Рафинирование металлов

Рафинирование металлов - очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96-99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химические и механические свойства. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут иметь собственную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлеченных из меди, полностью окупает все затраты на Рафинирование. Различают 3 основных метода рафинирования: пирометаллургического, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств элементов разделяются: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д.. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов рафинирования.


1. Пирометаллургического рафинирования

Осуществляется при высокой температуре в расплавах и имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с O, S, Cl, F прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющих большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют оксиды, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются.

Ликвацийне разделение основано на различии температур плавления и плотности компонентов, состав сплава, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определенных температурах выделяются кристаллы Cu (т.н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при Р. Sn и других металлов.

При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твердой и жидкой фазах с учетом медленной диффузии примесей в твердой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация).

В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции сублимации и конденсации фракций, удаляемых многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить рафинирования. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и других процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нем твердые примеси. При рафинировании стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очистки его от неметаллических включений. Редактирование стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твердых оксидов, что прилипают к пузырьков газа и флота и на поверхность расплава.


2. Электролитическое рафинирование

Электролитическое рафинирование является электролизом водных растворов или солевых расплавов и позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое рафинирование с растворимыми состоит в анодной растворении металлов, очищаются, и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu по водородного электрода сравнения, принятого нуля + 0,346, в Au и Ag эта величина имеет более положительное значение, а в Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицательный. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое рафинирование с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.


3. Химическое рафинирование

основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливаются в растворе, выделяются из него химическим путем ( гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического рафинирования может служить аффинаж благородных металлов. Рафинирования Au проводят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и других металлов растворяются, а очищенное золото остается в нерастворимом осадке.


Литература

  • Пазухин В. А., Фишер А. Я., Разделение и рафинировании металлов в вакууме, М., 1969;
  • Сучков А. Б., Электролитическое рафинированию в расплавленных средах, М., 1970;
  • Рафинировании стали синтетическими шлаками, 2 изд., М., 1970.