1798年法国人N.-L.沃克兰[注]发现铍的氧化物。1828年,德国化学家F.维勒[注]和法国化学家A.-A.-B.比西[注]各自用钾还原氯化铍的方法,分别制得单质铍。维勒将其命名为beryllium(Be),而比西将其命名为glucinium(Gl),1957年才由国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)按前者定名。1898年法国人P.勒博[注]用电解氟化钠-氟铍酸钠熔体方法制得小颗粒的铍。
铍主要矿物有绿柱石(Be3Al2Si6O18)、硅铍石(Be2SiO4)、羟硅铍石〔Be4Si2O7(OH)2〕和硅钡铍石(BaBe2Si2O7)等。铍生产一般经过氧化铍或氢氧化铍制取、金属铍制取和铍锭制备阶段。
适于处理绿柱石精矿,是氧化铍制取的重要工业生产方法。以绿柱石为原料,加方解石配料混合,装入电弧炉,在1400~1500℃下进行熔炼。熔体经水淬、球磨成为高反应活性的铍玻璃体。然后经湿磨后,与浓硫酸混合,使铍、铝氧化物转化成水溶性硫酸盐,而二氧化硅则不与硫酸发生反应,入渣弃去。铍的浸取液经浓缩后,添加硫酸铵,再冷却结晶,铝形成铝铵矾〔NH4Al(SO4)2·12H2O〕沉淀,液固分离后得到含铍的除铝液。除铝液中加氯酸钠氧化,以氨水作中和剂,调节pH值为5左右沉淀铝、铁等杂质。中和液再加氨水调节pH值至7.5,沉淀出氢氧化铍。氢氧化铍经洗涤、烘干煅烧成工业氧化铍(图1)。
图1 工业氧化铍典型生产流程
1969年以前,铍工业的原料都是绿柱石。1969年美国布拉什威尔曼公司(Brush Wellman)在硫酸法的基础上研发出硫酸-萃取法工艺,不仅可以处理含氧化铍10%以上的高品位绿柱石精矿,还可处理含氧化铍0.6%~0.7%的羟硅铍石原矿。其工艺流程见图2。
图2 羟硅铍石生产氧化铍流程
将羟硅铍石湿磨至小于20目,在100℃下用10%硫酸处理,再进行液固分离。所得铍溶液,采用膦酸二脂-乙醇-煤油作为有机相进行逆流萃取,铍及少量铝、铁进入有机相,萃余液废弃。获得的负载有机相用碳酸铵溶液反萃。此时,铍进入水相中形成铍碳酸铵,铁、铝也进入水相。反萃后的有机相经硫酸酸化再生后返回萃取工序,加热反萃液至70℃,使铁、铝水解沉淀而分离;再将除铁、铝后的溶液加热至95℃,并加入乙二胺四乙酸(EDTA)络合物,使铍碳酸铵水解而沉淀出碱式碳酸铍,过滤后的含铀滤液用于回收铀,而滤饼则用去离子水打浆后再用蒸汽加热至165℃水解。水解得到碱式碳酸铍(沉淀)和铍滤液,滤液加碱后沉淀出氢氧化铍。
硫酸-萃取流程由于有机相及反萃沉淀液均可返回利用,效率较高。排出的污染物除浸出渣外,只有萃余液和酸洗废液,数量少且易于处理,同时萃取与反萃取过程具有连续化、自动化的特点,有利于解决生产安全与环境污染问题。对杂质锂、氟含量高的矿石也能获得质量好的氧化铍产品。产品的回收率达80%~90%。
将磨细的绿柱石和氟硅酸钠或氟铁酸钠混合制块,在750℃烧结。矿石中的铍转化为水溶性的氟铍酸钠,而铝、铁、硅等仍保留氧化物状态。烧结块磨细后,用水浸出、过滤,滤液中加入氢氧化钠,得到铍酸钠溶液。煮沸溶液,铍酸钠便水解沉淀,得到氢氧化铍,再将氢氧化铍煅烧成氧化铍。残液用硫酸铁处理,生成氟铁酸钠沉淀并制成块。此法铍的回收率在90%以上,比硫酸盐法收益高。
氧化铍极难直接还原成金属,生产中先将氧化铍转化为卤化物,然后再还原成金属铍。有氟化铍镁热还原法和氯化铍(或氟化铍)熔盐电解法两种工艺。工业规模生产金属铍主要采用氟化铍镁热还原法工艺。
氟化铍镁热还原法典型工艺流程见图3。氢氧化铍经硫酸溶解,EDTA络合,除去杂质元素后,得到精制氢氧化铍;加氟化氢溶解氢氧化铍,形成氟铍酸溶液,再通入氨气,得到氟铍酸铵晶体;将氟铍酸铵在中频炉内熔化,使之分解成氟化铍和氟化铵;氟化铵进入收尘系统;氟化铍和镁在中频炉内900℃下还原,结束时升至1300℃,使金属铍和氟化镁都熔化;铍聚集成块,浮在氟化镁熔体之上,一并倒入铸模,冷却成饼状;再经破碎、煮磨、筛分得到金属铍珠和氟化镁。氟化铍镁热还原法制备的金属铍纯度在97%左右。
图3 氟化铍镁热还原法制取金属铍典型工艺流程
先将氯化铍和碳还原剂混合,加焦油等黏结剂制成球团,在900℃以上焦化,所得焦化块装入氯化炉,在700~900℃通入氯气进行氯化,得到氯化铍。氯化铍在镍制坩埚内进行熔盐电解。坩埚内放置镍制圆筒作阴极,中心悬置石墨棒作阳极。纯无水氯化铍与等量的氯化钠混合、熔融,在350℃下进行电解。电解周期结束后取出沉淀物,用冰水浸洗,除去熔盐,得到鳞片状的金属铍。氯化铍熔盐电解法制取的金属铍纯度可达99%以上。
铍珠经熔炼可制成铸锭。由于铍铸锭晶粒粗大,强度和延性均很差,且各向异性严重,很难用于产品的加工,因此铍材料一般都采用粉末冶金工艺制备。其工艺流程是:首先将铍珠或鳞片状金属铍经真空熔炼制成铸锭,将铸锭车(或铣)成碎屑,然后制粉。铍粉末采用真空热压、冷等静压-热等静压、冷等静压-真空烧结、直接热等静压或粉末锻造等工艺固结到接近理论密度,获得铍锭坯,然后机械加工或轧制/挤压成各种尺寸和形状的产品。通过提纯铍珠,控制铍粉末的化学成分、粒度组成等特性,合理选择固结温度与压力参数,可以制得各种不同用途与级别的铍材。