Тема Технологія виробництва металів і сплавів

Метали – хімічні елементи, що мають “металевий” блиск, пластичність, тепло і електропровідність. Метали можуть мати кристалічну або аморфну будову.

Сплави – складні конструкційні матеріали, які отримують як правило сплавленням або спіканням двох або більше металів чи неметалів.

Виділяють сплави чорних (чавун, сталь), та сплави кольорових металів (латунь, бронза).

За характером залягання в земній корі, фізичними та хімічними властивостями кольорові метали бувають:

- легкі (алюміній, берилій,титан, літій, натрій, …);

- важкі (мідь, свинець, цинк, нікель, …);

- благородні (золото,срібло, платина,…);

- трудноплавкі (вольфрам, ванадій, тантал, хром, …);

- розсіяні(галій, індій, талій, …);

- рідкоземельні (скандій, лантан і лантаноїди).

- радіоактивні (технецій, францій, уран, плутоній …).

За вмістом домішок сплави можуть бути технічно чисті (0,1% - 0,5% домішок), хімічно чисті (0,01% - 0,1%) і надчисті. Дуже чисті сплави використовуються у надзвуковій авіації, ракетних техніці, медицині.

Металургія як галузь промисловості що поєднує виробництво металів із руд і інших матеріалів. Вона поділяється на чорну і кольорову. Залізо та його сплави із вуглецем і іншими елементами формують групу чорних металів.

Способи виробництва металів і сплавів:

- пірометалургійний (нагрівання за допомогою палива до потрібної температури);

- електрометалургійний;

- плазмовий;

- хіміко-металургійний (виплавка титану);

- гідрометалургійний (електролізом із розчинів Cu, Zn, Ni, Co, Au, Ag);

- порошкова металургія;

- космічна металургія (ведеться в вакумному середовищі, при відсутності сили тяжіння).

Виробництво чавуну. Сировиною для чавуну є породи, вміст заліза у яких 23 – 70%. Ними виступають магнетитовий залізняк (50-60%,), червоний залізняк (51-69%), бурий залізняк (35-40%), шпатовий залізняк (до 40%), залізні кварцити. Також у процесі виплавки чавуну використовуються флюси – речовини для видалення домішок, шлаків із оксидів (ними виступають як правило вапняки, чи доломіти), кокс, природний газ, марганцеві і хромітові руди, вода, кисень та легуючі метали.

Видобута руда проходить підготовчу обробку: подрібнення, обпалювання, збагачення і агломерацію.

Метою подрібнення є надання руді єдиного фізичного стану. Воно проходить на дробильних машинах, які надають кускам руди розмірів від 8 до 300 мм. Інколи руду розтирають на менші частинки. На машинах-ситах здійснюють сортування подрібненої чи розтертої руди.

Обпалювання руди здійснюють із метою видалення із руди хімічно зв’язаної води, вуглекислоти, частково сірки та фосфору. Обпалювання проводять у спеціальних печах при температурі 700-800º.

Збагачення руди – підвищує в руді вміст заліза за рахунок видалення пустої породи. Застосовують кілька видів збагачення: гравітаційне, промивання водою, магнітне, флотація. Промивання здійснюють струменем води у барабанах що обертаються. Порода має меншу вагу, тому вимивається із барабану у відходи.

Гравітаційне збагачення за технологією близьке до промивання.

Магнітне збагачення (сепарація) здійснюється у роторних латунних барабанах, у яких нерухомо закріплені електромагніти. Для збагачення використовуються руди, що володіють магнетизмом (магнетити, титаномагнетити). Руда притягується до поверхні барабану, а порода – вилітає.

Агломерація – це процес формування пористих кусочків (спікання) подрібненої руди. Для спікання руду зволожують, добавляють 5% коксу і обпалюють. Часто при спіканні використовують флюси (подрібнений вапняк), що у подальшому технологічному процесі доменної виплавки зменшує витрати коксу на 5%, та збільшує продуктивність печі на 6 – 7%.

У якості технологічного палива у доменному виробництві застосовують кокс, рідше деревне вугілля і торф’яний кокс, а також газ. Кам’яновугільний кокс є висококалорійним, пористим та твердим, містить мало попелу та сірки. В доменному процесі паливо є також і джерелом вуглецю який потрібний для відновлення заліза.

Флюси (вапняки, кварцовий пісок) добавляються до руди. Під час плавлення вони вступають у реакцію із часткою породи, що залишилася у руді і утворюють шлак, який легко відділяється від чавуну.

Вогнетривкі матеріали складають внутрішню частину плавильних агрегатів та ємностей для розливання металу. Їм притаманна термічна та хімічна стійкість. За хімічними властивостями вогнетриви поділяються на три види: основні, нейтральні і кислі. Основними є: магнезит, доломіт і хромомагнезит. Останній є найбільш тривким, його температура плавлення 2000 градусів.

Нейтральними вогнетривами є шамот і хромовий залізняк. Шамот виготовляють з обпаленої вогнетривкої глини чи каоліну. Температура плавлення - 1700 градусів.

Кислі вогнетриви - динас і кварцит. вони містять до 90% окису кремнію, мають температуру плавлення 1750 градусів.

У металургійному виробництві в якості легуючих металів використовують марганець, нікель, вольфрам, ванадій і інші, які придають металу ті чи інші властивості.

Металургійне виробництво споживає велику кількість води, яка використовується для охолодження агрегатів та ін. Витрати води досягають 150-200 м3 на тонну металу.

Доменне виробництво. Чавун варять у печах-домнах. Доменний цех металургійного заводу має від 1 до 10 доменних печей, рудний двір, підйомні і вантажні агрегати, повітронагрівачі і газоочисники.

Доменна піч - промислова піч для виплавки доменного чавуну. Це вертикальна споруда (30 - 40 м висоти) внутрішня частина якої викладена вогнетривким матеріалом - шамотом, а зовнішня представлена зварним стальним кожухом. Об'єм печі - від 3 до 5 тис. м3. Основні частини такі: колошник, шахта, розпар, заплечики, горно, лещадь(черінь).

Колошник - верхня частина печі. Тут завантажують шихту. Є газовідводи для доменного і колошникового газу. Температура шихти в колошнику досягає 150 - 300. Шахта - найбільша частина печі, що знаходиться під колошником. Тут температура досягає до 1200. Проходить видалення вологи із шихти і відновлення заліза із руди (в результаті горіння коксу формується вуглекислий газ (СО₂), який проходить через розжарений кокс і формує окис вуглецю (2СО). Остання, підіймаючись вверх вступає у взаємодію із рудою (FeО) і відновлює залізо - забирає з окису кисень (Fe+СО₂)). Нижче знаходиться розпар, де температура досягає 1400 і проходить процес формування чавуну. Заплечики мають форму конуса, що звужується до низу. Це втримує шихту, що знаходиться у шахті і розпарі. Нижня частина печі називається горном. Тут накопичується розплавлений чавун та шлак. Чавун важчий, тому він опускається на дно горна - лещадь. В горні розташовані отвори (льотки), через які періодично зливають шлак та чавун. У верхній частині горна розташовані отвори (фурми), через які з метою підтримання процесу горіння подають гаряче повітря. Нижня частина горна а також фурми охолоджуються циркулюючою водою.

Допоміжні пристрої доменної печі - водонагрівачі і газоочисники. У повітронагрівачах нагрів іде за рахунок спалювання доменних газів, а в газоочисниках проходить очистка колошникового газу від рудної пилюки і частинок коксу. Очищений газ направляють для спалювання у повітронагрівачі.

Робота доменних печей іде безперервно протягом кількох років, поки не потрібен капітальний ремонт.

Для виробництва однієї тони чавуну витрачається 1,5 - 3 т залізної руди, 0,5 - 0,7 т коксу, 0,25 - 0,4 т флюсів і 2500 - 3000 м³ повітря.

Середній склад чавуну такий: заліза - до 92%, вуглецю - 2% і більше, до 6% складають кремній, марганець, сірка, фосфор.

Вуглець надає чавуну крихкість. У складі чавуну він знаходиться у двох станах: у поєднанні із залізом (у вигляді карбіду заліза) - це білий чавун, чи у вигляді графіту (у вільному стані) - сірий чавун.

Підготовлену руду (куски розміром 2-4см) завантажують у доменну піч разом із флюсами та паливом.

Шихту (руда флюси і паливо) засипають через колошник. Внизу горить паливо. Через фурми у верхній частині горна печі (фурми – отвори, яких може бути близько 60), нагнітають повітря збагачене киснем. Біля кожної печі є 3-4 нагрівники, щоб повітря було гарячим. Падаючи з висоти шихта стикається з гарячим повітрям митєво вступаючи у реакцію. По-перше відбувається горіння, та відновлення вуглецю.

С + О₂ à СО₂ + Q

CO₂ + C à 2CO

Крім того проходить поступове відновлення заліза вуглецем.

Fe₂O₃ à Fe₃O₄ à FeO à Fe

Також утворюється цементит 3Fe + C à Fe₃C

Fe₃C – розчиняється у залізі, утворює з ним сплав і стікає в горно. Флюси служать для виведення шкідливих домішок. Шкідливими, насамперед, є домішки сірки та фосфору, які роблять чавун крихким. Корисними домішками є Mn i Si, вони добре розчиняються у сплаві. Крім вищезгаданих в процесі доменного виробництва отримують: шлак, доменний газ (100т. ум п. на добу) і колошниковий пил, які також використовуються у господарстві. Основні шлаки використовуються у виробництві цементу та інших будматеріалів, а кислі - для отримання шлакової вати, яка є хорошим ізолятором. Доменний газ використовується у якості палива. колошниковий пил - для отримання залізовмісного агломерату.

Дата добавления: 2014-01-03