Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Аэрокосмический факультет

Кафедра «Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении»

Реферат

Производство конструкционных металлических изделий

По курсу: Технологические процессы в машиностроении

Пермь, 2011 г.



Производство чугуна

Производство чугуна в доменной печи.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат - это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Схема получения чугуна.

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния .

Это - тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют . При взаимодействии его с образуется , легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи - распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ? меньше чем обычная.

Производство стали

В настоящее время существует несколько основных способов производства стали. К ним относятся:

· Кислородно-конвертерный.

· Мартеновский.

· Электросталеплавильный.

· Доменная печь.

· Новые способы.

В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ. Рассмотрим эти процессы.

Кислородно-конвертерный.

Конвертерное производство -- получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава.

Преимуществом этого способа является высокая производительность, которая обеспечивается интенсивностью процессов окисления элементов, а также меньшая цена затраты на строительство. В кислородных конвертерах могут выплавлять как углеродистые, так и легированные стали.

Основным шихтовым материалом кислородно-конвертерного процесса является жидкий передельный чугун, источником тепла при выплавке стали являются химические экзотермические реакции окисления элементов при продувке жидкого чугуна кислородом.

Кислородные конвертеры делятся на:

· стационарные

· вращающиеся

В СССР применяли стационарные конверторы с глухим дном и конвертеры с донной продувкой вместимостью от 100 до 400 т.

Стационарный конвертер имеет два бандажа, каждый из которых опирается на два ролика. Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожуха конвертеры выкладываются смолодоломитовым кирпичом. Летка предназначена для слива готовой стали и способствует лучшему отделении стали от шлака и уменьшению восстановления фосфора из шлака при сливе.

В конвертер сначала загружают скрап, далее заливают чугун, затем засыпают известь, а также боксит, железную руду и окалину (если нужно), после чего производят продувку, взятие проб, их анализ, а затем слив металла и шлака.

Кислород под давлением 8.88 - 9.87атм подается через водо-охлаждаемую фурму, часть его проникает в металл, а оставшийся кислород растекается по поверхности ванны. Залитый в конвертер чугун содержит около 93% железа, поэтому проникающий в чугун кислород преимущественно окисляет железо:

Fe + >FeO + ?H.

С началом продувки в конвертере сразу образуются две несмешивающиеся между собой жидкости - металл (плотность 7,8 г/) и шлак (плотность около 2,5 г/), находящиеся в непосредственном контакте и взаимодействии.

Часть оксида железа остается в металле, часть его переходит в шлак, при этом как в металле, так и в шлаке оксид железа реагирует с другими элементами и соединениями, однако в шлаке и металле распределение оксида железа постоянно при данной температуре; это называется константой распределения LFeO:

LFeO= FeOв мет.= const.

Оксид железа, находящийся в металле, вступает во взаимодействие с примесями в чугуне, к которым кислород имеет большое сродство, чем к железу:

2FeO + Si >2Fe +Si + ?H

FeO + Mn>Fe + MnO + ?H



Фосфор выгорает по реакции:

5FeO + 2P > + 5Fe + ?H

Углерод выгорает по реакции:

FeO + C >Fe + CO - ?H

Оксид углерода СО пузырьками выходит из жидкой ванны, частично сгорает, реагируя с кислородом, растекающимся по поверхности ванны:

CO + > C + ?H

Разогрев ванны способствует растворению извести, боксита и оксидов железа, в результате образуется активный основной шлак с избытком свободного оксида кальция, который связывает фосфор в нерастворимое в металле соединение:

+ 4 CaO> + ?H

При переработке высокофосфористого чугуна, для того чтобы предотвратить обратный переход фосфора из шлака в металл, шлак, обогащенный фосфором, сливают и вновь загружают известь. Фосфористый шлак используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Горячий высоко известковистый шлак в конвертере дает возможность шлаковать фосфор раньше, чем выгорает углерод. Известь обеспечивает также шлакование серы по реакции:

FeS + CaO>FeO + CaS + ?H



Эта реакция идет на границе раздела шлак - металл. Перегретый активный основной шлак обеспечивает удаление значительной части серы из металла, в результате чего ее массовое содержание может быть доведено до 0,015%

Увеличение производительности кислородных конвертеров достигается не только путем увеличения вместимости, но также за счет интенсивности продувки при внедрении автоматического управления и контроля плавки и использованием ЭВМ.

В конвертерах с донным дутьем, где выход стали больше за счет увеличения присадки скрапа по сравнению с конвертерами с верхним дутьем.

Мартеновские печи

Производство стали в мартеновских печах подходит для различных масштабов производства. К тому же, требования к исходному сырью мене строгие, а качество получаемой стали - высокое. При этом управление ходом плавки не является сложным.

В зависимости от состава огнеупорных материалов подины печи мартеновский способ выплавки стали может быть основным (в составе огнеупора преобладают СаО и MgO) и кислым (подина состоит из Si). Выбор футеровки зависит от предполагаемого состава шлака в процессе плавки.

Основной принцип действия печи -- вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой выложены каналы огнеупорным кирпичом). Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами. Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха.

В мартеновских печах сталь выплавляют каким-либо одним из двух способов скрап-рудным или скрап-процессом.

Металлическую шихту для скрап-рудного процесса плавки составляют из жидкого чугуна (80--60%), стального лома, железной руды и флюса (20--40%). Сам процесс в печи можно разделить на несколько этапов:

· Заправка печи-- На этом этапе поддерживается рабочее состояние всех элементов процесса, а именно:

1. забрасываются огнеупорные материалы (дробленый доломит и магнезитовый порошок),при этом подина осматривается надлежащим образом после выпуска шлака и металла из печи.

2. В случае необходимости исправляются неполадки.

· Завалка и прогрев шихты. Завалка шихты осуществляется специальной завалочной машиной. Осуществляется подача твердых шихтовых веществ к печи. Прежде чем залить жидкий чугун, печь тщательно прогревается в течение 1,5 часов.

· Заливка жидкого и твердого чугуна. На этом этапе заливается чугун в течение 20 - 60 минут.

· Плавление чугуна. Для плавления чугуна осуществляется подача в мартеновскую печь топлива и продувка кислородом. Этот процесс сопровождается появлением шлаков в результате окисления. Для того чтобы шлаки не препятствовали передаче тепла к металлу, часть их удаляется из печи. Для этого спускают шлаковую чашу.

· Доводка. Суть этапа доводки состоит в том, чтобы довести полученную сталь до нужного химического состава. Для этого необходимо металл нагреть до температуры кипения. (В этот момент происходит окисление углерода в металле, скорость которого регулируется при помощи внедрения в ванну различных флюсов).

· Кипение. Кипение может проходить двумя способами.

1. Во время кипения в ванну с металлом добавляют различные флюсы.

2. Чистое кипение, то есть окисление углерода протекает без добавления дополнительных элементов. Именно в момент чистого кипения сталь приобретает необходимые химические свойства. Процесс кипения длится от 1 до 2,5 часов.

· Раскисление и легирование. На этом заключительном этапе происходит регулировка количества содержащегося в стали кислорода, и внедрение легирующих веществ. Добавление тех или иных веществ зависит от марки выплавляемой стали.

· Выпуск металла из печи.Выпуск металла из печи осуществляется через отверстие, которое пробивается в задней стенке сосуда при помощи струи кислорода. Процесс этот длится максимум 20 минут.

Скрап-процесс осуществляется главным образом на машиностроительных заводах, где нет доменных печей. В этом случае шихта в большей своей части состоит из скрапа и 25--30% штыкового чугуна. Кроме того, для ускорения окисления примесей в шихту вводят 2--3% железной руды. Емкость мартеновских печей для скрап-рудного процесса до 70 т. Рабочий цикл 6--15 ч в зависимости от емкости печи. Печи для скрап-процесса имеют емкость до 100 т.

Электросталеплавильный процесс -- плавка стали в электрических печах. Для плавки чугуна в этих печах используется теплоэлектрической дуги. Главное достоинство этого способа -- возможность достижения высоких температур плавления (до 2500 °С).

Наиболее распространена выплавка стали в дуговых печах, так как в них можно получать стали широкого сортамента.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из рабочей ванны (плавильного пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, скачать шлак и слить металл. Регулятор мощности дуги представляет собой механизм перемещения электродов с приводом, управляемый программно-адаптивным регулятором электрического режима.

Ранее существовали регуляторы дуги с электромеханическими приводами, которые в силу своей большой инерционности не получают дальнейшего распространения и практически полностью вытеснены регуляторами электрогидравлическими

Плавка в ДСП, после осмотра печи и ремонта пострадавших участков футеровки (заправка), начинается с завалки шихты. В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2-3 % от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, включают высоковольтный выключатель и начинают период плавления. На данном этапе возможна поломка электродов (при плохой проводимости между электродом и шихтой исчезает электрическая дуга и электрод упирается в непроводящий кусок шихты). Регулирование отдаваемой мощности осуществляется изменением положения электродов (длины электрической дуги) либо напряжения на электродах. После периода расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Шлак скачивают через шлаковую летку (рабочее окно), постоянно присаживая шлакообразующие, в течение всего периода плавления, с целью удаления фосфора из расплава. Шлак вспенивают углеродсодержащими материалами для закрытия дуг, для лучшего его скачиваемости и уменьшения угара металла.

Выпуск готовой стали и шлака в стальной ковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля над ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Также рабочее окно может использоваться для подачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах). На современных сверхмощных печах подача шлакообразующих во время плавки осуществляется через специальное отверстие в своде конвейерной подачей. Углеродистые материалы для вспенивания шлака подаются в печь либо порционно через свод, либо вводятся инжекционными горелками струей сжатого воздуха. Перед выпуском и во время выпуска в стальковш добавляются легирующие и раскислители, а при отсекании печного шлака еще и шлакообразующие материалы.

чугун сталь титан производство

Доменная печь

Доменная печь -- большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до ее «капитального» ремонта), и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом, в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.



Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода -- главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 -- 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси -- сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи -- в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в миксеры либо в чугуновозные ковшии вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Новые методы производства и обработки стали

Электроннолучевая плавка металлов. Для получения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.

Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ: электронные лучи позволяют получить высокую плотность энергии нагрева, регулировать скорость плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплава материалом тигля и применять шихту в любом виде. Перегрев расплавленного металла в сочетании с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создают эффективные условия для очистки металла от различных примесей.

Электрошлаковый переплав. Очень перспективным способом получения высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят через слой жидкого металла и рафинируются. При обработке металла шлаком и направленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на 30 - 50%, а содержание неметаллических включений - в два-три раза.

Вакуумирование стали. Для получения высококачественной стали, широко применяется вакуумная плавка. В слитке содержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке. При этом способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытой камере, из которой удаляют воздух и другие газы. Вакуумирование стали производится в ковше перед заливкой по изложницам. Лучшие результаты получаются тогда, когда сталь после вакуумирования в ковше разливают по изложницам так же в вакууме. Выплавка металла в вакууме осуществляется в закрытых индукционных печах.

Рафирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. Сущность этого метода состоит в том, что очистка стали от серы, кислорода и неметаллических включений производится при интенсивном перемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами. За счет сокращения периода рафинирования в дуговых печах, производительность которых может быть увеличена на 10 - 15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками, по качеству близка к качеству стали, выплавляемой в электрических печах.

Производство Алюминия.

Алюминий получают из оксида алюминия электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 ), поэтому требуется слишком много энергии. Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000.Было обнаружено что алюминий хорошо растворяется в расплавленном криолите - минерале состава .

Этот расплав и подвергают электролизу при температуре всего около 950 на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 % , плавится при 960 и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки , и . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 .

Электролизёр для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизёра, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя и .

Производство магния

В качестве руд для производства магния обычно используют магнезит, содержащий преимущественно:

· карбонат магния (),

· доломит, содержащий преимущественно двойной карбонат магния и кальция ( *),

· карналлит, содержащий двойной хлорид магния и калия ( * *6)

· бишофит -- шестиводный хлорид магния ( *), получаемый из морской воды и воды некоторых озер путем испарения и кристаллизации.

Магнезит и доломит подвергаются механическому обогащению и обжигу. Обжиг производится при температурах 850°. При этих температурах происходит диссоциация карбонатов.

Существуют электролитический и термические способы получения магния.

Электролитический способ получения.

Электролитический способ получения магния. По этому способу сначала получают безводный хлорид магния (), который затем, при помощи высококлассного электротехнического оборудования подвергают электролизу с целью получения магния.

Получение хлорида магния из бишофита и карналлита производится путем их обезвоживания нагревом. Получение хлорида магния из каустического магнезита производится путем обработки его при температуре 800° газообразным хлором в присутствии углерода в электрической печи:

Электролиз хлорида магния производят в плотно закрытых электролитических ваннах. Как и при электролизе глинозема, электрический ток используется здесь для электрохимического процесса и для нагрева ванны; рабочая температура процесса около 750°, напряжение тока 6 В, сила тока 30 000--000 А.

Аноды изготовляют из графита, катоды -- из стали в форме пластин; те и другие расположены в ванне вертикально и параллельно друг другу.

При электролизе на анодах выделяется газообразный хлор, который пузырьками всплывает на поверхность и по хлоропроводам отводится для дальнейшего использования; на катодах выделяется магний.

Удельный вес электролита больше удельного веса магния, поэтому последний всплывает на поверхность электролита, откуда по мере накопления извлекается.

С целью предупреждения взаимодействия хлора с магнием, рабочее пространство ванны разделяют на анодное и катодное с помощью огнеупорных перегородок, устанавливаемых между анодами и катодами.

Термические способы получения магния

Сущность термических способов состоит в восстановлении окиси магния или нефтяным коксом в смеси с каменноугольным пеком, или металлами, сплавами и карбидами металлов (например, алюминием, ферросилицием, карбидом кальция и др.)В промышленности применяются три разных процесса термического восстановления. Все они периодические, вакуумные, основаны на использовании ферросилиция в качестве восстановителя, для двух из них исходным материалом служит доломит.

Производство титана

Промышленные способы получения титана и его основных соединений базируются на использовании в качестве исходного сырья титановых концентратов, содержащих не менее 92-94 % в рутиловых концентратах, 52-65 % в ильменитовых концентратах из россыпей и 42-47 % в ильменитовых концентратах из коренных месторождений.

Для получения титана в основном используют , схема получения указана ниже.



Все методы получения металлического титана основаны на использовании рутила в качестве основного продукта сырья. В настоящее время известны следующие, главные методы получения титана:

1. Магнийтермический метод, заключающийся в хлорировании , получении и восстановлении его магнием. Для получения губки титана с малым содержанием кислорода и азота и некоторых других вредных примесей перед восстановлением подвергается тщательной очистке путем многократной фракционной перегонки с одновременной химической очисткой. Восстановление производится в специальных реакторах в атмосфере аргона при температуре 700--950°. Губка титана затем очищается от и Mg методом вакуумной дистилляции или путем выщелачивания. Второй способ значительно дешевле, но приводит к насыщению губки титана водородом до 0,05%. Водород удаляется при последующей плавке губки в вакууме. Вместо магния в качестве восстановителя применяется также и натрий. Это позволяет получать титан в виде порошка и облегчает производство гомогенных сплавов титана.

Плавка титана ведется в электрических высокочастотных или в электродуговых печах. Электродуговые печи находят большое применение и разделяются на два типа с постоянным водоохлаждаемым вольфрамовым электродом или с расходуемым прессованным электродом из титановой губки. На рис. 13, а и б представлена схема печей для плавки титана. Плавка ведется в вакууме или в среде инертных газов. Емкость, в которой накапливается титан и образуется слиток, изготавливается из графита или из чистой красной меди и усиленно охлаждается водой.

2. Гидридно-кальциевый метод, основанный на получении гидрида титана и последующем разложении его на и путем нагрева в высоком вакууме. Образующийся СаО отмывается разбавленными кислотами.

3. Электролизный метод, заключающийся в разложении электрическим током или , (растворенных в расплавленных солях хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов, при 700--800 в атмосфере инертных газов.

4. Йодидный метод, основанный на термической диссоциации йодида титана , который предварительно получают путем реакции металлического титана низкой чистоты с парами йода.

Производство меди

Медь получают в основном тремя методами:

· Пирометаллургический способ

· Рафинирование меди

· Выщелачивание (гидрометаллургия)

Пирометаллургический способ

Пригоден для переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению.

Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений. Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди. Черновую медь далее подвергают рафинированию - очистке от примесей.

Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства:

· подготовка руд:

o Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO.

Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна.

Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%Cu) подвергают обжигу.

· плавка на штейн (выплавка медного штейна),

· конвертирование штейна с получением черновой меди,

o Процесс можно разделить на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

· рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

Рафинирование меди

Для получения меди необходимо чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию, и при этом, помимо удаления вредных примесей, можно извлечь также благородные металлы. Огневое рафинирование черновой меди проводят в печах, напоминающие отражательные печи, используемые для выплавки штейна из медных концентратов. Электролиз ведут в ваннах, футерованных внутри свинцом или винипластом.

Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3 (рис.14). При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.

Выщелачивание меди

После добычи руды над ней проводят процессы:

· дробление и измельчение (до десятков мкм) с целью максимального раскрытия зёрен минералов, содержащих извлекаемый металл;

· отмывка мелких частиц ценных минералов или пустой породы и обезвоживание продуктов сгущением или фильтрацией

· Для подготовки к выщелачиванию иногда необходимо изменение химического состава руд или концентратов:

o окислительный,

o сульфатизирующий,

o хлорирующий,

o восстановительный обжиг,

o спекание или сплавление с реагентами.

Эти операции переводят извлекаемые металлы в растворимые соединения. Дисперсные материалы выщелачивают в чанах с механическим или воздушным перемешиванием пульпы (агитационное выщелачивание), песковые и галечные -- просасыванием раствора через слой материала в чанах с ложным дном (перколяционное выщелачивание) или орошением сложенных в штабели на водонепроницаемых площадках с дренажными канавами (кучное выщелачивание).Подачей растворов реагентов под землю в раздробленную руду и сбор их для переработки (выщелачивание подземное).

Перевод в раствор основного металла из черновых сплавов производится электролитическим растворением анодов из этих сплавов при одновременном выделении основного металла (Cu, Ni, Pb и др.) на катоде в чистом виде, а электроположительные примеси (Au, Aq, Pt, Bi, Pb, Se, Te, As и др.) концентрируются в анодном шламе. Ускорение выщелачивания и повышение извлечения металла в раствор часто достигаются увеличением температуры -- при атмосферном давлении обычно ниже 100°С, при повышенных давлениях (до 8-10 МПа) в автоклавах до 150-300°С. Автоклавное выщелачивание дополнительно ускоряет реакции в сотни и тысячи раз и позволяет совмещать окисление (восстановление) с выщелачиванием продуктов за счёт подачи вместе с пульпой сжатых газов-реагентов (О2, SO2, воздуха и др.), что исключает необходимость обжига. Для ускорения подземного и кучного выщелачивания медных, урановых, золотосодержащих и других руд в раствор вводят бактерии, способствующие окислительным процессам.

Широкое применение получило концентрирование и разделение металлов жидкостной экстракцией нерастворимыми в воде органическими веществами (экстрагентами) -- трибутилфосфатом, аминами, карбоновыми и фосфорорганическими кислотами, оксимами и другими, применяемыми обычно в виде раствора в керосине. Экстракцию и последующую реэкстракцию проводят в аппаратах типа смеситель-отстойник, колонных, центробежных или др. Скорость экстракции значительно выше скорости ионного обмена на твёрдых сорбентах. Выделение из растворов чистых металлов производится электролитическим или химическим восстановлением; в зависимости от условий электролиза металлы получают в компактной форме или в виде порошков; химическое восстановление водородом и другими газами ведут в автоклавах с получением металлов в виде порошков. В ряде случаев гидрометаллургическая схема заканчивается кристаллизацией или осаждением чистого химического соединения металла (например, в производстве алюминия, урана и др.).

Размещено на Allbest.ru