Получение d-металлов

В промышленной металлургии d-М обычно выделяют из оксидов (в которые обжигом переводят и сульфиды). Восстановление оксидов проводят металлотермически или более дешевым методом – карботермией (при получении Zn, Mn, Fe и др.).

Причем железо из оксидных руд все еще выплавляют старым доменным методом. Сверху в домну загружают чередующимися слоями руду, кокс и флюсы. (В качестве флюса чаще берут CaO – для понижения т.пл. смеси и для связывания фосфора и серы, соединения которых являются примесями руды). Снизу подают воздух, иногда обогащенный О₂. Таким образом, в домне (по мере продвижения слоев сверху вниз) идут реакции:

а также частично:

и др.

Образующиеся расплавы железа и шлака (соли кальция) после накопления их внизу домны выпускаются отдельно: сначала шлак, как более легкий слой, – через верхнее отверстие, а затем более тяжелый слой Fe – через нижнее.

Железо, полученное таким способом, называется чугуном. Он содержит значительное количество примесей, в частности, 2 – 4 % углерода, вследствие чего хрупок. Однако чугун имеет большую твердость и низкую цену, поэтому из него делают ограды, решетки парков и др.

Значительная доля чугуна переплавляется в специальных печах при подаче О₂ и добавлении флюсов (например, СаО). При этом уменьшается количество примесей; в частности, содержание углерода в результате его выгорания падает до 0, 3 – 2 %. Как следствие, резко снижается хрупкость, но сохраняется твердость. Такой материал называется твердой сталью. Она идет на изготовление инструментов.

Если содержание С менее 0, 3 %, то железо пластично – это мягкая сталь. Из нее делают кузова автомобилей, консервные банки, кровельное железо и т.п. Однако ниже –40 °С и эта сталь становится хрупкой. Лишь железо, в котором примеси составляют менее 0, 01%, остается пластичным даже при температуре сжижения азота (–196 °С).

Доменные печи имеют много недостатков, в частности, требуют коксующихся углей (т.е. богатых углеродом), а их на Земле остается все меньше. К тому же доменные процессы очень трудоемки и сильно загрязняют окружающую среду.

Поэтому в последнее время все чаще применяют методы прямого восстановления железа водородом (или метаном) из руды (предварительно обогащенной и изготовленной в виде шариков диаметром 12 – 15 мм). Процесс идет при температуре ниже т.пл. Fe; как следствие, продукт получается сразу твердым, но губчатым. Он содержит 93 % железа и используется при выплавке легированных сталей.

Описанные способы получения d-М относятся к пирометаллургическим (т.е. высокотемпературным). Однако по мере выработки богатых руд в производство вовлекается бедное сырье, поэтому более эффективными становятся гидрометаллургические (низкотемпературные) методы. То есть обработка руд водными растворами реагентов, например, серной кислоты. А из образующихся растворов металлы восстанавливают электротоком (электрометаллургия). Так получают Co, Ni, Cu и Zn, например, на Норильском металлургическом комбинате.

Электрометаллургия включает также процессы, в которых электроэнергия используется для расплавления металлов, в частности, при их легировании.