Производство цветных металлов

Производство меди

Медь получают 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% Сu, а также отходы меди и ее сплавов. При темпе­ратуре 1250-1300°С восстанавливают­ся оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди (Сu₂О), реагируя с FeS, дает Cu₂S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем рас­плавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфи­дов меди и железа и получения чер­новой меди. Черновая медь содержит 98,4—99,4% Сu 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 SO₂ и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от Сu₂О ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погружен­ной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают Сu₂О.

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% Си). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри свинцом. Аноды дела­ют из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO₄ (10-16%) и H₂SO₄ (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди:

Cu²⁺+2e ^- = Cu.

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.

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 расплавленном криолите.

Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бок­ситы, нефелины, алуниты, каолины. Алюминий получа­ют электролизом глинозема - оксида алюминия (А1₂O₃) в расплавленном криолите (Nа₃АlF₆) с добавлением фто­ристых алюминия и натрия (А1F₃, NaF). Производство алюминия включа­ет получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глино­зема); получение криолита из плави­кового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов пу­тем их обработки щелочью:

Аl₂О₃ • nH₂0 + 2NaOH = 2NaAlO₂ + (n+1)H₂O

Полученный алюминат натрия NaAlO₂ подвергают гидролизу:

NaAlO₂ + 2Н₂О = NaOH + А1(ОН)₃ ¯

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия А1(ОН)₃. Гидроксид алюминия обез­воживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200°С и получают обезвоженный глинозем А1₂0₃.

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фто­ристый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят А1(ОН)₃, в результате чего об­разуется фторалюминиевая кислота, ко­торую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок:

2Н₃А1F₆ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃AlF₆ ¯ + 3CO₂ + 3H₂O

Его отфильтровывают и просушива­ют в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема Аl₂Оз 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 1000°С.

Электролит состоит из криолита, глинозема, А1F₃ и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al³⁺ и об­разуется алюминий, а на аноде - ион О^2-, 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%.

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 • КСl • 6Н₂О), магнезит (MgCO₃), доломит (СаСО₃•MgCO₃), бишофит (MgCl₂•6Н₂О). Наибольшее количество магния получают из кар­наллита. Сначала карналлит обогаща­ют и обезвоживают. Безводный кар­наллит (MgCl₂ • КС1) используют для приготовления электролита.

Электролиз осуществляют в электро­лизере. Анодами служат графитовые пластины, а катодами - стальные пла­стины. Электролизер заполняют рас­плавленным электролитом состава 10% MgCl₂, 45% CaCl₂, 30% NaCl, 15% КС1 с небольшими добавками NaF и СаF₂. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плав­ления (720 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 MgCl₂, КС1, BaCl₂, CaF₂, NaCl, CaCl₂, нагревают в электропечи до темпера­туры 700-750С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлажда­ют до температуры 670°С и магний разливают в изложницы на чушки.

Производство титана

Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последу­ющим получением из него четырех­хлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием.

Сырьем для получения титана явля­ются титаномагнетитовые руды, из ко­торых выделяют ильменитовый кон­центрат, содержащий 40-45% TiO₂, 30% FeO, 20% Fе₂О₃ и 5-7% пустой породы. Название этот концен­трат получил по наличию в нем ми­нерала ильменита FeO• TiO₂.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие ок­сиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в излож­ницы. Основной продукт этого процес­са - титановый шлак содержит 80-90% TiO₂, 2-5% FeO и примеси SiO₂, А1₂0₃, СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвер­гают хлорированию в специальных пе­чах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титано­вого шлака, а через фурмы внутрь печи -хлор. При температуре 800-1250 С в присутствии углерода об­разуется четыреххлористый титан, а та­кже хлориды СаCl₂, MgCl₂ и др.:

TiO₂ + 2С + 2С1₂ = TiC₄ + 2СО.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипе­ния этих хлоридов методом ректифи­кации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при те­мпературе 950-1000 С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый ти­тан. Между жидким магнием и че­тыреххлористым титаном происходит реакция

2Mg+TiCl₄=Ti+2MgCl₂.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl₂ выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35-40% магния и хлористого магния. Для уда­ления из титановой губки этих при­месей ее нагревают до температуры 900-950 С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После это­го чистота титана составляет 99,6-99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки дав­лением.

Классификация и маркировки сталей

1. По химическому составу: углеродистые и легированные.

1) углеродистые стали. К этой группе относятся следующие стали

- обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) S, P ≤0,07%

маркировка: Ст.0; Ст.1 до Ст.6. Цифра указывает на порядковый номер с увеличением которого повышается прочность и увеличивается содержание углерода.

назначение: применяют для изготовления деталей неответственного назначения и изделий строительной индустрии.

- качественные (ГОСТ 1050-74) S, P ≤0,035%

маркировка: Сталь 10; Сталь 15; Сталь 20 до Сталь 80. Цифра указывает на содержание углерода в стали в сотых долях процента: Сталь 10 – С ≤ 0,10%; Сталь 80 – С ≤ 0,80%

- высококачественные S, P ≤0,025%. Стали этой группы применяют для изготовления инструмента, поэтому они называются инструментальными и обозначаются следующим образом:

У7А – С ≤ 0,7%

У8А – С ≤ 0,8%

У10А – С ≤ 1,0%

У13А – С ≤ 1,3%

У – углеродистая, цифра указывает на содержание С в десятых долях процента. А – указывает, что сталь высококачественная.

2) легированные стали. Это сплавы, в состав которых введен один или несколько химических элементов, с целью придания специальных свойств. Каждый введенный в сталь химический элемент маркируется специальной буквой:

Х - хром, Н – никель, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий, С – кремний, Т – титан, К – кобальт, Д – медь, В – вольфрам, М – молибден, Б – ниобий.

А (в начале маркировки) – означает, что сталь автоматного класса, т.е. предназначена для обработки на станках-автоматах и обладает повышенной обрабатываемостью резанием. S – 0,3%. А12, А20 – цифры указывают на содержание углерода (0,12–0,2%). Вследствие повышенного содержания серы из таких сталей изготавливают изделия неответственного назначения.

А (в середине) – означает наличие в стали азота.

А (в конце маркировки) – означает, что сталь высококачественная S, P ≤0,025%.

Р (в начале маркировки) – означает, что сталь быстрорежущая. Она обладает высокой твердостью и износостойкостью. Предназначена для изготовления инструмента. Р9, Р18 - цифра указывает на наличие вольфрама в процентах (W – 9%, 18%).

Р (в середине либо в конце) – означает, что в стали имеется бор.

Ш (в начале) – ШХ4; ШХ15 – означает, что сталь шарикоподшипниковая. Х – в стали есть хром, а цифра указывает на его содержание – 0,4%, 1,5%.

Ш (в конце) – особовысококачественная S, P ≤0,015%.

Количество легирующего элемента указывается в цифровом выражении после буквенного обозначения в процентах. если цифра отсутствует – это означает, что такого элемента около 1%.

Примеры :

18ХГТ – цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента (С – 0,18%). Легирована хромом, марганцем и титаном – все по 1%, остальное - железо.

20Х2Н4ВА – углерода 0,2%, хром – 2%, никель – 4%, вольфрам – 1%, высококачественная (S, P ≤0,025%.), остальное - железо.

12Х18Н9ТБ – углерода 0,12%, хром – 18%, никель – 9%, титан – 1%, ниобий – 1%, (S, P ≤0,035%.), остальное - железо.

42ХМФ-Ш – углерода 0,42%, хром – 1%, молибден – 1%, ванадий – 1%, особовысококачественная (S, P ≤0,015%.), остальное - железо.

Если в начале маркировки отсутствуют цифры – это означает, что в ней содержание углерода около 1%.

0Х18Н10Т – 0 – в сталях С ≤ 0,08%

00Х18Н10Т – 00 – в сталях С ≤ 0,05%

Углерод в инструментальных сталях указывается в десятых долях процента:

4Х5МФС – С-0,4%, 3Х3ВМФ – С-0,3%.

Пример: 16ХГНАФА–С – 0,16%, хром – 1%, марганец – 1%, никель – 1%, азот – 1%, ванадий – 1%, высококачественная (S, P ≤0,025%.), кремний ≤0,37%, остальное – железо.