Metalurgia –

Leszek Rycerz

113 A3 13-15 pon wt

Pytania dotyczące reakcji metali z wodą kwasami zasadami

Przykładowe procesy metalurgiczne ( pirogeniczne- proces wielkopiecowy, tworzenie żużla),
szereg aktywności metali)

Metalurgia- nauka o materiałach i technologie dotyczące metali, oraz dalszej jej przeróbki,
metaloznawstwo; (przeróbka plastyczna, odlewnictwo, metaloznawstwo, metalurgia
ekstrakcyjna), przeróbka rud metali aż do produktu końcowego

Metalurgia ekstrakcyjna-zajmuje się procesami otrzymywania czystych metali lub ich stopów

 rafinacja metali
 Właściwe otrzymywanie metali
 pirogeniczne- wysokotermiczne, hydrotermiczne w wodzie)
 Produkcja stopów
 Odlewnictwo
 Obróbka powierzchniowa

Lantanowce- pierwiastki ziem rzadkich
Metaloidy – w zależności od sytuacji będą wykazywać właściwości metali lub niemetali

Charakter metaliczny rośnie w dół grupy i w lewą stronę( w obrębie grupy, okresu)

Metale

Niemetale

Wł. Atomowe

mało elektronów
walencyjnych

Więcej elektronów

Większe promienie atomowe Mniejsze promienie atomowe

Niższa energia jonizacji
Niższa elektroujemność

Większa en. Jonizacji
Większa elektroujemność

Wł. Fizyczna

Stałe w temp. pokojowe

3 st. skupienia

Dobre przewodnictwo
cieplne i elektryczne

Słabe

Kowalne i ciągliwe

Nieciągliwe i niekowalne

Wł Chemiczne

Oddając elektrony staja się
kationami, reagują z
niemetalami tworząc związki
jonowe

Przyjmują elektrony stają się
anionami, reagują z metalami
tworząc związki jonowe

mieszane z innymi metalami
tworzą stopy

Reagują z innymi
niemetalami tworząc związki
kowalencyjne

Litowce- reagują z wodą z wydzielaniem wodoru, litowiec o największym promieniu
atomowym jest najbardziej reaktywny, reaktywność maleje wraz ze zmniejszeniem się
promienia atomowego. Rubid i Cez eksplodują przy kontakcie z wodą.

Roztwarzalność berylowców w wodzie: (Beryl nie roztwarza się) :

Me+2H

2

O = Me

2+

+ 2OH

-

+ H

2

(Mg- reaguje na gorąco, a pozostałe – na zimno)

1)Wodór może być wydzielany z roztworem przez metale o ujemnym potencjale a więc
metale nieszlachetne. (podobnie roztwarza się cynk lub chrom)
Fe+2H

+

= Fe

2+

+H

2

Natomiast nie zajdzie reakcja roztwarzania miedzi w kwasie solnym, podobnie zachowuje się
srebro)
Cu+2H

+

=Cu

2+

+H

2

Nieszlachetne- wypierają wodór

Szlachetnie- nie wypiorą wodoru

2) Metale szlachetne roztwarzają się natomiast w roztworach wodnych silnych utleniaczy
(kwasy utleniające HNO

3

, st. gorący H

2

SO

4

)

Cu+H

+

+NO

3

-

=Cu

2+

+NO+ H

2

O

3) Złoto platyna i pallad nie roztwarzają się w kwasie azotowym oraz gorącym st. siarkowym;
potrafi je natomiast roztworzyć woda królewska(mieszanina stężonych kwasów:
solnego(HCl) i azotowego (HNO

3

) w stosunku objętościowym 3:1)

HCl+HNO

3

=H

+

+NO

3

-

+Cl

-

3Pt+16H

+

+4HNO

3

-

+18Cl

-

=3PtCl

6

2-

+4NO+8H

2

O

Au+4H

+

+NO

3

-

+4Cl

-

= AuCl

4

-

+NO+2H

2

O

4)Reakcje metali z wodorotlenkami
Cynk, cyna, glin roztwarzają się w wodorotlenkach z wydzielaniem wodoru, gdyż są to
metale amfoteryczne. Amfoteryczne pierwiastki  związki kompleksowe

Zn+2OH

-

+2H

2

O =[Zn(OH)

4

]

2-

+ H

2

Sn +

2OH

-

+4H

2

O =Sn(OH)

6

2-

+ 2H

2

Al +OH

-

+3H

2

O =Al(OH)

4

-

+ 3/2H

2

Amfoteryczne pierwiastki  związki kompleksowe

Metalurgia ekstrakcyjna- dział metalurgi zajmujący się otrzymywaniem

 Minerulgia- separacja bez zmiany składu chemicznego
 Metalurgia- separacja z zmianą chemiczna

RUDY  (uwalnianie, rozdrabnianie, przesiewanie, klasyfikacja)  NADAWA (zmieniona
ruda)  ( wzbogacanie, flotacyjne, grawitacyjne, magnetyczne) KONCENTRACJA (
metalurgia, wykop, ługowanie, elektrorafinacja) METAL

Metody wzbogacania wykorzystują różnice we właściwościach fizycznych składników rudy
(minerałów użytecznych i płonnych)

Cel wzbogacania:

Wydzielanie minerałów użytecznych w postaci koncentratu lub półproduktu
Separacja niepożądanych zanieczyszczeń i składników płonnych(opad)
Wyprodukowanie koncentratu metalu (wysoki uzysk wysoka jakość koncentratu)
rozdzielanie dwu lub kilku minerałów użytecznych (koncentraty różnych metali)

Właściwości

Sposób wykorzystania

Proces rozdziału

Wygląd

Cząstki (duże kawałki) o
wyraźnie odmiennej barwie,
strukturze, połysku, itp… są
oddzielone od reszty
materiału

Sortowanie ręczne

Gęstość

1.Cząstki o wysokiej gęstości
toną w cieczach ciężkich,
lekkie pozostają na
powierzchni

Separacja w cieczach
ciężkich

2. Złoże cząstek o różnej
gęstości uległa podziałowi
(cząstki ciężkie tworzą dolną
warstwę)

Koncentracja grawitacyjna

3. Ciężkie i lekkie cząstki
poruszają się wzdłuż różnych
dróg w przepływającej
warstwie wody

Koncentracja grawitacyjna

Podatność
magnetyczna

W polu magnetycznym
cząstki magnetyczne
poruszają się wzdłuż różnych
dróg w porównaniu z
cząstkami niemagnetycznymi

Separacja magnetyczna

Przewodnictwo
elektryczne

Cząstki o różnym
przewodnictwie ulegają
naładowaniu o różnym
stopniu i będą różnie
poruszać się w polu
elektrycznym

Separacja elektrostatyczna

Właściwości
powierzchniowe

Cząstki hydrofobowe ulegają
wyniesienu do piany
(koncentrat), cząstki
hydrofilowe opadają na dno
(opad)

Flotacja pionowa

KONCENTRAT- procesy chemiczne

 Pirometalurgia

o Bardzo stara metoda
o

Bezkonkurencyjna do rud o wysokiej zawartości minerału użytecznego,
prowadzona w duzej skali

o

Wysoka temp, duża szybkość reakcji

o Problemy  skażenie środowiska, wysokie zużycie energii, wysokie zapylenie

 Hydrometalurgia

o Zazwyczaj stosowana do rud o niższej zawartości i skomplikowanej budowie,

stosowana w mniejszej skali

o

Niższa temperatura, niższa szybkość reakcji

o

Pierwszy proces hydrometalurgiczny: przeróbka boksytów na początku 20
wieku

Przeróbka rud o wysokiej
zawartości

nieekonomiczna

Ekonomiczna

Ubogie rudy

Możliwa( selektywne
ługowanie

nieopłacalne

Rudy siarczkowe

Brak wmisji SO2, S

0

lub So4

produkowane

Emisja So2( może być
przerobiony w H

2

SO

4

)

Rozdział podobnych metali
(np. Ni i Co)

Możliwe ( różne metody)

Niemożliwy

Produkty zanieczyszczające
środowisko

Woda odpadowa, stałe i
ciekłe odpady

Gazy, pyły

skala

Mniejsza skała, możliwość
jej rozszerzenia

Nieekonomiczna , w małej
skali

Szybkość reakcji

Niższa niż piro

Duża

Metalurgia chemiczna

Hydrometalurgia

- ługowanie
-ekstrakcja rozpuszczalnika
-wytrącanie
- szuszenie

Pirometalurgia

-wytapianie

Elektrometalurgia

-elektroliza

Wstępna obróbka termiczna

- prażenie utleniające- stosuje się do konwersji trudno rozpuszczalnych siarczków metali do
postaci łatwo rozpuszczalnej
ZnS + 1,5 O

2

= ( 650st.) ZnO +SO

2

-prażenie niesiarczające stosuje sie celem przeprowadzenia minerału ( metal, tlenek) w łątwo
rozpuszczalne siarczany; prażenie SnO2, SnO, Sn ze stężonym H

2

SO

4

w temp. 400

0

C

SnO

2

+H

2

SO

4

---400

0

C---Sn(SO

4

)

2

+ 2H

2

O

Pirometalurgia żelaza
- ruda żelaza zawiera minerały tego metalu Fe

2

O

3

- hematyt, Fe

3

O

4

- magnetyt; ponadto jako

złoże występuje głównie krzemionka (SiO

2

)

-Otrzymywanie żelaza z jego rud polega na reprodukcji tlenków żelaza za pomocą węgla
i tlenku węgla, który jest szczególnie czynnym reduktorem, ponieważ jako gaz reaguje z
tlenkami żelaza w całej objętości pieca. Szybkość redukcji wzrasta ze wzrostem temperatury,
a wydzielanie produktów reakcji w stanie ciekłym sprzyja usuwaniu zanieczyszczeń, dlatego
proces przeprowadza się w wysokich temperaturach w tak zwanych wielkich piecach. Są to
wielkie konstrukcje mające do 30 m wysokości i 2000 m

3

pojemności.

- ładowanie pieca odbywa się od góry przez urządzenia zasypowe, przez które wprowadza
się: koks, rudę i topniki (dolomit, wapień), które ze złożem rudy tworzą w piecu łatwo
topliwą mieszaninę krzemianów wapnia, glinu, manganu zwaną żużlem. Koks wprowadzony
do wielkiego pieca spala się w strumieniu gorącego powietrza wdmuchiwanego przez dysze.
Wytworzony CO

2

przechodząc przez rozżarzone warstwy koksu redukuje się do tlenku węgla

-gorące gazy (CO i CO

2

) unosząc się ku górze ogrzewając wsad wielkopiecowy zsuwają się

ku dołowi. Procesy zachodzące w warstwach rudy zależą od temperatury wytworzonej w
dolnej strefie pieca. W najwyższych jego częściach następuje odwodnienie rury, przy
temperaturze 120-230

0

C. Redukcja rozpoczyna się w temperaturze 420

0

C i początkowo

polega na redukcji Fe(III) do Fe(II). W miarę posuwania się ku dołowi i dalszego wzrostu
temperatury następuje redukcja tlenków do metalu. W temp. 930

0

C redukująco działa również

węgiel. W miarę obsuwania się ładunku do dolnych, gorętszych części pieca, mających temp.
Większą niż 930

0

C, następuje stopienie żelaza i na skutek rozpuszczenia się w nim węgla i

innych pierwiastków powstaje stop żelaza z węglem (2,5-4,5%) oraz krzemem, fosforem,
manganem. Jest to surówka- produkt wielkiego pieca.
Proces wielkopiecowy- proces prowadzony w wielkim piecu i obejmujący: doprowadzenie
surowców (rud żelaza, koksu, topników) przez górną częśc pieca, wdmuchiwanie (od dołu)
gorącego powietrza i gazów spalinowych, redukcję tlenków żelaza do metalu, oddzielanie
skały płonej, spust surówki i żużla, odprowadzanie gazów wielkopiecowych.
Gaz wielkopiecowy-produkt uboczny w procesie wielkopiecowym. Skład zależy od wsadu
wielkopiecowego i zawarty jest w granicach 10-16% - CO

2

, 23-30% - CO; 0,3-4% - CH

4;

52- 60% N

2

. Na 1tonę surówki wydziela się do 4000m

3

gazu wielkopiecowego. Gaz

wielkopiecowy nie oczyszczony zawiera znaczna ilość pyłu. Wartość opałowa 3350-
3700kJ/m

3

. Stosowany do opalania nagrzewnic wielkopiecowych oraz baterii

koksowniczych.

Równocześnie z redukcją tlenków żelaza odbywa się też reakcja pomiędzy topnikami i
zanieczyszczeniami rudy. W wyniku tych reakcji tworzy się ciekły żużel, który spływa w dół
pieca i jako lżejszy od surówki tworzy warstwę na jej powierzchni.
W dolnej części pieca zachodzą reakcje utleniania węgla, które prowadzą do powstania CO
C+O

2

=CO

2

CO

2

+C =2 CO

Tlenek ten łatwo reaguje ze stopioną, w wysokiej temperaturze pod wpływem topników rudą
żelaza. Zachodzą następujące reakcje:

2

2

4

3

2

4

3

3

2

3

2

3

CO

Fe

CO

FeO

CO

FeO

CO

O

Fe

CO

O

Fe

CO

O

Fe



















Jest to tzw. Redukcja częsciowa, redukcja właściwa, czyli redukcja węglem zachodzi w
dolnej strefie wielkiego pieca, w której panuje najwyższa temperatura, dochodząca do ok.
1200-1500

0

C.

Wszystkie reakcje zachodzące w piecu:

2

2

2

2

4

3

2

4

3

3

2

950

400

2

)

(

2

4

3

1200

10

4

)

(

3

1200

2

2

900

800

3

2

900

800

3

3

2

3

2

)

(

2

6

H

CO

O

H

C

CO

Fe

C

FeO

CO

Fe

CO

FeO

CO

FeO

CO

O

Fe

CO

O

Fe

CO

O

Fe

CO

C

CO

PO

Ca

O

P

CaO

CaSiO

SiO

CaO

CO

MgO

MgCO

CO

CaO

CaCO

C

c

C

T

c

C

T

C

T

C

T























































































































Tworzenie gazowych reduktorów
C+H2O= CO + H2 >600 *c
C+CO2= 2 CO ( 1700
2C+O2= 2 CO( 1700
Redukcja tlenków żelaza
3 CO+ Fe2O3= 2Fe + 3 CO2 ( 900
3H2 + Fe2O3= 2Fe + 3H20 ( 900

Konwertorownie- proces oczyszczania zanieczyszczeń

Surówka zawiera ok. 4 % C;
Stal zawiera 0,1-1,2 % węgla ( większość stali zawiera mniej niż 0,5% C)
Usunięcie węgla- przedmuchiwanie tlenu przez stopioną surówkę
2Fe+ O

2

 FeO

FeO + C  Fe + CO

Produkcja cynku
1.prazenie utleniające
2.pirogenicza
- roztwarzenie w kwasie siarkowym

Hydrometalurgia jest metoda selektywnego wydzielania metali rud za pomocą procesów
zachodzących w roztworach wodnych; Najważniejszym procesem jest ługowanie:
Ługowanie roztworem H

2

SO

4

w obecności tlenu

Cu

2

S + O

2

+ 4H

+

=2Cu

2+

+S + 2H

2

O

Ługowanie roztworami cyjanków w obecności tlenu
4Au+8CN

+

+O

2

+ 2H

2

O= 4Au(CN)

2-

+ 4OH

-

Ługowanie alkaliczne boksytów
AlOOH +OH

-

+ H

2

O = [Al.(OH)

4

]

-

Pozostałe etapy procesów hydrometalurgicznych
-selektywne koncentrowanie: ekstrakcja, procesy membranowe, wymiana jonowa, flotacja
jonowa,
- wydzielenie metalu(metali): elektroliza, cementacja, redukcja ciśnieniowa wodorem,

-elektroliza Cu

2+

+2e= Cu

-cementacja Cu

2+

+Fe = Fe

2+

+Cu

-redukcja wodorem Cu

2+

+ H

2

= Cu + 2H

+