korotkih (Коротких М. Т. - Технология конструкционных материалов и материаловедение - учебное пособие.), страница 8

Такнекоторые виды соединений железа обладают магнитными свойствами и ихлегко отделитьмагнитной сепарацией. Если используется различнаясмачиваемость частиц руды и пустой породы, то используетсяметодфлотации. В некоторыхслучаяхприменяется химическое отделение,основанное на растворении соединения извлекаемого элемента в различногорода растворителях.

Естественно пустая порода в этом растворителе не должнарастворяться.3.3 Восстановление металла3.3.1 Термохимическое восстановление металлаОсуществляется воздействием на соединение металла каким-либовосстановителем при высокой температуре.Например, железо обычно содержится в руде в виде окислов Fe2O3 или Fe3O4и восстанавливается угарным газом (CO), образующимся при горении кокса(продукта переработки каменного угля) в доменных печах (рис.3.2).Рис.3.21-устройство для загрузки руды, кокса и флюсов, 2 -фурмы для подачивоздуха, 3 - под печи, 4 –шахта, 5 – распар, 6 -горн, где накапливается жидкийметалл.

7 - заплечикиВ зонах 4-6 происходит горение кокса в потоке воздуха поступающего черезфурмы и образуется угарный газ при температуре 1600-1750 °С, который,воздействуя на окислы железа, приводит к их восстановлению:Fe2O3 + CO --- Fe3O4 +CO2 + QFe3O4 +CO2 --- FeO + CO2 -QFeO + CO --- Fe + CO2 +QОбразующееся железо, в виде капель, стекает в горн, откуда периодическивыпускается. Сверху печи также периодически происходит подсыпка шихты(смеси руды, кокса и флюсов). Таким образом горение в печи поддерживаетсянепрерывно в течении длительного времени, от 5 до 10 лет.Баланс материалов доменного процесса.(на 1 т выплавленного чугуна)Таблица 3.1ЗагрузкаКоксАгломерат(обогащенная и обработаннаяруда)СортированнаярудаИзвестнякМеталлодобавкиВоздух (влажноедутье)Кол-во, кг7001708ПолученоЧугунШлакГазКолошниковая пыльВлагаКол-во,кг10007333382772832043402420В образующемся железе при высокой температуре растворяется углерод кокса,что приводит к получению сплава железа с углеродом, при содержаниипоследнего выше 2% (но не более 6,67%).

Такой сплав весьма тверд и хрупоки называется чугуном .Суточная производительность доменной печи достигает 2500 тонн чугуна.Хотя чугун, как конструкционный материал, применяется для отливкизаготовок различных деталей машин (станины, корпуса двигателей, зубчатыеколеса и т.д.) , но большая его часть перерабатывается в стальсплавжелеза с углеродом при содержании углерода менее 2%.Понизить содержание углерода в чугуне и, темсамым, превратить его всталь можно окисляя избыточный углерод в жидком чугуне. Для этогоприменяются конвертерный и мартеновский методыполучения стали.Конвертерный способ получения сталиСущность конвертерного метода производствастали состоитвокислении избыточного углерода продувкой через жидкий чугун кислорода.При этом, естественно, сгорает и некоторая часть железа.

Реакция являетсяэкзотермической, поэтому в жидкий чугун можно добавить некоторую частьметаллического лома, который при продувке кислородом расплавляется.Процесс протекает довольно быстро (менее 20мин).Производительность процесса зависит от объема конвертера (от 3 до250тонн).Конвертер дляполучения сталиРис.3.31-механизм поворота, 2-огнеупорная футеровка, 3- шлак наповерхности жидкого металла, 4- жидкий металл, 5-каналы для подачи кислородаПри таком производстве стали химический состав ее зависит отсодержания примесей в руде. Невозможно получить высококачественныелегированные сталии переработка стального лома возможна только вограниченных количествах, в то время как в промышленности накапливаетсяего огромная масса.Мартеновский способ получения сталиВ мартеновских печах получается свыше 80% производимой стали.Плавка шихты осуществляется за счет горения топлива, в качествекоторого используются горючие газы, мазут, угольная пыль...Емкость мартеновских печей от 35 до 500 тонн, но длительностьпроцесса составляет несколько часов.

При этом возможно производитьконтроль состава, вводить легирующие элементы.В зависимости от вида процесса, в печь загружаются:- жидкий чугун + руда - "рудный процесс".- твердый чугун + металлический лом - "скраппроцесс"- жидкий чугун+ металлический лом + руда -"скрапрудный процесс".Рис.3.4 Схема мартеновской печи.Термохимическим способом восстанавливают многие металлы, например,медь. Плавку медных руд ведут в пламенных печах (рис.3.5), в которыхпроисходит восстановление меди, но из-за высокого содержания в рудесоединений железа и серы образуется "медный штейн", в котором содержится20-50% меди, 20-40% железа и 22-25% серы.Рис.3.5Полученный штейн перерабатывается в черновую медь в конвертерах (рис.3.6).

Продувая через жидкий штейн воздух, проводят окислениежелеза, которое всплывает на поверхности в виде окислов, сера выгорает собразованием огромного количества окисисеры, используемой как сырьёдля производства серной кислоты.Конвертер для получения черновой медиРис.3.6В результате процесса получают черновую медь (98,5-99,5%Cu) , которуюможно использовать для производства медных сплавов, но которая непригодна для электротехнической промышленности (для производствапроводов).3.3.2 Восстановление металла электролизомРяд металлов, из-за их высокой химической активности, сложновосстанавливать термохимическим путем.

Поэтому их восстановлениепроводят электролизом расплавленных соединений. В настоящее время этоосновной способ получения алюминия и магния.Схема установки для получения алюминия электролизом представлена нарис.3.7Рис.3.7Затраты материалов и энергии при получении 1 тонны алюминияТаблица 3.2СоставляющиеКоличествоГлинозем (Al2O3 )Криолит (Na3AlF6 )Угольные электродыЭлектроэнергия2000кг100кг600кг16000 – 18500 кВт.часТаким образом, затратына электроэнергиюявляютсяпревалирующимии алюминиевые комбинаты целесообразно строить рядом с источникамидешевойэлектроэнергии.3.3.3 Физическое отделение металлаФизические методы отделения металлов используются в настоящее времядля получения встречающихся в самородном состоянии металлов (золото,платина). При этом используются такие процессы как промывка, растворениев ртути (амальгамирование) с последующим выпариванием ртути.3.4 РафинированиеМногие металлы после их получения термохимическим методом,электролизом содержат недопустимо большое количество примесей.Так, содержание примесей в алюминии или меди выше 0,1% делает ихнепригодными для применения в качестве проводников тока.Содержание серы или фосфора в стали выше 0,025% существенноухудшает ее механические свойства как в холодном, так и горячемсостоянии.Методы рафинирования (очистки) позволяют получить чистые металлы, ноестественно приводят к дополнительным затратам.

Поэтому чистый металлможет быть существенно дороже.Так алюминий чистотой 99,7%, применяемыйдляпроизводствасплавов, стоит 1,5 $/кг, в то время как сверхчистый алюминий дляэлектронной промышленности чистотой 99,9999% стоит в тысячи раз дороже.Для очистки сталей от вредных примесей и введения в них полезныхлегирующих элементов применяют переплав стали под слоем специальныхшлаков поглощающих вредные примеси. Плавку ведут в электродуговых(рис.3.8) или индукционных печах с контролируемой атмосферой или ввакууме.1-кожух , 2-днище, 3-под, 4-свод, 5-электродыРис.3.8Для очистки меди применяют электролитическое рафинирование(до 95% всей производимой в стране меди).При этом полученную черновую медь растворяют в электролите(10-16%медного купороса + 10-15% серной кислоты).Растворение происходит при пропускании через раствор электрическоготока.

Растворенная медь (ионы) осаждаются на катодах, заранее выполненныхиз тонких листов чистой меди (рис.3.9).Рис.3.9Процесс длится 10-12 суток, причем на каждом катоде (всего их в ванне 2040штук) осаждается 60-90 кг чистой меди (99,95%). При этом электрическаямощность ванны достигает 2000кВт.Таким же образом получают чистый никель.Основная масса металлов применяется в промышленности в виде сплавов.Это объясняется более высокими механическими свойствами сплавов.

Изчистых металлов практически невозможно изготовить детали машин, так какпрочность их на порядок меньше, чем прочность сплавов на их основе.Поэтому чистые металлы применяются только в тех случаях, когда требуютсяих другие физические свойства (электропроводность, теплопроводность,химическая устойчивость, способность поглощать или пропускать нейтроны ит.д.).Вопросы для самопроверки:1.Каков состав шихты, загружаемой в доменную печь при получениичугуна?2.Сплавы на основе какого металла наиболее широко применяются втехнике?3.Какие металлы извлекаются из руды методом физического отделения?4.Какие металлы получают из их химических соединений электролизомрасплава?5.Что образует стоимость основных затратпри производствеалюминия?6. С какой целью производят рафинирование металлов?7.В чем состоят основные преимущества мартеновского способапроизводства стали?8.Что загружают в конвертер при получении стали конвертернымспособом?9.Что такое медный штейн?10.

Какими способами производят рафинирование металлов?Образец карты тестового контроля:1. В каких случаях добычу руды производят открытым способом:а). Если в руде содержится высокое содержание металлаб). Если рудное тело залегает неглубоко и пласт руды относительно толстыйв). Если месторождение находится недалеко от промышленно развитыхрайонов2. С какой целью производят дробление руды:а). Для последующего отделения соединения металлаб).