5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

1

METALURGIA - 2

METALURGIA - 2

PROCESY

RAFINACYJNE

dr hab.inż. A. Modrzyński

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

2

Wprowadzenie

Wprowadzenie

* Cel procesów rafinacyjnych:

- usunięcie zanieczyszczeń z metalu
uzyskanego w procesach wstępnych
lub w wyniku przetapiania złomu
( recyklingu )

* Definicja pojęcia zanieczyszczenie
* Klasyfikacja zanieczyszczeń

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

3

ZANIECZYSZCZENIA W METALACH

ZANIECZYSZCZENIA W METALACH



Metal po procesie wstępnym zawiera

pewną ilość domieszek ( zwykle

zawartość ich waha się od ułamka

procentu do 10% )



Rafinacja metali ma na celu usunięcie

domieszek lub ograniczenie ich

zawartości
do dopuszczalnej koncentracji

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

4

ZANIECZYSZCZENIA

METALICZNE

NIEMETALICZN
E

NIEZWIĄZANE

ZWIĄZANE

ROZPUSZCZAL
NE

NIEROZPUSZCZAL
NE

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

5

KLASYFIKACJA METOD

KLASYFIKACJA METOD

RAFINACJI METALI

RAFINACJI METALI

PODZIAŁ ZE WZGLĘDU NA
MECHANIZM PROCESU

:

•FIZYCZNE METODY RAFINACJI

•CHEMICZNE METODY
RAFINACJI

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

6

METODY FIZYCZNEJ RAFINACJI METALI

METODY FIZYCZNEJ RAFINACJI METALI

EKSTRAKCJA

ZMIANA

STANU

SKUPIENIA

ELEKTROLIZ

A

MECHANICZNA

ŻUŻLOW

A

GAZOWA

PRÓŻNIOWA

POSTĘPUJĄCA

KRYSTALIZACJ

A

TOPIENIE

STREFOWE

DESTYLACJA

REKTYFIKACJA

FILTROWANIE

WIBRACJA

ULTRDŹWIĘ

KI

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

7

EKSTRAKCJA

EKSTRAKCJA



ŻUŻLOWA

– wykorzystuje prawo Nernsta

które określa warunki

równowagi na granicy

dwóch faz

FAZA I

( ciecz I )

FAZA II

( ciecz II )

[A
]

(A
)

Prawo Nernsta:

N

(A)

/ N

[A]

= L

N

- dla p i T = const

N

(A)

– koncentracja

składnika A w cieczy I

N

[A]

- koncentracja

składnika A w cieczy II

L

N

– stała podziału

A – usuwane
zanieczyszczenie

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

8

EKSTRAKCJA

EKSTRAKCJA



GAZOWA – wykorzystuje prawo

Raoulta które określa równowagę

na

granicy faz : ciekły metal - gaz

Faza
gazowa

Ciecz I +

składnik
A

w
roztworze

p

A

Czysty

Składni
k A

Faza
gazowa

p

A

o

p

A

= N

A

* p

A

o

p

A

– ciśnienie cząstkowe

składnika A w roztworze

p

A

o

– prężność par

czystego

składnika A,

N

A

– stężenie składnika

A

(zanieczyszczenia) w
roztworze

Warunek : p oraz T =
const

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

9

Warunek przebiegu rafinacji

Warunek przebiegu rafinacji

fizycznej gazowej

fizycznej gazowej



p

A

` < p

A

p

A

`

[A
]

Proces intensyfikuje:

• mieszanie metalu,
• duża powierzchnia
<F>

rozdziału ciecz - gaz

<F
>

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

10

Powierzchnię rozdziału faz

Powierzchnię rozdziału faz

<F> może stanowić :

<F> może stanowić :



Swobodna powierzchnia metalu,



Powierzchnia pęcherzy gazu

wprowadzonych do metalu,



Powierzchnia pęcherzy gazów

samoczynnie tworzących się w metalu

wskutek wydzielania się zanieczyszczenia

( wstąpienie zjawiska przesycenia )

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

11

Efekt rafinacji można

Efekt rafinacji można

uzyskać:

uzyskać:



Przez przedmuchiwanie ciekłego

metalu gazem obojętnym o niskiej

koncentracji zanieczyszczenia A,



Przez przetrzymanie ciekłego

metalu w próżni

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

12

Przedmuchiwanie gazem obojętnym

Przedmuchiwanie gazem obojętnym

Wdmuchiwanie gazu

obojętnego

Zastosowanie

topników

musujących

GAZ

Topnik
musujący

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

13

Rafinacja próżniowa

Rafinacja próżniowa



Obniżanie stężenia zanieczyszczenia A
w fazie gazowej sąsiadującej z ciekłym

metalem

[A]

Próżn
ia

p

A

– maleje



Dla gazów

rozpuszczonych w

metalu

[G] = k * ( p

G2

)

0.5

Prawo Sieversta -

szczególny

przypadek prawa

Raoulta

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

14

Rafinacja przez zmianę stanu

Rafinacja przez zmianę stanu

skupienia

skupienia



Wykorzystuje zjawiska

:

– zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń

w metalu wraz ze zmianą temperatury,

– zmiany rozpuszczalności

zanieczyszczeń podczas przejścia metalu

ze stanu ciekłego w stan stały,

Istota procesu

:

Swobodne przechodzenie zanieczyszczeń z

tworzącej się fazy stałej do cieczy

wymaga istnienia wyraźnego frontu

krystalizacji

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

15

Metoda postępującej

Metoda postępującej

krystalizacji

krystalizacji

Intensywn
e
chłodzeni
e

Zanieczyszczony
metal

Metal
rafinowany

Izolacja
cieplna

Chłodzona
wkładka
krystalizatora

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

16

Rafinacja metodą topienia

Rafinacja metodą topienia

strefowego

strefowego

Metal

rafinowany

Metal

zanieczyszcz

ony

Pojemnik ze szkła
kwarcowa

Natrysk wodny

Cewka
indukcyjna

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

17

Destylacja-

Destylacja-

Rektyfikacja

Rektyfikacja



Wykorzystuje do

oddzielenia

zanieczyszczeń z metalu

różnicę w prężności par

składników stopu

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

18



PROCES DESTYACJI – gdy

rozdzielenie składników następuje

podczas przeprowadzania ich w

stan gazowy



PROCES REKTYFIKACJI – gdy

rozdzielenie składników następuje

podczas ich przechodzenia ze stanu

gazowego w stan stały

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

19

Temperatura topnienia

Temperatura topnienia

i wrzenia wybranych metali

i wrzenia wybranych metali

Metal

Temperatura

Temperatura

topnienia,

o

C

wrzenia ,

o

C

Magnez

650,0

1107,0

Cynk

419,5

906,2

Kadm

321,0

766,5

Ołów

327,4

1745,0

Bizmut

271,4

1552,0

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

20

RAFINACJA ELEKTROLITYCZNA

RAFINACJA ELEKTROLITYCZNA

A

K

„+
”

„-”

Elektrolit

Me – n e

-

= Me

n+

Me

n+

+ ne

-

=

Me

•Wodny roztwór soli metalu
rafinowanego

•Stopione sole metalu rafinowanego
lub ich mieszanki

Zanieczyszcze
nia

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

21

MECHANICZNE METODY

MECHANICZNE METODY

RAFINACJI

RAFINACJI



FILTROWANIE

– znalazło

szerokie zastosowanie

przemysłowe,



Zastosowanie

– usuwanie

stałych wtrąceń z

ciekłego metalu

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

22

Schemat procesu

Schemat procesu

filtrowania

filtrowania

Filt
r

Ciekły metal

zanieczyszcz
ony

Porowata

wkładka

ceramiczn
a

Czyst
y
ciekły
metal

Piec tyglowy

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

23

CHEMICZNA RAFINACJA METALI

CHEMICZNA RAFINACJA METALI

ŻUŻLOWA

GAZOWA

PRÓŻNIOWA

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

24

RAFINACJA CHEMICZNA ŻUŻLOWA

RAFINACJA CHEMICZNA ŻUŻLOWA

SPOSÓB REALIZACJI

•do żużla lub do metalu wprowadzamy
pierwiastek (R) charakteryzujący się dużym
powinowactwem chemicznym do
zanieczyszczenia

R

(R)

[R] + Z  RZ

(RZ)

(liq,

s )

{RZ}

g

Ciekł

y

meta

l

Żużel

Atmosfe
ra

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

25

RAFINACJA CHEMICZNA GAZOWA

RAFINACJA CHEMICZNA GAZOWA

SPOSÓB REALIZACJI

•DO CIEKŁEGO METALU WDMUCHUJEMY GAZ
( G ) CHARAKTERYZUJĄCY SIĘ DUŻĄ
AKTYWNOŚCIĄ W SOSUNKU DO
ZANIECZYSZCZENIA

{G}

Me+[G]MeG-

rozpuszczanie

MeG + Z  Me +

ZG

(ZG)

(liq,s )

{ZG}

(g)

Ciekły
metal

Żużel

Atmosfer
a

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

26

RAFINACJA CHEMICZNA

RAFINACJA CHEMICZNA

PRÓZNIOWA

PRÓZNIOWA

ZASADA PROCESU

•WYKORZYSTUJE MOŻLIWOŚĆ URUCHOMIENIA
REAKCJI POPRZEZ OBNIŻENIE CIŚNIENIA NAD
POWIERCHNIĄ CIEKŁEGO METALU

REAKCJA : MeO + C  Me

+ CO

Pompa

próżniowa

[Me
]

[C]

P

(CO)



N

(Me)

 p

(CO)

lg k = lg ____________

N

(MeO)

 N

(C)

{CO}



Ciekły

metal

5.04.21

ZAKŁAD ODLEWNICTWA ITMat. PP

27

COFFEE BREAK