Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Приведите характеристику свойств меди и укажите области ее применения. Опишите последовательность технологического процесса производства меди пирометаллургическим способом

Медь относится к самым распространенным цветным металлам. Она обладает высокими антикоррозийными свойствами как при нормальных атмосферных условиях, так в пресной и морской воде и других агрессивных средах. Однако медь не устойчива в аммиаке и сернистых газах.

Медь легко поддаётся обработке давлением и пайкой. Обладая невысокими литейными свойствами, медь тяжело режется и плохо сваривается. На практике медь используется в виде прутков, листов, проволоки, шин и труб.

Бескислородная М0 (0,001% O₂) и раскисленная М1 (0,01% О₂) медь широко применяется в электронике, электровакуумной технике, в электротехнической промышленности.

Сплавы, содержащие в своём составе медь, обладают высокими антикоррозийными свойствами, хорошо сопротивляются износу и имеют высокие технические и механические характеристики.

Медь бывает разных марок: М00, М0, М1, М2 и М3. Марки меди определяются чистотой её содержания.

В меди марок М1р, М2р и М3р содержится 0,01% кислорода им 0,04% фосфора. В составе меди марок М1, М2 и М3 процентное содержание кислорода составляет 0,05-0,08 %. Марка М0б характеризуется полным отсутствием кислорода. Процентное содержание кислорода в марка МО составляет до 0,02%.

Медь, ее соединения и сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

В электротехнике медь используется в чистом виде: в производстве кабельных изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы.

Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры.

Высокая вязкость и пластичность металла позволяют применять медь для изготовления разнообразных изделий с очень сложным узором. Проволока из красной меди в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий.

Коэффициент линейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же, как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании эмаль хорошо держится на медном изделии, не трескается , не отскакивает. Благодаря этому мастера для производства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам.

Как и некоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO₄^.5H₂O. В большом количестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь необходима всему живому.

Для переработки медьсодержащего сырья с целью получения металлической меди применяют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы. В общем объеме производства меди на долю пирометаллургических способов приходится около 85% мирового выпуска этого металла. В России на долю гидрометаллургического способа производства меди приходится менее 1%.

Пирометаллургическая технология предусматривает переработку исходного сырья (руды или концентрата) на черновую медь с последующим её обязательным рафинированием. Так как основная масса медной руды или концентрата состоит из сульфидов меди и железа, то конечная цель пирометаллургии меди - получение черновой меди - достигается за счет практически полного удаления пустой породы, железа, серя.

Получение черновой меди в промышленных условиях возможно несколькими путями (рис. 1). На схеме римскими цифрами обозначены возможные варианты переработки исходного сырья на черновую медь.

Из рисунка видно, что удаление железа и серы может производиться их окислением в три стадии (обжиг, плавка, конвертирование), в две стадии (плавка, конвертирование) или в одну стадию.

За исключением последнего варианта, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь, технология характеризуется многостадийнстью.

Наиболее распространенная до настоящего времени технология предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой проводят окислительный обжиг сульфидного сырья.

Плавку на штейн можно проводить в восстановительной, нейтральной или окислительной атмосфере.

Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схеме пирометаллургического получения меди из сульфидных руд.

В условиях окислительной плавки можно получить штейны любого заданного состава. Это достигается путем окисления сульфидов железа с последующим ошлакованием его оксидов. Окисление сульфидов шихты можно проводить также путем предварительного обжига. Без обжига в переработку поступают богатые медные концентраты (25-35% Cu). Бедные концентраты (до 25% Cu) предварительно обжигают с целью изменения химического и фазового состава перерабатываемого сырья.

Основная цель обжига - частичное удаление серы и железа и перевод части сульфида железа в форму шлакуемых при последующей плавке оксидов. Это вызвано стремлением получить при плавке штейны с содержанием меди не менее 25-30% Cu. Кроме того, обжиг позволяет хотя бы частично использовать серу концентрата для производства серной кислоты, снижая тем самым выбросы серы в атмосферу. Чаще всего обжиг применяют при переработке медного сырья с повышенным содержанием цинка. Окислительный обжиг медных концентратов проводят при температуре не выше 900⁰С. Основная реакция окислительного обжига выглядит следующим образом:

2MeS+ 3O2= 2MeO+ 2SO2+q,

где Q- тепловой эффект экзотермической реакции.

В настоящее время для окислительного обжига медных концентратов преимущественно используют печи КС (печи для обжига в кипящем слое) (рис. 2).

Сущность обжига и кипящем слое заключается в том, что через слой концентрата (шихты) продувается восходящий поток воздуха или обогащенного кислородом дутья с такой скоростью, при которой все зерна материала приходят в непрерывное возвратно-поступательное движение, похожее на кипящую жидкость, что и послужило основанием для названия этого процесса.

1-Шахта печи; 2-свод печи; 3 - сопла; 4-воздухораспределительные камеры; 5-загрузочное окно (форкамера); 6-разгрузочное устройство; 7-газоход

Рисунок 2 - Печь для обжига в кипящем слое (КС)

Механизм образования кипящего слоя сводится к следующему. Если через слой сыпучего материала продувать снизу газ, слой сначала будет разрыхляться, а при определенной скорости подачи дутья приобретает основные свойства жидкости - подвижность, текучесть, способность принимать форму и объем вмещающего сосуда и т. д. Такое состояние сыпучего материала называется псевдожидким или псевдосжиженным. Оно наступит при определенной критической скорости газового потока, при которой подъемная сила газового потока будет равной общей массе твердого материала.

При повышении скорости дутья выше максимального значения объем сыпучего материала начинает резко увеличиваться. Шихта примет взвешенное состояние, что будет сопровождаться интенсивным пылевыносом обжигаемых частиц. При обычных режимах обжига в кипящем слое пылевынос составляет 20-30 % от массы исходной шихты.

Печи КС в поперечном сечении могут быть круглыми, прямоугольными, эллиптическими.

Рабочая камера печи выполнена в виде металлического кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом и покрытого снаружи теплоизоляционным материалом. Свод печи изготовлен из огнеупорного кирпича.

Современные печи имеют высоту до 9 м; диаметр печи 4,2-4,7 м; площадь пода - 16,5-24,0 м².

Под печи обычно выполняется из жароупорного бетона с отверстиями для установки сопел колпачкового типа, которые располагаются равномерно по всей площади пода в шахматном порядке. Число сопел на 1 м²пода колеблется от 30 до 50 штук (общее число сопел 840-960 шт.).

Загрузка шихты происходит через форкамеру, разгрузка через сливной порог.

Для отвода избыточного тепла из кипящего слоя применяют холодильники трубчатого типа или в виде змеевиков.

Шихта обжига состоит из концентратов, флюсов и оборотов. Готовая шихта перед обжигом подсушивается до влажности 5-6%.

Продуктами окислительного обжига являются огарок, газы и пыль. Газы проходят 3-х стадийную очистку от пыли. Огарок объединяют с уловленной пылью и отправляют на плавку на штейн, а газы используют в сернокислотном производстве.

2. Изложите технологию формования заготовки из металлических порошков методом изостатического прессования. Каковы основные преимущества этого способа формования перед другими? Какие изделия получают этим способом?

Достижения в области теоретической физики и развитие технологий производства аппаратуры высокого давления позволили создать в середине XX века методику, принципом работы которой являлась барометрическая обработка изделий в среде сжатого газа или жидкости. Эта методика получила название изостатического прессования.

Параметрами изостатического прессования являются давление, температура и время. Их подбирают в зависимости от поставленной на производстве или в лаборатории задачи - так, чтобы объект изостатической обработки приобретал в результате их воздействия максимальную плотность.

Изостатическое прессование относится к наиболее быстро прогрессирующим технологиям. Это связано с неоспоримыми преимуществами этих методов по сравнению с традиционными технологиями обработки материалов высоким давлением и температурой, а также с быстрым развитием аппаратуры высокого давления.

Одним из главных достоинств изостатического прессования являются высокие физико-механические характеристики получаемых материалов:

· равномерные, легко регулируемые: плотность, структура, химический состав, текстура;

· любой сложности форма получаемых изделий, требующих минимальной механической обработки после прессования, либо вообще обходящихся без такой обработки;

· практически 100% уплотнение материалов;

· малые потери (что особенно важно для обработки дорогостоящих, токсичных и радиоактивных материалов);

· возможность получения уникальных композиционных и составных конструкций, в том числе с внутренними полостями и из разных материалов.

Существует два вида изостатического прессования:

-- холодное изостатическое прессование (CIP) - барометрическая обработка без использования высоких температур;

-- горячее изостатическое прессование (HIP) -барометрическая обработка в условиях высоких температур, проходящая в среде инертного газа.

В свою очередь холодное изостатическое прессование подразделяется на жидкостное изостатическое прессование и сухое изостатическое прессование.

Жидкостное изостатическое прессование требуется для получения больших, сложных по форме деталей (например сопло, труба, фильтр).

Сухое изостатическое прессование применяется для получения деталей несложной формы и небольших размеров.

Холодным изостатическим прессованием чаще всего обрабатываются (компактируются) материалы, которые по тем или иным причинам не могут быть подвергнуты непосредственной обработке при высокой температуре. В основном таковыми являются изделия из порошковых материалов. При этом осуществляется их предварительное формование с использованием связующих материалов, которые в дальнейшем, в целях конечной консолидации получаемых деталей, выжигаются в процессе спекания. При спекании удается достигнуть очень высокой плотности материала, добиваясь контролируемой анизотропии его свойств.

При горячем изостатическом прессовании одновременно осуществляются технологические процессы, происходящие при холодном изостатическом прессовании и спекании. Кроме того, эти процессы могут выполняться при значительном времени экспозиции. Горячее изостатическое прессование может также использоваться в качестве дополнительной обработки материалов после холодного изостатического прессования и спекания. В процессе HIP плотность и однородность обрабатываемого материала становятся окончательно возможными. Обработка материалов равным со всех сторон давлением приводит к изотропности их свойств. Фактор одновременности воздействия температуры и давления позволяет достичь максимальной плотности обрабатываемого материала при значительно более низких температурах (в сравнении с обычным спеканием). Благодаря этому горячее изостатическое прессование позволяет достичь наилучшей микроструктуры материала и, как следствие, -- непревзойденных эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей.

В настоящее время с применением горячего изостатического прессования удается достигнуть целого ряда уникальных свойств материалов и решить различные технологические задачи:

-- сохранение мелкозернистой кристаллической структуры изделий из металлов и керамики, которая определяет их механические свойства;

-- применение высокой скорости охлаждения обработанных изделий и возможность применения закалки, достигаемых высокой теплопроводностью газа, находящегося под высоким давлением;

-- исключение неоднородности отливок, возникающей при обычном литье и вызванной диффундированием слоев изделий в связи большой продолжительностью их остывания;

-- удаление усадки и внутренних трещин, образующихся в процессе остывания металла;

-- удаление пористости металлов, в том числе вблизи поверхности отливок, что существенно улучшает качество механически обработанной поверхности, придает улучшенную износостойкость и понижает трение в процессе эксплуатации деталей;

-- сообщение металлам свойств, ранее получаемых только при их деформационной обработке;

-- улучшение сопротивления газовому давлению в местах сварки, уменьшение числа центров, инициирующих коррозию;

-- удаление микротрещин, появляющихся при восстановительной сварке, например, при восстановлении лопаток для турбин.

Учитывая изложенное, а также то, что методом горячего изостатического прессования можно оптимизировать многие традиционные технологические процессы, а также создавать детали, которые не могут изготавливаться другими способами, метод HIP в настоящее время является наиболее перспективным направлением в обработке материалов.

3. Изложите сущность процесса прессования и укажите области его применения. Укажите оборудование, применяемое при прессовании. Изобразите схемы прямого прессования и прессования труб с указанием элементов комплекта инструмента

Сущность процесса прессования заключается в выдавливании металла из замкнутого пространства контейнера через отверстия различного сечения - круглого, квадратного и других, после чего металл принимает форму прутка соответствующего профиля.

Прессованием получают не только прутки различного профиля и размеров, но и трубы с внутренним диаметром до 800 мм. Материалами для прессования служат сталь, цветные металлы и их сплавы.

Заготовками для прессования являются слитки, размеры которых (диаметр и длина) зависят от мощности пресса и профиля изделий. Подготовка слитков к прессованию состоит в нагревании их до температуры, установленной для обработки давлением в горячем состоянии.

Усилие, необходимое для выдавливания металла, зависит от размера поперечного сечения слитка, его материала, температуры слитка и скорости выдавливания.

Схема получения выдавливанием трубчатого профиля показана на рис. 4 (обозначения те же, что и на рис. 3).

Рис. 3. Схема выдавливания (прессования) металла:

а -- прямой метод, б -- обратный метод: 1 -- обрабатываемый металл, 2-контейнер, 3-матрицы с отверстиемдля выхода прутка, 4-пруток, 5 -шток.

Существуют два способа обработки выдавливанием -- прямой (рис. 3, а) и обратный (рис. 3,6).

Рис. 4. Схема получения выдавливанием трубчатого профиля

Трубчатая форма сечения образуется укрепленной на штоке иглой 6, диаметр которой равен внутреннему диаметру трубы. При прессовании игла входит в круглое отверстие матрицы, образуя в нем кольцевой зазор, через который выдавливается металл.

Прессование производится на горизонтальных и вертикальных гидравлических прессах мощностью до 10 000 Т [100 000 кн].

Прессование отличается высокой производительностью: латунный слиток диаметром 150 мм и длиной ~500 мм превращается в пруток диаметром 25 мм за 1 минуту.

Перечислим достоинства прессования.

1. Если при прокатке на многих участках пластической зоны возникают большие растягивающие напряжения, понижающие пластичность обрабатываемого металла, то при прессовании имеет место схема всестороннего неравномерного сжатия, позволяющая получать различные пресс-изделия вообще не получаемые прокаткой или получаемые за большое число проходов. Это расширяет область применения процессов прессования, особенно когда относительные степени деформации за один переход значительны и, как правило, превышают 75%, а иногда достигают и 99%, а коэффициенты вытяжки могут иметь значения более 100.

2. Прессованием, возможно получать изделия практически любых форм, тогда как прокаткой получают профили и трубы лишь сравнительно простых форм поперечного сечения.

3. При прессовании быстрее перевод процесса получения одного типа размера пресс-изделия на другой - достаточна только замена матрицы.

4. Повышенная точность пресс-изделий обусловлена замкнутостью калибра матрицы и зависит от точности ее изготовления и состояния ее термической обработки.

5. При прессовании меньше затраты на переналадку, чем при прокатке. Это позволяет рекомендовать прессование для многосерийного производства.

6. Высокие степени деформации при прессовании обеспечивают высокий уровень свойств изделий.

Основные технологические недостатки прессования следующие:

1. Для ряда металлов и сплавов, чтобы получать бездефектную продукцию требуются низкие скорости прессования.

2. Низкий выход годного из-за больших технологических отходов, достигающих более 15% за счет необходимости оставления больших пресс-остатков и удаления слабодеформированного выходного конца пресс-изделия.

3. Ограничение длины заготовки, обусловленное прочностью пресс-штемпелей, силовыми возможностями пресса и устойчивостью заготовки при распрессовке.

4. Повышенная неравномерность деформации, влияющая на неравномерность распределения свойств в продольном и поперечном направлениях.

5. Сравнительно низкая стойкость инструмента и его высокая удельная стоимость из-за тяжелых условий нагружения, а также необходимости использования для его изготовления дорогих легированных сталей.

Исходя из перечисленных преимуществ и недостатков, можно определить наиболее целесообразную область применения прессования:

- производство толстостенных и тонкостенных профилей и труб сложной формы, прессуемых из металлов и сплавов с высокими скоростями истечения;

- обработка труднодеформируемых и малопластичных металлов и сплавов.

- получение полуфабрикатов сложной геометрии, повышенной точности и с тонкой полкой.

- получение тонкой проволоки из металлов и сплавов, не подвергающих волочению;

Список литературы

медь пирометаллургический прессование

1. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2008

2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. - СПб.: Химиздат, 2004

3. Технология конструкционных материалов: Учебник для механических специальностей вузов / Под общей ред. Прейса Г.А.; Г.А. Прейс, Н.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий и др. - Киев: Высшая школа, 1991

4. http://www.detalmach.ru/

Размещено на Allbest.ru