67
результате чего образуется небольшое количество растворимого в меди Cu2O. Распределяясь равномерно в объеме меди, Cu2O выполняет роль окислителя примесных металлов, находящихся в меди – Fe, Co, Mn, Zn и др. К числу трудно удаляемых примесей относятся Ni, As, Sb, Pb, а Bi, Se, Te, Au, Ag и платиноиды практически не удаляются. Во втором периоде проводят раскисление меди путем продувки ванны природным газом, а образующийся при этом водород и оксид углерода восстанавливает Cu2O. Конечный продукт – красная медь – содержит 0,2-0,8 % примесей, в том числе Au до 0,04 %; Ag до 0,30 %; Se 0,03 %. Красную медь разливают в пластины размерами 900 х 900 х 40 мм, которые используют в качестве анодов при электролизе. Электролитическая очистка меди преследует две цели: получение меди высокой чистоты (99,94-99,97 %); извлечение драгоценных и редких металлов, присутствующих в медной руде. Электролиз проводят в ваннах ящичного типа длиной 4, шириной 1 и глубиной 1,25 м, в которых вертикально через один устанавливают 30-40 катодов и анодов. В качестве катодной основы используют листы чистой (электролитной) меди толщиной 0,8 мм, расстояние между катодом и анодом – около 30 мм. В качестве электролита используют раствор медного купороса CuSO4 5H2O с добавкой H2SO4. При пропускании постоянного тока аноды растворяются и ионы меди восстанавливаются на катоде, образуя слой чистой меди. Режим электролиза: напряжение между анодом и катодом – 0,3-0,4 В; температура электролита 45-55 С; удельный расход энергии – 280-370 кВт·ч/т, плотность тока – 250-300 А/м2. Находящиеся в анодной меди примеси распределяются между продуктами электролиза по-разному, что видно из данных, приведенных в таблице 5.3. Таким образом, в ходе электролиза непрерывно увеличивается содержание примесей в растворе, в результате чего снижаются показатели электролиза и ухудшается качество меди. Поэтому процесс ведут при постоянной смене раствора, а отработанный электролит направляют на регенерацию.
68
Таблица 5.3 - Распределение примесей медных анодов в процессе электролиза, %
Ион Электродный потенциал, В
Осаждается на катоде
Переходит в электролит шлам
Al 3+ Zn 2+ Fe 2+ Ni 2+ Pb 2+ Sb 3+ Bi 3+ As 3+
-1,80 -0,76 -0,44 -0,24 -0,13 +0,10 +0,20 +0,30
5 3 10-20 5 1-5 20-30 5 11-20
75 93 80-90 95 - 20-50 26 60-66
20 4 - - 95-99 25-60 15 20-23 Cu 2+ +0,34 98-98,7 1,2-2 0,1 Ag 1+ Au 1+ +0,80 +1,51 2-5 1-3 - - 95-98 97-99
5.2 Металлургия никеля
5.2.1 Никель, его свойства, области применения. Никель как химический элемент открыт шведским металлургом А.Ф. Кронстедом в 1751 г, а получен в чистом виде только в 1804 г. По своим химическим свойствам никель занимает промежуточное место между железом, кобальтом и медью. Температура плавления никеля составляет 1455 С, плотность электролитического никеля – 8,9 г/см3. Важнейшим свойством никеля является его химическая инертность – разбавленные кислоты, а также щелочи на него заметно не действуют. Никель относится к основным элементам, улучшающим свойства стали – добавка никеля повышает прочность и вязкость стали. Сплавы никеля (8-80 % Ni) с железом известны под названием нержавеющие и жаропрочные стали. Широко известны сплавы константан (40 % Ni, 60 % Fe) и никелин (32 % Ni, 68 % Cu), которые отличаются высоким электросопротивлением и применяются в качестве нагревательных элементов в печах сопротивления. Много никеля расходуется на покрытия других металлов (никелирование). Усредненная структура потребления никеля (%): - коррозионно-стойкие и жаропрочные стали 30 – 50; - конструкционные стали 10 – 15;
69
- сплавы на никелевой основе 15 – 20; - никелирование 10 – 18; - чугунное и стальное литье 10 – 12; - прочие потребители До 10. 5.2.2 Сырье для получения никеля и его подготовка к плавке. В настоящее время никель получают из руд двух типов – окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых, резко различающихся по химическому составу, физико-химическим и механическим свойствам. Переработка окисленных руд. Среднее содержание отдельных компонентов в рудах составляет (%): Ni – 1; Fe2O3 – 22-26; SiO2 – 3845; CaO – 0,5-2; MgO – 6-9; Al2O3 – 4-6. В рудах присутствуют кобальт, хром и металлы платиновой группы, а никель содержится в виде гидратированных силикатов типа: m(NiO; MgO) nSiO2 pH2O. Руды плохо обогащаются, и концентрат получают пирометаллургическими методами. Наибольшее распространение в мировой практике получила восстановительно-сульфидирующая шахтная плавка, в процессе которой оксиды никеля превращаются в сульфиды. При плавке сульфидных руд образуются штейн (tпл. около 1100 ºС) и шлак (tпл. около 1250 ºС), поэтому процесс проводят при относительно низких температурах – около 1300 С, что препятствует восстановлению железа из FeO и обеспечивает отделение железа от никеля. 5.2.3 Основы технологии шахтной плавки. В шахтной печи (рисунок 5.8) в качестве сульфидизатора использую пирит (FeS2) и гипс (CaSO4 2H2O). На верхних горизонтах печи идет процесс разложения сульфидизатора с образованием CaS и FeS, которые, соприкасаясь с силикатом никеля, образуют сульфиды никеля
NiSiO3 + CaS NiS (или Ni3S2) + CaSiO3; NiSiO3 + FeS NiS (или Ni3S2) + FeSiO3.
При этом железо и кальций переходят в шлак, а образовавшийся штейн содержит до 18 % никеля. Целью дальнейшей операции – конвертирование штейна – является получение файнштейна (практически чистого Ni3S2), за счет окисления железа и перевода его в шлак. Для этого используются горизонтальные конвертеры, вместимостью 20-30 т, которые по своей конструкции аналогичны конвертерам, используемым в медном производстве. Полученный в результате конвертирования файнштейн, содержит уже до 78 % никеля. Файнштейн
70
подвергают окислительному обжигу в печах кипящего слоя, а образовавшийся оксид NiO направляют на восстановительную плавку в дуговой электропечи. При этом получают черновой металл, содержащий не менее 98,3 % Ni и не более 0,6 % Cu. 5.2.4 Переработка сульфидных медно-никелиевых руд, которые содержат также Pt, Au, Ag, Se, Te, Pb, Jr и Os начинается с их обогащения и осуществляется флотационным способом. В таблице
