Дистилляционные процессы используют в металлургии цинка и при получении ряда легких и редких металлов.
Гидрометаллургические процессы протекают при низких температурах на границе раздела чаще всего твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.
Выщелачивание - процесс перевода извлекаемых металлов в раствор (растворение) при воздействии растворителя на перерабатываемый материал (руду, концентрат, полупродукты металлургического производства и т.п.) часто в присутствии газового реагента - кислорода, водорода и др.
В результате выщелачивания получают два продукта: раствор извлекаемого материала, обычно загрязненный примесями, и нерастворенный остаток, состоящий в основном из пустой породы.
Осаждение металлов из очищенных растворов от выщелачивания проводят электролизом водных растворов, цементацией или восстановлением газообразными восстановителями под давлением.
Ионообменные процессы основаны на способности некоторых твердых веществ (ионитов) при контакте с растворами поглощать ионы из раствора в обмен на ионы того же знака, входящие в сосав ионита. В качестве ионита чаще всего используют твердые синтетические высокомолекулярные вещества, обладающие высокой обменной емкостью (ионообменной способностью), химической стойкостью и механической прочностью.
По знаку заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Существуют также аморфные иониты - амфолиты, способные одновременно осуществлять как катионный, так и анионный обмен.
Экстракцией (жидкостной экстракцией) называется процесс извлечения растворенных химических соединений металлов из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Последующей реэкстракцией из органической фазы экстрагированный металл извлекают в водный раствор.
Применяющиеся на действующих предприятиях цветной металлургии технологические процессы в большинстве случаев далеко не полностью удовлетворяют современным требованиям. Ряд процессов и их аппаратурное оформление устарели и нуждаются в замене новыми, более совершенными.
Современные металлургические процессы получения цветных металлов и, тем более, процессы ближайшего будущего должны удовлетворять по меньшей мере следующим требованиям:
Высокая удельная производительность применяемых аппаратов;
Высокая производительность труда (выпуск продукции на одного работника);
Высокая степень извлечения всех ценных составляющих;
Высокая степень комплексности использования сырья;
Минимальные энергетические затраты за счет использования внешних источников тепловой энергии или электричества;
Максимальное использование вторичных энергоресурсов;
Обеспечение возможности комплексной механизации и автоматизации всех операций;
Использование простой, дешевой, долговечной и удобной в работе, пуске, наладке и ремонте аппаратуры;
Обеспечение возможности создания непрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линий получения металлов с частичным или полным программным управлением.
Кроме товарной продукции, получающейся при переработке руд цветных металлов, на предприятиях цветной металлургии получают многочисленные отходы и полупродукты металлургического производства. К ним относятся шлаки, пыли, газы, агломераты и спеки, кеки, шламы, растворы и т.д.
Металлы являются основным видом продукции металлургического производства. В цветной металлургии различают черновые и рафинированные металлы. Черновыми называются металлы, содержащие в своем составе вредные примеси, ухудшающие потребительские свойства данного металла, а также примеси ценных элементов-спутников. Черновые металлы обязательно подвергают очистке от примесей - рафинированию.
Шлаки являются вторым обязательным продуктом металлургических процессов, приводящих к расплавлению перерабатываемых материалов. Они образуются в результате ошлакования оксидов пустой породы и флюсов. Кроме шлакообразующих компонентов, реальные заводские шлаки обязательно содержат некоторое количество извлекаемых металлов.
Штейны - промежуточные продукты пирометаллургической переработки медных, никелевых и частично свинцовых руд и концентратов. Они представляют собой сплав сульфидов тяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, свинца и др.) с сульфидом железа, в котором растворены примеси.
Газы и пыли также относятся к числу обязательных продуктов пирометаллургических процессов. Как правило, эти два продукта удаляются из печей совместно.
Растворами называют продукты процесса выщелачивания, в которых растворенное вещество находится в состоянии молекулярного раздробления, что делает их весьма устойчивыми системами, не разделяющимися при сколь угодно длительном стоянии.
Кеки представляют собой твердые порошкообразные материалы.
По природе образования различают два вида кеков:
1. Нерастворившиеся остатки выщелачиваемого материала.
2. Продукты (осадки) цементационного, химического или гидролитического осаждения растворенных металлов в свободном металлическом состоянии или в форме нерастворимых химических соединений.
Вся история металлургии - это борьба за качество, за улучшение физических и механических свойств металла. А ключ к качеству - химическая чистота. Даже крохотные примеси серы, фосфора, мышьяка, кислорода, не - которых других элементов резко ухудшают прочность и пластичность металла, делают его хрупким и слабым. А все эти примеси находятся в руде и коксе, и избавиться от них трудно. Во время плавки в доменной печи и в мартеновской печи основная часть примесей переводится в шлак и вместе с ним удаляется из металла. Но в тех же домнах и мартенах в металл попадают вредные элементы из горючих газов и ухудшают его свойства. Получить действительно высококачественную сталь помогла электрометаллургия, отрасль металлургии, где металлы и их сплавы получают с помощью электрического тока. Это относится не только к выплавке стали, но и к электролиту металлов и, в частности, расплавленных их солей - например, извлечению алюминия из расплавленного глинозема.
Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах.
В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых печах (ПДП) теплогенерация возникает за счет энергетических преобразований дугового разряда, происходящего в воздухе, парах расплавляемых материалов, инертной атмосфере или иной плазмообразующей среде.
Согласно общей теории печей М.А. Глинкова дуговые сталеплавильные и плазменно-дуговые печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом работы, поскольку энергетические условия на границе зоны технологического процесса, то есть на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная футеровка рабочего пространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах вертикально расположенные графитированные электроды создают неравномерное излучение дуг, зависящее от диаметра электродов и параметров электрического режима.
По условиям теплообмена между дугами, поверхностями рабочего пространства и металлом, особенностям электрофизических процессов дугового разряда, энергетическому и электрическому режимам всю плавку в дуговых печах от начала расплавления твердой металлошихты до слива жидкого металла делят на этапы.
Перед началом плавки куполообразный свод печи поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печь шихтовые материалы. Затем свод ставят на место, через отверстия в нем опускают в печь электроды и включают электрический ток. Чугун, железный лом и другие материалы начинают быстро плавиться.
По мере оплавления шихты под электродами и вокруг них образуются "колодцы", в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап "закрытого" горения дуг, когда плавление шихты происходит в "колодцах", снизу путем теплопередачи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью через слой жидкого металла, накопившегося на подине. Холодная шихта на периферии рабочего пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой: при этом температура внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается с 1800-1900 до 900 - 1000 градусов Кельвина. На этом этапе футеровка рабочего пространства экранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно обеспечить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических возможностей печного трансформатора.
Когда количества наплавленного жидкого металла будет достаточно для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электрические дуги открываются и начинают гореть над зеркалом металлической ванны. Наступает этап "открытого" горения дуг, при котором происходит интенсивное прямое излучение дуг на футеровку стен и свода, температура повышается со скоростью до 30-100 градусов Кельвина в минуту и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью футеровки.
Современные дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном токе промышленной частоты. В дуговых печах прямого действия электрические дуги возникают между каждым из трех вертикальных графитированных электродов и металлом. Футерованный кожух в дуговых сталеплавильных печах имеет сфероконическую форму. Рабочее пространство перекрыто сверху купольным сводом. Кожух установлен на опорной конструкции с гидравлическим (реже с электромеханическим) механизмом наклона печи. Для слива металла печь наклоняют на 40-45 градусов, для скачивания шлака - на 10-15 градусов (в другую сторону). Печи оборудованы механизмами подъема и поворота свода - для загрузки шихты через верх печи, передвижения электродов - для изменения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и очистки печных газов. Отечественные плазменно-дуговые печи имеют вместимость от 0,5 до 200 тонн, мощность - от 0,63 до 125 МВт. Сила тока на мощных и сверхмощных плазменно-дуговых печей достигает 50-100 кА.