Металлургия цветных металлов

Уткин Н.И.

Металлургия, 1985 г.

В современных условиях используют промышленную классификацию металлов, которая отражает исторически сложившуюся структуру металлургической промышленности и, как следствие этого, структуру подготовки инженер¬но-технических кадров в вузах и техникумах нашей страны. Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец, и хром, производство которых тесно связано с металлургиейчугуна и стали. Все остальные металлы относятся к цветным. Название «цветные металлы» довольно условно, так как фактически только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Все остальные металлы, включая черные, имеют серый цвет с различными оттенками - от светло-серого до темно-серого. Цветныеметаллы условно делятся на пять групп: 1. Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. Свое название они получили из-за больших масштабов производства и потребления, большого («тяжелого») удельного веса в народном хозяйстве. 2. Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт. Они являются природными спутниками основных тяжелых металлов. Обычно их получают попутно, но производят в значительно меньших количеств 3. Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. металлы этой группы имеют самую низкую среди других металловплотность (удельную массу). 4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий). Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред. 5. Редкие металлы. По промышленной классификации редкие металлы подразделяются на следующие подгруппы: а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и ванадий; б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий и цезий; в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен и теллур; г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды; д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы. Приведенная выше промышленная классификацияметаллов не может быть в настоящее время признана однозначной. В ней нет даже единого принципа в выборе названий групп металлов. По мере роста производства и потребления того или иного металла его положение в соответствующей группе вступает в противоречие с принципами построения промышленной классификации. Так, еще в конце прошлого столетия алюминий считался редким металлом, а сейчас по производству и потреблению он занимает первое место средицветных металлов.

§ 1. Общие сведения о редких металлах

Редкие металлы — исторически сложившееся название большой группы элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева. В эту группу входит более половины всех известных в настоящее время элементов; 41 изних выпускается современной металлургической промышленностью и находят применение во многих областях техники.

Применение редких металлов в значительной степени определяет развитие таких областей современной техники, как электроника, полупроводниковая электротехника, атомная энергетика, ракетостроение, производство специальных сталей, твердых, жаропрочных и антикоррозионных сплавов.

Редкие металлы в периодической системе элементов располагаются почти во всех группах и периодах. По этой причине они, вполне естественно, сильно различаются по своим физическим и химическим свойствам. Важнейшие обобщающие характеристики или свойства редких металлов заключены в названиях подгрупп этих металлов по промышленной квалификации: тугоплавкие, легкие редкие, рассеянные, редкоземельные и радиоактивные.

Общепризнанное в настоящее время название «редкие металлы» эти металлы получили из-за того, что до начала XX в. они не находили применения. В начале текущего столетия был начат промышленный выпуск только двух редких металлов'—вольфрама и молибдена. Толчком этому послужило бурное развитие производства высоколегированных сталей. Освоение редких металлов наиболее интенсивно шло в 30—50-х годах и продолжается до сего времени.

Для редких металлов характерны следующие особенности:

1.Сравнительно небольшие масштабы производства и потребления. Самый «распространенный» редкий металл — молибден — производится примерно в 130 раз в меньших количествах, чем алюминий.

2.Малая распространенность в земной коре. Кларк наиболее распространенного в природе редкого элемента — рубидия — равен 0,031. Радиоактивные металлы содержатся в земной коре в количествах менее 1*10^-9 %.

3. Большинство редких металлов не образует самостоятельных минералов и находится в рессеянном состоянии в кристаллических решетках других минералов. Многие из них являются природными спутниками тяжелых и легких цветных металлов.

4. Очень низкое содержание в рудах и очень сложный состав такого сырья.

5. Ни один редкий металл не получают непосредственным восстановлением из сырья. Первоначально сырье перерабатывают на химические соединения.

6. Все редкометаллические руды перед металлургической переработкой подвергают предварительному обогащению. Помимо рудного сырья, источниками получения редких металлов могут быть промышленные отходы цветной и черной металлургии и химических производств.

Технологические методы получения всех редких металлов включают три последовательно проводимые основные стадии: разложение рудного концентрата, получение чистых химических соединений (оксидов, солей) и выделение металла из полученного соединения.

В первой стадии производят отделение извлекаемого металла от основной массы перерабатываемого сырья и концентрирование его в растворе, осадке или пыли. Эта цель может быть достигнута пирометаллургическим путем (обжиг, сплавление, дистилляция и др.) или выщелачиванием растворами кислот, щелочей или солей.

Вторая стадия включает выделение и очистку химического соединения с использованием гидрометаллургических (осаждение из раствора, кристаллизация, сорбция, экстракция и др.) или пирометаллургических процессов (дистилляция или ректификация).

Цель третьей стадии — получение чистых редких металлов — может быть достигнута цементацией или электролизом (из водных растворов), восстановлением оксидов или солей водородом, оксидом углерода. (СО) или углеродом при повышенных температурах, а также их восстановлением металлотермическим способом или электролизом расплавленных солей.