Пирометаллургия (от греч. ру-огонь и металлургия), совокупность высокотемпературных процессов получения и рафинирования металлов и их сплавов. До кон. 19 в. металлы получали только с помощью пирометаллургических процессов; в настоящее время, несмотря на быстрый прогресс новых направлений - гидрометаллургии и электрометаллургии, пирометаллургия сохраняет ведущее положение. В крупнейших по объему выпускаемой продукции производствах чугуна и стали используют только пирометаллургические переделы. Пирометаллургическим способом получают основную часть Cu, Pb, Ni, Ti и других важнейших металлов, а, кроме того, во многих технологических схемах пирометаллургические процессы сочетаются с гидро- и электрометаллургическими.
По целевому признаку пирометаллургические процессы можно разделить на подготовительные, концентрирование и очистку от основной массы примесей, получение металлов из их соединений, глубокую очистку металлов (рафинирование).
Наиболее распространенная подготовительная операция - обжиг, который проводят при температуре ниже температур плавления сырья и продукта с целью изменения состава, удаления вредных примесей или(и) укрупнения пылевидных материалов (агломерирующий обжиг, или агломерация). По назначению и характеру протекающих процессов различают: окислительный обжиг, приводящий к получению оксидов или сульфатов (сульфатизирующий обжиг) при взаимодействии сульфидных материалов с кислородомвоздуха (например, обжиг медных и молибденовых концентратов, сульфатизирующий обжиг цинковых концентратов); восстановительный обжиг для получения низших оксидов или металлов путем взаимодействия исходных материалов с углем или др. восстановителями (например, магнетизирующий обжиг железных руд с добавкой угля для перевода Fe2O3 в Fe3O4 перед электромагнитным обогащением); кальцинирующий обжиг для получения оксидовметаллов из их гидратов. карбонатов или других соединений, разлагающихся при высокой температуре; обжиг с добавками твердых или жидких реагентов (напр., спекание вольфрамовых концентратов с содой для получения растворимого в воде Na2WO4, сульфатизация концентратов и промышленных продуктов, содержащих Nb, Та и др. редкие металлы, с использованием H2SO4) и др. способы обжига.
Концентрированиеметаллов достигается переводом их и основной массы пустой породы в разные легко отделяющиеся одна от другой фазы. Важнейший способ концентрирования - плавка, осуществляемая при температуре, достаточной для расплавления (полного или основной части) исходного материала и продуктов. При плавке образуются два или более несмешивающихся жидких слоя, различающихся по плотности, - металлический, шлак (сплав оксидов), штейн (сплав сульфидов), расплавысолей и т.д. Восстановительную плавку проводят с использованием восстановителя, чаще всего твердого углеродсодержащего (кокс, уголь). Продукты восстановительной плавки - металлический расплав и шлак, иногда и другой фазы. Распределение металлов и примесей между слоями зависит от легкости их восстановления. При восстановительной плавке железных руд (доменный процесс), свинцовых, оловянных и других концентратов извлекаемый металл переходит в металлическую фазу, примеси - в шлак или штейн, в то время как при плавке ильменитового концентрата (FeTiO3) целевым продуктом является шлак с высоким содержанием Ti, а в металлический расплав переходит основная примесь - Fe.
В основе окислительной плавки (окислитель - кислород) сульфидных руд, концентратов и промышленных продуктов (отражательная, шахтная и электроплавка медных и медно-никелевых концентратов и руд на штейн, конвертирование никелевых и медно-никелевых штейнов и др.) лежит различие в сродстве металлов к кислороду и сере. При недостатке S в штейне концентрируются Cu, Ni, Со и другие цветные металлы, а основная часть Fe, Ca, Si, Al, Mg и другие переходят в шлак. На этом же различии основана восстановительно-сульфидирующая плавка окисленных никелевых руд.
Другая группа процессов концентрирования основана на отделении металла в виде пара (или летучего соединения) от основной массы исходного материала, находящегося в твердом или жидком состоянии. Основные примеры: фьюминг-процесс - отгонка Pb, Zn, Cd, SnS и SnO при продувке жидких шлаков смесью воздуха с угольной пылью; вельц-процесс - отгонка Zn из смешанного с коксом дисперсного материала при температуре, исключающей плавление; хлорирование титановых шлаков, лопаритового и цирконового концентратов с получением летучих TiCl4, NbOCl3, TaCl5, ZrCl4.
Для очистки от основной массы примесей применяют дистилляцию и другие процессы, основанные на различной летучести соединений целевого металла и примесей (дистилляция MoO3, TiCl4, возгонка ZrCl4, вакуумная дистилляция Mg и MgCl2 из титановой губки и др.). Различия в летучести увеличивают избирательным восстановлением, окислением или другими приемами (например, избирательное восстановление ZrCl4 в смеси с HfCl4 до нелетучего ZrCl3, избирательное восстановление NbCl5 в смеси с TaCl5 до нелетучего NbCl3). Наиболее эффективный способ разделения веществ с разной температурой кипения - ректификация (напр., очистка TiCl4 от SiCl4, разделение TaCl5 и NbCl5 и т.д.).
Получение металлов из соед. осуществляют различными методами. Если соединение металла имеет достаточно низкую термическую устойчивость, металл из него можно получить без применения восстановителей-термической диссоциацией. Этим способом получают, например, Fe, Ni, Со и др. металлы из их карбонилов, W и Mo-из их хлоридов. Металлы с небольшим сродством к кислороду производят окислением их сульфидов (конвертирование медного штейна на черновую медь, получение Hg при окислительном обжиге HgS). В остальных случаях применяют электролиз в расплаве солей (напр., производство Al из Al2O3, Mg из MgCl2, Та из Ta2O5, Zr из K2ZrF6) или используют восстановители. С помощью восстановителей металлы чаще всего получают из оксидов и галогенидов. При производстве металлов из оксидов применяют СО, CH4, продукты неполного сжигания или взаимодействия с водяным паром угля или природного газа (восстановление оксидов Fe), H2 (восстановление оксидов W, Mo, Fe, Cu), углерод (получение Ni, Fe, W). Самые устойчивые оксиды восстанавливают углеродом (карботермический способ) в вакууме (например, получение Nb и Та) или металлами, имеющими наибольшее сродство к кислороду (алюминотермический способ получения Nb и Та, восстановление оксидов Ti и Zr кальцием или CaH2, оксидов U кальцием или Mg и т. д.). Галогениды восстанавливают металлами или H2 (восстановление TiCl4 и ZrCl4 магнием или натрием, BeF2 магнием, UF4 магнием или кальцием, натриетермическое восстановление K2TaF7, K2NbF7, K2ZrF6 и т.д.).
При рафинировании металлов используют различия в их химических свойствах, в коэффициенте распределения между твердой фазой и расплавом, в летучестях металлов и примесей или их соединений. На избирательном окислении примесей (С, Si, Mn, P, S и др.) основано получение стали из чугуна - при окислении кислородомвоздуха или обогащенного им дутья (конвертерные процессы) или оксидами, содержащимися в руде или скрапе (мартеновский процесс), примеси из металлического расплава переходят в шлак или газы. Высокое сродство Cu к S используют при тонком рафинировании Pb - после добавления небольшого количества элементарной S на поверхность расплавленного Pb всплывает твердый сульфид Cu2S.
В основе ликвационной очистки металлов лежит выделение примесей из расплава при понижении температуры. Примерами могут служить очистка Pb от Cu, Sn от Fe и др. Дистилляционной очистке подвергают металлы, имеющие достаточно высокую летучесть (Hg, Cd, As, Zn и др.). В ряде случаев дистилляцию проводят в вакууме (Li, Rb, Cs и др.).
При очистке от примесей, более летучих, чем основной металл, последний переплавляют в вакууме. Этот метод применяют в металлургии W, Mo, Nb, Та, Ti, Zr и др. Глубокую очистку металлов обеспечивают химические транспортные реакции (реакции переноса) - обратимые реакции, сопровождающиеся переносом основного металла из одной температурной зоны в другую в результате образования и разложения промежуточных газообразных соединений (напр., очистка Ni в виде тетракарбонила, Ti и Zr в виде тетраиодидов). Самые чистые металлы получают с помощью направленной кристаллизации и зонной плавки - процессов, основанных на обогащении выделившихся из расплава кристаллов примесями, повышающими температуру плавления металла, а расплава - примесями, понижающими ее. Эти способы очистки применяют при получении монокристаллов W, Mo, Ga, Al, Sn и др.
Пирометаллургические процессы осуществляют в печах различного типа с использованием разнообразных видов нагрева. В последние годы развиваются автогенные процессы, в которых требуемая температура поддерживается благодаря выделяющемуся теплу экзотермических реакций, например обжиг сульфидных концентратов в кипящем слое, плавка во взвешенном состоянии на кислородном или горячем воздушном дутье, процессы "Норанда" и "Мицубиси", плавка в жидкой ванне и др.
Важное направление совершенствования пирометаллургических процессов - снижение их вредного воздействия на окружающую среду, связанное с внедрением безотходных технологий, с сокращением и обезвреживанием отходов и выбросов.
Лит.: Ванюков А. В., Зайцев В. Я., Теория пирометаллургических процессов, M., 1973; Севрюков H. H., Кузьмин Б. А., Челищев E. В., Общая металлургия, 3 изд., M., 1976; Зеликман A. H., Металлургия редких металлов, M., 1980; Ванюков А. В., Уткин H. И., Комплексная переработка медного и никелевого сырья, Челябинск, 1988. Г. M. Вольдман.
