Пірометалургійні процеси за характером фізико-хіміч-них перетворень, що відбуваються поведінки компонентів, що беруть участь у процесі, і кінцевими результатами можна розділити на три групи: випал, плавка і дистиляція.
Випал - металургійний процес, проведений при високих температурах (500-1200°С) з метою зміни мінералогічного і хімічного складів перероблюваної сировини. Випалювальні процеси, за винятком випалу зі спіканням, є твердофазними.
У кольоровій металургії застосовують такі види випалювальних процесів:
1) кальцинуючий випал (прожарювання) проводять з метою розкладання (дисоціації) нагріванням хитких хімічних сполук - гідроксидів, карбонатів та ін. У загальному вигляді цей вид випалу описується такими рівняннями:
2Ме(ОН)3 ? Ме20,+ЗН20, (1.21)
МеСО3 ? МеО + СО2; (1.22)
2) окисний випал застосовують для підготовчої обробки сульфідних руд і концентратів з метою повного або часткового переведення сульфідів в оксиди:
2МеS + 3О2 ? 2МеО + SО2. (1.23)
Різновидом окисного випалу є сульфатизуючий випал:
МеS + 2О2 ? МеSО4. (1.24)
До окисного процесу належить також агломеруючий випал, (випал із спіканням). При цьому ставиться завдання одночасно з окиснюванням сульфідів спекти матеріал. Спікання відбувається за рахунок утворення при нагріванні деякої кількості рідкої фази, що при затвердінні зв'язує тугоплавкі дрібні частинки в грудковий пористий продукт – агломерат;
3) відновний випал проводять для відновлення вищих оксидів деяких металів до нижчих, наприклад:
3Fе2О3 + СО-+2FегО4 + С02. (1.15)
Магнезит Fе3О4 має високу магнітну сприйнятливість і може бути легко відокремлений від іншої породи магнітною сепарацією.
4) хлоруючий випал проводять з метою переведення оксидів або сульфідів у водорозчинні або леткі хлориди.
Плавка - пірометалургійний процес, проведений при температурах, що забезпечують у більшості випадків повне розплавлення перероблюваного матеріалу. Розрізняють два різновиди плавок - рудні і рафінувальні.
Рудні плавки бувають п'ятьох видів:
1) Відновна плавка. Її проводять з метою одержання металу за рахунок відновлення його оксидних сполук вуглецевими відновниками і переведення порожньої породи в шлак (сплав оксидів).
У загальному вигляді відновна плавка руд кольорових металів описується такою схемою:
(МеО,Sі02, СО, Fе2О3) + СаО ? (1.26)
руда
Ме + (Sі02, СаО, Fe 0) + СО2. (1.27)
метал шлак газ
У кольоровій металургії методом відновної плавки одержують, наприклад, свинець і олово.
2) Плавку на штейн, застосовують з метою переведення вилученого металу у напівпродукт, названий штейном (сплав сульфідів). Другим продуктом плавки є шлак, що концентрує в собі оксидні компоненти.
Цей вид плавки можна проводити в нейтральній, відновній або окисній атмосфері. В останньому випадку плавку часто називають концентраційною, тому що плавка в окисних умовах дозволяє одержувати штейни з великим вмістом (концентрацією) вилученого металу.
Схема концентраційної (окисної) плавки мідної сировини на штейн така:
(СuFеS2, FеS, SiO2, СаО) +
руда або концентрат (1.28)
(SіО2, СаО) + (О2, N2) ? штейн
флюс повітря (1.29)
Плавку на штейн у всіх її різновидах широко застосовують у металургії міді і нікелю. До окисних процесів переробки сульфідних розплавів належить також процес конвертування штейнів.
3) Електротермічна плавка (електроліз розплавлених солей). Плавку проводять при впливові постійного струму на розплавлене середовище, що складається з оксидів або хлоридів. Процес описується такого схемою:
МеО ? Ме+ + О2, або (1.30)
МеСl2 ? Ме2++2Сl-. (1.31)
Ме2+ + 2е ? Ме. (1.32)
На катоді - O2- - 2e ?O2.
На аноді - 2Сl2- - 2е ? Сl2.
При цьому на катоді виділяється метал у рідкому або твердому стані, а на аноді - газ (кисень або хлор).
Електроліз розплавлених солей можна застосовувати для одержання практично будь-якого металу. Проте внаслідок відносної дорожнечі процес застосовують тільки тоді, коли інші, більш дешеві методи плавок виявляються непридатними. Електроліз розплавів застосовують при одержанні алюмінію, магнію і деяких інших легких і рідкісних металів.
4) Металотермічна плавка. Її застосовують для одержання важковідновлювальних металів, схильних при взаємодії з вуглецем утворювати карбіди (МехСу), що надають їм крихкості.
В основі цієї плавки лежить принцип витиснення одного металу з його сполуки (оксиду, хлориду і т.п.) іншим, більш активним.
Металотермічну плавку застосовують для одержання ряду легких і рідкісних металів.
5) Реакційна плавка. Ґрунтується на одержанні металу за реакцією взаємодії його оксиду і сульфіду:
МеО + МеS - ЗМе + SO2. (1.33)
Реакційною плавкою, зокрема, одержують металеві мідь і свинець.
Рафінувальні плавки проводять з метою очищення металів від домішок. В основі їх лежать розбіжності в деяких фізико-хімічних властивостях основного металу і його домішок. Існують такі різновиди рафінувальних плавок.
1) Окисне (вогневе) рафінування. Ґрунтується на підвищеній спорідненості домішки до кисню в порівнянні з основним металом. Оксиди домішок, що утворюються при окиснюванні розплаву, спливають на його поверхню й утворюють шлак. Прикладом такого процесу служить вогневе рафінування чорнової міді.
2) Лікваційне рафінування. В основі цього процесу лежить утворення двох взаємно нерозчинних фаз і їхнє розшаровування (ліквація) за щільністю. Одна з фаз є металом, що рафінується, а друга повинна концентрувати в собі домішки. Утворення другої фази є наслідком зменшення розчинності домішки в металі при зниженні температури. Залежно під щільності ця фаза буде спливати на поверхню або занурюватися на дно розплаву в рідкому чи твердому стані. Процес широко застосовують у металургії свинцю.
3) Сульфідуюче рафінування застосовують для видалення домішок, що мають підвищену спорідненість до сірки. При цьому також утворяться дві незмішувані фази, які розділяються ліквацією. Цим методом видаляють, наприклад, мідь із свинцю.
4) Хлорне рафінування. Ґрунтується на розбіжності спорідненості металу і домішки до хлору. Утворені хлориди можуть спливати на поверхню розплаву або звітрюватися.
5) Дистиляція - процес випаровування речовини при температурі дещо вище точки її кипіння, що дозволяє сублімацією розділити компоненти оброблюваного матеріалу залежно від їх леткості. Дистиляційні процеси використовують як для переробки рудної сировини, так і для видалення легколетких домішок при рафінуванні або поділі металевих сплавів. Дистиляцію з метою рафінування називають ректифікацією.