Відповіді на питання по курсу «Металургія кольорових металів»
1. Окускування дрібних матеріалів при виробництві кольорових металів. Обдавання, брикетування, агломерація: сутність процесів, їх переваги і недоліки (привести схему агломерації)
Окускування дрібних матеріалів проводять обдаванням (грануляцією) брикетуванням і агломерацією. Обдаванням (грануляцією) називається операція укрупнення дрібних фракцій руд, концентратів і порошків, при якій матеріал скачується в кулевидні майже геометрично правильні міцні окатиші (гранули), що зберігають свою форму і розміри при подальшій переробці. Перевагою процесу є висока продуктивність при менших капітальних і експлуатаційних витратах. Обдавання здійснюють в барабанних або чашевих грануляторах. Основним недоліком барабанних грануляторів є неоднорідність окатишів за розміром, тому вони витісняються в даний час чашевими.
Брикетуванням називається процес окускування шляхом пресування рихлих і пилоподібних матеріалів в шматки правильної і одноманітної форми – брикети. Для брикетування рудної сировини використовують валкові і штемпельні преси.
Агломерацією називається процес спікання дрібної руди або концентратів в міцний, кусковий і пористий матеріал (агломерат).
1 – зона агломерації; 2 – зона горіння; 3 – зона займання;
4 – зона сушки; 5 – зона сирої шихти; 6 – колосникові грати
Мал. Схема агломерації з просмоктуванням повітря і розподіл температури по висоті шару шихти
Плавка агломерату завжди відрізняється вищою питомою продуктивністю плавильного агрегату і меншою витратою палива або електроенергії. Недолік методу – дорожчий спосіб в порівнянні з іншими.
2. Шихтопідготовка в кольоровій металургії. Вимоги до якості шихт. Бункерний і штабельний способи приготування шихти, їх сутність і вживання (привести схеми приготування шихти)
Великі об'єми матеріалів, що переробляються на сучасних металургійних заводах, вимагають хорошої організації приймання, випробування і складування шихтових матеріалів, а також самого приготування шихти. Загальні вимоги до якості шихти:
постійність хімічного складу;
2) придатність за хімічним, мінералогічним і гранулометричним складом;
оптимальна крупність компонентів шихти;
оптимальна вологість.
Однією з кращих систем організації підготовки, зберігання і подачі шихти на металургійну переробку є пошарове штабелювання в механізованих шихтарниках. Робота шихтарника організована таким чином, що один з трьох штабелів укладають, другий випробують, а третій розвантажують. Таке приготування шихти забезпечує найкраще змішування шихтових компонентів.
Іншим досить поширеним методом приготування шихти є бункерна шихтовка.
1 – бункер, 2- живильник, 3 – стрічковий транспортер, 4, 5 – концентрат I,
6 - концентрат II, 7 – оберти, 8 – кварц, 9 – вапняк, 10 – шихта
Схема приготування шихти на транспортерній стрічці
Цей метод передбачає зберігання шихтових матеріалів в окремих бункерах, з яких матеріали пошарово завантажуються на транспортерну стрічку.
3. Металургійні гази і пил, їх класифікація і характеристика. Технологічні і топкові гази, грубий і тонкий пил кольорової металургії (навести приклади)
Більшість пірометалургійних процесів характеризуються утворенням значних кількостей газів і пилу. Як правило, ці два продукти видаляються з печей спільно.
Металургійні гази, що відходять, можна класифікувати на технологічно утворені за рахунок протікання хімічних реакцій, і топкові, що являються продуктами спалювання палива.
Основними компонентами технологічних газів є сірчистий ангідрид (SO2), вуглекислий газ (СО2), оксид вуглецю (СО) і пари води (Н2О). У окремих металургійних процесах можливе виділення газоподібного хлору, хлоридів, миш'яковистих й інших хімічних сполук. При спалюванні палива переважно утворюються СО2, СО і Н2О. Крім того, в газах обов'язково будуть присутні азот і вільний кисень, що поступає з дуттям і за рахунок підсосів в надлишку повітря.
Пил, що утворюється в металургійних процесах, умовно можна розділити на грубі і тонкі. Утворення грубого пилу пов'язане з дією газового потоку на дрібні частки шихти, яка переробляється, або продукти металургійної переробки. Зазвичай грубий пил має форму осколків; розміри часток цього пилу складають від 3-10 до декількох сотень мікрометрів. Хімічний склад ідентичний складу вихідного матеріалу. Тонкий пил утворюється переважно за рахунок сублімації легколетучих компонентів. Пил, який виходить при цьому, несеться газовим потоком і при подальшому охолоджуванні конденсується в тверді частки або краплі. Сублімати збагачені леткими компонентами, наприклад цинком, кадмієм, свинцем, германієм, індієм і рядом інших рідких і розсіяних елементів.
4. Напівпродукти підприємств кольорової металургії. Штейни, шлаки, їх склад і типи (навести приклади). Пічні, конвертерні, рафінувальні, відвальні, оборотні, самоплавкі шлаки. Коректування складу шлаку
До напівпродуктів металургійного виробництва відносяться шлаки, штейни, пил, гази, агломерати і спеки, кеки, шлами, розчини тощо.
Штейном називається сплав сульфідів важких кольорових металів (мідь, нікель, свинець, цинк та ін.) з сульфідом заліза, в якому розчинені домішки. На практиці кольорової металургії отримують мідні, мідно-нікелеві, нікелеві і поліметалічні штейни. Основними компонентами мідних штейнів є сульфіди міді і заліза (Cu2S і FеS). У мідно-нікелевих штейнах переважають Ni3S2, Cu2S і FеS.
Шлаки є другим обов'язковим продуктом більшості металургійних плавок. Вони утворюються за рахунок ошлакування порожньої породи і флюсів і складаються, в основному, з оксидів. При відносно низькому вмісті коштовних компонентів, що виходять в більшість рудних плавок, шлаки є відвальним продуктом, тобто відходами металургійного виробництва. У окремих видах плавок і особливо в рафінувальних процесах шлаки виходять дуже багатими. Такі шлаки вимагають обов'язкового збіднення. Їх часто використовують як оборотні матеріали одного з основних металургійних процесів. Основними компонентами шлаків кольорової металургії є SiO2, FеO і CаO. Коректування складу шлаку з метою наближення його до оптимального, проводять введенням у вихідну шихту відповідних флюсів – мінеральних добавок. Якщо оптимальний склад досягається без добавки флюсів то шихта, яка переробляється, і шлак, що виходить, називаються самоплавкими.
5. Товарна продукція підприємств кольорової металургії та її види (навести приклади). ДСТУ, ГСТ, ТУ на товарну продукцію, їх призначення і особливості вживання. Чорнові, технічної чистоти, високої чистоти, особливої чистоти кольорові метали (навести приклади)
Кольорова металургія є комплексною галуззю промислового виробництва. Асортимент товарної продукції підприємств кольорової металургії дуже широкий і різноманітний. Окрім металевої продукції, металургійні заводи випускають додаткову продукцію.
Продукцією окремих підприємств кольорової металургії можуть бути:
кольорові метали і сплави у вигляді злитків, катодів, прокату тощо;
хімічна продукція: сірчана кислота, елементарна сірка, мідний і нікелевий купорос, кальцинована сода, поташ тощо;
мінеральні добрива: суперфосфат, амофос;
будівельні матеріали: цемент, щебінь, гранульований шлак, шлакова брущатка тощо;
теплова та електрична енергія;
кисень та аргон.
Норми і вимоги до якості і розмірних характеристик сировини, матеріалів і виробів металургійного виробництва встановлюються Державними стандартами (ДСТУ), галузевими стандартами (ГСТ) і технічними умовами (ТУ).
Стандарти і технічні умови встановлюються на групу виробів і матеріалів або окремі види продукції і визначають повну технічну характеристику сировини або продукції, що випускається. ДСТУ мають силу закону та обов'язкові для виконання у всіх галузях народного господарства. Галузеві стандарти ГСТ, як правило, визначають вимоги до сировини матеріалів напівпродуктів та продуктів металургійного виробництва, які споживаються лише усередині галузі. Технічні умови затверджуються в тих випадках, коли на продукцію відсутні стандарти або коли потрібне встановлення спеціальних вимог на продукцію, яка випускається. Технічні умови на промислову продукцію зазвичай визначають взаємини між вузьким колом замовників та виробників в строгій відповідності з погодженими умовами і термінами їх дії.
У кольоровій металургії залежно від вживаної технології і складу металів, що виходять, розрізняють чорнові і рафіновані метали. Товарною продукцією, як правило, є рафіновані метали.
Чорновими металами називають метали, забруднені домішками. До числа домішок входять шкідливі і коштовні елементи – супутники основного металу. Шкідливі домішки погіршують характерні для даного металу властивості: електропровідність пластичність, корозійну стійкість тощо. Коштовні супутники – благородні метали, селен, галій, індій, вісмут й ін. – необхідно попутно обов'язково витягувати.
Чорнові метали обов'язково піддають очищенню від домішок – рафінуванню. Сортамент рафінованих кольорових металів великий. ДСТУ встановлюють випуск до 6-10 і більше марок кожного конкретного металу. У невеликих кількостях деякі підприємства кольорової металургії випускають метали підвищеної (особливої) чистоти. Здобуття таких металів пов'язане з великими додатковими витратами праці часу і засобів.
6. Гідрометалургійні процеси в кольоровій металургії. Три основні стадії гідрометалургійних процесів. Осадження металів з розчинів електролізом водних розчинів, цементацією, відновленням газоподібними відновниками (навести приклади хімічних реакцій)
Гідрометалургійні процеси проводяться при низьких температурах в межах розділу найчастіше твердої і рідкої фаз. Будь-який гідрометалургійний процес складається з трьох основних стадій: вилуговування, очищення розчинів від домішок і осадження металу з розчину.
Вилуговування – процес перекладу видобуваних металів в розчин при дії розчинника на матеріал (руду, концентрат тощо), що переробляється, часто у присутності газового реагенту – кисню, водню й ін. Як розчинники використовують воду, розчини кислот, лугів або солей.
Очищення розчинів від домішок проводять з метою запобігання їх попадання у видобуваний метал при подальшому його осадженні у вигляді хімічної сполуки або у вільному стані. Для очищення використовують методи хімічного осадження неорганічними або органічними реагентами, кристалізацію або цементацію. В основі останнього процесу лежить принцип витіснення з розчину одного металу іншим більш електронегативним. Прикладом очищення цементацій служить процес виділення міді з сірчанокислих цинкових розчинів цинком
(CuSО4 + Zn ZnSO4 + Cu).
Осадження металів з очищених розчинів від вилуговування може бути проведене електролізом водних розчинів цементацією або відновленням газоподібними відновниками під тиском. В гідрометалургії все більшого поширення набувають сорбційні (іонообмінні) і екстракційні процеси.
Іонообмінні процеси засновані на здатності деяких твердих речовин (іонітів) при контакті з розчинами поглинати іони з розчину в обмін на іони того ж знаку, що входять до складу іоніту. У загальному вигляді дію іонообмінних смол можна виразити рівняннями:
2RH + K2+ R2K + 2H- або
2RCl + A2+1 R2A + 2Cl-
де R – радикал з фіксованими іонами, К – катіон; А – аніон.
Екстракцією називається процес витягнення розчинених хімічних сполук металів з водного розчину в рідку органічну фазу, що не змішується з водою. Як екстрагенти використовують органічні кислоти та їх солі амінів і амонієвих підстав, спирти, ефіри, кетон.
7. Гідрометалургійні процеси в кольоровій металургії. Три основні стадії гідрометалургійних процесів. Види розчинників. Очищення розчинів від домішок хімічним осадженням, кристалізацією, цементацією, екстракцією, іонообмінними процесами (навести приклади хімічних реакцій)
Гідрометалургійні процеси проводяться при низьких температурах на межі розділу найчастіше твердої і рідкої фаз. Будь-який гідрометалургійний процес складається з трьох основних стадій: вилуговування, очищення розчинів від домішок і осадження металу з розчину.
Вилуговування – процес перекладу видобуваних металів в розчин при дії розчинника на матеріал (руду, концентрат тощо), що переробляється, часто у присутності газового реагенту – кисню, водню й ін. Як розчинники використовують воду, розчини кислот, лугів або солей.
Очищення розчинів від домішок проводять з метою запобігання їх попадання у видобуваний метал при подальшому його осадженні у вигляді хімічної сполуки або у вільному стані. Для очищення використовують методи хімічного осадження неорганічними або органічними реагентами, кристалізацію або цементацію. У основі останнього процесу лежить принцип витіснення з розчину одного металу іншим більш електронегативним. Прикладом очищення цементацій служить процес виділення міді з сірчанокислих цинкових розчинів цинком
(CuSО4 + Zn ZnSO4 + Cu)
Осадження металів з очищених розчинів від вилуговування може бути проведене електролізом водних розчинів цементацією або відновленням газоподібними відновниками під тиском. У гідрометалургії все більшого поширення набувають сорбційні (іонообмінні) і екстракційні процеси.
Іонообмінні процеси засновані на здатності деяких твердих речовин (іонітів) при контакті з розчинами поглинати іони з розчину в обмін на іони того ж знаку, що входять до складу іоніту. У загальному вигляді дію іонообмінних смол можна виразити рівняннями:
2RH + K2+ R2K + 2H- або
2RCl + A2+1 R2A + 2Cl-
де R – радикал з фіксованими іонами, К – катіон; А – аніон.
Екстракцією називається процес витягнення розчинених хімічних сполук металів з водного розчину в рідку органічну фазу, що не змішується з водою. Як екстрагенти використовують органічні кислоти і їх солі амінів і амонієвих підстав, спирти, ефіри, кетон.