ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Ценные свойства металлов l Взаимная

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Ценные свойства металлов l Взаимная растворимость – сплавы с заданными свойствами l Электрические свойства: низкое удельное сопротивление, l Высокая теплопроводность и коэффициент термического расширения l Магнитные свойства: ферро- и параманетизм l Механические свойства (упругость, пластичность, прочность), l Химическая стойкость (окисляемость); l Способность деформироваться в холодном и горячем состоянии без разрушения сплошности материала. 2

Промышленная классификация металлов 3

Металлическая руда горная порода, содержащий в своем составе один или несколько металлов в таких соединениях и концентрациях, при которых возможно и целесообразно их извлечение. 4

Классификация металлических руд l По качеству и количеству металла – Промышленные – Непромышленные l По числу металлов – Монометаллические (простые) – Полиметаллические (комплексные – до 15) l По содержанию металла – Богатые – Средние – Бедные l По форме нахождения металла – – Самородные Окисленные Сульфидные Галогенидные 5

Металлургический процесс извлечения металлов из руд и отходов производства Стадии l подготовка руды; l Восстановление химического соединения до свободного металла; l вторичная обработка – очистка либо перестройка кристаллической структуры 6

Физико-химические основы восстановления металлов из руд l Восстановители: – химические вещества (H 2, CO, C, металлы) – электрический ток l Восстановление – в растворе, – в расплаве – в твердой фазе 7

Методы восстановления 1. Гидрометаллургическое Cu. SO 4 + Zn = Сu + Zn. SO 4 (из водных растворов) 2. Пирометаллургическое Fe. O + СО = Fe + СО 2 (расплав или твердая фаза) 3. Электрогидрометаллургическое Cu. SO 4 + 2 e- = Сu + SO 42 - (из водных растворов) 4. Электропирометаллургическое Аl 2 О 3 + 6 e- = 2 Аl + 3 O-2 (расплав) 8

ВЫПЛАВКА ЖЕЛЕЗА ИЗ РУД. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

ЖЕЛЕЗО Железо (Ferrum) – в 8 группе ПСХЭ Д. И. Менделеева, атомная масса 55, 847, атомный номер 26. Содержание в земной коре 4, 65 %. (4 место, из металлов 2 место) Твёрдый серебристо-серый метал, плотность 7, 874 т/м 3, температура плавления 1535˚С, температура кипения 3200˚С. «Черный металл» Ценные свойства: - пластичен (поддаётся ковке, прокатке, волочению и штампованию) - способность деформироваться в холодном и горячем состоянии без разрушения сплошности материала. - высокая взаимная растворимость – сплавы с заданными свойствами - низкое удельное сопротивление, - высокая теплопроводность и коэффициент термического расширения - магнитные свойства: ферро- и параманетизм Недостатки Техническое железо и его сплавы коррозируют в атмосфере паров воды, оксида углерода (IV) и кислорода с образованием пористого слоя гидратированного оксида железа (III). 10

Классификация черных металлов 11

Применение железоуглеродных сплавов – богатая сырьевой базой, – относительная простотой производства – высокие механические свойства. 92% от производимых металлов. 2000 г. (ЮНЕСКО) 500 -700 кг чугуна и стали на душу населения в год Чугун Серый (не хрупкий, обрабатывается резанием) – Фасонные отливки – в станкостроении и автостроении (станины, корпусные детали) – для изготовления товаров массового потребления (ванны, раковины, отопительные батареи, посуда). Белый (хрупкий, НЕ обрабатывается резанием) – Переработка в сталь – Переработка в ковкий чугун (детали повышенной прочности) Модифицированный высокопрочный чугун – Коленчатые валы – Детали автомобилей – Прокатные станы 12

Применение железоуглеродных сплавов Стали l l l конструкционные (детали машин, конструкций и приборов, кровельное и котельное железо, жесть, рельсы, трубы, аппаратура, корпуса аппаратов, двигателей ), инструментальные (изготовление режущего, штампового и измерительного инструмента) специального назначения — коррозионностойкие (нержавеющие), износостойкие, жаропрочные и т. п. Ферросплавы l l раскисление чугуна и стали (ферромарганец, ферросилиций) легирование чугуна и стали (феррованадий, феррохром, ферровольфрам и др. ). Магнитные материалы l изготовление сердечников трансформаторов, электрических машин, измерительной аппаратуры 13

Общая схема производства черных металлов 14

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА ДОМЕННОЙ ПЛАВКОЙ В доменную печь подается сырьё: l Железные руды (специальным образом подготовленные) l Топливо (твердое, жидкое и газообразное) l Флюсы l Марганцевые руды (не всегда) l Воздух Идут процессы: ü восстановления оксидов железа руды, ü образования жидкого чугуна ü отделения пустой породы в виде шлака. 15

Железные руды Минеральные породы, содержащие оксиды Fe в смеси с пустой породой. Пустая порода: оксиды кремния, алюминия, кальция и магния (силикаты и алюмосиликаты). Нежелательные примеси: соединения серы, фосфора, мышьяка и других элементов. Сера - «красноломкость» - хрупкость при ковке и прокате металла, Фосфор - «хладноломкость» - хрупкость при обычных условиях. Примеси: оксиды марганца, хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия. 16

Промышленные типы железных руд По содержанию железа: l бедные (менее 30%), l средние (30— 50%), l богатые (более 50%). 17

Промышленные типы железных руд По типу преобладающего рудного минерала: 1. магнитные железняки (магнетит Fe 3 O 4); до 75% Fe и наиболее низкое содержанием серы; 2. красные железняки (гематит Fe 2 O 3) до 50 -70% Fe и незначительное количество примесей серы и фосфора; 3. бурые железняки (Fe 2 O 3∙n. H 2 O от 25 до 50% Fe, загрязнены серой, фосфором, мышьяком); 4. шпатовые железняки (сидерит Fe. CO 3), без примесей, 30 -40% Fe). 18

ТОПЛИВО l создание в печи высоких температур, l образование восстановителей: оксида углерода (II) и водорода, l диффузия углерода в восстановленное железо и образование чугуна. Каменноугольный кокс (70 -80 % С, без S и Р) с добавками - Газообразное топливо (природный и коксовый газы), - Жидкое топлива (мазут) - Аэрозольное топливо (угольная пыль) 19

Флюсы l Сa. CO 3 известняк l Ca. CO 3 Mg. CO 3 доломит Образование из пустой породы легкоплавкого шлака 20

Обогащение железных руд Цели: l повышение содержания железа в железорудных материалах l обеспечение необходимых дисперсности и газопроницаемости l увеличение производительности доменной печи l снижение расхода кокса и флюсов. 21

Подготовка железных руд 22

ПРЕДПРИЯТИЕ С ПОЛНЫМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ руда — чугун — сталь — прокат l шахты по добыче руды и каменного угля; l горнообогатительные комбинаты по измельчению, обогащению и окускованию руд и концентратов; l коксохимические цехи и заводы, обеспечивающие подготовку углей, их коксование и улавливание продуктов коксования; l энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха для дутья и очистки газов металлургических производств; l доменные цехи для выплавки передельного и литейного чугунов; l заводы для производства ферросплавов; l сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; 23 l прокатные цехи

Теоретические основы доменного процесса Fe. O + CO = CO 2 + Fe Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно. Периодически из печи выводится чугун и шлак и производится ее загрузка. 24

Разрез доменной печи l Сверху – кокс и шихта l Снизу – обогащенный кислородом воздух (принцип противотока) 25

Процессы, протекающие в доменной печи 1. Подготовите ль-ные процессы. - выделение гигроскопической и гидратной воды - Выделение летучих веществ из кокса 100 – 400 °С 26

2. Образование газообразных восстановителей а) Полное сгорание метана и кокса C + O 2 = CO 2 CH 4 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 O б) На поверхности раскаленного кокса – образование восстановителей CO 2 + C = 2 CO H 2 O + C = CO +H 2 27

3. Восстановление оксидов Ступенчатый процесс железа Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → Fe. O → Fe от 570 до 1200 °С (распар) – косвенное восстановление 3 Fe 2 O 3 + CO = 2 Fe 3 O 4 + CO 2 + Q Fe 3 O 4 + CO = 3 Fe. O + CO 2 - Q Fe. O + CO = Fe + CO 2 +Q 3 Fe 2 O 3 + H 2 = 2 Fe 3 O 4 + H 2 O + Q Fe 3 O 4 + H 2 = 3 Fe. O + H 2 O - Q Fe. O + H 2 = Fe + H 2 O – Q 1200 – 1500 °С (заплечики) – прямое восстановление: Fe. O + C = Fe + CO Образуется губчатое железо 28

4. Науглероживание железа и получение чугуна 1) при растворении в Fe углерода кокса 2) 600 °C на поверхности Fе образуется сажистый углерод и растворяется в железе: 2 CO = CO 2 + C 3 Fe + C = Fe 3 C (цементит; передельный чугун) 29

5. Восстановление примесей Оксиды Сu, As, Ni, P, Zn, Mn, V, Сг, Si, Ti, Al, Mg, Ca As, P – (вредные примеси) восстанавливаются Al, Mg, Ca – не восстанавливаются (в шлак) Si, Mn –восстанавливаются, структурирующие примеси 1200 -1500 °С l Si. O 2 + 2 C = Si + 2 CO l Mn. O + C = Mn + CO 30

6. Образование шлака l 1000 °С l силикаты, алюминаты и алюмосиликаты кальция, l Тпл шлака 1250 -1350 ºС, накапливаются в горне над расплавленным чугуном. 31

Реакции с участием серы и фосфора Фосфор восстанавливается при 1100ºС: l Ca(PO 4)2 + 5 C + 3 Si. O 2 = 2 P + 5 CO + 3 Ca. Si. O 3 – удалять из шихты фосфаты Сера l Fe. S – растворим в металле l Mn. S – растворим в металле l Ca. S – растворим в шлаке Fe. S + Ca. O = Fe. O + Ca. S Mn. S + Ca. O = Mn. O + Ca. S 32

Конструкция должна обеспечивать 1) непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху; 2) непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов в виде чугуна и шлаков снизу. Печь должна быть достаточно высокой, l 2 C + O 2 = 2 CO; l Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 (Fe. O Fe 2 O 3 )→ Fe. O → Fe l Ca. CO 3 = Ca. O + CO 2 l Образование шлака 33

Устройство доменной печи Башня высотой до 36 метров, состоит из двух усечённых конусов, между широкими основаниями которых расположен невысокий цилиндр – «распар» диаметром 12 -16 метров. Толщина стенок горна 1. 5 м Работает непрерывно 34

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА l непрерывность процесса плавки при периодичности операций загрузки материалов шихты, выпуска чугуна и шлака; l осуществление противотока реагентов (шихты и газообразных компонентов сырья); l использование теплоты продуктов процесса; l герметизацию оборудования и возможность непрерывного отбора доменного газа. 35

Технологическая схема доменного производства l l l рудный двор и бункерную эстакаду 3 для хранения, дозировки и загрузки в скипы (тележки) материалов шихты (1, 2 - бункера); доменную печь 4 с засыпным аппаратом 5; систему подогрева и подачи воздушного дутья с кауперами (воздухонагревателями), 9 — каупер, работающий на подогрев дутья, 10 — каупер, работающий на разогрев насадки, ; устройство для уборки и транспортировки жидких продуктов плавки (чугуна и шлака); систему очистки доменного газа 6 — пылеуловитель, 7 — промывной скруббер, 8 — мокрый электрофильтр, 11 — дымовая труба. 36

Устройство каупера (воздухонагревателя) аппарат цилиндрической формы диаметром 6 -9 метров и высотой до 45 метров, выложен огнеупорным кирпичом. l Внутренне пространство каупера разделено на две части: камеру сгорания и камеру с насадкой из огнеупорного кирпича в виде решётки со сквозными каналами. Режим работы каупера l Газ, отводимый с верхнего конца доменной печи газоходам подводится к нижней части каупера, где, пройдя через пылевой фильтр, сжигается в камере горения. l Продукты горения поднимаются вверх, нагревая кирпичную насадку. l Когда насадка достаточно нагрета (1200 -1300ºС), перекрывают подачу топлива и газа в камеру горения и включают воздуходувки, которые гонят воздух в фурмы доменной печи. l Для каждой доменной печи обычно предусматривают четыре каупера 37

Продукты доменного производства l литейный чугун, изготовление изделий методом литья; l передельный и специальный чугуны - в сталь; l доменный шлак - строительные материалы (шлакобетон, шлаковату); l доменный газ (до 30% CO 2), очищают от пыли и используют как топливо в воздухонагревателях. 38

Интенсификация доменного процесса l l l Применение сырья улучшенного качества (железорудных материалов с повышенным содержанием железа и малосернистого кокса). Повышение температуры воздушного дутья. Обогащение воздушного дутья кислородом. Повышение давление газов в печи. Использование природного газа. Стоимость кокса составляет до 50% себестоимости выплавляемого чугуна, к тому же запасы коксующихся углей ограничены. Применение природного газа повышает производительность печи на 15 — 20%. 39

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

СТАЛЬ Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2. 14%) и другими элементами. 41

Классификация черных металлов 42

Марки сталей По химическому составу: l Углеродистые, содержит марганец (0, 1 -1, 0%) и кремний (до 0, 4%) l Легированные (хром, никель, молибден, алюминий, марганец, вольфрам). По назначению: l конструкционные, l Инструментальные, l Стали с особыми свойствами (электротехнические, нержавеющие, кислотостойкие и др. ). 43

Общая схема производства черных металлов 44

Общие принципы получения стали Передел белого (передельного) чугуна с добавлением скрапа (металлические отходы) и (или) железной руды. l уменьшение содержания углерода, кремния и марганца l Наиболее полное удаление – серы и фосфора. Примеси: - окисляются, - удаляются в виде газа (CO) или шлака (Fe. O, Mn. O, P 2 O 5, Ca. S). 45

СПОСОБЫ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ l кислородно-конвертерный (более 60% от всей выплавляемой в мире стали); l электросталеплавильный (около 25%); l мартеновский (около 20%) Выплавка стали – процесс окисления 46

Исходные вещества l Белый чугун (жидкий или твердый) l Скрап (металлолом) l Железная руда (высококачественная, Fe. O) l Флюсы (для удаления примесей) 47

Для производства стали из чугуна необходимо: Уменьшение содержания: l Углерода; l Кремния; l Марганца. Полное удаление: l Серы; l Фосфора. Окисление и отделение от металла переводом в шлак. 48

Окислители: • кислород газовой фазы; • кислород, растворенный в металле; • кислород в составе оксида железа, растворенного в шлаке; • оксиды железа в металлической шихте (руда, стальной лом). 49

Химическая схема производства стали 1. 2. 3. Окисление железа кислородом воздуха в расплаве (1250 -1600 ºС) и восстановление оксидов из лома и руды 2 Fe + O 2 = 2 Fe. O Fe 2 O 3 + Fe = 3 Fe. O Окисление примесей до оксидов: Mn + Fe. O = Mn. O + Fе Si + 2 Fe. O = Si. O 2 + 2 Fе 2 P + 5 Fe. O = P 2 O 5 +5 Fe (2 Mn + O 2 = 2 Mn. O) (Si + O 2 = Si. O 2) Образование шлака: Fe. S + Ca. O = Fe. O + Ca. S 50

Химическая схема производства стали 4. Окисление углерода (1600ºС и выше) Fe. O + C = Fe + CO↑ ( «кипение стали» ) Раскисление стали 5. ТОЛЬКО ПОСЛЕ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА (восстановление, введение ФЕРРОСПЛАВОВ): – борьба с угаром металла Mn + Fe. O = Mn. O + Fe 2 Si + Fe. O = Si. O 2 + Fe 2 Mn + O 2 = 2 Mn. O – в шлак Si + O 2 = Si. O 2 – в шлак 6. Легирование стали – отдельно вводятся легирующие добавки. 51

Источники энергии при выплавки стали lкислородно-конвертерный метод: тепловой эффект окисления компонентов шихты (ΔH → Q); l. Электросталеплавильный метод: энергия электрического тока (E → Q); lв мартеновском методе теплота сгорания топлива (Qсгорания → Q) 52

Мартеновская печь Пламенная отражательная печь. Плавка шихты - за счет горения топлива непосредственно в печи Теплота отходящих газов – для подогрева топлива и воздуха 53

Мартеновские процессы l Скрап-процесс – в отсутствии доменного производства (25 -40% чугуна); l Скрап-рудный процесс – с добавкой руды; l Чугун – источник углерода; Добавляются флюсы (Сa. CO 3 известняк, Mg. CO 3∙Сa. CO 3 - доломит). 54

Выплавка стали в мартеновских печах l Завалочные окна (твердый и жидкий чугун, скрап, руда, флюсы – на прочный под) l Сзади – выпускные отверстия 55 l Торец – отверстия для подачи воздуха и топлива

Регенераторы – устройства для подогрева топлива и воздуха За счет тепла отходящих газов разогревается насадка – ячейки из огнеупорного кирпича, потом через нее пропускается холодный воздух. Один регенератор охлаждается, другой разогревается; перекидка клапанов смена режима работы 56

Стадии плавки в мартеновской печи 1. завалка шихты. 2. прогрев шихты и заливка жидкого чугуна. 3. плавление: а) материалы расплавляются, окисляются: Fe. O, Si. O 2, Mn. O, P 2 O 5, CO 2; б) из оксидов и флюса формируется шлак; в) на подине печи: жидкий металл, покрытый слоем шлака. 4. «кипение» стали (окисление углерода): С + ½О 2 = СО пузырьки устремляются к поверхности металла, увлекают за собой газы, растворенные в металле. 5. Доводка стали – раскисление и легирование. Плавка длится 7 - 8 часов, до 900 тонн за одну плавку 57

Кислородно-конвертерный l Продувка расплавленного чугуна кислородом без использования энергии сгорания топлива Достоинства: l Более высокая производительность l Ниже капитальные затраты l Простота автоматизации и управления l Сталь не содержит азота l Возможно добавлять до 25 % твердого сырья Окисление и восстановление разделены во времени и в пространстве: в конвертере и в ковше. 58

Аппаратура 1. 3. 6. 7. Конвертер (может наклоняться) Система подачи кислорода + Система очистки конвертерных газов летка 59 ковш

Состав шихты l металлическая часть (жидкий чугун, стальной лом 25 -30 % или скрап), l неметаллическая часть (известь, плавиковый шпат, охладители) l легирующие добавки. 60

Технология конвертерной плавки Конвертер в наклонном положении: l завалка металлолома с помощью завалочной машины; l заливка жидкого чугуна Конвертер в вертикальном положении: l введение фурмы и продувка кислородом, загрузка части флюсов; l загрузка остальной части флюсов, выведение фурмы из конвертера, анализ стали. Конвертер в горизонтальном положении: l выпуск стали через летку в ковш Конвертер в положении горловиной вниз: l слив шлака через горловину в шлаковый ковш В ковше – раскисление стали 61

Химические процессы Аналогичны мартеновским, но: l За счет протекания экзотермических реакций не требуется подвода энергии извне; l Кислород под давлением перемешивает расплав, процессы идет интенсивнее l Возможен регулярный отбор проб для анализа качества l Процесс выплавки занимает 45 минут 62

Выплавка стали в электрических печах l Основана на использовании электрической энергии, трансформируемой в теплоту, (нагрев, плавление и поддержание металла в расплавленном состоянии). l Выделение тепла не связано с использованием окислителей (в печь не подают воздуха для горения топлива). 63

Достоинства Плавку можно вести в любой атмосфере: l - окислительной, l восстановительной, l нейтральной (инертный газ); Плавку можно вести в широком диапазоне давлений. l быстрый нагрев металла, l возможно введение большого количества легирующих добавок; l плавное регулирование температуры и состава металла; l высокая степень раскисления металла; l возможность получения сталей с низким содержанием серы и фосфора. ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ 64

Электрические печи l Дуговые – тепло выделяется за счет горения электрической дуги – между каждым из электродов и металлическим дном печи; l Индукционные - печах тепло выделяется за счет возникновения в толще шихты индукционных токов (принцип трансформатора). 65

Дуговая печь Достоинства: l Т > конвертера, более качественная сталь. Но - графитовые электроды могут загрязнять сталь 66

Стадии плавки стали l 1. Свод печи отводят в сторону и на под печи загружают металлолом. l После этого свод возвращают на место, а электроды в печь. l Зажигают дугу и по мере расплавления завалки увеличивают мощность. l В печь вводят кислород, и известь для образования шлака. l По окончании периода окисления отбирают пробу l Выключают дугу, поднимают электроды, наклоняют печь и выпускают сталь в ковш. Химизм аналогичен выплавке стали в кислородном конвертере 67

Индукционные печи l В индукционных печах тепло выделяется за счет возникновения в толще шихты индукционных токов l Нет загрязнения материалом 1 – кожух, 2 – тигель, 3 – подовая электродов плита, 4 – соленоид, 5 – сливной носок, 6 – токопроводы. 68

Внепечное рафинирование стали l аргонно-кислородная продувка металла для выплавки нержавеющих сталей; l вакуумная обработка жидкой стали для её очистки от неметаллических включений и водорода; l обработка стали жидкими синтетическими шлаками (53% Ca. O, 40% Al 2 O 3, 3% Si. O 2 и до 1% Fe. O). 69

Механическая обработка стали l разлив стали в чугунные формы – изложницы; l кристаллизация в виде слитка; l обрезка и зачистка слитка; l превращение слитка в обжимных станах (блюминг, слябинг) в заготовку; l далее заготовка перерабатывается в изделие прокатом. 70