Основы металлургии

Ni + Ѕ O₂ > NiO

NiO + Fe > FeO + Ni

Ni₃S₂ + 3ЅO₂ > 2NiO + 2SO₂

3NiO + 3FeS + O₂ > Ni₃S₂ + 3FeO + SO₂

файнштейн

2FeO + SiO > 2FeO·SiO₂

шлак

Разливают файнштейн в песочные изложницы. Всплывшая FeO снимается деревянными скребками

Переработка файнштейна

Ni₃S₂ + 4N₂O > 7Ni + 2SO₂

Гидрометаллургия никеля

В качестве растворителя используют раствор серной кислоты.

Оксид никеля растворяется

NiO + H₂SO₄ = NiSO₄ + H₂O

раствор

Хвосты содержат

Ni - 0,06 %;

CO - 0,008 %;

Fe - 47,5 %;

Al -4,5 %.

Mn - 0,76 %;

Cr - 2,01 %;

SiO2 - 3,7 %;

Товарный раствор содержит

Ni - 4,28 г/л

СO - 0,46 г/л

Al - 1,66 г/л

Mn - 1,42 г/л

Mg - 1,98 г/л

H₂SO₄ - 47 г/л

Для избавления от H₂SO₄

H₂SO₄ + CaCO₃ = vCaSO₄ + CO₂ + H₂O

гипс

Осаждение никеля сероводородом

NiSO₄ + H₂S >vNiS + H₂SO₄

В сульфидную форму переходит 90% Ni; 98% Co; Zn и Cu.

Остальные примеси остаются в растворе.

Концентрат MeS содержит

Ni - 55 % Извлечение Ni и Co 92-95 %

Co - 5,8 %

Fe - 0,3 %

Cu - 1 %

S - 35,62 %

Zn - 1,72 %

Переработка концентрата

Металлургия цинка

Цинк - металл серебристо-белого цвета. При комнатной температуре он хрупок, на при t =100-150^оС приобретает пластичность, легко прокатывается в листы, металл коррозийно устойчив.

Применяют его главным образом для приготовления различных сплавов (латунь 60 % Cu; 40 % Zn).

В природе Zn находится в виде сульфидов (ZnS - сфалерит минерал) - цинковая обманка (карбонат); ZnCO₃ - цинковый шпат (минерал смитсонит).

Получение цинка

Восстановление цинка из сульфидных руд производят в две стадии:

Окислительный обжиг руды

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂^

Восстанавливают оксид цинка

ZnO + C = Zn + CO^

Гидрометаллургия. В качестве растворителя используют H₂SO₄

(ZnO + Fe₂O₃ + SiO₂) тв. + H₂SO₄ = ZnSO₄ + (Fe₂O₃ +SiO₂) тв.

_{обожж. цинковый конц-т кек}

Из раствора ZnSO₄ электролизом получают металл Zn.

Производство алюминия

Алюминий легкий металл. Обладает высокой пластичностью, хорошей электропроводностью, стойкостью против азотной и органических кислот, однако разрушается щелочами, соляной и серной кислотами; на воздухе он устойчив против коррозии, так как на поверхности его имеется плотная оксидная пленка, изолирующая внутренние слои от действия атмосферы.

Рудами алюминия служат породы богатые глиноземом Al₂O₃ и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины, алуниты и каолины (глины). Важнейшая алюминиевая руда - бокситы - состоит из гидроксидов алюминия и железа, кремнезема, соединений кальция, магния. В качестве руд используют также нефелины и алуниты.

Производство алюминия складывается из двух основных процессов: получение глинозема Al₂O₃ из руды и электролиза глинозема.

Производство глинозема

Получают его тремя способами: щелочным, кислотным и электротермическим.

Наибольшее распространение получил мокрый щелочной способ К.И. Байера, применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим содержанием (5-6 %) кремнезема. По этому способу боксит после дробления и размола выщелачивают концентрированным раствором гидрокисда натрия в автоклавах при t = 250^oC и давлении 2500-3000 кПа. Автоклавы обогревают перегретым паром.

Гидроксид алюминия из боксита быстро и достаточно полно растворяется с образованием алюмината натрия

Al(OH)₃ + NaOH > NaAlO₂ + 2H₂O

Кремнезем боксита также растворяется с образованием силиката натрия Na₂SiO₃, который реагирует с алюминатом натрия и водой, в результате чего образуется натриевый алюмосиликат Na₂O•Al₂O₃•2SiO₂•nH₂O, выпадающий в осадок. Поэтому чем больше кремнезема в боксите, тем меньше извлечения глинозема в раствор.

Разложение алюминиевого раствора для получения кристаллического гидроксида алюминия называют выкручиванием.

Производят его в баках, куда для ускорения процесса вводят небольшое количество гидроксида алюминия кристаллического, играющего роль центров кристаллизации.

Реакция гидролиза идет в разбавленных водой растворах при медленном перемешивании пульпы.

NaAlO₂ + 2H₂O>Al(OH)₃ + NaOH

Длительность выкручивания 75-90 часов, кристаллический Al(OH)₃ после промывки фильтруют и обжигают для полного обезвоживания t=1200^оС в трубчатых вращающихся печах.

Полученный глинозем Al₂O₃ охлаждают и направляют на электролиз. По сухому щелочному способу, разработанному под руководством А.А. Яковкина, для бокситов с повышенным содержанием кремнезема руду и известняк (CaCO₃) после дробления смешивают с содой Na₂CO₃ и спекают при t=1200-1300^оС в барабанных вращающихся печах.

В результате получаются окатыши спека, содержащие металлалюминат натрия Na₂O•Al₂O₃, а также нерастворимые в воде двухкальцевый силикат (CaO)₂•SiO₂, метаферрит натрия Na₂O•FeO и др.

Далее спек выщелачивают содовым раствором, в результате алюминат натрия переходит в раствор. Для выделения гидроксида алюминия алюминатный раствор разлагают методом карбонизации, для чего через раствор пропускают печные газы, содержащие CO₂.

Na₂O•Al₂O₃ + CO₂ +3H₂O>2Al(OH)₃ +Na₂CO₃

Кристаллический гидроксид кальцинируют (обжигают) и получают глинозем Al₂O₃. Раствор соды идет на выщелачивание или выпаривание для получения соды. Для получения глинозема из нефелина его спекают только с известняком и получают глинозем, сода не нужна, так как в нефелине содержится до 20 % Na₂O + K₂O. Известково-кремнистый шлам, выпадающий при выщелачивании нефелинового спека, используют для производства цементита.

После карбонизации в растворах содержится много оксидов натрия и калия: их используют для получения поташа и соды.

Электролиз глинозема

Алюминий получают при электролизе глинозема, растворенного в криолите (Na₂AlF₆). Электролизная ванна имеет стальной кожух, выложенный изнутри шамотным кирпичом. Подина и стены ванны составлены из углеродистых блоков, к которым подведены катодные глины. Углеродистые аноды самообжигающиеся: по мере сгорания они опускаются и наращиваются сверху за счет жидкой анодной массы.

В расплаве криолита поддерживается содержание глинозема 8-10 %, периодически загружаются новые порции.

Потенциал электролитической диссоциации глинозема (1,7 В) меньше, чем криолита (3,7 В). Глинозем диссоциирует

Al₂O₃>2Al³⁺ +3O^2-

Катод Al³⁺ + 3з?Al

Анод 2О^-2 - 4 з?О₂^

С+О₂ >СО₂ (анод выгорает)

Напряжение тока 4-4,3 В, сила тока до 140000А. Для получения 1 кг алюминия расходуется 60-70 МДж электроэнергии и около 2 кг глинозема. Накапливающийся на подине ванны жидкий алюминий периодически отбирают сифоном или вакуум-ковшом. Полученный алюминий подвергают рафинированию путем дополнительно электролитического процесса, при котором анодом является исходный жидкий алюминий, а катодом - рафинированный жидкий алюминий.

Качество алюминия определяется степенью его чистости.

ГОСТ 11060-74 установлены марки от А 0 (99,0 % Al) до A 999 (99,999 % Al). Алюминий первичный поставляется в чушках или слитках до 1000 кг Из первичного алюминия изготовляют фасонные прессованные и прокатные профили: полосы, уголки, швеллеры, тавры, прутки, проволоку, трубы, ленты, листы, плиты, фольгу; изготовляют также порошок, пудру.

Алюминий для раскисления стали, производства ферросплавов, металлотермии выпускают марок АВ 85 до АВ 97 (ГОСТ 295-79 Е).

Производство магния

Магний - очень легкий металл. Основным его недостатком является малая химическая стойкость. Чистый магний используют в металлотермии и в качестве твердого топлива в реактивной технике и в сплавах.

Руды для производства магния - магнезит MgCO₃; доломит MgCO₃•СaCO₃, карналлит MgCl₂•KCl•6H₂O и бишофит MgCl₂•6H₂O, получаемый из морской воды и озер.

Магнезит и доломит подвергают механическому обогащению и обжигу при t=850-900^оС

MgCO₃>MgO + CO₂^

MgCO₃•СaCO₃> MgO•СaO + 2CO₂^

MgO-название каустический магнезит. Существует два способа получения магния: электролитический и термический.

Электролитический способ:

получение безводного MgCl₂

обработка MgO +Cl₂ +C> MgCl₂ +CO в электрической шахтной печи.

электролиз расплава MgCl₂

MgCl₂ - Mg²⁺ + 2Cl^-

Катод Mg²⁺ + 2з ? Mg

Анод 2Cl^- - 2з ? Cl₂^

t = 700^oC, напряжение 6-7 В, сила тока 30000-70000 А. Аноды из графита катоды из стали.

Плотность электролита увеличивается добавкой CaCl₂, чтобы он превышал плотность магния поэтому магний всплывает на поверхность электролита, откуда по мере накопления извлекается вакуумным ковшом. Расход электроэнергии на 1 т магния составляет 55000-60000МДж.

Рафинирование магния производится или переплавкой его вместе с рафинирующими флюсами (смесь хлористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов) или возгонкой в вакууме при давлении 10-20 Па при t = 600^oC. Таким способом получают магний высокой чистоты (99,9 % Mg).

Термический способ - восстановление магния нефтяным коксом в герметической электропечи при t = 1900-2000^oC. Испаряющийся Mg охлаждается до t = 200^oC, собирается, очищается путем дистилляции и переплавляется.

Получают чистый Mg (99,97 % Mg) при расходе электроэнергии около 75000 МДж на 1 т металла.

Восстанавливают оксид магния также кремнием в вакууме t = 1160oC, остаточное давление 10 Па.

2MgO + Si = 2Mg + SiO₂

Побочные продукты процесса металлургии магния: хлор, который по хлоропроводам отводится для дальнейшего использования; CO₂ - выделяется в атмосферу; СО - горючий газ (угарный газ).

Производство титана

Титан обладает большой прочностью, высокой стойкостью в агрессивных средах и небольшой плотностью (4,5 г/см₃), поэтому он является весьма ценным конструкционным материалом. Титан и его сплавы широко используются в самолето - и ракетостроении, химическом машиностроении и судостроении, для транспортирования агрессивных жидкостей.

Основную массу титана для производства полуфабрикатов и сплавов на его основе получают магниетермическим способом в виде губчатого титана (титановая губка). Рудами для получения титана являются ильменит, содержащий FeTiO₃ и рутил, содержащий TiO₂.

Руды подвергают обогащению (мокрому или электромагнитному), в результате чего получают титановые концентраты. Извлечение титана из концентратов - трудная задача, так как при высоких t реагирует он с О₂ и N₂, а в расплавленном состоянии со всеми известными огнеупорами.

Металлургия титана включает следующие процессы:

Получение в электрической шахтной печи тетрахлорида титана TiCl₄ при нагревании брикетов из смеси титановых концентратов или технического оксида титана TiO₂ с углем в потоке хлора; тетрахлорид титана после конденсации паров получается в виде загрязненной красноватой жидкости, которую очищают дистилляцией.

Получение губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана при взаимодействии с магнием в нейтральной атмосфере (аргон или гелий) при t =950-1000oC в зоне реакции

TiCl₄ + 2Mg = 2MgCl₂ + Ti

Получение слитков титана в электрических дуговых печах под вакуумом. Для получения слитков губку прессуют с целью получения из нее электродов. Такой электрод подается в верхнюю часть печи и является одним полюсом постоянного тока. Другим полюсом служит медная водоохлаждаемая изложница. По мере плавления расходуемого электрода из губки и затвердевания слитка около холодных стенок дно изложницы опускается до получения заготовки нужной длины. Сила тока при плавке до 5400 А, напряжение около 30В.

Выпускаются три марки чистого титана (ГОСТ 19807-91): ВТ1-00 (99,42 % Ti); ВТ1-0 (99,32 % Ti) и ТВ-2 (98,25 % Ti).

В результате металлургических процессов образуется много различных отходов твердых и газообразных в том числе ядовитых газов SO₂, CO по этому в металлургической промышленности остро стоят вопросы безотходного производства и охраны окружающей среды.

Литература

В.Н. Никифоров Технология металлов и других конструкционных материалов. - СПб: Политехника, 2003, 382 с.

И.П. Бардин и отечественная металлургия. Академия наук СССР. Институт металлургии им. А.А. Байкова. изд-во "Наука", Москва, 1983.

А.Н. Зеликман, Г.М. Вольдман, Л.В. Белявская. Теория гидрометаллургических процессов.- М.: Металлургия, 1983, 424 с.

А.П. Вольский, Е.М. Сергиевская. Теория металлургических процессов. - изд-во "Металлургия", 1968, 344 с.

Гафаров Р.А., Емельянов В.Н., Нехорошкин Г.Ф. В помощь электролизнику.- Мурманское книжное издательство, 1970, 92 с.

Грань Т.В., Крылов А.С. Изд-во "Металлургия", 1970, 96 с.

Размещено на Allbest.ru