Плавка чугуна в доменной печи и электропечи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные материалы для доменного производства: руда, флюсы, топливо

Для выплавки чугуна нужны руды, флюсы, топливо и воздух. Основным способом получения чугуна является доменный процесс, протекающий в специальных (доменных) печах, работающих непрерывно до капитального ремонта в течение нескольких лет.

Промышленная руда - горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы

Железными рудами называют горные породы, содержащие железо в таких кол-вах, при которых ее технически и экономически целесообразно перерабатывать

Для производства чугуна используют руды следующих основных типов: магнитный железняк (магнезит); красный железняк (гематит); бурый железняк (лимонит); шпатовый железняк (сидерит).

Доменные флюсы - это материалы, вводимые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы железной руды и ошлакования золы топлива, тем самым способствуя отделению от металла пустой породы.

Топливо является не только источником тепла для расплавления руды, но также участвует в химических реакциях, протекающих в доменной печи при выплавке чугуна. При производстве чугуна применяется топливо - кокс или древесный уголь.

Кокс получают сухой перегонкой при 1000-1200°C без доступа воздуха некоторых сортов каменных углей, называемых коксующимися.

Древесный уголь - продукт нагрева древесины при 400-500°C без доступа воздуха. Это наиболее совершенный вид топлива.

Одним из наиболее эффективных заменителей кокса для доменного процесса является природный газ, применение которого снижает себестоимость чугуна, т.к. стоимость газа в десятки раз ниже стоимости кокса.

Подготовка руд включает дробление, сортировку и другие операции.

Дробление обеспечивает нужную степень измельчения руды.

Сортировку руды по классам крупности при размерах кусочков более 1-3 мм проводят на механических грохотах. Для более тонко измельченных материалов используют гидравлическую классификацию. Разделяемый материал подают вместе с водой в специальные устройства, где крупные зерна быстрее оседают, отделяясь от более мелких. В устройствах типа гидроциклон разделение частиц по крупности происходит под действием центробежной силы.

Усреднение материалов по химическому составу и свойствам необходимо для обеспечения ровного хода доменной печи. Одним из основных методов усреднения руды является ее послойная укладка в штабеля большой емкости.

Обогащение руды приобретает все большее значение. Это связано с использованием все более бедных руд, а также руд с тонковкрапленными в пустой породе рудными зернами. Основным способом обогащения железной руды в нашей стране является магнитный. Сущность сухой магнитной сепарации состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы руды отделяются от пустой породы. При мокрой сепарации руда при воздействии на нее магнитного поля одновременно промывается водой. Этот способ более гигиеничен, чем предыдущий, при котором выделяется много пыли.

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа (рис.22). Современные доменные печи имеют общую высоту до 80 м и объем рабочего пространства до 5600 м³. Огнеупорная кладка печи находится в стальном кожухе толщиной 30-40 мм. Производительность доменной печи объемом 300 м³ составляет более 6000т чугуна в сутки.

Колошник служит для загрузки шихтовых материалов (смесь руды, топлива и флюсов) и отвода газов.

Засыпной аппарат (скиповый подъемник), расположенный над колошником, подает шихтовые материалы в определенной последовательности.

Расширяющаяся книзу коническая шахта облегчает опускание материалов и равномерное распределение газов по сечению печи. В шахте происходят процессы восстановления оксидов железа и начинается его науглероживание.

Ниже шахты следует самая широкая часть доменной печи - распар. Здесь происходит плавление пустой породы и флюсов с образованием шлака, которое заканчивается в заплечиках.

Расположенный ниже заплечиков горн имеет цилиндрическую форму. В верхней части горна расположены водоохлаждаемые медные фурмы, через которые в доменную печь поступает нагретый воздух. Здесь происходит горение кокса, а в нижней части горна на лещади скапливаются жидкий чугун и шлак, которые периодически выпускаются через специальные отверстия - летки. Чугунная летка расположена на 0,5 м выше лещади, а шлаковая летка - на 1,5 м.

Доменный процесс.

В доменную печь через колошник сверху загружается шахта. В фурмы, расположенные в нижней части печи, вдувается горячий воздух. В доменной печи непрерывно взаимодействуют шихтовые материалы, движущиеся сверху вниз, и продукты горения, движущиеся снизу вверх. Железная руда, соприкасаясь с углеродом кокса и продуктами его сгорания, в частности с окисью углерода, претерпевает процесс восстановления железа, т.е. окислы железа (соединение железа с кислородом) превращаются в железо, которое не содержит кислорода.

Восстановленное железо (свободное от кислорода) соединяется с углеродом, причем температура его плавления понижается, оно плавится и капельками стекает в нижнюю часть печи - горн. Попутно капельки железа, омывая куски кокса, науглероживаются - таким образом получается чугун.

Чугун явл. основным и главным продуктом доменного процесса. Углерод - Кремний Способствует выделению углерода в виде графита. Улучшает литейные свойства чугуна и делает чугун более мягким.

Марганец препятствует графитообразованию, т.к. связывает углерод в виде цементита.

Сера в чугуне является вредной примесью, т.к. вызывает явление красноломкости (в отливках в горячем состоянии образуются трещины

Фосфор понижает мех. свойства чугуна и вызывает хладноломкость, т.е. склонность к образованию трещин в отливках в холодном состоянии.

Шлак - побочный продукт, является дешевым строительным материалом и идет на изготовление шлакоблоков, бетона, на засыпку дорог.

Газ колошниковый - важный побочный продукт, высококалорийное топливо. Очищенный газ используется для нагрева воздухонагревателей мартеновских печей, для обогрева коксовых батарей, паровых котлов и др. целей.

Пыль колошниковая содержит частицы руды и кокса, выносится из доменных печи с отходящими газами.

Способы получения стали, их достоинства и недостатки; перспективы развития в ближайшие годы.

Выплавка стали в кислых конверторах. Сущность способа (называемого по фамилии изобретателя бессемеровским)заключается в том, что струя воздуха продувается через расплавленный чугун и окисляет входящие в него примеси С, Mh, Si и частично Fe, которые после окисления переходят в шлак в виде окислов либо удаляются в виде газов. Окислительные реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла, что приводит к повышению температуры чугуна от 1300 до 1700--1750°.

Достоинства: 1) высокая производительность; 2) незначительные эксплуатационные расходы; 3) отсутствие необходимости в топливе, так как процессы протекают за счет теплоты выгорания примесей.

Недостатки: 1) невозможность переработки стального лома; 2) большая скорость процесса, которая ограничивает возможность управления им, что затрудняет получение стали определенного химического состава; 3) ограничение состава продуваемого чугуна; чугуны с промежуточным содержанием фосфора перерабатываться не могут; 4) отрицательное влияние газовых включений на физико-механические свойства стали.

Выплавка стали в электропечах.

В зависимости от футеровки различают кислые и основныеэлектропечи. Собственно все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафинирования, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качестве примесей элементы (углерод, кремний, марганец и др.) подвергаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жидкие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяющиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверхность металла и таким образом отделяющиеся от него.

Производство стали в электропечах. Особенности и разновидности процесса, достоинства и недостатки. Понятие легированной стали

Получение стали в электропечах. В зависимости от футеровки различают кислые иосновные электропечи. Собственно все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафинирования, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качестве примесей элементы (углерод, кремний, марганец и др.) подвергаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жидкие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяющиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверхность металла и таким образом отделяющиеся от него.

При кислом процессе нельзя удалить серу и фосфор (требуются чистые исходные материалы). В основных электропечах эти элементы удаляются легко, поэтому основные печи применяются для получения высококачественных сортов стали. Кислые же печи применяются главным образом для получения стальных фасонных отливок.

Плавка в основной электропечи начинается с расплавления загруженного скрапа и чугуна. По ходу выгорания примесей различают несколько вариантов плавки: 1) с полным окислением; 2) с частичным окислением;3) без окисления. сталь рафинирование прокат плавка

1. Плавка с полным окислениемприменяется, когда в шихте содержится значительное количество фосфора и других примесей. В этих условиях примеси не успевают выгореть за время расплавления и для ускорения процесса окисления в ванну добавляют железную или марганцевую руду.

Процесс получения стали распадается на несколько периодов.

Окислительного период (кип):происходит удаление из металла фосфора и значительной части газов (поглощаемых металлом во время расплавления).

Получение стали в мартеновских печах. Особенности процесса, разновидности процесса посоставу шихты и обмуровке печей. Преимущество и недостатки мартеновского процесса.

Мартеновский способ позволяет использовать значительное количество стального и железного лома. В 1865 г. для этой цели впервые была примененарегенеративная печь.Необходимость применения регенераторов объясняется тем, что холодное топливо при сгорании в холодном воздухе развивает температуру до 1400°. При подогреве топлива и воздуха примерно до 1000° температура пламени повышается до 1800°, что достаточно для ведения процесса.

Разновидности мартеновского процесса. В зависимости от материала, из которого изготавливается под печи, мартеновский процесс может бытьосновным или кислым. В основных печах под выкладывается из магнезитового кирпича и наваривается магнезитом или доломитом. В кислых печах под выкладывается из динасового кирпича и наваривается слоем кварцевого песка.

В зависимости от применяемой шихты различают рудный процесси скрап-процесс.

В первом случае шихта состоит из жидкого чугуна, лома и руды. Количество чугуна в шихте 70--90%. Чистая железная руда в количестве до 20% применяется для окисления примесей. Обычно рудный процесс ведется в основных печах и дает главную массу всей производимой стали. При скрап - процессе шихта состоит из значительного количества скрапа (60 -- 85%) и меньшего количества чугуна (15 -- 40%). Последний загружается обычно в твердом виде. Вследствие значительного окисления шихты в период плавления и небольшого количества примесей, которое нужно удалить из шихты, руда в печь подается в небольшом количестве. Скрап-процесс распространен на заводах, не имеющих доменных печей. Большое распространение получил скрап-рудный процесс, который ведется на шихте, состоящей из 40 -- 60% скрапа и 40 -- 60% чугуна в жидком виде. В шихту входит также железная руда

Кислородно-конверторный способ получения стали. Особенности "и разновидности процесса;

оборудование и требование к нему. Экономические аспекты производства стали кислородно-конверторным способом.

Выплавка стали в кислых конверторах. Сущность способа (называемого по фамилии изобретателя бессемеровским)заключается в том, что струя воздуха продувается через расплавленный чугун и окисляет входящие в него примеси С, Mh, Si и частично Fe, которые после окисления переходят в шлак в виде окислов либо удаляются в виде газов. Окислительные реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла, что приводит к повышению температуры чугуна от 1300 до 1700--1750°.

Процесс переработки чугуна в бессемеровском конверторе распадается на три периода.

1. Окисление кремния и марганца

В конверторе происходят реакции окисления Fe, Si и Мn кислородом вдуваемого воздуха, одновременно происходят реакции окисления примесей чугуна растворенной в нем закисью железа.

Продукты окисления кремния и марганца не растворяются в металле и уходят в шлак. Поэтому первый период называют еще периодом шлакообразования.

2. Окисление углерода.

Усилившееся горение углерода характеризует начало второго периода. Сгорая, углерод образует окись углерода и углекислый газ. В этот период развиваются дальше реакции восстановления железа из его окислов.

3. Окисление железа (период дыма).

Наличие дыма показывает, что входящие в состав чугуна примеси почти исчезли и что кислород соединяется с железом. С появлением бурого дыма процесс прекращают. Для окончательного раскисления в конвертор добавляется некоторое количество специального чугуна, содержащего значительное количество Мп и Si. Чем лучше раскислён металл, тем выше его механические качества.

Начало в тетради

Из плавильных печей сталь выпускают в разливочные ковши, в которых ее выдерживают в течение 5…10 минут для выравнивания состава и всплытия неметаллических примесей и газов, попавших в сталь при выпуске ее из печи. Затем ковши мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков.

Конфигурация изложниц зависит от сорта заливаемой стали и назначения слитка. Для разливки спокойной стали применяют изложницы, расширяющиеся к верху, кипящей - вниз.

Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. Возможно использование промежуточной воронки или промежуточного ковша. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке, температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы. Применяется для разливки углеродистых сталей, при получении крупных слитков.

При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (4…60 штук). Изложницы устанавливаются на поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 3,футерованный огнеупорными трубками 4, соединённый каналами 7с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу 5.

Поверхность слитка получается чистой, так как металл в изложницах поднимается плавно, без разбрызгивания, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц.

Недостатки сифонной разливки: сложность и повышенная стоимость, дополнительный расход металла на литники, необходимость нагрева металла до более высокой температуры, чем при заливке сверху.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша 1 (рис. 8) через промежуточное разливочное устройство 2непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна - кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 5.

Производство меди

Медь в природе находится в виде сернистых соединений , оксидов , гидрокарбонатов , углекислых соединений в составе сульфидных руд и самородной металлической меди.

Наиболее распространенные руды - медный колчедан и медный блеск, содержащие 1…2 % меди.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % - гидрометаллургическим.

Гидрометаллургический способ - получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора.

Получение меди пирометаллургическим способом состоит из обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Обогащение медных руд производится методом флотации и окислительного обжига.

Метод флотации основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы. Позволяет получать медный концентрат, содержащий 10…35 % меди.

Медные руды и концентраты, содержащие большие количества серы, подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700…800 ⁰C в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое против исходного. Обжигают только бедные (с содержанием меди 8…25 %) концентраты, а богатые (25…35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 ⁰C.

Полученный медный штейн, с целью окисления сульфидов и железа, подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак, а серу - в . Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300?C. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование.

Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,95% ).

Электролиз проводят в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод - из тонких листов чистой медиПри пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.

Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения металлов.

Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).

Титан в последние годы в технике находит все большее применение. Главное преимущество титана и его сплавов перед другими конструкционными материалами заключается в сочетании высоких механических свойств и коррозийной стойкости с малым удельным весом по сравнению с железными и другими сплавами.

Производство титана представляет большие трудности в связи с тем, что он обладает высокой химической активностью при высоких температурах и требует создания для плавки среды инертных газов или вакуума.

Титан в природе встречается в ильмените и титаномагнетите, где содержание ТЮг (рутила) колеблется от 8 до 60%. Титановую руду методом флотации отделяют от пустой породы и получают концентрат с высоким содержанием титанового окисла (90--99% ТiO₂). Восстановление окислов титана представляет трудности ввиду большого сродства титана с кислородом. Поэтому в современной практике титан восстанавливают из тетрахлорид титана TiCl₄. Тетрахлорид получают одновременным восстановлением окислов ТiO₂ и хлорированием по реакции:

Процесс получения тетрахлорида титана идет при высоких температурах. Тетрахлорид титана TiCl₄устойчивое химическое соединение ципщ при 136°, но разлагается только при очень высоких температурах.

В настоящее время применяют несколько способов восстовления TiCl₄, которые дают возможность вести восстановление его при более низких температурах водородом, натрием,

Способ восстановления титана магнием наиболее перспективен.

Восстановление ведется в специальных герметически закрытых аппаратах в среде инертных газов, например, аргона. Магний расплавляют и через жидкий металл пропускают пары TiCl₄, который реагирует с магнием и восстанавливается; процесс ведется при 850--950°. В результате образуется продукт, который после охлаждения представляет собой смесь из титана, хлористого магния и избытка магния. Титан получается пористый в виде губки, которая переплавляется в порошкообразном состоянии или в виде прессованных электродов.

Рафинирование титана

Для получения титана высокой чистоты применяют так называемый иодидный способ, при котором используется реакция Ti + 2I2 = TiI4. При температуре 100--200 °С реакция протекает в направлении образования Til4, а при температуре 1300--1400 °С -- в обратном направлении. Титановую губку (порошок) загружают в специальную реторту, помещаемую в термостат, где температура должна быть на уровне 100--200 °С, и внутри нее спеиальным приспособлением разбивают ампулу с иодом. Через несколько натянутых в реторте титановых проволок пропускают ток, в результате чего они накаливаются до 1300--1400 °С. Пары иода реагируют с титаном губки по реакции Ti + 2I2 -- TiI4. Полученный TiI4 разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого Ti и освобождая иод. Пары иода вновь вступают во взаимодействие с рафинируемым титаном, а на проволоке постепенно наращивается слой кристаллизующегося чистого титана. Процесс заканчивают при толщине получаемого прутка титана 25--30 мм. Получаемый металл содержит 99,9--99,99 % Ti, в одном аппарате получают ~ 10 кг чистого титана в сутки. Производство титановых слитков. Для получения ковкого Ti в виде слитков губку переплавляют в вакуумной дуговой печи. Расходуемый (плавящийся) электрод получают прессованием губки и титановых отходов. Жидкий титан затвердевает в печи в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Алюминий - наиболее распространенный металл в земной коре (8,8 %), но в чистом виде не встречается. Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы.

Алюминий получают электролизом глинозема - оксида алюминия (Al₂O₃) в расплавленном криолите с добавлением фтористых алюминия и натрия.

Получение алюминия включает: получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия; получение криолита из плавикого шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью. В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминияAl(OH)₃. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150…1200 ⁰С и получают обезвоженный глинозем Al₂O_3.

Для производства криолита сначала из плавикого шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)₃, в результате чего образуется фторалюминиевая 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 криолит. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Для электролиза и разогрева электролита до 1000 ⁰С подводят постоянный ток. 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 натрия, кальция, магния и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30…45 мин при температуре 690…730 ⁰С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5…99,85 %.

Рафинирование алюминия

Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, называют алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водород, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси -- это механически увлеченные частицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др. Для рафинирования от механически захваченных примесей, растворенных газов, а также от Na, Ca и Mg алюминий подвергают хлорированию. Для этого в вакуум-ковш вводят трубку, через которую в течение 10--15 мин подают газообразный хлор. Хлор энергично реагирует с алюминием, образуя хлористый алюминий AlСl3. Пары хлористого алюминия поднимаются через слой металла и вместе с ними всплывают взвешенные неметаллические примеси, часть газов и образующиеся хлориды Na, Ca, Mg и Н2. Далее алюминий заливают в электрические печи-миксеры или в отражательные печи, где в течение 30--45 мин происходит его остаивание. Затем алюминий разливают либо в чушки на конвейерных разливочных машинах, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8% алюминий.

Производство магния

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

Основным сырьем для получения магния являются: карналлит, магнезит, доломит, бишофит. Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит 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 % , 45 % , 30 % , 15 % , с небольшими добавками и . Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 ⁰С). 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 , нагревают в печи до температуры 700…750 ⁰С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670 ⁰С и магний разливают в изложницы на чушки.

Рафинирование магния возгонкой основано на различии между упругостями паров магния и содержащихся в нем примесей.

Железо, медь, кремний и алюминий менее летучи, чем магний, поэтому при испарении магния-сырца при температурах, далеко отстоящих от температур кипения вышеперечисленных примесей, они остаются в твердом состоянии, а в возгоне оказывается по преимуществу чистый магний. Хлориды магния, калия и натрия, а также металлический кальций тоже менее летучи, чем магний, однако разность между упругостями паров этих веществ и магния невелика.

Специально для металлургов предпочитающих металл не только на работе, но и в музыке предлагаем приобрести металл.

Калий и натрий более летучи, чем магний, поэтому при возгонке магний-сырца в первую очередь будут испаряться калий и натрий, а затем одновременно с магнием -- кальций и хлориды солей. При охлаждении смеси паров эти наиболее летучие примеси конденсируются преимущественно в наиболее холодных зонах конденсатора, на чем и основано отделение их от основной массы магния.

Рафинирование возгонкой применяют для получения магния высокой степени чистоты (99,99% Mg), обладающего высокими антикоррозионными свойствами.

Возгонка проходит в вакууме (остаточное давление равно 0,1--0,2 мм рт. ст.); температура зоны испарения составляет примерно 575--600° С, зоны конденсации 475--550° С. Выход рафинированного магния составляет 90%.

Кристаллы магния переплавляют в неглубоком вакууме или в среде инертного газа; переплавка металла под флюсом нецелесообразна, так как при этом имеется опасность загрязнения его хлористыми солями.

Флотационные никелевые концентраты процесса разделения меди и никеля вначале подвергают одностадийному окислительному обжигу в печах КС при 1100--1200 °С. Полученная при обжиге закись никеля содержит менее 0,5 % S. Глубокой десульфуризации закиси никеля в данном случае проводить нет необходимости, так как черновой никель в обязательном порядке подвергают электролитическому рафинированию, при котором сера, практически полностью связанная с медью (Cu2S), перейдет в шлам. После окисления никелевого концентрата разделения файнштейна (РФ) и выпуска огарка из печи КС, закись никеля предварительно восстанавливают в трубчатом вращающемся отапливаемом реакторе. Предварительное восстановление огарка существенно бережёт электроэнергию при дальнейшей плавке при случае черновой никель.

Восстановительную плавку на закись никеля делают в дуговых электрических печах, принятых из сталеплавильного производства. Огарок, смешанный с нефтяным коксом, помещают в электродуговую печь. Закись никеля восстанавливается до металла. При этом за счёт избытка кокса происходит образование карбида никеля Ni3 С и используется светодиодный прожектор. Карбид никеля растворяется в металлическом никеле, и при содержании углерода в металлическом никеле около 2,2 % образует легкоплавкую фазу с температурой плавления 1315 °С. Получение легкоплавкой фазы позволяет снизить общую температуру процесса. Избыток углерода удаляют в конце плавки загрузкой в печь небольшого количества закиси никеля по реакции:

Ni3C + 2NiO = 5Ni + CO2

Образование легкоплавкого сплава позволяет экономить электроэнергию. Плавку ведут без образования наведенного шлака шлака. Огневой никель последовательно разливают на карусельной разливочной машине в аноды с заливкой в них ушков из никелевых полос. Никелевые аноды направляют на электролитическое рафинирование никеля.

Электролитическое рафинирование никелевых анодов осуществляют совместно с переработкой никель-кобальтовых ломов. Никель-кобальтовые ломы растворяют и содержащийся в них никель используют для восполнения дефицита никеля, возникающего при электролитическом рафинировании анодов. Выщелачивание вторичных материалов производят растворами, содержащими хлорид трехвалентного железа или меди. Готовый раствор с операции выщелачивания, содержащий железо преимущественно в двухвалентном состоянии, направляют на операцию очистки от железа, которая совмещена с операцией репульпации первичного железистого кека. Снижаются энергетические и материальные затраты.

Порошковые материалы - материалы, получаемые в результате прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере.

Сплавы на основе цветных материалов применяют в приборостроении и электронной технике. Порошковые материалы применяют при изготовлении деталей, которые имеют простую симметричную форму, небольшие массу и размер.

Порошковая металлургия - отрасль технологии, которая занимается производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке - спеканию. Металлические порошки бывают: железные, медные, никелевые, хромовые, кобальтовые, вольфрамовые, молибденовые, титановые. Различают два способа получения порошков: механический и физико-химический.

Повышение механических свойств (прочности, твердости, пластичности) деталей из порошковых материалов достигается применением легированных порошков, а также термической или химико-термической обработкой.

Из антифрикционных материалов изготавливают пористые подшипники скольжения и биметаллические вкладыши. Фрикционные материалы должны иметь стабильный коэффициент трения, быть достаточно прочными, иметь хорошую прирабатываемость, обладать высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Пористые материалы широко применяют для изготовления металлических фильтров из порошков железа, меди, латуни, бронзы, алюминия. Эти материалы служат для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (лопатки газовых турбин), их также используют для токосъемников, электродов аккумуляторов, горелок.

Вакуумные порошковые материалы применяют для изготовления ламп накаливания, рентгеновских трубок, катодных ламп, выпрямителей. Они должны обладать высокой механической прочностью, химической инертностью, небольшим коэффициентом линейного расширения, малой распыляемостью. Таким требованиям отвечают тугоплавкие металлы (W, Мо, Та), а также железо высокой чистоты и его сплавы с никелем, молибденом, кобальтом и медью.

Насыпная плотность -- отношение массы свободно насыпанного порошка к занимаемому им объему. Чем крупнее частицы и правильнее их форма, тем больше насыпная плотность порошка.

Текучесть порошка определяется скоростью истечения его через отверстие заданного диаметра. Хорошая текучесть порошка необходима для быстрого и равномерного заполнения им пресс-формы.

Прессуемость порошков -- это способность их уплотняться при формовании изделий в зависимости от давления. Формуемость порошка характеризуется способностью заготовок сохранять заданную форму после уплотнения порошка при минимальном давлении.

Физические свойства порошков характеризуются формой частиц, гранулометрическим составом порошков, их удельной поверхностью и микротвердостью частиц.

Форма частиц в зависимости от метода получения порошка может быть сферической, губчатой, осколочной, тарельчатой, дендритной, каплевидной.

Гранулометрический состав порошка отражает содержание в нем частиц определенных фракций.

Удельная поверхность порошка (точнее -- удельная площадь поверхности) представляет собой отношение суммарной площади поверхности частиц порошка к его массе.

Микротвердость частицы характеризует ее способность к деформированию.

Химический состав порошка характеризуется содержанием в нем основного металла или компонентов смеси металлов, примесей, различных механических загрязнений и газов. Химический состав порошка зависит от метода производства и химического состава исходного сырья.

В настоящее время существуют различные методы изготовления порошков, каждый из которых обеспечивает определенные их характеристики.

Все известные способы производства порошков условно разделяют на механические и физико-химические.

Механические методы получения порошков -- дробление и размол, распыление, грануляция -- характеризуются переработкой материалов в порошок практически без изменения их химического состава.

Физико-химические методы --восстановление, термическая диссоциация карбонильных соединений -- отличаются тем, что получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.

Наибольшее промышленное распространение получили методы изготовления порошков путем восстановления оксидов и других соединений металлов, распыления и др.

Механические методы получения порошков основаны на измельчении частиц материала путем разрушения их под действием внешних нагрузок, преодолевающих внутренние силы сцепления в материале.

Механическое измельчение дроблением, размолом или истиранием целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов: бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов и др. Размол пластичных металлов затруднен, так как под действием внешних нагрузок они в основном деформируются, а не размельчаются.

Дробление металлов производят в щековых, валковых, конусных дробилках и бегунах. Продукты дробления-- частицы размером 1...10 мм. Они являются исходным материалом для последующего измельчения в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Недостатками механических методов получения порошков является загрязнение последних продуктами истирания шаров и барабана, их высокая стоимость и относительно низкая производительность процессов.

Получение порошка методом распыления связано с распылением расплавленной струи металла в среде воздуха, инертных газов или при ударах лопаток вращающегося диска. Распылением получают порошки алюминия, свинца, цинка, олова, никеля, латуни, чугуна, железа и др.

Метод грануляции состоит в том, что расплавленный металл льют в жидкость. Частицы порошка, полученного этим способом, имеют размер 0,05...0,35 мм и форму, близкую к сферической. Одним из физико-химических методов получения порошков является восстановление оксидов и других соединений металлов.

Под восстановлением в порошковой металлургии понимают процесс получения металлов из их химических соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода и других элементов) при помощи восстановителя.

Методом восстановления получают порошки кобальта, вольфрама, молибдена, титана, меди, железа и других металлов. В качестве восстановителей применяют газы (водород, конвертерный, доменный, коксовый и др.) или твердые вещества (углерод, магний). Получение металлических порошков восстановлением является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным из рассматриваемых методов.

Смотреть в тетради!

Обработка металлов давлением основана на использовании пластических свойств материалов. Эти свойства позволяют изменять форму и размеры заготовки под действием внешних сил (давления) и сохранять полученные форму и размеры после прекращения действия сил. Для увеличения пластичности металл нагревают до температуры, при которой наиболее полно проявляются его пластические свойства.

Обработка металлов давлением отличается высокой производительностью и экономным расходованием металла по сравнению с литьем и механической обработкой и, кроме того, улучшает механические свойства литого металла.

Различают следующие основные способы обработки металлов давлением: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка.

Прокатка ( 51, а) --это обжатие заготовки между вращающимися валками. Валки могут быть гладкими -- для прокатки листов и лент и с вырезками (ручьевые) -- для получения деталей фасонного профиля. Различают горячую (с подогревом заготовки) и холодную прокатку. Комплекс оборудования, с помощью которого производится прокатка, называется прокатным станом.

Прокатные станы подразделяют по характеру процесса прокатки и выпускаемой продукции на блюминги, слябинги, листопрокатные, проволочные, сортовые, трубопрокатные и специальные.

На блюмингах производят крупные квадратные заготовки -- блюмы. Из блюмов на сортопрокатных стана"х получают сортовой прокат с сечениями в виде квадрата, круга, прямоугольника, треугольника, сегмента, ромба, уголка, швеллера, тавра, двутавра и др.

На слябингах прокатывают крупные прямоугольные заготовки -- слябы, из которых затем на листопрокатных станах производят более мелкие прямоугольные заготовки и листы.

Проволочные станы предназначены для получения проволоки диаметром 5--10 мм.

На трубопрокатных станах получают бесшовные и шовные (сварные) трубы. С помощью специальных станов прокатывают самые различные заготовки, например железнодорожные колеса, вагонные оси и т. д.

Ковка, так же как и литье, является издавна известным способом обработки металлов. Различают ковку без применения штампов, так называемую свободную ковку, и ковку в штампах -- штамповку.

См в тетради

Ковка - способ обработки давлением, при котором деформирование нагретого (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота или однократным давлением пресса.

Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях, перпендикулярных к движению деформирующего инструмента. При свободной ковке течение металла ограничено частично, трением на контактной поверхности деформируемый металл - поверхность инструмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов. Ковкой получают разнообразные поковки массой до 300 т.

Ковка может производиться в горячем и холодном состоянии

Холодной ковке поддаются драгоценные металлы - золото, серебро; а также медь. Технологический процесс холодной ковки состоит из двух чередующихся операций: деформации металла и рекристаллизационного отжига. В современных условиях холодная ковка встречается редко, в основном в ювелирном производстве.

Горячая ковка применяется для изготовления различных изделий, а также инструментов: чеканов, зубил, молотков и т.п.

Обычная технологическая схема ковки: нагрев заготовки (слитка), беллетировка (превращение конического слитка в цилиндрическую заготовку), протяжка, подогрев и последующая ковка в размер, разрубка на мерные длины, охлаждение и термообработка, осмотр, обмер, зачистка дефектов, отрезка образцов на механические испытания, сдача.

Штамповка - это способ изготовления изделий давлением с помощью специального инструмента (штампов), рабочая полость которых определяет конфигурацию конечной штамповки (изделия). Штампованные заготовки значительно приближены по форме и размерам к готовой детали.

Процессы штамповки подразделяют на два вида: объемная и листовая штамповка. При объемной штамповке используют сортовую или профильную заготовку, при листовой штамповке заготовкой является металл в виде листа.

Методами объемной штамповки изготавливают заготовки сложной конфигурации (шестерни, коленчатые валы, кронштейны, рычаги и др. детали для машиностроения). Листовой штамповкой получают различные корпусные изделия (детали обшивки и корпуса легковых и грузовых автомобилей и др.).

Детали можно штамповать в горячем и холодном состояниях на различных типах кузнечно-прессового оборудования. Холодная штамповка обеспечивает более высокое качество поверхности и точность, но требует более мощного оборудования.

Сущность процесса горячей объемной штамповки заключается в том, что нагретая до оптимальной температуры заготовка помещается в полость одной из половин штамма, где она при воздействии второй половины приобретает заданную форму. Технологическая схема процесса состоит из следующих операций: разрезка прутков, нагрев заготовки, перенос в полость штампа, штамповка, обрезка заусенца (облоя), термическая обработка, осмотр, ремонт дефектов, приемка. Для горячей штамповки штампы изготавливаются из инструментальных углеродистых и легированных сталей.

Холодную объемную штамповку осуществляют в тех же штампах, которые применяются для горячей обработки. Основное преимущество холодной штамповки состоит в возможности деформирования заготовок малой толщины (полоса) и поперечного сечения (пруток, проволока). Этот метод позволяет получать поковки с тонкими сечениями, что в нагретом состоянии недостижимо ввиду их быстрого охлаждения. В холодном состоянии чаще штампуют цветные металлы, низкоуглеродистые стали, легированные и коррозионностойкие стали.

Листовая штамповка является одним из прогрессивных методов формообразования на прессах при помощи штампов и широко применяется во всех отраслях машиностроения и металлообрабатывающей промышленности. Листовой штамповкой изготавливают изделия для автомобилей, тракторов, самолетов и др. В зависимости от толщины листа-заготовки штамповку можно условно разделить на тонколистовую (толщина листа до 4 мм) и толстолистовую (толщин более 4 мм).

Сущность процесса волочения заключается в протягивании заготовок через сужающееся отверстие (фильеру) в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля. Схема волочения представлена на рис.18.

Волочением получают проволоку диаметром 0,002…4 мм, прутки и профили фасонного сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемых изделий. Волочение чаще выполняют при комнатной температуре, когда пластическую деформацию сопровождает наклеп, это используют для повышения механических характеристик металла, например, предел прочности возрастает в 1,5…2 раза.

Исходным материалом может быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали различного химического состава, цветные металлы и сплавы, в том числе и драгоценные.

Технологический процесс волочения осуществляется на специальных волочильных станах. В зависимости от типа тянущего устройства различают станы: с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепной, реечный); с наматыванием обрабатываемого металла на барабан (барабанный). Станы барабанного типа обычно применяются для получения проволоки. Число барабанов может доходить до двадцати. Скорость волочения достигает 50 м/с.

Прессование

Прессованием называют процесс выдавливания (экструзии) находящегося в полости контейнера металла через выходное отверстие - очко матрицы. Методом горячего прессования в настоящее время изготавливают чрезвычайно широкий сортамент изделий: прутки, трубы, самые разнообразные профили сложного сечения. Прессование чаще применяют для обработки цветных металлов и реже сталей. Используется прессование и для изготовления изделий из тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Методом прессования изготавливают очень широкий сортамент сплошных и полых профилей, труб и панелей, в том числе оребренных.

Существуют два метода прессования: прямой и обратный. При прямом металл выдавливается в направлении движения пуансона (пресс-остаток 18-20%). При обратном металл движется из контейнера навстречу движению пуансона (пресс-остаток 5-6%).

Инструмент для прессования состоит: из контейнера, матрицы, пуансона (штемпеля), иглы и иглодержателя (при прессовании полых профилей и труб).

Прокатка - один из наиболее распространенных видов обработки металлов давлением. При продольной прокатке металл деформируется между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. Этим способом производится почти 90% прокаткой продукции, в том числе весь листовой и профильный прокат. Крупный профиль и толстый лист производят методом горячей продольной прокатки. Тонкий лист, ленту, мелкий профиль точных размеров - методом холодной прокатки. Горячая прокатка более производительна и экономически выгодна, холодная прокатка обеспечивает значительно более высокую точность и часто является чистовым этапом производства листов, труб и профилей.

При поперечной и поперечно-винтовой (косой) прокатке валки вращаются в одну сторону. При косой прокатке металл получает не только поперечную, но и продольную деформацию за счет перекоса валков. Косая прокатка позволяет изготавливать бесшовные горячекатаные трубы, а поперечная - спецпрофили.

Классификация прокатных станов может быть проведена по назначению продукции: обжимные, заготовочные, крупносортные, среднесортные, мелкосортные, проволочные, рельсобалочные, универсальные балочные, толстолистовые, широкополосные, листовые, тонколистовые, ленточные, трубопрокатные, бандаже- и колесопрокатные, а также специального назначения. Прокатные станы бывают реверсивными (возможность изменения направления прокатки) и нереверсивными.

Сортаментом станов называется совокупность получаемых изделий по форме, сечению и размерам. Все прокатные изделия подразделяют на: сорт, лист, трубы, профили, специальные виды прокатов. Прокатку сорта и профиля осуществляют в калиброванных (ручьевых) валках, листы и полосы прокатывают в валках с гладкой поверхностью.

Производство проката разделяют на две основные стадии: 1) получение

полупродукта (блюмов, слябов и заготовок) из слитка и 2) получение готовых изделий из полупродуктов.

Взаимное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут бить различными. Выделяют три основных вида прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую.

При продольной прокатке (рис. 3.1, а) заготовка 2 деформируется между двумя валками, вращающимися в разные стороны, и перемещается перпендикулярно осям валков.,

При поперечной прокатке (рис. 3.1, б) валки 1, вращаясь в одном направлении, придают вращение заготовке 2, которая, перемещаясь вдоль оси валков, деформируется.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 3.1, в) валки 1 располагаются под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и поступательное движения.

...