Цветная добывающая металлургия
Цветная добывающая металлургия — одна из двух отраслей добывающей металлургии , занимающаяся процессами восстановления ценных нежелезных металлов из руд или сырья . [1] [2] [3] такие металлы, как цинк , медь , свинец , алюминий, а также редкие и благородные металлы . Особый интерес в этой области представляют [4] в то время как более распространенный металл, железо , считается основной примесью. [5] [6] Как и добыча черных металлов, добыча цветных металлов направлена в первую очередь на экономическую оптимизацию процессов экстракции при отделении качественно и количественно товарного металла от его примесей ( жильных пород ). [7]
Любой процесс экстракции будет включать в себя последовательность этапов или единичных процессов отделения особо чистых металлов от нежелательных в экономически эффективной системе. Единичные процессы обычно делятся на три категории: пирометаллургия , гидрометаллургия и электрометаллургия . В пирометаллургии металлическая руда сначала окисляется посредством обжига или плавки . Целевой металл дополнительно очищается при высоких температурах и восстанавливается до чистой формы. В гидрометаллургии металл объекта сначала диссоциируют от других материалов с помощью химической реакции , а затем извлекают его в чистом виде с помощью электролиза или осаждения . Наконец, электрометаллургия обычно включает электролитическую или электротермическую обработку . Металлическая руда либо перегоняется в электролите , либо в растворе кислоты , затем магнитным способом осаждается на катодную пластину (электролиз); или выплавляют, а затем плавят в электродуговой или плазменно-дуговой печи (электротермическом реакторе). [8]
Еще одним важным отличием в добыче цветных металлов является больший упор на минимизацию потерь металла в шлаке . Во многом это связано с исключительной редкостью и экономической ценностью некоторых цветных металлов, которые в некоторой степени неизбежно выбрасываются в процессе добычи. [9] Таким образом, материальных ресурсов нехватка и нехватка вызывают серьезную обеспокоенность в цветной металлургии. Последние разработки в цветной добывающей металлургии теперь делают упор на переработку и переработку редких и цветных металлов из вторичного сырья ( лома ), обнаруженного на свалках . [10] [11]
История
[ редактировать ]Предыстория цветной добывающей металлургии
[ редактировать ]В целом доисторическая добыча металлов, особенно меди, включала два основных этапа: во-первых, плавка медной руды при температуре, превышающей 700 ° C, необходимая для отделения пустой породы от меди; во-вторых, плавление меди, для чего требуются температуры, превышающие температуру ее плавления 1080 ° C. [12] Учитывая доступные в то время технологии, достижение таких экстремальных температур представляло собой серьезную проблему. Первые металлургические заводы разработали способы эффективного повышения температуры плавки путем подачи в огонь принудительных потоков кислорода . [5]
Добыча меди, в частности, представляет большой интерес для археологических исследований, поскольку она доминировала над другими металлами в Месопотамии с раннего энеолита до середины-конца шестого века до нашей эры. [13] [14] Среди археометаллургов нет единого мнения о происхождении цветной добывающей металлургии. Некоторые ученые полагают, что добывающая металлургия могла быть открыта одновременно или независимо в нескольких частях мира. Самое раннее известное использование пирометаллургической добычи меди произошло в Беловоде , восточная Сербия , с конца шестого до начала пятого тысячелетия до нашей эры. [12] Однако есть также свидетельства выплавки меди в Таль-и-Иблисе , на юго-востоке Ирана , которые относятся примерно к тому же периоду. [15] В этот период медеплавильные заводы использовали большие вырытые ямы, заполненные углем, или тигли для добычи меди, но к четвертому тысячелетию до нашей эры эта практика начала постепенно вытесняться в пользу плавильных печей, которые имели большую производственную мощность. Начиная с третьего тысячелетия, изобретение многоразовой плавильной печи имело решающее значение для успеха крупномасштабного производства меди и активного расширения торговли медью в бронзовом веке . [5]
Самые ранние серебряные предметы начали появляться в конце четвертого тысячелетия до нашей эры в Анатолии , Турция . Добыча доисторического серебра тесно связана с добычей менее ценного металла - свинца ; хотя свидетельства технологии добычи свинца появились раньше серебра как минимум на 3 тысячелетия. [16] [17] Добыча серебра и свинца также связана с тем, что серебросодержащие (серебросодержащие) руды, используемые в этом процессе, часто содержат оба элемента.
В целом добыча доисторического серебра была разбита на три этапа: во-первых, серебряно-свинцовую руду обжигают, чтобы отделить серебро и свинец от пустой породы. Затем металлы плавятся при высокой температуре (более 1100 °C) в тигле, при этом расплавленный металл обдувается воздухом ( купеляция ). Наконец, свинец окисляется с образованием монооксида свинца (PbO) или впитывается в стенки тигля, оставляя после себя рафинированное серебро.
Метод купелирования серебром и свинцом был впервые использован в Месопотамии между 4000 и 3500 годами до нашей эры. Серебряные артефакты , датируемые примерно 3600 годом до нашей эры, были обнаружены в Накаде, Египет . Некоторые из этих литых серебряных изделий содержали менее 0,5% свинца, что явно указывает на купелирование. [16]
Раннее и позднее англосаксонское купелирование
[ редактировать ]
купеляция также использовалась в некоторых частях Европы К концу девятого-десятого века нашей эры для извлечения золота, серебра, цинка и олова. Здесь один из самых ранних примеров интегрированного единичного процесса извлечения более чем одного драгоценного металла был впервые представлен Теофилом примерно в двенадцатом веке. Сначала в тигле переплавляют золото-серебряную руду, но с избыточным количеством свинца. Затем сильный нагрев окисляет свинец, который быстро вступает в реакцию и связывается с примесями в золото-серебряной руде. Поскольку и золото, и серебро имеют низкую реакционную способность по отношению к примесям, они остаются после удаления шлака. Последний этап предполагает проставание, при котором серебро отделяется от золота. золота и серебра Сначала сплав раскатывают в тонкие листы и помещают в сосуд. Затем простыни были покрыты мочой , содержащей хлорид натрия (NaCl). Затем сосуд закрывают крышкой и нагревают в течение нескольких часов, пока хлориды не свяжутся с серебром, образуя хлорид серебра (AgCl). Наконец, порошок хлорида серебра затем удаляют и плавят для извлечения серебра, в то время как чистое золото остается нетронутым. [6]
Гидрометаллургия в китайской древности
[ редактировать ]Во времена Сун династии добыча меди в Китае сокращалась, и возникший в результате дефицит заставил горняков искать альтернативные методы добычи меди. Открытие нового «мокрого процесса» извлечения меди из шахтной воды было осуществлено между одиннадцатым и двенадцатым веками, что помогло смягчить потерю ее поставок .
Подобно англосаксонскому методу купелирования, китайцы использовали недрагоценный металл для извлечения целевого металла из его примесей. Сначала основной металл — железо — расковывают в тонкие листы. Затем листы помещают в ванну, наполненную «купоросной водой», то есть водой из добычи меди, которую затем оставляют настаиваться на несколько дней. Шахтная вода содержит соли меди в виде сульфата меди CuSO.
4 . Затем железо вступает в реакцию с медью, вытесняя ее из сульфат-ионов, в результате чего медь выпадает в осадок на железных листах, образуя «мокрый» порошок. Наконец, осажденная медь собирается и дополнительно очищается посредством традиционного процесса плавки. Это первое крупномасштабное использование гидрометаллургического процесса. [18]
См. также
[ редактировать ]- Процесс Холла – Эру
- Процесс Меррилла-Кроу
- Методы добычи меди
- Методы извлечения кобальта
- История металлургии в Китае
- Экспериментальная археометаллургия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гош, А. и Х.С. Рэй. Основы добывающей металлургии. 2-е изд. Нью-Дели: New Age International Ltd, 1991. стр. 1–10.
- ^ Рирдон, Артур К. Металлургия для неметаллургов. 2-е изд. США: ASM International, 2011. Стр. 11.
- ^ Хабаши, Ф. (2005). «Горное дело, металлургия и промышленная революция. Часть 3». Бюллетень ЦИМ . 98 (1091): 81–82.
- ^ Гош, А. и Х.С. Рэй. Основы добывающей металлургии. 2-е изд. Нью-Дели: New Age International Ltd, 1991. стр. 1–10.
- ^ Jump up to: а б с Поттс, Д.Т. (2012). Спутник археологии Древнего Ближнего Востока . Джон Уайли и сыновья. стр. 300–302. ISBN 978-1-4051-8988-0 .
- ^ Jump up to: а б Накамура, Такаши (2007). «Современное состояние и проблемы цветной добывающей металлургии» . Журнал MMIJ . 123 (12): 570–574. doi : 10.2473/journalofmmij.123.570 . ПроКвест 33106898 .
- ^ Васэда, Ёсио. Структура и свойства оксидных расплавов: применение фундаментальной науки к металлургической обработке. Сингапур: World Scientific Publishing, 1998. Стр. 174.
- ^ Матур, ВНС. «Управление отходами в горнодобывающей промышленности – некоторые соображения». Материалы Международной конференции по экологическому менеджменту в металлургической промышленности: EMMI 2000. Под ред. ЖК Гупта. Нью-Дели: Allied Publisher Ltd., 2000. 87. Интернет. 21 апреля 2013 г.
- ^ Васэда, Ёсио. Структура и свойства оксидных расплавов: применение фундаментальной науки к металлургической обработке. Сингапур: World Scientific Publishing, 1998. Стр. 174.
- ^ Гордон, РБ; Бертрам, М.; Гредель, Т.Э. (31 января 2006 г.). «Запасы металлов и устойчивое развитие» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (5): 1209–1214. дои : 10.1073/pnas.0509498103 . ПМК 1360560 . ПМИД 16432205 .
- ^ Джокич, Саша; Джокич, Бильяна (февраль 2005 г.). Стратегия переработки металлического вторичного сырья в Сербии . Конгресс EPD 2005 г., проведенный на ежегодном собрании TMS 2005 г. Сан-Франциско. ПроКвест 28530773 .
- ^ Jump up to: а б Радивоевич, Миляна; Ререн, Тило; Перницка, Эрнст; Шливар, Душан; Браунс, Майкл; Борич, Душан (ноябрь 2010 г.). «О происхождении добывающей металлургии: новые свидетельства из Европы». Журнал археологической науки . 37 (11): 2775–2787. Бибкод : 2010JArSc..37.2775R . дои : 10.1016/j.jas.2010.06.012 .
- ^ Киллик, Дэвид (декабрь 2009 г.). «От Каира до Кейптауна: распространение металлургии через Восточную и Южную Африку». Журнал мировой предыстории . 22 (4): 399–414. дои : 10.1007/s10963-009-9025-3 . S2CID 162458882 .
- ^ Forbes, RJ Исследования древних технологий: Том 4 серии «Исследования древних технологий». Том 9. Нидерланды: Брилл, 1964. 84–104.
- ^ Торнтон, CP; Ререн, Т. (январь 2007 г.). «Отчет о первом иранском цехе по доисторическому шлаку». Иран . 45 (1): 315–318. дои : 10.1080/05786967.2007.11869198 . S2CID 192248709 .
- ^ Jump up to: а б Гейл, Нью-Хэмпшир; Стос-Гейл, ЗА (ноябрь 1981 г.). «Кикладская металлургия свинца и серебра». Ежегодник Британской школы в Афинах . 76 : 169–224. дои : 10.1017/S0068245400019523 . JSTOR 30103034 . S2CID 137377867 .
- ^ Йенер, К.А. и Х. Озбал. «Обследование горнодобывающего района Болкардаг по серебру и свинцу в Древней Анатолии». Труды 24-го Международного симпозиума по археометрии (1986), стр. 309–317. Опубликовано: The Smithsonian Institution Press.
- ^ Нидхэм, Джозеф и Питер Дж. Голас. Наука и цивилизация в Китае. Том. 13. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1999, стр. 88,378–382. ISBN 978-0521580007