Реферат: Производство железа, чугуна и алюминия

Получение чугуна

Дляпроизводства чугуна в доменных печах необходимо иметь следующие  исходныематериалы: железные руды, топливо и флюсы. Эти исходные материалы называютсяшихтой.

Железные руды представляютсобой оксиды и карбонаты железа, и другие соединения. Оксиды: Fe2O3-красный железняк, Fe3O4-магнитный железняк,

Fe2O3·пH2O-бурыйжелезняк.

Карбонаты: FeСО3-шпатовый железняк.

Топливом для доменнойплавки служит кокс продукт сухой перегонки каменного угля.

Как частичные заменителикокса могут быть использованы природный газ, мазут или пылевидное топливо.

В качестве флюсаиспользуют известняк CaCO3или доломитизированный известняк nCaCO3·mMgCO3.

Пустая порода вместе сфлюсами образует жидкий шлак. Флюс придает шлаку необходимые состав и свойства,благодаря чему обеспечиваются заданный режим работы печи и очистка чугуна отсеры.

При сжигании топлива вдоменной печи первым процесс является сгорание углерода.

2С+О2=2СО+Q

Второй процессхарактеризуется восстановлением железа, марганца кремния фосфора серы и другихэлементов. Восстановителями являются СО, Н2(образующийся врезультате воздействие углерода на влагу дутья в виде водяного пара)  и твердыйуглерод С.

3 Fe2O3+СО=2Fe3O4+ СО2+Q;

Fe3O4+ СО=3FeО+СО2-Q;

FeО+ СО=Fe+ СО2+Q.

Восстановленное в доменнойпечи железо активно поглощает углерод (науглероживается)

также капли жидкогометалла интенсивно взаимодействуют с углеродом при контакте с раскаленнымкоксом.

3Fe+2CO= Fe3C+ СО2+Q;

3Fe+ С= Fe3C.

Насыщенное углеродомжелезо имеет пониженную (до 1150…1200ºС) в сравнении с чистым железом(1539ºС) температуру плавления. Выделяется чугун.

Марганец восстанавливаетсятвердым 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 удалениюсеры из металла придается большое значение.

FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO.

                                                 7               8

/>/>/>/>/>      

6                            

/> 

5

/> 

4

/> 

/>/>3

/>/>2

 1

/> 

1шлаковая летка, 2 лещадь, 3 горн, 4 чугунная летка, 5 шахта, 6 выпуск газов, 7вагонетка, 8 наклонный мост.

Таким образом, врезультате процессов восстановления окислов железа, растворения в железе С, Mn, Si, P, S в печи образуется чугун. В нижней части печиобразуется шлак в результате с плавления окислов пустой породы руды, флюсов изолы топлива. По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи. Чугунвыпускают через 3-4 ч., а шлак через 1,0-1,5 ч. Чугун выпускают через чугуннуюлетку, а шлак через шлаковую летку.

Переработка чугуна в сталь.

В настоящее время применяетсядва главных способа переработки чугуна в сталь. Оба они основаны на окислениисодержащихся в чугуне примесей.

Бессемеровский способзаключается в продувании сквозь расплавленный чугун сильной струи воздуха.

Бессемерованиепроизводится в огромных стальных грушевидных сосудах, так называемыхконверторах, выложенных внутри кирпичом  из керамзита и вмещают до  40-50 тчугуна. Конвертор может вращаться на горизонтальных цапфах при помощи зубчатогоколеса. Ко дну конвектора, в котором находится много мелких отверстий,приделана воздушная камера для нагнетания воздуха. Конвектор наполняютрасплавленным чугуном, а в воздушную камеру нагнетают воздух. Проходя черезотверстия в дне конвертора, воздух пронизывает всю массу чугуна и окисляетпримеси.

Прежде всего, выгорает,переходя в шлак, кремний и марганец, затем уже углерод. Весь процессбессемерования продолжается 19-20 мин, после чего конвектор можно опорожнить,повернув его отверстием вниз.

Бессемеровским способомполучают сталь, содержащую менее 0,3% углерода. Если желают получить сталь сбольшим содержанием углерода, то или заканчивают продувание воздуха раньше,пока еще не весь углерод выгорел, или прибавляют в конвектор к полученной сталинекоторое количество богатого углеродом чугуна и еще  некоторое время продуваютвоздух для перемешивания.

Если чугун содержитфосфор, то удалить, последний при обыкновенной обкладки конвектора  не удается.Между тем удаление фосфора необходимо, так как  присутствие его делаёт стальломкой. В таких случаях по предложению Томаса обкладка конвектора делается изсмеси 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 Р2Осоединяется с известью, причем получаются шлаки, используемые в качествеудобрения так называемые томасшлаки.

    Вторым основнымспособом получения стали, является получение в мартеновских печах. При плавке вмартеновских печах составляющими шихты могут быть стальной скрап, жидкий итвёрдый чугуны.

1.  Скрап-процесс, при которомосновной частью шихты является стальной скрап; применяют на металлургическихзаводах.

2.  Скрап-рудный процесс, прикотором основная часть шихты состоит из жидкого чугуна (55-75%), а твёрдаячасть шихты скрап и железная руда; этот процесс применяют на заводах где естьдоменные печи.

3.  Кислым мартеновскимпроцессом выплавляют качественные стали. Они содержат меньшее количестворастворённых газов, неметаллических включений. Используют при получении металлическуюшихту. Детали из этой стали, получают такие как: коленчатые валы крупныхдвигателей, роторов мощных турбин.   

         Получениеалюминия

Горные породы с высоким содержанием оксида алюминия (бокситы, нефелины,алуниты, каолины) называются алюминиевыми рудами.

Алюминий — самый распространенный в земной коре металл. Главная массаего сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктомразрушения образованных ими горных пород является глина, основной составкоторой отвечает формуле Al2O3.2SiO2.2H2O.Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют бокситAl2O3.xH2O и минералы корунд Al2O3и криолит AlF3.3NaF.

В настоящее время в промышленности алюминий получаютэлектролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленномкриолите. Al2O3 должен быть достаточно чистым, посколькуиз выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температураплавления Al2O3 около 2050 оС, а криолита 1100оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3,содержащую около 10 масс.% Al2O3, которая плавится при960 оС и обладает электрической проводимостью, плотностью ивязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3,,CaF2и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 оС.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собойжелезный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно, собранное изблоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al2O3 = Al3++ AlO33-

Накатоде выделяется жидкий алюминий:

Al3+ + 3е- = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодическивыпускается. На аноде выделяется кислород:

4AlO33- — 12е-= 2Al2O3+ 3O2

Получение меди.

В настоящее время медь добывают только из руд. В зависимости отхарактера входящих в их состав соединение, подразделяют на оксидные исульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из нихвыплавляются 80% всей добываемой меди. Важнейшими минералами, входящими в составмедных руд, являются: халькозин, или медный блеск,Cu2S; халькопирит, или медный колчедан,CuFeS2; куприт Cu2О и малахит CuCO3·Cu(OH)2.

Медные руды, как правило, содержат такое количество примесей, чтонепосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому вметаллургии меди особенно важную роль играет флотационный способ обогащенияруд, позволяющий использовать руды с очень небольшим содержанием меди.

Для получения меди из сульфидных руд обожженную руду сплавляют вшахтных или отражательных печах с кремнеземом и коксом. При этом большая частьжелеза переходит в шлак в виде силиката железа FeSiO3, медь же превращается в сульфит Cu2S, который вместе с остающимися еще в руде сульфидом железа образуетштейн, собирающийся на дне печи под слоем шлака.

Дальнейшая обработка штейна  с целью удаления из него оставшегосяжелеза ведётся в конверторах. Сквозь находящийся в конверторе расплавленныйштейн, к которому добавлено необходимое количество песка, продувают воздух или,что более эффективно, кислород.

Химические процессы, происходящие в  конверторе,довольно сложны. Находящийся в штейне сульфид железа превращается в закисьжелеза и удаляется в виде силиката в шлаке:

2FeS+3O2=2FeO+2SO2

2FeO+2SiO2=2FeSiO3 

Медь восстанавливается до металла. При этом, вероятно,происходят следующие реакции:

2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2

2CuO+ Cu2+6Cu+ SO

Выделяющиеся при этих  реакциях  тепло  поддерживает в  конверторе  температуру 1100-1200ºС и делает излишним расход топлива.

Вдувание воздуха продолжают до тех пор, пока невосстановится вся медь, о чём можно судить по характеру вырывающего изконвертора пламени. Расплавленную медь выпускают из конвектора в песчаныеформы, где она и застывает в виде толстых пластин.

Получение титана

Титан очень распространен в природе; составляя 0,61вес. % земной коры, он стоит впереди таких широко используемых в техникеметаллов, как медь, свинец и цинк.

 Минералы, содержащие титан, находятся в природеповсеместно. Важнейшими из них  являются:  титаномагнетиты  FeTiO3·nFeO4, ильменит  FeTiO3, сфен CaTiSiO5  и рутил TiO2.  Несмотря на большую  распространенность  титана  в природе, его  допоследнего  времени  относили  к  редким  элементам  и  он находил,  лишь весьма  ограниченное  применение. Однако  за  последнее  время  этот  элемент стал   предметам  обширных  и обстоятельных  исследований в  большинстве стран  мира.

Такое  внимание  титану  объясняется тем, что исследование  свойств  чистого  титана, впервые полученного  в 1925 г.,показало, что  в чистом  виде  этот   металл  весьма  пластичен   и  легко  поддается  механической  обработке. Он  хорошо  куется  и прокатывается  в листы  и даже   в  фольгу. Это,  в  сочетании  с высокой  коррозионной устойчивостью  и жаропрочностью, делает  титан  ценнейшим  конструкционным  материалом для  многих  областей  новой  техники, в  частности  для  авиации  и ракетостроения.

Сущность получения металлического титана заключается ввосстановлении четыреххлористого  титана или окислов титана илинатриетермическим способом. В  результате  значительного  количество исследований  разработан  ряд  способов  получения  чистого  титана. Из  них наибольшее  значение  имеет  способ, заключающихся  в  переводе  титановой руды в чистую двуокись титана  с  последующим  ее  хлорированием  в присутствии угля  или молотого графита: 

/>                       TiO2  +  2C12 +  2C           TiC14   +  2CO 

Образовавшийся четыреххлористый  титан восстанавливают  металлическим 

магнием  или натрием: 

/>                         TiC14  + 2Mg           Ti  + 2MgC12

/>                            TiC14   +4Na         Ti  + 4NaC14 

Металлический  титан   плавится  при  1725ºС; плотность  его  равна  4,54 г\см.