Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Редкие металлы принято подразделять на пять групп по некоторым общим признакам: близости физико-химических свойств, совместному нахождению в рудном сырье и сходству методов выделения из сырья.
Ниже дана характеристика каждой из групп технической классификации, приведенной в табл. 5.
Легкие редкие металлы
Металлы этой группы расположены в I и II группах периодической системы Менделеева, обладают малым удельным весом (литий — 0,53; бериллий — 1,85; рубидий — 1,55; цезий — 1,87) и отличаются высокой химической активностью. Их химические соединения, окислы, хлориды обладают высокой химической прочностью и с трудом восстанавливаются до металла. По этому признаку они близки к легким цветным металлам, алюминию, магнию, кальцию и натрию.
Подобно легким цветным металлам легкие редкие металлы получаются в свободном состоянии либо электролизом расплавленных солей, либо металлотермическими методами.
Тугоплавкие редкие металлы
Тугоплавкие редкие металлы относятся к числу переходных элементов IV, V и VI групп периодической системы, у которых при переходе одного элемента к соседнему происходит достройка внутренних электронных уровней (так называемых d-уровней).
Эта особенность строения атомов определяет высокую прочность кристаллической решетки рассматриваемых металлов, что сказывается на их повышенной твердости, высоких температурах плавления (от 1660° для титана до 3400° для вольфрама, являющегося самым тугоплавким из всех металлов), высокой антикоррозионной устойчивости и переменной валентности, обусловливающей многообразие химических соединений этих элементов.
Все металлы рассматриваемой группы образуют весьма тугоплавкие, твердые и химически, устойчивые соединения с рядом металлоидов, обладающих малыми атомными радиусами (так называемых «фаз внедрения»). К ним относятся карбиды, нитриды, силициды и бориды, имеющие важное практическое применение.
Тугоплавкие редкие металлы взаимодействуют со многими другими металлами периодической системы, образуя твердые растворы и различные интерметаллические соединения, что широко используется в технике при производстве различных сплавов и высококачественных сталей.
В связи с высокими температурами плавления тугоплавких металлов в технологии их производства широко используется метод порошковой металлургии, заключающийся в получении металла в форме порошка с последующим его превращением в компактный металл путем прессования и спекания.
Близость свойств тугоплавких металлов определяет общность многих областей их применения. Так, кроме использования этих металлов в качестве легирующих добавок к сталям, многие из них применяются в виде тугоплавких твердых карбидов в составе твердых сплавов, а в чистом виде используются в электротехнике и электровакуумной технике.
Рассеянные редкие металлы
Общим признаком этой группы является отсутствие или редкая распространенность собственных минералов этих металлов.
Металлы данной группы встречаются обычно в виде изоморфных примесей в ничтожных концентрациях в кристаллах других минералов. Поэтому рентабельное извлечение рассеянных редких металлов возможно только из отходов производств основных металлов.
Так, галлий, встречающийся в бокситах, извлекается из промежуточных продуктов и отходов алюминиевого производства. Галлий вместе с индием, таллием и германием часто встречается в цинковых и свинцовых рудах, и поэтому соединения этих металлов извлекаются из промежуточных продуктов и отходов цинкового и свинцового производств.
Германий часто встречается в углях и извлекается из отходов, получаемых при их переработке.
Селен и теллур, рассеянные в различных сульфидных минералах, извлекаются либо при металлургической переработке этого сырья, либо из отходов сернокислотного производства.
Рений как спутник молибдена извлекается попутно при переработке молибденового сырья.
Гафний, содержащийся в виде примеси в циркониевых минералах, извлекается при производстве циркония или его соединений.
Таким образом, сырьевые источники производства рассеянных редких металлов весьма разнообразны. К ним относятся отходы газовых заводов, шламы медерафинирующих заводов, пыли обжиговых и плавильных печей, отходы цинкового, свинцового и алюминиевого производств и т. д.
Рений и гафний, являющиеся спутниками соответственно молибдена и циркония, по свойствам близки к тугоплавким металлам и могут также рассматриваться в составе этой группы.
Редкоземельные редкие металлы (лантаноиды)
К этой группе относятся лантан и следующие за лантаном 14 элементов (от церия 58 до лутеция 71).
Близость физико-химических свойств лантаноидов объясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе одного элемента к другому у лантаноидов происходит заполнение глубоко лежащих недостроенных (4f) электронных уровней.
Близко примыкают к лантаноидам скандий и иттрий.
В рудном сырье редкоземельные металлы всегда сопутствуют друг другу. На первых стадиях переработки сырья они обычно выделяются в виде смеси окислов или других соединений. Дальнейшее разделение соединений редкоземельных элементов представляет большие технологические трудности.
Радиоактивные редкие металлы
К этой группе относятся естественные радиоактивные элементы: полоний, радий, актиний и актиноиды (торий, протактиний, уран) и искусственно полученные заурановые элементы; нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, атений и центурий.
Радиоактивные свойства металлов этой группы в значительной степени определяют особенности их технологии, приемы работы с ними, а также области их использования.
Актиноиды, так же как и редкоземельные элементы, характеризуются тем, что переход от одного элемента к другому осуществляется путем достройки глубоко расположенных 5f электронных уровней и в этом отношении группа актиноидов аналогична лантаноидам.
В рудном сырье естественные радиоактивные элементы встречаются совместно. Часто им сопутствуют редкоземельные металлы.
Как известно, естественные и некоторые искусственно полученные металлы группы актиноидов играют важнейшую роль в производстве атомной энергии.