2. Технология производства металлов

В табл. 2.1 (Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литьё. – СПб.: Политехника, 1996) приведены данные о содержании в земной коре (литосфере) на глубине до 1км некоторых металлов. Для сравнения: массовая доля кислорода в литосфере составляет 46,6%, кремния – 27,7%.

Таблица 2.2

Металл	Массовая доля, %	Металл	Массовая доля, %	Металл	Массовая доля, %
Алюминий	8,0	Медь	0,01	Серебро	0,00001
Железо	5,0	Олово	0,004	Золото	0,0000005
Магний	2,1	Цинк	0,004	Платина	0,00000005
Титан	0,6	Свинец	0,0016

В природе большинство металлов находится в виде химических соединений, входящих в состав минералов, образующих горные пароды.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Например, для железа считается оптимальным содержание металла в руде на уровне 30...50%, для меди 3...5%, для молибдена 0,05...0,02%.

Известны четыре группы способов производства металлов. Приведем их в порядке возрастания стоимости:

1.Физические способы. Простейшим из них является прямое извлечение из природных источников (так добывают самородное золото). Некоторые металлы (платину) получают разложением природных соединений при нагревании.

2.Восстановление неметаллами. Реакции восстановления идут, как правило, при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют углерод или оксид углерода (для железа, олова и др.), сернистый газ или сульфиды (для меди, ниобия и др.) или водород (для вольфрама, молибдена и др.)

3.Электролиз в водных растворах (меди, хрома и др.) или расплавах солей (алюминия, магния и др.) применяется для получения химически активных металлов.

4.Восстановление металлами. Этот способ требует предварительного получения химически чистых металлов – восстановителей. Металл восстанавливают из оксидов (ванадий, барий и др.) или галогенных соединений (титан, цинк, бериллий и др.). Это самый дорогой способ.

Ниже приводятся процессы выплавки чугуна восстановлением неметаллами (2-й способ) и получения алюминия электролизом (3-й способ).

1. Выплавка чугуна

Выплавка чугуна это процесс восстановление железа из окислов железной руды; науглероживание восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне; окислы пустой породы и зола топлива при этом связываются флюсом и переводятся в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Металлургическое производство, схематически показанное на рис. 2.5, представляет собой сложный комплекс, содержащий шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей, горнообогатительные комбинаты, коксохимические заводы и цехи, заводы для производства ферросплавов, доменные, сталеплавильные и прокатные цехи, энергетические цехи.

Железная руда содержит окислы железа Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeCO₃ и др., а также пустую породу, состоящую из SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO.

Бедные руды (содержащие малую долю металла) обогащают путем удаления пустой породы гравитационным или электромагнитным способами.

В качестве топлива в металлургических печах применяют кокс, природный газ, мазут и др. Кокс получают сухой перегонкой (без доступа воздуха) при температуре 1000C каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80...88% С, 8...12% золы, 2...5% влаги, (0,5...1,8)% S, до 0,2% Р и др. Сера S является вредной примесью.

При выплавке чугуна важную роль играют флюсы - материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (шлака) с пустой породой руды, золой топлива и пр. При выплавке чугуна в качестве флюса применяют известняк (CaCO₃) и доломитизированный известняк (CaCO₃ и MnCO₃).

Рис. 2.5. Схема металлургического производства

Подачей флюса нужного состава возможно управлять процессом удаления вредных примесей (S, P и пр.) путем перевода их из металла в шлак, который, имея меньшую плотность, при плавке располагается над расплавленным металлом и может быть удален из печи.

Чугун выплавляют в доменных печах. Сущность процесса заключается в восстановлении окислов железа, входящих в состав руды.

Доменная печь (рис. 2.6) представляет собой сложное сооружение, состоящее из стального кожуха, выложенного внутри огнеупорным кирпичом.

Полезная высота доменной печи достигает 35м, объем - 5000м³.

Печь оборудована в верхней части устройствами загрузки шихты (измельченных и специально подготовленных металлосодержащих концентратов), флюса, топлива и отвода коласникового газа, состоящего из CO, CO₂, N₂, H₂, CH₄.

В нижней части печи оборудованы устройства для подачи подогретого до 1000...1200C воздуха, емкость для накапливания и устройства для периодического слива расплавленного чугуна и шлака.

Процесс идет следующим образом. Углерод кокса вблизи зоны подачи воздуха, взаимодействуя с кислородом, сгорает:

С+О₂=СО₂+Q;

СО₂+С=2СО+Q.

В результате горения кокса выделяется теплота (температура достигает 2000С) и образуется газовый поток; горячие газы, поднимаясь вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам, охлаждаясь до 400...300C, шихтовые материалы постепенно опускаются вниз и нагреваются; в них происходит целый ряд химических превращений, и при температуре ~570C - основной процесс - восстановление окислов Fe.

Рис. 2.6. Схема доменной печи

При этом через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихтового материала так, чтобы весь полезный объем печи был заполнен.

Доменный процесс идет непрерывно. Чугун и шлак выпускают из печи по мере их накопления: чугун - через 3...4 часа, шлак - через 1,0...1,5 часа. Чугун и шлак сливают по желобам в специальные ковши емкостью до 140т, установленные на железнодорожных платформах. Чугун, не используемый в жидком виде, поступает на разливочные машины, откуда он разливается в формы - изложницы и затвердевает в виде слитков массой 45кг.

В зависимости от назначения чугун получают различного химического состава; передельный чугун (предназначенный для “передела” в сталь) содержит 4...4,4% С, 0,6...0,8% Si, 0,25...1,0% Mn и примеси в виде серы и фосфора, литейный чугун, используемый для переплава на машиностроительных заводах при производстве отливок, содержит повышенное содержание кремния (до 3,25%).

Побочными продуктами доменной плавки является шлак и колошниковый газ. Из шлака производят стекловату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый газ используется как топливо.