wojskowa akademia techniczna · metalurgia stali, żeliwa i metali nieżelaznych ... ekstrakcyjna...
TRANSCRIPT
Metalurgia stali, żeliwa i metali nieżelaznych
Rudy metali
Metody wytopu
Sprzęt i urządzenia metalurgiczne
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Nowych Technologii i Chemii
KATEDRA ZAAWANSOWANYCH MATERIAŁÓW I TECHNOLOGII
Opracował: dr inż. Radosław Łyszkowski
W 2:
MATERIAŁ
Szereg powiązanych ze sobą procesów technologicznych pozwalających na uzyskiwanie metali z rud
i surowców wtórnych
nauka o metodach otrzymywania metali z rud
żelaza i metali nieżelaznych
Procesy metalurgiczne
- wstępna przeróbka rudy
- wzbogacanie rudy
- procesy hutnicze
- rafinacja
Procesy metalurgiczne
mają za zadanie
wydzielenie metali ze
związków z jakimi
występują w używanych
do tego rudach
Dziedziny pokrewne
- kopalnictwo
- wytwarzanie
stosowanych paliw
- odlewnictwo
- przeróbka plastyczna
i związana z nią
obróbka cieplna
- pirometalurgiczne
- elektrometalurgiczne
- hydrometalurgiczne
- metalurgia proszków
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 2
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
Podstawowe procesy metalurgiczne to:
• wstępna przeróbka rudy
• wzbogacanie rudy
• proces hutniczy
• rafinacja
Materiałami wyjściowymi przy produkcji
stopów żelaza są ruda, koks lub inne
nośniki ciepła, topniki oraz materiały
ogniotrwałe.
METALURGIA ŻELAZA
RUDY ŻELAZA
Ruda jest skałą zawierającego metal i minerały nie będących źródłem metalu, a
noszące nazwę skały płonnej. Zawartość metali w rudzie wynosi do 70%.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 4
Związki żelaza (tlenki, wodorotlenki,
węglany, siarczki)
Skała płonna (kwarcyt , piasek, glina,
tlenki wapnia, tlenki magnezu, inne)
Magnetyt (żelaziak magnetyczny) – tlenek żelazowo-żelazawy Fe3O4
zawiera 40-70% Fe, pochodzenia wulkanicznego, o dobrych
właściwościach magnetycznych, ciemno-szary, trudnotopliwy. Zawiera
domieszki siarki i fosforu. Występuje w Szwecji, Norwegii, Rosji, USA
oraz uboższe rudy w Chinach i Indiach. W Polsce minerał ten
występuje na Dolnym Śląsku, w okolicy Złotoryi i na Suwalszczyźnie.
Hematyt (żelaziak czerwony) – tlenek żelazowy Fe2O3
zawiera 50-60% Fe i mało szkodliwych zanieczyszczeń (S i P);
barwa od ciemno-czerwonej do ciemno-szarej, łatwotopliwy, nie
tworzy zwartej i twardej masy kopalinowej; Fe łatwo się redukuje.
Występuje w Ukrainie (Krzywy Róg), USA (Wielkie Jeziora),
Hiszpanii i we Włoszech. W Polsce niewielkie ilości w ok. Gór
Świętokrzyskich, w Karkonoszach, w Kotlinie Kłodzkiej i na
Kujawach
RUDY ŻELAZA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 5
Limonit (żelaziak brunatny) – uwodniony tlenek
żelazowy 2Fe2O3. 3H2O
zawiera 30-53% Fe, b. rozpowszechniony, powstaje w
wyniku wietrzenia innych rud, łatwotopliwy, barwy od
żółtej do brunatnej, mocno zanieczyszczony (S, P, As),
porowaty i łatwo redukujący się do Fe.
Występuje we Francji, Niemczech, Algierze, Austrii,
Hiszpanii, Polsce (Góry Świętokrzyskie, Opoczno), Rosja.
Syderyt (żelaziak szpatowy) – węglan żelazawy FeCO3
zawiera 30-40% Fe, łatwotopliwy, barwy żółto-białej lub brudno-
szarej. Przed wytopem poddaje się go prażeniu celem
usunięcia wilgoci i do Fe2O3.
Występuje w Australii, Austrii, Niemczech, Anglii, Hiszpanii, Rosji
i USA. W Polsce – w rejonie Częstochowy i w Górach
Świętokrzyskich.
PRZYGOTOWANIE RUD ŻELAZA
Od jakości przygotowania wsadu (rudy żelaza, koks, topniki) zależy wydajność
wielkich pieców. Wydatki na wydobycie rud stanowią 25-27% całości kosztów
produkcji, a przygotowanie wsadu to kolejne 26-28%.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 6
1. Operacje przygotowania rud oparte na własnościach fizycznych materiałów: • rozdrabnianie i klasyfikacja • operacje wzbogacania rud: przebieranie ręczne, wzbogacanie
grawitacyjne, magnetyczne i elektrostatyczne, flotacja • operacje wykańczające i pomocnicze: oddzielanie koncentratów od wody
(zagęszczanie, filtrowanie, suszenie), zbrylanie przez brykietowanie i grudkowanie
2. Operacje przygotowania rud mające charakter przeróbki chemicznej: • zbrylanie materiałów przez spiekanie, • wzbogacanie ogniowe rud węglanowych, • prażenie utleniające rud i koncentratów siarczkowych, prażenie
utleniające ze spiekaniem.
Rudy bogate w żelazo rozdrabnia się do 30-80 mm, a ubogie (limonity i syderyty)
praży się i dopiero rozdrabnia.
PRZESIEWACZE I SEPARATORY
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 9
Przesiewacz bębnowy
Separator magnetyczny
W separatorach sposobem
elektromagnetycznym wzbogaca się rudy
ubogie zawierające wtrącenia Fe3O4
Przesiewacz wibracyjny
PRZEMIANA ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL
Prażenie rud metali w odpowiedniej atmosferze w różnego rodzaju
piecach prowadzi się w celu polepszenia ich jakości, ułatwienia dalszej
przeróbki względnie podwyższenie zawartości metalu.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 10
Proces prażenia polega na
nadtapiania powierzchniowym
części drobnych ziaren rudy (np.
zmielonej w czasie wzbogacania)
i ich zlepianiu się w pożądanym
stopniu. Dodatkowo dochodzi do
rozkładu zawartych w rudzie
substancji, co ułatwia późniejszą
ekstrakcję metalu.
USUWANIE SKAŁY PŁONNEJ Z RUDY
Opłaca się uzyskiwać metal nawet z rud o zawartości metalu < 1%.
1. wzbogacanie grawitacyjne - wykorzystuje się różnicę
gęstości rudy i wody (płukanie, sedymentacja)
2. wzbogacanie elektryczne (elektromagnetyczne,
elektrostatyczne)
3. wzbogacanie flotacyjne - wykorzystuje się różną
zwilżalność składników rudy
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 11
SCALANIE KONCENTRATU
Spiekanie - scalanie przez nadtopienie powierzchni cząstek
Brykietowanie - prasowanie miałkiego koncentratu w formach zawierającego środek
wiążący (glinka, szkło wodne, smoła, cement). Brykiety po wysuszeniu na powietrzu
lub wyprażeniu – osiągają wymaganą wytrzymałość i są dobrym surowcem do
wytapiania surówki.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 12
AGLOMERACJA czyli scalanie rud realizowane w wysokowydajnych maszynach
ciągłego działania pozwala uzyskać 2–2,5 tys. t aglomeratu na dobę.
Grudkowanie - nawilżony, drobnoziarnisty
koncentrat zostaje zbrylony w bębnach lub
misach, zwanych grudkowniami. Pod wpływem
zjawisk kapilarnych koncentrat formuje prawie
regularne kulki o średnicy 20-35mm, które
poddaje się następnie spiekaniu
Wstępne procesy metalurgiczne
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 13
Polegają na:
• wydzielaniu metalu ze związku zawartego w
koncentracie
• oddzielaniu od metalu skały płonnej
Procesy te dzielą się na:
• pirometalurgiczne i elektrotermiczne
- procesy redukcyjne
- metoda dysocjacji termicznej
• elektrolityczne
• hydrometalurgiczne
PROCESY PIROMETURGICZNE
PRZEBIEGAJĄ KOSZTEM CIEPŁA SPALANEGO PALIWA LUB INNYCH REAKCJI
EGZOTERMICZNYCH
Otrzymywanie metali oparte jest na odtlenianiu - redukcji tlenkowych rud metali,
najczęściej za pomocą:
Węgla (C)
Tlenku węgla (CO)
Wodoru (H2)
METALOTERMII – stosowanie metali jako bardziej aktywnych reduktorów, np.
aluminotermia (Al – jako reduktor niektórych tlenków metali – stosowane do
wytwarzania Mn, Cr)
3MeO + 2Al = 3Me + Al2O3
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 14
Zwane metalurgią ogniową, gdyż dotyczą metod otrzymywania metali w wysokich
temperaturach. Są podstawowymi procesami w metalurgii żelaza, gdyż mają za
zadanie otrzymanie metalu i ewentualnie jego rafinację.
Redukcja (elektronacja) Pobieranie elektronów
przez substancję chemiczną
Redukcji towarzyszy zmniejszenie stopnia utlenienia
przynajmniej jednego atomu w substancji
chemicznej. Redukcja zachodzi równocześnie z
procesem utleniania.
Utlenianie (deelektronizacja, oksydacja)
Oddanie elektronów przez substancję chemiczną …
… towarzyszy zwiększenie stopnia utlenienia przynajmniej jednego atomu w
substancji chemicznej. Reakcję gwałtownego utleniania z wydzieleniem dużej ilości
ciepła i światła nazywamy s p a l a n i e m.
Spiekanie
Proces ogrzewania sproszkowanych lub drobnoziarnistych substancji do temp.
bliskiej TC bez doprowadzenia ich do stanu ciekłego
W wyniku spiekania następuje nadtopienie powierzchni i sklejenie poszczególnych
ziaren w porowatą masę. Spiekanie pozwala na połączenie składników, których
złączenie innymi metodami jest niemożliwe. Stosuje się je w przemyśle
ceramicznym i metalurgicznym.
PROCESY PIROMETURGICZNE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 15
PROCESY ELEKTROMETURGICZNE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 16
ELEKTROTERMICZNE …
Przebiegające w wysokich temperaturach uzyskanych przez wykorzystanie energii
elektrycznej (otrzymywanie stali i stopów żelaza w piecach elektrycznych)
ELEKTROCHEMICZNE …
Metody otrzymywania metali (Al, Mg,
Be) oraz stali i stopów żelaza, ze
stopionych związków metali
których tlenki odznaczają się dużą
trwałością. W wyniku elektrolitycznej
dysocjacji związku zawierającego
metal, jony metalu osadzają się na
katodzie w stanie stałym lub ciekłym.
Polegają na topieniu i rafinacji wsadu metalowego w piecach elektrycznych
łukowych, oporowych i indukcyjnych oraz procesach elektrolizy roztopionych soli lub
wodnych roztworów. Służą głównie do otrzymywania metalu ze związków trudno
rozkładających się lub trudnych do zredukowania, np. tlenek aluminium.
Piec elektryczny łukowy
PROCESY HYDROMETALURGICZNE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 17
W procesach tych pozyskuje się metale z
wodnych roztworów soli, przez
rozpuszczanie metali zawartych w
rudzie (koncentratach, odpadach
poprodukcyjnych) za pomocą kwasów lub
zasad, w temperaturze poniżej 100 C. W
ich ramach dochodzi również do
usuwania szkodliwych substancji.
Obejmują one takie operacje jak:
• ługowanie,
• filtracja,
• cementacja,
• flotacja.
Procesy hydrometalurgiczne są znacznie prostsze niż
pirometalurgiczne, umożliwiają przeróbkę materiałów o
niskiej zawartości metalu i w dużych ilościach.
Strącanie Mg z blendy
… z wodnych roztworów po ługowaniu
wydzielane są metale za pomocą:
o wytrącania nierozpuszczalnych związków
o elektrolizy
o wymiany jonowej
o sorpcji na węglach aktywnych
o redukcji wodorem
TOPNIKI
CaCO3 (kamień wapienny)
CaCO3 . MgCO3 (dolomit)
z niewielką ilością
S i P
Skład chemiczny topników dobiera się
w zależności od składu
chemicznego skały płonnej
Jeżeli w skład skały płonnej rudy wchodzi:
krzemionka, to dodaje się topniki zasadowe
CaCO3, MgCO3 lub CaCO3. MgCO3
składniki zasadowe, to dodaje się topniki kwaśne
SiO2 lub żużle kwaśne z procesów stalowniczych
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 18
To dodatki do procesu wytopu stosowane w celu obniżenia temperatury topnienia
skały płonnej, jej upłynnienia i oddzielenia w postaci usuwalnych żużli.
Fluoryt
topnik w produkcji Al
PALIWA STOSOWANE W METALURGII
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 19
Rodzaj paliwa Naturalne Sztuczne
Stały Drewno
Torf
Węgiel brunatny
Węgiel kamienny
Węgiel drzewny
Koks
Półkoks
Pył węglowy
Ciekły Ropa naftowa Destylaty ropy naftowej
Destylaty smoły pogazowej
Benzyna syntetyczna
Gazowe Gaz ziemny Gaz świetlny
Gaz koksowniczy
gaz czadnicowy
Gaz generatorowy
Gaz wielkopiecowy
Energia elektryczna
Paliwo jądrowe
PALIWA STAŁE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 20
WĘGIEL DRZEWNY Wytwarzany poprzez suchą destylację drewna w piecach
komorowych bez dostępu powietrza
zastosowanie:
- do wytopu surówek
wysokojakościowych
- tylko w niektórych zakładach w
Rosji i Szwecji
WĘGIEL KAMIENNY
KOKS
skład:
- 80-90% C
- 10-18% ciał lotnych
- 0,5-2,5% popiołu
- znikoma ilość S
właściwości:
- ciepło spalania
~30 MJ/kg
-porowatość 73-85%
-niska wytrzymałość
Kopalina naturalna
-paliwo do pieców płomieniowych
i urządzeń wytwarzających
paliwo gazowe w generatorach
-do otrzymywania koksu
- 75-90% C
- 2-6% wodór
- 2-4% siarka
- 10-20% popiół
- ciepło spalania
~33 MJ/kg
Produkt suchej destylacji zmielonego (3 mm) węgla koksującego w piecach
komorowych (koksowniczych) w (1000–1200) C
- paliwo do wytopu surówek - 82-88% C
- 5-20% popiołu
- 0,5-2% S
- 2-6% ciał lotnych
- ciepło spalania
~30 MJ/kg
- porowatość 49-53%
- gęstość 0,84-0,86 kg/dm3
MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 22
Pozyskiwania metali oparte na ich wytopie z rud w wysokich
temperaturach. Dlatego wewnętrzne wykładziny pieców
wykonuje się z materiałów ogniotrwałych, wbudowanych
w zewnętrzny stalowy płaszcz lub szkielet.
Wykładziny te muszą być zdolne zarówno do przenoszenia
obciążeń w wysokiej temperaturze, wytrzymania
gwałtownych zmian temperatury i chemicznego
oddziaływania żużla i gazów piecowych.
W zależności od zachowania się względem żużli, dzielimy materiały ogniotrwałe na:
1. kwaśne – odporne na działanie żużli kwaśnych – podstawowym składnikiem jest
SiO2 lub Al2O3 (materiały krzemionkowe, kwarcowo – szamotowe, szamotowe)
2. zasadowe – odporne na działanie żużli zasadowych – podstawowym składnikiem
jest CaO lub MgO (magnezytowe, dolomitowe, dolomitowo – magnezytowe i
chromitowo – magnezytowe),
3. neutralne lub amfoteryczne (obojętne) – słabo reagujące z żużlami zarówno
zasadowymi jak i kwaśnymi lub też wykazujące pełną odporność na ich działanie –
podstawowymi składnikami są: Cr2O3, Zr2O3, SiC lub C (chromitowe, cyrkonowe,
karborundowe i węglowe).
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 23
Złom niskiej jakości dodajemy we
wstępnym procesie metalurgicznym,
a najlepszej jakości w procesach
odlewniczych lub podczas wytwarzania
stopów.
ZŁOM
Jakość złomu wynika ze:
Składu chemicznego – zależy od sortowania, przechowywania
i pochodzenia
Zanieczyszczeń – mogą być pochodzenia mechanicznego,
metalurgicznego i chemicznego, np. produkty korozji
Rozdrobnienia
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 24
Procesy rafinacyjne
Rafinację stosuje się w celu usunięcia
zanieczyszczeń z metalu otrzymanego we
wstępnych procesach metalurgicznych lub z
przetapianego złomu.
Fizyczne metody rafinacji wykorzystują
• różnice właściwości fizycznych metalu i zanieczyszczeń (gęstość, lepkość)
• różne zjawiska fizyczne (parowanie, kondensacja, rozpuszczanie i wydzielanie)
W procesach tych dąży się do usunięcia zanieczyszczeń z ciekłego metalu poprzez
ich przejście do żużla lub do atmosfery.
Metody mechaniczne wykorzystują
• filtrowanie przez ceramiczne filtry, szczególnie często stosowane w metalurgii Al
• wibracja i ultradźwięki oraz mieszanie są czynnikami przyśpieszającymi proces!
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 25
Chemiczne metody rafinacji
Polegają na wprowadzeniu do metalu substancji rafinującej, która reaguje z
zanieczyszczeniem. Produkt reakcji przechodzi do żużla lub atmosfery.
RAFINACJA
Fizyczna Chemiczna
• żużlowa
• gazowa
• próżniowa
Elektrolityczna
Ekstrakcyjna
• żużlowa
• gazowa
• próżniowa
Przez zmianę stanu
skupienia
• krzepnięcie postępujące
• topienie strefowe
• destylacja rektyfikacja
Mechaniczna
• filtrowanie
• wibracja
ultradźwięki
WYTWARZANIE STOPÓW
Rafinowany metal w stanie ciekłym może być wykorzystany do
otrzymywania stopów. Można wprowadzać dodatki stopowe w
postaci czystych metali (brak obawy przed utlenianiem) lub
zapraw, które następnie odlewa się w formie wlewków lub
gąsek.
• Czysty metal i stopy mogą podlegać zabiegowi modyfikacji, która polega na
wprowadzeniu do metalu pierwiastka (modyfikatora) w ilości nie przekraczającej
ułamka procentu masy modyfikowanego metalu!
• Zabieg daje: rozdrobnienie faz, zmianę kształtu faz w strukturze i ich rozmieszczenia
• Istotnie zmieniają się właściwości metalu!!!
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 26
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
STOPY ŻELAZA
Stal – techniczny stop żelaza zawierający do 2.06% C
oraz innymi pierwiastkami (dodatki stopowe) plastycznie
przerobiony, cieplnie obrobiony.
Staliwo – techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C
oraz innymi pierwiastkami (dodatki stopowe stali) odlany do
form, nie przerobiony plastycznie.
Surówka jest to stop żelaza z węglem (najczęściej 2,5 –
4,5% C) oraz innymi pierwiastkami (Si, Mn, P, S)
otrzymywany w wyniku redukcji rudy żelaza, przeznaczony
do dalszej przeróbki na inne stopy żelaza.
Żeliwo – stop żelaza z węglem i z innymi pierwiastkami jak
Mn, Si, P, S o zawartości węgla 2-6.67% (praktycznie 2,6-3,8%)
stosowany w postaci odlewów.
27
70 $/t 500 $/t
300 $/t
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
METALURGIA SURÓWKI
1340 - w okolicach Namur w Belgii powstaje pierwszy wielki piec (WP). Wykonywano
w nim odlewy żeliwne lub z żelaza zgrzewnego, przez tzw. fryszowanie.
1735 - A. Darby jako pierwszy wytopił surówkę wykorzystując koks.
XIXw. początek - opanowano metodę otrzymywania Fe w piecach pudlarskich
(wyłożone tlenkiem żelaza, z którego tlen redukował węgiel w roztopionym metalu)
1856 - Henrry Bessemer buduje konwertor do świeżenia surówki tlenem z powietrza
1865 - Emil i Piotr Martin oraz W. Siemens konstruują piec martenowski (płomienny)
do świeżenia surówki
1878 – Sidney G.Thomas tworzy konwertor do świeżenia surówek bogatych w fosfor
XIX / XX w. - opracowano proces rafinowania stali w piecach elektrycznych.
Otrzymywanie surówki żelaza z rud polega
na redukcji tlenków żelaza za pomocą
węgla i tlenku węgla, który jest silnym
reduktorem reagując z tlenkami żelaza w
całej objętości pieca.
Szybkość redukcji rośnie ze wzrostem T, a
wydzielanie produktów reakcji w stanie
ciekłym sprzyja usuwaniu zanieczyszczeń.
Dlatego proces przeprowadza się w wysokiej
temperaturze w tzw. wielkich piecach. 28
WYDZIAŁ WIELKICH PIECÓW
Wielki piec – konstrukcja do 30 m wys. i 3000 m3 poj.
Do wytworzenia 1 tony surówki potrzeba:
- 2000 kg aglomeratu topnikowego i rudy
- 800 kg koksu
- 2200 m3 powietrza
Otrzymuje się:
- 1000 kg surówki
- ok. 700 kg żużla
- 3000 m3 gazu wielkopiecowego
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 29
WIELKI PIEC
WP jest konstrukcją stalową o wewnętrznym wyłożeniu
z wysokojakościowej cegły szamotowej
Gardziel – przyjmowanie wsadu i odprowadzanie
gazów
Przestron – najszersza część pieca, strefa topienia
– redukcja FeO przez tlenek węgla
– strefa powstawania żużlu
Gar – cylindryczne naczynie, w którego górnej części
są dysze dostarczające gorące powietrze,
– redukcja siarki i fosforu
Trzon – najniższa część garu, gdzie spływa surówka i
żużel
Szyb – odparowanie wody,
– redukcja rud i gazów
Spad – zasadnicza strefa wytopu
– redukcja bezpośrednia Fe i Mn
300 C
1350 C
600 C
1200 C
1800 C
1400 C
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 30
PRODUKTY PROCESU WIELKOPIECOWEGO Ze względu na budowę
Biała – przełom biały, zawiera węgiel wyłącznie w stanie związanym – cementyt
Szara – przełom szary, zawiera węgiel w stanie wolnym – grafit
Pstra (połowiczna) – zawiera skupiska węgla w stanie związanym i wolnym
Su
rów
ki
Ze względu na zawartość fosforu
Fosforowa – o zawartości fosforu do 1.2%
Hematytowa – o zawartości fosforu do 0.1%
Ze względu na przeznaczenie
Besemerowska – o dużej zawartości Si, nie zawiera S i P
Martenowska – przeznaczona do wytopu w piecu martenowskim
Tomasowska – o dużej zawartości P i małej Si
Odlewnicza – przeznaczona do przetopu w odlewni żeliwa
Żela
zo
sto
py
Żelazokrzemy, o zawartości 9-17% lub ~80% Si
Żelazomangany, zawierające 50-80% Mn
Surówki specjalne, zawierające 2-4% Si i 1.5-3.5% Mn
Surówki zwierciadliste, zawierające 6-24% Mn, 8-13% Si i opcjonalnie 5-7.5% C
Żużel kawałkowy, granulowany, pienisty i wełnę żużlową – otrzymywane
przez wylewanie go i różnym sposobie chłodzenia wodą lub rozdmuchiwanie
Inn
e
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 31 Gaz wielkopiecowy – wykorzystywany do nagrzewania powietrza w procesie
WP oraz jako gaz opałowy
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
Procesy stalownicze
Istotą procesu stalowniczego jest zmniejszenie zawartości węgla w metalu.
Dokonuje się tego przez utlenienie (wypalanie) węgla i innych niepożądanych
pierwiastków za pomocą tlenu wprowadzonego do ciekłego metalu.
W tym celu surówkę poddaje się dalszemu przetopowi w konwertorach lub w
piecach elektrycznych.
Proces stalowniczy składa się z 3 podstawowych etapów:
I - ładowanie i topienie wsadu metalowego
II - świeżenie metalu
III - odtlenianie stali
Materiały wsadowe w procesach
stalowniczych można podzielić na
dwie grupy:
Metaliczne: surówka przeróbcza,
złom, odtleniacze oraz dodatki
stopowe;
Niemetaliczne: topniki (wapno,
kamień wapienny, piasek, boksyt i
fluoryt) oraz utleniacze domieszek
(ruda Fe lub Mn, powietrze czy tlen).
Stalownia huty Trzyniec 32
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT
ŚWIEŻENIE i ODTLENIANIE STALI
Świeżenie to chemiczny proces rafinacyjny polegający na wprowadzeniu do metalu
FeO z żużla (bogatego w tlenek) lub z gazu (tlen). Zachodzi kolejno:
Mn + FeO Fe + MnO
Si + 2FeO Fe + SiO2
C + FeO Fe + CO
Powstałe tlenki przechodzą do żużla, a CO w postaci pęcherzy do atmosfery.
Z kolei, aby pozbyć się nadmiaru wprowadzonego FeO, prowadzi się proces
odtleniania stali. Uzyskuje się to przez wprowadzenie Mn i Si w postaci
wytworzonych wcześniej żelazostopów.
Wlew surówki wielkopiecowej do konwertera
Końcowy etap procesu stalowniczego to
„uspokojenie stali” za pomocą aluminium,
które silnie wiąże pozostały tlen (Al2O3).
Podczas odtleniania zmniejsza się również
zawartość siarki (CaS).
Składniki stopowe stali (pożądane):
Cr, Mn, W, Cu, Mo, Ti
Zanieczyszczenia: O2, N2, S, SxOy, PxOy
Pierwiastki regulowane: C, Si, Mn 33
Konwertory
• Zbiorniki ciekłego metalu w kształcie gruszki wykonany z blachy i wyłożone
materiałem ogniotrwałym (kwaśnym lub zasadowym)
• Służą do gazowej rafinacji metali
• Rafinatorem jest powietrze lub tlen przedmuchiwany przez metal
• W procesie nie ma zewnętrznego źródła ciepła
• Ciepło pochodzi od ciekłego metalu i zachodzących
reakcji egzotermicznych (powstających tlenków)
• Największe zastosowanie w stalownictwie i do
otrzymywania miedzi
• Pojemność od kilku do kilkuset ton
• Krótki czas trwania procesu
• Wysoka sprawność (do 30% stałego wsadu)
• Może zachodzić usunięcie S i P
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 34
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 35
PROCESY KONWERTOROWE BESSEMEROWSKI 1855 THOMASOWSKI 1877 Tlenowy L-D 1955
Typ procesu: kwaśny zasadowy zasadowy
Wsa
d Surówka w stanie płynnym
zawierająca:
Si 1,25-2,25%; Mn 0,6-1,5%,
P max. 0,04% ,S max. 0,05%
Si ~0,8%, Mn 0,6-1,5%,
P 1,6-2,2%, S max. 0,008%
oraz świeżo prażone wapno -
wiąże fosfor, tworząc żużel.
Surówka wielkopiecowa, złom
Prz
eb
ieg
pro
ce
su 1. Przechylenie konwertora i zalanie surówki
2. Ustawienie konwertora i włączenie dmuchu (trzy procesy):
• iskrowy – utlenia się Fe, Si, Mn i tworzy żużel
• płomienny – endotermiczne wypalanie węgla do ok. 0,1% C
• dymny (silne utlenianie P) – reakcja silnie egzotermiczna
powodująca przejście fosforu do żużla
3. Wprowadzenie odtleniaczy (Mn, Si, Al) - surówka zwierciadlista
4. Przechylenie konwertora, zbiórka żużla i wylew stali
Proces identyczny jak Bess. i
Thom. lecz poprzez nadmuch
tlenu na powierzchnię
ciekłego metalu osiągnięto
intensyfikację procesów
świeżenia
Sta
l
• niższa zawartość S i O niż w
stali martenowskiej
• posiada lepszą zgrzewalność
skrawalność i twardość
• stosowana do wyrobu rur,
szyn, drutów, śrub i wkrętów
oraz zbrojenia do żelbetonu.
• zawiera więcej N , O i wtrąceń
żużlowych od stali marten. i
bessem. ale jest tańsza
• stosowana jest do wyrobu
blach dachowych, drutów, rur
bez szwu, taśm, stali prętowej i
gatunkowych walcówek
• Skrócenie czasu zwiększenie
wydajności konwertorów
• Obniżenie zawartości N do
0,008-0,004%
• Wzrost jakość stali do jakości
stali wytapianej w piecach
martenowskich i elektrycznych
Żu
że
l Kwaśny topnik w procesie
wielkopiecowym do rud z
zasadową skałą płonną.
Zawiera 50% CaO i 16-50%
P2O5 - po zmieleniu stosuje się
go jako nawóz sztuczny
tomasyną
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 36
PROCES MARTENOWSKI 1865
Hutniczy wannowy piec płomieniowy z odzyskiwaniem ciepła ze spalin. Opalany
jest gazem czadnicowym lub wielkopiecowym. Gazy i powietrze przechodzą
przez nagrzane do 1200 oC kratownice, następnie kierowane są do pieca, gdzie się
mieszają z roztopioną surówką i spalają w temp. 1800-1900 oC. Pozwala to na
przetop dodawanego złomu stalowego. W rezultacie całkowite koszty produkcyjne
są znacznie mniejsze niż w proc. konwertorowych.
Rafinacja żelaza następuje na skutek dodania wapienia (żużel) oraz materiału
bogatego w tlen, np. rudy żelaza. Otrzymywana stal jest lepsza od konwertorowej,
gdyż zawiera mniej fosforu i siarki.
PM wymaga dużo
staranniejszej kontroli niż
besemerowski, jest też
znacznie wolniejszy (ok.
8h), a jego pojemność
dochodzi do 500t. Jednak
gdy metodą Bessemera
daje się wytworzyć tylko
kilka gatunków stali, to
metoda Martina jest
bardzo uniwersalna.
WYTOP STALI W PIECACH ELEKTRYCZNYCH
1. Brak spalin i strat ciepła - możliwość uzyskiwania b. wysokiej temperatury 3500 C
2. Niezbędny do świeżenia tlen wprowadza się do wsadu poprzez rudy bogate w tlen
3. Możliwość uzyskania stali o b. małym stopniu zanieczyszczeń
4. Kosztowne procesy
Źródłem ciepła jest łuku elektryczny lub indukcja elektromagnetyczna.
Elektrometalurgia to otrzymywanie, oczyszczanie i przetwarzanie metali i ich stopów
przy pomocy energii elektrycznej w piecach elektrycznych lub za pomocą
elektrolizy.
Rodzaje pieców elektrycznych
oporowe – przetworzenie energii el. w czasie przepływu prądu przez wsad
metaliczny lub elementy grzewcze, drogą promieniowania lub konwekcji
łukowe – przetworzenie energii el. w łuku elektrycznym
indukcyjne – metal nagrzewa się pod wpływem indukcji elektromagnetycznej
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 37
PIECE ELEKTRYCZNE
INDUKCYJNE - wykorzystano zjawisko nagrzewania się przewodnika z zmiennym
polu magnetycznym. Piece rdzeniowe cechuje duża sprawność, a bezrdzeniowe są
prostsze w obsłudze. Zalety:
• łatwa kontrola parametrów pieca
• mały zgar składników topionego metalu
• niewielkie pochłanianie zanieczyszczeń
• możliwość pracy w próżni lub w gazie
ochronnym
Wady:
• niska temperatura żużla
• znaczna pracochłonność
• znaczny koszt napraw
ŁUKOWE - kwaśne - stosowany do wytopu
staliwa (wysokie przegrzanie stali - duża
rzadkopłynność i dobre wypełnianie form).
Zasadowe - możliwość otrzymywania
zarówno stali węglowych (o zwiększonych
zawartościach węgla) jak i stopowych
(zawierających nawet mniej niż 50% żelaza).
Pojemność od kilku do kilkunastu ton.
Rdzeniowy
(kanałowy)
Bezrdzeniowy
(tyglowy)
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 38
PLAZMOWE - źródłem ciepła jest generator plazmy, czyli
zjonizowany gaz (azot, argon) o temperaturze 7000-11000K.
Służą głównie do przetopienia materiałów wsadowych o
odpowiednio dobranym składzie chemicznym. Istotną ich
wadą jest niemożność wykorzystywać tych pieców do
realizacji klasycznych procesów metalurgicznych.
Piec lukowo
plazmowy
możliwość topienia dowolnego wsadu (mat.
wysokotopliwe)
nie ma ograniczeń co do pojemności tygla i
rodzaju stosowanego wsadu,
warunki zbliżone do uzyskiwanych w piecach
próżniowych,
zwiększa niemal
plazma dwukrotnie zwiększa wydajność pieca
indukcyjnego, przy mniejszym o 20%
sumarycznym zużyciu energii elektrycznej. ELEKTRONOWE
• źródłem energii jest wiązkę elektronów uderzająca w powierzchnię metalu
• idealne do topienia niewielkich ilości wysokotopliwych metali
PIECE ELEKTRYCZNE
Piec indukcyjno-plazmowy
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 39
PROCES STALOWNICZY
Zestalanie stali to proces odlewania, którego celem jest krystalizacja ciekłego metalu.
• metoda tradycyjna - odlewanie stali do wlewnic, wygrzewanie wlewków w piecach
wgłębnych, wstępne walcowanie (walcownia, zgniatacz)
• metoda odlewania ciągłego OCS.
Proces wielkopiecowy Rafinacja Zestalanie Wstępna przeróbka
plastyczna
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 40
OCS jest sposobem, gwarantującym największą
wydajność, niskie koszty i wysoką jakość stali. W
porównaniu z tradycyjnym odlewaniem stali do
wlewnic, zapewnia ona większy uzysk stali i nie
wymaga wstępnej przeróbki plastycznej.
Produktem COSu są półwyroby o różnych
przekrojach odpowiadające sztabom, kęsom i
kęsiskom.
PROCES CIĄGŁEGO ODLEWANIA STALI
Zalety:
• duża powtarzalność własności i
wymiarów na długości i szerokości
odlewanego pasma,
• lepszy o 10-15% uzysku metalu w
porównaniu z odlewaniem tradycyjnym,
• wyeliminowanie walcowania wlewków w
walcowni zgniatacz,
• wyeliminowanie długotrwałego
nagrzewania wlewków.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 41
ODTLENIANIE STALI
Płynna stal po procesie świeżenia zawiera pewną ilość tlenku żelaza (FeO), który
powinien być usunięty, aby stal skrzepła w postaci czystego wlewka i nie wykazywała
wad spowodowanych obecnością tlenu. Uzyskuje się to przez dodanie do ciekłej stali
odtleniaczy. STAL NIEUSPOKOJONA
Stal odtleniona tylko Mn. Krzepnie we wlewku niespokojnie – wydzielają się gazy
(zjawisko wrzenia), które tworzą wewnętrzne pęcherze. Następuje segregacja
strefowa (zwiększenie zawartości C, Si i P) w pewnych częściach wlewka.
Zalety: wysoka wydajność, Wady: silna segregacja, pęcherze gazowe
STAL PÓŁUSPOKOJONA
Odtleniacz Mn z niewielką ilością Si. Wlewek
krzepnie bez wrzenia lecz wydzielają się pęcherze
wewnętrzne. Zalety: w miarę duży uzysk (odpad 8-
15 %), Wady: pośredni stopień segregacji i ilości
pęcherzy gazowych
STAL USPOKOJONA
Odtleniona Si i częściowo Al. Przy krzepnięciu nie
zachodzą żadne reakcje. Wlewki wolne są od wad,
poza częścią górną, którą się obcina.
Zalety: nieznaczna segregacja, lepsze własności
plastyczne, Wady: mniejsza wydajność Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 42
ŻELIWIAK - piec szybowy do wytapiania żeliwa;
• wsad metalowy ładowany na przemian z koksem i topnikami
• przez dysze dostarczane jest gorące powietrze
• przemieszczając się w dół materiał wsadowy nagrzewa i topi się od
gazów powstających w strefie spalania koksu
• ciekłe żeliwo i żużel gromadzą się w dole pieca (kotlinie), skąd są
okresowo spuszczane.
WSAD
1. Surówki wielkopiecowe odlewnicze i stopowe
2. Żelazostopy i metale techniczne
3. Złom
4. Koks
5. Topniki (kamień wapienny,
fluoryt, dolomit)
• niska temperatura ciekłego metalu
• mała regulacja składu chemicznego
• uciążliwość dla środowiska
• krótki czas pracy (8-10 godzin i
naprawa wymurówki)
OTRZYMYWANIE ŻELIWA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 43
ŻELIWA I DODATKI STOPOWE
Wysokowęglowy stop odlewniczy żelaza z węglem, zazwyczaj także z Si, Mn, P, Si
innymi składnikami. Zawiera od 2,11 do 6,67% C w postaci cementytu lub grafitu.
Si – do 5% - sprzyja grafityzacji (drobniejszy i bardziej równomiernie rozmieszczony).
Mn – do 1.5% - przeciwdziała grafityzacji, tworzy węgliki typu (Fe,Mn)3C, wiąże
siarkę, usuwając jej niekorzystny wpływ w żeliwie.
P – do 1.8% - poprawia rzadkopłynność żeliwa, jednak tworzy eutektykę fosforową,
która pogarsza jego właściwości wytrzymałościowe.
S – do 0.1% - jest domieszką szkodliwą, powoduje pogorszenie wł. odlewniczych i
zwiększenie skłonności do tworzenia się pęcherzy gazowych.
W żeliwach szarych węgiel występuje w postaci grafitu (płatki) lub grafitu i
cementytu i tworzy przełom szary. Natomiast w żeliwach białych wyłącznie w
postaci cementytu Fe3C, które daje przełom jasny.
Szybkość chłodzenia odlewu ma istotny wpływ na strukturę, a więc i właściwości
żeliwa. Im mniejsza szybkość chłodzenia odlewu, tym łatwiej przebiega
grafityzacja. Dlatego też ze stopu o tym samym składzie można otrzymać odlewy
o różnej strukturze. Na jego powierzchni, gdzie szybkość chłodzenia jest duża,
możliwe jest powstanie struktury żeliwa białego, a wewnątrz odlewu może
powstać żeliwo szare o różnym stopniu grafityzacji.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 44
ŻELIWA SZARE
Zwykłe - zawiera grafit płatkowy.
Modyfikowane – najbardziej popularne, przeznaczone na
wysokojakościowe odlewy. Dodatek (ok. 1% Si, Mg)
powoduje rozdrobnienie grafitu i poprawę jego właściwości
wytrzymałościowych.
Sferoidalne – zawiera grafit kulkowy. Wytwarzane jako
modyfikowane (Cer, Mg, Al, Ni, Ca) ale przy znikomej
ilości S i P. Dzięki temu posiada lepsze właściwości
wytrzymałościowe.
Wermikularne - grafit krętkowy, pośredni między grafitem
płatkowym, a sferoidalnym. Stosuje się je głównie do
produkcji bloków silnika samochodów wyższej klasy.
Grafit zmniejsza wytrzymałość na rozciąganie, ale zachowuje wysoką wytrzymałość i
plastyczność żeliwa przy ściskaniu. Wynika to z faktu, iż wydzielenia grafitu, z uwagi
na jego zerową wytrzymałość zmniejszają rzeczywisty przekrój
materiału przenoszącego obciążenie oraz działają jako karby.
Ważną, korzystną cechą żeliwa szarego, wynikającą z obecności
grafitu, jest zdolność do tłumienia drgań (korpusy obrabiarek).
Poza tym, grafit poprawia obrabialność i zmniejsza współczynnik
tarcia żeliwa (łożyska ślizgowe, klocki hamulcowe).
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 45
ŻELIWA
Żeliwa białe zawierają cementyt, który powoduje, że są
one twarde i odporne na ścieranie, lecz kruche i trudno
obrabialne (gorsze). W zasadzie żeliwo to nie jest
używane na odlewy, ale stanowi jedynie pośredni
materiał do produkcji żeliwa ciągliwego. Żeliwo nadeutektyczne
Żeliwo połowiczne zwane pstrym – żeliwo, w którym
węgiel występuje w postaci grafitu, jak i cementytu. Ma
właściwości pośrednie pomiędzy żeliwem szarym, a
białym. Stosowane na walce hutnicze, młyńskie, szczęki
zgniataczy i kruszarek.
Żeliwo ciągliwe – otrzymywane w wyniku długotrwałego
wyżarzania żeliwa białego. Powstały w wyniku tego grafit
kłaczkowy w niewielkim stopniu osłabia materiał. Żeliwo
takie posiada bardzo dobre własności wytrzymałościowe,
porównywalne do żeliwa sferoidalnego i stali.
Żeliwo pstre
Żeliwa stopowe - to żeliwa austenityczne z dodatki Ni, Cr, Cu lub Mn. Wyróżniamy tu
żeliwa odporne na : korozję, ścieranie i żaroodporne oraz mające specjalne właściwości,
np. małą rozszerzalność, duży opór elektryczny lub niemagnetyczność.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 46
METALURGIA MIEDZI
Zawartość Cu w rudach jest niewielka i nie przekracza kilku procent!
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 47
Grupa Minerał Wzór Zawartość
Cu
Siarczkowe stanowią 80% całej
ilości Cu w skorupie
ziemskiej
chalkozyn
kowelin
chalkopiryt
bornit
Cu2S
CuS
CuFeS2
Cu3FeS3
79.9
66.5
34.6
55,6
Tlenkowe kupryt
tenoryt
Cu2O
CuSO
88.8
79.9
Węglanowe 15%
malachit
azuryt
CuCo3 57.4
55.1
Krzemianowe chryzokol CuSiO3 36.2
W Polsce występują rudy
siarczkowe (Lubin, Głogów)
i są zaliczane do
największych na świecie.
Miedź jest miękkim metalem o gęstość 8.96 g/cm³ i Tt = 1084 °C.
Charakteryzuje się bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym.
6500 $/t
METALURGIA MIEDZI
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 48
Świeżenie kamienia miedziowego
W piecach płomiennych lub
konwertorach poziomych w celu
usunięcie Fe, S, Pb i Zn poprzez
przedmuch powietrzem / tlenem i
redukcji siarczków. Produktem jest
miedź konwertorowa 98,5% Cu
lub miedź czarna: 98.0-99.2% Cu
(Fe, Ni, S antymon, bizmut, tlen i
metale szlachetne).
Wytapianie kamienia miedziowego
W piecach płomiennych,
szybowych, elektrycznych …
Wsad: koncentrat, topniki, odpady
Cu i żużel konwertorowy
Paliwo: pył węgl., gaz ziemny, mazut
Powstaje: kamień miedziowy o
zawartość 10–50% Cu (stop
siarczków Cu2S i FeS) i żużel
zawierający tlenki Cu (H2SO4)
METODA HUTNICZA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 49
METALURGIA MIEDZI
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 49
Ogniowa rafinacja Cu
Polega na przeprowadzeniu (usunięciu) do żużla Fe, Ni, Co, Pb, P i odparowaniu
As, Sb, Zn. Po utlenianiu i żerdziowaniu (wprowadzanie C z drewna) produkt
zawiera 99% Cu. Produktem są płyty anod do dalszej elektrolizy lub wlewki.
Elektrolityczna rafinacja Cu
Metoda polega na elektrolitycznym rozpuszczeniu i ponownym wydzieleniu miedzi
na katodzie. W trakcie tego procesu zanieczyszczenia Ag, Au, As, Sb, Bi, Se, Te,
przechodzą do szlamu opadając na dno zbiornika. Elektrolizę przeprowadza się w
kwasoodpornych wannach z wodnym roztworem siarczanu miedziowego i kwasu
siarkowego. Otrzymuje się miedź elektrolityczną o czystości 99.99% Cu.
Wytwarzanie katod miedzianych
Metoda stosowana tylko do przeróbki
ubogich rud, zwłaszcza tlenkowych.
Przebieg:
• ługowanie kwasem siarkowym rudy
• wytrącania Cu z roztworu w zbiornikach
wypełnionym złomem żelaznym
CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu
• uzyskujemy osad, który po osuszeniu
stanowi proszek, podlegający następnie
przetopieniu i rafinacji.
HYDROMETALURGIA
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 50
STOPY MIEDZI
Brązy są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym ponad 2% jest:
cyna, aluminium, krzem, beryl, ołów i inne. W zależności od głównego składnika
stopowego nosi taką nazwę np. brąz krzemowy, brąz ołowiowy itp.
Mosiądze ich głównym składnikiem stopowym jest cynk w ilości przekraczającej 2%.
Dzielą się na mosiądze odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Te drugie dzielą się
na dwuskładnikowe zawierające 0.4 –40,5% cynku (gatunki M95 - M60, gdzie M -
oznacza mosiądz, a liczba – nominalną zawartość miedzi w %), i wieloskładnikowe
które dzielą się na ołowiowe i bezołowiowe.
Miedzionikle są przerabianymi
plastycznie stopami miedzi, w których
głównym składnikiem stopowym jest
nikiel w ilości powyżej 2%. Cechą
szczególną miedzionikli jest
odporność na ścieranie i korozje oraz
dobra plastyczność która umożliwia
wytwarzanie w nich np. monet
(MN25).
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1995 2000 2005 2010 2015
Pro
du
kcja
hu
t K
GH
M
Miedź [1000 t]
Srebro [t]
Złoto [kg]
Ołów [100 t]
2575
Aluminium – metal barwy srebrzysto-białej, miękki i bardzo plastyczny, gęstość 2,7 g/cm3 (3 razy mniejsza niż Fe), Tt = 658 oC. Pierwiastek najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie (8.13%). Cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Na powietrzu ulega pasywacji, pokrywając się cienką warstwą Al2O3.
Zastosowanie: lotnictwo, naczynia kuchenne, przemysł chemiczny i spożywczy, ochrona przed korozją ww., w metalurgii do redukcji trudno redukujących się metali.
Cena aluminium 99.9 wynosi ok. 2600 $/tonę.
1825 – HC. Oersted – duński fizyk, wyodrębnia Al przez oddziaływanie amalgamatem
potasu na chlorek glinu
1854 – St. Claire Deville – francuski chemik otrzymuje Al na skalę przemysłową przez
ogrzewanie chlorku glinowego z sodem
1886 – Charles Hall USA i Paul Heroult Fr. – otrzymali jednocześnie patent na:
wytwarzanie Al przez elektrolizę tlenku glinowego rozpuszczonego w
roztopionym kriolicie
1895 – I zastosowanie Al w inżynierii – dach kościoła San Gioacchino w Rzymie
1939 – Niemcy wprowadzają pancerze przeciw pociskom wykonane z duraluminium
1954 – Polska pierwsza huta aluminium w Skawinie (tlenek aluminium z importu)
METALURGIA ALUMINIUM
2000 $/t
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 51
RUDY ALUMINIUM I ICH WYSTĘPOWANIE
Glin w przyrodzie występuje w ok. 250
minerałach. Podstawową rudą są
boksyty. Jest to skała zawierająca
uwodnione tlenki glinu (bemit,
gibbdsyt i diaspor). W zależności od
ich zawartości, potrzeba 4-6 ton
boksytów na jedną tonę Al.
Minerał Wzór
chemiczny
Al2O3 %
wag.
Korund Al2O3 H2O 100
Diaspor, bemit Al2O3 3H2O 85
Gibbsyt
(hydrargilit) Al2O3 H2O 65,4
Spinel Al2O3 MgO 71
Kyanit, andaluzyt Al2O3 SiO2 63
0
50
100
150
200
250
300
2010 2011 2012 2013 2014
Wydobycie boksytów
Reszta świata
Jamajka
Indie
Gwinea
Brazylia
Indonezja
Chiny
Australia
mln t.
30% światowej produkcji.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 53
WSTĘPNA PRZERÓBKA ALUMINIUM
Ruda - boksyt Al(OH)3 zawiera ok. 30%Al.
Wstępna przeróbka polega na otrzymaniu Al2O3. Stosuje się do tego metodę Bayera.
Proces rozpoczyna ługowanie, które prowadzi się w autoklawach w temp. 220-230 C
i pod ciśnieniem 0.3-2.5 MPa.
Al2O3
Al2O3 ·xH2O + 2 NaOH = 2 NaAlO2 + (x+1) H2O
Dekadencja to rozpad na NaOH oraz Al(OH)3.
Odfiltrowany i przemyty gorącą wodą osad suszy się, a
następnie wypala w piecu obrotowym w
temperaturze 1200 C.
Produkt zawiera: 99.3-99.6% Al2O3, 0.4-0.55% Na2O,
0.005-0.04% Fe2O3 i 0.01-0.05% SiO2 .
Metoda spiekania Le Chaterier - 1858
Stosowana do boksytów zawierających >5% SiO2.
Surowce: boksyt, soda i CaO
1. Miele się w młynie, z dodatkiem roztworu NaOH.
2. Suszenie.
3. Kalcynacja – usuwania wody z Al2O3 i Fe2O3 oraz
reakcji tych tlenków ze sodą w temp. 1030 C
4. Spiekanie – w temp. do 1230 C.
5. Mielenie i ługowanie gorącą wodą.
6. Odkrzemowanie tlenku aluminium.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 54
ELEKTROLIZA Al2O3
Proces Hall‐Héroulta (1886r.) ‐ podstawowy proces produkcji czystego aluminium.
1. Rozpuszczenie Al2O3 w roztworze kryolitu Na3[AlF6] będącego elektrolitem.
Przepływ prądu powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła i wzrost temperatury do
980°C. Reakcje katodowa:
Na+ + AlF4- + 3e- = Al + NaF + 3F-
3Na+ · AlF63- + 3e- = Al + 3(Na+ · F-) + 3F
2. Powstające Al jest oddzielane z elektrolitu i usuwane.
3. Wydzielanie się na anodzie CO2 powoduje lepsze mieszanie Al2O3 w elektrolicie,
jednocześnie zabierając ze sobą inne niepożądane substancje jak: HF, SO2, CF4,
C2F6, smoły, węglowodory aromatyczne oraz pyły.
Otrzymujemy Al o czystości ~99.8%.
Na 1t Al zużywa się 1.92 tony Al2O3
0.54 tony masy anodowej
do 0.1 tony kriolitu, 15 MWh;
wanna pracuje 2-3 lata
Elektrolizer: stalowa wanna 10 x 5 x 1.5 m.
Wewnątrz wyłożona materiałem izolacyjnym
stanowiącym katodę, zbudowana z bloków
węglowych pokrytych cienką warstwą Al.
RAFINACJA ALUMINIUM
Rafinacja ogniowa polega na usunięciu z metalu tlenków (filtry ceramiczne lub
żużel), wodoru (przedmuchiwanie Ar, N lub ekstrakcja w próżni) i w pewnym stopniu
żelaza. Otrzymujemy tzw. aluminium hutnicze o czystości 99.9%Al, które nadaje się
na odlewy, do przeróbki plastycznej, a także do produkcji folii aluminiowej.
Przedmuchiwanie ciekłego Al chlorem w 770 C w t = 10-15 min.
Usuwa się: Na, Ca, Mg Nie można usunąć: Si, Fe i Cu
Rafinacja to oczyszczenie metalu lub stopu z niepożądanych pierwiastków lub
cząsteczek. Zanieczyszczenia pogarszają: przewodność elektryczną, plastyczność,
odporność na korozję Al – dlatego poddaje się go rafinacji.
Rafinacja elektrolityczna pozwala na uzyskanie Al o czystości 99.995%Al. Wysokie
koszty!!! Elektrolizery, jak przy otrzymywaniu surowego Al lecz mniejsze gabaryty.
Rafinacja elektrolityczna Al pozwala na otrzymanie metalu, w którym suma
zanieczyszczeń wynosi (0,005-0,05)%
Metoda trzech warstw - anodą jest elektroda węglowa zanurzona w elektrolicie
(BaCl2, AlF3, NaF). Otrzymujemy aluminium o czystości (99,95 – 99,995)%
Przetapianie strefowe w próżni o ciśnieniu 13,310-3 Pa – aluminium o bardzo dużej
czystości.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 55
WYTWARZANIE STOPÓW ALUMINIUM
Wytwarza się z ciekłego metalu bezpośrednio po rafinacji ogniowej oraz ze złomu.
Topienie przeprowadza się w piecach płomieniowych trzonowych i indukcyjnych.
Topienie stopów aluminium musi być prowadzone w warunkach
zabezpieczających metal przed absorpcją zanieczyszczeń (tlen i wodór)!!!
Ze względu na sposób wytwarzania wyróżniamy:
stopy do obróbki plastycznej – do 5% Cu, Mg, Mn oraz Si, Zn, Ni, Cr, Ti, Li
stopy odlewnicze – od 5 do 25% Cu, Si, Mg, Ni
Duraluminium - stop Al – 2-4.9% Cu, ~1% Mn, ~1.8% Mg oraz Si, Fe (razem 6- 8%).
Silumin – stop Al – 2-30% Si oraz Cu, Mg, Mn, Ni, Ti
Wstępna przeróbka cynku
polega na częściowym usunięciu skały płonnej przez flotację oraz prażenie
(kalcynację) w celu przeprowadzenia związków zawierających metal w tlenki.
Powstały koncentrat zwiera około 40% Zn i 20% Pb. Natomiast powstający SO2 jest
przekształcany w kwas siarkowy - główny produkt uboczny przy produkcji cynku.
METALURGIA CYNKU
Cynk to metal o barwie niebieskawo-srebrzystej, gęstości
7.14 g/cm3 i Ttop = 420 C. Jest metalem występującym w
niewielkich ilościach w skorupie ziemskiej.
W Polsce cynk wydobywa się go w okolicach Olkusza w ilości
ok. 212 tys. t w 2008r.
Rudy cynku
• Siarczkowe (blenda cynkowa)
zwiera głównie ZnS.
• Węglanowe (sitsonit) zawiera
ZnCO3.
Są to rudy polimetaliczne (Cd, Pb)
o zawartości 2.5-10% cynku
3000 $/t
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 57
METALURGIA CYNKU
Rafinacja – usunięcie Pb Cd i Fe. Ogrzewanie powyżej temp. topnienia w atmosferze
redukującej. Ciekły metal rozdziela się na 4 warstwy: żużel, cynk rafinowany
(<1%Pb), cynk twardy z Fe i Pb oraz Pb z domieszką 6%Zn. Finalnie uzyskuje się
Zn o czystości 99.95%.
Metoda hydrometalurgiczna - koncentrat poddaje się
ługowaniu kw. siarkowym, otrzymany roztwór ZnSO4
oczyszcza się i wydziela z niego cynk drogą elektrolizy.
Jony cynku zdążają do katody, gdzie zobojętniają się i
osadzają w postaci kryształów. Gęstość prądu do 1000
A/m2, zużycie energii 3500 kWh/t cynku. Cynk
krystaliczny przetapia i odlewa w tzw. gąski. W całym
procesie uzysk cynku 80-90%. Metodą tą wytwarza się
Metoda pirometalurgiczna polega
na prażeniu koncentratów ZnS i
jego redukcji tlenkiem węgla do
ZnO w temp.1200 °C w piecach
szybowych lub mufach poziomych.
Zredukowany cynk uchodzi w postaci pary do kondensatora, gdzie skrapla się.
Jednocześnie w procesie otrzymuje się ołów, który zbiera się w dolnej części pieca.
Tak powstały cynk surowy poddaje się rafinacji.
80% światowej produkcji cynku.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 58
METALURGIA TYTANU
Tytan – jest lekkim (4.55g/cm3) metalem o szarawym
kolorze. Charakteryzuje go duża wytrzymałość
mechaniczna, odporność na korozję, w tym również na
działanie wody morskiej i chloru.
W skorupie ziemskiej występuje w ilości 0,6% (IX), głównie
w postaci szeroko rozpowszechnionych minerałów:
ilmenitu, rutylu i tytanitu. Światowe wydobycie wynosi
4.2 mln t: Australia (30), RPA (20), Kanada (18),
Norwegia (9) i Ukraina (8,5%).
Ponieważ tytan reaguje z tlenem w wysokich temperaturach, nie może być
otrzymywany przez redukcję dwutlenku tytanu.
1. Otrzymywanie czterochlorku tytanu TiCl4 - redukcja rudy naftą i koksem w
reaktorze fluidyzacyjnym w temperaturze 1000°C w obecności chloru gazowego.
100 000 $/t
2. Proces Krolla – redukcja TiCl4 magnezem w szybowym piecu.
3. Rafinacja - termiczny rozkład TiI4 - brak domieszek (O, N, C)
obniżających jego własności mechaniczne - gąbka tytanowa.
4. Topienie tytanu - trudność stanowi wysoka temperatura
topienia (1668 °C) i jego duża aktywność chemiczna w tej
temperaturze (stopiony Ti reaguje niemal ze wszystkimi
materiałami ogniotrwałymi). Topienie tytanu odbywa się w
piecach łukowych, indukcyjnych, plazmowych i elektronowych
w atmosferze beztlenowej.
METALURGIA MAGNEZU
• Próżniowe piece retortowe (poziome lub pionowe)
• Wsad: MgO i reduktor w postaci żelazokrzemu jest
umieszczony w przestrzeni między ekranami.
• Pary Mg krystalizują w kondensatorze.
• Rafinacja Mg podobna, jak Al polega na usunięciu
tlenków i wodoru.
2 000 $/t
Magnez jest metalem koloru srebrzystobiałego, o gęstości 1.74 g/cm³
i Ttop = 650 °C. Jest jednym z najpospolitszych pierwiastków,
występuje w skorupie ziemskiej w ilości 2,74% (VIII) pod postacią
minerałów: dolomitu, magnezytu. Rudy te zawierają13-28% Mg.
Również w wodzie morskiej. Największe złoża: USA, Norwegia i
Chiny. W Polsce: Dolny Śląsk, Góry Świętokrzyskie.
Magnez można otrzymać poprzez redukcję tlenku
magnezu lub metodami elektrochemicznymi.
Wojskowa Akademia Techniczna WTC KZMiT 60
1. Przeróbka wstępna polega na prażeniu rud w celu
uzyskania MgO.
2. W metodach termicznych dolomit podlega redukcji Si w
temperaturze do 1500 °C pod próżnią, wg. reakcji:
2MgO + CaO + Si 2Mg + Ca2SiO4
Otrzymuje się magnez czystości 99.98-99.99 %.
3. W metodach elektrochemicznych stosuje się stopione
sole karnalitu lub MgCl2 z topnikami, np. fluorytem lub
mieszaniną NaCl i CaCl2.
W celu ochrony przed ponownym utlenieniem metalu proces
prowadzić można w próżni lub atmosferze H, He, Ar lub
gazu ziemnego.