O = 2LiOH

BaO + H2O = Ba(OH)2

(только 8 оксидов: IA группа, СаО, SrO, ВаО)

Оксид реагирует с водой, только если в результате образуется растворимый

гидроксид (щелочь).

3) Реакция
с кислотными и амфотерными оксидами
BaO + CO2 = BaCO3,

FeO + SO3 = FeSO4,

CuO + N2O5 = Cu(NO3) 2

СаО + SO2 = CaSO3

Один из реагирующих оксидов (основный или кислотный) должен соответствовать сильному гидроксиду.
4) Восстановление оксида
до металла или до низшего оксида:
MnO + C = Mn + CO

(при нагревании),

FeO + H2 = Fe + H2O

(при нагревании).

Fe2O3 + CO = FeO + CO2

В качестве восстановителей

используют: СО, С, водород, алюминий, магний.

С водородом реагируют оксиды неактивных металлов.

5) Окисление кислородом. 4FeO + O2 = 2Fe2O3 Если металл имеет несколько оксидов с разными степенями окисления.

Кислотные оксиды

– оксиды, которым соответствуют кислоты.

Кислотные оксиды при комнатной температуре бывают:

*газы

(например: СО2, SO2, NO, SeO2)
*жидкости
(например, SO3, Mn2O7)
*твердые
вещества (например: B2O3, SiO2, N2O5, P2O3, P2O5, I2O5, CrO3).

Свойства кислотных оксидов.

Свойства Примеры реакций Примечания
1) Реакция
с основаниями
CO2 + Ca(OH) 2 = CaCO3 + H2O

SiO2 + 2KOH = K2SiO3 + H2O (при нагревании),

SO3 + 2NaOH = Na2SO4 + H2O,

N2O5 + 2KOH = 2KNO3 + H2O.

Реакция возможна со щелочами. Наиболее активные кислотные оксиды (SO3, CrO3, N2O5, Cl2O7) могут реагировать и с нерастворимыми (слабыми) основаниями.
2) Реакция
с амфотер-ными и основными оксидами
CO2 + CaO = CaCO3

P2O5 + 6FeO = 2Fe3(PO4)2

(при нагревании)

N2O5 + ZnO = Zn(NO3)2

Один из реагирующих оксидов (основный или кислотный) должен соответствовать сильному гидроксиду

.

3) Реакция
с водой.Образуются КИСЛОТЫ.
N2O3 + H2O = 2HNO2

SO2 + H2O = H2SO3

N2O5 + H2O = 2HNO3

SO3 + H2O = H2SO4

Оксид реагирует с водой, если в результате образуется растворимый

гидроксид.
Не реагирует с водойSiO2.

4) Реакции
с солями летучих кислот.
SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2

(при нагревании)

Твёрдые, нелетучие оксиды (SiO2,P2O5) вытесняют из солей летучие.
5) Окисление. 2SO2 + O2 ⇆ 2SO3 Низшие оксиды окисляются до высших.

Амфотерные оксиды

– оксиды, способные реагировать и с кислотами, и со щелочами. По химическим свойствам амфотерные оксиды похожи на основные оксиды и отличаются от них только своей
способностью реагировать с щелочами
, как с твердыми (при сплавлении), так и с растворами,
а также с основными оксидами.
Вещества, образуемые катионами амфотерных металлов в щелочной среде:

Степень окисления В растворе В расплаве
+2

(Zn,
Be,Sn)

Na
2[Zn(OH)4]
тетрагидроксоцинкат натрия
Na2ZnO2

цинкат натрия

+3

(Al,
Cr,Fe*)

Na[Al(OH)4]

тетрагидроксоалюминат натрия

Na3[Al(OH)6]

гексагидроксоалюминат натрия

NaAlO2

метаалюминат натрия и

Na3AlO3

ортоалюминат натрия

*) железо не образует устойчивых гидроксокомплексов, амфотерно только в расплаве, образуя
NaFeO2

СВОЙСТВА АМФОТЕРНЫХ ОКСИДОВ.

Cвойства Примеры реакций Примечания
1) Реагируют с кислотами

, так же, как основные оксиды – образуются соли.

ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O

Al2O3 + 6HNO3 = 2Al(NO3)3 +3H2O

Только с сильными кислотами
2) Взаимодействуют с растворами
щелочей
– образуются растворы
гидроксокомплексов.
Al2O3 + 2KOH +3H2O = 2K[Al(OH)4] или K3[Al(OH)6]

ZnO +2NaOH +H2O=Na2[Zn(OH)4]

3) Реагируют с расплавами
щелочей
– образуя соли, при этом проявляют свойства кислотных оксидов.
Al2O3 + 2KOH →t 2KAlO2 + H2O­ (или K3AlO3)

ZnO + 2KOH → t K2ZnO2 + H2O

4) При сплавлении могут взаимодействовать с карбонатами щелочных металлов

, как со щелочами.

Al2O3 + Na2CO3 → t 2NaAlO2+CO2 (или Na3AlO3)

ZnO + Na2CO3 → t Na2ZnO2+ CO2

studfiles.net

Стали и чугуны

Эти сплавы получаются путем соединения железа и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:

• малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;

• высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.

Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.

Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Для любых предложений по сайту: [email protected]