Вся бібліотека >>>

Зміст розділу >>>

 

Наука і технології

 Матеріали майбутнього


Видавництво «Хімія» 1985 р.

 

Матеріали для народного господарства

Металеві матеріали

 

 

Як отримують метали?

 

Чисті метали з руд

За рідкісним винятком метали зустрічаються в природі не в чистому, самородному стані, а у вигляді хімічних сполук. Ці сполуки в ході історії Землі виникли завдяки реакціям металів з іншими хімічними елементами. У більшості випадків руди являють собою оксиди, сульфіди або карбонати (табл. 6). Металлсодержащіе корисні копалини земній корі містять одночасно і небажані мінеральні складові частини, безрудную або жильную породу. Тому методами флотації, подрібнення, грохочення і агломерації руди повинні бути спочатку приведені до стану, зручному для подальшої металургійної переробки.

Щоб добути чисті метали з руд, їх піддають відповідному хімічному розкладанню. В якості прикладу візьмемо оксид, якого шляхом відновлення спочатку отримують чорновий забруднене матеріал, який далі шляхом рафінування переробляють до чистого або особливо чистого металу.

На металургійних виробництвах або неокислені руди шляхом нагріву в присутності кисню повітря і випалу переводять в оксиди металів, які необхідні з'єднання металів видаляються з руди вилуговуванням з допомогою відповідних розчинників, таких як вода, розбавлені кислоти, луги, розчини солей (гідрометалургія).

Далі оксиди металів можна відновити речовиною, володіє великим спорідненістю до кисню, ніж одержуваний матеріал. До них відносяться, наприклад, вуглець або його оксид при високих температурах (карботермический метод), алюміній (алюмотермия) або кремній (кремнетермия). Ці способи об'єднані під загальним поняттям пирометаллургии.

В електрометалургії метал може бути отриманий электролитически з розплаву або водного розчину його сполуки. Відомо також і термічне розкладання сполук металів. Чорновий метал, що утворюється спочатку у всіх вищезгаданих методах, очищається потім шляхом вибіркового окислення, електролітичними методами, випарюванням і повторної конденсацією або зонної плавкою.

На підставі цих принципів були розроблені самі різноманітні технологічні варіанти отримання металів. Ми розглянемо в надалі ті з них, які застосовуються для виробництва найбільш важливих металевих матеріалів.

Чавун-продукт доменної печі

Для виробництва чавуну в даний час служать переважно оксидні руди у вигляді агломерату або шматків, які відновлюють у доменних печах за допомогою вуглецю або його оксиду. Доменна піч ( 24) має висоту до 40 м; у її найширшому місці, розпарі, діаметр досягає від 3,5 до 10 м. З колошниковой майданчики в піч пошарово засипають металеву сировину з добавками (шихту) і кокс. Кокс служить для протікання хімічної реакції відновлення і в той же час допомагає створити необхідну температуру, яка безпосередньо в зоні реакції, заплечиках, досягає майже 2000 °С. Подається в піч повітря попередньо нагрівається в воздухоподогревателях (кауперах) до 800 °С, надходить по кільцевому трубопроводу через дюзи (фурми) в доменну піч і прагне вгору назустріч потоку металевої сировини і коксу. Завантажувальна маса постійно поповнюється з колошника. При відновленні в ході металургійного процесу виникають рідке залізо, яке навуглецьовується присутнім коксом, і шлаки. Рідкі чавун і шлаки збираються в горні, причому, зважаючи на свою невеликий щільності, шлак плаває на металі. Шлаки через шлакові льотки постійно видаляють з печі, а чавун періодично, через 2-4 години, відбирають через льотку в нижній частині печі.

Доменна піч працює безперервно 10-15 років. З неї отримують чавун, що містить 3,543%, 1-3% Si, 0,5-1,5% Мп, 0,05-0,1% S і 0,05-0,1% Р, а також шлаки. Цей побічний продукт використовують при виробництві гравію, дрібного щебеню, матеріалу для мостових, цементу, шлакової вати. Колошниковий газ, який через колосник виходить нагріте до 300-400 °С, надходить на обігрів повітропідігрівників. Доменний чавун надходить або в чугуносмеситель і переробляється далі в рідкому вигляді на сталеплавильних заводах, або в литну машину, в якій отримують тверді чавунні плашки, що надходять далі на сталеливарні заводи або на ливарне виробництво.

 

 

Від мартенівського способу до прямого відновлення

Сталлю називають железоуглеродные сплави з вмістом вуглецю менш 2%. Вміст вуглецю В чавуні становить понад 2,5%.

Сутність отримання сталі полягає в тому, що шляхом виборчого окислення з доменного чавуну видаляють частину вуглецю та інші небажані елементи. Важливим процесом у виробництві сталі тому є так звана переробка чавуну. Під цим поняттям об'єднані всі реакції окислення вуглецю й інших супутників заліза (кремній, марганець, фосфор, сірка), що відбуваються всередині металургійної печі в отриманому там або введеному розплаві доменного чавуну і брухту. До необхідного для цього повітрю домішуються для окислення топкові гази і кисень.

Всі найважливіші в даний час способи виробництва сталі можна класифікувати так:

Способи виробництва сталі

Пряме відновлення

Сурмові способи

Конвертерний спосіб

При мартенівському способі металева шихта (чавун і металевий лом) у твердому або рідкому вигляді знаходиться у лоткообразном вогнищі, уздовж якого б'є довгий нагрітий до 1900 °С факел. Це факел утворюється при згорянні генераторного газу в потоці підігрітого повітря (принцип регенеративної топки). Мартенівські печі працюють багато місяців без перерв. Їх вмістимість складає від 10 до 600 т сталі, яку в залежно від розмірів печі і особливостей технології випускають з печі в вигляді готового розплаву через 5-20 годин. Необхідний для переробки чавуну в сталь кисень присутній в печі в хімічно зв'язаному стані у вигляді оксиду вуглецю або оксидів металів, що містяться в руді.

Виробництво сталі за допомогою електроенергії відбувається найчастіше в електродугових і рідше в індукційних печах. Тут металева засипка теж знаходиться в плоскому вогнищі. Між трьома вводяться зверху графітовими електродами і металевою шихтою виникають електричні дуги. Електродугові печі експлуатуються багато місяців, а їх місткість коливається від 5 до 100 т сталі, для виготовлення якої вимагаються від 4 до 10 годин.

В конвертері ( 25) металева шихта постійно знаходиться у рідкому стані. Кисень надходить або з повітря, що продувається знизу через розплав (нижнє дуття), або у вигляді чистого кисню через невелику форсунку нагнітається поверх матеріалу (верхнє, або кисневе дуття). Внаслідок дуже інтенсивної окислювальної реакції необхідна теплота виділяється в ході процесу в конвертері, так що відпадає необхідність у підводі додаткового пального. Місткість таких конвертерів лежить в межах від 5 до 100 т, а час виготовлення сталі становить від 20 до 60 хвилин.

Велика частина нелегованої сталі виробляється зараз мартенівським способом. При більш ранньому конвертерному способі (методи Томаса і Бессемеля) виходить також нелегированная сталь, яка, однак, збагачена азотом і тому має невисоку якість. Сучасні способи повітряного або кисневого дуття дозволяють отримувати сталі, не поступаються за якістю мартенівським. Методи з використанням електрики дають можливість виробляти нелеговані сталі вищої якості, а також низько - і високолеговані. Додаток 3 дозволяє познайомитися з класичними та сучасними способами виробництва сталі.

Готову сталь здебільшого відливають у вигляді зливків круглого, квадратного або прямокутного перерізу, з яких потім на прокатному стані отримують заготовки (листи, стрижні, профілі). Невелику частину стали переробляють безпосередньо в ливарних цехах в сталеве фасонне лиття (наприклад, деталі машин).

Новітнім напрямом у виробництві сталі є пряме відновлення приготовленої залізної руди газом-відновником, минаючи доменні процеси. При цьому виникає губчасте залізо, склад якого відміну від доменного чавуну дуже близький до сталі.

В НДР нелеговані сталі виробляються в основному мартенівським способом, а при отриманні легованих застосовуються електродугові печі. Старий конвертерний метод практично втратив своє значення. Прогресивні методи повітряного і кисневого дуття вже знайшли своє застосування в НДР і в перспективі стануть грати при виробництві стали всі велику роль.

 

Отримання алюмінію електролізом

Використовувані в промисловості кольорові метали, такі як алюміній, мідь, магній, цинк, свинець, зважаючи на розмаїття руд, що містять їх, одержують різними способами. Проте кожен з них заснований на одному з перерахованих вище принципів отримання металів. Розглянемо докладніше электротермию на прикладі отримання алюмінію.

Алюміній отримують з бокситів-руди, що містить близько 55-65% А12О3, не більше 28% Fe2O3 і до 24% SiO2. Подрібнений, висушений і перемелений боксит перетворюють в алюмінат натрію. Це здійснюється або впливом на нього їдкого натру під тиском в 6-8 разів більше атмосферного (спосіб Бауера), або шляхом спікання з содою в обертових трубних печах (спосіб Левіга). З розчину алюмінату можна осадити гідроксид алюмінію, який потім в таких печах при 1300-1400°С перетворюється в чистий глинозем (А12О3). Після розчинення одержаного таким чином глинозему в солі (кріоліт) починається найважливіша стадія процесу отримання алюмінію, електроліз розплаву ( 26). При цьому на дно електролізної осередку випадає шлаковий алюміній, з якого шляхом переплавки отримують чистий алюміній (до 99-99,8% А1). Інший специфічний спосіб електролізу призводить до отримання надчистого алюмінію (99,99% А1).

    

 «Матеріали майбутнього» Наступна сторінка >>>

 

Дивіться також: "Нариси історії науки і техніки" Альманах Еврика 84 Альманах Еврика 90 Таємниці двадцятого століття Знак Питання (Знання) Чудеса і Пригоди