METALURŠKI PROIZVODI

Metalurgija - nauka o metalima i postupcima pomoću kojih se metali dobijaju iz ruda i drugih sirovina.

Osnovni proizvodi metalurgije su metali, legure i poluproizvodi na bazi dobijenih metala i legura.

Osnovne osobine metala: dobri provodnici toplote i elektriciteta, na sobnoj temperaturi su čvrsti (osim Hg), njihovi oksidi sa vodom grade baze, zagrevanjem prelaze iz čvrstog u tečno stanje na temperaturi topljenja, mogu se oblikovati (livenjem, kovanjem, presovanjem i dr.).

Upotreba metala u: metalnoj industriji (izrada aparata, mašina, uređaja), domaćinstvu (predmeti široke potrošnje), građevinarstvu, poljoprivredi, metaloprerađivačkoj industriji i dr.

Podela metalurgije Po tehnologijama:

1. Ekstraktivna - dobijanje metala i legura iz ruda 2. Prerađivačka - prerada metala i legura u

poluproizvode i gotove proizvode Po vrsti metala:

1. Crna – dobijanje sirovog gvožđa i čelika2. Obojena – proizvodnja ostalih metala

Podela metala (u odnosu na zapreminsku masu, ili drugu specifičnost): Teški, γ > 3,8 kg/m3

Laki, npr: Al, Mg, Li, Be Retki metali i plemeniti metali (Ir, Ga, Ge, Se, Au, Ag, Pt)

Dobijanje metala

Svetska proizvodnja metala preko 700 mil t/god. Povoljne osobine i velika rasprostranjenost metalnih

elemenata u zemljinoj kori. Nalaze se u obliku jedinjenja – oksidi, sulfidi, karbonati,

sulfati, silikati, osim plemenitih metala: Au, Ag, Pt i donekle Cu

Sadržaj najvažnijih metala u rudama i konc.

Vrsta metala Ruda (%) Koncentrat (%)

Gvožđe, Fe 30 - 65 60 - 65

Aluminijum, kao Al2O3 45 - 65 -

Bakar, Cu 0,4 - 5,0 15 - 30

Cink, Zn 1,5 - 3,0 45 - 60

Olovo, Pb 1,5 - 10,0 50 - 80

Opšta šema dobijanja metala

Priprema rude i obogaćivanje

Obogaćena ruda (koncentrat)

Ekstrakcija metala

Sirovi metal

Rafinacija

Metal

Ruda Jalovina

Topionički gasovi, zgura

Topitelji, redukciono sredstvo, energija

Primese

GVOŽĐE (Fe) Najvažniji i najjeftiniji tehnički metal Proizvodnja gvožđa i čelika čini više od 90% ukupne svetske

proizvodnje metala Osnovne rude gvožđa su:

Hematit, Fe2O3 (45 – 65% Fe) Limonit, Fe2O3·nH2O (25 – 50% Fe) Magnetit, Fe3O4 (40 – 70% Fe) Siderit, FeCO3 (30 – 40% Fe)

Proizvodnja sirovog gvožđa iz gvozdenih ruda se odvija po pirometalurškom postupku u visokoj peći.

Visoka peć (1) vatrostalna opeka(2) otvor ili „usta peći“ (koks, ruda gvožđa i

topitelj)(3) zatvarač(4) gornji konus(5) donji konus(6) trbuh peći(7) pećnica(8) otvor za ispuštanje iz peći u lonce ili

mešače rastopljenog sirovog gvožđa (9) viši otvor kroz koji se iz peći ispušta

šljaka (zgura)(10) duvaljke, kroz koji se ubacuje

pregrejan vazduh u peć da bi potpomogao sagorevanje koksa

(11) centralna cev, kroz koju se pod pritiskom u peć dovodi pregrejan vazduh

(12) izlaz iz peći

Visoka peć• U donjem delu peći najviša

temperatura je 1900 stepeni a idući naviše temperatura opada.

• Ispod trbuha je oko 1300 stepeni i u toj zoni se vrši direktna redukcije kiseonika iz rude gvožđa i ugljenika iz koksa.

• Idući ka vrhu peći temperatura gasa nastalog sagorevanjem je sve manja jer je predaje rudi, koksu topitelju tako da pri vrhu peći i izlasku iz iste je 200 do 400 stepeni.

• Gas se prikuplja i vodi na prečišćavanje jer mu je temperatura još dovoljno visoka da se ne ispušta u atmosferu već se koristi u livnicama za zagrevanje drugih uređaja i sirovina.

ULAZ Ruda Koks (gorivo, redukciono sredstvo i gradi Fe3C) Topitelji (bazni - krečnjak, dolomit, ako su primese Al2O3 ili SiO2 a

kiseli - glina, pesak, ako su primese CaO ili MgO) IZLAZ

Gas visoke peći koji se vraća u proces ili ide kao eksterni energent Zgura, koristi se za izradu silikatne vune ili u proizvodnji cementa Sirovo Fe

a) Sivo sirovo Fe, nastaje na višim temp. (sporije hlađenje)b) Belo sirovo Fe , nastaje na nižim temp. (brže hlađenje)

Za 1t Fe potrebno je do 1,5-2t rude, 0,5t topitelja, 0,75-1t koksa, oko 3200m3 vazduha i 30-40l H2O

Tehnološki gubitak Fe je oko 7%

Proizvodnja belog i sivog sirovog gvožđa Sivo sirovo gvožđe služi za dobijanje odlivaka.

Nastaje postepenim hlađenjem sirovog gvožđa nakon izlivanja iz visoke peći u odgovarajuće kalupe.

Meko je i dobro se lije. Topi se na 1200˚C. Belo sirovo gvožđe služi za dobijanje čelika.

Dobija se naglim hlađenjem sirovog gvožđa, te ugljenik ostaje u obliku cementita.

Tvrđe je i krtije od sivog gvožđa. Topi se na 1100-1150˚C. Procenat ugljenika u belom sirovom gvožđu je 2,5-4,5%.

Preradom sivog sirovog gvožđa proizvodi se LIVENO GVOŽĐE. Za proizvodnju 100 kg livenog gvožđa treba u peć ubaciti oko 140 kg

sirovog gvožđa, 10 kg koksa i oko 3 kg topitelja - krečnjaka. Prednost livenog gvožđa u odnosu na čelik (koji je čvršći) je što se bolje

lije, niža mu je temperatura livenja i niža mu je cena koštanja.

PROIZVODNJA ČELIKA Čelik je legura gvožđa i ugljenika do maksimalne vrednosti od

2,14%. Proizvodi se od belog sirovog gvožđa tako što se posebnim

postupcima količina ugljenika u sirovom gvožđu smanji na maksimum 2,14% ugljenika.

Proizvodnja čelika iz belog sirovog gvožđa vrši se: Konvertorskim postupcima Simens-Martenovim (SM) postupkom Elektropostupcima (u elektro-lučnim i elektro-induktorskim

pećima) Bitna razlika između ova tri postupaka je u načinu dobijanja toplote

potrebne za topljene gvožđa, a i sagorevanje štetnih elemenata iz gvožđa i ugljenika.

Konvertorski postupci Konvertori – čelični sudovi kapaciteta 250 do 400 t, obloženi

vatrostalnim materijalom. Postoje 3 vrste konvertora: Kiseonični – za oksidaciju se koristi čist kiseonik. Obložen je

dolomitnim vatrostalnim materijalom. Oksidacija ugljenika i ostalih primesa je intenzivnija i brža, izbegava se loš uticaj azota (iz vazduha) na kvalitet čelika i smanjuje utrošak energije.

Besemerov – za oksidaciju se koristi vazduh. Obložen je kiselim vatrostalnim materijalom, ne može prerađivati sirovo Fe sa visokim sadržajem S. Zbog zasićenosti azotom ovaj čelik je krt.

Tomasov – za oksidaciju se koristi vazduh. Obložen je baznim vatrostalnim materijalom (dolomit), što omogućava uklanjanje S i P. Kvalitet čelika niži nego kod Besemerovog postupka, zbog većeg sadržaja kiseonika, azota i zgure (koja ima povećani sadržaj fosfora i koristi se kao veštačko fosforno đubrivo - Tomasovo brašno).

Konvertorski postupci

a) U konvertor, koji je iznutra obložen vatrostalnim materijalom, sipa se belo sirovo gvožđe u rastopljenom stanju, komadi starog gvožđa (do 30%) i topitelj - kvarcni pesak.

Kroz cev se u konvertor se uduvava vazduh koji udara o površinu šarže i vrši sagorevanje ugljenika, sumpora, silicijuma, fosfora i mangana iz belog sirovog gvožđa i na taj način se dobija visoka temperatura koja gvožđe - čelik drži u rastopljenom stanju.

Kvarcni pesak pomaže topljenje teško topljivih elemenata i izdvajanje istih u šljaku - trosku koja pliva po površini rastopljenog čelika.

b) Može se primeniti i postupak dovođenja vazduha pod pritiskom, kroz otvor na dnu konvertora.

c) Sagoreli elementi dimom i pepelom izlaze kroz otvor na vrhu van konvertora.

Simens-Martenov (SM) postupak Kroz otvor na vrhu (1) u peć se

ubacuje: belo sirovo gvožđe, staro gvožđe, a ponekad i malo rude gvožđa (radi postizanja

potpune oksidacije), i topitelj - kvarcni pesak ili šljunak.

Topljenje i sagorevanje ugljenika i štetnih materija u peći se vrši generatorskim gasom.

Simens-Martenova peć

Kad se peć napuni, u istu se ubacuje topao vazduh - da bi potpomogao sagorevanje generatorskog gasa.

Generatorski gas se zagreva u komorama (9 i 10), a zatim kroz kanale (7 i 8) dolazi do topilišta.

Temperatura u peći dostiže 1800°C.

Simens-Martenov (SM) postupak Karakteristike ove metode su:

koristi se otpad gvožđa koji je bogat kiseonikom radi bolje oksidacije primesa koje se nalaze u belom sirovom gvožđu,

proces traje 4-6 sati a uzimaju se iz peći uzorci radi kontrole kvaliteta postupka i dobijenog čelika,

tokom procesa u peć se mogu dodavati određeni metali radi legiranja čelika,

kapacitet peći je od 100 do 150 t/h čelika a postoje i veće peći koje proizvode i do 400 tona.

Nepovoljna strana ovog postupka je što ipak temperaturu u peći ne možemo držati konstantnom.

Ukoliko dođe do smanjenja ugljenika ispod 1,7 % proces se može popraviti dodavanjem u peć ugljene prašine.

Elektrolučni postupak Peć se napuni belim sirovim gvožđem,

starim gvožđem i topiteljem u čvrstom stanju, a ponekad se dodaje i malo rude koja je bogata kiseonikom potrebnim za redukciju.

Elektrode izrađene od gafita su međusobno razmaknute i kroz iste se propušta jednosmerna struja, koja zbog razmaknutosti elektroda stvara električni luk, te se razvije temperatura i do 4000°C koja topi šaržu u peći.

Pored topljenja belog sirovog gvožđa vrši se i sagorevanje ugljenika do ispod 2,14% kao i drugih štetnih materija iz gvožđa.

Ova peć se nalazi na pokretnom postolju kako bi nakretanjem iz iste mogao da se izliva čelik.

BAKAR (Cu) Bakar je crvenkasto sjajne boje, a stajanjem na vazduhu oksidiše i prevlači

se tankim slojem baznog karbonata (patina). Poseduje veliku električnu i toplotnu provodljivost. Najvažniji minerali bakra su:

kovelin (CuS), halkozin (Cu2S), halkopirit (CuFeS2), kuprit (Cu2O),

Postupci za dobijanje bakra: Pirometalurški postupci - prerađuju se sulfidni koncentrati, Hidrometalurški postupci - za dobijanje bakra iz oksidnih i oksidno-

sulfidnih ruda, Elektrometalurški postupci - elektrolitčka rafinacija ili izdvajanje bakra iz

rastvora soli.

Postupak proizvodnje bakra

Postupak proizvodnje bakra Sa površinskog kopa iskopana ruda se transportuje na preradu. Ruda se drobi u ”puž” ili bokser drobilicama, a potom unosi u mlin čiji bubanj se

okreće oko horizontalne ose. U njemu se nalaze kugle od belog livenog gvožđa koje usled okretanja padaju na rudu i melju je.

Flotacija predstavlja obogaćivanje - čišćenje rude od jalovine. U bazen napunjen vodom i penilom sipa se samlevena ruda. Kroz vodu se u bazen upumpava vazduh koji stvara mehure. Bakar je hidrofoban - odbija vodu pa se lepi za mehure vazduha koji ga odnose

na površinu, dok nečistoća koja je hidrofilna upija vodu i kao teža pada na dno bazena.

Sa površine se prikuplja koncentrat rude koji sadrži 20% bakra. Koncentrat se suši i uvodi u plamenu peć.

U plamenim pećima se vrši delimično prženje i topljenje rude bakra, uz prisustvo koksa i topitelja - krečnjaka.

U peć se kroz otvor na dnu uduvava vazduh koji potpomaže sagorevanje koksa i stvaranje potrebne tempereture za topljenje rude.

Kroz poseban otvor se odvodi šljaka ili troska, a kroz drugi rastopljen bakar. Na ovaj način proizveden je bakrenac koji sadrži 30-40% bakra.

Postupak proizvodnje bakra Radi proizvodnje bakra čistoće 97-98,5% u konvertor se sipa u tečnom

stanju bakrenac i topitelj - kvarcni pesak, i kroz cev se u konvertor uduvava vazduh radi produvavanja bakra i sagorevanja štetnih primesa.

Gvožđe-sulfid iz bakrenca oksidiše i pretvara se u konvertorsku šljaku - trosku.

Kad se u konvertoru završi ovaj proces, počinje drugi gde se vrši oksidacija bakar-sulfata sa uduvanim vazduhom.

Na ovaj način se dobija rafinisani bakar čistoće 98 do 99% koji se izliva u kalupe, a troska koja je plivala po površini ponovo se vraća u plamenu peć.

Elektrolitičkom rafinacijom bakra dobija se bakar koji je čistoće 99,99%. U specijalne bazene koji su napunjeni elektrolitom (sumpornom

kiselinom) potapa se izlivena tabla rafinisanog bakra koja prestavlja anodu.

Propuštanjem jednosmerne struje kroz rastvor nastaje elektroliza bakra te se na katodu taloži rafinisani bakar.

Iz nataloženog mulja specijalnim postupcima se vrši izdvajanje plemenitih metala: zlata, srebra, platine.

UPOTREBA BAKRA U elektro-industriji jer je dobar provodnik električne struje i

koristi se na mestima koja su izložena dejstvu vode i vlage.

LEGURE BAKRA Legura bakra i cinka zove se mesing - mnogo se koristi u

industriji kao materijal od koga se prave ležišta. Legura bakra i kalaja je kalajna bronza - otporna je na koroziju

i ima primenu u livarstvu. Legura bakra sa aluminijumom zove se aluminijumska

bronza. Oznaka CuAl8Fe3 označava da se radi o leguri bakra sa

aluminijumom 8% i gvožđem 3%.

CINK (Zn) Svetloplavičaste boje, tačka topljenja je 419°C, gustina 7,1 kg/dm3. Krt je i ne može se plastično deformisati. Na temperaturi od 100-150°C dobro se valja, izvlači i kuje. Otporan je na vodu i vazduh jer se prevlači oksidom koji ga štiti od

daljeg razaranja. Upotrebljava se za prevlačenje čeličnih konstrukcija radi zaštite od

korozije, kao i uzradu limova za pokrivanje kuća i oluka. Najvažniji mineral cinka je sfalerit (ZnS), manje značajni smitsonit

(ZnCO3) i cinkit (ZnO). Ukoliko cinka u rudi ima 2-3% smatra se da je ta ruda bogata

cinkom.

Postupak proizvodnje cinka Nakon što se ruda iskopa ona se drobi i melje. Zatim se postupkom flotacije vrši prečišćavanje rude. Nakon sušenja ruda se uvodi u peć gde se vrši prženje i dobija

se prženac. U peći se vrši redukcija cinka u cink oksid zašta se koristi

ugljenik iz koksa. Nakon toga u pećima se vrši destilacija, a potom u

kondenzatorima kondenzacija. S obzirom da je temperatura u peći viša od temperature

topljenja cinka, on isparava i dobija se cink u obliku pare koja se kasnije kondenzuje, tako da se dobija cink u čistom stanju čija je čistoća 96-99%.

Na kraju se može vrši destilacija ili elektroliza cinka da bi se dobio cink čistoće 99,99%.

OLOVO (Pb)KARAKTERISTIKE OLOVA Plavičasto-sive boje koja na vazduhu brzo tamni Spada u grupu teških metala jer mu je težina 11,34 kg/dm3, tačka topljenja

je 327°C. Loš je provodnik električne energije i toplote, a dobar je izolator. Vrlo je mek i u hladnom stanju se može valjati na tanke limove.UPOTREBA za proizvodnju akumulatora, zbog korozione otpornosti se koristi za zaštitu kablova i u hemijskoj

industriji, za izradu štamparskih slova, u nuklearnoj tehnici radi zaštite od gama zračenja, za proizvodnju tetra-etil olova koje se dodaje benzinu da bi mu povećao

otpornost prema detonacijama, u vojnoj tehnici za municiju, u proizvodnji boja, lakova, industrijskih guma, keramike, stakla i dr.

Postupak proizvodnje olova Ruda od koje se dobija olovo je galenit (PbS), koji obično sadrži od 2-8%

olova. Nakon vađenja rude ista se drobi, melje i postupkom flotacije obogaćuje,

pri čemu se dobija koncentrat koji sadrži 70-80% olova. Nakon toga vrši se prženje koncentrata olova radi prevođenja olovo-

sulfata u olovo-oksid. Na beskonačnu traku - rešetku se sipa koncentrat rude. Na početku rešetke ruda se pali gorionikom da bi se postigla temperatura

redukcije. Iznad rešetke se dovodi vazduh da bi se odveli sagoreli gasovi. Zbog povišene temperature dolazi do otapanja čestica olova, tako da se

dobija ukrupnjeni proizvod - aglomerat koji se potom drobi i dodaje mu se 8-14% koksa koji služi kao gorivo i za redukciono topljenje olova.

Peć je slična visokoj peći za topljenje gvožđa. Kroz niži otvor se ispušta u kalupe olovo a kroz viši šljaka koja pliva.

Proizvedeno olovo je čistoće 99%. Ukoliko želimo proizvodnju još čistijeg olova vrši se njegova rafinacija.

Šematski prikaz uređaja za prženje olovnih koncentrata

ALUMINIJUM (Al) Posle kiseonika i silicijuma, aluminijum je

najrasprostranjeniji element u zemljinoj kori. Najvažnija ruda su boksiti iz kojih se dobija 90% Al u svetu

(35-70% Al2O3). Tehnološki proces sastoji iz:

1. Prerade boksita do glinice i2. Elektrolitičkog dobijanja aluminijuma.

Bajerov postupak - Rastvaranje boksita u rastvoru NaOH, dobija se Na-aluminat pa se mešanjem sa Al(OH)3 i naknadnim kalciniranjem dobija glinica Al2O3.

Erulova elektroliza - Glinica se uvodi u kriolit, na temperaturi 940-9600C nastaje razlaganje a elektrolizom se dobija aluminijum čistoće 99,8%.

Šematski prikaz dobijanja Al

KARAKTERISTIKE ALUMINIJUMA Spada u grupu lakih metala jer mu je težina 2,7 kg/dm³. Tačka topljenja je 660°C. Dobro provodi električnu struju. Može se valjati u najtanje limove i do 0,004 mm i izvlačiti u

veoma tanku žicu.

UPOTREBA U auto industriji, za izradu felni ili livenje blokova motora. U vojnoj industriji za livenje blokova motora za tenkove. U avio industriji. U građevinarstvu .

PITANJA1. Šta je metalurgija i koji su joj osnovni proizvodi?2. Osobine i upotreba metala.3. Podela metalurgije i metala.4. Opšta šema dobijanja metala.5. Koje su osnovne rude za dobijanje gvožđa?6. Objasniti proces proizvodnje gvožđa u visokoj peći.7. Objasniti razliku između belog i sivog livenog gvožđa.8. Šta je čelik i koji se postupci primenjuju za njegovo dobijanje?9. Nabrojati najvažnije minerale bakra i postupke za njegovo dobijanje.10. Šematski predstaviti i objasniti postupak proizvodnje bakra.11. Zašto se vrši legiranje i navesti legure bakra.12. Karakteristike cinka, način dobijanja i primena.13. Karakteristike olova, način dobijanja i primena.14. Karakteristike aluminijuma, način dobijanja i primena.