HISTORIA HUTNICTWA
Miedzi:
9000-7000 lat p.n.e Irak ,Iran, Izrael, 3000lat p.n.e. ,Europa
Żelazo:
3500-3000 lat p.n.e. ,Bliski wschód. 1500lat ,pierwsze próby wytopu 1000 p.n.e. wytop żelaza dociera do europy.
Cynk:
I w p.n.e. pierwsze wyroby z mosiądzu w Pompejach, VI w n.e. Chiny , XVIII w.n.e. Wytop Cynku w Europie
Miedź była stosowana do wyrobu narzędzi. Stopy miedzi z cyną (brąz) -2500Lat p.n.e regiony śródziemnomorskie ,1800 l.p.n.e. rejony Europy.
EPOKA BRĄZU- Wymiany handlowe, metody przeróbki plastycznej (metalurgia), stworzenie pierwszych instytucji państwowych ,wykonywano biżuterie finezyjną. Schyłek epoki brązu - przemieszczenia etniczne ,brąz został wyparty przez żelazo , które było wytrzymalsze ,twardsze. Żelazo dawało profesjonalne narzędzia. Żelazo dotarło do europy północnej -ośrodek metalurgii w Halsztad. Rozpowszechnienie żelaza przez Hulibów (plemie indiańskie) stal Hulibów (4…. P.n.e.) Otrzymywanie żelaza w stanie surowym (VIw. P.n.e. Chiny surówka) IX w n.e rozwinęła się metalurgia żelaza w górach Huku. OK. XVIII w. Zastosowano koks po raz pierwszy jako reduktor. Piec pudlarski -zawracano spaliny do tego pieca ,po tej obróbce żelazo posiadało lepsze własności. II połowa XIX w. -Konwertor.
Od połowy XIX w. rozpoczyna się era stali (żelazo z węglem) . W II połowie XX w. rozwój produkcji innych materiałów .Uzyskują znaczenie metali lekkich (aluminium)
MetaleKompozytyCeramiki
^
Polimery
Wytwarzanie kompozytów wymaga zaawansowanych technologi wytwarzania i przetwarzania.
HUTNICTWO W POLSCE
Rozwój żelaza w hutnictwie ,posiadało bogate tradycje i znaczące osiągnięcia. Znaczący rozkwit nastąpił na przełomie II i I w.p.n.e. (piece dymarskie).
Góry Świętokrzyskie-duży ośrodek, gdy przerwano produkcje w tym ośrodku ,upadła produkcja żelaza. W XIII w. pojawiła się nowa technologa wytapiania -Kuźnice , W XVI w. -dymurki szybowe ,W XVII w. dymalki przekształciły się w wielkie piece. Taką surówkę z tego pieca nazywano świńskim żelazem. Pod koniec XVIII w. pracowały 34 wielkie piece. W królestwie polskim w 1860 r. produkowano ok. 23tyś ton stali a na Górnym Śląsku ok. 90tyś ton stali. K.P. 1913 r wzrosło do 420tyś ton stali, a na G. Śl. W 1912 r. ok. 1mln. Ton. Na przełomie XVIII i XIX w. na ziemiach polskich powstał pierwszy wielki piec z wykorzystaniem koksu -duża nowość w metalurgii (Gliwice) .W tym okresie hutnictwo górnośląskie należy do jednych z najlepiej rozwiniętych w Europie.
Do największych producentów na G. Śl. Należy Huta Królewska, Gliwice, Florian Laura.
1918 -odzyskanie niepodległości Polski ,rozwój hutnictwa i stali.
1928r -produkcja surówki wielkopiecowej ok. 700tyś ton , a stali 1,5 ton.
Ten poziom w tym roku (1928) był najwyższy. Polska zalicza się do czołówki tego sórowca. Dopiero po 1933r ponowna produkcja żelaza po kryzysie gospodarczym. Wybudowano hute stalowa wola w ciągu roku (1938-1939) .W 1940r. globalna produkcja stali wynosiła ok. 2mln ton a po wojnie wzrosła do 3 mln ton.
Nowym okresem są lata 50-te ,lata powojenne gdzie przystąpiono do modernizacji hut. Lata 50-te lata ukierunkowane na modernizacje i budowę nowych zakładów metalurgicznych. Do lat 80 tych ciągle wzrastała produkcja do roku 1980, gdzie nastąpiło załamanie ,strajki.
|
Surówka |
Stal |
1960 |
4.5mln ton |
6.0mln ton |
1970 |
7.3mln ton |
10.2mln ton |
1980 |
11.6mln ton |
17.7mln ton |
1985 |
9.8mln ton |
15.0mln ton |
1987 |
10.5mln ton |
15.4mln ton |
1976r - powstała huta „Katowice” która 2 lata później produkowała sama 4mln ton stali . Koniec dekady XXw. Spowodowała ,ze nasze hutnictwo wchodziło w XXI w. ze sporym zacofaniem.
Hutnictwo metali nieżelaznych - 1136r.
W XIII w. wykopano rudy ołowiu zawierającego srebro w okolicach Bytomia. Rejon śląsko - dąbrowski stał się jedynym z największych producentów ołowiu.
Surowce miedzionośne są bogate w złoto. Przełom XVIII/XIX otrzymano cynk w postaci metalicznej II poł XIX w. -rozwój hutnictwa.
Hutnictwo na G. Śl. (cynku) spowodowało rozwój ośrodka przemysłowego. W latach 30-tych działały 3 koncerny metali nieżelaznych (na terenie Polski). W 1952r rozbudowano zakłady elektrolizy w Szopienicach. Aluminium-produkcja w Polsce w 1954 w Skawinie. Powstał szereg walcowni metali nieżelaznych. W końcu lat 80-tych hutnictwo metali nieżelaznych przeżywało podobną sytuacje jak hutnictwo żelaza i stali ,lecz popełniono mniej błędów inwestycyjnych.
………………………………….OBRAZEK………………………………………………….
Surowce wtórne ,które podlegają recyklingowi to głównie złomy.
Czynniki kształtowania metalurgii.
-rynkowy (podaż produktu-popyt>0)
-(cena - koszty >0)
-płynność finansowa Pf≥1)
TYTAN -jest dość szeroko wykorzystywany w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym. Cena w porównaniu do innych metali letnich jeszcze nie pozwala na szerokie stosowanie tego pierwiastka.
KADM-występuje w rudach cynkowych, jest to pierwiastek rakotwórczy, (baterie kadmowo-niklowe)
Beryl-w technice jądrowej i stopach konstrukcyjnych. Brązy berylowe są wykorzystywane na styki elektr. w górnictwie.
Tantal-szczególnie ma odporność na wysokie temp.
SUROWCE PIERWOTNE(BAZA)
Philips- surowce przeznaczone do wtórnego wyrobu.
W Ameryce płd. -największe zasoby w Chile.
Brazylia-36 kopalń rud i żelaza.
Afryka-złoża metaliczne ,Afryka płd. (50 kopalń zajmuje się eksploatacja metali szlachetnych)
Azja - Indonezja ,Rosja (byłe republiki Radzieckie) -boksyty miedzi , nikiel,
Indie-Rudy żelaza ,rudy miedzi
Australia -108 kopalń ,są tam wszystkiego rodzaju rudy.
Ceny metali warunkujące rozwój gospod. Rynkowej:
Ceny metali dyktuje rynek. Odzwierciedleniem wszystkich metali jest giełda Londyńska. Relacje cenowe nie zawsze kształtują się z podażą i popytem. Miedzią są zainteresowane fundusze inwestycyjne i jest ona surowcem pożądanym.
Czynnikiem w rozwoju metali są koszty produkcji. Koszty inwestycyjne w hutnictwie SA bardzo duże. Olbrzymie środki muszą być zainwestowane w środki obrotowe (płace ,opłaty za media) Rozwój technologii ma wpływ na obniżenie kosztów. Wpływają na poprawę jakości wyrobu.
Obniżenie kosztów związanych z produkcją (proces otrzymywania aluminium) .Materiały osadowe stanowią jeden z większych elementów kosztów produkcji.
Sposób produkcji stali:
Koksownik
Piec szybowy piec trzonowy
Spiekalnia
Ograniczenie kosztów z pozyskaniem metali -odkrywkowe złoża miedzi. Czynnik wpływający na koszty produkcji -energia, bezpośrednio przekłada się na ilość potrzebną do uzyskania pierwiastka (glinu potrzebuje najwięcej energii ,a ołów najmniej).
Ochrona środowiska i współczesne systemy zarządzania
Jest to związane z bardzo mocnym wzrostem świadomości społeczeństwa .W tej chwili zaczyna się konstruowanie technologii ,które pozwalają na wytworzenie metalu z ograniczeniem negatywnego wpływu na środowisko.
Systemy zarządzania jakością -ISO 9000 wiąże się z dokumentacją. Zgodnie z tą dokumentacją każdy wie za co odpowiada. ISO14000- jest to norma dotyczaca zarządzania środowiskiem reguluje certyfikacje materiałów, ale również przewiduje konieczność uwzględnienia wpływu na środowisko. Jest to korzystne dla ludzi mieszkających wokół lasów.(normy)
Schemat procesu który dotychczas obowiązywał: (ukł. Otwarty)
Wsad-----------Proces---------v--------------Produkt
V
Odpad
Gdy mamy produkt sprawdzamy jego własności ,jeżeli nie spełnia naszych wymagań to jest to odpad.
W tej chwili obowiązuje układ zamknięty:
Jeżeli spełnia ten wyrób odpowiednie wymogi to wtedy jest to produkt. Pozwala na odrzucanie braków ,oraz pozwala poprowadzić wyniki finansowe zakładu . Ten układ wpływa też na to , że musimy lepiej dopasować się do potrzeb klijęta. Wprowadzenie tego układu w stanach -wskaźnk wzrusł z 0.7 do 0.9.
Def dotycząca własności i podziału metali:
Metal zalicza się do substancji ,ch- żujący się następującymi własnościami:
1)dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi
2)dobra plastycznością ,czyli zdolnością do trwałych odkształceń pod wpływem naprężeń zew.
3)Dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym ,oraz dodatnim współ tempera. Rezystywności , że opór metalu rośnie wraz ze wzrostem temp.
4)Połyskiem metalicznym ,czyli zdolnością odbijania promieni świetlnych prze wypolerowane powierzchnie.
Podział metali i ich zastosowanie:
-żelazo
-metale nieżelazne
poniżej 5g/cm3-metale lekkie
powyżej 5g/cm3-metale ciężkie
Metale lekkie
-metale alkaliczne -lid ,sód, potas
-metale ziem alkalicznych -magnez, glin, wapń
Metale ciężkie:
-metale wysokotopliwe Tt>2000k (chrom, wanad ,wolfram)
-metale średniotopliwe 873 Tt<2000k (miedź , żelazo, Nikiel)
-metale niskotopliwe Tt<873k (ołów ,cynk, cyna ,kadm)
Ołów jest wykorzystywany do aparatury technicznej, jako podkładki itp.
Żelazo jest to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 26, ciężarze właściwym 7,77. Jako metal technicznie czysty rozumie się metal o zawartości jak najmniej innych składników, np. żelazo.
Żelazo:
technicznie czyste
stopy
Schemat wytwarzania :
SURÓWKA - stop żelaza z węglem przy zawartości węgla powyżej 2% i innymi pierwiastkami - mogą tu być krzem, siarka, fosfor.
ŻELIWO - jest przeznaczone do procesów odlewniczych.
STAL - stop żelaza z węglem, gdzie węgla jest poniżej 2% z dodatkami niklu, chromu, wolframu.
STALIWO - jest przeznaczone do procesów odlewniczych i ma taki sam skład jak stal.
ŻELAZOSTOPY:
żelazo-krzem - 90% krzemu
żelazo-mangan - do 80% manganu
żelazo-chrom - powyżej 65% chromu
MATERIAŁY WSADOWE:
Metalurgia RN - zasoby naturalne.
XXI w. - MMR - surowce wtórne
Odpady produkcyjne - ogromne ilości.
Złom jest świetnym materiałem osadowym.
Cynk jest jednym z metali, który swoją produkcję będzie opierał na surowcach pierwotnych.
Szerokie wykorzystywanie aluminium przyczyniło się do tego, że wraca ono w postaci złomu. Aluminium (złom) jest wykorzystywany w Stanach w przemyśle samochodowym.
Surowce wtórne - stabilna zawartość pierwiastka podstawowego.
W przemyśle wtórnym dużą rolę odgrywa segregacja.
Surowiec typu NR Surowiec typu MMR
RUDA ZŁOM
Procesy wzbogacania: Procesy wzbogacania:
- rozdrabnianie - rozdrabnianie
- przesiewanie - przesiewanie
- rozdział
Koncentrat Oczyszczanie
Ekstrakcja Ekstrakcja
Metal surowy Metal surowy
Rafinacja Rafinacja
Metal na sprzedaż Metal na sprzedaż
Pierwiastki halkofilne - czas eksploatacji szacowany jest jeszcze na 30 lat. Są to: S, Cu, Zn, Pb, Sb, Cd, Hg, Au, Te.
Pierwiastki syderofilne - czas eksploatacji jest szacowany na ok. 300 lat. Są to: Pt, Mo, Sn, Ni.
Pierwiastki litofilne - szacowane wydobycie na ok. 15000 lat. Są to: Cu, Al., W.
Odpady poprodukcyjne są trudniejsze do przerobu niż złom. Zawartość miedzi w rudzie to 1,5%. Wyprodukowanie 1 tony tego metalu powoduje wyprodukowanie 100 ton złomu.
Metalurgiczna inżynieria procesowa
Działanie fizyczne Działanie chemiczne
Rozdział
Produkty handlowe Produkty odpadowe
Proces metalurgiczny - oddziaływanie na materiał wsadowy, w wyniku którego powstają nowe fazy, które ulegają rozdziałowi na metal i fazy odpadowe.
Do opisania procesów metalurgicznych:
trzeba znać skład chemiczny i strukturalny materiałów wsadowych,
trzeba znać opis termodynamiczny procesu (polega na obliczeniu stałej równowagi),
opis kinetyczny procesu w którym opisuje się transport masy, ciepła, pędu.
Proces pirometalurgiczny - jest to proces, który zachodzi w wysokiej temperaturze,
Procesy hydrometalurgiczne - odbywają się w temperaturze otoczenia.
W procesie pirometalurgicznym wykorzystuje się MeO, MeS.
Dla materiałów tlenkowych stosuje się metodę redukcji:
Me+CO Me+CO2+żużel
C+CO2 2CO - redukcja Buduara
2MeO+C 2Me+CO2
Dla materiałów siarczkowych są dwa etapy:
stapianie
temp.
MeS(stałe) MeS(ciecz) + żużel
utlenianie z postaci ciekłej
MeS(ciecz) + O2 Me + SO2
dla materiałów tlenkowych - trzeba materiał wypłukać:
MeO+H2SO4=(MeSO4) ciecz+H2O+szlam
dla materiałów siarczkowych - trzeba materiał wyprażyć:
MeO+2O2=(MeSO4) stałe --> (MeSO4) ciecz +szlam
Me2+ + 2e- --> Me (katoda)
rafinacja
Reguła faz (1876r.) - opracowana przez Gibbsa.
Faza jest to homogeniczna (jednorodna) część układu wykazująca określone własności fizyczne i określona jest powierzchniami ograniczającymi.
woda --> lód --> para (3 fazy)
Ilość niezależnych składników fazy „n” jest to najmniejsza ilość rodzajów cząsteczek, z których można zbudować cały układ.
w przypadku reakcji Buduara: C(st), CO2, CO(gazy) - jest to układ dwuskładnikowy, a gdy dochodzi woda i wodór - układ trójskładnikowy.
Ilość stopni swobody „s” - ilość czynników wyznaczających równowagę (temp., ciśnienie, stężenie), które można zmieniać, a ilość faz pozostanie taka sama.
W i.m.p. do liczenia funkcji termodynamicznych stosuje się:
entalpia swobodna ΔG (e.s. Gibbsa)
entalpia H (ciepło wydziela się w trakcie reakcji)
entropia (charakteryzuje uporządkowany układ)
ΔG = ΔH - TΔS
A+B => AB (reakcja syntezy)
gdy ΔG = 0, układ jest w równowadze (ani rozkład ani synteza),
gdy ΔG < 0, reakcja może przebiegać z lewej strony na prawą,
gdy ΔG > 0, jest prawo, że reakcja będzie przebiegać z prawej strony na lewą.
temperatura bezwzględna w K
ΔG = RT ln K
stała równowagi reakcji
stała gazowa
dany składnik
aA + bB + ...... <=> mM + nN .........
ilość składników
Jeżeli produkty są w postaci gazowej - stałą równowagi można wyliczyć za pomocą ciśnień tych składników:
gdy produkty są w postaci ciekłej - za pomocą stężenia
LnK
1/T
Rozróżnia się roztwory:
wodne - elektrolity
żużlowe
metaliczne
Cechą roztworu jest aktywność termodynamiczna:
Prężystość metalu w roztworze
prężystość nad czystym składnikiem
W roztworach skondensowanych - wartość 1.
W roztworach rozcieńczonych - wartość zbliża się do 0.
ułamek molowy tego składnika w roztworze
współczynnik aktywności
Szybkość procesu zależy od czynnika determinującego:
produkty
substraty
Procesy heterogeniczne - zachodzące między dwoma fazami.
FAZA 1 FAZA 2
CI
CI CII CII
3 fazy procesu:
1° - transport masy danego składnika do pow. międzyf. (f. ciekła)
2° - desorpcja albo parowanie
3° - transport masy (f. gazowa)
- moduł napędowy procesu
k - współczynnik unikania masy
Surowce metalonośne :
Można posegregować pod względem ilości i formy w jakiej występują:
metale (najw. wyst. krzemu) - 27,6%
glin - 8,8%
Wyst. w zw. z innymi met. z siarką.
Ruda metalu - kopalina mineralna, zawierająca metal, że nadaje się do otrzymania danego metalu. W układ rudy wchodzą części użyteczne - metale, oraz części nieużyteczne - materiały stanowiące skałę płonną (nie jest połączona w sposób chemiczny z metalem, stosunkowo łatwo się jej pozbyć).
Rudy są to materiały polimetaliczne.
Rudy cynku i ołowiu, dodatkowo odzyskuje się kadm, srebro, platynę, antymon bizmut, german.
Rudy miedzi - bizmut, platyna, srebro, złoto, ren i ołów.
Rudy cyny - bizmut.
Rudy aluminium - gal, rudy kobaltu - arsen, bizmut, pallad, srebro.
Rudy niklu - arsen, bizmut, pallad, platyna.
Rudy żelaza - wanad.
Ilość i charakter skały płonnej decyduje o ...........................................
Ruda samotopliwa - najlepszy rodzaj rudy, występujący bardzo rzadko.
Redukcyjność rudy - zdolność do reagowania z gazami procesowymi w celu otrzymania metalu.
Topniki - mają za zadanie obniżać temperaturę topnienia rud, powinny w pewnym stopniu reagować z tymi składnikami rudy, które chcemy z niej usunąć.
Surowce metalurgiczne to także złomy i odpady.
Złom - wyroby i ich części, które utraciły ich wartość użytkową, oraz odpady produkcyjne metali i ich stopów
Gdy ruda została już wydobyta musi być ona poddana przygotowaniu ( operacje pomocnicze). Jest to proces niezbędny. Dzięki niemu otrzymuje się mniej odpadów, zmniejsza się zużycie energii, koszty transportu.
POMOCNICZE OPERACJE OBEJMUJĄ:
przygotowanie wsadu
oddzielenie jak największej ilości skały płonnej
usunięcie składników szkodliwych (które negatywnie mogłyby wpłynąć na proces)
zwiększenie wytrzymałości )własności fizykochemicznych i wytrzymałościowych)
ujednolicenie składu chemicznego
Ad 1 ROZDRABNIANIE
kruszenie grube (wstępne) od 100 do 400 mm
kruszenie średnie zmniejszenie dalszych rozmiarów 10 - 80 mm
kruszenie drobne materiał od 2 - 10 mm
mielenie - materiał doprowadzony do rozmiarów 0,05 mm
Ad 2 SORTOWANIE, przesiewanie przez sita
Podział materiału ze względu na wielkość, klasyfikacja rud w zależności od wielkości kawałków. Separatory wodne i powietrzne - wykorzystywane są różnice w gęstościach.
Ad 3 WZBOGACANIE
Powstały materiał jest poddawany wzbogacaniu.
Procesy wzbogacania:
procesy grawitacyjne - wzbogacone w osadzarkach i cieczach ciężkich
procesy flotacyjne
procesy magnetyczne
procesy elektrostatyczne
Materiały zwilżone wodą - materiały hydrofilowe (do flotacji)
Materiały, które trudno się zwilżają - materiały hydrofobowe
b) następnie materiał poddawany jest flotacji, potem jest domielanie i znów poddawanie materiału flotacji (niektóre opadną, inne unoszą się do piany). Przy tym procesie stosuje się związki organiczne i nieorganiczne.
W procesie stosowane są :
odczynniki zbierające - zbieracze (kwasy tłuszczowe, aminy)
odczynniki regulujące - regulatory korygujące np. szkło wodne
odczynniki pianotwórcze - aby piana miała odpowiednią konsystencję np. olej sosnowy, alkohol amylowy.
Otrzymana piana wypływa na powierzchnię - piana zmineralizowana. Parametry flotownika:
powinien pracować w sposób ciągły
powinien utrzymywać ziarna mineralne w postaci zawiesiny
powinien rozprowadzać roztwór równomiernie
powinien umożliwiać ciągły kontakt pęcherzyków z ziarnami mineralnymi
powinny zapewniać oddzielenia materiału - balastu od materiału użytecznego.
c) wzbogacanie magnetyczne
d) wzbogacanie elektrostatyczne - nadawana jest polaryzacja pewnym minerałom w procesach obróbki plastycznej, mechanicznej czy odlewniczej i przeznaczone do ponownego przerobu metalurgicznego.
Odpady: skrzepy (powstałe w wyniku skrzepnięcia), zgorzelina (produkt korozji), zgazy (zbierany jest ręcznie), żużle, szlamy (o wysokiej wilgotności odpady), opiłki, pyły szlifierskie.
Pomocnicze operacje metalurgiczne - polegają na odpowiednim przygotowaniu rudy do dalszego przerobu. Zwiększenie ............................................usunięcie składników szkodliwych, zwiększenie powierzchni właściwej, ujednorodnienie składu chemicznego, poprawę własności rud.
Proces przygotowania (3 etapy)
etap rozdrabniania: kruszenie grube wstępne, kruszenie średnie, kruszenie drobne
klasyfikacja (sortowanie)
samo wzbogacenie materiału rudnego
RYSUNEK 1
II etap - klasyfikacja rud polega na rozdzielaniu materiału w zależności od ich rozmiaru.
Metody wzbogacania :
procesy wzbogacania grawitacyjnego, flotacyjnego (wykorzystuje się właściwości zwilżania), magnetycznego, elektrostatycznego.
CYNK
ZnCO3 * 3Zn(OH)2 * nH2O
570*K - cynk zaczyna się utleniać
Zn + CO2 = ZnO + CO
Rudy cynku - rudy polimetaliczne
Cynkowi towarzyszy ołów i kadm
Rudy cynku:
rudy tlenkowe( minerałem jest smitsonit ZnCO3)
rudy siarczkowe (minerałem jest blenda ZnS)
Główną bazę surowcową do otrzymywania cynku stanowią rudy siarczkowe. Zastosowanie cynku: składnik stopowy w mosiądzach, są to stopy, które mają za zadanie zastąpienie drogiej miedzi; do produkcji armatury czy komponentów; w metalurgii - w szeregu napięciowym do rafinacji.
Rudy cynkowe są przerabiane flotacyjnie, grawitacyjnie, mechanicznie. Skład koncentratu - 54% cynku, 2% ołowiu, 30% siarki, 5%
Materiały cynkonośne: tlenkowe i siarczkowe.
Materiały tlenkowe
Z węglanu tlenek i CO2
ZnCO3 - ZnO + CO
Konstrukcja pieca (walec o średnicy od 2 do 4 m )
RYSUNEK 2
3 strefy:
suszenie
kalcynacji, czyli rozkładu węglanów
900 - 950*C odparowanie tych pierwiastków, które znajdowały się w materiale wsadowym (Zn, Cd, Pb - różnią się szybkością odparowania). Przesuwały się na początek pieca.
Produktem takiego procesu jest ZnO, surowy tlenek ołowiu, kadmu.
RYSUNEK 3
Procesy otrzymywania cynku prowadzi się w piecach szybowych.
Rudy siarczkowe:
Rudy polimetaliczne, w których występuje nie tylko cynk. Aby otrzymać cynk trzeba przeprowadzić prażenie utleniające
ZnS + 1,5 O2 = ZnO + SO2
Podstawy prażenia utleniającego:
Ma za zadanie zastąpić siarkę tlenem. Rozpoczyna się w momencie zapłonu ziarna. Zaczyna się wypalać siarka z minerału. Jest to proces egzogeniczny z wydzielaniem ciepła. Temperatura musi być kontrolowana, żeby nie powstawały spieki.
Im mniejsze jest ziarno tym mniejsza jest temperatura zapłonu.
RYSUNEK 4
Podlega działaniu temperatury i oddziaływaniu powietrza. Warstewka staje się coraz grubsza i utrudnia dostęp tlenu do ZnS. Powierzchnia nie może być zbyt zwarta. Materiał jest w ciągłym ruchu. Stopień rozdrobnienia jest ważny. W trakcie tego procesu chodzi o to, aby max dużo rozłożyć tego związku ZnS.
Proces prażenia utleniającego prowadzi się w piecach fluidynacyjnych.
RYSUNEK 5
materiał jest wprowadzany w stan wrzącej cieczy.
3 zakresy ciśnienia:
1) wsad pozostaje nieruchomy
2) wsad przechodzi w stan wrzącej cieczy
3) transport pneumatyczny - silny dmuch.
Można stosować każdy materiał (wilgotny, odpady itp.)
Piece fluidynacyjne - temp. 800-900*C
Piece zawiesinowe
RYSUNEK 6
Wysokość szybu jest tak dobrana, aby w momencie kiedy koncentrat opada na dno, aby był w całości w postaci tlenku cynku. Faza stała wprow. do fazy gazowej
Piec wielotrzonowy Weage'a:
RYSUNEK 7
Koncentrat był umieszczany na półkach, grabie - ruszają wsad. Mała powierzchnia kontaktu cząsteczek z gazem faza zwarta.
Taśma Duight - Lloyd'a
Transporter bez końca. Wykorzystuje się do prażenia i spiekania koncentratów siarczkowych. Chodzi o to, aby utlenić materiał siarczkowy i żeby powstał spiek. Faza stała, przez którą przechodzi powietrze. Temp. 1100-1200*C - można usunąć kadm i cynk.
RYSUNEK 8
Można ja wykorzystywać w procesach jednostadialnych. Wykorzystywane są w procesach zbrylania. Rozpoczyna się etap uzyskiwania metalu.
T: Pirometalurgiczne otrzymywanie cynku:
Redukcja tlenku węgla:
(Podział metali, w jakim stopniu są one związane z tlenem).
Redukcja metalu powinna odbywać się w takich warunkach, żeby otrzymać jak najwięcej metalu, trzeba także uwzględnić koszty procesu.
W aspekcie ekonomicznym bierzemy pod uwagę:
- dobór reduktora (koks, wodór, glin, krzem, magnez).
Powierzchnia kontaktu jest większa, gdy reduktor jest w stanie gazowym:
kp - stała równowagi
aMe - aktywność
Wysokie powinowactwo dla tlenu ⇒ Ca, Mg, Si kp≈10-5
Niskie powinowactwo ⇒ Cu, Pb, Ag kp≈105
Charakt. Się metale o niskim powinowactwie:
niska temperatura redukcji,
niskie zużycie paliwa.
dobre wykorzystanie reduktora,
duże wartości stałej równowagi, np. 102, 105
Przy redukcji wodorem proces przebiega gwałtowniej:
- szybciej trwa,
- minusem jest duża reaktywność wodoru - droższe instalacje (większe koszty), większe bezpieczeństwo trzeba zachować.
2 metoda piromet. Cynk otrzymuje się w procesach szybowych.
I piece do destylacji (piece destylacyjne)
- ogrzewany gazami z procesu spalania
2/3 mufle na 1 tonę cynku.
Czas trwania procesu z zakład., proces trwał 24 godziny.
Cynk 86-90%
Dawano dużo, nadmiar reduktora, aby wszystko się dobrze wyredukowało (wsad był nieruchomy)
II Następnym elementem w przeróbce Zn była retora:
Wsad musiał być zbrykietowany (wsad był omywany gazami, poprawiało to zużycie ekonomiczne). Temp. procesu - 1200-1250*C. Jest bardziej ekonomiczny 92-94% - Zn uzyskamy na poziomie (92 - 95%).
III elektryczne piece do redukcji destylacji:
Wsad był nagrzewany bezpośrednio, elektrody dotykały wsadu, małe straty cieplne, dużo energii pobierał.
Piec elektryczny
Piec szybowy piec łukowo - oporowy
Piec szybowy - pierwszy powstał w Anglii. W Polsce w Miasteczku Śląskim taki piec funkcjonuje do wyrobu Zn. Pozwala na otrzymanie 2 metali w jednym procesie. Wiąże się to z oszczędnością, mniejszym zużyciem reduktorów
Piec szybowy:
Element wsadowy
Ruda siarczkowa
Taśma DL - spiek o odpowiednim rozmiarze
Spiek
|
Materiał, który nie nadaje się do wykorzystania w piecu szybowym poddaje się zbrylaniu lub grudkowaniu. Grudki poddawane są wypalaniu w wysokich temperaturach, aby stały się trwalsze, bardziej wytrzymałe. |
Kondensator - komora wypełniona ciekłym ołowiem. 550-560ºC
Cynk wypływa na powierzchnię ołowiu. Ołów zawracany do kondensatora.
Uzyskujemy Zn jest poddawany procesom rafinacji przez:
- rektyfikacje - w Miasteczku Śląskim. Skomplikowany proces, wykorzystywane są temperatury wrzenia.
- rafinację ogniową
Ołów spływa w dół kolumny. Kumuluje składniki o wyższej temp. wrzenia. Cynk przedostaje się do góry i jest odlewany do II kolumny - kolumny kadmu.
Hydrometalurgiczna metoda otrzymywania cynku
⇓
cynk otrzymujemy metodą elektrolizy
Pozwala na otrzymywanie cynku o dużej czystości, ale wiąże się ze stosunkowo dużymi kosztami.
Cynk znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle.
1880r. - metody otrzymywania elektrolit. Cynku opracowano przez Luckowa
1881r. - metody otrzymywania elektrolit. Cynku opracowano przez Retrunge'a
1-szy kraj, który otrzymywał cynk w skali przemysłowej to Włochy w 1916 r.
W Polsce w hucie „Szopienice”
Proces hydrometr. otrzymywania cynku składa się:
przygotowanie koncentratów do ługowania,
ługowanie w roztworze kwasu siarkowego,
oczyszczanie roztworu,
elektroliza,
przetop katod i odlewanie cynku.
Nie każdy materiał nadaje się do procesu hydrometr. - w zależności od materiału należy się zastanowić jaką metodą dany materiał przerabiać.
W stosunku do metody pirometalurgicznej, metodą hydrometalurgiczną można uzyskać cynk czterodziewiątkowy (9999).
Ługowanie koncentratów:
Wsad stanowi blenda prażona, musi być w taki sam sposób przygotowana jak do procesu pirometalurgicznego, czyli odpowiednio rozdrobniona. Najważniejszym czynnikiem determinacyjnym otrzymywanie…………….
Niebagatelnym procesem tutaj jest proces mieszania. (czynnikiem mieszającym jest powietrze)
Materiał rudny jest polimeryczny.
ZnO+H2SO4→ZnSO4+H2O REAKCJA ŁUGOWANIA
Stosuje się dwie metody:
okresowa - w zbiorniku jest jednorazowo dawany wsad zawierajacy metal i roztwór ługujący 15% - roztworu H2SO4
ługownik do ługowania okresowego
przy pH= 5,2÷5,5 - kończy się proces ługowania
Zalety:
- w przypadku koncentratów przychodzących od róznych producentów.
ciagła - kilka szeregów ustawionych ługowników jak wyżej, gęstwa jest przesuwana od jednego do drugiego.
Zalety: wydajność ługowania jest wyższa od okresowego
Wady:
Skład chemiczny koncentratów musi być ustabilizowany - jakiekolwiek zmiany mogą niekorzystnie wpływać na proces i w razie awarii wymaga znacznie większej pracy (trzeba wyprowadzić więcej gęstwy).
Etapy oczyszczania:
zagęszczanie - w urz. Podobnych do ługowników (osadnika)
|
dodawane są odczynnika (koagulanty) pozwalające się łączyć cząsteczkom stałym i opadają |
filtracja - {filtry próżniowe, bębnowe}
proces cementacjoi- jako czynnik cementacji wykorzystuje się bardzo dobry pył cynkowy
Wodny roztwór siarczku cynku jest przewodnikiem elektrolitycznym. Przepływaniu prądu przez elektrolit towarzyszą procesy chemiczne……….
I prawo Faraday'a m=k⋅I⋅t
k=1,22 g/Ah
m - masa wydzielonej substancji
na anodzie zachodzi utlenianie
Az-=A+ze
na katodzie redukcja
Kz++ze=K
W procesie elektrolizy:
Katoda: Zn+2e = Zn
Anoda: SO2-4 = SO+1/2O2+2e
reakcja elektrolizy cynku:
ZnSO4+H2O = Zn+H2SO4+1/2O2
Remp.30÷35şC zapewnia osadzanie cynku na katodach, niebagatelne znaczenie ma powierzchnia katod.
Cyrkulacja w wannach elektrolitycznych - kontakt czynników z surowcem zawierającym cynk jest ważny. Roztwór zawierający cynk musi przepływać mieszy elektrodami, aby można było go „wyciąć”
Topienie w piecach indukcyjnych - jest stosowany salmiak.
OŁÓW w 75% wykorzystywany jest do produkcji akumulatorów
Do otrzymywania ołowiu stosowana jest metalurgia miedzi
Metody przerobu wtórnego: (akumulatorów)
metody bezpośrednie - w stanie dostarcz. łącznie z elektrol. Dostarczane są do pieca szybowego
metody pośrednie proste - usuwane są tylko obudowy akumulatorów a reszta przerabiana jest razem.
metody pośrednie złożone - oddzielenie metalu od materiału obudów.
Ołów twardy - zawiera antymon (kratki)
Ołów miękki - zaciski, nakładki
Piece Derszla - piece obrotowo - wahadłowe
MIEDŹ produkcja oparta o chalkozyt.
W Polsce występują głównie rudy siarczkowe zawierające od 2÷2,5% miedzi
Ruda Cu jest rudą polimeryczną
Ruda (0,5÷2% Cu)
⇓
Kruszenie
(27 mln ton/rok - roczne przerabianie miedzi)
⇓
Mielenie
⇓
Flotacja
odpady koncentrat Cu
zawiera 25-30% Cu
Gdy mamy już koncentrat to poddawany on jest procesowi stapiania
Istnieją 2 rodzaje otrzymywanych materiałów.
Koncentrat
⇓
stapianie
Miedź kamień miedziowy
(stopiony siarczek miedzi)
⇓
konwertowanie
⇓
miedź blister
R. ogniwa
Elektrorafinacja
Cu elektrolityczna
Piec szybowy i zawiesinowy - są dwa rodzaje stapiania w piecach
Piec:
szybowy- materiał podawany w kawałkach
zawiesinowy- nowoczesna technologia otrzymywania Cu, materiał musi być bardzo suchy
Konwertorownie kamienia miedziowego.
I okres - utlenia się żelazo - I etap tworzenia żużla
Podczas rafinacji ogniowej usuwa się tlen, ołów, dwutlenek siarki.
II etap - utlenianie siarczku miedzi Cu2S
Żerdziowanie - do miedzi są wrzucane żerdzie drewna.
Wskaźnik
Model
Kontrola
Modyfikacja
Proces
WSAD
PRODUKT
SURÓWKA
STALIWO
STAL
ŻELIWO
MATERIAŁY WSADOWE
NOWA FAZA
S
P