Техпроцессы в машиностроении_лек

Обогащение медных руд осуществляют флотацией, которая основана на различной смачиваемости частиц ценного компонента и пустой породы.

Получаемый концентрат, содержащий до 35 % меди, подвергают окисли-

тельному обжигу при температуре 750 … 800 оС для уменьшения содержания серы.

Рис. 1.12. Схема получения меди.

Продукт обжига - ога-

рок является смесью сульфи-

дов и оксидов. Огарок плавят в отражательных или элек-

трических печах для полу-

чения медного штейна – сплава Си2S*FeS, который содержит примерно 20 … 60 % Сu и около 20 % S. Рас-

плавленный штейн заливают в конвертеры с горизонтальной осью вращения и продувают воздухом для получения черновой меди, которая содержит до 2 % примесей.

Полученная черновая медь непригодна для технических целей, так как наличие различных примесей заметно снижает электропроводность меди и другие свойства. Для получения чистого металла черновую медь рафинируют огневым или электролитическим способом. Огневое рафинирование основа-

но на окислении примесей черновой меди, которые обладают большим срод-

ством к кислороду, чем сама медь. Рафинирование производится в отража-

204

тельных печах, в которые заливают расплавленную черновую медь. Полу-

ченная техническая (красная) медь М2, М3 содержит 99,5 … 99,7 % меди.

Для получения особо чистой меди производят электролитическое ра-

финирование меди. Электролитом служит раствор серной кислоты медного купороса в воде. Пластины черновой меди служат анодом, а тонкие листы из электролитической меди – катодом. При пропускании через электролит по-

стоянного тока аноды из технической меди растворяются и положительно за-

ряженные ионы меди осаждаются на катоде из чистой меди. Катодная медь содержит до 99,9 … 99,99 % меди.

Производство алюминия

По содержанию в земной коре алюминий занимает среди металлов первое место около 8 %). Алюминийметалл серебристо-белого цвета с удельным весом 2,7т/м3 и температурой плавления 660 °С. На воздухе он бы-

стро покрывается тонкой пленкой окисла АL2О3. Алюминий и его сплавы нашли широкое применение благодаря достаточно высокой пластичности,

тепло- и электропроводности.

Алюминий очень активный металл, поэтому встречается в природе только в связанном виде - в виде оксидов и гидроокисей. Добывают алюми-

ний из горных пород с высоким содержанием глинозема – боксита, каолина,

нефелина, алунита.

Бокситы являются основным сырьем для получения алюминия. Они представляют собой сложный минерал, содержащий 40 … 60% свободного гидрата окиси алюминия AI(ОН)з и ряд таких примесей как SiO2, AI2O3, TiO2

и CaO. Внешний вид и химический состав бокситов очень непостоянен.

Качество бокситов определяется количеством окиси алюминия и со-

держанием кремнезема – вредной примеси, затрудняющей получение алю-

миния.

205

Получение алюминия складывается из двух самостоятельных этапов:

извлечение из руды окиси алюминия (глинозема) и получение алюминия электролизом глинозема. Упрощенная схема технологического процесса производства алюминия приведена на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Схема полу-

чения алюминия.

В зависимости от состава руды при-

меняются различные способы получения глинозема: щелочной,

кислотный, спекания или комбинированный, которые предусматривают одну цельотделение от руды посторонних примесей и получение растворимого в воде соединения алюминия - алюмината натрия.

Наибольшее распространение получили щелочные способы извлечения глинозема. Одним из лучших щелочных методов является способ, разрабо-

танный в 1882 - 1892 г.г. в России К.И Байером, который применяется для переработки руд, содержащих небольшое количество кремнезема. Этот спо-

соб усовершенствован на отечественных заводах и широко применяется как в России, так и за рубежом.

Измельченный боксит обрабатывают концентрированной щелочью в автоклавах при температуре 150 оС и избыточном давлении, в результате че-

го образуется алюминат натрия Аl2О3 Na2О. Алюминат натрия переходит в водный раствор, а окись железа, двуокись титана и другие примеси, нерас-

творимые в щелочах, выпадают в осадок (красный шлам). Раствор алюмината

206

натрия, отделенный от красного шлама, подвергают декомпозиции (выкру-

чиванию) для получения гидроокиси.

При выщелачивании кремнезем удается перевести в хвосты, так как он образует со щелочью силикат натрия, который взаимодействует с алюмина-

том натрия и выпадает в осадок

Отделение алюминатного раствора от красного шлама осуществляют обычно в специальных устройствах – сгустителях.

Очищенный и профильтрованный раствор алюмината натрия подвер-

гают декомпозиции (выкручиванию), сущность которого сводится к само-

произвольному разложению алюминатного раствора с выделением гидрооки-

си алюминия:

Na2O*Al2O3+ 4 Н2О = AI(ОН)з + 2 NaOH

Процесс ускоряют добавлением (для создания центров кристаллиза-

ции) кристаллической гидроокиси алюминия.

Гидрат окиси алюминия выпадает в осадок, который фильтруется, про-

мывается и прокаливается. При прокаливании образуется чистый глинозем:

Al(OH)3 → Al2O3 + H2O

Для получения тонны глинозема по этому способу расходуется 3 тонны боксита и 0,25т 42 % раствора NaOH.

Алюминий получают электролизом расплавленных солей - смеси гли-

нозема и криолита. Чистый глинозем имеет высокую температуру плавления

–2030 °С, поэтому его растворяют в расплавленном криолите – фториде алю-

миния и натрия Na3AlF6, что позволяет снизить температуру электролиза до

950 … 1000 °С.

Электролиз проводят в электролизных ваннах-электролизерах, которые состоят из стального корпуса (рис. 1.14), футерованного внутри угольными блоками. В подовую часть электролизера с помощью шин подведен отрица-

207

тельный полюс источника тока. Положительный полюс подведен к угольным электродам, которые опускают в электролит.

Рис. 1.14. Схема электролизера.

При прохождении через расплав-

ленный электролит постоянного элек-

трического тока большой силы (до

120кА) происходит диссоциация глино-

зема: на катоде разряжается положи-

тельный ион ионов Al 3+ и образуется алюминий, а на аноде – ион О2-, в ре-

зультате чего электроды постепенно сгорают и заменяются новыми. Алюми-

ний собирается на дне ванны под слоем электролита, откуда его периодиче-

ски извлекают.

Полученный в электролизере алюминий содержит металлические и не-

металлические примеси и газы, для очистки от которых производят рафини-

рование алюминия продувкой хлором. Пары хлористого алюминия увлекают неметаллические примеси и газы и всплывают на поверхность металла, обра-

зуя рыхлый шлак, который удаляют. Для получения более чистого алюминия

(до 99,99 %) прибегают к электролитическому рафинированию, в процессе которого удаляются также и металлические примеси.

Производство магния

Магний – серебристобелый металл, плотность которого 1,74 т/м3,

температура плавления 651 °С. Это очень активный металл, в свободном виде не встречается, является составляющей многих пород, в которых содержится в виде хлоридов или карбонатов, образуя магниевые руды: карналлит, магне-

зит, доломит, бишофит.

208

жания в нем примесей. Чистый титан обладает достаточно высокой пластич-

ностью и невысокой твердостью, технический титан хрупок и тверд. На по-

верхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротивляемостью коррозии в некоторых кислотах, мор-

ской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изменяет свойства при нагреве до 400 °С. Вредные примеси титана – азот и кислород резко сни-

жают его пластичность, а углерод при содержании более 0,15 % снижает ков-

кость титана, затрудняет обработку резанием и резко ухудшает сваривае-

мость.

В природе титан встречается в составе более семидесяти минералов, из которых наибольшее промышленное значение получили ильменит - FeO* TiO2 и рутил - TiO2.

Известно несколько способов получения титана из его руд, но во всех случаях, как и для большинства металлов, металлургической обработке все-

гда предшествует обогащение руды и получение концентрата.

Основным методом переработки титановых руд является магнийтерми-

ческий способ, сущность которого заключается в получении четыреххлори-

стого титана и восстановлении из него металлического титана с помощью жидкого магния. Упрощенная схема получения титана из ильменита приве-

дена на рис. 1.16.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антраци-

том в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавлива-

ются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в излож-

ницы. Титановый шлак содержит 80 … 90 % TiO2, 2 .. 5 % FeO и примеси

SiO2, Al2O3, CaO и др. Чугун используют в металлургическом производстве.

Для получения четыреххлористого титана пористые брикеты подвер-

гают хлорированию в специальных печах при температуре 800 … 950 °С.

210

Титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах при температуре 800 … 950 °С и получают четыреххлористый титан:

TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 + 2CO.

Рис. 1.16. Схема по-

лучения титана.

Образующийся четы-

реххлористый титан нахо-

дится в парообразном со-

стоянии в смеси с хлорида-

ми других элементов, по-

этому производят отделение и очистку TiCl4 от осталь-

ных хлоридов. Очищенный четыреххлористый титан в специальных печах - реак-

торах восстанавливают ме-

таллическим магнием высо-

кой чистоты при темпера-

туре 850 … 1000 ºС в атмо-

сфере аргона.

Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит ре-

акция

2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2 + Q

Образующийся металлический титан спекают в пористую губчатую массу. Титановая губка содержит 35 … 40% магния и хлористого магния.

Для удаления из титановой губки этих примесей производят ее рафинирова-

ние методом вакуумной дистилляции.

211

Титановые губки для получения слитков плавят в вакуумных дуговых печах. Полученные слитки могут иметь дефекты (раковины, поры). Поэтому их переплавляют, используя как расходуемые электроды. Чистота титана, по-

сле вторичного переплава, составляет 99,6 … 99,7 %.

1.9.Основные сведения из теории сплавов

Ксовременным конструкционным материалам предъявляют обширные

иразнообразные требования по свойствам, которые зависят от их состава и внутреннего строения.

Чистые металлы встречаются в природе редко и в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому обычно применяют сплавы металлов, которые можно полу-

чить с заданными свойствами.

Металлический сплав представляет собой кристаллическое вещество,

состоящее из двух или более элементов, полученное сплавлением элементов в жидком состоянии (рис. 1.17). Элементы или их химические соединения,

образующие сплав,

принято называть ком-

понентами сплава.

Рис. 1.17. Виды спла-

вов:

а – схема микрострук-

туры механической смеси; б – кристалличе-

ская решетка твердого раствора замещения; в - кристаллическая решетка твердого раствора внедре-

ния; г - кристаллическая решетка химического соединения; 1 – атомы раство-

рителя; 2, 3 – атомы растворенного элемента; A, B - компоненты.

212