Способы металлургии черных металлов

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl₂

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl₂

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe₂O₃ + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al₂O₃ + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO₃) произойдет химическая реакция:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO₄) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO₂ + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO₂

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃·MgCO₃). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Общая характеристика технологии черных металлов

Производство черных и цветных металлов

В настоящее время основным является двухстадийная схема производства стали — выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь.

Продукцией черной металлургии являются чугуны (передельный и литейный), ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния и других элементов), и стальные слитки для произ­водства сортового проката и поковок крупных деталей машин.

Производство цветных металлов отличается большим разнообразием технологических процессов выплавки и определяется особенностями состава их руд.

Продукцией цветной металлургии являются как чистые металлы, так и их сплавы, а также слитки для производства сортового проката.

Материалы для производства металлов

Для производства металлов используют руды, флюсы, топливо, огне­упорные материалы.,

1. Рудой называют горные породы, содержащие металлы в количест- вах, обеспечивающих экономную их переработку. Так, например, желез- ные руды содержат 30—60 % металла. Содержание цветных металлов в рудах в лучшем случае составляет 2—5 %, а многих — доли процента (молибдена, например, до 0,02 %).

Руда состоит из минералов, содержащих металл в виде оксидов, суль­фидов, карбонатов и пустой породы (в основном кремнезема 8Ю2, глино­зема А1208), в составе которой находятся также примеси серы, фосфора, мышьяка и др.

2. Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак — лег- коплавкое соединение с пустой породой руды, золой топлива и другими неметаллическими включениями. Обычно шлак обладает меньшей плот- ностью, чем выплавляемый металл, поэтому он располагается над ним и может быть слит в процессе плавки.

При выплавке черных и некоторых цветных металлов в качестве флюсов используют кварцевый песок, состоящий в основном из 5Ю2, известняк СаС03, и другие соединения кальция или магния.

3. Топливом в металлургических процессах служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут.

Кокс получают путем сухой перегонки коксующихся каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000—1100 °С. При такой обработке из угля извлекаются и ценные побочные продукты: бензол, фенолы, а так­же улавливается коксовый газ.

Природный газ состоит в основном из метана СН4.

Доменный газ является — побочным продуктом при выплавке чугуна в доменной печи, содержит значительное количество горючих составляю­щих (до 32 % СО, до 4 % Н2).

Мазут — тяжелый остаток перегонки нефти, содержит до 88 % С, 10—12 % Н$ и небольшое количество кислорода и серы.

4. Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) плавильных печей и другого оборудования, находящегося йод действием высоких температур и расплавленных металлов и шлаков.

По химическому составу огнеупорные материалы подразделяют на кислые, основные и нейтральные.

Способы получения металлов из руд

Для получения металлов применяют следующие основные способы.

1. Пирометаллургический — один из самых древних способов получе­ния металлов, основанный на том, что необходимое для осуществления процесса выплавки металла тепло обеспечивается сжиганием топлива. Этот способ является пока основным для получения железа и его сплавов, меди и других металлов.

2. Электрометаллургический способ получения металлов осуществля­ется в дуговых, индукционных и других электрических печах или электро­лизом из расплавов и водных растворов химических соединений (на­пример, получение алюминия из глинозема А1208).

3. Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании ме­таллов из руд различными растворителями и в последующем выделении их из раствора. Выщелачивание может осуществляться как на поверх­ности земли, так и под землей с помощью системы скважин. Этот способ широко применяется для получения, например, меди, а в последнее вре­мя — урана и некоторых других металлов.

4. Химико-металлургический способ объединяет химические и пиро-металлургические процессы, например титан получают путем восстанов­ления тетрахлорида Т1С14 магнием и последующей плавкой в электроду­говых печах.

Наряду с рассмотренными в последнее время для получения деталей и металлов весьма широкое применение получает способ порошковой металлургии.

. Материалы, применяемые для производства чугуна

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургический способом в доменных печах, используя для этого твердое топливо — кокс и флюсы.

1. Железные руды содержат железо в виде оксидов, гидратов оксидов, карбонатов. Пустой породой в железных рудах обычно является кварцит или песчаник, глинистые вещества.

К основным железным рудам относятся:

магнитный железняк, содержит до 65 % железа в виде оксида Ре304. (Соколовское и Сарбайское месторождения, КМА — Курская магнитная аномалия и др.);

красный железняк, содержит до 60 % железа в виде оксида Ре203 (Криворожское и Атасуйское месторождения, КМА и др.);

бурый железняк, содержит до 55 % железа в виде гидратов оксидов пРе203 • тН20 (Керченское, Лисаковское, Аятское и др. месторождения);

шпатовый железняк, содержит до 40 % железа в виде углекислой соли РеС03 (Бакальское, Криворожское месторождения).

Более 48 % разведанных мировых запасов железных руд находятся в Советском Союзе.

в процессе выплавки чугуна выполняет роль не только горючего, но и восстановителя железа из руды. Этим требованиям удов­летворяет твердое топливо — кокс.

при выплавке чугуна в доменной печи служат известняк СаС03 или доломитизированный известняк, состоящий из СаСОэ иЭДцС03. Их назначение — перевод пустой породы (в основном ЗЮ2 и А1203) в шлак, а также связывание и удаление находящейся в топливе и руде серы.

Основы технологии черных металлов

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получения стали используют также металлолом. В последние годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах высокотемпературной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаС03) необходим для перевода в расплавленное состояние пустой породы (состоящей в основном из Si02 и А1203), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь силикатов и алюминатов кальция, близкую по составу к портландцементу.

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. Полезный объем печи — 2000…3000 м3, а суточная производительность — 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) сверху через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до С02. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун 9 стекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строительных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполнителя для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты и др.

Чугун главным образом (около 80 ) идет для производства стали, остальная часть чугуна используется для получения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образуется и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали. Сталь получают из чугуна и железного металлолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах или электрических печах.

Рис. 7.1. Схема доменной печи: 1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2 — расплавленный шлак; 3 — загрузочное устройство; 4 — газоотводная труба; 5 — капли расплавленного чугуна; 6 — капли шлакового расплава; 7 — фурма для подачи воздуха; 8 — летка для выпуска расплавленного шлака; 9 — жидкий чугун

Выплавка стали — сложный процесс, складывающийся из целого ряда химических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки — полуфабрикат, из которого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. При обработке металла давлением практически нет отходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Наиболее распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 получаемой стали.

При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката — сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка — обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка — разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. ]J Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

Читать далее: Цветные металлы и сплавы Коррозия металлов и способы защиты от нее Соединение стальных конструкций Стальная арматура Стальной прокат и стальные конструкции Термическая обработка стали Углеродистые и легированные стали Свойства сталей Строение и свойства железоуглеродистых сплавов Общие сведения о металлах и сплавах

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что