Основные металлургические процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

«МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского

Кафедра Систем автоматизированного проектирования и технологии литейного производства

Реферат

тема: Основные металлургические процессы

по курсу: Общая металлургия

Москва, 2012

Металлургические процессы

Металлургический процесс -- совокупность методов добычи и производства металла.

Металлургический процесс подразделяется по способу производства:

Металлургический процесс производства цветных металлов -- Цветная металлургия;

Металлургический процесс производства чёрных металлов -- Чёрная металлургия;

Металлургические процессы подразделяются на три основных категории:

Гидрометаллургические -- протекают в водных растворах при температуре до 300 градусов (выщелачивание, цементация);

Пирометаллургические -- протекают при температурах более 300 градусов (плавка, отжиг);

Электрометаллургические -- протекают в водных растворах или расплавах с протеканием электрического тока соответственно через раствор или расплав, при этом на катоде восстанавливается более чистый металл, чем используемый при изготовлении анода.

Основная цель металлургических процессов -получение металлов без примесей (более высокой чистоты).

В широком смысле к металлургическим процессам можно отнести всю цепочку преобразований от руды до товарного слитка металла:

Добыча руды: шахтным (закрытым) или карьерным (открытым) способом.

Дробление руды

Обогащение руды (гравитационным, флотационным или электромагнитным способом).

Металлургическая переработка концентрата.

Рафинирование металла (для благородных металлов -- аффинаж).

Цветная металлургия - отрасль металлургии, включающая производство цветных металлов (и их сплавов) от добычи и обогащения руд до получения готовой продукции. К цветным металлам относятся более 85 элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Все металлы принято делить на чёрные и цветные (за рубежом металлы обычно подразделяют на железные и нежелезные). К чёрным металлам относят железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали. Остальные металлы относят к цветным. Название «цветные металлы» условно, т. к. фактически только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Все прочие металлы, включая чёрные, имеют серый цвет с различными оттенками - от светло-серого до тёмно-серого. Цветные металлы условно делят на пять групп. Первая группа - тяжёлые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. Эти металлы наиболее важные среди цветных металлов по своему значению и объёму производства. Вторая группа - малые тяжёлые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт; они являются природными спутниками тяжёлых металлов. Третья группа - лёгкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Они имеют самую низкую удельную плотность (удельную массу) по сравнению с другими металлами. Четвёртая группа - благородные металлы (драгоценные металлы): золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий). Эти металлы обладают валютной ценностью, высокой стойкостью к воздействию окружающей среды. Пятая группа - редкие металлы: тугоплавкие, имеющие высокие температуры плавления, - вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и ванадий; лёгкие - литий, бериллий, рубидий и цезий; рассеянные - галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен и теллур; редкоземельные - радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы. Многими цветными металлами (медь, олово, цинк и др.) покрывают стали, другие цветные металлы для придания им коррозионной стойкости. Германий, галлий, индий, селен, теллур используют в электронике. Золото, серебро, платину, палладий используют в химической, электротехнической и электронной промышленности, из них изготовляют ордена и ювелирные изделия, чеканят монеты, создают художественные изделия и предметы быта.

Чёрная металлургия - это отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся производством сплавов на основе железа, включающая комплекс взаимосвязанных подотраслей:

собственно металлургическая (доменное, сталеплавильное, прокатное производство),

трубное и метизное производства,

добыча, обогащение и окускование рудного сырья,

коксохимическое производство,

производство ферросплавов и огнеупоров,

добыча нерудного сырья для чёрной металлургии,

вторичная обработка чёрных металлов.

Важнейшие виды продукции чёрной металлургии: горячекатаный и холоднокатаный прокат, стальные трубы и металлоизделия.

Чёрная металлургия-основа развития большинства отраслей промышленности. Несмотря на рост продукции химической промышленности, цветной металлургии, промышленности стройматериалов, чёрные металлы (сталь, железо, чугун) остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве. Часть продукции чёрной металлургии экспортируется.

Черная металлургия является основой для развития машиностроительной области. На машиностроение идет примерно треть всего производимого черного металла, а около четверти на строительство, далее идут нефтегазовая и электроэнергетическая отрасль. Затраты электроэнергии на черную металлургию составляют по приблизительным подсчетам 20% от всех топливо-энергетических запасов страны. Эта отрасль металлургии включает добычу и обогащение рудного и нерудного сырья (флюсы, огнеупоры и т.д.), изготовление труб и метизов из стали и чугуна, производство кокса, производство и вторичная обработка черных металлов.

Металлургический цикл

Собственно металлургическим циклом является производство:

1) чугунно-доменное производство,

2)стали (мартеновское, кислородноконвертерное и электросталеплавильное), (непрерывная разливка, МНЛЗ),

3) проката (прокатное производство).

Предприятия, выпускающие чугун, углеродистую сталь и прокат, относятся к металлургическим предприятиям полного цикла.

Предприятия без выплавки чугуна относят к так называемой передельной металлургии. «Малая металлургия» представляет собой выпуск стали и проката на машиностроительных заводах. Основным типом предприятий чёрной металлургии являются комбинаты.

В размещении чёрной металлургии полного цикла большую роль играет сырьё и топливо, особенно велика роль сочетаний железных руд и коксующихся углей.

Гидрометаллургия

Самым древним известным способом гидрометаллургии является выделение меди из руд Рио-Тинто (Испания) в XVI столетии. Позднее были разработаны и воплощены гидрометаллургические способы извлечения платины (1827), никеля (1875), алюминия из бокситов (1892), золота (1889), цинка (1914) и т. д.

Гидрометаллургия, извлечение металлов из сырья с использованием хим. реакций в водных растворах.Сырьем могут быть руды, рудные или химические концентраты (продукты механического обогащения или химической переработки руд), отходы др. производств или самих гидрометаллургических процессов.

Гидрометаллургические методы пригодны для извлечения металлов из сырья с низкими концентрациями металла и не поддающегося переработке традиционными методами, поэтому роль этих методов в условиях происходящего обеднения и ухудшения качества рудного сырья постоянно возрастает. К достоинствам гидрометаллургии относится также возможность разделения близких по свойствам металлов (Zr(циркония) и Hf (гафния), Nb(ниобия) и Та(тантала), смесей РЗЭ и др.), упрощение переработки по сравнению с пирометаллургией. Применение гидрометаллургических методов во многих случаях существенно снижает загрязнение окружающей среды вредными отходами. Так, все большее значение приобретает прямая переработка сульфидных концентратов Сu(медь), Ni(никель),Zn(цинк), Pb(свинец) и др. металлов без их обжига (обжиг приводит к выделению SO2,(сернистый газ) который при выбросе в атмосферу загрязняет окружающую среду, а при улавливании приводит к заметному удорожанию переработки).

Собственно гидрометаллургическим процессам обычно предшествует механический передел включающий операции дробления, измельчения, классификации, мех. обогащения - флотации, гравитационного обогащения, отсадки, разделения в тяжелых суспензиях, а для некоторых руд - радиометрическое обогащение и др. Задача этого передела - удаление как можно большей массы минералов пустой породы.

Гидрометаллургия включает также три основных передела: переведение ценных металлов в раствор, переработку растворов и выделение из очищенных растворов металлов или нерастворимых соединений. Вначале из сырья селективно извлекают в раствор ценные металлы (Выщелачивание). Для очистки и концентрирования р-ров применяют жидкостную экстракцию и ионообменную сорбцию, реже - мембранные методы, ионную флотацию и др. Ионообменная сорбция служит, как правило, для концентрирования относительно мало концентрированных р-ров, которые могут содержать взвешенные частицы твердых веществ. Емкость экстрагентов (макс. концентрация в них извлекаемого металла) значительно выше емкости сорбентов, поэтому экстракцию применяют при переработке любых по концентрации р-ров, но из-за сильного захвата экстрагентов твердыми частицами - при отсутствии в этих растворах взвешенных твердых частиц. Более высокой емкостью обладают импрегнированные сорбенты -- пористые вещества, содержащие органические растворители, а также твердые экстрагенты (твэксы). Импрегнированные сорбенты и твэксы могут применяться для переработки концентрированных содержащих взвешенные твердые вещества растворов. Для концентрирования и очистки р-ров используют также осаждение, соосаждение, а для разделения близких по свойствам растворов (напр., гексафто-роцирконата и гексафторогафната калия) - дробную кристаллизацию,т. е. проведение циклов частичного осаждения и растворения.

Для выделения металлов из растворов применяют восстановление (напр., водородом) при обычном давлении или в автоклаве, цементацию с использованием более активных металлов и электролитическое восстановление. Металлы, которые не могут быть выделены из водных р-ров (напр.,Al,Mo(молибден), W(вольфрам), U(уран)),осаждают в виде оксидов, гидроксидов, фторидов хлоридов, комплексных фторидов и др. Далее эти соединения восстанавливают до металлов разл. методами, включая пирометаллургические и электрохимические.

В гидрометаллургических технологических схемах используют также такие механические процессы, как декантация, фильтрация, гидроциклонирование и центрифугирование.Для интенсификации разделения жидкой и твердой фаз применяют синтетические флокулянты. Гидрометаллургия часто связана также с применением термических процессов: сушки, прокаливания осадков, обжига концентратов и др. Все более широкое применение находят совмещенные операции, напр. измельчения и выщелачивания, выщелачивания и ионообменной сорбции.

Гидрометаллургические операции могут сочетаться также с процессами газовой металлургии, например получением хлоридов или фторидов. Так, образовавшиеся при переработке рудных концентратов хлориды Zr(циркония) и Hf(гафния) могут растворяться в воде и перерабатываться далее гидрометаллургическими методами. Полученные по обычной гидрометаллургической технологии соединения W(вольфрама) могут быть превращены в WF6 (гексафторид вольфрама), используемый далее для получения металла.

Один из недостатков гидрометаллургии это относительно большой расход воды на единицу продукции. Например, на 1 т урановой руды только при получении хим. концентрата образуется 0,3-5,0 т сбросных растворов. Важное значение в преодолении этого недостатка имеют разработка и внедрение процессов водооборота и в конечном итоге переход на полностью бессточную технологическую схему.

Гидрометаллургию применяют для получения цветных (Al, Cu(меди), Ni(никеля), Co(кобальт), Zn и др.), редких (Be(берилий), РЗЭ, Ti, Zr(цирконий), Hf(гафний), Nb(нибий), Та(тантал), Mo(молибден), W(вольфрам)и др.),прир.радиоактивных (U(уран), Th(торий)), искусств, радиоактивных (Np(нептуний), Pu(плутоний) и др.), благородных (Ag, Au, Pt (платина)и платиновые металлы) металлов.

Биогидрометаллургия основана на применении автотрофных бактерий (главным образом тионовых) для выщелачивания U(уран), Сu(медь) и др. металлов из сульфидных минералов или в присутствие сульфидных минералов, а также для удаления примесей сульфидных минералов (пирита, арсенопирита и др.) из серебряных и золотых руд или из каменного угля и др. материалов.

Пирометаллургия - это совокупность металлургических процессов, обязательным условием которых является их протекание при высоких температурах. Пирометаллургия -- одна из старейших областей металлургии. С древнейших времен вплоть до конца 19 столетия металлы производились в основном с использованием пирометаллургических методов. На рубеже 19-20 столетий все большее значение стали уделять гидрометаллургии, тем не менее, пирометаллургия продолжает сохранять главную роль как по масштабам производства металлов и их сплавов, так и по огромному многообразию технологических процессов. В начале 20 века вместе с традиционными пламенными методами нагрева в металлургии стали использовать электрический нагрев (индукционный, дуговой и другие модификации), в это же время начал внедряться электролиз расплавленных соединений (например, в производстве алюминия и некоторых других цветных металлов). Во второй половине 20 века получили широкое распространение такие передовые методы обработки, как зонная плавка металлов, плазменная и электроннолучевая плавка. Процессы, связанные с применением электрического тока, сегодня выделяют в самостоятельную область пирометаллургии -- электрометаллургию. Сегодня пирометаллургия по-прежнему занимает главное место в производстве стали и чугуна, меди, свинца, олова, никеля и других, важных для современной промышленности металлов.

По технологическим компонентам существуют следующие основные виды пирометаллургических процессов: плавка, обжиг, конвертирование, дистилляция, рафинирование.

Обжиг характерен тем, что исходный материал сохраняет твёрдое состояние при одновременном изменении химического состава и укрупнении частиц. Данный процесс проводят в печах кипящего слоя, многоподовых печах, трубчатых печах и на агломерационных машинах, а также в муфельных печах.

Плавка - это процесс полного расплавления шихты и последующим разделением полученного расплава на 2 слоя (металл и штейн или же металл и шлак). Этот технологический процесс проводят в шахтных печах, отражательных печах, электропечах, циклонных камерах и некоторых других агрегатах. К обособленной группе плавок относят металлотермические процессы, которые используют реакцию восстановления необходимых металлов химически более активными металлами.

Конвертирование, которое многие считают разновидностью плавки, - это процесс продувки кислородом или воздухом расплавленных материалов с последующей присадкой флюсов и использованием небольшого количества сырья. Этот процесс использует тепло экзотермических реакций и происходит в конвертерах.

Рафинирование -- процесс обработки расплавленных металлов с использованием различных присадок (щелочей, солей, металлов), с помощью окисления примесей, наведения специальных шлаков, вакуумирования расплава и т.д. Рафинирование проводят в отражательных печах, котлах.

Дистилляция - это перевод необходимого для восстановления металла в парообразное состояние, после чего производится его конденсация. Этот процесс проводят в ретортных печах, шахтных печах, печах с кипящим слоем.

Электрометаллургия-область металлургии, охватывающая промышленные способы получения металлов и сплавов с помощью электрического тока. В Э. применяются электротермические и электрохимические процессы. Электротермические процессы используются для извлечения металлов из руд и концентратов, производства и рафинирования чёрных и цветных металлов и сплавов на их основе.В этих процессах электрическая энергия является источником технологического тепла. Электрохимические процессы распространены в производстве чёрных и цветных металлов на основе Электролиза водных растворов и расплавленных сред.Здесь за счёт электрической энергии осуществляются окислительно-восстановительные реакции на границах раздела фаз при прохождении тока через электролиты. Особое место в этих процессах занимает Гальванотехника, в основе которой лежат электрохимические процессы осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий. Электротермические процессы охватывают плавку стали в дуговых и индукционных печах спецэлектрометаллургию, рудовосстановительную плавку, включающую производство ферросплавов (См. Ферросплавы) и Штейнов, выплавку чугуна в шахтных электропечах, получение никеля, олова и других металлов.

Виды процессов.

В электрометаллургии используются электротермические и электрохимические процессы. Электротермические процессы используются для выделения металлов из руд и концентратов, производства и рафинирования чёрных и цветных металлов и сплавов на их основе (Электротермия). В этих процессах электрическая энергия является источником технологического тепла. Электрохимические процессы распространены в производстве чёрных и цветных металлов на основе электролиза водных растворов и расплавленных сред (Электрохимия). За счёт электрической энергии осуществляется окислительно-восстановительные реакции на границах раздела фаз при прохождении тока через электролиты. Особое место в этих процессах занимает гальванотехника, в основе которой лежат электрохимические процессы оседания металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий.

Электрохимические процессы охватывают плавку стали в дуговых и индукционных печах, спец электрометаллургию, рудо-восстанавливающую плавку, включающую производство ферросплавов и штейнов, выплавку чугуна в шахтных электропечах, получения никеля, олова и других металлов.

Электродуговая плавка

Электросталь, предназначенная для дальнейшего передела, выплавляется главным образом в дуговых печах с основной футеровкой. Важные преимущества этих печей перед другими сталеплавильными агрегатами (возможность нагрева металла до высоких температур за счёт электрической дуги, обновляемая атмосфера в печи, меньший угар легирующих элементов, высокоосновные шлаки, обеспечивающие существенное снижение содержания серы) обусловили их использование для производства легированных высококачественных сталей -- коррозионностойких, инструментальных (в том числе быстрорежущих), конструкционных, электротехнических, жаропрочных и т. д., а также сплавов на никелевой основе.

Мировая тенденция развития электродуговой плавки -- увеличение ёмкости отдельного агрегата до 200--400 тонн, удельной мощности трансформатора до 500-600 и более кВА/т, специализация агрегатов (в одних-только расплавление, в других -- рафинирование и легирование), высокий уровень автоматизации и использования ЭВМ для программного управления плавкой. В печах повышенной мощности экономически целесообразно плавить не только легированную, но и обычную углеродистую сталь. В развитых странах доля углеродистой стали от общего объёма электростали, выплавляемой в электропечах, составляет 50 % и более. В СССР в электропечах выплавлялось ~80 % легированного металла.

Для выплавки специальных сталей и сплавов приобретают распространение плазменно-дуговые печи с основным керамическим тиглем (ёмкостью до 30 т), оборудованные плазмотронами постоянного и переменного тока (Плазменная металлургия). Дуговые электропечи с кислотной футеровкой используют для плавки металла, предназначенного для стального литья. Кислотный процесс в целом более высокопродуктивный, чем основной, из-за кратковременности плавки, благодаря меньшей продолжительности окислительного и восстановительного периодов. Кислотная сталь дешевле основной вследствие меньшего расхода электроэнергии, электродов, лучшей стойкости футеровки, меньшим затратам окислителей и возможности осуществления кремне-восстанавливающего процесса. Дуговые печи ёмкостью до 100 тонн широко используются также для плавки чугуна в чугуноплавильных цехах.

Индукционная плавка

Плавка стали в индукционной печи, осуществляемая в основном методом переплавки, сводится, как правило, к расплавлению шихты, раскислению металла и отпуску. Это обуславливает высокие требования к шихтовым материалам с содержанием вредных примесей (P(фосфор), S(сера)). Выбор тигля (основной или кислый) обуславливается свойствами металла. Чтобы кремнезём футеровки не восстанавливались в процессе плавки, стали и сплавы с повышенным содержанием Mn(марганец), Ti(титан), Al(алюминий) выплавляют в основном тигле. Существенный недостаток индукционной плавки -- холодные шлаки, которые нагреваются только от металла. В ряде конструкций этот недостаток устраняется путём плазменного нагрева поверхности металл-шлак, что позволяет также значительно ускорить расплавление шихты. В вакуумных индукционных печах выплавляют чистые металлы, стали и сплавы соответствующего назначения (Вакуумная плавка). Ёмкость существующих печей составляет от нескольких килограмм до десятков тонн. Вакуумную индукционную плавку интенсифицируют продувкой инертными (Ar(аргон), Не(гелий)) и активными (CO(кобальт),CH4(метан)) газами, электромагнитным перемешиванием металла в тигле, продувкой металла шлакообразующими порошками.

Спецэлектрометаллургия

Спецэлектрометаллургия охватывает новые процессы плавки и рафинирования металлов и сплавов, которые получили развитие в 50--60-х гг. 20 столетия, для удовлетворения потребностей современной техники (космической, реактивной, атомной, химического машиностроения и др.) в конструкционных материалах с высокими механическими свойствами, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и т. д. Спец электрометаллургия включает вакуумную дуговую плавку, электроннолучевую плавку, электрошлаковую переплавку и плазменно-дуговую плавку. Этими методами переплавляют стали и сплавы ответственного назначения, тугоплавкие металлы -- вольфрам, молибден, ниобий и их сплавы, высокореакционные металлы -- титан, ванадий, цирконий, сплавы на их основе и др. Вакуумная дуговая плавка была предложена в 1905 году В. фон Больтоном (Германия); в промышленных масштабах этот метод впервые был использован для плавки титана В. Кроллом (США) в 1940 году. Метод электрошлакового переплава разработан в 1952--53 гг. в Институте электросварки им. Патона АН УССР. Для получения сталей и сплавов на никелевой основе особо ответственного назначения используют разные варианты дуплекс-процессов, наиважнейший из которых -- объединение вакуумной индукционной плавки и вакуумно-дуговой переплавки. Особое место в спецэлектрометаллургии занимает вакуумная гарнисажная плавка, в которой источниками тепла служат электрическая дуга, электронный луч, плазма. В этих печах, используемых для высокоактивных и тугоплавких металлов (W(вольфрам), Мо(молибден) и др. и сплавы на их основе), порция редкого металла в водоохлаждаемом тигле с гарнисажем используется для получения слитков и фасонных отливок.

Рудовосстанавливающая плавка

Рудовосстанавливающая плавка включает производство ферросплавов, продуктов цветной металлургии -- медных и никелевых штейнов, свинца, цинка, титановых шлаков и др. Процесс заключается в восстановлении природных руд и концентратов углеродом, кремнием и другими восстановителями при высоких температурах, которые создаются главным образом за счёт мощной электрической дуги. Восстанавливающие процессы обычно являются непрерывными. По мере проплавления подготовленную шихту загружают в ванну, а полученные продукты периодически выпускают из электропечи. Мощность таких печей достигает 100 МВА. На некоторых предприятиях на основе рудо восстанавливающей плавки производится чугун в электродоменных печах или электродуговых бес шахтных печах.

Электрохимические процессы получения металлов.

Г. Деви в 1807 впервые использовал электролиз для получения натрия и калия.

В конце 1970-х гг. методом электролиза были получены более 50 металлов, в частности медь, никель, алюминий, магний, калий, кальций. Различают 2 типа электролитических процессов. Первый связан с катодным оседанием металлов из растворов, полученных методами гидрометаллургии; в этом случае восстановлению (откладыванию) на катоде металла из раствора отвечает реакция электрохимического окисления аниона на нерастворимом аноде.

Второй тип процессов связан с электролитическим рафинированием металла из его сплава, из которого изготавливается растворимый анод. На первой стадии в результате электролитического растворения анода металл переводится в раствор, на второй стадии он оседает на катоде. Последовательность растворения металлов на аноде и осаждения на катоде определяется предел напряжения. Однако в реальных условиях потенциалы выделения металлов существенно зависят от величины перенапряжения водорода на соответствующем металле. В промышленных масштабах рафинируют цинк, марганец, никель, железо и другие металлы; алюминий, магний, калий и др. получают электролизом расплавленных солей при 700--1000 °C. Последний способ связан с бомльшим потреблением электроэнергии (15--20 тыс. кВт*час/т) в сравнении с электролизом водных растворов (до 10 тыс. кВт*час/т).

металлургический процесс плавка электрохимический

История

В начале 19 века В. В. Петров обнаружил возможность получения при помощи электрической дуги чистых металлов из их оксидов (руд). Этот процесс восстановления металлов лежит в основе современной электрометаллургии. Первые дуговые электрические печи для восстановления из руд были построены в конце 1870 годов. Но электропечи расходуют очень много электроэнергии, поэтому их промышленное применение началось только тогда, когда стали строить мощные электростанции и была решена проблема передачи электрической энергии на расстояние

Литература.

1)Черная металлургия www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0132402

2)Цветная металлургия www.dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/1348/%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F#sel=8:215,8:268

3)Гидрометаллургия- Химик.ру http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1049.html

4)Пирометаллургия- Химик.ру http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3357.html

5)Электрометаллургия www.dic.academic.ru/dic.nsf/bse/153582/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%83%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F

Размещено на Allbest.ru