Металлургия в химии что это

Химические основы металлургии

Специфические свойства металлов. Сущность термина «цветные металлы». Руды и способы их переработки. Классификация чёрных металлов по химическому составу. Производство чугуна, стали. Процесс шлакообразования. Пирометаллургический способ получения меди.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

металл руда сталь чугун

— способностью к взаимному растворению и образованию многочисленных сплавов разнообразного состава;

— комплексом ценных механических, химических и физических свойств, в том числе тепловых, электрических и магнитных;

— возможностью фазовых превращений при изменении температуры и существование в нескольких полиморфных модификациях с различными структурой и свойствами;

— способностью деформироваться в холодном и горячем состоянии без нарушения сплошности материала.

Металлы составляют большую часть всех элементов в таблице Менделеева. В технике они классифицируются по иным признакам, чем в таблице Менделеева. До настоящего времени не разработана строго научно обоснованная классификация металлов. В практике получили применение исторически сложившиеся классификации, базирующиеся на таких признаках металлов, как их распространенность в природе, применимость, физических и частично химических свойствах.

Сырьем для производства чугуна служат железные руды, подразделяющиеся на четыре группы:

Руды магнитной окиси железа или магнитные железняки, содержат 50-70% железа и состоят в основном из минерала магнетита Fе₃О4. Руды магнитной окиси железа трудно восстановимы.

Руды безводной окиси железа (красный железняк) содержат 50-70% железа в виде минерала гематита Fе₂О₃. Красные железняки восстанавливаются легче, чем магнитные железняки и обычно содержат малые количества фосфора и серы

Руды углекислой соли железа или шпатовые железняки, содержат 30-37% железа в виде минерала сидерита FеСО₃.

Подготовка железной руды к доменной плавке обычно включает процессы дробления, грохочения, сортировки по крупности, усреднения, обогащения. Подготовленная железная руда загружается в доменную печь вместе с углеродсодержащим материалом (коксом) и флюсом.

В н. в около 99% чугуна выплавляется на коксе. Кокс должен быть прочным, пористым и содержать ограниченное количество примесей.

Сгорая в горне доменной печи за счет кислорода дутья, кокс образует газ с высоким содержанием окиси углерода, являющейся восстановителем окислов железа. При сгорании кокса в доменной печи создаются высокие температуры, обеспечивающие необходимые физико-химические процессы и образование продуктов плавки. Флюсы загружают в доменную печь для образования с пустой породой руды и золой кокса легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака, состоящего из силикатов и алюминатов кальция и магния. В качестве флюсов используют не содержащие серы и фосфора карбонат кальция и доломит СаСО₃ * М§СО_3.

Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения. Железная руда, кокс и флюсы подаются в печь сверху при помощи наклонного подъемника. Образовавшиеся в процессе доменной плавки чугун и шлак, периодически выводятся из горна раздельно через соответствующие летки. Воздух поступает в печь через фурмы, расположенные в фурменной зоне горна. В этой зоне печи создается окислительная атмосфера, и углерод кокса сгорает по реакции:

Образовавшаяся двуокись углерода далее восстанавливается углеродом раскаленного кокса до окиси углерода

Образующийся в горне газ поднимается в верх печи, отдавая тепло шихтовым материалам и взаимодействуя с ними как восстановитель. Наивысшая температура в доменной печи достигает 1800 0 С. По мере опускания шихты от колошника в более горячую зону доменной печи происходят следующие процессы: разложение компонентов шихты, восстановление оксидов железа и других соединений, образование чугуна (обуглероживание железа), шлакообразование и плавление.

Восстановление возможно, если прочность связи кислорода с восстановителем больше, чем с металлом.

Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по реакциям:

Шлакообразование происходит одновременно с восстановлением железа из его окислов. Процесс шлакообразования влияет на состав и качество чугуна и на работу печи в целом. Температура плавления смеси пустой породы и флюсов должна быть 1250-1350 0 С. Для достижения этой температуры необходимо иметь определенное соотношение СаО, МgО, А1₂О₃ и SiO₂ в шихте. Плотность расплавленного шлака меньше, чем чугуна, поэтому он накапливается в горне над расплавленным чугуном. Для предупреждения перехода FеО в шлак необходимо повышать основность шлака (избыток СаО). Повышенная основность шлака необходима также и для удаления серы, фосфора из металла.

Чугун делится по применению на литейный, передельный и специальный.

Литейный чугун предназначен для изготовления чугунных изделий методом литья. Он содержит 2-4% кремния и 0.3% фосфора. Чугуны, содержащие никель, ванадий, хром, называются легированными и применяют для специального литья.

Передел чугуна в сталь заключается в уменьшении количества углерода путем его окисления, в возможно более полном удалении серы и фосфора и в доведении в стали до нужных пределов содержания кремния, марганца и др. элементов.

В обоих способах углерод окисляется до окиси и двуокиси углерода, а такие примеси, как кремний и марганец в значительной степени переходят в шлак в виде SiO₂ и МnО. Для удаления серы и фосфора необходимо держать в шлаке избыточное количество окиси кальция. Различают кислые и основные методы передела чугуна в сталь. Кислые методы применяют для чугунов, содержащих мало фосфора и серы. В мартеновском способе кислые и основные методы передела чугуна в сталь осуществляются в мартеновских печах. При конверторном способе кислый метод передела чугуна в сталь называется бессемеровским, основной же метод носит название томасовского. Жидкий чугун заливают в конвертор, представляющий собой сосуд, изготовленный из листовой стали, сюда же через сопло вдувается кислород под давлением. Конвертор имеет приспособление для его вращения. Заливка чугуна производится через горловину. После заливки чугуна включается дутье. При продувке кислорода через расплавленный чугун в первый период окисляется железо.

2Fе + О₂ = 2FеО + 518.8кдж

Образовавшаяся закись железа взаимодействует с кремнием и марганцем по реакциям:

Окислы примесей всплывают и переходят в шлак. Металл при этом разогревается, и температура его достигает 1600 0 С. Продолжительность этого периода 3-4 мин. Он называется периодом шлакообразования. Во втором периоде происходит взаимодействие закиси железа с углеродом:

Томасовский способ отличается от бессемеровского в основном тем, что фосфор, содержащийся в чугуне, при продувке кислорода через расплавленный чугун вначале окисляется в Р2О5, которая взаимодействует далее с известью, добавляемой в конвертор, и материалом футеровки конвертора.

Мартеновский способ дает возможность передела чугуна различного состава. Потери металла незначительны. В н. в. около 80% стали выплавляется в мартеновских печах. Однако, мартеновский способ менее выгоден, чем конверторный; строительство мартенов обходится дороже, чем конверторов.

Выплавка стали в электрических печах применяется для получения высококачественных углеродистых и специальных сталей. Преобладающее количество электростали выплавляется в дуговых печах. В электрических печах легко достигается температура 2000 0 С и выше, что позволяет выплавлять тугоплавкие стали и вести процесс на сильноосновных шлаках, позволяющих более полно удалять серу и фосфор из стали.

Свойства стали в значительной степени определяются ее составом, в частности, содержанием углерода. В технически чистом железе содержится до 0.02% углерода. Такое железо обладает высокой пластичностью. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали и одновременно понижается ее пластичность. Марганец, содержание которого в сталях составляет от 0.2 до 1.0% и выше, повышает твердость и прочность стали и одновременно понижает пластические свойства. Кремний повышает предел прочности стали. Никель, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и некоторые другие металлы вводятся в сталь для придания ей особых свойств. По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. По назначению сталь делится на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми свойствами (нержавеющая, кислотоупорная, жаропрочная и др.) Сера, фосфор и растворенные газы являются вредными примесями в сталях.

Процессами прямого получения железа называются способы получения губчатого железа, металлизированного сырья, литого железа или стали непосредственно из железорудного сырья, минуя доменный процесс. Существующие методы прямого получения железа подразделяются:

1) По физическому состоянию получаемого продукта, и соответственно по температуре процесса на:

— получение губчатого железа и металлизированных окатышей при температуре ниже температуры плавления пустой породы;

— получение крицы, т.е. слипшейся массы губчатого железа при температуре плавления пустой породы с образованием шлака;

— получение жидкой стали при температурах выше температуры плавления железа.

2) По природе используемого восстановителя на:

— использование твердых восстановителей;

— использование газообразных восстановителей (СО, Н₂)

3) По состоянию слоя обрабатываемого сырья и, соответственно, по конструкции применяемого оборудования на:

— восстановление в плотном неподвижном слое;

— восстановление в плотном подвижном слое;

— восстановление во взвешенном слое;

— восстановление в кипящем слое.

Из этих методов наибольшее распространение получили процессы получения губчатого железа и металлизированных окатышей из высококачественных руд восстановлением в шахтных печах газообразными восстановителями.

Сырьем для производства меди являются медные руды. Наибольшее значение имеют сульфидные руды. Содержание меди в рудах колеблется от 1 до 5%. В медных рудах, кроме меди, содержатся и другие металлы. Для извлечения меди из руд применятся два основных способа: пирометаллургический и гидрометаллургический.

Передел штейна на черновую медь, независимо от методов его получения, одинаков и заключается в том, что расплавленный штейн (Cu₂S* n FеS) заливается в конвертор и продувается воздухом. Полученная в конверторе медь содержит от 1 до 3% примесей и называется черновой медью.

Рафинирование черновой меди является последней стадией ее производства. Применяют два способа рафинирования: огневой и электролитический. При огневом рафинировании черновую медь расплавляют в отражательной печи. Кислород горячих газов, проходящих над расплавленной медью, частично окисляет ее до Си2О. Образующиеся окислы металлов всплывают на поверхность расплавленной меди в виде легко удаляемых шлаков, часть примесей удаляется вместе с газами.

Электролитическое рафинирование является более совершенным способом удаления примесей из меди. Для этого из черновой меди отливаются аноды массой до 350 кг и их помещают в электролизер, в котором в качестве электролита находится раствор С^О₄, подкисленный серной кислотой. Катодом служит тонкая пластинка из чистой электролитической меди. При прохождении постоянного электрического тока происходит постепенное растворение анода и осаждение чистой меди на катоде. Рафинированная медь содержит 99.9-99.95% меди.

Схема пирометаллургиче ского способа производства меди

Размещено на Allbest

Подобные документы

Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов. Физические свойства металлов. Химические свойства металлов. Коррозия металлов. Понятие о сплавах. Способы получения металлов.

реферат [19,2 K], добавлен 05.12.2003

Положение металлов в периодической системе Д.И. Менделеева. Строение атомов металлов, кристаллических решеток. Металлы в природе, общие способы их получения. Физические свойства металлов. Общие химические свойства. Электрохимический ряд напряжения.

презентация [2,3 M], добавлен 09.02.2012

Общая характеристика металлов. Определение, строение. Общие физические свойства. Способы получения металлов. Химические свойства металлов. Сплавы металлов. Характеристика элементов главных подгрупп. Характеристика переходных металлов.

реферат [76,2 K], добавлен 18.05.2006

Общая характеристика щелочных металлов и их соединений, применение в промышленности. Формы металлов, встречающиеся в природе, и способы их получения. Химические свойства щелочных металлов и их взаимодействие с водой, с кислородом, с другими веществами.

презентация [3,9 M], добавлен 22.09.2015

Положение металлов в периодической системе Д.И. Менделеева. Строение атомов металлов и их кристаллических решеток. Физические свойства металлов и общие химические свойства. Электрохимический ряд напряжения и коррозия металлов. Реакции с другими веществами

презентация [1,8 M], добавлен 29.04.2011

История развития производства благородных металлов. Свойства и методы получения благородных металлов. Химические свойства. Физические свойства. Использование благородных металлов.

реферат [384,3 K], добавлен 10.11.2002

Понятие сплавов, их типы и классификация. Описание физико-химических, механических, технологических и литейных свойств металлов и сплавов. Процесс получения чугуна и стали. Химические элементы, применяемые для легирования. Разновидности сплавов золота.

реферат [32,0 K], добавлен 09.05.2012

Источник

Электрометаллургия

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.

Содержание

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.

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 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).

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.

Источник