Пи́рометаллу́ргия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах. Это отрасль металлургии , связанная с получением и очищением металлов и металлических сплавов при высоких температурах, в отличие от гидрометаллургии , к которой относятся низкотемпературные процессы.

Описание

Это химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах при высоких (800—2000°С) температурах, поэтому пирометаллургию иногда называют «химией высоких температур». Часто химические реакции сопровождаются изменением агрегатного состояния реагирующих веществ: плавлением , возгонкой , испарением образующихся металлов или их соединений. В таких процессах взаимодействия могут протекать между твёрдой, жидкой (расплавы) и газообразной фазами в любых сочетаниях.

Пирометаллургическими процессами являются процессы агломерации металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования металлов. В частности, это — обжиг , доменная плавка , , плавка в конвертерах , дуговых и индукционных печах. Пирометаллургия — основа производства чугуна , стали , свинца , меди , цинка и др.

В пирометаллургии часто применяется восстановление углеродом — в тех случаях, когда восстанавливаемые металлы не образуют устойчивых карбидов , помимо указанных выше, к таким металлам относятся германий , кадмий , олово и другие. В случаях образования восстанавливаемыми металлами устойчивых карбидов вместо восстановления углеродом часто применяется металлотермия .

Пирометаллургия — основная и наиболее древняя область металлургии. С давних времён до конца 19 столетия производство металлов базировалось почти исключительно на пирометаллургических процессах. На рубеже 19 и 20 столетий промышленное значение приобрела другая крупная ветвь металлургии — гидрометаллургия . Однако пирометаллургия продолжает сохранять господствующее положение как по масштабам производства, так и по разнообразию процессов.

В начале 20 столетия вместе с пламенными способами нагрева в металлургии начали использоваться разные виды электрического нагрева (дуговой, индукционный и др.); приблизительно в это же время в промышленности был внедрён электролиз расплавленных химических соединений (производство алюминия и других цветных металлов ).

Во 2-й половине 20 столетия получили распространение плазменная плавка металлов , зонная плавка и . Металлургические процессы, основанные на использовании электрического тока, выделяют в самостоятельную область пирометаллургии — электрометаллургию .

Основные процессы

Основным процессом пирометаллургии является рудная плавка, которая проводится при таких высоких температурах, когда продукты химического взаимодействия расплавляются, образуя две жидкие фазы — металлическую или сульфидную и шлаковую. Различают восстановительную и окислительную плавки.

Определяющий процесс восстановительной рудной плавки — это восстановление оксидов металла с получением в конечном итоге расплава металла или его сплава с другими элементами. Типичной восстановительной плавкой является получение чугуна в доменных печах . Восстановительные процессы являются также главными при плавке марганцевых, окисленных никелевых, свинцовых, титановых руд.

Основными реагментами-восстановителями служат углерод , оксид углерода и водород . Оксид углерода образуется в самой печи при неполном горении углерода; основное количество водорода получается в результате разложения вдуваемого в печь природного газа .

Разновидностью восстановительных плавок является металлотермическое получение металлов, при котором в качестве восстановителя какого-то металла ( Mn , Cr , V и др.) используется другой металл — с большим сродством к кислороду: Ca ; Mg ; Al , а также Si . Одним из достоинств металлотермического восстановления является получение металлов, не загрязненных углеродом или водородом.

Типичной окислительном рудной плавкой является переработка в шахтных печах богатых медных сульфидных руд. В ходе плавки окисляется основная доля серы сульфидных минералов, в результате чего выделяется значительное количество тепла. Основным целевым продуктом плавки является расплав сульфидов FeS и Cu ₂ S — штейн .

Чугун и штейн рудных плавок являются, по-существу, полупродуктами, которые требуют дополнительной обработки. Такая обработка заключается в продувке расплавов воздухом или чистым кислородом , в результате чего содержащиеся в сплавах примеси окисляются и переходят либо в шлак (SiO ₂ ; MnO ; FeO и др.), либо в газ (СО; SO ₂ ). Процесс называется конвертированием .

Аналогичным конвертированию является фьюминг-процесс — продувка газом шлаковых расплавов. Отличие его от конвертирования состоит в том, что металлический расплав продувают окислительным газом, а при фьюминговании шлака восстановительным. А во-вторых, продукты окисления металлического расплава — оксиды металлов — образуют вторую жидкую фазу — шлак, а продукты фьюмингования шлака — восстановленные легколетучие металлы (или сульфиды) в парообразном состоянии удаляются из реакционного пространства газовым потоком .

Примечания

Литература

• Малая горная энциклопедия . В 3 т. = Мала гірнича енциклопедія / (На укр. яз.). Под ред. В. С. Белецкого . — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3 .
• Коротич В. И. , Набойченко С. С. , Сотников А. И., Грачев С. В., Фурман Е. Л., Ляшков В. Б. (под ред. В. И. Коротича). Начала металлургии: Учебник для вузов. — Екатеринбург: УГТУ, 2000. — 392 с. — ISBN 5-230-06611-3 .