1. Z jakich surowców otrzymuje się metale?

Metale otrzymuje się najczęściej z rud, zatem powiedzieć można, że skorupa ziemska jest ich głównym źródłem. Czasem metale pozyskuje się także z wody morskiej - z tzw. Konkrecji, czyli tlenków metali w postaci ziaren wszelkiej wielkości zalegających na dnie oceanów. Metale pozyskuje się także z przeróbki metali złomowanych.

2. Co to jest ruda.

Rudy metali - są to twory skalne zawierające związki metali zalegających w takich warunkach i skupieniach, że ich przemysłowe wydobycie jest ekonomiczne, a właściwości pozwalają na otrzymanie metali w sposób przemysłowy, masowy i opłacalny stosując metody hutnicze, chemiczne i elektrochemiczne. Zawartość metali e różnych rudach wynosi od ułamków procent do 70%. O zawartości tej decydują dwa czynniki: rodzaj związku, w którym występuje metal oraz zawartość skały płonnej.

Podział rud:

- rudy monometaliczne,

- rudy polimetaliczne (zawierają więcej niż 1 metal),

- rudy żelaza,

- rudy metali nieżelaznych.

3. Co to jest skała płonna?

Skała płonna - nieużyteczna gospodarczo skała eksploatowana ze złoża wraz z kopaliną, np. piaski i gliny tworzące przewarstwienia w pokładach węgla brunatnego. skała eksploatowana w trakcie eksploatacji złoża wraz z kopaliną użyteczną. W przypadku złóż pokładowych jest to skała otaczająca, przerosty lub nadkład który w trakcie eksploatacji dostaje się do urobku. W przypadku złóż metali, kiedy mineralizacja kruszczowa występuje w obrębie skał goszczących, za skałę płonną uznaje się skałę w obrębie której koncentracja rozproszonego pierwiastka lub pierwiastków (w przypadku złóż polimetalicznych) spada poniżej arbitralnie wyznaczonej zawartości brzegowej. Skała płonna wchodzi w skład rudy.

4. W jakim celu poddaje się rudę przeróbce?

Żelazo (Fe) otrzymuje się z rudy, grzejąc ją z koksem. Do takiej mieszanki do-
daje się także kamień wapienny, którego obecność pomaga w odżużlaniu, czyli
usuwaniu zanieczyszczeń zawierających związki krzemu, takich jak piasek czy
glina. Materiały dodawane do rudy żelaza w celu usunięcia zanieczyszczeń naz.
są topnikami.
W wielu nowoczesnych procesach mieszaninę rudy, koksu i wapienia wypraża
się wstępnie, aby uzyskać materiał zwany spiekiem. Wyprażenie usuwa zanie-
czyszczenia, takie jak woda (H O), dwutlenek węgla (CO ) czy arseenki (As ) i dla-
tego spiek cechuje się wyjątkowo dużą zawartośćią żelaza. Aby uzyskać wsad do
pieca, ze spiekiem miesza się pewną ilość rudy nie poddawanej obróbce.

5. Jakie zasadnicze operacje obejmuje proces przygotowania rudy do procesu metalurgicznego?

a) Wstępne operacje takie jak rozdrabnianie, przesiewanie oraz klasyfikacja

b) wzbogacanie rudy w sposób grawitacyjny, flotacyjny, magnetyczny lub przez prażenie

c) operacja scalania - spiekanie, granulowanie oraz brykietowanie

6. Jak dzieli się metody rafinacji metali?

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

PODZIAŁ ZE WZGLĘDU NA MECHANIZM PROCESU :

• FIZYCZNE METODY RAFINACJI(ekstrakcja żużlowa, gazowa, próżniowa; zmiana stanu skupienia; elektroliza; mechaniczna)

• CHEMICZNE METODY RAFINACJI

7. Na jakim prawie oparta jest fizyczna rafinacja żużlowa?

Cel procesów rafinacyjnych:

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

8. Podać ogólny schemat procesów otrzymywania metali z rud

Otrzymywanie metali: a) metodą hutniczą -żelazo powstaje z rudy żelaza Fe2O3 lub Fe3O4 w reakcji utleniania - redukcji. Rolę reduktora pełni koks i CO np. 2Fe2O3 + 3CII ---- 4Fe + 3CIVO2 Po-dobnie przebiegają procesy redukcji innych metali. Oprócz żelaza metodą hutniczą produkuje się w Polsce także ołów ,cynk i miedź. b) metodą elektrolityczną - elektroliza - zjawisko polegające na wydzieleniu się określonych substancji przy elektrodach podczas prze-pływu prądu przez elektrolit. Elektroliza CuCl2: CuCl2 ---- Cu2+ + 2Cl- 1)kation miedzi ---- elektroda - (katoda) Cu2+ + 2e----Cu 2)dwa aniony chlorkowe----elektroda+ (anoda) 2Cl - 2e ----Cl2 Rudy żelaza: magnetyt Fe3O4 i hematyt Fe2O3

9. Za pomocą jakich procesów można wydzielić metal z rudy tlenkowej?

a) prażenie - usuwanie z rudy składników lotnych

b) poprzez redukcje

- redukcja chemiczna

- za pomocą węgla

- za pomocą gazów

- za pomocą metali

10. Wymienić rudy żelaza

Głównymi rudami żelaza są:

- rudy magnetytowe, zawierające Fe₃O₄ i Fe₂O₃ (45-70% żelaza),

- rudy hematytowe, zawierające Fe₂O₃ (40-65% żelaza),

- limonity, których głównym składnikiem jest uwodniony tlenek żelazowy 2Fe₂O₃ x 3H₂O (25-50% żelaza),

-syderyty, w których żelazo występuje w postaci węglanu FeCO₃ (30-40% żelaza)

11. Definicja podstawowych technicznych stopów żelaza

Podstawowe stopy żelaza:

• SURÓWKA - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C>2%,

• STAL - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2%,

• ŻELIWO - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C>2% przeznaczony na odlewy kształtowe,

• STALIWO - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2% przeznaczony na odlewy kształtowe,

12. Podać schemat podstawowych etapów prowadzących do otrzymywania z rud wyrobów z technicznych stopów żelaza.

13. 
    Budowa wielkiego pieca

14. Na czym polega istota procesów zachodzących w wielkim piecu?

Istota procesu wielkopiecowego polega na:

- redukcji tlenków żelaza zawartych w koncentracie, przede wszystkim za pomocą tlenku węgla, w celu otrzymania metalicznego żelaza,

- oddzieleniu otrzymanego żelaza od skały płonnej przez ich stopienie, co umożliwia rozwarstwienie 2 otrzymanych produktów ciekłych - surówki i żużla.

Wspomniane dwa procesy, realizowane są w następujący sposób: przez dysze wdmuchiwane jest do wielkiego pieca gorące powietrze. Jego podgrzewanie odbywa się w nagrzewnicach, których wnętrze, zbudowane w formie kratownicy z cegły ogniotrwałej, zostało uprzednio nagrzane przez gazy wielkopiecowe. Nagrzewnice są, zatem instalowane parami i pra­cują przemiennie. Tlen zawarty w powietrzu, napotykając na koks, reaguje z nim wg wzoru:

Reakcja ta dostarcza ciepło niezbędne do stopienia wsadu i reakcji redukcji tlenków żelaza. Dwutlenek węgla napotykając dalsze warstwy koksu reaguje z nim powodując wytwarzanie tlenku węgla:

Jest on podstawowym reduktorem w procesie wielkopiecowym. Bezpośrednia redukcja węglem oraz wodorem powstałym z węglowodorów lub pary wodnej ma drugo­rzędne znaczenie. Koncentrat rudy, przesuwając się w szybie od gardzieli w kierunku spadków, nagrzewa się, traci wodę, a potem kolejno ulega redukcji. Proces redukcji praktycznie zachodzi w stanie stałym i kończy się na wysokości przestronu. W strefie spadków następuje topienie powstałego żelaza oraz skały płon­nej i popiołów powstałych z koksu. Tworzą się dwie nie mieszające się ciecze: metal i żużel. Zbierają się one w garze, przy czym żużel wypływa na powierzchnie metalu i może być od niego oddzielony przez spuszczenie otworem żużlowym, znajdującym się w górnej części gara.

15. Podać schemat reakcji redukcji tlenków w wielkim piecu.

• WYNIK REDUKCJI TLENKÓW W PROCESIE WIELKOPIECOWYM

• Si

SiO2 + 2C Ⴎ Si + 2CO + Q

• Mn

MnO + C Ⴎ Mn + CO + Q

• P

P2O5 + 5C Ⴎ 2P + 5CO + Q

16. Dlaczego w wielkim piecu nie otrzymuje się czystego żelaza?

Wielki piec: piec szybowy do wytapiania surówki ze wsadu składającego się z rudy żelaza z dodatkiem koksu i topników. Wielki piec ma gruszkowaty kształt dwu stożków ściętych złączonych podstawami. Cała konstrukcja ma około 40 metrów wysokości. Wsad zasypuje się od góry, przez zamykany otwór zwany gardzielą. Część pieca tworzona przez górny stożek nazywa się szybem i jest zasobnikiem surowca. Koks pełni rolę paliwa oraz reduktora tlenków żelaza. Proces palenia podtrzymywany jest powietrzem wtłaczanym szeregiem dysz usytuowanych na poziomie złączenia podstaw stożków. Topniki ułatwiają oddzielenie od metalu zawartych w rudzie zanieczyszczeń i skały płonnej. Stopiony metal zwany surówką zbiera się w części tworzonej przez stożek dolny zwanej garem. Niepożądane składniki wsadu w wyniku reakcji z topnikami i tlenem z atmosfery pieca tworzą żużel, który również spływa do gara i, jako lżejszy, unosi się na powierzchni surówki. Co pewien czas surówka i żużel odprowadzane są z pieca przez oddzielne otwory spustowe. Wydajność wielkiego pieca to 2 do ponad 10 tysięcy ton surówki na dobę. Oprócz żużla produktem ubocznym jest gaz wielkopiecowy, będący mieszaniną tlenku węgla, azotu i dwutlenku węgla.Gaz ten, spalany w nagrzewnicach, służy do ogrzewania wdmuchiwanego powietrza, co znacznie podnosi efektywność procesu.

17. Jaki proces stanowi istotę otrzymywania stali?

Tym procesem jest proces stalowniczy - zmniejszenie zawartości węgla w metalu. Aby to zrobić należy utlenić węgiel za pomocą tlenu wprowadzonego do ciekłego metalu w postaci FeO.

Na proces stalowniczy składają się trzy etapy:

- ładowanie i topienie wsadu metalowego

- świeżenie metalu

- odtlenianie stali

18. Scharakteryzować procesy zachodzące podczas wytopu stali.

• Odtlenienie stali ( staliwa)

• Odwęglenie stali

• Odgazowanie

• Odfosforowanie i odsiarczenie stali

• Wprowadzenie dodatków:

- modyfikujących strukturę

- zwiększenie zawartości pierwiastków stopowych

19. Podać cechy charakterystyczne procesu konwertorowego otrzymywania stali

Metoda ta polega na wdmuchiwaniu do konwertora tlenu w celu wykonania świeżenia.

Tlen doprowadza się do konwertora o wyłożeniu zasadowym przez gardziel rurą intensywnie

chłodzoną wodą. Dzięki spalaniu węgla zawartego w surówce w konwertorze osiąga się

temperaturę przekraczającą 1700°C. Umożliwia to przerabianie tą metodą surówek o

dowolnym składzie chemicznym. Proces świeżenia trwa 12÷15 min.

Wydajność metody LD jest znacznie większa niż innych i wynosi do 400 ton na godzinę. W

Polsce metodę konwertorowe-tlenową stosuje się m.in. w Hucie im. Sendzimira oraz Hucie

Katowice. Tam też wprowadza się nowoczesną metodę ciągłego odlewania stali.

20. W jaki sposób odlewa się stal?

odlewanie ciągłe, odlewanie, w którym ciekły metal jest wlewany w sposób ciągły do chłodzonej, trwałej formy odlewniczej, gdzie krzepnie, przybierając wymagane kształty (prętów, profili, rur, wlewków), i w tej postaci jest, także w sposób ciągły (lub skokowy), usuwany z przeciwnej strony formy.

Odlewanie syfonowe

Wlewnice mogą być zalewane od dołu (odlewanie syfonowe) lub od góry. W przypadku odlewania

syfonowego odlewa się zwykle kilka wlewków równocześnie przez lej i system kanalików

zalewowych. Pojedynczo odlewane są tą metodą bardzo duże wlewki kuzienne. W czasie odlewania

wlewków stosowane są zasypki smarujące dodawane do wlewnic w czasie ich napełniania stalą

oraz zasypki izolacyjne wprowadzane na powierzchnię stali w wypełnionej wlewnicy lub jej

nadstawce. W czasie wyjmowania wlewków z wlewnic, rozbrajania zestawów i w czasie napraw

powierzchni wlewków, realizowanych najczęściej metodą ogniową przy użyciu lanc tlenowych,

występuje pylenie.

Główną zaletą syfonowego odlewania stali jest:

• Dobra jakość powierzchni wlewka.

• Możliwość odlewania stali uspokojonej pod warstwą zasypki izolacyjno-

smarującej.

Do wad zalicza się:

• Większy koszt odlewania stali.

• Mniejszy uzysk stali.

• Pracochłonność.

• Stosowanie materiałów ceramicznych.

• Konieczność stosowania wyższych temperatur odlewania.

Odlewanie stali do wlewnic z góry.

Polega ono na bezpośrednim napełnianiu wlewnic stalą wypływającą z kadzi stalowniczej

otworem wylewowym, umieszczonym w dnie. Zamykanie i otwieranie otworu wylewowego

oraz regulacja szybkości odlewania może być za pomocą zatyczki /dawniej/ lub zamknięcia

suwakowego /obecnie/

Do głównych zalet odlewania z góry zalicza się:

• Prostotę sprzętu do odlewania.

• Większy uzysk metalu.

• Korzystniejsze ukształtowanie jamy skurczowej.

• Niewielkie zanieczyszczenie stali wtrąceniami pochodzenia egzogenicznego.

• Duża wydajność

Warunek przebiegu rafinacji
fizycznej gazowej

p_A`

[A]

Proces intensyfikuje:

• mieszanie metalu,

• duża powierzchnia <F>

rozdziału ciecz - gaz

<F>

P_A' < P_A

---