Основы металлургического производства

CaO + 3C = CaC2 + CO.

Образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную  и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования карбидного шлака  печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55 –65% СаО и 0,3 – 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.

При выплавке стали методом  переплава, в печь не загружают железную руду; условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15% мягкого железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V), которые переходят из шлака в металл.

Устройство и работа индукционных печей. Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода  энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.

В немагнитном каркасе  имеются индуктор и огнеупорный  плавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора к индуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава шихты. Обычно в индукционных печах используется ток частотой 500 – 2500 гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0 – 1,4 квт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.

В индукционных печах  сталь выплавляют методом переплава  шихты. Угар легирующих при этом получается очень небольшим. Шлак образуется при  загрузке шлакообразующих компонентов на поверхность расплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак не обладает магнитной проницаемости и в нем не индуцируется ток. Для выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторону сливного носка.

В индукционных печах  нет углерода, поэтому металл не науглероживается. Под действием  электромагнитных сил металл циркулирует, что ускоряет химические реакции  и способствует получению однородного  металла.    

Индукционные печи применяют  для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния.

3 Производство  цветных металлов

 

3.1 Производство  меди.

 

Медь получают главным  образом пирометаллургическим способом, сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полупродукт – штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от примесей (рафинирование).

Для производства меди применяют  медные руды, содержащие 1 – 6%  Cu, а  также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений , , оксидов или гидрокарбонатов Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу при температуре Полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди, реагируя с , дает Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. После этого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и  газов. Сначала производят огневое  рафинирование в отражательных  печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают

После огневого рафинирования  получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее  отливают чушки для выплавки сплавов  меди (бронзы и латуни) или плиты  для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды – из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор (10-16%) и (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

 

 

 

3.2 Производство  алюминия.

 

Сущность процесса производства алюминия заключается в получении  безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.

Основное сырье для  производства алюминия – алюминиевые  руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов – гидроксидов , корунда и каолинита . Алюминий получают электролизом глинозема – оксида алюминия в расплавленном криолите с добавлением фтористых алюминия и натрия , . Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; Электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью: .

Полученный алюминат натрия подвергают гидролизу:

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия . Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре и получают обезвоженный глинозем .

Для производства криолита сначала из плавикового шпата  получают фтористый водород, а затем  плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят , в результате чего образуется вторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок: .

Его отфильтровывают  и просушивают в сушильных  барабанах.

Электролиз глинозема  проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит  из угольного анода, погруженного в  электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000С

Электролит состоит  из криолита, глинозема, AlF3 и NaF. Криолит  и 

глинозем в электролите  диссоциируют; на катоде разряжается  ион Al3+ и 

образуется алюминий, а на аноде—ион О2-, который окисляет углерод 

анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему.

Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически

извлекают, используя  специальное устройство.

Для нормальной работы ванны  на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом.

В нем содержатся металлические  и неметаллические примеси, газы.

Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через 

расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий,

 проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей,

которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование

алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в 

алюминии. Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30—45 мин при температуре 690— 730° С для всплывания

неметаллических включений  и выделения газов из металла. После 

рафинирования чистота  первичного   алюминия   составляет 99,5—99,85%.

 

3.3 Производство  магния

 

Для производства магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния (хлористого магния), электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl2*KCL*6H2O), магнезит (MgCO3), доломит (СаСОз • MgC03), бишофит (MgCl2*6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2• КС1) используют для приготовления электролита. Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами—стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10% MgCl2, 45% CaCI2, 30% NaCI, 15% КСl с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 ±10° С). Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом. Черновой магний содержит 5% примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl;,, КС1, Bad,, CaF,, NaCI, CaCI;,, нагревают в электропечи до температуры 700—750" С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670е С и магний разливают в изложницы на чушки.

 

Заключение

 

Человек с самого раннего  возраста привыкает к окружающим его металлическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.

Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро  и др. Будущее человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на металлической основе. Металл – фундамент современной цивилизации, основа основ технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням развития, тем больше его нужда в металлах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы.

 

1. «Технология металлов и других конструкционных материалов» В.Т.Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов Издание второе.

2. «Общая химия» Н.Л. Глинка Издание двадцать третье.

3. «Металлургия» А.П. Гуляев 1966 год.