background image

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.  

 

background image

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

 Me+2H

2

O = Me

2+ 

+ 2OH

-

+ H

(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

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

+

=Cu

2+

+H

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

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

Au+4H

+

+NO

3

-

+4Cl

= AuCl

4

-

+NO+2H

2

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

Sn +

2OH

-

+4H

2

O =Sn(OH)

6

2-

 + 2H

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  

background image

 

background image

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 

 

 

 

 

background image

KONCENTRAT- procesy chemiczne 

  Pirometalurgia 

o  Bardzo stara metoda 

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

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 

Niższa temperatura, niższa szybkość reakcji 

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 

 

 

background image

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

SnO

2

+H

2

SO

4

---400

0

C---Sn(SO

4

)

2

+ 2H

2

 

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

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. 

background image

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

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 

background image

 

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

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

]

 

background image

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