Современная металлургическая промышленность производит почти все известные металлы

ВВЕДЕНИЕ
Современная металлургическая промышленность производит почти все известные металлы.
B группу "редких" входят элементы всех групп Периодиче­ской системы элементов Д.И.Менделеева. Естественно, что они сильно отличаются по физико-химическим свойствам. Чем же вызвано объединение столь различных металлов в одну группу? К группе "редкие" отнесены металлы, которые по ряду причин начали использовать в технике лишь в конце.
Роль редких металлов в современной технике велика. Редкие металлы в большой степени определяют развитие та­ких важных областей, как электровакуумная техника, полупроводниковая электроника, атомная энергетика, авиа- и ракетостроение, а также производство специальных сталей, твердых, жаропрочных и антикоррозионных сплавов. В насто­ящее время металлургическая промышленность производит 71 металл, из них 41 относится к группе редких.
В учебных планах всех вузов, ведущих подготовку инже­неров-металлургов по цветным металлам, предусмотрено чте­ние небольшого по объему курса "Металлургия редких металлов", цель которого - ознакомление студентов со свойства­ми и областями применения редких металлов и основами тех­нологии их производства из рудного сырья. В данной книге, предназначенной в качестве учебника по упомянутому курсу, рассматриваются распространенные в промышленной практике процессы производства важнейших редких металлов: туго­плавких (молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, тантала, титана, циркония, гафния), рассеянных "(рения, германия, галлия, индия, таллия, селена, теллура), легких (лития, бериллия), редкоземельных (скандия, иттрия, лантана и лантаноидов) и радиоактивных (урана, тория). При изложе­нии материала авторы исходили из предпосылки, что студен­ты изучили курсы "Физическая химия", "Теория пирометаллургических процессов", "Теория гидрометаллургических процессов", "Обогащения руд", "Металловедение" и "Метал­лургическая теплотехника".
Настоящее, второе издание книги (первое вышло в 1980 г.) дополнено главами, в которых рассматривается техноло­гия ванадия, селена, теллура и скандия; частично перера­ботаны другие главы. В конце книги помещены контрольные вопросы и задачи ко всем главам, которые должны помочь студентам в усвоении материала.
Введение и гл. 1,2,4,5,7—11 и 13 написаны А.Н.Зеликма-ном, гл.3,6 и 12 — Б.Г.Коршуновым.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам книги - коллективу кафедры химии и технологии редких и рассеянных элементов МИТХТ во главе с проф., докт. хим. наук Д.В.Дроботом.
XIX или XX столетии. Это отчасти обусловлено тем, что большинство редких металлов было открыто в конце XVIII и в XIX вв., а некоторые из них - в XX в. При этом малая распространенность и рассеянность в земной коре многих редких металлов, а также трудности извлечения и получения в чистом виде некоторых из них существенно препятствовали их освоению.
Из изложенного следует, что группа "редких металлов" выделена не в результате какой-либо научной классификации элементов, а сложилась исторически.
Первоначально понятие "редкий металл" связывали с металлами, мало или совсем не используемыми в промышлен­ности. Однако в настоящее время многие из редких металлов получили широкое применение, причем без них невозможно существование ряда важных отраслей техники (производства легированных сталей, твердых и жаропрочных сплавов, изго­товления электронных приборов, атомной энергетики и мно­гих других).
Следует учитывать, что редкие металлы не обязательно (как иногда ошибочно представляют) относятся к элементам, мало распространенным в земной коре.
На основе обобщения многочисленных анализов различных горных пород ученые-геохимики установили состав земной коры - верхней оболочки земли толщиной 16-20 км. Для большинства редких металлов харак­терно низкое содержание в земной коре. Однако многие из них более распространены, чем давно известные человеку металлы. Например, титан стоит девятым в ряду распростра­ненности; цирконий, ванадий, литий, церий и др. более распространены, чем такие обычные металлы, как свинец, мышьяк, олово, ртуть, серебро, золото. Следует, однако, учитывать, что некоторые металлы весьма рассеяны в земной коре, т.е. не способны или имеют очень ограниченную спо­собность образовывать самостоятельные минералы и рудные месторождения. Например, содержание галлия в земной коре выше, чем олова, мышьяка и ртути. Однако галлий не обра­зует самостоятельных минералов и находится в рассеянном состоянии в решетках других минералов, тогда как олово, ртуть и мышьяк образуют минералы и месторождения. Поэтому они представляются более распространенными в земной коре. Таким образом, малая распространенность в земной коре — не общий признак всех металлов группы редких, хотя он и характерен для многих из них.


Классификация редких металлов
На основании общности физико-химических свойств, сход­ства методов извлечения из сырья и производства металлов, а также некоторых других признаков редкие металлы подразделяют на 5 групп . Ниже дана краткая характерис­тика каждой группы.
Легкие редкие металлы. В эту группу входят редкие металлы I и II групп периодической системы (кроме радия), Они имеют малую плотность (литий 0,53, цезий 1,87 г/см³) и отличаются высокой химической активностью. Подобно легким цветным металлам (алюминию, магнию, кальцию), легкие редкие металлы получают электролизом расплавленных солей или металлотермическими способами.
Тугоплавкие редкие металлы. Все металлы этой группы относятся к переходным элементам IV, V и VI групп перио­дической системы, у которых происходит достройка электронного d -уровня. Эта особенность определяет ряд физиче­ских и химических свойств металлов рассматриваемой груп­пы: тугоплавкость (температура плавления составляет от 1660 для титана до 3400° С для вольфрама), высокую прочность, коррозионную стойкость, переменную валентность, обусловливающую многообразие химических соединений. Все тугоплавкие металлы образуют тугоплавкие и твердые карби­ды, бориды, силициды.
В связи с высокими температурами плавления в техноло­гии производства тугоплавких металлов широко используют методы дуговой и электронно-лучевой плавки, а также метод порошковой металлургии.
Для тугоплавких металлов характерна общность многих областей применения. Так, их используют как легирующие элементы в сталях и компоненты жаропрочных и твердых сплавов. Многие из них применяют в электротехнике и элек­тровакуумной технике.
Рассеянные редкие металлы. Объединяющий признак группы - рассеянность элементов в земной коре. Большей частью рассеянные элементы находятся в форме изоморфной примеси в малых концентрациях в решетках других минералов и из­влекаются попутно из отходов металлургических и химичес­ких производств. Так, галлий содержится в минералах алю­миния; индий, таллий и германий встречаются в цинковых обманках и других сульфидных минералах; германий - в ка­менных углях; рений - в молибдените и медном сульфидном сырье.
Редкоземельные металлы (лантаноиды). Близость физико-химических свойств лантаноидов (от церия до лютеция) объ­ясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе от одного элемента к дру­гому происходит заполнение глубоколежащего 4f-уровня. К лантаноидам примыкают по свойствам элементы третьей груп­пы - лантан, скандий и иттрий, которые вместе с лантано­идами составляют группу редкоземельных металлов.
В рудном сырье редкоземельные элементы сопутствуют друг другу и на первых стадиях технологии выделяются в виде смеси оксидов. Сложная задача разделения редкозе­мельных элементов успешно решена благодаря использованию методов жидкостной экстракции и ионообменной хроматогра­фии.
Радиоактивные редкие металлы, В этой группе объединены естественные радиоактивные элементы: полоний, радий, то­рий, уран и искусственно полученные заурановые элементы –
нептуний, плутоний и др.В рудном сырье естественные радиоактивные металлы

встречаются совместно, часто им сопутствуют редкоземель­ные элементы. Табл.4 дает представление о примерных мас­штабах добычи редких металлов.