Особенности технологии производства редких металлов из рудного сырья

Классификация редких металлов

На основании общности физико-химических свойств, сходства методов извлечения из сырья и производства металлов, а также некоторых других признаков редкие металлы подразделяют на 5 групп. Ниже дана краткая характеристика каждой группы.

Легкие редкие металлы. В эту группу входят редкие металлы I и II групп периодической системы (кроме радия). Они имеют малую плотность (литий 0,53, цезий 1,87 г/см³) и отличаются высокой химической активностью. Подобно легким цветным металлам (алюминию, магнию, кальцию), легкие редкие металлы получают электролизом расплавленных солей или металлотермическими способами.

Тугоплавкие редкие металлы. Все металлы этой группы относятся к переходным элементам IV, V и VI групп периодической системы, у которых происходит достройка электронного d-уровня. Эта особенность определяет ряд физических и химических свойств металлов рассматриваемой группы: тугоплавкость (температура плавления составляет от 1660 для титана до 3400 ^оС для вольфрама), высокую прочность, коррозионную стойкость, переменную валентность, обусловливающую многообразие химических соединений. Все тугоплавкие металлы образуют тугоплавкие и твердые карбиды, бориды, силициды.

В связи с высокими температурами плавления в технологии производства тугоплавких металлов широко используют методы дуговой и электронно-лучевой плавки, а также метод порошковой металлургии.

Для тугоплавких металлов характерна общность многих областей применения. Так, их используют как легирующие элементы в сталях и компоненты жаропрочных и твердых сплавов. Многие из них применяют в электротехнике и электровакуумной технике.

Рассеянные редкие металлы. Объединяющий признак группы — рассеянность элементов в земной коре. Большей частью рассеянные элементы находятся в форме изоморфной примеси в малых концентрациях в решетках других минералов и извлекаются попутно из отходов металлургических и химических производств. Так, галлий содержится в минералах алюминия; индий, таллий и германий встречаются в цинковых обманках и других сульфидных минералах; германий - в каменных углях; рений - в молибдените и медном сульфидном сырье.

Редкоземельные металлы (лантаноиды). Близость физико-химических свойств лантаноидов (от церия до лютеция) объясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе от одного элемента к другому происходит заполнение глубоколежащего 4f-уровня.

К лантаноидам примыкают по свойствам элементы третьей группы - лантан, скандий и иттрий, которые вместе с лантаноидами составляют группу редкоземельных металлов.

В рудном сырье редкоземельные элементы сопутствуют друг другу и на первых стадиях технологии выделяются в виде смеси оксидов. Сложная задача разделения редкоземельных элементов успешно решена благодаря использованию методов жидкостной экстракции и ионообменной хроматографии.

Радиоактивные редкие металлы. В этой группе объединены естественные радиоактивные элементы: полоний, радий, торий, уран и искусственно полученные заурановые элементы — нептуний, плутоний и др.

В рудном сырье естественные радиоактивные металлы встречаются совместно, часто им сопутствуют редкоземельные элементы. Табл.1.2 дает представление о примерных масштабах добычи редких металлов.

Таблица 1.2

Примерные масштабы добыча металлов

Металл	Добыча, тыс. т	Металл	Добыча, тыс. т
Вольфрам Молибден Тантал Ниобий Титан Цирконий Гафний Рений	20-25 90-98 0,75-0,8 15-20 1600-1650 460-480 0,1 0,008-0,01	Германий Галлий Индий Таллий Литий Бериллий РЗМ Уран	0,15-0,2 ~0,050 0,06-0,08 0,010-0,012 8-8,5 0,4-0,5 30-35 40-50

1. Рудное сырье, содержащее редкие металлы, как правило, бедное. Эксплуатируемые руды часто содержат от тысячных до десятых долей процента извлекаемого металла. Поэтому особое значение приобретает обогащение руд. Если затруднительно обогащение (урановые руды и некоторые другие), осуществляют непосредственное извлечение металла из руды, используя большей частью гидрометаллургические схемы.

Руды редких металлов часто имеют сложный комплексный состав. Примером могут служить руды: вольфрам-молибденовые; титан-ниобий-тантал-редкоземельные; уран-ванадиевые; литий-цезиевые; цирконий-ниобиевые и др. Кроме того, как уже отмечалось, некоторые редкие металлы содержатся в рудах и промышленных отходах цветной металлургии и химических производств. В этой связи особое значение приобретает комплексная переработка сырья с извлечением всех ценных составляющих.

В технологии находят применение несколько способов обогащения.

Ручная рудоразборка применяется для материала, крупностью 40¸250 мм и только для ценных минералов. Ручная рудоразборка обязательна при обогащении берилловых руд, т.к. при этом могут быть обнаружены изумруды. Этот способ обогащения ведут на транспортёре.

Обогащение по твёрдости основано на том, что при дроблении одни минералы измельчаются в большей степени, чем другие. Последующим грохочением можно разделить руду на концентрат и хвосты.

Обогащение по трению заключается в использовании различия в скольжении разных минералов по наклонной плоскости.

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в воде или воздухе. Минералы редких металлов, как правило, обладают высокой плотностью (более 4 г/см³ и выше), плотность пустой породы приблизительно 2,5 г/см^3.

Флотационное обогащение основано на возможности изменять смачиваемость поверхности минералов водой, обрабатывая руду специальными флотореагентами.

Магнитное обогащение позволяет разделить минералы по степени их магнитной восприимчивости.

Электростатическое обогащение использует различие в электропроводности, электроёмкости и диэлектрической проницаемости.

2. Ни один редкий металл не восстанавливают непосредственно из рудного сырья. Первоначально из сырья получают чистые химические соединения (оксиды, соли), служащие исходным материалом для производства металла.

3. При сложности исходного сырья промышленность предъявляет высокие требования к чистоте редких металлов. Поэтому в технологии переработки сырья особую роль играют процессы очистки от примесей и получения соединений высокой чистоты.

4. Переработка сырья обычно состоит из трех основных стадий: разложения концентрата, получения чистых химических соединений и получения металла.

Цель первой стадии - разложение минерала, отделение извлекаемого металла от основной массы сопровождающих элементов и концентрирование его в растворе или твердом продукте. Это достигается при помощи пирометаллургических процессов (сплавление, обжиг, возгонка) или гидрометаллургическими методами (обработка кислотами, растворами щелочей и др.)

На второй стадии преобладают химические процессы в водных растворах (экстракция, ионный обмен, осаждение, кристаллизация и др.). Иногда для получения соединений высокой чистоты используют и пирометаллургические процессы: возгонку хлоридов или оксидов, ректификацию галогенидов.

В третьей стадии используют разнообразные, преимущественно пирометаллургические процессы восстановления металлов из химических соединений.

По способам восстановления редкие металлы можно подразделить на три группы:

a) восстановление из водного раствора цементацией или электролизом (Ga, In, Tl, Ge, Re);

б) восстановление из оксидов или галогенидов водородом, монооксидом углерода или углеродом при повышенных температурах (W, Mo, Re, Ge, Nb, Та);

в) восстановление из оксидов или солей металлами (металлотермия) или электролизом в расплавленных средах (Та, Nb, V, Ti, Zr, Li, Be, P3M, Th, U).

Видно, что только пять металлов могут быть выделены непосредственно из водных растворов их солей, остальные металлы получают пирометаллургическими методами или электролизом в расплавленных средах.

Тугоплавкие металлы большей частью получают в виде порошка или пористой массы - губки, которые превращают в компактные металлы дуговой или электронно-лучевой плавкой или методом порошковой металлургии.

Дата добавления: 2014-01-11