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 иметь собственную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлечённых из медной шихты, полностью окупает все затраты на рафинирование. Различают 3 основных метода рафинирования: пирометаллургический , электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств элементов: температуры плавления, плотности, электроотрицательности и других. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько способов рафинирования.

В англоязычной литературе выделяют Купеллирование, Процесс Патиссона, Процесс Паркеса. Для меди применяют Огневое рафинирование и электролитическое рафинирование.

Пирометаллургическое рафинирование

Осуществляется при высокой температуре в расплавах и имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с O , 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 , имеющих большее сродство к кислороду, чем Cu , образуют оксиды, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются.

Ликвацийное разделение основано на различии температур плавления и плотности 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 P , Sn и других металлах.

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. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации фракций, удаляемых многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить рафинирования. Способ применяется при очистке Zn от Cd , Pb от Zn , при разделении Al и Mg , в металлургии Ti и других процессах. Безвоздушное просеивания жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn ) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При рафинировании стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность соприкосновения 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 , очистки его от неметаллических включений. Редактирование состава стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых оксидов, прилипают к пузырькам газа и плавают на поверхность расплава.

Электролитическое рафинирование

Электролитическое рафинирование является электролизом водных растворов или солевых расплавов и позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое рафинирование с растворимыми металлами заключается в анодном растворении металлов очищаемых и осаждении на катоде чистых металлов как следствие приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно из-за различий электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого нуля + 0,346, в Au и Ag эта величина имеет более положительное значение, а у Ni , Fe , Zn , Mn , Pb , Sn , Co нормальный электродный потенциал отрицательный. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, здесь 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 рафинирование 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 накапливаются в растворе, выделяются из него химическим путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического рафинирования может служить аффинаж благородных металлов. Рафинирование Au проводят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu , Ag и других металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

Литература

• 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.
• В. П. Мовчан, М. М. Бережний. Основи металургії. Дніпропетровськ: Пороги. 2001. 336 с.