Химические основы металлургии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Металлургия

металл руда сталь чугун

Металлургия - наука о способах получения металлов из руд и другого сырья и отрасль промышленности, производящая металлы. Металлургическое производство возникло в глубокой древности. Еще на заре развития человеческого общества были известны, и нашли применение железо, медь, серебро, золото, ртуть, олово и свинец. Производство металлов в н. в. по масштабам соизмеримо с производством таких промышленных продуктов как цемент, целлюлоза, полимерные материалы. Значение металлов как важнейших материалов современной техники обусловлено рядом их специфических свойств:

- способностью к взаимному растворению и образованию многочисленных сплавов разнообразного состава;

- комплексом ценных механических, химических и физических свойств, в том числе тепловых, электрических и магнитных;

- возможностью фазовых превращений при изменении температуры и существование в нескольких полиморфных модификациях с различными структурой и свойствами;

- способностью деформироваться в холодном и горячем состоянии без нарушения сплошности материала.

Металлы составляют большую часть всех элементов в таблице Менделеева. В технике они классифицируются по иным признакам, чем в таблице Менделеева. До настоящего времени не разработана строго научно обоснованная классификация металлов. В практике получили применение исторически сложившиеся классификации, базирующиеся на таких признаках металлов, как их распространенность в природе, применимость, физических и частично химических свойствах.

В соответствии с промышленной классификацией металлы делятся на черные, к которым относятся железо и его сплавы; марганец и хром, производство которых связано с производством чугуна и стали и цветные.

Термин «цветные металлы» достаточно условен, так как из всех металлов этой группы только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Из цветных металлов основные тяжелые металлы получили название из-за больших (тяжелых) масштабов производства и потребления. Малые тяжелые металлы являются природными спутниками основных тяжелых металлов, их получают попутно и в меньших количествах.

Металлы в твердом состоянии представляют собой кристаллические вещества, атомы которых расположены в строго определенном порядке и образуют так называемую пространственную решетку. Форма, величина и взаимное расположение кристаллов в твердом металле определяют его структуру. От структуры металлов в значительной степени зависят механическая прочность и другие технические свойства металла.

Понятие о сплавах. Металлы способны образовывать сплавы, имеющие большое значение в технике. Сплавами называются твердые вещества, получаемые сплавлением простых веществ- элементов и разнообразных соединений. Практический интерес представляют главным образом сплавы кристаллических веществ, поэтому понятие «сплавы» относится к кристаллическим веществам, особенно к металлам. В зависимости от числа входящих в сплав простых веществ различают сплавы двойные, тройные, четверные и т. д. Наиболее хорошо изучены двойные сплавы.

Наибольшее значение имеют сплавы железа.

Железо может существовать в нескольких аллотропических формах: альфа-железо, гамма- железо и дельта-железо. Альфа-железо обладает магнитными свойствами, устойчиво при температуре ниже 910⁰С. Оно растворяет углерод в незначительном количестве. Твердый раствор углерода в альфа-железе называется ферритом. При 910⁰С альфа-железо превращается в гамма-железо. Гамма- железо способно растворять углерод в больших количествах, чем альфа-железо. Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом. При температуре 1401⁰С гамма-железо превращается в дельта-железо. Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе₃С называется цементитом. Химически чистое железо серебристо-белого цвета, плотностью 7890 кг/м³. Оно обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью, магнитной проницаемостью, высокой пластичностью, хорошо куется, штампуется, прокатывается и сваривается. На основе железа получают разнообразные сплавы, широко применяемые в технике. Большое значение получили сплавы железа, содержащие углерод. Сплавы с содержанием углерода до 2% называются сталями, с большим содержанием углерода - чугунами. Если в чугуне значительная часть углерода химически связана с железом в виде Fе₃С, то такой чугун называется белым. При медленном охлаждении расплавленного чугуна часть Fе₃С распадается с выделением свободного углерода. Такой чугун называется серым. Белый чугун обладает большой твердостью, но хрупок и поэтому не обрабатывается на станках. Он идет в передел на сталь. Серый чугун более мягкий, менее хрупкий и хорошо обрабатывается на станках.

Руды и способы их переработки

Сырье в производстве металлов - металлические руды. За исключением небольшого числа (платина, золото, серебро) металлы находятся в природе в виде химических соединений, входящих в состав металлических руд. Металлической рудой называется горная порода, содержащая в своем составе один или несколько металлов в таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых возможно и целесообразно их извлечение.

По качеству и количеству металла руды делят на промышленные и непромышленные.

К промышленным относятся те руды, в которых содержание металла превышает его рентабельный минимум, т. е. то минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды.

По числу содержащихся в руде металлов их делят на монометаллические (простые) и полиметаллические (комплексные). К полиметаллическим относят большинство руд цветных металлов, содержащие до 10-15 различных металлов.

По содержанию металла руды подразделяются на богатые, средние и бедные.

По форме нахождения металла руды делятся на: самородные, содержащие металлы в свободном состоянии (руда, содержащая золото); окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородных соединений; сульфидные, галогенидные.

Целесообразность переработки той или иной горной породы зависят от целого ряда условий, однако решающее значение имеет процентное содержание металла в руде. Для получения металла из руды необходимо удалить пустую породу и разложением рудного минерала отделить металл от химически связанных с ним элементов. Эти процессы переработки руды называются металлургическим процессами.

Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификация и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления.

Для ускорения необходимых химических реакций металлургические процессы проводятся или с применением высоких температур и называются пирометаллургическими, или обработка руды ведется водными растворами реагентов; такие процессы называются гидрометаллургическими. Типовыми разновидностями пирометаллургических процессов являются обжиг, плавка и дистилляция, а гидрометаллургических - выщелачивание и осаждение из растворов.

Восстановление металлов в пирометаллургических способах осуществляется, главным образом, при помощи кокса и окиси углерода, получаемой непосредственно в печи при неполном сгорании углерода. Примеси отделяются от основного металла путем их отшлаковывания в виде окислов и солей, главным образом, в виде легкоплавких силикатов.

Черные металлы - чугун и стали различных марок - производят пирометаллургическим способами. В производствах цветных металлов обычно применяют комбинации пиро- и гидрометаллургических процессов.

В общем случае металлургический процесс включает три последовательные стадии: подготовка руды - превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металлы; восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла; восстановлению подвергаются преимущественно оксиды, реже галогениды, поэтому все остальные соединения должны быть переведены в них; вторичная обработка полученного металла.

Производство чугуна

Сырьем для производства чугуна служат железные руды, подразделяющиеся на четыре группы:

Руды магнитной окиси железа или магнитные железняки, содержат 50-70% железа и состоят в основном из минерала магнетита Fе₃О4. Руды магнитной окиси железа трудно восстановимы.

Руды безводной окиси железа (красный железняк) содержат 50-70% железа в виде минерала гематита Fе₂О₃. Красные железняки восстанавливаются легче, чем магнитные железняки и обычно содержат малые количества фосфора и серы

Руды водной окиси железа или бурые железняки содержат железо в виде химического соединения его окиси с водой Бе₂О₃*nН₂О и переменного количества адсорбированной воды. Эти руды преимущественно бедные по содержанию железа (25 -50%). Руды загрязнены вредными примесями, и их целесообразно предварительно обогащать.

Руды углекислой соли железа или шпатовые железняки, содержат 30-37% железа в виде минерала сидерита FеСО₃.

Подготовка железной руды к доменной плавке обычно включает процессы дробления, грохочения, сортировки по крупности, усреднения, обогащения. Подготовленная железная руда загружается в доменную печь вместе с углеродсодержащим материалом (коксом) и флюсом.

В н. в около 99% чугуна выплавляется на коксе. Кокс должен быть прочным, пористым и содержать ограниченное количество примесей.

Сгорая в горне доменной печи за счет кислорода дутья, кокс образует газ с высоким содержанием окиси углерода, являющейся восстановителем окислов железа. При сгорании кокса в доменной печи создаются высокие температуры, обеспечивающие необходимые физико-химические процессы и образование продуктов плавки. Флюсы загружают в доменную печь для образования с пустой породой руды и золой кокса легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака, состоящего из силикатов и алюминатов кальция и магния. В качестве флюсов используют не содержащие серы и фосфора карбонат кальция и доломит СаСО₃ * М§СО_3.

Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения. Железная руда, кокс и флюсы подаются в печь сверху при помощи наклонного подъемника. Образовавшиеся в процессе доменной плавки чугун и шлак, периодически выводятся из горна раздельно через соответствующие летки. Воздух поступает в печь через фурмы, расположенные в фурменной зоне горна. В этой зоне печи создается окислительная атмосфера, и углерод кокса сгорает по реакции:

С + О₂ = СО₂ + 409 кдж

Образовавшаяся двуокись углерода далее восстанавливается углеродом раскаленного кокса до окиси углерода

С + СО₂ = 2СО - 165.8 кдж.

Образующийся в горне газ поднимается в верх печи, отдавая тепло шихтовым материалам и взаимодействуя с ними как восстановитель. Наивысшая температура в доменной печи достигает 1800⁰С. По мере опускания шихты от колошника в более горячую зону доменной печи происходят следующие процессы: разложение компонентов шихты, восстановление оксидов железа и других соединений, образование чугуна (обуглероживание железа), шлакообразование и плавление.

Восстановление окислов железа - основная цель плавки. Твердые окислы железа восстанавливаются окисью углерода в следующем порядке:

Восстановление возможно, если прочность связи кислорода с восстановителем больше, чем с металлом.

Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по реакциям:

Шлакообразование происходит одновременно с восстановлением железа из его окислов. Процесс шлакообразования влияет на состав и качество чугуна и на работу печи в целом. Температура плавления смеси пустой породы и флюсов должна быть 1250-1350⁰С. Для достижения этой температуры необходимо иметь определенное соотношение СаО, МgО, А1₂О₃ и SiO₂ в шихте. Плотность расплавленного шлака меньше, чем чугуна, поэтому он накапливается в горне над расплавленным чугуном. Для предупреждения перехода FеО в шлак необходимо повышать основность шлака (избыток СаО). Повышенная основность шлака необходима также и для удаления серы, фосфора из металла.

Чугун делится по применению на литейный, передельный и специальный.

Литейный чугун предназначен для изготовления чугунных изделий методом литья. Он содержит 2-4% кремния и 0.3% фосфора. Чугуны, содержащие никель, ванадий, хром, называются легированными и применяют для специального литья.

Передельный чугун предназначается для производства стали. В зависимости от способа передела чугуна в сталь различают: бессемеровский, мартеновский, томасовский чугуны Мартеновский чугун перерабатывается на сталь в мартеновских печах, бессемеровский - путем продувки расплавленного чугуна воздухом в конверторе с кислой футеровкой, томасовский чугун переделывается в сталь в конверторах с основной футеровкой.

Производство стали

Передел чугуна в сталь заключается в уменьшении количества углерода путем его окисления, в возможно более полном удалении серы и фосфора и в доведении в стали до нужных пределов содержания кремния, марганца и др. элементов.

Окисление углерода можно осуществлять двумя методами: продувкой кислорода через расплавленный чугун - конверторный способ и добавлением в расплавленный чугун твердых окислителей (железной руды, окалины и др.) - мартеновский способ.

В обоих способах углерод окисляется до окиси и двуокиси углерода, а такие примеси, как кремний и марганец в значительной степени переходят в шлак в виде SiO₂ и МnО. Для удаления серы и фосфора необходимо держать в шлаке избыточное количество окиси кальция. Различают кислые и основные методы передела чугуна в сталь. Кислые методы применяют для чугунов, содержащих мало фосфора и серы. В мартеновском способе кислые и основные методы передела чугуна в сталь осуществляются в мартеновских печах. При конверторном способе кислый метод передела чугуна в сталь называется бессемеровским, основной же метод носит название томасовского. Жидкий чугун заливают в конвертор, представляющий собой сосуд, изготовленный из листовой стали, сюда же через сопло вдувается кислород под давлением. Конвертор имеет приспособление для его вращения. Заливка чугуна производится через горловину. После заливки чугуна включается дутье. При продувке кислорода через расплавленный чугун в первый период окисляется железо.

2Fе + О₂ = 2FеО + 518.8кдж

Образовавшаяся закись железа взаимодействует с кремнием и марганцем по реакциям:

Окислы примесей всплывают и переходят в шлак. Металл при этом разогревается, и температура его достигает 1600⁰С. Продолжительность этого периода 3-4 мин. Он называется периодом шлакообразования. Во втором периоде происходит взаимодействие закиси железа с углеродом:

В третьем периоде в результате понижения концентрации углерода в металле окисление его замедляется, усиливается окисление кремния, марганца и железа. По окончании продувки сталь еще не готова, так как в ней присутствует FеО, что делает ее красноломкой и хладноломкой. Для восстановления FеО в конвертор или ковш при разливке стали добавляют раскислители - зеркальный чугун или ферросилиций. Фосфор, содержащийся в чугуне, переходит, в сталь. Недостатком бессемеровского способа является повышенная потеря металла вследствие окисления железа до FеО, переходящего в шлак. Однако высокая производительность конвертора, отсутствие расхода топлива и сравнительная простата обслуживания обусловили преимущественное развитие в производстве стали конверторного способа как более экономичного.

Томасовский способ отличается от бессемеровского в основном тем, что фосфор, содержащийся в чугуне, при продувке кислорода через расплавленный чугун вначале окисляется в Р2О5, которая взаимодействует далее с известью, добавляемой в конвертор, и материалом футеровки конвертора.

Мартеновский способ дает возможность передела чугуна различного состава. Потери металла незначительны. В н. в. около 80% стали выплавляется в мартеновских печах. Однако, мартеновский способ менее выгоден, чем конверторный; строительство мартенов обходится дороже, чем конверторов.

Выплавка стали в электрических печах применяется для получения высококачественных углеродистых и специальных сталей. Преобладающее количество электростали выплавляется в дуговых печах. В электрических печах легко достигается температура 2000⁰С и выше, что позволяет выплавлять тугоплавкие стали и вести процесс на сильноосновных шлаках, позволяющих более полно удалять серу и фосфор из стали.

Свойства стали в значительной степени определяются ее составом, в частности, содержанием углерода. В технически чистом железе содержится до 0.02% углерода. Такое железо обладает высокой пластичностью. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали и одновременно понижается ее пластичность. Марганец, содержание которого в сталях составляет от 0.2 до 1.0% и выше, повышает твердость и прочность стали и одновременно понижает пластические свойства. Кремний повышает предел прочности стали. Никель, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и некоторые другие металлы вводятся в сталь для придания ей особых свойств. По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. По назначению сталь делится на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми свойствами (нержавеющая, кислотоупорная, жаропрочная и др.) Сера, фосфор и растворенные газы являются вредными примесями в сталях.

Процессами прямого получения железа называются способы получения губчатого железа, металлизированного сырья, литого железа или стали непосредственно из железорудного сырья, минуя доменный процесс. Существующие методы прямого получения железа подразделяются:

1) По физическому состоянию получаемого продукта, и соответственно по температуре процесса на:

- получение губчатого железа и металлизированных окатышей при температуре ниже температуры плавления пустой породы;

- получение крицы, т.е. слипшейся массы губчатого железа при температуре плавления пустой породы с образованием шлака;

- получение жидкой стали при температурах выше температуры плавления железа.

2) По природе используемого восстановителя на:

- использование твердых восстановителей;

- использование газообразных восстановителей (СО, Н₂)

3) По состоянию слоя обрабатываемого сырья и, соответственно, по конструкции применяемого оборудования на:

- восстановление в плотном неподвижном слое;

- восстановление в плотном подвижном слое;

- восстановление во взвешенном слое;

- восстановление в кипящем слое.

Из этих методов наибольшее распространение получили процессы получения губчатого железа и металлизированных окатышей из высококачественных руд восстановлением в шахтных печах газообразными восстановителями.

Производство меди

Медь - металл, получивший широкое распространение в технике. В чистом виде медь имеет светло-розовый цвет. Температура плавления ее 1083⁰С, температура кипения 2300⁰С, она хорошо куется и прокатывается на холоду и в нагретом состоянии. Медь очень хорошо проводит тепло и электрический ток. Медь - основной материал для изготовления проводов, кабелей, шин, контактов и других токопроводящих частей электроустановок. Около 50% всей производимой меди расходуется электротехнической промышленностью.

Сырьем для производства меди являются медные руды. Наибольшее значение имеют сульфидные руды. Содержание меди в рудах колеблется от 1 до 5%. В медных рудах, кроме меди, содержатся и другие металлы. Для извлечения меди из руд применятся два основных способа: пирометаллургический и гидрометаллургический.

Пирометаллургический способ получения меди основан на применении плавки сульфидных руд. Расплавленная сульфидная руда при отстаивании разделяется на два слоя - нижний слой будет сплавом сульфидов плотностью около 5, а верхний - сплавом окислов плотностью около 3 г/см³. Сплав сульфидов, состоящий главным образом из сульфидов меди и железа, называется штейном, а сплав окислов - шлаком. Штейн является промежуточным продуктом, поступающим далее в передел на черновую медь. Таким образом, в данном способе переработки различают две главные стадии процесса: плавка руды на медный штейн и передел расплавленного штейна на черновую медь продувкой его воздухом.

Передел штейна на черновую медь, независимо от методов его получения, одинаков и заключается в том, что расплавленный штейн (Cu₂S* n FеS) заливается в конвертор и продувается воздухом. Полученная в конверторе медь содержит от 1 до 3% примесей и называется черновой медью.

Рафинирование черновой меди является последней стадией ее производства. Применяют два способа рафинирования: огневой и электролитический. При огневом рафинировании черновую медь расплавляют в отражательной печи. Кислород горячих газов, проходящих над расплавленной медью, частично окисляет ее до Си2О. Образующиеся окислы металлов всплывают на поверхность расплавленной меди в виде легко удаляемых шлаков, часть примесей удаляется вместе с газами.

Электролитическое рафинирование является более совершенным способом удаления примесей из меди. Для этого из черновой меди отливаются аноды массой до 350 кг и их помещают в электролизер, в котором в качестве электролита находится раствор С^О₄, подкисленный серной кислотой. Катодом служит тонкая пластинка из чистой электролитической меди. При прохождении постоянного электрического тока происходит постепенное растворение анода и осаждение чистой меди на катоде. Рафинированная медь содержит 99.9-99.95% меди.

Схема пирометаллургического способа производства меди

Размещено на Allbest