Контрольная работа по "Общая металлургия"

22.1. ОБЩАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ  ЧАСТЬ 1 
Контрольная работа № 1

1. 1. Классификация металлургических  процессов

2. 1. Классификация металлургических  процессов 

Металлургические  процессы подразделяются на три основных категории:

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

Виды гидрометаллургии

Электролиз

Восстановление  металлов

Ионный обмен

Извлечение из растворов

Выщелачивание

Очистка 

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

Пирометаллургия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах. Это отрасль металлургии, связанная с получением и очищением металлов и металлических сплавов при высоких температурах, в отличие от гидрометаллургии, к которой относятся низкотемпературные процессы.

Пирометалургическими  процессами являются процессы агломерации  металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования  металлов. В частности, это — обжиг, доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах. Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др. 
 

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.

Электрометаллургия — Методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока. Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов – щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также производства легированных сталей.

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, спецэлектрометаллургию, рудовосстанавливающую 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.

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 кремневосстанавливающего 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, S). Выбор тигля (основной или кислый) обуславливается свойствами металла. Чтобы кремнезём футеровки не восстанавливались в процессе плавки, стали и сплавы с повышенным содержанием Mn, Ti, Al 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, Не) и активными (CO, CH4) 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. Спецэлектрометаллургия 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, Мо 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 (Рудотермическая печь). 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 рудовосстанавливающей плавки производится чугун в электродоменных печах или электродуговых бесшахтных 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 бо́льшим потреблением электроэнергии (15—20 тыс. кВт•час/т) в сравнении с электролизом водных растворов (до 10 тыс. кВт•час/т). 
 
 

3. 1. Виды дутья 

Дутье - подача воздуха под давлением в котельные, печные н др. производств. агрегаты (доменные, мартеновские и нагревательные печи, конвертеры, газогенераторы и др.). Для этой цели используются воздуходувные машины - вентиляторы, компрессоры. Различают Дутье:

  холодное - вдувается атмосферный воздух;

 горячее - воздух подогревается в воздухонагревателях;

 обогащённое кислородом и кислородное - интенсифицирует технологические процессы. Дутьем иногда называют также подаваемый в агрегат воздух.

аргонокислородное - кислород с добавками аргона;

газокислородное - кислородное дутье, в защитной оболочке природ газа);

кислородно-топливное - смесь кислорода с добавками топлива — угольной пыли, природ, или конвертиров. газа, мазута и др.;

 парокислородное -кислород с добавками пара.

 
 
Обогащение дутья кислородом интенсифицирует горение топлива в домен, печи и увеличивает ее произв-ть на 2,5-3,5 % на каждый дополнит. 1 % кислорода в дутье. Топливные добавки вдувают в домен, печь с целью замены ими кокса. Коэффициенты замены кокса топливными добавками зависят от их химического состава и содержания углерода в коксе, а также от условий плавки, при которых применяются топливные добавки, и от их расхода.  
 

4. 2. Продукты доменного производства

Продуктами  доменного производства являются чугун, шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Получающийся  в доменной печи чугун можно разделить  на три сорта: литейный, передельный  и специальный.

Литейный чугун - применяется для изготовления литых изделий: труб, радиаторов, водопроводной арматуры, станин, блоков, шестерен и т. п. Такой чугун в изломе имеет серый цвет; В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы. Марганец придает чугуну твердость и хрупкость. Кремний, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке. Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм. Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью. Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

 
Предельный чугун - предназначается для переработки в сталь. Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии. Поверхность излома чугуна имеет белый цвет. В зависимости от состава и способа переработки различают мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%, бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%, и томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

 
Специальный чугун - наряду с обычными элементами имеет повышенное содержание кремния, марганца и других элементов. Такие чугуны называются ферросплавами. Применяются они главным образом в виде добавок при производстве стали, а также для регулирования количества кремния и марганца в чугуне для отливок. 
Шлаки делятся на основные и кислые. Количество шлака составляет 0,5—0,7 т на 1 т чугуна. Основные гранулированные шлаки применяются для производства строительных материалов (цемента, шлакобетона и др.), кислые — для изготовления изоляционного материала (шлаковой ваты).

Доменный, или колошниковый газ используется в качестве топлива для отопления воздухонагревателей, паровых котлов, коксовых батарей и других агрегатов. Доменный газ в смеси с коксовым газом, который получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха на коксовых заводах, широко применяется для отопления мартеновских печей, печей прокатных цехов. 
Колошниковая пыль, улавливаемая в газоочистительных устройствах, поступает на агломерационные фабрики для спекания и вновь используется в качестве шихтового материала для доменной плавки. 

5. 2. Чем футерован конвертер в Бессемеровском процессе и почему? 

Бессемеровский  конвертер представляет собой сосуд  грушевидной формы, изготовляемый  из стального листа толщиной 15—25 мм и футерованный изнутри. Футеровка  конвертера кислая, ее выполняют из динасового кирпича, содержащего не менее 94,5% Si02. 
Кожух конвертера состоит из трех частей: нижней конической, средней цилиндрической и верхней шлемной с формой усеченного конуса. Сверху конвертер заканчивается отверстием — горловиной, служащей для заливки чугуна и выпуска готовой стали. 
Толщина футеровки стен конвертера равна 250—400 мм. Стойкость футеровки стен составляет 1300—2000 плавок. 
Наибольшее распространение получили набивные днища, состоящие из фурм, пространство между которыми набивают огнеупорной массой из кварцевого порошка с огнеупорной глиной. Фурму изготавливают из шамота, по форме она представляет собой усеченный конус. Для прохода воздуха в фурме предусмотрены цилиндрические отверстия — сопла (7—11 сопел) диаметром 12—15 мм.

Динасовый кирпич разъедается основными шлаками, поэтому в бессемеровском конвертере могут перерабатываться лишь кремнистые чугуны, дающие кислый шлак.

Динасовый кирпич более огнеупорен, чем шамотный. Динас приготовляется почти из одного молотого кварца, поэтому часто называется кварцевым кирпичом. Так же динасовый кирпич обладает высокой огнеупорностью (1650— 1750°). 
 

6. 2. Способы раскисления стали

Раскисление стали - это снижение содержания кислорода в стали до уровня, исключающего возможность окислительных реакций в слитке. Образующиеся при этом твёрдые, жидкие или газообразные продукты раскисления стали необходимо удалить до затвердевания слитка, так как они снижают качество стали. Содержание кислорода после раскисления стали снижается на порядок.

Стадии процесса раскисления:

- Растворение раскислителей в жидком металле.

- Реакции между кислородом и раскислителем.

- Образование зародышей, рост и выделение продуктов раскисления.  

Способы раскисления  стали:

1. Осаждающее раскисление;
2. Диффузионное раскисление;
3. Специальные способы раскисления (обработка синтетическими шлаками; раскисление в вакууме).

Осаждающее  раскисление

Такой способ раскисления, как осаждающее раскисление осуществляется при  помощи элементов, обладающих большим  сродством к кислороду, чем Fe. В зависимости от ситуации в качестве раскислителей применяют марганец, кремний, алюминий или комплексные раскислители.

Диффузионное  раскисление

Выражение "диффузионное" не вполне соответствует  существу процесса этого способа  раскисления. Более точный термин - "экстракционное раскисление". При диффузионном раскислении содержание кислорода снижается за счёт раскисления шлака. Раскислителями могут быть C, Si, Al. Основная задача - снижение FeO в шлаке, что усиливает диффузию кислорода из металла в шлак (правило распределения Нернста).

Этот  способ раскисления применяется  только в дуговых печах, где нет  горящих газов.

Обработка синтетическими шлаками (способ раскисления)

Широко  применяется в практике обработка  расплава железа синтетическими шлаками. В дуговой печи наводят шлак из Al2O3 и CaO; шлак заливают в ковш, туда же с высоты 3-6 м выливают струю металла из печи. Этот способ раскисления позволяет снизить содержание кислорода и серы.

Электрошлаковый переплав (способ раскисления)

Основная  цель электрошлакового переплава (ЭШП) - очистка стали от серы и неметаллических включений в процессе расплавления исходного материала в разогретой шлаковой ванне. Кроме того, за счёт затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе можно управлять структурой слитка.

Вакуумное раскисление

Вакуумное раскисление основывается главным  образом на реакции обезуглероживания, так как в вакууме раскислительная  способность углерода значительно  возрастает. 
 
 
 
 
 

7. 3. Реакции на электродах  при рафинировании  никеля 

Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового никеля отливают аноды и рафинируют электролитически. 

анод будет растворяться и переходить в раствор: Ni = Ni+2 + 2e- 
- на катоде ионы никеля будут восстанавливаться: Ni+2 + 2e- = Ni,

 т.е. реально  будет происходить перенос никеля  с анода на катод (электролитическое  рафинирование). 

8. 4. Руды алюминия 
 

К основным алюминиевым рудам можно отнести следующие горные породы: бокситы, нефелины, алуниты и каолины (глины). Кроме того, к числу алюминиевых руд принадлежат породы с высоким содержанием как глинозема, так и кремнезема (например, силлиманитовые руды, в частности, кианиты); из них электротермическим путем (как и из каолинов) могут быть выплавлены кремнеалюминиевые сплавы.

Главные алюминийсодержащие минералы 

    Главным сырьем для алюминиевой промышленности являются бокситы; однако 
ограниченность запасов высококачественных бокситов в отдельных странах привела к 
необходимости использования для получения алюминия также других видов сырья 
(апатит-нефелиновых, нефелиновых, алунитовых руд).

    Боксит - руда, состоящая в основном из гидроксидов алюминия (гиббсит, бёмит, диаспор), а также оксидов и гидроксидов железа и глинистых минералов, в которой отношение содержания оксида алюминия к содержанию оксида кремния (кремниевый модуль) не менее 2. Сопутствующие бокситам породы с кремниевым модулем менее 0,85 называют сиаллитами, а с модулем 0,85-2,0 - аллитами.

    Нефелиновые руды после бокситов являются вторым по промышленному значению источником глинозема, но в значительных количествах они используются лишь в России. Промышленная ценность нефелиновых пород определяется содержанием минерала нефелина. Состав нефелина: А1₂О₃ 29-35 %; SiO₂ 43-48 %; R₂O 17-20 %; Na₂O может на 10-20 % замещаться К₂О. В качестве примесей вероятно присутствие CaO, Ga2O5, V2O5, Fe2O3.

    Нефелинсодержащие породы образуют разных размеров штоки, дайки, а иногда и лакколиты в составе щелочных комплексов, связанных как с ультраосновной и основной, так и с кислой магмой. Преимущественными областями развития щелочных пород являются платформы и области завершенной складчатости.

    Промышленные месторождения алунитовых руд связаны с молодым вулканизмом и расположены в пределах подвижных зон земной коры - тихоокеанское побережье Азии с островными дугами, Австралии, Северной и Южной Америки; зона альпийского тектогенеза Евразии и северной Африки. Алунит, относящийся к группе основных двойных сульфатов алюминия и щелочных металлов, содержит 37 % А1₂О₃, 38,6 % SO₃ и 11,4 % щелочей, поэтому алунитовые руды используются как комплексное сырье для получения глинозема, калийных удобрений и серной кислоты.

    Все возрастающий спрос на алюминий и его сплавы вызывает необходимость вовлечения в сферу глиноземного производства новых видов сырья. К настоящему времени в мировой практике существует ряд примеров использования в экспериментальных условиях для производства алюминия глин с повышенным содержанием глинозема (США), лейцитовых (Италия) и андалузитовых (Швеция) пород, лабрадоритов (Норвегия), алунитов и алюмосланцев (Япония), угольной золы в сочетании с высокоглиноземистыми глинами (ФРГ). Стоимость глинозема во всех этих случаях в 4-5 раз превышает стоимость глинозема из высокосортных бокситов. 
 

9. 3. Основные стадии переработки файнштейна на огневой никель 

Технология  получения огневого никеля из файнштейна включает стадии окислительного обжига (с промежуточным обезмеживанием огарка) и восстановительную плавку закиси никеля на металл.

Цель  окислительного обжига файнштейна—удаление из него серы до содержания не выше 0,02 % и перевод никеля в NiO.

Глубокое  удаление серы требует высоких температур, а сульфид никеля Ni₃S₂ легкоплавок (Т_ПЛ=788°С). Это вынуждает проводить окисление файнштейна в две стадии. Вначале обжиг проводят в печах КС с целью удаления серы до 1 —1,5 %. Для повышения тугоплавкости шихты измельченный файнштейн смешивают с оборотной пылью. Это вместе с разобщенностью частиц, витающих в кипящем слое, позволяет вести первую стадию при 950—1000 °С. Окисление файнштейна протекает по реакции

2Ni3S2 + 7О2 = 6NiO + 4SO2,.  

К горячему огарку (700—800 °С) по выходе из печи подмешивают 10—15 % природного сильвинита (NaCl, КС1) и  смесь подвергают сульфатхлорирующему  обжигу в трубчатом реакторе-холодильнике. Процесс идет за счет физического тепла дгарка. При, обжиге хлористый натрий разлагается по реакции

2NaCl + SO₂ + О₂ = Na₂SO₄ + Cl₂

Продукты  этой реакции способствуют переводу меди в форму водорастворимых  хлоридов и сульфатов. Никель и кобальт при этом остаются в оксидном состоянии.

Из реактора огарок направляют на обезмеживание, заключающееся в выщелачивании меди горячей подкисленной водой методом   просачивания. После выщелачивания огарок с остаточным содержанием 0,3—0,4 % Сu направляют на окончательный обжиг в трубчатую вращающуюся печь. Печь отапливается природным газом или мазутом, которые с целью создания в печи окислительной атмосферы сжигают с большим избытком воздуха.

Огарок  из бункера питателем подается в хвостовую часть печи с температурой около 800°С. Далее он движется навстречу топочным газам, содержащим 8—10% кислорода и нагретым до 1200— 1300 °С. Высокая температура и присутствие в газах кислорода приводит к почти полному окислению серы (до 0,02 % и менее). Расход топлива на второй обжиг достигает 40 % от массы огарка. Полученная в трубчатых печах закись никеля в среднем содержит, % : 78 Ni; 0,4 Сu; 0,4—0,5 Со; 0,3—0,4 Fe.

Из обжиговой  печи закись никеля с температурой 900— 1000°С по течке ссыпается в  трубчатый реактор, куда вводят также 4—8 % нефтяного кокса. За счет физического тепла огарка в холодильнике по реакции