- •Технологические процессы в машиностроении
- •Раздел 1. Производственный процесс изготовления машины.
- •Глава 1. Теоретические основы технологии
- •Глава 2. Конструкционные материалы, применяемые в машиностроении
- •Лекция 7. Неметаллические материалы. Композиционные материалы. Полимеры. Области применения различных материалов
- •Лекция 8. Основы термической обработки
- •Раздел 2. Структура и продукция металлургического и литейного производства
- •Глава 3. Металлургия металлов
- •Лекция 9. Производство чугуна. Производство стали
- •Лекция 10. Особенности производства цветных металлов
- •Глава 4. Технологические процессы литья Лекция 11. Основы литейного производства. Классификация литых заготовок. Способы литья
- •Раздел 3. Технологические процессы обработки пластическим де- формированием
- •Глава 5. Основы теории обработки металлов давлением (омд)
- •Лекция 12. Сущность и основные способы обработки металлов давлением
- •Лекция 13. Нагрев металла и нагревательные устройства
- •Лекция 14. Технологические операции обработки металлов давлением
- •Раздел 4. Сварка, пайка, склеивание материалов
- •Глава 6. Сварочное производство
- •Глава 7. Пайка материалов
- •Глава 8. Клеевые соединения
- •Раздел 5. Технологические процессы обработки резанием
- •Глава 9. Основы технологии формообразования поверхностей деталей
- •Часть 8 направляет развертку в отверстии и обеспечивает необходимую точ-
- •Глава 10. Отделочная обработка поверхностей
- •Раздел 6. Производство деталей из неметаллических материалов и металли-
- •Глава 11. Способы изготовления композиционных материалов
- •Раздел 7. Технологические процессы сборки
- •Глава 12.Особенности технологического процесса сборки
Лекция 10. Особенности производства цветных металлов
Получение меди. Медные руды бедные, содержат не более 5–6% меди,
поэтому рентабельной считается руда, содержащая 1–2% меди. Основные мед-
ные руды: сульфидные (медный колчедан – халькопирит СuFeS2; халькозин–
медный блеск CuS) и окисленные (куприт Cu2O; CuO) и некоторые другие.
Процесс получения меди складывается из следующих этапов:
• Обогащение руды путем флотации, основанной на смачиваемости водой
породы и несмачиваемости частиц, содержащих медь. В результате получается
медный концентрат, содержащий до 30% меди.
• Обжиг концентрата в пламенных или электрических печах при темпера-
туре 1200–1300°С (плавка на штейн).
Штейн – сплав сульфидов меди Cu2S и железа FeS с содержанием меди до 60%.
• Продувка штейна в конвертере воздухом для окисления сульфидов меди
и железа, перевода образующихся оксидов в шлак, а серы в SO2 (газ).
В результате получают черновую медь, содержащую 98–99% меди и небольшое
количество золота, серебра, цинка, свинца, теллура, селена и др. Одновременно
из отходящих газов извлекают серу.
• Огневое и электролитическое рафинирование с попутным извлечением
золота, серебра, теллура, селена и пр.
Электролитическим рафинированием получают медь чистотой 99,90–
99,99% (марки Ml, М0 и М00), огневым рафинированием чистотой 99,0– 99,5
(марки М2, М3, М4).
Получение алюминия. Алюминий по распространению в природе зани-
мает третье место после кислорода и кремния, а среди металлов – первое
(в земной коре примерно 7,5 % алюминия). Для получения алюминия необхо-
димо значительное количество электроэнергии, поэтому его массовое произ-
водство стало возможным, когда появились дешевые источники электроэнер-
гии (ГЭС). В начале прошлого века алюминий ценился дороже золота. Первый
алюминиевый завод в нашей стране был пущен в 1932 г. на базе Волховской
ГЭС.
Рудами алюминия являются породы, богатые глиноземом А12О3 и зале-
гающие крупными массами. Важнейшая руда – бокситы– состоит из гидратов
оксидов алюминия и железа, кремнезема, соединений кальция, магния и др.
Производство алюминия слагается из трех основных процессов:
• Получение глинозема щелочным способом: бокситы обрабатывают ще-
лочью NaOH, фильтруют, обезвоживают обжигом при температуре
1100–1200°С. Одновременно получают криолит Na3AlF6 из плавикового шпата;
его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.
• Электролиз глинозема в расплавленном криолите при температуре 930–
3970°С в ванне из углеродистого материала. Катодом служит расплавленный
алюминий слоем 200–300 мм на дне ванны, анодом – углеродистые блоки, по-
груженные в электролит. Процесс идет на постоянном токе напряжением 68
4–4,5 вольта и силой тока 70–140 тысяч ампер. Алюминий собирается на дне
ванны и периодически извлекается; на дне ванны оставляют немного алюминия
(катод). В результате электролиза получается алюминий – сырец, содержащий
примеси и газы.
• Рафинирование первичного алюминия производят:
а) продувкой хлора через расплав алюминия в закрытом ковше. Обра-
зующийся парообразный хлористый алюминий обволакивает частички приме-
сей, которые всплывают и их удаляют. Для выделения газов из металла его вы-
держивают 30–45 мин. при температуре 690–730°С. Чистота алюминия состав-
ляет 99,5–99,85 %;
б) для получения алюминия высокой чистоты (электротехнического)
применяют электролитическое рафинирование (электролит – раствор хлори-
стых и фтористых солей; катод – пластины чистого алюминия). Можно полу-
чить алюминий чистотой 99,999 %. Расход электроэнергии составляет
17–19 кВт-ч на 1 кг алюминия.
Производство магния. Подобно алюминию магний получают электроли-
зом из его расплавленных солей.
Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl2–
KCl–6H20), магнезит (MgCO3), доломит (CaC03–MgCO3), бишофит (MgCl2–
6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала кар-
наллит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2–KCl) ис-
пользуют для приготовления электролита.
Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным
кирпичом. Анодами служат графитовые пластины. Электролизер заполняют
расплавленным электролитом состава: 10% MgCl2, 45% СаС12, 30% NaCl,
15% КС1 с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необ-
ходим для понижения температуры его плавления [(720±10)°С]. Для электроли-
тического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В
результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния
движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя ка-
пельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем
электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически
удаляют вакуумным ковшом.
Черновой магний содержит 5 % примесей, поэтому его рафинируют пе-
реплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl2,
КС1, ВаС12, CaF2, NaCl, СаС12, нагревают в электропечи до температуры 700 –
750°С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак.
После этого печь охлаждают до температуры 670 °С, и магний разливают в из-
ложницы на чушки.
Производство титана. Сырьем для получения титана являются титано-
магнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовып концентрат, содер-
жащий 40-45 % TiO2, ~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5–7 % пустой породы. Название
этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита
FeO–TiO2.
Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антраци-
том в рудотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.
Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды
титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Ос-
новной продукт этого процесса – титановый шлак содержит 80–90 % ТiO2,
2–5 % FeO и примеси - SiO2, А12О3, СаО и др. Побочный продукт этого процес-
са – чугун – используют в металлургическом производстве.
Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных
печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся
при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты тита-
нового шлака, а через фурмы внутрь печи – хлор. При температуре 800–1250°С
в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды
CaCl2 MgCl2 и другие:
TiO2 + 2С + 2С12 = TiCl4 + 2CO.
Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов
благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректифика-
ции в специальных установках.
Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при
температуре 950–1000 °С. В реактор загружают чушковый магний; после от-
качки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают паро-
образным четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлори-
стым титаном происходит реакция:
2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2.
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу– губку, а жидкий
MgCl2 выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35– 40% магния
и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагре-
вают до температуры 900–950 °С в вакууме.
Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в
печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей.
Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавля-
ют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана состав-
ляет 99,6– 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработ-
ки давлением.
Производство меди. Железо и его сплавы – чугун и сталь – называют
черными металлами. Все остальные металлы относятся к категории цветных, в
том числе и благородные металлы – золото, серебро, платина.
Разнообразие цветных металлов и обусловило разные методы их получе-
ния.
Как и черные металлы, цветные получают из рудного концентрата – пред-
варительно обогащенной руды. Но здесь процесс обогащения сложнее, по-
скольку многие руды являются полиметаллическими и содержат массу сопут-
ствующих как ценных элементов, так и вредных примесей. Например, среднее
содержание меди в рудах составляет всего 1 – 2 %.
Сложность получения цветных металлов хорошо видна на примере меди.
Извлечение меди из руд производится двумя способами:
гидрометаллургическим и пирометаллургическим. Более широкое применение
получил пирометаллургический способ, включающий следующие операции:
– обогащение руд с получением концентрата;
– обжиг концентрата;
– плавку на медный штейн-сплав;
– получение черновой меди;
– рафинирование.
После обогащения рудные концентраты подвергают обжигу для частично-
го удаления (до 50 %) серы. Руда, прошедшая обжиг, направляется на даль-
нейшую переработку, а образовавшийся сернистый газ SО2 используется для
производства серной кислоты.
Плавка на штейн проводится в отражательных пламенных печах и элек-
тропечах, в их рабочем пространстве развивается температура до 1600 ºС. На
поддоне печи постепенно скапливаются жидкие продукты плавки: шлак и
штейн-сплав, состоящий, в основном, из сульфидов меди и железа, а также не-
большого количества примесей. Штейн по мере накопления выпускают в ковш.
В расплавленном состоянии штейн подают в конвертер для переработки в чер-
новую медь. На поверхность штейна загружают кварцевый песок для шлакова-
ния при продувке воздухом оксидов железа. Образовавшийся шлак сливают и
направляют на повторную переработку в отражательные печи для извлечения
меди. Оставшийся штейн приобретает белый цвет и состоит в основном из
сульфидов меди. Содержание меди в белом штейне составляет около 80 %. По-
сле чего расплавленный белый штейн продувают воздухом и получают черно-
вую медь, которая содержит до 2 % примесей железа, серы, цинка, никеля,
свинца и др. Ее разливают в слитки и отправляют на рафинирование.
Рафинирование черновой меди проводят огневым и электролитическим
способами.
При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенные печи
и после расплавления продувают воздухом с целью окисления меди и раство-
ренных в ней примесей. Образовавшиеся оксиды примесей нерастворимы в ме-
ди и удаляются в шлак. Затем металл раскисляют и перемешивают природным
газом для удаления растворенных в нем газов.
После огненного рафинирования расплав содержит 99,5 – 99,7 % меди.
Полученную медь разливают в слитки или анодные пластины для электролити-
ческого рафинирования.
Электролиз меди проводят в ваннах, футерованными кислотостойкими ма-
териалами, например, листовым свинцом, асфальтом, керамическими плитами.
Электролитом служит15 %-ный раствор медного купороса в серной кислоте. В
электролит погружают анодные пластины черновой меди и катоды, представ-
ляющие собой тонкие листы из чистой электролитической меди. При включе-
нии постоянного тока происходит растворение металла анодов, а на катоде
происходит осаждение металлической меди. Электролитическая медь имеет
более высокую чистоту от примесей и содержит до 99,98 % Сu. 71
Катодную медь переплавляют в плавильных печах, разливают в слитки и
отправляют для проката на лист, трубы и проволоку, а также для выплавки
сплавов меди – латуней и бронз.
Производство алюминия. Алюминий является самым распространенным
металлом в земной коре. Он преимущественно встречается в виде соединений с
кислородом и кремнием – алюмосиликатов. Для получения алюминия исполь-
зуют руды, богатые глиноземом А12О3 (бокситы). Технологический процесс
производства алюминия состоит из этапов:
– извлечение глинозема из алюминиевых руд;
–электролиз расплавленного глинозема с получением первичного алюминия;
– рафинирование.
Алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплав-
ленном криолите. Криолит образуется в результате взаимодействия плавиковой
кислоты с гидроксидом алюминия с последующей нейтрализацией содой.
Электролиз осуществляют в алюминиевой ванне – электролизере (рис. 9).
Ванна имеет стальной кожух, стены и подину которой изготовляют из уголь-
ных блоков, теплоизолированных шамотным кирпичом. Угольный корпус ван-
ны является катодом электролизера. Анодами служат угольные электроды, вер-
тикально погруженные в расплав. Электролит нагревается до рабочей темпера-
туры протекающим током. Глинозем, расходуемый в процессе электролиза, пе-
риодически загружается в ванну сверху. Жидкий алюминий скапливается на
подине электролизера и периодически удаляется с помощью специальных ков-
шей.
Первичный алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен
примесями, неметаллическими включениями, а также газами (преимуществен-
но водородом). Для очистки алюминия его подвергают рафинированию. Наи-
более чистый алюминий получают электролитическим рафинированием с чис-
тотой до 99,996 %, который потребляется электрической, химической и пище-
вой промышленностью.
Рис.9 . Схема электролиза для производства алюминия:
1 – катодные угольные блоки; 2 – огнеупорная футеровка;3 – стальной кожух; 4 – угольные
плиты; 5 – жидкий алюминий; 6 – металлические стержни с шинами; 7 – угольный анод;
8 – глинозем; 9 – жидкий электролит; 10 – корка затвердевшего электролита;
11 – катодная токоподводящая шина; 12 – фундамент
Производство магния. Сырьем для производства магния являются магне-
зит, доломит и карналлит.
Существуют два способа получения металлического магния: термический
и электролитический.
Более распространен электролитический способ производства металличе-
ского магния. Он состоит из двух основных процессов: получения хлористого
магния из исходного сырья и его электролиза.
Хлористый магний получают обжигом магнезита или доломита и хлориро-
ванием образовавшегося оксида магния при 800 – 900 °С в присутствии восста-
новителя (углерода). Электролиз расплавленного хлорида магния производится
в электролизерах.
Как и при электролизе глинозема, электрический ток, проходя через элек-
тролит, нагревает его и осуществляет электрохимический процесс. Плотность
магния меньше плотности электролита, поэтому магний всплывает и скаплива-
ется на поверхности ванны. Расплавленный магний периодически удаляют с
помощью специальных ковшей.
После электролиза магний подвергают рафинированию, которое осущест-
вляют переплавкой в тигельных печах с флюсами. Рафинированный металл, со-
держащий не менее 99,9 % магния, разливается в чушки. При разливке струя
магния предохраняется от соприкосновения с воздухом путем опыления по-
рошком серы.
Производство титана. Из-за высокого сродства к кислороду прямое вос-
становление титана из его оксидов представляет большие трудности.
Процесс получения технического титана состоит из:
–обогащения руды и получения диоксида титана;
–получения четыреххлористого титана;
– восстановления титана и получения титановой губки;
– переплавки титановой губки в слитки.
Основными исходными рудами для производства титана являются ильме-
нит и рутил. Перед переработкой руды обогащают обычными методами (фло-
тацией, магнитной сепарацией и др.).
Восстановление титана производят обычно с помощью магния в специаль-
ных реакторах. Восстановленный титан выделяется на стенках реактора в виде
губчатой массы, пропитанной хлористым магнием и магнием.
Для рафинирования губчатой массы ее вакууммируют при температуре
900 – 950 °С и проводят отгонку паров примесей магния и хлористого магния.
После охлаждения извлекают титановую губку.
Переплав титановой губки в слитки производят в вакуумных электриче-
ских дуговых печах. Во избежание загрязнения титана примесями плавку ведут
в водоохлаждаемой медной изложнице. Для улучшения качества металла про-
изводят двойную переплавку.