Производство железа, чугуна и алюминия (стр. 1 из 2)
Получение чугуна
Для производства чугуна в доменных печах необходимо иметь следующие исходные материалы: железные руды, топливо и флюсы. Эти исходные материалы называются шихтой.
Железные руды представляют собой оксиды и карбонаты железа, и другие соединения. Оксиды: Fe2O3-красный железняк, Fe3O4-магнитный железняк,
Fe2O3·пH2O-бурый железняк.
Карбонаты: FeСО3-шпатовый железняк.
Топливом для доменной плавки служит кокс продукт сухой перегонки каменного угля.
Как частичные заменители кокса могут быть использованы природный газ, мазут или пылевидное топливо.
В качестве флюса используют известняк CaCO3 или доломитизированный известняк nCaCO3 ·mMgCO3.
Пустая порода вместе с флюсами образует жидкий шлак. Флюс придает шлаку необходимые состав и свойства, благодаря чему обеспечиваются заданный режим работы печи и очистка чугуна от серы.
При сжигании топлива в доменной печи первым процесс является сгорание углерода.
2С+О2=2СО+Q
Второй процесс характеризуется восстановлением железа, марганца кремния фосфора серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2(образующийся в результате воздействие углерода на влагу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С.
3 Fe2O3+СО=2Fe3O4+ СО2+Q;
Fe3O4+ СО=3FeО+СО2-Q;
FeО+ СО=Fe+ СО2+Q.
Восстановленное в доменной печи железо активно поглощает углерод (науглероживается)
также капли жидкого металла интенсивно взаимодействуют с углеродом при контакте с раскаленным коксом.
3Fe+2CO= Fe3C+ СО2+Q;
3Fe + С= Fe3C.
Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150…1200ºС) в сравнении с чистым железом (1539ºС) температуру плавления. Выделяется чугун.
Марганец восстанавливается твердым углеродом.
MnO+C=Mn+CO-Q
MnSiO3+CaO+C=Mn+CaSiO3+CO-Q
Восстановление кремния осуществляется по реакции.
SiО2+2C=Si+2CO-Q
В доменном процессе удалению серы из металла придается большое значение.
FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO.
7 8
6
5
4
3 
21
 |
Рисунок доменной печи
1 шлаковая летка, 2 лещадь, 3 горн, 4 чугунная летка, 5 шахта, 6 выпуск газов, 7 вагонетка, 8 наклонный мост.
Таким образом, в результате процессов восстановления окислов железа , растворения в железе С, Mn, Si, P, S в печи образуется чугун. В нижней части печи образуется шлак в результате с плавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи. Чугун выпускают через 3-4 ч., а шлак через 1,0-1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку, а шлак через шлаковую летку.
Переработка чугуна в сталь.
В настоящее время применяется два главных способа переработки чугуна в сталь. Оба они основаны на окислении содержащихся в чугуне примесей.
Бессемеровский способ заключается в продувании сквозь расплавленный чугун сильной струи воздуха.
Бессемерование производится в огромных стальных грушевидных сосудах, так называемых конверторах, выложенных внутри кирпичом из керамзита и вмещают до 40-50 т чугуна. Конвертор может вращаться на горизонтальных цапфах при помощи зубчатого колеса. Ко дну конвектора, в котором находится много мелких отверстий, приделана воздушная камера для нагнетания воздуха. Конвектор наполняют расплавленным чугуном, а в воздушную камеру нагнетают воздух. Проходя через отверстия в дне конвертора, воздух пронизывает всю массу чугуна и окисляет примеси.
Прежде всего, выгорает, переходя в шлак, кремний и марганец, затем уже углерод. Весь процесс бессемерования продолжается 19-20 мин, после чего конвектор можно опорожнить, повернув его отверстием вниз.
Бессемеровским способом получают сталь, содержащую менее 0,3% углерода. Если желают получить сталь с большим содержанием углерода, то или заканчивают продувание воздуха раньше, пока еще не весь углерод выгорел, или прибавляют в конвектор к полученной стали некоторое количество богатого углеродом чугуна и еще некоторое время продувают воздух для перемешивания.
Если чугун содержит фосфор, то удалить, последний при обыкновенной обкладки конвектора не удается. Между тем удаление фосфора необходимо, так как присутствие его делаёт сталь ломкой. В таких случаях по предложению Томаса обкладка конвектора делается из смеси окислов магния и кальция получаемые прокаливанием минерала доломита MgCO3·CACO3, а, кроме того, к самому чугуну прибавляют 10-15% извести. Образующийся при сгорании фосфора фосфористый ангидрит Р2О соединяется с известью, причем получаются шлаки, используемые в качестве удобрения так называемые томасшлаки.
Вторым основным способом получения стали, является получение в мартеновских печах. При плавке в мартеновских печах составляющими шихты могут быть стальной скрап, жидкий и твёрдый чугуны.
1. Скрап-процесс, при котором основной частью шихты является стальной скрап; применяют на металлургических заводах.
2. Скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты состоит из жидкого чугуна (55-75%), а твёрдая часть шихты скрап и железная руда; этот процесс применяют на заводах где есть доменные печи.
3. Кислым мартеновским процессом выплавляют качественные стали. Они содержат меньшее количество растворённых газов, неметаллических включений. Используют при получении металлическую шихту. Детали из этой стали, получают такие как: коленчатые валы крупных двигателей, роторов мощных турбин.
Получение алюминия
Горные породы с высоким содержанием оксида алюминия (бокситы, нефелины, алуниты, каолины) называются алюминиевыми рудами.
Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al2O3.2SiO2.2H2O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2O3.xH2O и минералы корунд Al2O3 и криолит AlF3.3NaF.
В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите. Al2O3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al2O3 около 2050 оС, а криолита 1100 оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую около 10 масс.% Al2O3, которая плавится при 960 оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3,,CaF2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 оС.
Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно, собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.
Al2O3 = Al3+ + AlO33-
На катоде выделяется жидкий алюминий:
Al3+ + 3е- = Al
Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:
4AlO33- - 12е- = 2Al2O3 + 3O2
Получение меди.
В настоящее время медь добывают только из руд. В зависимости от характера входящих в их состав соединение, подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляются 80% всей добываемой меди. Важнейшими минералами, входящими в состав медных руд, являются: халькозин, или медный блеск,Cu2S; халькопирит, или медный колчедан,CuFeS2; куприт Cu2О и малахит CuCO3·Cu(OH)2.