Способы получения металлов и сплавов

Для первичного получения металлов в большинстве случаев используют три вида технологий[6]:

Пирометаллургия[7] – совокупность процессов получения и очистки металлов и сплавов, протекающих при высоких температурах. Пирометаллургия – основная и древнейшая область металлургии. В современной классификации пирометаллургия противопоставляется гидрометаллургии – совокупности так называемых мокрых процессов получения металлов, осуществляемых при невысоких температурах. Примерами пирометаллургических процессов могут служить доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах. Почти 100% мирового производства чугуна, стали, свинца, около 95% меди, свыше 60% цинка получают методами пирометаллургии.

Гидрометаллургия[8] – извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи водных растворов химических реагентов с последующим выделением металлов из этих растворов. Основные операции гидрометаллургии: механическая обработка руды (дробление, измельчение, классификация, сгущение); изменение химического состава руды или концентрата (обжиг, спекание, разложение химическими реагентами); выщелачивание; обезвоживание и промывка; осветление растворов и удаление вредных примесей; осаждение металлов или их соединений из растворов; переработка осадков. Гидрометаллургические методы широко используются при производстве меди, никеля, кобальта, платины и других цветных металлов.

Электрометаллургия – область металлургической науки и техники, охватывающая извлечение металлов из руд и концентратов, плавку и рафинирование металлов и сплавов, а также их нагрев и придание им соответствующей структуры при помощи электрического тока. Электрометаллургия делится на две области: в первой применяются электротермические методы, т.е. используется тепловой эффект электрических явлений; во второй – электрохимические методы, а именно электролиз как при обычных (электролиз водных растворов), так и при высоких (электролиз расплавленных солей) температурах. В чёрной металлургии применяют преимущественно электротермические методы, а в цветной – электротермические и электрохимические. Широкое распространение получили рафинирующие переплавы (так называемая спецэлектрометаллургия). Электрометаллургические методы широко используются при производстве алюминия, магния и других цветных металлов, образующих прочные окислы.

Побочные продукты, получающиеся при производстве черных и, особенно, цветных металлов, могут содержать большое количество ценных элементов и используются, например, для получения всех металлов платиновой группы, золота, серебра, редкоземельных элементов и т.п. Из газообразных продуктов доменных печей извлекают цинк, селен и др. ценные элементы. Сера, получающаяся при производстве ряда цветных металлов, идет на производство серной кислоты. Шлак, образующийся в больших количествах при реализации пирометаллургических процессов, применяется при изготовлении стройматериалов (шлакобетон, шлаковата, шлакоблоки и т.п.).

Производство чугуна и стали. Чугун выплавляют в доменных печах за счет разделения смеси железной руды, кокса и шлакообразующих на три фазы: газообразную и две жидких – шлак и чугун. Благодаря различию в плотности шлак концентрируется в средней части печи, а чугун – в нижней. Важнейшими химическими реакциями, идущими в доменной печи являются окисление углерода, восстановление железа, марганца, кремния и др. металлов из оксидов, восстановление фосфора и частичный перевод его в шлак, разложение сульфидов и частичное удаление серы в виде газов H₂S и SO₂. Чугун, направляемый на производство стали, называют «передельным». Передельный чугун в жидком виде транспортируют в сталеплавильный цех.

Пудлинговый[9] способ получения стали известен с конца ХVIII в. Во второй половине XIX в. он был вытеснен бессемеровским, томасовским и мартеновским процессами[10]. Наиболее распространенным в мире, начиная с середины 70-х гг. ХХ в., является кислородно-конвертерный способ производства стали, пригодный для переработки передельного чугуна и возрастающих объемов металлолома. В результате продувки кислородом и взаимодействия со специально наведенным шлаком в расплаве уменьшается содержание углерода и вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора.

Высококачественную сталь получают в индукционных и электродуговых печах путем переработки металлолома с небольшим количеством чугуна, необходимого для создания избытка углерода. Для еще большего повышения качества сталь может быть подвергнута электрошлаковому, электродуговому, электроннолучевому и др. переплавам, снижающим количество вредных примесей.

В настоящее время имеется тенденция прямого восстановления металлов из руд, что позволяет автоматизировать производство, отказаться от ряда промежуточных процессов, уменьшить потери металла и выбросы вредных примесей. В частности, при производстве стали успешно применяют железорудные окатыши, получаемые прямым восстановлением железа из руды водородом или углеродом. Из таких окатышей получают наиболее качественные стали, в которых содержится минимум вредных примесей.

Крупнейшим в ХХ в. отечественным изобретением, внедренным и на самых современных заводах за рубежом, является процесс непрерывной разливки стали, позволивший получать профили постоянного сечения сложной формы (даже с внутренним отверстием, например, трубы) непрерывным способом. Такие слитки называют слитками УНРС (установка непрерывной разливки стали). Литые заготовки могут иметь очень сложную форму и поэтому сокращают потери металла при обработке резанием.

Литейным производством называют процесс получения фасонных литых заготовок, называемых отливками, путем заливки расплавленного металла в рабочую полость литейной формы. Литье является наиболее простым и дешевым промышленным способом получения заготовок, в том числе имеющих сложную геометрическую форму.