Производство черных и цветных металлов

18.4.1 Получение чугуна

Исходными материалами для получения чугуна служат железные руды, топливо и флюсы. В железных рудах основной составляющей частью явля­ются оксиды железа. Кроме них руды содержат пустую породу, состоящую из других оксидов металлов, а также неметаллических включений – глино­зема, известняка, песка.

Для выплавки чугуна применяют магнитный железняк Fe₃O₄ с содержа­нием железа до 70 %, красный железняк Fe₂O₃ с содержанием железа 50–60 %, бурый железняк Fе₂Оз Н₂О c содержанием железа около 30 % ∙ и шпатовый железняк с содержанием железа до 30–40 % в виде FeCO₃.

Топливом служит кокс, получаемый сухой перегонкой (без доступа воз­духа) отдельных видов каменных углей. Он же является восстановителем железа.

В качестве флюсов (плавней) применяются известняк, доломит, кварце­вый песок. Их назначение – понизить температуру плавления пустой поро­ды и для перевода ее и золы топлива в шлак.

Восстановление железа из оксидов и отделение руды от пустой породы выполняется в доменной печи (рисунок 18.10)

Рисунок18.10 – Схема доменной печи: 1 – жидкий чугун; 2 – чугунная летка; 3 – жидкий шлак; 4 – шлаковая летка; 5 – желоб для выпуска чугуна; 6 – фурмы; 7 – желоб для выпуска шлака; 8 – топливо; 9 – руда; 10 – флюс; 11 – капли чугуна; 12 – капли шлака

Руду, флюс и топливо загружают сверху чередующимися слоями. Снизу через фурмы подается нагретый до 600–900 °С воздух.

Топливо горит в верхней части горна. Образующийся оксид углерода восстанавливает железо по схеме:

3Fe₂O₃ + СО ® 2Fe₃O₄ + СО₂;

Fe₃O₄ + СО ® 3FeO + СО₂;

FeO + СО ® Fe + СО₂.

После восстановления железа образуется карбид железа (цементит)

3Fe + 2СО ® Fe₃C + СО₂.

При температуре выше 900 °С происходит науглероживание железа, выше 1147 °С образуется жидкий чугун и плавится пустая порода с флю­сом, а затем и с золой кокса, и образуется шлак. Они собираются в нижней части горна, чугун – внизу, шлак, как более легкий, - над чугуном. Перио­дически чугун и шлак выпускаются через летки. На 1 т чугуна получается 0,6 т шлака. Он используется при изготовлении портландцементов, шлако-щелочных вяжущих, щебня и пр.

Чугуны подразделяются на литейные, применяемые для труб, санитар-ных деталей; передельные, используемые для производства ста­ли; специальные – сплавы железа с марганцем (ферромарганец), с кремнием (ферросилиций) и другими, которые служат раскислителями или легирую­щими добавками при получении стали.

Получение стали

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2,14 %) и других примесей. Она имеет более высокую пластичность, лучше обраба­тывается. Получение стали из чугуна заключается в уменьшении примесей до допускаемого количества. Основными примесями в стали являются сера, фосфор, марганец, кремний.

В обычной стали содержание серы допускается до 0,04–0,06 %. Это вредная примесь. При повышенном ее содержании сталь становится крас­ноломкой.

Содержание фосфора в стали составляет 0,04–0,085 %. Это также вред­ная примесь, которая увеличивает хрупкость стали, особенно при низких температурах.

Содержание марганца в стали обычно составляет 0,3–0,8 %. Он вводится как раскислитель, повышает прокаливаемость стали и ослабляет вредное действие серы.

Содержание кремния в обычной стали не превышает 0,3–0,4 %. Он явля- ется раскислителем, повышает плотность слитка.

Основными способами производства стали являются конверторный мартеновский и электроплавка.

Конверторныйспособ получения стали заключается в продувке воздухе или кислорода через расплавленный чугун. Процесс осуществляется в специальных печах – конверторах. Различают кислый (бессемеровский), основной (томасовский) и кислородно-конверторный способы. Первые два имеют ограниченное применение из-за низкого качества стали. Основным способом является кислородно-конверторный, при котором окисление чугуна осуществляется технически чистым кислородом. Схема кислородного конвертора приведена на рисунке 18.11.

Материалами для получения стали слу­жат расплавленный чугун, лом, окисли­тели.

Перед загрузкой конвертор нак-лоняют, загружают лом, затем заливают чугун. Да­лее конвертор ставят в вер-тикальное поло­жение, опускают фурму и начинают про­дувать кислород. Одно-временно загружа­ют известь, железную руду и флюсы (бок­сит, плавиковый шпат).

В начале процесса кислород окисляет железо, образуя оксид железа, который начинает реагировать с кремнием, марган­цем, фосфором и углеродом:

2Fe + О₂ = 2FeО + Q;

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂ + Qi;

FeO + Mn = Fe + MnO + Q₂;

5FeO + 2P = 5Fe + P₂O₅ + Q₃;

FeO + С = Fe + CO - Q.

После окисления углерода снова начинает окисляться железо. В металле содержится незначительное количество углерода и много оксида железа. Такой металл красноломкий, непригоден по механическим свойствам. По­этому после прекращения дутья в конвертор вводят раскислители: марга­нец, кремний в виде ферросплавов и алюминий в чистом виде.

SiO₂ и МпО уходят в шлак, а СО частично сгорает и удаляется с пламе­нем.

После окончания продувки конвертор поворачивают в горизонтальное положение, и сталь выпускают в ковш.

По степени раскисленности стали разделяют на кипящие, полуспокой­ные и спокойные. Кипящие стали раскисляют ферромарганцем. В них час­тично остается растворенный FeO и при кристаллизации продолжается про­цесс кипения по реакции

FeO + С = Fe + СО.

Сталь содержит в своем составе пузыри. Ее стоимость самая низкая.

Спокойную сталь раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алю­минием. В металле нет FeO. Кипение прекращается, сталь «ускоряется». Это наиболее дорогая сталь.

Полуспокойную сталь раскисляют ферромарганцем и в меньшем коли­честве ферросилицием. Она занимает среднее положение между кипящей и спокойной.

После раскисления сталь разливают в изложницы для получения сталь­ных слитков.

Мартеновский способ выплавки стали осуществляется на поду марте­новской печи (рисунок 18.12).

Рисунок 18.12 – Схема мартеновской печи: 1 – газовые регенераторы; 2 – воздушные реге­нераторы; 3, 4 – воздушные и газовые вертикальные каналы; 5 – головки; 6 – рабочее пространство печи; 7 – подина печи; 8 – свод; 9 – рабочие окна; 10 – насадка регенератора; 11 – борова

Мартеновская печь является пламенной печью, в рабочем пространстве которой сжигается газообразное или жидкое топливо. Высокая температура создается за счет регенерации тепла отходящих газов. Сырьем служат стальной лом, флюсы и чугун, которые последовательно загружают в печь. Образующийся FeO вступает во взаимодействие с вредными примесями и переводит их в шлак. Шлак всплывает и находится на поверхности стали. Окисляясь, FeO переходит в железо.

Мартеновским способом получают высококачественные стали необхо­димого состава. Их применяют для изготовления мостов, ферм, рельсов.

Электроплавкаосуществляется в дуговых и индукционных печах. Наи­более распространены электродуговые печи вместимостью от 0,5 до 360 т (рисунок 18.13). Тепло образуется электрической дугой, возбуждаемой графи­товыми электродами и металлической шихтой.

Рисунок 18.13 – Схема дуговой электропечи: 1 – понижающий трансформатор; 2 – токоподводящие кабели; 3 – гидравлический привод для наклона печи;

4, 5 – опора сектора и сектор для наклона печи; 6 – подина печи;

7 – желоб для выпуска металла; 8 – свод печи; 9 – электроды;

10 – механизм для подъема и опускания электродов

В электропечах получают стали заданного химического состава. Это вы­сококачественные конструкционные, инструментальные, коррозионностойкие, жаростойкие и другие специальные стали. Однако стоимость их выше конверторной и мартеновской. Выплавленную сталь выпускают в ковш, представляющий металлический сосуд (рисунок 18.14), выложенный изнутри огнеупорным материалом, из которого затем разливают в металлические формы (изложницы), где она затвердевает и образует слитки массой от 10 кг до 300 т. Крупные слитки разливают сверху (рисунок 18.15), мелкие –сифоном снизу (рисунок 18.16).

Рисунок 18.14 – Сталеразливочный ковш: 1 – кожух; 2 – футеровка ковша; 3 – стопор; 4 –огнеупорная пробка; 5 – стакан с отверстием для выпуска стали; 6 – рычажный механизм стопора

Рисунок 18.16 – Схема разливки стали сифоном: 1– ковш; 2 – футерованная центровая проводка; 3 – футерованная прибыльная надставка; 4 – изложница; 5 – башмак; 6 – каналы сифонных проводок; 7 – поддон

Рисунок 18.15 – Схема разливки стали сверху: 1– ковш; 2 – промежуточная воронка; 3 – футерованная прибыльная надставка; 4 – изложница

При затвердевании объем стали уменьшается на 3 %. Образуются рако­вины и усадочная пористость. В спокойной стали все пустоты из слитка должны быть выведены в его прибыльную часть, составляющую 12–20 %, которая затем отрезается и идет в переплав.

Наиболее прогрессивным является непрерывный способ разливки стали (рисунок 18.17). Сталь поступает в кристаллизатор, где затвердевает в виде одного непрерывного слитка необходимого профиля и неограниченной длины. Затем его разрезают на мерные длины и используют при производ­стве листа и сортового проката.

Рисунок 18.17 – Схема непрерывной разливки стали: 1 – сталеразливочный

ковш; 2 – промежуточный ковш; 3 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 – зона

вторичного охлаждения; 5 - тянущие валки; 6 — ацетилено-кислородный резак

Непрерывное литье сокращает отходы, повышает производительность труда, улучшает качество металла.

18.4.3 Получение меди

Сырьем для выплавки меди служат сульфидные руды – медный колче­дан или халькопирит Cu₂S и другие с содержанием меди 1–2 %. Медь полу­чают чаще всего пирометаллургическим способом, который включает обо­гащение руд для получения концентрата, его обжига, плавку на медный штейн, получение черновой меди и ее рафинирование. Обогащение осуще­ствляют флотацией, после чего медный концентрат содержит до 30 % меди. Затем его обжигают для частичного удаления серы (до 50 %) и получают огарок. Плавка на штейн производится в пламенных отражательных или

электропечах при температуре до 1600 °С, затем штейн заливают в конвер­тор (рисунок 18.18) и перерабатывают в черновую медь. Для шлакования ок­сидов железа на поверхность штейна загружают кварцевый песок. Затем производят продувку воздухом в два периода.

Рисунок 18.18 –Медеплавильный конвертор: 1 – фурмы воздушного дутья;

2 – футеровочный корпус; 3 – зубчатая передача; 4 – обод;

5 – горловина для заливки штейна; 6 – отверстие для загрузки флюса;

7 – воздухопровод; 8–опорные ролики; 9 – электродвигатель с редуктором

В первый период сульфиды железа окисляются кислородом воздуха. FeO, взаимодействуя с SiO₂, переходит в шлак, a SO₂ направляется на изго­товление серной кислоты:

2FeS + ЗО₂ = 2FeO + 2SO₂ + Q;

2FeO + SiO₂ = SiO₂ ∙ 2FeO + Q.

Шлак направляют на повторную переработку для извлечения меди. Ос­тавшийся штейн белого цвета продувают вторично воздухом и получают черновую медь:

2Cu₂S + ЗО₂ = 2Cu₂O + 2SO₂;

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂.

Она содержит в своем составе до 2 % железа, серы, цинка, никеля, свин­ца, алюминия и других примесей. Ее рафинируют огневым и электролити­ческим способами. Огневое рафинирование черновой меди осуществляется в пламенных 400-тонных печах, где ее расплавляют и продувают воздухом. В результате чего образуется 4Сu + О₂ = 2Сu₂О, который окисляет примеси Al, Si, Mn, Zn, Fe, Ni и др. Не окисляются только золото и серебро. После скачивания шлака медь раскисляют, перемешивая природным газом. Это происходит по реакции

4Сu₂О + СН₄ = 8Сu + СО₂ + 2Н₂О.

Расплав с содержанием 99,5–99,7 % меди разливают в слитки или анод­ные пластины для электролитического рафинирования.

Электролиз осуществляют в ваннах. Электролитом является 15%-ный раствор медного купороса (CuSO₄ · 5Н₂О) и серной кислоты (H₂SO₄). В электролит погружают анодные пластины из черновой меди и катоды, изго­товленные из чистой электролитической меди. Их подвешивают на анодной и катодной шинах и включают постоянный ток. Металл анодов растворяет­ся и переходит в раствор, а на катодах выделяется металлическая медь чис­тотой 99,98 %. Ее переплавляют в слитки, из которых получают лист, про­волоку, трубы, используют для выплавки латуней и бронз.

Получение алюминия

Алюминий производят из руд, богатых глиноземом. Чаще всего исполь­зуют бокситы. Состав их следующий, %: AI₂O₃ – 40–60, Fe₂О₃ – 15–30, SiO₂– 5–15, TiO₂ – 2–4 и гидратная вода – 10–15. Процесс получения алю­миния включает три этапа: извлечение глинозема из руды, электролиз рас­плавленного глинозема и получение первичного алюминия, его рафиниро­вание.

Глинозем извлекают мокрым или сухим способами. При мокром – бок­ситы дробят, измельчают в шаровых мельницах, а затем выдерживают в автоклавах 2–3 часа с концентрированной щелочью при температуре 150–250 °С и давлении до 3 МПа. Происходит взаимодействие между гли­ноземом и щелочью:

А1₂О₃ + ЗН₂О + 2NaOH = Na₂O × А1₂О₃ + 4 Н₂О.

Раствор алюмината натрия в виде пульпы, после фильтрации и разбав­ления водой, выдерживается в отстойнике, в котором выпадает в осадок гидроксид алюминия,

Na₂O ∙ А1₂О₃ + 4 Н₂О = 2NaOH + 2А1(ОН)₃¯,

который фильтруют, прокаливают при температуре 1200-1300 °С во вра­щающихся печах и получают глинозем:

2А1(ОН)₃ = А1₂О₃ + 3Н₂О.

При сухом способе смесь боксита, соды и известняка спекают во вра­щающихся печах при температуре 1200 °С. Образуется спек с водораство­римым алюминатом натрия

А1₂О₃ + Na₂ CO₃ = Na₂O · А1₂О₃ + СО₂

и нерастворимый в воде силикат кальция CaO · SiO₂, в образовании которо­го участвует известь.

Алюминат натрия извлекают из спека горячей водой и продувают газо­образным СО₂:

Na₂O ∙ А1₂О₃ + 3Н₂О + СО₂ = 2А1(ОН)₃ + Na₂ CO₃.

Осадок промывают, прокаливают и затем получают глинозем, как при мокром способе.

Глинозем растворяют в расплавленном криолите Na₃AlF₆, из которого электролизом получают алюминий. Процесс осуществляется в алюминие­вой ванне-электролизере (рисунок18.19). Внутренняя поверхность ванны облицована угольными блоками, которые являются катодом. Анодами слу­жат угольные электроды, погруженные в расплав.

Рисунок 18.19 – Схема электролизера для производства алюминия:

1 – катодные угольные блоки; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – стальной кожух;

4 – угольные плиты; 5 – жидкий алюминий; 6 – металлические стержни с шинами;

7 – угольный анод; 8 – глинозем; 9 – жидкий электролит; 10 – корка затвердевшего

электролита; 11 – катодная токоподводящая шина; 12 – фундамент

При температуре 930–950 °С глинозем электролита диссоциирует на ионы:

А1₂О₃ ® 2 А1³⁺ + 3О^2-

На поверхности угольной подины, которая служит катодом, ионы вос­станавливаются до металла:

2А1³⁺ + 6е = 2А1.

По мере накопления жидкий алюминий периодически удаляется.

Очистка алюминия от примесей А1₂О_з, Fe, Si, С, Н₂ и др. осуществляется чаще всего электролитическим рафинированием, где электролитом являют­ся безводные хлористые и фтористые соли. Получают алюминий чистотой 99,996 %.

Получение магния

Магний получают из магнезита MgCО₃, доломита MgCО₃ · СаСО₃, кар­наллита MgCl₂ ∙ КС1 · 6Н₂О двумя способами – электролитическим и тер­мическим. Наиболее распространенным является электролитический. Ис­ходным сырьем в этом случае служит обезвоженный хлорид магния или обезвоженный карналлит. Хлорид магния получают обжигом магнезита и хлорированием оксида магния:

MgCO₃ = MgO + СО₂;

MgO + Cl₂ + С = MgCl₂ + CO.

Электролиз расплавленного хлорида магния MgCl₂ осуществляют в электролизерах. Аноды изготавливают из графита, катоды – из стали. После электролиза для удаления примесей его подвергают рафинированию.

Магний применяют для раскисления и обессеривания некоторых метал­лов и сплавов, для производства сверхлегких сплавов.

18.5 ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Металлические изделия изготавливают методами литья, давлением, с применением сварки и пайки. Для улучшения свойств металл подвергают термической обработке.

Получение изделий литьем

Литьем называется способ получения заготовки или изделий (отливок) за­полнением форм заданной конфигурации жидким металлом. Отливки изготав­ливают литьем в обычные песчаные формы и специальными способами.

Литейные формы изготавливают из формовочных и стержневых смесей, состоящих из кварцевого песка, являющегося огнеупорной основой, и свя­зующих: глины, жидкого стекла, полимеров. В литейные формы из вагра-нок, электропечей или раздаточных ковшей заливают расплав.

Специальными способами литья получают изделия высокой точности с лучшим качеством поверхности. Это литье в кокиль, когда литейная форма изготавливается из металла (чугун, алюминиевые и другие сплавы), литье под давлением, литье в керамические формы.

Для строительства отливают из чугуна тюбинги. трубы, опорные части колонн, архитектурно-художественные детали.