Файл: Методические указания к выполнению практических работ по по предмету металлургия редких металлов по направлениям бакалавриата.doc

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. И.А.КАРИМОВ
Кафедра «Металлургия »
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению практических работ по

по предмету:


«МЕТАЛЛУРГИЯ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ»
по направлениям бакалавриата 5310300 «Металлургия»


Алмалык – 2022 г.

СОСТАВИТЕЛИ:

Жалолов Б.А.
Методическое указание для выполнения практических работ по курсу “Химическая технология редких, благородных, рассеянных металлов» по направлениям бакалавриата 5310300 «Металлургия»/ Сост.: Жалолов Б.А.

В предоставленном методическом указание рассмотрены практические работы по металлургии некоторых тугоплавких и легких редких металлов: расчеты процесса обработки концентратов, огарков, восстановление окислов металлов, термодинамики процесса, параметров применяемых оборудований, процесса получения продуктов и полупродуктов металлургического производства, некоторых тугоплавких и легких редких металлов.

Методическое указание предназначен для студентов по направлению бакалавриата 5310300 «Металлургия»

ВВедение
Роль редких металлов в современной технике весьма велика. Электровакуумная техника и полупроводниковая электроника, атомная энергетика, авиация и ракетостроение, химическое машиностроение, производство специальных сталей, твердых, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов – таков, далеко не полный перечень областей техники, в которых широко используются редкие металлы.

Курс «Металлургия редких металлов» считается одним из необходимых предметов для студентов обучающихся по направление «Металлургия». По учебному плану предусмотрены лекционные, лабораторные, практические занятия.

---

Курс «Металлургия редких металлов» охватывает в себя технологию производства тугоплавких и легких редких металлов, характеристику сырья и их пирометаллургическую (окислительный или восстановительный обжиг, хлорирование, сплавление или спекание с реагентами, возгонка и т.п.) и гидрометаллургическую (разложение растворами кислот, щелочей, автоклавные процессы и т.п.) переработку, получение огарка, спека и др., методов глубокой очистки от примесей, химические и физические методы глубокой очистки, металлотермия, восстановление водородом, углеродом, а также методов порошковой металлургии.

В предоставленном методическом указание рассмотрены практические работы по металлургии некоторых тугоплавких и легких редких металлов: расчеты процесса обработки концентратов, огарков, восстановление окислов металлов, термодинамики процесса, параметров применяемых оборудований, процесса получения продуктов и полупродуктов металлургического производства, некоторых тугоплавких и легких редких металлов.

Данный практикум составлен по индивидуальному плану по курсу Металлургия редких металлов. Начиная со второй половины прошлого столетия в различных областях техники во все возрастающих масштабах находят применение химические элементы, ранее мало или вовсе не использовавшиеся в промышленности. Такие, новые в технике элементы получили название «редкие». В настоящее время к редким относятся 60 элементов Периодической системы (включая трансурановые элементы и благородные газы), из них около 50 – металлы.

Малая распространенность редких металлов в земной коре также не является общим признаком. Хотя большая часть редких металлов действительно характеризуется малым содержанием в земной коре, однако некоторые из них значительно более распространены, чем давно известные и хорошо освоенные в технике металлы. Например, титан стоит десятым в ряду распространенности, а редкие металлы литий, церий, бериллий, цирконий, ванадий содержится в земной коре в больших количествах, чем такие давно применяемые в технике металлы, как серебро, ртуть, олово, свинец.

Принятая техническая классификация объединяет редкие металлы в пять групп по различным для каждой группы признакам: легкие, тугоплавкие, рассеянные, редкоземельные и радиоактивные.

Легкие редкие металлы – три металла первой группы элементов (Li, Rb, Cs) и один – второй группы (Ве) включают металлы с малой плотностью (от 0,53 г/см

---

³ у лития до 1,87 г/см³ у цезия) и высокой химической активностью, что обусловливает образование ими химически прочных соединений.

Тугоплавким редким металлам относится титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден вольфрам и рений.

Отсутствие или редкая распространенность собственных минералов рассеянных редких металлов создает специфическую общую характеристику их технологии, связанную с их попутным извлечением из полупродуктов и отходов при переработке сырья основного металла, спутником которого является данный рассеянный металл.

Радиоактивные металлы объединяют элементы: полоний, радий, актиний и актиниды. Актиниды аналогичны по электронному строению лантанидам, так как в их атомах происходит достройка электронами глубокого 5f-уровня.

Цветная металлургия представляет собой в настоящее время самостоятельную, крупную и очень важную отрасль тяжёлой промышленности СНГ. Характерная особенность цветной металлургии резко отличающая её от черной, – это чрезвычайные разнообразные технологические процессы и печи, которые насчитывают более 60 разновидностей. Технологические процессы, протекающие в цветной металлургии, являются одновременно и энергетическими процессами, обеспечивающими необходимое для работы технологию поступления тепловой энергии.

В технологии производства редких металлов могут быть выделены следующие основные стадии:

1) разложение (вскрытие) рудных концентратов или промышленных отходов, содержащие редкие металлы, с помощью пирометаллургических (окислительный или восстановительный обжиг, хлорирование, сплавление или спекание с реагентами, возгонка и т.п.) или гидрометаллургических процессов (разложение растворами кислот, щелочей, автоклавные процессы и т.п.);

2) получение чистых соединений;

3) получение металла технической чистоты или сплавов на его основе;

4) рафинирование металла;

5) получение слитков, заготовок или изделий из металла или сплава на его основе с одновременным тонким регулированием их структуры.

В связи с тем, что многие редкие металлы дефициты, а их добыча и извлечение в ряде случаев относительно дорогие, особо важное значение в них производстве имеет максимальное извлечение металлов в готовую продукцию.

Практическая работа №1.

---

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА РАЗЛОЖЕНИЯ ШЕЕЛИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА В АВТОКЛАВЕ С ПОМОЩЬЮ СОДОВОГО РАСТВОРА
Цель работы: Ознакомление студента химическими процессами протекающими при разложение концентрата и действие различных соединений на качество получаемого продукта.
Задание: Рассчитать процесс выщелачивания и автоклав для разложения 20 т/сут шеелитового концентрата в содовом растворе. Состав концентрата, %: 56.0 WO₃; 0.1 Mo; 26.0 CaO; 3.5 SiO₂; 0.1 Cu; 0.1 P; 0.1 As; 0.1 Sn; 0.76 Fe; 0.8 S; 9.6 п.п.п.; 2.0 H₂O; 0.84 прочие.
Минералогический состав концентрата

По данным минералогических исследований, в исходном концентрате трехокись вольфрама находится в шеелите CaWO₄, молибден в повеллите CaMoO₄, медь в халькопирите CuFeS₂, фосфор в апатите Ca₃(PO₄)₂, мышьяк в скородите FeAsO₄, олово в касситерите SnO₂, железо, не связанное в халькопирите и скородите, находится в пирите FeS₂, окись кальция, не связанная в шеелите, повеллите и апатите, находится в кальците CaCO₃.

Расчет минералогического состава ведем на 100 кг концентрата.

Количество CaWO₄, кг:

WO3	CaO	CaWO4
232	56	288
56.0	a	б

Отсюда, а = 13,5 кг CaO; б = 69,5 кг CaWO₄.

Аналогично находим, что количество CaMoO₄ равно 0,21 кг (0,06 кг СаО, 0,05 кг О), Ca₃(PO₄)₂ – 0,5 кг (0,27 кг СаО, 0,13 кг О), FeAsO₄ – 0,26 кг (0,07 кг Fe, 0,09 кг 0,09 кг О), CuFeS₂ – 0,29 кг (0,09 кг Fe, 0,1 кг S), SnO₂ – 0,13 кг (0,03 кг О).

Количество FeS₂ определяем следующим образом. Количество железа, не связанного в халькопирите и скородите, составит: 0,76-(0,07+0,09)=0,6 кг. Тогда количество FeS₂ равно 1,3 кг (0,7 кг S).

Оценим количество CaCO₃. Количество СаО, не связанной в шеелите, повеллите и апатите, будет: 26-(13,5+0,06+0,27)=12,17 кг. Тогда количество CaCO₃ равно 21,77 кг (9,6 кг СО₂).

Количество кислорода в концентрате составит: 0,05+0,13+0,09+0,03=0,3 кг.

Минералогический состав шеелитового концентрата следующий, %: 69,5 CaWO₄ (56,0 WO₃, 13,5 СаО); 0,21 CaMoO₄ (0,1 Мо, 0,06 СаО и 0,05 О); 0,5 Ca₃(PO₄)₂ (0,27 СаО, 0,1 Р и 0,13 О); 0,26 FeAsO₄ (0,1 As, 0,07 Fe и 0,09 О); 0,29 CuFeS

---

₂ (0,1 Cu, 0,09 Fe и 0,1 S); 0,13 SnO₂ (0,1 Sn, 0,03 О); 1,3 FeS₂ (0,6 Fe, 0,7 S); 21,77 CaCO₃ (12,17 СаО, 9,6 СО₂); 3,5 SiO₂; 2,0 H₂O; 0,54 прочие.

Расчет материального баланса выщелачивания

Расчет расхода соды и состава продуктов выщелачивания. При автоклавно-содовом выщелачивании шеелитового концентрата протекают реакции:

CaWO₄ + Na₂CO₃ = Na₂WO₄ + CaCO₃ (I)

CaMoO₄ + Na₂CO₃ = Na₂MoO₄ + CaCO₃ (II)

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂ (III)

Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂CO₃ + 2H₂O = 2Na₂HPO₄ + 3CaCO₃ + 2NaOH (IV)

FeAsO₄ + Na₂CO₃ + 2H₂O = Na₂HAsO₄ + Fe(OH)₃ + CO₂ (V)

Соединения SnO₂, CuFeS₂, FeS₂, CaCO₃ и прочие с содовым раствором не реагируют и полностью переходят в кек.

По данным практики, принимаем следующие степени разложения соединений содовым раствором: 99 % для CaWO₄; 100 % для CaMoO₄; 65 % для SiO₂; 78 % для Ca₃(PO₄)₂; 100 % FeAsO₄.

По реакции (I). Количество CaWO₄, не разлагающегося и переходящего в осадок, равно 69,5·0,01=0,7 кг (0,56 WO₃, 0,14 СаО). Количество CaWO₄, разлагающегося в содой, 69,5·0,99=68,8 кг (55,44 WO₃, 13,36 СаО). Тогда:

CaWO4	Na2CO3	Na2WO4	CaCO3
288	106	194	100
68,8	А	б	в

Отсюда а = 25,4 кг Na₂CO₃ (14,9 кг Na₂O, 10,5 кг СО₂); б = 70,34 кг Na₂WO₄ (14,9 кг Na₂O, 55,44 кг WО₃); в = 23,86 кг CaCO₃ (13,36 кг СаО, 10,5 кг СО₂).

Аналогичными расчетами определяем количества расходуемых и образующихся соединений для последующих реакций.

По реакции (II). Количество CaMoO₄, разлагающегося содой, 0,21 кг (0,1 кг Мо, 0,06 кг СаО и 0,05 кг О₂). Тогда:

CaMoO4	Na2CO3	Na2MoO4	CaCO3
200	106	206	100
0,21	А	б	В

---