Цветная металлургия является одной из двух отраслей извлекаемой металлургии , которая относится к процессам восстановления ценных, не железных металлов из руд или сырья . [1] [2] [3] Такие металлы, как цинк , медь , свинец , алюминий , а также редкие и благородные металлы представляют особый интерес в этой области, [1] в то время как более распространенный металл, железо , считается основной примесью. [4] [5] Как и извлечение черных металлов, извлечение цветных металлов в первую очередь сосредоточено на экономической оптимизации процессов извлечения при отделении качественно и количественно товарных металлов от их примесей ( пустой породы ). [6]
Любой процесс извлечения будет включать последовательность этапов или единичных процессов для отделения высокочистых 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 далее очищается при высоких температурах и восстанавливается до своей чистой формы. В гидрометаллургии металлический объект сначала отделяется от других материалов с помощью химической реакции , который затем извлекается в чистой форме с помощью электролиза или осаждения . Наконец, электрометаллургия обычно включает электролитическую или электротермическую обработку . Металлическая руда либо перегоняется в электролите или кислотном растворе, затем магнитно осаждается на катодную пластину (электровыделение); или плавится, а затем плавится с использованием электродуговой или плазменно-дуговой печи (электротермический реактор). [7]
Другим важным отличием в извлечении цветных металлов является больший акцент на минимизацию потерь металла в шлаке . Это в значительной степени обусловлено исключительной редкостью и экономической ценностью некоторых цветных металлов, которые, в некоторой степени, неизбежно выбрасываются в процессе извлечения. [6] Таким образом, дефицит и нехватка материальных ресурсов вызывают большую озабоченность в цветной металлургии. Недавние разработки в области извлечения цветных металлов в настоящее время подчеркивают переработку и рециклинг редких и цветных металлов из вторичного сырья ( лома ), обнаруженного на свалках . [8] [9]
В целом, доисторическая добыча металлов, особенно меди, включала два основных этапа: во-первых, плавка медной руды при температурах, превышающих 700 °C, необходимая для отделения пустой породы от меди; во-вторых, плавка меди, которая требует температур, превышающих ее точку плавления 1080 °C. [10] Учитывая доступные в то время технологии, достижение этих экстремальных температур представляло собой значительную проблему. Ранние плавильщики разработали способы эффективного повышения температуры плавки, подпитывая огонь принудительными потоками кислорода . [4]
Извлечение меди, в частности, представляет большой интерес для археометаллургических исследований, поскольку она доминировала над другими металлами в Месопотамии с раннего халколита до середины-конца шестого века до нашей эры. [11] [12] Среди археометаллургов нет единого мнения о происхождении цветной добывающей металлургии. Некоторые ученые полагают, что добывающая металлургия могла быть одновременно или независимо открыта в нескольких частях мира. Самое раннее известное использование пирометаллургического извлечения меди имело место в Беловоде , восточная Сербия , с конца шестого по начало пятого тысячелетия до нашей эры. [10] Однако есть также свидетельства выплавки меди в Тал-и-Иблисе , юго-восточный Иран , которые датируются примерно тем же периодом. [13] В этот период медеплавильные заводы использовали большие вросшие ямы, заполненные углем, или тигли для извлечения меди, но к четвертому тысячелетию до нашей эры эта практика начала постепенно уступать место плавильной печи, которая имела большую производственную мощность. Начиная с третьего тысячелетия, изобретение многоразовой плавильной печи имело решающее значение для успеха крупномасштабного производства меди и устойчивого расширения торговли медью в бронзовом веке . [4]
Самые ранние серебряные предметы начали появляться в конце четвертого тысячелетия до нашей эры в Анатолии , Турция . Доисторическая добыча серебра тесно связана с добычей менее ценного металла, свинца ; хотя свидетельства технологии добычи свинца предшествуют серебру по крайней мере на 3 тысячелетия. [14] [15] Добыча серебра и свинца также связана, поскольку руды, содержащие серебро , используемые в этом процессе, часто содержат оба элемента.
В целом, доисторическое извлечение серебра делилось на три этапа: во-первых, руда из серебра и свинца обжигается, чтобы отделить серебро и свинец от пустой породы. Затем металлы плавятся при высокой температуре (более 1100 °C) в тигле, в то время как воздух продувается над расплавленным металлом ( купелирование ). Наконец, свинец окисляется с образованием оксида свинца (PbO) или впитывается стенками тигля, оставляя очищенное серебро.
Метод купелирования серебра и свинца впервые был 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 артефактов содержали менее 0,5% свинца, что явно указывает на купелирование. [14]
Купелирование также использовалось в некоторых частях Европы для извлечения золота, серебра, цинка и олова к концу девятого-десятого века нашей эры. Здесь один из самых ранних примеров интегрированного процесса для извлечения более одного драгоценного металла был впервые представлен Феофилом около двенадцатого века. Сначала золото-серебряная руда плавится в тигле, но с избыточным количеством свинца. Затем сильный жар окисляет свинец, который быстро реагирует и связывается с примесями в золото-серебряной руде. Поскольку и золото, и серебро имеют низкую реакционную способность с примесями, они остаются после удаления шлака. Последняя стадия включает разделение, при котором серебро отделяется от золота. Сначала золото-серебряный сплав куется в тонкие листы и помещается в сосуд. Затем листы покрываются мочой , которая содержит 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 удаляется и плавится для извлечения серебра, в то время как чистое золото остается нетронутым. [5]
Во времена династии Сун добыча меди в Китае из внутренних месторождений снижалась, и возникший дефицит заставил шахтеров искать альтернативные методы извлечения меди. Открытие нового «мокрого процесса» извлечения меди из шахтерской воды было введено между одиннадцатым и двенадцатым веками, что помогло смягчить потерю поставок .
Подобно англосаксонскому методу купелирования, китайцы использовали использование основного металла для извлечения целевого металла из его примесей. Сначала основной металл, железо, куют в тонкие листы. Затем листы помещают в желоб, наполненный «купоросной водой», т. е. водой из медной шахты, которую затем оставляют настаиваться в течение нескольких дней. Шахтная вода содержит соли меди в форме сульфата меди CuSO
4. Затем железо реагирует с медью, вытесняя ее из сульфатных ионов, заставляя медь осаждаться на листах железа, образуя «мокрый» порошок. Наконец, осажденная медь собирается и очищается далее с помощью традиционного процесса плавки. Это первое крупномасштабное использование гидрометаллургического процесса. [16]