Задача металлурга — получить чистое вещество из невероятного металлического коктейля, застывшего миллионы лет назад. В этом деле ему помогают смекалка, физика и химия: в ход идут огонь, электричество, кислота, щёлочь и даже свежеспиленное дерево.
Металл редко существует в природе в чистом виде. Поэтому его получение — это многоступенчатый процесс. Всё начинается с добычи руды — полезного ископаемого, которое содержит металл. Далее её очищают от примесей и обогащают, то есть повышают концентрацию металла в руде. Всё это механические процессы. Самое интересное руду ожидает впереди.
ОГОНЬ В ПОМОЩЬ
Напомним, главная задача металлурга — извлечь чистый металл из концентрата. Тут к нему на помощь приходит огонь — точнее говоря, пирометаллургия. Получение металлов при помощи высоких температур — это старейший и основной способ. Сегодня пирометаллургия применяется в производстве чугуна и стали, свинца, меди, никеля.
Как же работает пирометаллургия? Если кратко, металлурги пытаются сжечь лишние примеси в руде. Для этого в цехах металлургических комбинатов строят огромные печи (до десяти метров в высоту) — вертикальные стальные цилиндры, выложенные огнеупорным кирпичом. Топочное пространство печи делится по высоте на горизонтальные поды (поверхности), расположенные один под другим. Поэтому такие печати называют многоподовыми.
Процесс обжига начинается с того, что на поды печи высыпают металлический концентрат, а снизу подают раскалённый кислород. Так из концентрата удаляют сульфиды — сернистые соединения, которые под воздействием температуры окисляются и улетучиваются. Ускорению процесса способствуют чугунные мешалки, которые находятся под подами и разрыхляют концентрат.
Общим уравнением это можно выразить так:
2MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2 + Q
Диоксид серы, который выделяется в процессе обжига, необходимо удалять. Для этого в печи предусмотрен газоотвод. Концентрат металла, в свою очередь, постепенно скатывается к краям своего пода и высыпается через специальные отверстия вниз, на следующий под с более высокой температурой. Максимальная температура (850 °С) внутри печи достигается в центральной части. За этим показателем необходимо строго следить: если температура в многоподовой печи повысится, то концентрат будет испорчен.
Более современной и эффективной является печь для обжига медного концентрата в кипящем слое. Со стороны процесс очень похож на кипение жидкости. Поды здесь — стальные плиты с отверстиями. Сквозь них проходит горячий воздух под давлением
и мелкораздробленный концентрат тут же начинает подпрыгивать в потоке воздуха. Такой способ гораздо эффективнее классической многоподовой печи, но и гораздо горячее — реакция идёт быстрее, а значит, и тепла выделяется значительно больше. В печи обжига в кипящем слое обязательно вводится система водяного охлаждения. К тому же, за единицу времени перерабатывается больше концентрата, и возрастает доля диоксида серы, который необходимо выводить из печи. В результате обжига в многоподовых печах остаётся оксид металла (он же огарок). Его путь к чистому металлу лежит через плавильные печи.
В ПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
Представьте себе печь длиной более 30 метров и шириной до 9 метров, внутри которой расположен огромный под площадью около 300 м². Тепло в ней передаётся благодаря излучению от продуктов сгорания, а также от раскалённой внутренней поверхности, поэтому такие печи называют отражательными. Именно здесь происходит превращение обожжённого огарка в штейн — так называют смесь сульфидов различных металлов (например, меди, никеля, железа). Даже после многоподовых печей огарок ещё содержит в себе сульфидные соединения.
В отражательной печи огарок расплавляют уже при температуре более 1500 °С. В ходе плавки оксиды меди и железа восстанавливаются, побочные силикаты переходят в жидкую форму и образуют шлак, от которого избавляются через специальное окошко в печи.
МеО + СО Ме + СО2
Прошедший через отражательную печь штейн богат металлом (до 55 %). Его выпускают из печи через сифон и отправляют в конвертерную печь.
ВНУТРИ КОНВЕРТЕРА
Конвертер — это ещё одна плавильная печь, похожая на огромную бочку и способная поворачиваться на 180 ° в любую сторону. Внутри неё крутится около 100 тонн расплавленного штейна. Причём конвертеру не нужно топливо: так как большинство реакций внутри штейна идёт с выделением тепла, необходимо только подавать воздух. В ходе плавки и перемешивания при температуре около 1400 °С из штейна выделяется дополнительный шлак. Например, при получении меди уравнение реакции в конвертере выглядит следующим образом:
2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2
После конвертера концентрация меди в расплаве повышается почти до 99 %, но всё равно в нём остаются сторонние элементы — железо, цинк и даже небольшой процент золота и серебра. Поэтому жидкий металл выливают из конвертера и отправляют на дальнейшую переработку.
ИСПЫТАНИЕ ВОЗДУХОМ Конвертер дорабатывает штейн до черновой меди, но это по-прежнему не чистый металл. Стопроцентная медь получается только после печи огневого рафинирования. Для этого около 400 тонн черновой меди ковшами заливают в 15-метровую печь и пропускают сквозь расплавленный металл воздушные пузырьки. В таком озере жидкой меди начинается процесс окисления металла до Cu2O, а этот оксид, в свою очередь, окисляет большую часть примесей металлов в соответствии с уравнением реакции:
Me + Cu2O = MeO +2Cu
Получившиеся окислы металлов или шлаки просто всплывают на поверхности пышущего жаром медного озера и либо выгорают, либо их механически удаляют.
Интересен процесс вывода растворённых газов из жидкой меди. Для этого в жидкую медь бросают влажное бревно. Естественно, оно тут же вспыхивает, а выделяющиеся газы и парообразная вода перемешивают медное озеро, и все нежелательные газы (прежде всего SO2) удаляются.
ИСПЫТАНИЕ ТОКОМ
Однако есть примеси, от которых не избавит даже огневое рафинирование. Это элементы, имеющие меньшее сродство к кислороду, чем сера, что исключает их удаление с помощью окислительной реакции (Cu2O). Самыми важными в этом ряду являются золото и серебро. Именно для их извлечения и было изобретено электролитическое рафинирование меди — высшая степень очистки цветного металла.
Для очищения от примесей драгоценных металлов (и в то же время для их получения) черновую медь погружают в специальную ванну. Медь в процессе электролиза берёт на себя функцию анода, а катодом выступает уже очищенная листовая медь. В ванну заливается электролит, состоящий из серной кислоты и сульфата меди, и пускается ток. Черновая медь начинает растворяться, образуя ионы двухвалентной меди, а примеси драгоценных металлов выпадают в осадок (шлам), который металлурги собирают, чтобы переплавить в слитки. Растворённые в электролите ионы меди, в свою очередь, притягиваются к катоду — листовой меди — и разряжаются в виде осадка.
НЕ МЕДЬЮ ЕДИНОЙ…
Производство цинка и свинца имеют много общего с процессом выплавки меди. Например, получение цинкового огарка также сопровождается обжигом в печах в кипящем слое. Но выщелачивают цинковый огарок уникальным методом грубой очистки: огарок просто заливается раствором серной кислоты.
Твёрдые соединения цинка (ZnO и другие) вступают в реакцию с кислотой и растворяются. Масса других соединений в огарке — FeO, Cu2O, CuO и CdO — проходят тот же процесс. Так образуется сульфатный бульон, из которого различными реагентами осаждают всё, что не относится к соединениям цинка. К примеру, ионы Fe2+ осаждаются в несколько стадий двуокисью марганца с образованием нерастворимого FeOHSO4. После очистки раствор, содержащий ионы цинка, подвергают электролизу, и на катоде выделяется готовый цветной металл.
Чтобы получить свинец, в высокую и вместительную печь загружается концентрат вместе с коксом и под давлением вдувается воздух, обогащённый кислородом. Сгорающий кокс в присутствии кислорода разгоняет температуру внутри печи до 1300 °С, и свинец освобождается от сульфат-ионов. Получается черновой свинец, в котором ещё достаточно много ценных примесей, в том числе благородных металлов. Избавиться от них помогут уже знакомые нам методы высокотемпературного рафинирования. Из чернового свинца можно выделить медь, теллур, серебро и висмут. К примеру, медь выделяется при остывании на поверхности сплава со свинцом, так как она легче. А вот олово, мышьяк и сурьму удаляют с помощью жидкого сплава NaOH и NaCl с натриевой селитрой, который вливают в расплавленный черновой свинец. Это называется щелочное рафинирование, и заключается оно в появлении нерастворимых солей Na3AsO4, Na3SbO4 и Na3SnO4.
Производство цветных металлов — трудоёмкий и сложный процесс. Одна только медь проходит до пяти стадий очистки, при этом затрачиваются огромные ресурсы и усилия металлургов. Более того, запасы цветных металлов на нашей планете ограничены, и с каждым годом мы тратим всё больше и больше энергии, чтобы добыть их. Это увеличивает нагрузку на окружающую среду. Поэтому относитесь бережно ко всем вещам, в которых есть металл, ведь вы сами убедились, как непросто он добывается. Любая ненужная или сломанная вещь должна получить новую жизнь благодаря вторичной переработке. Это особенно актуально для металлов.
