Процесс очистки цветных металлов от примесей это

Обновлено: 07.01.2025

Полная аморфизация достигается при такой скорости охлаждения , при которой в объеме жидкости не образуется ни одного зародыша критического размера. Т.е. этот критерий учитывает ограниченность роста зародышей.

Основную массу аморфных сплавов выпускают сейчас в виде тонких лент (шириной до 100-150 мм и толщиной 20-40 мкм). Аморфную ленту используют для изготовления высокоэффективных магнитных экранов, трансформаторов, бритвенных лезвий и др.

Методы получения аморфных материалов условно можно разделить на три группы:

1. Охлаждение со сверхвысокими скоростями (10 5 -10 7 град/с) расплавленного металла (закалка из жидкого состояния – сверхбыстрое закаливание).

2. Охлаждение металлов из газовой (паровой) фазы на охлаждаемую подложку (термическое испарение, ионное испарение, плазменное напыление и т.д.).

3. Разрушение кристаллической структуры твердого тела за счет внешних воздействий (ионная имплантация).

Ликвация и кристаллизация используются в качестве приемов очистки металлов от примесей (рафинирования). Это обусловлено тем, что в процессе ликвации и кристаллизации происходит перераспределение примесей (растворимых и нерастворимых), присутствующих в металле.

Сущность ликвационных методов

Под ликвацией понимается нарушение однородности расплава, протекающее в жидком или затвердевающем металле.

Ликвационный метод предусматривает охлаждение гомогенного рафинируемого расплава до определенной температуры и длительную выдержку при ней, при этом происходит выделение одной или нескольких фаз в жидком или твердом виде, одна из которых оказывается обогащенной примесью. Выделенные фазы вследствие различия плотностей с течением времени отделяются друг от друга. Т.е. движущей силой ликвации в расплаве является гравитационное поле.

Возможность осуществления того или иного ликвационного процесса следует из особенностей строения диаграмм состояния: «рафинируемый металл-примесь». Исходя из диаграмм состояния, можно выявить температурные условия, обеспечивающие достаточную полноту удаления примеси, а также количественные соотношения фаз, которые получаются в процессе ликвационного рафинирования.

Сущность кристаллизационных методов очистки металлов и полупроводниковых материалов

Кристаллизационные методы для очистки металлов и полупроводников применяются на конечной стадии рафинирования с целью удаления из расплава очень малых концентраций примесей.

К кристаллизационным методам относятся:

1. Нормальная направленная кристаллизация

В основе очистки металлов методами направленной кристаллизации лежит разность составов равновесных жидкой и твердой фаз. Количественной термодинамической характеристикой распределения примеси между твердой и жидкой фазами является равновесный коэффициент распределения К.

Для бинарных систем (А - основной компонент, В - примесь) равновесный коэффициент распределения равен отношению концентраций примеси в равновесной твердой и жидкой фазах:

В зависимости от вида диаграммы состояния примеси с основным компонентом равновесный коэффициент К может быть больше или меньше единицы (рис. 6.3).


Если примесь понижает температуру плавления основного компонента, то К < 1 (рис. 6.3, а). В процессе кристаллизации металла примеси с К < 1 преимущественно концентрируются в жидкой фазе, обогащая ее примесями.

При К > 1 (рис. 6.3, б) примесью обогащается твердая фаза.

Чем больше К отличается от 1, тем эффективнее можно осуществить очистку металла методами направленной кристаллизации.

При К = 1 очистка металла методами направленной кристаллизации невозможна.

Рафинирование металлов

Рафинирование металлов Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96‒99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на Р. Различают 3 основных метода Р.: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов Р.

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное Р. основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при Р. Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка , плазменная металлургия , вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Р. осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить Р. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При Р. стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации , дефосфорации , раскисления металлов , очищения его от неметаллических включений. Р. стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.

Электролитическое рафинирование, представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое Р. с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее положительное значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое Р. с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.

Химическое рафинирование основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим. путём ( гидролиз , цементация , образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена ). Примером химического Р. может служить аффинаж благородных металлов. Р. Au производят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

Лит.: Пазухин В. А. , Фишер А. Я., Разделение и рафинирование металлов в вакууме, М., 1969; Сучков А. Б., Электролитическое рафинирование в расплавленных средах, М., 1970; Рафинирование стали синтетическими шлаками, 2 изд., М., 1970.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

рафинирование металлов [metal refining] — процессы очистки первичных (черновых) металлов от нежелательных примесей или примесей, представляющих самостоятельную ценность. Различают 3 основных метода рафинирование металлов: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех лежит различие физико-химических свойств разделенных элементов: температур плавления, плотности, электропроводности и т.д. Для получения металлов повышенной чистоты часто используют последовательно несколько методов рафинирования металлов. Пирометаллургическое (огневое) рафинирование металлов, как правило, в расплавах, имеет ряд разновидностей. Способ применяют, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn, Ti. Так, при продувке расплава Cu воздухом (или техническим кислородом) примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn с большим сродством к кислороду, чем Си, образуют оксиды, всплывающие на поверхность ванны, и удаляются. Ликвационное разделения, основанное на разности температур плавления, плотностей компонентов, составляющих сплав, и на их малой взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового Pb из него при определенных температураx выделяются кристаллы Cu (так называемые шликеры), которые вследствии меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются для последующей переработки. Способ применения для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового Zn от Fe, Cu, Pb, очистки Sn и других металлов. При ликвационном рафинировании также в расплав вводят добавки, образующие с примесями соединения, не растворяющиеся в рафинируемом металле и переходящие в шлак (например, извлечение Au, Ag из Pb добавлением Zn в расплав). В основе рафинирования металлов ректификацией или дистилляцией — различие в температураx кипения основного металла и примесей. Рафинирование металлов осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяется. Способ используют для очистки расплавов от легкоплавких примесей, например Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. При рафинировании фракционной перекристаллизией используется различие в растворимости примесей металла в твердой и жидкой фазах. В узкой расплавленной зоне, создаваемой острофокусным источником нагрева-плазменным, лазерным или электронным лучом, высокочастотным индуктором и т. п., примеси концентрируются в жидкой фазе и постепенно перемещаются к концу заготовки по мере смещения зоны расплавления (Смотри Направленная кристаллизация, Зонная плавка). Способ преимущественно применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты. Применение вакуума интенсифицирует пирометаллургические процессы рафинирования металлов. Так, для дегазации и обезуглероживания тугоплавких металлов (W, Mb, Та и др.) применяется нагрев их в вакууме до температур, близких к tпл рафинируемого металла. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например,

Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .

Полезное

Смотреть что такое "рафинирование металлов" в других словарях:

Рафинирование металлов — Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96‒99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из за… … Большая советская энциклопедия

Рафинирование металлов — Рафинирование (нем. raffinieren, от фр. raffiner очищать): Очистка от посторонних примесей какого либо технического продукта: Рафинирование спирта. Рафинирование металлов очистка «грязных» металлов от примесей. Существует три основных метода… … Википедия

рафинирование металлов и сплавов — Технологические способы и приемы удаления примесей из цветных металлов, включая драгоценные, и/или их сплавов с целью приведения их качества в соответствие с нормативным документом. [ГОСТ Р 52793 2007] Тематики металлы драгоценные … Справочник технического переводчика

Рафинирование (очистка продукта) — Рафинирование (нем. raffinieren, от фр. raffiner очищать): Очистка от посторонних примесей какого либо технического продукта: Рафинирование спирта. Рафинирование металлов очистка «грязных» металлов от примесей. Существует три основных метода… … Википедия

Рафинирование — I Рафинирование (нем. Raffinieren, от франц. raffiner очищать) окончательная очистка продукта от примесей в металлургической, химической, пищевой и др. отраслях промышленности. II Рафинирование металлов, очистка первичных… … Большая советская энциклопедия

рафинирование ферросплавов — [ferroalloys refining] внепечной процесс очистки ферросплавов (обычно в жидком виде) от ненужных или вредных примесей, например, от углерода при обезуглероживании феррохрома в конвертере; от Al (Са) при обработке в ковше высокопроцентным… … Энциклопедический словарь по металлургии

рафинирование чугуна — [hot metal treatment] очистка чугуна от вредных (преимущественно S, Р) и нежелательных (например, Si) компонентов; осуществляется вне доменной печи. Внепечное рафинирование чугуна ведут разными способами: в струе металла с применением… … Энциклопедический словарь по металлургии

рафинирование стали — [steel refining] очистка жидкой стали от вредных и нежелательных примесей; осуществляется либо непосредственно в сталеплавильном агрегате на заключительной стадии плавки присадкой окислителей и восстановителей, наведением шлака определенного… … Энциклопедический словарь по металлургии

Рафинирование — [refining] (от французского raffiner очищать) окончательная очистка продукта от примесей в металлургической, химической и других отраслях промышленности: Смотри также: электролитическое рафинирование химическое рафинирование рафинирование чугуна … Энциклопедический словарь по металлургии

Рафинирование — (нем. raffinieren, от фр. raffiner очищать): очистка чего либо от посторонних примесей. Термин обычно используется для обозначения процесса очистки природных веществ, которые и так доступны в применимой форме, но будут ещё более… … Википедия

Рафинирование (нем. raffinieren , от фр. raffiner — очищать):

  • Очистка от посторонних примесей какого-либо технического продукта:
    • Рафинирование спирта.
    • Рафинирование металлов — очистка «грязных» металлов от примесей.

    Существует три основных метода рафинирования металлов — электролитический, химический и пирометаллургический.

    • Рафинирование сахара — превращение сахарного песка путем особой обработки в рафинад.

    См. также

    Wikimedia Foundation . 2010 .

    рафинирование металлов — [metal refining] процессы очистки первичных (черновых) металлов от нежелательных примесей или примесей, представляющих самостоятельную ценность. Различают 3 основных метода рафинирование металлов: пирометаллургический, электролитический и… … Энциклопедический словарь по металлургии

    УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

    Поскольку металлолом (обычно содержащий некоторое количество примесей цветных металлов) стано­вится основной составляющей метал-лошихты, содержание примесей цвет­ных металлов, которые переходят в металл из шихты, возрастает. Во мно­гих случаях, особенно при производ­стве качественных конструкционных сталей, присутствие даже сотых и ты­сячных долей процента нежелатель­ных примесей цветных металлов за­метно ухудшает свойства стали. Низ­кие температуры плавления и склон­ность ряда примесей к ликвации усугубляют положение.

    В качестве иллюстрации приведем ре­зультаты проведенного ЦНИИЧМ сравне­ния состава канатной стали, полученной из обычной шихты и из шихты с использова­нием чистого по примесям губчатого железа:

    Си Zn Sn As Sb
    Губчатое 0,015 0,0009 0,0009 0,0005 0,0011 железо Лом 0,20 0,0045 0,0034 0,012 0,0021
    Ni Co Mo Cr
    Губчатое железо 0,007 0,0014 0,0013 0,02 Лом 0,13 0,011 0,015 0,08

    Сравнение качества и механических свойств показало следующее: прочность, пластичность и результаты испытания про­волоки для канатов на перегиб и скручива­ние из стали, содержащей меньше примесей цветных металлов, оказались существенно выше.

    Сталеплавильные процессы харак­теризуются окислительным характе­ром газовой фазы. По химическому сродству с кислородом примеси цвет­ных металлов можно расположить в следующий ряд: Bi, Cu, Pb, Sb, Ni, Co, W, Sn, Mo, Fe,Zn, Cr, Mn, V, Si, Ti, B, Zr, Al, Mg, Ca. Все элементы, разме­щенные справа от железа, в процессе плавки стали окисляются. По химическому сродству к кислороду и тем­пературе испарения примеси цветных металлов, поступающие в сталепла­вильные агрегаты вместе с металлоло­мом, можно разделить на четыре груп­пы:

    1. Si, Al, Ti, Zr, В, V— обладают высоким химическим сродством к кислороду и окисляются до следов в первые периоды плавки.

    2. Мп, Сг — химическое сродство к кислороду близко к таковому для Fe; эти элементы распределяются между шлаком и металлом в зависимости от активности их оксидов в шлаке.

    3. Си, Ni, Sn, Mo, Co, W, As, Sb -химическое сродство к кислороду меньше, чем таковое у Fe; эти элемен­ты почти полностью остаются в стали в растворенном состоянии; удаление их из стали затруднительно.

    4. Zn, Pb — удаляются из агрегата вследствие своей легкоплавкости и летучести. Во время плавления ших­ты цинк (температуры плавления 419,5 °С, кипения 906 °С) улетучива­ется, окисляется и удаляется с отходя­щими газами; встречаясь на пути со сравнительно холодными поверхнос­тями, оксид цинка на них конденси­руется. В результате при переработке цинксодержащей шихты (например, пакетов из кровельного железа, быто­вых отходов и т. п.) на поверхности насадок регенераторов и в боровах мартеновских печей, на трубках кот­лов-утилизаторов конвертеров и т. п. откладывается слой оксида цинка, снижая стойкость и футеровки, и обо­рудования.

    Для исключения этих нежелатель­ных явлений необходима предвари­тельная высокотемпературная обра­ботка цинксодержащих отходов с од­новременным улавливанием цинка. Свинец (температуры плавления 327,4 °С, кипения 1750°С) или улету­чивается из агрегата при воздействии высоких температур (что вредно для здоровья), или, быстро расплавляясь, стекает вниз. Обладая при повышен­ных температурах высокой жидкоте-кучестью, он просачивается в малей­шие неплотности кладки. Образован­ные свинцом каналы могут привести к уходу металла через кладку. «Заражен­ная» свинцом футеровка может стать источником попадания свинца в ме­талл во время последующих плавок.

    Решением проблемы может быть организация предварительного подо­грева лома.

    Наиболее трудной задачей является удаление из металла элементов груп­пы 3. Такие элементы, как Ni, Co, Мо, W, Си, используют для легирования некоторых сталей. Если в перечне ма­рок, которые включены в заказ цеху, имеются стали, содержащие данные элементы, то, получив пробу металла с указанием на наличие этих элементов, можно выбрать соответствующую марку из общего пакета заказов. Если соответствующей марки в пакете зака­зов нет, то плавку или бракуют, или проводят выпуск с полученным содер­жанием этих элементов. Способы уда­ления их из стали не разработаны. Во многих случаях содержание в стали рядовых марок небольших количеств таких примесей, как Ni, Mo, Co, W, невредно (иногда даже полезно).

    Постепенное, но неуклонное повы­шение содержания в стали меди, попа­дающей в металл вместе с ломом, сти­мулирует поиск методов ее удаления, поскольку медь ухудшает качество стали таких групп, как электротехни­ческие, инструментальные, пружин­ные, высокопрочные, для глубокой вытяжки и т. д. Эффективные пути и методы снижения содержания меди пока не разработаны. Одним из воз­можных вариантов является перевод содержащейся в металле меди в суль­фид. Источником серы может быть такой минерал, как пирротин (маг­нитный колчедан), состоящий в ос­новном из Fe1-nS (n = 0,1-0,2). При по­падании пирротина в сталеплавильную ванну при определенных условиях воз­можна реакция между сульфидом желе­за и растворенной медью с образовани­ем сульфида меди, который переходит в шлак: 2 [Си] + (FeS) = (Cu2S) + Fe. При этом возрастает содержание в металле серы, определяемое значени­ем коэффициента распределения серы s = (S)/[S] для данного состава шлака.

    Таким образом, уменьшение содер­жания меди при этом методе обработ­ки сопровождается повышением со­держания серы, вследствие чего полученный после операции декупрации (удаления меди) металл должен под­вергаться обессеривающей обработке. Упомянутый способ на практике пока не используют, и задача разработки рациональной технологии декупрации остается нерешенной.

    Не менее сложной задачей является организация удаления таких приме­сей, как As, Sn, Sb и др. Одним из пер­спективных путей является организа­ция продувки металла порошками (например, на основе извести и плави­кового шпата) в струе кислорода.

    Интерес представляет способ рафи­нирования стали от примесей цветных металлов, основанный на использова­нии их испарения в вакууме. Возмож­ность и интенсивность испарения оп­ределяются давлением пара примеси /' над раствором

    Pi=Pº iXiYi,

    где Pº i — давление пара чистого элемента; xt и у/ — мольная доля и коэффициент актив­ности элемента в расплаве.

    Значение давления пара колеблется в широких пределах. Например, дав­ление пара железа 13,3, марганца 2600, а цинка 5,3 • 10 6 Па. По возрастанию давления пара чистые элементы (при 1600° С) можно расположить в следу­ющем порядке: W, Та, Mo, Zr, В, V, Ti, Со, Fe,Ni, Si, Cr, Cu, Al, Be, Sn, Mn, Pb, Sb, Bi, Mg, Zn. Отсюда следует, что при выдержке металла под пони­женным давлением можно достичь уменьшения содержания (вследствие испарения) таких трудноудаляемых примесей, как Си, Sn, Pb, Bi и др. Действительно, удаление этих при­месей происходит (например, при ва­куумном переплаве). Обычно кон­центрации примесей цветных метал­лов невелики, поэтому парциальные давления пара р/ очень малы. Соответ­ственно для испарения необходимо обеспечить глубокий вакуум и дли­тельную выдержку, что при массовом производстве затруднительно. Однако и в случае обработки глубоким вакуу­мом больших масс металла при его внепечной обработке какое-то коли­чество примесей цветных металлов удаляется вследствие их испарения, особенно при дополнительном пере­мешивании расплава.

    В целом же проблема рафинирова­ния стали от примесей цветных метал­лов еще ждет своего решения.

    Читайте также: