Получение и применение
цветных металлов и сплавовЦветные металлы
Руду цветного металла добыли из земли и
очистили от большей части пустой породы (см. ст. "Добыча угля и руды").
Но даже самый лучший рудный концентрат только сырье. Из него еще
нужно извлечь металл.
При обогащении руды разрушались сравнительно
слабые связи между различными минералами. Теперь же нужно вторгнуться внутрь
минерала, внутрь соединения, порвать крепчайшие химические связи между
элементами. Тут не обойдешься действием центробежной силы, силы тяжести
или пузырьков пены. Пришла пора более мощных средств, и прежде всего высоких
температур. Та отрасль металлургии, которая их использует, носит название
пирометаллургии (от греческого слова "пир" - огонь).
Главные спутники цветных металлов в рудах
-сера, железо и кислород. Их-то и нужно удалить. Сначала попытаемся "расправиться"
с серой. Металлы связаны с ней так, что "соглашаются" только на обмен -
место серы должен временно занять другой элемент. Обычно им оказывается
кислород. А проходит эта обменная операция при обжиге руд: сера выгорает,
и на ее место "вторгается" кислород. В конечном счете перед металлургом
опять соединение - только на этот раз окисел. Иногда ту же роль, что и
кислород, играет хлор. В этом случае концентрат не обжигают, а хлорируют.
Наступает ответственный момент - "прощание"
с кислородом или хлором. Принцип очень прост: кислороду "предлагают" какой-нибудь
"лакомый" для него элемент - углерод, водород, кремний. А титан или цирконий,
например, можно освободить от хлора с помощью магния.
Называется этот процесс восстановлением
металлов. Чтобы он мог протекать, призывают на помощь высокие температуры,
расплавляя получаемые металлы, их соединения и металлы-восстановители.
А хлориды металлов при таких температурах даже кипят и испаряются. Некоторые
металлы получают в твердом виде. Тогда они имеют много пор, пленок, игл
и похожи на губку (например, титановая губка).
Посмотрим, как получают медь на современных
заводах.
Попробуйте смешать в бутылке воду и растительное
масло и дайте смеси постоять. Как ни перемешивай, обычно масло в конце
концов всплывает. Вот гак же не могут смешаться с металлом и обязательно
всплывают более легкие, чем металл, жидкие шлаки. Внизу, под слоем шлаков,-
расплавленный металл или богатый им сплав. Все это происходит в огромной
печи, внутрь которой грузится концентрат и флюсы. Вдуваются топливо и воздух.
На поду такой печи и у ее стен плавится под действием пламени концентрат.
Эта печь напоминает мартен (см. ст. "Мартеновская печь"). Выходят из печи
отдельно жидкие шлаки и жидкий штейн - так называют сплав меди с
железом, серой, серебром, золотом, цинком и другими элементами.
Штейн затем заливают в конвертеры. В них,
как и при переработке чугуна, через штейн продувается воздух. Так выжигается
сера, удаляется железо. Но уходят на это не минуты, как в сталеплавильных
конвертерах, а часы. Зато теперь вместо штейна получается черновая медь.
Примесей в ней только 1-2%, а не 70-80%, как было в штейне. Но и их нельзя
оставлять.
Снова вступает в дело огонь. Следующая
стадия очистки меди так и называется - огневое рафинирование.
Здесь
выжигаются остатки серы и некоторых других элементов. И опять при этом
часть меди окисляется. Чтобы вновь освободить медь от кислорода, в ванну
с расплавом погружают деревянные жерди и словно дразнят ими медь. Расплав
при этом бурлит, фыркает, как разъяренный зверь. Про эту операцию так и
говорят - идет дразнение. Потом в печь забрасывают древесный уголь.
Дерево и древесный уголь отбирают у меди кислород. Теперь примесей уже
только десятые доли процента, и среди них золото и серебро.
Когда-то с этим приходилось мириться. Теперь
можно идти дальше. Медь отправляется на электролиз. Пластина очищаемой
меди в качестве анода помещается в электролитическую ванну с раствором
серной кислоты и медного купороса. В ванну опускают еще тонкий лист чистой
меди - катод - и включают ток. Электрический ток переносит на катод только
медь. Золото, платина, серебро опускаются на дно ванны. Другие примеси
остаются в растворе.
Электролиз помогает металлургам и в получении
алюминия из расплавленного соединения этого металла с кислородом.
Очень сложную задачу поставил в свое время
перед металлургами этот важнейший из цветных металлов. Его концентрат -
глинозем (окись алюминия) плавится при очень высокой температуре, 2000°
С и выше (почти на 1000° С выше точки плавления меди), и не отдает кислород
углероду. Чтобы понизить температуру плавки, пришлось искусственно снижать
концентрацию алюминия в электролитической ванне - растворять глинозем в
расплавленном криолите. Точка плавления такого раствора уже ниже 1000°
С. А это устраивает металлургов.
В расплаве-растворе молекулы глинозема
распадаются на составные части - ионы алюминия и ионы кислорода. Электрический
ток захватывает алюминий и "укладывает" его на катод. В данном случае катодом
служит угольное дно самой ванны, на котором скапливается жидкий расплавленный
алюминий.
Титан и магний, кальций и бериллий и многие
другие металлы тоже получают с помощью электролиза, разлагая их соединения
с хлором. Но чтобы сделать эти соли жидкими, требуется нагревать их до
500-700° С, правильно подобрав состав электролита.
Однако металлурги в ряде случаев умеют
обходиться без такого нагрева. Кроме пирометаллургии существует
гидрометаллургия
(от
греческого слова "гидро" - вода). Тут металл переводится в раствор с помощью
химического растворителя. Им может оказаться и просто вода, и растворы
кислот, щелочей и солей.
Извлечь чистый металл из раствора его соединения
сравнительно легко. В одних случаях пускают в ход электролиз. В других
прибегают к обменным химическим реакциям. Вы, наверное, знаете, что, если
опустить в раствор медного купороса кусок железа, хотя бы бритвенное лезвие,
на нем начнет осаждаться медь. В обмен в раствор уходят ионы железа. Тот
же по существу процесс идет в заводских масштабах на предприятиях, получающих
медь. Чтобы выделить медь из раствора электролизом, нужно залить этот раствор
в ванну, в которой, как и при рафинировании меди, установлены анод и катод.
Но анод здесь делают из свинца.
Почти так же получают в электролитных ваннах
цинк. Особенно широко применяется гидрометаллургия при переработке цинковых
концентратов.
В нашей стране есть комбинаты, которые
из одного концентрата добывают 8, 11, 14, 17 химических элементов. А в
Германской Демократической Республике из мандсфельдских нефтяных сланцев
извлекают даже 25 элементов.
Чтобы получить несколько элементов из многоэлементного
концентрата - металлурги называют такой концентрат
комплексным
(или
полиметаллическим),- на отечественных заводах их последовательно
выделяют из раствора, каждый раз особым реактивом. Так, при переработке
цинковых концентратов сначала отделяют в осадок свинец и с ним индий и
часть цинка, потом осаждают медь, кадмий, кобальт. Затем принимаются за
переработку свинцового осадка - разделяют свинец, индий и цинк.
В таких электролизных ваннах при температуре
почти 1000° С получают алюминий из глинозема. На снимке:
электролизные
ванны Надвоицкого алюминиевого завода в Карелии.
Выделить сразу чистые осадки не удается.
Их приходится растворять, переочищать, опять осаждать, фильтровать, промывать.
Процесс этот длительный, дорогой. Поэтому в металлургию все больше проникают
иониты - особые синтетические смолы. Погруженные в соответствующий
раствор, они забирают из него только, скажем, сложные ионы золота. Химики
утверждают даже, что иониты сделают выгодной, например, добычу драгоценных
металлов из морской воды.
Добыча и получение цветных металлов имеют
огромное народнохозяйственное значение. Ведь в ряде случаев цветные металлы
просто незаменимы. Алюминий - "король воздуха" - основной материал
в самолетостроении. Его главный помощник в сверхзвуковой авиации - титан.
Титановые сплавы несколько тяжелее алюминиевых, но зато прочнее их
и выдерживают вдвое более высокую рабочую температуру. Чистый титан отлично
работает в растворах солей и кислот. Из него поэтому делают насосы, трубы,
краны для гидрометаллургических цехов.
Алюминий в то же время помощник и конкурент
меди в электропромышленности, олова - в изготовлении консервных банок,
бронзы и свинца - в оболочках электрокабелей. Проник алюминий и в строительство:
из него делают оконные рамы и переплеты, различные облицовочные детали
красивой окраски. Появляются и здания, конструкции и стены которых сооружены
из алюминия и его сплавов. Из алюминиевых порошков делают взрывчатые вещества.
Медь по-прежнему важнейший металл
электропромышленности.
Ртуть тоже "обслуживает" одновременно
многие отрасли хозяйства - медицину (термометры, лекарства), горное дело
(гремучая ртуть в детонаторах), электротехнику, лаборатории ученых, химическую
промышленность, производство золота и т. д.
Золото и платина
доказали
в последние годы, что их не зря называют благородными и драгоценными металлами.
Но истинная причина их ценности, конечно, не только в их красоте.
Золото оказалось хорошим металлом для пайки
и используется сейчас в ядерных реакторах, в деталях ракет и самолетов
(прежде всего в реактивных двигателях).
Перед тугоплавкой платиной тоже широко
открыты двери космической и атомной промышленности, электроники и т. д.
Но, может быть, самое важное применение ее в качестве катализатора во многих
областях химической промышленности. Это, пожалуй, лучший из известных нам
ускорителей химических реакций.
Неожиданно возросла потребность в серебре.
Промышленность требует его больше, чем можно добыть в рудниках. Идут
в переплавку серебряные монеты и слитки из банковских подвалов. Соединения
серебра входят в состав кино- и фотопленок; серебро губит бактерии, поэтому
им покрывают поверхности многих устройств в пищевой и консервной промышленности;
используют его и для обеззараживания воды. Чистое серебро благодаря своей
высокой электропроводности - отличный материал для изготовления многих
ответственнейших деталей в электропромышленности.
От металлургов требуется умение получать
эти металлы в чистом или очень чистом состоянии. В металлах обычной чистоты
допускают 0,01-0,1% примесей, в более чистых металлах - только 0,001-0,01%.
Но иногда требуется металл такой чистоты, что счет примесям ведут уже не
на проценты, а на атомы, допуская, например, лишь один атом примеси на
миллиард атомов основного металла. Но в чистом виде цветные металлы применяют
далеко не всегда. Чаще их используют в виде сплавов, о которых и пойдет
дальше речь.
Сплавы
Еще древние мастера знали, что добавка
очень мягкого олова к мягкой меди дает твердую прочную бронзу.
Чтобы
приготовить ее, нужно взять медную стружку, нарубить кусочками олово, смешать
их и нагреть. Смесь расплавить легче, чем чистую медь. При этом получится
однородный расплав. При охлаждении он затвердевает, и образуется однородное
твердое металлическое вещество - сплав меди и олова - бронза.
Итак, сплав в нашем случае - это вещество,
состоящее из 2 металлов. В более сложных сплавах присутствуют 5-6 металлов.
В образовании сплавов принимают участие и неметаллы: кремний, мышьяк, фосфор,
углерод и другие элементы. Не все металлы сплавляются. Например, не удается
сплавить такие похожие металлы, как цинк и свинец. Расплавившись, они образуют
2 слоя: нижний - свинцовый с примесью цинка и верхний - цинковый с примесью
свинца.
Есть пары металлов, не сплавляющиеся совсем.
Но эти пары встречаются редко. Чаще металлы во время сплавления образуют
соединения. Таким образом получаются новые вещества с замечательными свойствами.
Особые свойства уже известной нам бронзы получены соединением меди с оловом.
Ценные в машиностроении сплавы латуни получаются на основе соединений
меди с цинком.
Замечательный сплав дуралюмин
содержит
91-92% алюминия, 4-5% меди и примерно по одному проценту марганца, магния,
кремния и железа. Его прочность в 4-6 раз превышает прочность чистого алюминия.
Большая прочность металла обеспечивается главным образом соединением меди
с алюминием.
Для резания металлов со скоростями в тысячи
метров в минуту применяют соединение вольфрама с углеродом - карбид
вольфрама, скрепленный кобальтом. Для сравнения укажем, что резцы из
простой вольфрамовой стали могут работать со скоростью всего 10-15 м/мин.
Из сплавов никеля с хромом и железом
делают, например, проволоку с высоким электрическим сопротивлением
для электропечей и нагревателей; кислотоупорные листы и трубы для работы
в химической промышленности; жаропрочные детали двигателей реактивных самолетов.
Немагнитный алюминий, соединяясь с никелем
и кобальтом, дает исключительно сильные магниты для приборостроения.
Современное книгопечатание было бы невозможно
без применения типографских сплавов, состоящих из свинца, сурьмы
и олова.
Наш рассказ о применении цветных металлов
и их сплавов очень краток. Производство цветных металлов и сплавов - сложная
наука. Ему посвящены труды многих знаменитых ученых. Это интересная специальность,
которая может стать делом всей жизни инженера и ученого.
| 