Metalurgia este o ramură complexă de producție, iar gama produselor sale comercializabile este largă și variată. Pe lângă principalele produse metalurgice, se obțin și alte tipuri de produse, care adesea nu au nimic de-a face cu materialele metalurgice: acid sulfuric, sulf elementar, sodă, potasă, îngrășăminte minerale, ciment, vată minerală și multe altele.
În plus, producția metalurgică produce numeroase produse intermediare și deșeuri ale producției principale: zgură, mată, gaze, aglomerate și sinterizate, turte, nămol etc. Să luăm în considerare principalele tipuri de produse ale producției metalurgice.
Metale și mată
Metalele și aliajele sunt principalele tipuri de produse comerciale ale producției metalurgice, care sunt obținute prin prelucrarea tuturor tipurilor de materii prime care conțin metale. În metalurgia feroasă, principalele produse sunt fontele brute, oțelurile și feroaliajele.
În metalurgia neferoasă, în funcție de tehnologia utilizată și de compoziția produselor obținute, se disting metale brute și metale rafinate, dar produsele comercializabile sunt de obicei metale rafinate.
Metalele feroase sunt metale care conțin impurități, care pot include impurități dăunătoare și elemente valoroase — însoțitori ai metalului de bază conținut în materia primă. Impuritățile nocive înrăutățesc proprietățile caracteristice pentru un anumit metal (conductivitate electrică, plasticitate, rezistență la coroziune etc.) și limitează domeniul de aplicare directă a acestora. Sateliții valoroși, care includ metale nobile, elemente rare și difuze, trebuie recuperați în plus. Pentru purificarea de impurități, metalele feroase sunt supuse rafinării. Gama de metale rafinate este reglementată de GOST și, în funcție de gradul de purificare, sunt adesea produse 6-10 clase ale fiecărui metal în parte.
O mată este un aliaj de sulfură de fier cu sulfuri de metale neferoase grele (cupru, nichel, plumb, zinc etc.) în care impuritățile sunt dizolvate. Steinele sunt produse intermediare, a căror formare este determinată de considerente tehnologice, iar acest lucru este foarte tipic pentru pirometalurgia cuprului, nichelului și parțial a plumbului. În practica metalurgiei neferoase se produce cupru, cupru-nichel, nichel și mată polimetalică. Acestea se formează în timpul topiturii în stare lichidă și nu se amestecă cu topiturile de zgură, ceea ce facilitează separarea lor prin sedimentare. Procesul de sedimentare este mai eficient atunci când diferența de densitate dintre zgură și mată este mai mare de 1 g/cm 3 .
Cuprul și matta de cupru-nichel sunt buni colectori de metale nobile, ceea ce face posibilă extragerea lor în mattă la topirea materiilor prime minerale. Alături de sulfurile de cupru și fier, mattele polimetalice conțin cantități apreciabile de sulfuri de plumb și zinc, ceea ce complică prelucrarea ulterioară a acestora și, prin urmare, sunt evitate în prezent.
Densitatea mattei topite crește odată cu creșterea conținutului de cupru și nichel în intervalul 4,0-5,7 g/cm 3 , iar la metalizarea ridicată a mattei densitatea acesteia poate ajunge la 7 g/cm 3 .
Zgură metalurgică
Zgurăturile metalurgice sunt un aliaj complex de oxizi. În funcție de caracteristicile tehnologice și de metoda de formare, acestea se împart în zgură de topire a minereurilor și zgură de rafinare.
Scoriile de topire a minereurilor se formează din oxizii de rocă ai minereurilor prelucrate și din fluxurile introduse în încărcătură. Scoriile sunt obținute în stare topită și rolul lor în procesele de topire este foarte mare. Ele reprezintă mediul în care au loc principalele transformări și reacții fizico-chimice care conduc la formarea produselor finale — metal și zgură.
Zgurii conțin o parte din metalul extras și, prin urmare, sunt adesea principala componentă a pierderilor de metal. Cantitatea de zgură formată depinde în principal de compoziția materiilor prime minerale și a fluxurilor. Producția de zgură este deosebit de ridicată la topirea minereurilor sau a concentratelor de metale neferoase — aceasta variază de obicei între 60 și 120 % din greutatea componentei minerale. Cantitatea de zgură produsă și proprietățile acesteia determină de fapt principalii indicatori tehnico-economici ai producției metalurgice: productivitatea specifică a cuptoarelor de topire a materiilor prime minerale, consumul de combustibil, costurile de exploatare și, în cele din urmă, costul de prelucrare.
Cu un conținut scăzut de metale recuperabile în zgură, acestea sunt produse reziduale ale producției metalurgice, dar pot fi considerate produse reziduale numai în mod condiționat, deoarece, odată cu dezvoltarea tehnologiei metalurgice, acestea sunt adesea supuse unei prelucrări suplimentare.
Scoriile de rafinare sunt formate din aditivi de fluxare special introduși în cuptoarele de topire, precum și din oxizi, metal rafinat și produse de distrugere a căptușelii refractare a unității de topire. Crearea de zgură deasupra topiturii contribuie la purificarea metalului de impuritățile dăunătoare și la acumularea acestora în zgură și, în plus, zgura protejează metalul topit de efectele mediului gazos din cuptor. Producția acestor zgurii este mică, dar ele conțin o cantitate semnificativă de metal recuperabil și, prin urmare, sunt utilizate ca materiale reciclabile sau supuse unei prelucrări speciale.
Compoziția zgurii metalurgice este diversă și depinde de tipul de materii prime prelucrate și de specificul procesului metalurgic. Compoziția zgurii de furnal din metalurgia feroasă (BF) și din principalele varietăți ale metalurgiei neferoase (PCM) este prezentată mai jos (%):
Din datele prezentate se poate observa că zgurii diferă numai prin conținutul de oxizi de fier și se bazează pe sistemele CaO-SiO2 și CaO — FeO — SiO2.
Pentru fiecare proces metalurgic și pentru aparatura utilizată în cadrul acestuia, s-a stabilit o compoziție optimă a zgurii care îndeplinește anumite cerințe tehnologice și economice. Nu întotdeauna este posibilă obținerea acestei compoziții optime prin topire directă și, prin urmare, trebuie adăugate fluxuri.
Oxizii care formează zgura, în funcție de activitatea lor chimică, se împart în zgură acidă (SiO2AL2О3), bazice (CaO, FeO, MgO etc.) și amfoterice (Fe2O3, ZnO, etc.). În funcție de raportul acestor oxizi, zgurii se împart în acizi și bazici. Scoriile acide includ scoriile care conțin mai mult de 40 % (SiO2 + AL 2О3), iar la cele bazice — mai puțin de 40 % din suma specificată de oxizi.
Cu toate acestea, aceste criterii sunt condiționate și dau doar o idee despre clasificarea industrială a zgurii. Pentru alegerea corectă a parametrilor procesului este necesar să se cunoască cele mai importante proprietăți ale zgurii: punctul de topire, vâscozitatea, densitatea, solubilitatea în zgură a produsului extras și proprietățile de suprafață.
Oxizii care formează zgurii au un punct de topire ridicat, °С: 1713 — SiO2; 1370 — FeO; 1540 — Fe3O4; 2570 — CaO; 2800 — MgO; 2050 — Al2О3. Cu toate acestea, punctul de topire al zgurii este mult mai scăzut decât punctul de topire al oxizilor puri. Proprietățile fizico-chimice ale zgurii depind de compoziția lor chimică și de temperatură, precum și de structura lor în stare topită.
Vâscozitatea zgurii caracterizează fluiditatea lichidului, de a cărei valoare depinde viteza de sedimentare a produselor lichide de topire. Conductivitatea electrică a zgurii este de o importanță crucială pentru funcționarea cuptoarelor electrice, care sunt utilizate pe scară largă în metalurgia feroasă și neferoasă. Densitatea zgurii depinde de raportul dintre componentele ușoare și cele grele care formează zgura. Densitatea oxizilor în stare solidă este (g/cm 3 ): SiO2 — (2,2-2,65); FeO — 5,7; CaO — 3,32; MgO — 3,65; Al 2O3 — 3,99; Fe3O4 — 5,2; BaO — 5,72; Na2O — 2,27.
Pentru a obține zgură cu compoziție optimă, se utilizează adesea cuarțitul și calcarul ca fluxanți. În metalurgia neferoasă se folosesc uneori ca flux concentratele de aur de calitate inferioară și reziduurile de cuarț ale instalațiilor de extracție a aurului, care permit fără costuri extragerea în timpul topiturii în mată sau în stare brută a metalelor nobile. Pentru lichefierea topiturilor de zgură în unele cazuri se utilizează fluorină CaF2sodă Na2СОз, etc.
Produse ale operațiunilor hidrometalurgice
Produsele proceselor hidrometalurgice sunt soluțiile, turtele și apele reziduale.
Soluțiile în hidrometalurgie sunt produsele procesului de levigare în care substanța dizolvată este în stare moleculară, ceea ce le face sisteme stabile care nu se separă în timpul unei expuneri îndelungate. Apa și soluțiile apoase de acizi, săruri, alcali, reactivi organici sunt utilizate ca solvenți în producția de metale neferoase.
Cele mai importante caracteristici tehnologice ale soluțiilor sunt concentrația substanței dizolvate în acestea și indicele de hidrogen (pH).
În practică, concentrația este cel mai adesea exprimată ca raport între substanța dizolvată și volumul soluției în g/l sau kg/m 3 .
pH-ul caracterizează activitatea chimică a mediului și capacitatea soluțiilor de a se hidroliza complex. Soluțiile apoase pot avea o valoare a pH-ului cuprinsă între 1 și 14. Soluțiile neutre au un pH = 7, soluțiile acide au un pH mai mic de 7, iar soluțiile alcaline au un pH mai mare de 7. Descompunerea hidrolitică a soluțiilor are loc în condiții strict definite, iar pentru fiecare hidroxid există un interval limitat de pH în care acesta precipită. pH-ul de început al precipitării hidroxizilor unor metale este dat mai jos:
Prin utilizarea diferențelor în valorile pH-ului pentru precipitarea hidroxidului, se poate realiza separarea selectivă a metalelor în soluție.
Turtele de levigat sunt materiale solide pulverulente, care se împart în două tipuri în funcție de formarea lor. Primul tip este reziduul nedizolvat al materialului levigat (deșeuri de rocă, compuși insolubili ai acestui material și alte componente valoroase). Acest tip include, de exemplu, turtele de zinc provenite din levigarea concentratelor de zinc ars cu soluție de acid sulfuric. Al doilea tip include produsele (precipitatele) de cimentare, precipitare chimică sau hidrolitică a metalelor dizolvate în stare metalică liberă sau sub formă de compuși chimici insolubili. Exemple de acest tip de turte sunt turtele de cadmiu din producția de zinc, care conțin zinc, cadmiu și cupru sub formă de pulberi metalice, și turtele de cobalt din producția de nichel, în care cobaltul este sub formă de hidroxid de Co(OH).3.
Apele reziduale sunt un produs rezidual al operațiunilor hidrometalurgice, iar compoziția lor este caracterizată de o mare varietate de componente valoroase și poluante. Compoziția apelor reziduale depinde de mulți factori, dar cei mai importanți sunt compoziția materiilor prime prelucrate, tipul de solvenți utilizați, natura procesului hidrometalurgic utilizat și tehnologia de tratare a apelor reziduale înainte de retragerea lor din ciclul de producție
Astfel, apele reziduale din procesele hidrometalurgice reprezintă o sursă de pierderi de componente valoroase și de poluare a mediului. Principalele componente ale apelor reziduale sunt suspensiile dispersate grosiere de particule de material prelucrat sau de produse ale acestuia, precum și acizii, sărurile, alcalii și alți compuși chimici, inclusiv organici, dizolvați în apă. Cea mai eficientă modalitate de a preveni poluarea mediului de către apele reziduale este organizarea sistemelor de alimentare cu apă reciclată la întreprinderile industriale.
