„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Dorota Lubaszka
Otrzymywanie metali nieŜelaznych
812[02].Z2.03
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
mgr Janusz Górny
mgr inŜ. Jacek Widera
Opracowanie redakcyjne:
mgr inŜ. Dorota Lubaszka
Konsultacja:
mgr inŜ. Danuta Pawełczyk
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 812[02].Z2.03
„Otrzymywanie metali nieŜelaznych”, zawartego w modułowym programie nauczania dla
zawodu operator maszyn i urządzeń metalurgicznych.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie
3
2. Wymagania wstępne
4
3. Cele kształcenia
5
4. Materiał nauczania
6
4.1. Teoretyczne podstawy metalurgii metali nieŜelaznych
6
4.1.1. Materiał nauczania
6
4.1.2. Pytania sprawdzające
8
4.1.3. Ćwiczenia
8
4.1.4. Sprawdzian postępów
9
4.2. Metalurgia miedzi
10
4.2.1. Materiał nauczania
10
4.2.2. Pytania sprawdzające
19
4.2.3. Ćwiczenia
19
4.2.4. Sprawdzian postępów
20
4.3. Metalurgia cynku
21
4.3.1. Materiał nauczania
21
4.3.2. Pytania sprawdzające
27
4.3.3. Ćwiczenia
28
4.3.4. Sprawdzian postępów
29
4.4. Metalurgia aluminium
30
4.4.1. Materiał nauczania
30
4.4.2. Pytania sprawdzające
34
4.4.3. Ćwiczenia
34
4.4.4. Sprawdzian postępów
35
4.5. Metalurgia ołowiu
36
4.5.1. Materiał nauczania
36
4.5.2. Pytania sprawdzające
41
4.5.3. Ćwiczenia
41
4.5.4. Sprawdzian postępów
42
5. Sprawdzian osiągnięć
43
6. Literatura
47
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy z zakresu otrzymywania metali
nieŜelaznych
W poradniku zamieszczono:
–
wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
–
cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
–
materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
–
zestaw pytań, które pozwolą Ci sprawdzić, czy juŜ opanowałeś określone treści,
–
ć
wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
–
sprawdzian postępów,
–
sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań testowych,
–
literaturę uzupełniającą.
Schemat układu jednostek modułowych
812[02].Z2
Technologia procesów metalurgicznych
812[02].Z2.01
Otrzymywanie surówki
812[02].Z2.02
Otrzymywanie stali
812[02].Z2.03
Otrzymywanie metali
nieŜelaznych
812[02].Z2.04
Otrzymywanie materiałów
z proszków spiekanych
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu metaloznawstwa,
−
określać podstawowe właściwości metali,
−
dokonywać analizy przemian zachodzących podczas topienia i krzepnięcia metali,
−
klasyfikować stopy metali nieŜelaznych,
−
charakteryzować maszyny i urządzenia stosowane w procesach metalurgicznych,
−
charakteryzować układy sterowania i regulacji stosowane w procesach metalurgicznych,
−
stosować przepisy bhp, przeciw poŜarowe oraz ochrony środowiska,
−
korzystać z dokumentacji technicznej, literatury technicznej, norm, poradników,
−
współpracować w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
−
wskazać róŜnicę między metalurgią „czarną” i metalurgią „kolorową”,
−
rozróŜnić metody otrzymywania metali nieŜelaznych,
−
wyjaśnić fizykochemiczne podstawy procesów otrzymywania metali nieŜelaznych,
−
scharakteryzować przygotowanie rud do procesów metalurgicznych,
−
określić właściwości i zastosowanie miedzi,
−
objaśnić sposoby wzbogacania rud miedzi,
−
scharakteryzować proces otrzymywania miedzi,
−
wyjaśnić budowę pieców do wypalania kamienia miedziowego,
−
rozróŜnić rodzaje konwertorów do przeróbki kamienia miedziowego,
−
określić sposoby rafinacji miedzi,
−
objaśnić metody odlewania miedzi,
−
określić właściwości i zastosowanie cynku,
−
rozróŜnić surowce do produkcji metalicznego cynku,
−
scharakteryzować metody otrzymywania cynku,
−
rozróŜnić urządzenia do produkcji cynku,
−
określić właściwości i zastosowanie aluminium,
−
scharakteryzować metody otrzymywania tlenku glinu,
−
objaśnić proces elektrolizy tlenku glinu,
−
scharakteryzować rafinację aluminium hutniczego,
−
wyjaśnić budowę elektrolizerów,
−
określić właściwości i zastosowanie ołowiu,
−
scharakteryzować proces otrzymywania ołowiu w piecu szybowym,
−
scharakteryzować proces otrzymywania ołowiu w piecach obrotowo-wahadłowych,
−
wyjaśnić konstrukcję pieców do otrzymywania ołowiu,
−
scharakteryzować proces rafinacji ołowiu,
−
określić zakres robót podczas naprawy urządzeń do otrzymywania metali nieŜelaznych,
−
rozróŜnić urządzenia odpylające stosowane w procesie technologicznym otrzymywania
metali nieŜelaznych,
−
określić zasady zachowania się w strefach gazoniebezpiecznych oraz w strefach
bezpośredniego zagroŜenia odpryskiem ŜuŜla i ciekłego metalu oraz gorącego metalu,
−
zastosować przepisy bhp, ochrony ppoŜ. i ochrony środowiska obowiązujące podczas
produkcji metali nieŜelaznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
4.
MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Teoretyczne podstawy metalurgii metali nieŜelaznych
4.1.1. Materiał nauczania
Metale występują w przyrodzie jako składnik róŜnych minerałów. Minerał moŜe być
pierwiastkiem lub związkiem chemicznym. W skorupie ziemskiej spotyka się najczęściej
mieszaniny róŜnych minerałów. Mieszaninę minerałów zawierającą jeden lub więcej metali,
w takich ilościach i w takiej postaci, które umoŜliwiają otrzymywanie tych metali nazywamy
rudą. Wszystkie rudy w mniejszym lub większym stopniu są zanieczyszczone piaskiem,
tlenkami wapnia, tlenkami magnezu oraz innymi zanieczyszczeniami. Zanieczyszczenia te
tworzą w rudzie skałę płonną. Otrzymywaniem metali z rud zajmuje się metalurgia.
Metalurgia to dział techniki zajmujący się procesami otrzymywania metali. Główne
działy metalurgii to metalurgia Ŝelaza i metalurgia metali nieŜelaznych. Podstawowe procesy
metalurgiczne to:
−
wstępna przeróbka rudy,
−
wzbogacanie rudy,
−
proces hutniczy,
−
rafinacja.
Operacje przygotowawcze do wzbogacania rud obejmują rozdrabnianie, przesiewanie,
klasyfikacje. Rozdrabnianie ma na celu uzyskanie odpowiedniej wielkości ziarn (rys. 1).
Rys. 1. Sposoby rozdrabniania: a) zgniatanie, b) rozłupywanie, c) ścieranie, d) uderzenie [2, s. 16]
W procesie rozdrabniania uŜywa się kruszarek szczękowych, stoŜkowych, walcowych,
młotowych i udarowych oraz młynów kulowych i prętowych (rys. 2).
W celu oddzielenia ziarn o róŜnej granulacji prowadzi się przesiewanie za pomocą sit
(rusztowe, blaszane, plecione) i przesiewaczy(rusztowe, wibracyjne, wahadłowe).
Klasyfikacja ma na celu rozdzielenie drobnych ziarn róŜniących się wielkością
i gęstością. Do klasyfikacji słuŜą urządzenia zwane klasyfikatorami lub separatorami. Zasadą
działania klasyfikatora jest wykorzystanie róŜnic prędkości opadania ziarn o róŜnej wielkości
lub gęstości. Ziarna większe i cięŜsze opadają na dno, a ziarna drobne zawieszone w wodzie
są unoszone z prądem wody.
Wzbogacanie rud jest procesem mającym na celu zwiększenie procentowej zawartości
metalu przez usunięcie części skały płonnej. Wzbogacanie rud moŜna odbywać się metodą
grawitacyjną, ogniową, magnetyczną oraz przez flotacje. Flotacją nazywa się metodę
mokrego wzbogacania rud, wykorzystującą własność przylepiania się cząstek minerałów
trudno zwilŜalnych wodą do pęcherzyków powietrznych i wypływania z nimi w postaci piany
na powierzchnię cieczy. Powstawaniu obfitej piany słuŜy przedmuchiwanie roztworu
strumieniem powietrza. Flotacja jest stosowana między innymi do oczyszczania złóŜ cynku,
ołowiu, miedzi, siarki. Operacjami wykańczającymi są zagęszczanie, filtrowanie, suszenie
brykietowanie i grudkowanie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
Rys. 2. Zasada działania kruszarek: a) szczękowej, b) stoŜkowej, c) walcowej, d) gniotownika, e) młyna
kulowego, f) dezyntegratora, g) młyna młotowego [2, s. 17]
Metalurgię dzieli się na:
−
pirometalurgię – otrzymywanie metali z rud na drodze suchej (redukcja tlenków metali
w wysokich temperaturach). Obejmuje procesy spiekania, redukcji tlenków metali oraz
utleniania(świeŜenia),
−
hydrometalurgię – procesy mokrego otrzymywania metali za pomocą ługowania, czyli
oddziaływania wodnymi roztworami odpowiednich związków chemicznych,
−
elektrometalurgię – przebiega w wysokich temperaturach uzyskiwanych poprzez
wykorzystanie energii elektrycznej,
−
metalurgię próŜniową,
−
metalurgię proszków – polega na otrzymywaniu metali w stanie znacznego
rozdrobnienia, a następnie ich spiekaniu w temperaturze niŜszej od temperatury
topnienia.
Wybór metody otrzymywania poszczególnych metali zaleŜy od własności chemicznych
i fizycznych metali, postaci ich występowania w przyrodzie i zawartości w rudzie. Procesy
pirometalurgiczne stosuje się najczęściej przy duŜej zawartości metalu w rudzie lub
koncentracie, przy czym metal nie moŜe być bardzo aktywny w obecności tlenu i węgla.
Metodą ta otrzymuje się między innymi miedź, ołów, nikiel, cynk.
Procesy hydrometalurgiczne stosuje się wtedy, gdy zawartość metalu w rudzie jest mała
i równocześnie ruda zawiera inne metale, których nie moŜna oddzielić w procesach
pirometalurgicznych.
Metale nieŜelazne występują w przyrodzie w postaci rodzimej i w postaci rud. Większość
metali występuje w przyrodzie w postaci tlenków, siarczków, węglanów, chlorków,
krzemianów i arsenków. Z tego względu rudy dzieli się w zaleŜności od postaci chemicznej,
w jakiej występuje metal na:
−
rudy tlenkowe np. MnO
2,
SnO
2,
−
rudy węglanowe np. ZnCO
3,
PbCO
3,
−
rudy siarczanowe np. PbSO
4,
ZnSO
4,
−
rudy siarczkowe np. ZnS, PbS, Cu
2
S,
−
rudy krzemianowe np. Zn
2
SiO
4
· H
2
O,
−
rudy zawierające metale rodzime.
Skałę płonną tworzy najczęściej krzemionka (SiO
2
), wapień (CaCO
3
), magnezyt
(MgCO
3
), krzemiany i glinokrzemiany. W zaleŜności od charakteru skały płonnej rudy dzieli
się na kwaśne (SiO
2
), zasadowe (węglany wapnia i magnezu) i samotopliwe.
Rudy metali nieŜelaznych są najczęściej wielometaliczne, a zawartość metali
uŜytecznych jest niewielka. W związku z tym, podstawowym celem przygotowania rud jest
ich wzbogacenie. W wyniku wzbogacenia otrzymuje się jeden lub więcej koncentratów.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
Do metali nieŜelaznych powszechnie stosowanych w technice naleŜą: miedź, aluminium,
cynk, ołów cyna, magnez i inne. RóŜnią się one własnościami fizycznymi i chemicznymi. Ze
względu na róŜnice gęstości i temperatury topnienia, metale nieŜelazne dzieli się na:
1) metale lekkie:
−
łatwo topliwe, np.: sód, potas, lit, aluminium,
−
trudno topliwe, np.: beryl, tytan,
2) metale cięŜkie:
−
łatwo topliwe, np.: cyna rtęć, ołów,
−
trudno topliwe, np.: miedź, mangan, nikiel,
−
bardzo trudno topliwe, np.: wolfram, molibden.
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie metale zaliczamy do metali nieŜelaznych?
2. Jak moŜna podzielić metale nieŜelazne?
3. Jakie operacje występują we wstępnej przeróbce rud?
4. Jakich maszyn uŜywa się do rozdrabniania?
5. Jakie są metody wzbogacania rud?
6. Jakie procesy chemiczne wykorzystuje hydrometalurgia?
7. Jakie rudy przerabiamy w procesach pirometalurgicznych?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Scharakteryzuj pirometalurgię i hydrometalurgię.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące metalurgii,
2) opisać
zjawiska
zachodzące
podczas
procesów
pirometalurgicznych
i hydrometalurgicznych,
3) określić
jakie
rudy
są
przerabiane
w
procesach
pirometalurgicznych
i hydrometalurgicznych,
4) zaprezentować wynik ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 2
Scharakteryzuj operacje przygotowania rud metali nieŜelaznych.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące przygotowania rud,
2) wypisać operacje przygotowania rud,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
3) scharakteryzować maszyny i urządzenia stosowane do rozdrabniania rud,
4) charakteryzować maszyny i urządzenia stosowane do oddzielania ziarn o róŜnej
granulacji,
5) charakteryzować maszyny i urządzenia stosowane do klasyfikacji rud,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
filmy dydaktyczne,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) rozróŜnić metale nieŜelazne?
2) scharakteryzować wstępne przygotowanie rud?
3) rozróŜnić maszyny stosowane do rozdrabniania rud?
4) scharakteryzować metody wzbogacania rud?
5) scharakteryzować pirometalurgię?
6) scharakteryzować hydrometalurgię?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
4.2. Metalurgia miedzi
4.2.1. Materiał nauczania
Miedź jest metalem barwy czerwonawej, o gęstości 8,96 g/cm³ i temperaturze topnienia
1083°C. Miedź metaliczna po wytopie i oczyszczeniu jest czerwono-brązowym, miękkim
metalem o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Nie ulega na powietrzu
korozji, ale reaguje z zawartym w powietrzu dwutlenkiem węgla pokrywając się
charakterystyczną zieloną patyną zwaną grynszpanem szlachetnym. W środowisku o duŜym
stęŜeniu dwutlenku siarki zamiast zielonej patyny pojawia się czarny nalot siarczku miedzi.
W naturze występuje w postaci rud oraz w postaci czystej jako minerał – miedź rodzima.
Miedź rodzima jest rzadko spotykana. Głównym źródłem tego metalu są minerały:
−
siarczki: chalkopiryt (CuFeS
2
), chalkozyn (Cu
2
S), bornit (Cu
5
FeS
4
),
−
węglany: azuryt (Cu
3
(CO
3
)
2
(OH)
2
), malachit (Cu
2
CO
3
(OH)
2
).
Miedź moŜna obrabiać plastycznie na zimno i na gorąco. Stosuje się ją na przewody
elektryczne, elementy chłodnic, w przemyśle spoŜywczym i chemicznym. Stopy miedzi
znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. Do najwaŜniejszych stopów miedzi moŜna
zaliczyć mosiądze i brązy. Miedź do celów przemysłowych wytwarza się metodą ogniową
przez praŜenie i wytapianie lub metodą elektrolityczną. W celu otrzymania lepszych
gatunków miedzi poddaje się ją dalszemu oczyszczaniu. Rafinację miedzi wykonuje się
metodą ogniową lub elektrolityczną. Bardzo czyste gatunki miedzi otrzymuje się przez
przetapianie jej w próŜni.
Rys. 3. Ogólny schemat procesów otrzymywania miedzi [2, s. 216]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
Wzbogacanie rud miedzi
Ubogie rudy siarczkowe miedzi wzbogaca się najczęściej przez flotację. Uzyskuje się
wówczas koncentraty, w których zawartość miedzi wynosi 15–30%.
Koncentraty miedzi zawierające oprócz siarczków miedzi równieŜ siarczki Ŝelaza są
poddawanie praŜeniu. W piecu zachodzą reakcje utleniania siarczków Ŝelaza:
2FeS + 3O
2
= 2FeO + 2SO
2
oraz utleniania siarczków miedzi:
2Cu
2
S + 3O
2
= 2Cu
2
O + 2SO
2
W piecach praŜalniczych nie następuje całkowite utlenianie siarczków. Pewną ich ilość
pozostawia się w praŜące, gdyŜ będą one potrzebne w dalszych operacjach wytwarzania
miedzi, czyli wytapiania kamienia miedziowego. Proces ma na celu dalsze wzbogacenie
produktu w miedź. Odbywa się on w piecu szybowym o konstrukcji podobnej do wielkiego
pieca (rys. 4).
Rys. 4. Schemat wzbogacania miedzi w piecu szybowym [5]
Paliwem jest w nim koks i siarka zawarta we wsadzie. Powietrze niezbędne do spalenia
paliwa jest doprowadzane, podobnie jak w wielkim piecu, za pomocą dysz.
Załadowane do pieca materiały wsadowe ulegają stopieniu pod wpływem wysokiej
temperatury. Zachodzą wówczas między składnikami reakcje chemiczne, w wyniku których
powstają siarczki miedzi i tlenki Ŝelaza:
Cu
2
O + FeS = Cu
2
S + FeO
Otrzymany w tych reakcjach siarczek miedzi i pozostały siarczek Ŝelaza rozpuszczają się
w sobie wzajemnie i następnie zbierają na dnie pieca. Na powierzchni warstwy siarczków
gromadzą się tlenki, których gęstość jest mniejsza niŜ gęstość siarczków. Dolna warstwa po
wypuszczeniu z pieca krzepnie, tworząc kamień miedzowy, w którym zawartość miedzi
wynosi około 40%. Kamień miedziowy jest przerabiany następnie w konwertorach na miedź
surową.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
Wytwarzanie miedzi surowej
Wytwarzanie miedzi surowej polega na utlenianiu najpierw siarczków Ŝelaza i następnie
siarczków miedzi. Proces utleniania, nazywa się świeŜeniem. ŚwieŜenie odbywa się
w konwertorze. Jest to duŜy cylindryczny zbiornik długości do 9 m i średnicy 3–4 m. Jego
płaszcz jest wykonany z blachy stalowej, a wyłoŜenie z cegły magnezytowej. Z boku
konwertora jest umieszczony rząd dysz zasilanych powietrzem za pomocą rurowego
urządzenia rozdzielczego.
Do konwertora wlewa się roztopiony kamień miedziowy oraz doprowadza krzemionkę
w celu wytworzenia ŜuŜla. W pierwszym okresie świeŜenia utlenia się siarczek Ŝelaza,
a powstający tlenek Ŝelaza przechodzi do ŜuŜla:
2FeS + 3O
2
= 2FeO + 2SO
2
W tym okresie naleŜy kilkakrotnie zlewać ŜuŜel i przez dodanie nowych porcji
krzemionki wytwarzać nowy. Wskutek usunięcia z kamienia siarczków Ŝelaza zmienia się
jego zabarwienie. Powstają tzw. biały kamień miedziowy zawierający wyłącznie czysty
siarczek miedziawy. W drugim okresie, po usunięciu siarczków Ŝelaza, powstaje w trakcie
dalszego świeŜenia tlenek miedziawy, który reaguje z siarczkiem miedziawym, dając
w wyniku miedź surową według reakcji:
2Cu
2
O + Cu
2
S = 6Cu + SO
2
Ź
ródłem ciepła w procesie świeŜenia są reakcje egzotermiczne. Główny produkt procesu
ś
wieŜenia, miedź surowa, zawiera 99% Cu.
Rafinacja miedzi
Miedź rafinuje się metodą ogniową lub elektrolityczną.
Rafinacja ogniowa odbywa się w poziomych piecach płomieniowych. Polega ona na
utlenianiu zanieczyszczeń i usuwaniu ich wraz z ŜuŜlem. Większość powstających tlenków
nie rozpuszcza się w ciekłej miedzi i wypływa na powierzchnię metalu, tworząc ŜuŜel.
Po usunięciu zanieczyszczeń naleŜy zmienić charakter chemiczny procesu i spowodować
redukcję tlenku miedziawego oraz usunąć z kąpieli gazy, głównie dwutlenek siarki. W tym
celu wykonuje się tak zwane Ŝerdziowanie, czyli mieszanie miedzi drągami ze świeŜo
ś
ciętego drzewa. Wydzielające się podczas suchej destylacji drewna produkty gazowe
mieszają kąpiel gazową i ułatwiają ujście dwutlenku siarki. Po Ŝerdziowaniu posypuje się
powierzchnię metalu węglem drzewnym, który redukuje zawarte w metalu tlenki. W wyniku
tych zabiegów otrzymuje się miedź rafinowaną, którą odlewa się następnie we wlewki. Miedź
przeznaczona do dalszego oczyszczania bywa odlewana w postaci płyt uŜywanych jako anody
w procesie elektrolizy.
Rafinacja elektrolityczna odbywa się w elektrolizerach, w których elektrolitem jest
wodny roztwór siarczanu miedzi. Pod wpływem napięcia elektrycznego następuje
w elektrolicie dysocjacja siarczanu na dodatnie jony miedzi i ujemne jony reszty kwasowej.
Jony miedzi wędrują następnie do katody i tam, się osadzają, tworząc zwartą, pogrubiającą się
powłokę. Natomiast z anody w obecności SO
4
przechodzi do elektrolitu równowaŜna ilości
miedzi.
Domieszki wchodzące w skład zanieczyszczonej miedzi nie wydzielają się zwykle na
katodzie, lecz jedynie przechodzą do elektrolitu lub w postaci szlamu opadają na dno wanny
elektrolitycznej. Oczyszczona miedź wydzielona na katodzie zawiera powyŜej 99,5 Cu. Po
wyjęciu z elektrolizera poddaje się katody przetopieniu i odlewa z nich wlewki róŜnych
kształtów w zaleŜności od celu, któremu ma słuŜyć.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
Hydrometalurgia miedzi
Procesy hydrometalurgiczne stosuje się przewaŜnie do rud tlenkowych, znacznie
zanieczyszczonych skałą płonną lub do rud, w których miedź występuje w postaci rodzimej.
Pierwszą operacją jest ługowanie miedzi rozcieńczonym kwasem siarkowym lub roztworem
amoniaku. Druga operacja ma na celu wytrącenie miedzi z roztworu. Stosuje się trzy sposoby
wytrącania miedzi z roztworu:
−
z roztworów wodnych siarczanu miedzi wytrąca się miedź za pomocą Ŝelaza,
−
z roztworów amoniakalnych wydziela się tlenek miedziawy przez rozkład pod wpływem
temperatury. Tlenek miedziawy po dalszym utlenieniu przerabia się na miedź,
−
z roztworu siarczanu miedzi wydziela się miedź metaliczną tak jak podczas rafinacji
elektrolitycznej.
Dominującą rolę w produkcji miedzi z rud i koncentratów mają metody hutnicze. Około
85% miedzi wytwarza się metodami pirometalurgicznymi z koncentratów siarczkowych.
Obecnie stosowane są następujące technologie pirometalurgiczne otrzymywania miedzi
z koncentratów siarczkowych:
−
proces zawiesinowy OUTOKUMPU,
−
proces zawiesinowy INCO,
−
proces MITSUBISHI,
−
proces NORANDA,
−
proces CONTOP,
−
proces ISASMELT,
−
proces szybowy.
Dwie
technologie
dominują
w
ś
wiatowej
produkcji
miedzi
metodami
pirometalurgicznymi tj. proces zawiesinowy OUTOKUMPU i wytapianie kamienia
miedziowego w piecach płomiennych.
Proces zawiesinowy OUTOKUMPU
Proces zawiesinowy OUTOKUMPU polega na stapianiu suchych (poniŜej 0,3% H
2
O)
drobnoziarnistych flotacyjnych koncentratów siarczkowych w strumieniu powietrza.
Koncentrat podawany jest wspólnie z powietrzem procesowym wzbogaconym w tlen do
pionowego szybu reakcyjnego. Grawitacyjny rozdział ciekłych produktów (ŜuŜel, kamień
miedziowy) następuje w wannie odstojowej, z której są one usuwane okresowo. Gazy
technologiczne o wysokiej koncentracji SO
2
wyprowadzane są przez szyb gazowy, schładzane
w kotłach odzysknicowych, odpylane w elektrofiltrach, a następnie kierowane do fabryki
kwasu siarkowego. Schemat pieca zawiesinowego przedstawia rysunek 5.
Proces INCO
Odmianę procesu zawiesinowego stanowi proces INCO. Polega on na wprowadzaniu
poziomo umieszczonymi palnikami w ścianie czołowej pieca mieszaniny koncentratu i tlenu
technicznego (90–95%). Gazy odprowadzane są do układu chłodząco-odpylającego szybem
umieszczonym w centralnej części pieca. Zawierają one do 75% SO
2
. Rozdział produktów
ciekłych następuje w wannie odstojowej, podobnie jak w procesie OUTOKUMPU. Schemat
pieca INCO przedstawia rysunek 6.
Proces MITSUBISCHI
Proces MITSUBISCHI jest realizowany w trzech kaskadowo ustawionych piecach,
z których ciekłe produkty wypływają grawitacyjnie w sposób ciągły. Zespół pieców obejmuje
trzy stacjonarne jednostki, tj. piec topielny, piec elektryczny, piec konwertorowy. Do pieca
topielnego pionowymi lancami podawany jest koncentrat i krzemionka wspólnie
z powietrzem procesowym wzbogaconym w tlen do 40–50%. W wyniku utlenienia siarczku
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
Ŝ
elaza otrzymuje się ŜuŜel i kamień miedziowy zawierający 60–65% miedzi. Kamień
miedziowy i ŜuŜel w sposób ciągły wpływają do pieca elektrycznego. W piecu elektrycznym
następuje oddzielenie kamienia od ŜuŜla. Kamień kierowany jest ciągłą strugą do pieca
elektrycznego.
Rys. 5. Piec zawiesinowy OUTOKUMPU
[6
]
Rys. 6. Piec INCO [6]
W piecu elektrycznym następuje oddzielenie kamienia od ŜuŜla. Kamień kierowany jest
ciągłą strugą do pieca konwertorowego, natomiast ŜuŜel poddawany jest procesowi
granulacji. Proces konwertorowania kamienia miedziowego prowadzi się powietrzem
wzbogaconym w tlen podawanym pionowymi lancami w obecności zasadowego topnika
(CaCO
3
). Miedź konwertorowa kierowana jest do procesu rafinacji ogniowej, natomiast ŜuŜel
zawierający 12–18% Cu zawracany jest do pieca topielnego. Schemat układu pieców procesu
MITSUBISCHI przedstawia rysunek 7.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
Rys. 7. Proces MITSUBISHI [6]
Zasada pracy tych pieców polega na przepuszczeniu zmiennego prądu elektrycznego
o wysokim napięciu pomiędzy elektrodami węglowymi i wytworzeniu pomiędzy nimi łuku
elektrycznego. MoŜe być równieŜ stosowany prąd stały. W tym przypadku łuk elektryczny
wytwarza się pomiędzy elektrodami a węglową okładziną pieca. Surowce mogą być
podawane do pieca róŜnymi sposobami. Do małych pieców mogą być podawane ręcznie lub
za pomocą wózków załadowczych, natomiast duŜe piece elektryczne są napełniane za
pomocą rur załadowczych w sposób ciągły. Schemat elektrycznego pieca łukowego
przedstawiono na rysunek 8.
Rys. 8. Proces MITSUBISHI [6]
Proces szybowy
W procesie szybowym moŜna wyróŜnić trzy podstawowe operacje technologiczne:
−
przygotowanie wsadu, obejmujące namiarowanie oraz uśrednianie koncentratów
i pylistych materiałów zawrotowych, mieszanie z lepiszczem i brykietowanie wysuszonej
do Ŝądanej wilgotności mieszanki,
−
topienie w piecu szybowym wsadu miedzionośnego, na który składają się brykiety
koncentratu i kawałkowe materiały zawrotowe (głownie jest to ŜuŜel konwertorowy
z dodatkiem koksu wielkopiecowego) i rozdzielenie otrzymanego wytopu na kamień
miedziowy i ŜuŜel szybowy w odstojniku,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
−
utylizacja gazów gardzielowych poprzez ich odpylenie, dopalenie w elektrociepłowni
i odsiarczenie spalin.
Kamień miedziowy otrzymywany w procesie szybowym poddawany jest następnie
kolejnym procesom: konwertorowania, ogniowej rafinacji w piecach anodowych oraz
elektrorafinacji.
Schemat instalacji pieca szybowego przedstawiono na rysunku 9.
Rys. 9.
Schemat instalacji pieca szybowego:
1 – zbiorniki przelotowe wsadu, 2 – zbiorniki wagowe, 3 – piec
szybowy, 4 – odstojnik, 5
–
kadziowóz
Ŝ
uŜla szybowego, 6 – kadzie kamienia Cu, 7 – komora osadcza,
8 – cyklony, 9 – skruber, 10
–
zwęŜka
Venturi, 11 – odkraplacz, 12 – osadniki, 13 – zbiorniki szlamu
ołowionośnego, 14 – odwadnianie
szlamu ołowionośnego [6]
Procesy metalurgiczne produkcji miedzi z surowców pierwotnych oparte na procesie
szybowym są realizowane w Hucie Miedzi „Głogów”. Miedź elektrolitycznie rafinowana
w postaci katod wytwarzana jest w wielostopniowym procesie produkcji, którego głównymi
etapami są: przygotowanie wsadu do przetopu, jego stapianie, konwertorowanie, rafinacja
ogniowa w piecu anodowym oraz elektrorafinacja.
Przygotowanie wsadu polega na uśrednieniu i zbrykietowaniu koncentratu w prasach
walcowych z zastosowaniem ługu posulfitowego jako lepiszcza. Otrzymane brykiety i ŜuŜel
konwertorowy, będący produktem odpadowym następnej fazy, stanowią wsad dla pieców
szybowych. W wyniku przetopu wsadu otrzymuje się kamień miedziowy i ŜuŜel odpadowy,
który wykorzystywany jest jako kruszywo do budowy dróg. Kamień miedziowy będący
stopem siarczków, głównie miedzi i Ŝelaza, podlega dalszej przeróbce w piecu
konwertorowym. W procesie konwertorowania następuje utlenienie siarczków, w efekcie
czego otrzymuje się miedź surową o zawartości około 98,5% czystej miedzi. Zawiera ona
sporo zanieczyszczeń, które muszą być usunięte. Część z nich usuwa się za pomocą rafinacji
ogniowej w piecach anodowych. Uzyskany w tym etapie produkt, odlane anody, poddawany
jest procesowi elektrorafinacji. W czasie tego procesu część domieszek przechodzi do
roztworu, część opada na dno wanny elektrolitycznej, tworząc szlamy koncentrujące metale
szlachetne. Szlamy te są surowcem wyjściowym do produkcji srebra, a takŜe pewnych ilości
złota oraz platynowców. W rezultacie utylizacji gazów konwertorowych produkowany jest
kwas siarkowy. Gazy procesowe z pieców szybowych, po odpyleniu są spalane
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
w elektrociepłowni. Odzyskane ciepło jest wykorzystywane do celów grzewczych oraz
produkcji energii elektrycznej. Gazy z elektrociepłowni są odsiarczane. Z przerobu zuŜytego
elektrolitu z elektrorafinacji uzyskuje się surowy siarczan niklu oraz siarczan miedzi.
W procesie konwertorowania następuje utlenienie siarczków, w efekcie czego otrzymuje się
miedź surową o zawartości około 98,5% czystej miedzi. Zawiera ona sporo zanieczyszczeń,
które muszą być usunięte. Część z nich usuwa się za pomocą rafinacji ogniowej w piecach
anodowych. Uzyskany w tym etapie produkt, odlane anody, poddawany jest procesowi
elektrorafinacji. W czasie tego procesu część domieszek przechodzi do roztworu, część opada
na dno wanny elektrolitycznej, tworząc szlamy koncentrujące metale szlachetne. Szlamy te są
surowcem wyjściowym do produkcji srebra, a takŜe pewnych ilości złota oraz platynowców.
W rezultacie utylizacji gazów konwertorowych produkowany jest kwas siarkowy.
Rys. 10. Schemat procesu szybowego w HM „Głogów I” [6]
Produkcja miedzi katodowej z surowców pierwotnych według technologii opartej na
procesie szybowym (HM „Głogów I” i HM „Legnica) moŜe w istotny sposób wpływać na
ś
rodowisko naturalne. Podstawowe aspekty środowiskowe takich instalacji to:
−
emisja zanieczyszczeń do powietrza, głównie pyłu i jego składników (Cu, Pb, As, Cd),
−
SO
2
, NO
x,
CO i CO
2
z gazami technologicznymi i wentylacyjnymi, gazami
z energetycznego spalania paliw, w tym gazu gardzielowego pieców szybowych oraz
z pylenia wtórnego związanego z operacjami magazynowania i transportu,
−
emisja odpadów stałych, w tym niebezpiecznych, powstających zarówno w trakcie
procesów, jak i podczas remontów agregatów hutniczych (m.in. pyły i szlamy z układów
oczyszczania gazów, niektóre ŜuŜle z procesów metalurgicznych),
−
zrzut oczyszczonych ścieków do wód powierzchniowych,
−
zuŜycie energii elektrycznej, powiązane ze skutkami środowiskowymi powstającymi
podczas jej produkcji,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
−
zuŜycie gazu ziemnego, koksu i oleju opałowego (nieodnawialnych surowców
naturalnych),
−
emisja hałasu do środowiska związana z pracą urządzeń hutniczych,
−
emisja promieniowania elektromagnetycznego związana z pracą transformatorów,
prostowników i linii przesyłowych energii elektrycznej.
Rys. 11. Schemat rozmieszczenia urządzeń ochrony powietrza
[6]
Materiały powstające przy produkcji miedzi, takie jak: pyły, osady, szlamy, spieki,
rozlewy, odsiewy, wybraki i ŜuŜle (ŜuŜel konwertorowy, ŜuŜel z pieców anodowych) są
zawracane w całości do procesu technologicznego. Do głównego ciągu technologicznego
zawracane są równieŜ częściowo inne materiały powstałe w instalacjach towarzyszących
produkcji miedzi, jak np. produkt z odsiarczania gazów spalinowych z elektrociepłowni.
Powstające na terenie huty odpady są magazynowane, wykorzystywane, a w ostateczności
unieszkodliwiane poprzez składowanie. Powstające odpady są przede wszystkim
wykorzystywane. Dzięki takiemu sposobowi gospodarowania odpadami moŜliwa jest
produkcja metali (i ich związków) towarzyszących miedzi w koncentracie, a więc ołowiu,
metali szlachetnych, selenu, koncentratu Pt-Pd, siarczanu niklu i kwasu siarkowego. Jedyne
odpady, które w przypadku braku rynków zbytu unieszkodliwia się przez składowanie to:
Ŝ
uŜel z pieców szybowych, ŜuŜel granulowany z pieca elektrycznego, produkt z odsiarczania
i ŜuŜel paleniskowy z elektrociepłowni. Odpady te kierowane są na miejsca magazynowania
i z nich w większości są wykorzystywane w następujący sposób:
−
Ŝ
uŜel szybowy jako kruszywo drogowe i do rekultywacji wyrobisk po eksploatacji
piasku, gliny, kamienia,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
−
Ŝ
uŜel z pieca elektrycznego jako dodatek do podsadzki hydraulicznej dla kopalń KGHM,
a frakcja włóknista do rekultywacji i przesypywania odpadów na składowiskach, produkt
z odsiarczania gazów wykorzystywany jest w technologiach hutniczych,
−
Ŝ
uŜel paleniskowy z instalacji EC wykorzystywany jest do budowy dróg oraz jako
dodatek do mieszanki hydraulicznej w kopalniach KGHM.
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe właściwości i zastosowanie miedzi?
2. Jakie są metody wzbogacania rud miedzi?
3. Jak przeprowadza się flotacje miedzi?
4. Jak otrzymuje się kamień miedziowy?
5. Jak wytwarza się miedź surową?
6. Jak przebiega rafinacja ogniowa miedzi?
7. Jak przebiega rafinacja elektrolityczna miedzi?
8. Jakie są etapy hydrometalurgii miedzi?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Posługując się schematem scharakteryzuj proces szybowy otrzymywania kamienia
miedziowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat pieca szybowego,
2) dokonać analizy schematu,
3) scharakteryzować materiały wsadowe do procesu szybowego otrzymywania kamienia
miedziowego,
4) scharakteryzować przebieg procesu szybowego,
5) scharakteryzować produkty procesu szybowego,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
próbki surowców do produkcji miedzi,
−
model pieca szybowego,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 2
Narysuj schemat rafinacji ogniowej miedzi.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat rafinacji ogniowej,
2) narysować schemat procesu rafinacji ogniowej miedzi,
3) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 3
Scharakteryzuj proces hydrometalurgii miedzi.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat hydrometalurgii miedzi,
2) opisać kolejne etapy procesu hydrometalurgii miedzi,
3) opracować schemat otrzymywania miedzi metodą hydrometalurgii,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
filmy dydaktyczne,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować właściwości i zastosowanie miedzi?
2) scharakteryzować opisać sposoby wzbogacania rud miedzi?
3) wyjaśnić metodę otrzymywania kamienia miedziowego w piecach
szybowych?
4) opisać otrzymywanie miedzi surowej?
5) wyjaśnić metodę ogniową rafinacji miedzi ?
6) wyjaśnić metodę elektrolityczną rafinacji miedzi?
7) opisać etapy otrzymywania miedzi na drodze hydrometalurgii?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
4.3. Metalurgia cynku
4.3.1. Materiał nauczania
Cynk metaliczny jest błękitnobiałym, kruchym metalem. Na powietrzu ulega pasywacji.
Cynk łatwo reaguje zarówno w środowisku kwaśnym jak i zasadowym, nie reaguje jednak
w obojętnym środowisku wodnym. Najbardziej znanym związkiem cynku jest jego tlenek
ZnO (biel cynkowa), który jest stosowany jako dodatek do farb i lakierów, oraz jako
wypełniacz i stabilizator gumy i tworzyw sztucznych. Cynk jest metalem o dobrych
właściwościach plastycznych, małej wytrzymałości na rozciąganie i niskiej temperaturze
topnienia, wynoszącej 418ºC. Cynk stosuje się na przeciwkorozyjne powłoki ochronne
głównie blach i drutów. Jest stosowany równieŜ w budownictwie w postaci blach na pokrycia
dachów, do wyrobu baterii elektrycznych oraz folii do opakowań. Głównymi składnikami
stopów cynku jest aluminium, miedź i mangan. Stopy cynku i aluminium noszą nazwę znal.
MoŜna je łatwo spawać, hartować i obrabiać. Znale po obróbce plastycznej mają dobrą
wytrzymałość i plastyczność. Stopy cynku znalazły zastosowanie jako stopy łoŜyskowe oraz
na prowadnice i ślimacznice. Odlewy ciśnieniowe ze stopów cynku znalazły zastosowanie na
korpusy, armaturę, części maszyn drukarskich, klamki i inne.
Produkcja cynku opiera się na rudach węglanowych i siarczkowych. Początkowo cynk
produkowano głównie z rud węglanowych zawierających oprócz węglanu cynku równieŜ
węglan Ŝelaza, węglan manganu, węglan magnezu i wiele innych. NajwaŜniejszym
węglanowym surowcem do produkcji cynku był minerał zwany galmanem cynkowym.
Obecnie głównym surowcem do produkcji cynku jest blenda cynkowa (ZnS) zawierająca
zwykle liczne zanieczyszczenia siarczkami Ŝelaza, kadmu i ołowiu oraz niekiedy związkami
arsenu, antymonu i miedzi.
Zawartość cynku w rudach jest niewielka, dlatego poddaje się je wzbogaceniu. Rudy
siarczkowe wzbogaca się najczęściej metodą flotacji. Rudy węglanowe poddaje się
wzbogaceniu przez praŜenie.
Metoda flotacji wykorzystuje niejednakową zwilŜalność przez wodę powierzchni
róŜnych składników rudy. Rozdrobnioną rudę umieszcza się w zbiorniku zawierającym wodę
i dodatki pianotwórcze. Przez zbiornik przechodzi strumień powietrza. Nie ulegające
zwilŜeniu ziarenka siarczku cynku przylegają do pęcherzyków powietrza i wraz z nimi
wypływają na powierzchnię wody, tworząc na niej pianę. Ziarenka innych minerałów,
ulegające zwilŜeniu przez wodę, nie wypływają na powierzchnię, lecz pozostają w wodzie
w postaci zawiesiny. Utworzona na powierzchni wody piana (flotat) spływa ze zbiornika
rynną do specjalnego naczynia, zwanego odstojnikiem lub zagęszczaczem.
Wzbogacenie przez praŜenie prowadzi się w piecach praŜalniczych. W niŜszej
temperaturze w piecu następuje odparowanie wody i rozkład węglanów według równania:
ZnCO
3
= ZnO + CO
2
Odparowanie wody i rozkład węglanów powoduje utratę przez rudę około 30% masy.
PraŜeniu poddaje się równieŜ rudy siarczkowe. Głównym celem praŜenia rud
siarczkowych, które wzbogacono uprzednio przez flotację, jest zamiana siarczków cynku na
tlenki cynku. Podczas praŜenia naleŜy dbać, aby nastąpiło całkowite utlenienie siarczków.
Pozostawienie siarczków w rudzie powoduje zmniejszenie ilości uzyskiwanego cynku
podczas jego dalszej przeróbki.
Otrzymane w procesie wzbogacenia rud cynku tak zwane koncentraty cynkowe są
przerabiane na metaliczny cynk metodą ogniową lub elektrolityczną.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
W metodzie ogniowej (pirometalurgia) koncentraty cynku zawierające głównie tlenek
cynku ulegają redukcji. Czynnikiem redukującym jest w tym procesie tlenek węgla
uzyskiwany w wyniku niecałkowitego spalania koksiku dodawanego do wsadu. Podczas
redukcji zachodzą reakcje:
C + O
2
= CO
2
CO
2
+ C = 2CO
ZnO + CO = Zn + CO
2
Redukcja tlenku cynku jest prowadzona w piecach szybowych (rys. 12).
Rys. 12. Schemat otrzymywania cynku w piecu szybowym [5]
Cynk surowy zawiera niekiedy do 2,5% zanieczyszczeń, takich jak ołów, kadm, Ŝelazo,
arsen i inne. Zanieczyszczenia pogarszają właściwości cynku i dlatego poddaje się go zwykle
rafinacji. Pozostałe produkty procesu zawierają jeszcze znaczne ilości cynku i innych
składników. Dlatego produkty te przerabia się zwykle w procesach rektyfikacji lub
hydrometalurgii.
Najlepsze rezultaty oczyszczania daje metoda rektyfikacji cynku w kolumnach
rektyfikacyjnych. Kolumna składa się z szeregu skrzynek wykonanych z karborundu (węglik
krzemu), ustawionych szczelnie jedna na drugiej. W dnach skrzynkach znajdują się otwory
przelewowe zestawione niewspółosiowo ze sobą. Dolna część kolumny jest ogrzewana gazem
generatorowym, natomiast górna część nie jest ogrzewana.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
Rys. 13. Schemat pieca szybowego: 1 – urządzenie do ładowania podgrzanego wsadu, 2 – zamknięcie stoŜkowe,
3 – pompa do odparowania cynku i ołowiu z koncentratów, 4 – wirniki do rozbryzgiwania ołowiu,
5 – kondensator, 6 – koryto doprowadzające ołów do kadzi segregacyjnej, 7 – kadź segregacyjna,
8 – koryto odprowadzające ołow z kadzi do kondensatora, 9 – odstojnik cynku, 10 – dmuchawy,
11 – podgrzewacze powietrza, 12 – dysze powietrzne, 13 – rynna spustowa, 14 – odstojnik ŜuŜla
i ołowiu [1, s. 190]
Rys. 14. Fragment kolumny do rektyfikacji cynku [3, s. 81]
JeŜeli zanieczyszczony cynk po stopieniu wprowadzimy przez odpowiedni otwór
kolumny, zacznie on wypełniać wgłębienia w skrzynkach. Po wypełnieniu jednej skrzynki
otworem przelewowym cynk zaczyna ściekać na niŜsze piętra znajdujące się w strefie
ogrzewanej. Tutaj najbardziej lotne składniki zaczynają parować i otworami w dnach
skrzynek przedostają się do wyŜszych części kolumny, gdzie ulegają skropleniu. Tam
wypełniają skrzynki górnych pięter oraz powodują ściekanie w dół składników o wyŜszej
temperaturze parowania. W ten sposób następuje oddzielanie składników lotnych,
zbierających się w górnej części kolumny, od składników mniej lotnych, które spływają ku
dołowi kolumny. Po rektyfikacji zanieczyszczenia cynku nie przekraczają 0,01%.
Procesem mającym praktyczne znaczenie pirometalurgicznym otrzymywania cynku jest
Imperial Smelting Process (ISP). Technologia została opracowana i po raz pierwszy
uruchomiona w Wielkiej Brytanii w 1950 r. przez firmę Imperiał Smelting Processes Limited.
Technologia ISP obejmuje:
−
przygotowanie wsadu metodą praŜenia spiekającego koncentratów siarczkowych lub
brykietowania materiałów tlenkowych,
−
przetop redukcyjny spieku i brykietów w piecu szybowym na ołów surowy i ŜuŜel
zawierający ok. 2% Pb i 3–10% Zn oraz cynk odzyskiwany z fazy gazowej
w rozbryzgowym kondensatorze ołowiowym, a następnie wydzielany w układzie
separacyjnym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
Proces otrzymywania cynku i ołowiu metodą ISP wymaga odpowiedniego przygotowania
wsadu, co w praktyce światowej odbywa się przez:
−
praŜenie spiekające siarczkowych koncentratów cynku i ołowiu z dodatkiem tlenkowych
surowców i materiałów zwrotnych oraz topników z odzyskiem siarki w postaci kwasu
siarkowego,
−
zbrylanie materiałów tlenkowych np. przez brykietowanie na gorąco surowego tlenku
cynku lub brykietowanie na zimno popiołów cynkowych.
Z podanych metod podstawowe znaczenie ma praŜenie spiekające, prowadzone na taśmie
spiekalniczej Dwight-Lloyd'a. Wsad do praŜenia stanowi mieszanka surowców ze spiekiem
zwrotnym i topnikami w postaci piasku i kamienia wapiennego. Celem praŜenia jest
otrzymanie tlenkowego spieku o moŜliwie wysokiej wytrzymałości, duŜej porowatości
i niskiej zawartości siarki oraz gazów zawierających 5–7% SO
2
nadających się do produkcji
kwasu siarkowego. Zasadnicze procesy przetopu spieku zachodzą w dolnej części pieca
szybowego w strefie topienia i redukcji, w której zachodzi redukcja tlenków cynku i ołowiu
oraz upłynnienie ŜuŜla. W strefie topienia tworzy się ołów, ciekły ŜuŜel o temperaturze
ok. 1200°C oraz faza gazowa zawierająca CO
2
, CO, N
2
i pary Zn. śuŜel i ołów spuszcza się
z pieca okresowo do odstojnika, z którego ŜuŜel po segregacji kieruje się do rynny
granulacyjnej, a ołów odlewa się w bloki. Faza gazowa przepływa w piecu kolejno przez
strefę równowagi oraz strefę nagrzewania wsadu, w których następuje częściowa reoksydacja
par cynku dwutlenkiem węgla. Gazy opuszczające wsad o temperaturze 950–1000°C
i zawierające 5–7% Zn, 5–10% CO
2
, 20–25% CO i ok. 65% N
2
kierowane są do kondensatora
w celu wykroplenia z nich cynku. Ciekły cynk kierowany jest do zbiornika topników,
w którym poddaje się go wstępnej rafinacji od arsenu przy pomocy salmiaku lub sodu
metalicznego. Następnie cynk kieruje się do zbiornika likwacyjnego, gdzie w temperaturze
450°C osiąga się dalszy rozdział cynku od ołowiu. Ze zbiornika likwacyjnego cynk zalewany
jest do kadzi, w której prowadzi się usuwanie resztek arsenu przy pomocy metalicznego sodu.
Ostatecznie cynk zalewa się do pieca rafinacyjnego, gdzie w temperaturze bliskiej
krzepnięciu wydziela się Ŝelazo. Cynk odlewa się z pieca na taśmie odlewniczej w płyty.
Cynk hutniczy poddaje się zwykle rafinacji metodą rektyfikacj i destylacji cynku w trzech
kolumnach rektyfikacyjnych, w wyniku której otrzymuje się cynk o czystości minimum
99,95% Zn, kadm metaliczny oraz tzw. stop kotlinowy zawierający cynk, ołów, cynę,
antymon i miedź.
Schemat procesu ISP przedstawiono na rysunku 15.
Metoda hydrometalurgiczna umoŜliwia uzyskanie cynku o wysokim stopniu czystości
(99,99% Zn). Klasyczny hydrometalurgiczny sposób otrzymywania cynku moŜna podzielić
na następujące etapy:
−
praŜenie surowca cynkonośnego,
−
ługowanie i oczyszczanie,
−
elektrowydzielanie,
−
topienie i odlewanie.
Proces praŜenia ma za zadanie przeprowadzenie siarczku cynku, głównego składnika
koncentratów cynkowych, w tlenek cynku kierowany następnie do ługowni. W większości
zakładów praŜenie prowadzi się w piecach fluidyzacyjnych o róŜnej wielkości przy
temperaturze około 950°C. Uzyskane w procesie gazy są schładzane i odpylane, następnie
kierowane do fabryki kwasu siarkowego w celu utylizacji zawartego w nich SO
2
.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
Rys. 15. Schemat procesu ISP
[6]
Głównymi produktami pieców fluidyzacyjnych są: materiał z progu tzw. „praŜonka
progowa” oraz materiał uzyskany w wyniku odpylania gazów. Oba materiały są następnie
mieszane, domielane i kierowane do ługowania. W poszczególnych zakładach stosuje się
piece róŜnej wielkości i róŜnej zdolności produkcyjnej, róŜne są teŜ stosowane sposoby
schładzania i odpylania gazów. Koncentraty mogą być praŜone piecach fluidyzacyjnych
LURGI w temperaturze 950°C. Gazy praŜalnicze zawierają około 8 % SO
2
są schładzane do
temperatury 350°C. Produkowana para kierowana jest do zakładu energetycznego. Pyły
przechodzą przez separację w cyklonach i elektrofiltrach, a gazy kierowane są do fabryki
kwasu siarkowego. PraŜonka jest chłodzona w złoŜu fluidalnym w chłodni, a następnie wraz
z pyłami z kotła jest mielona w młynie kulowym. Pyły z cyklonów i elektrofiltrów łączy się
z główną praŜonką i transportuje razem pneumatycznie do ługowni.
Materiał otrzymywany w wyniku praŜenia poddawany jest następnie obróbce
hydrometalurgicznej polegającej na ługowaniu roztworami kwasu siarkowego, a następnie
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
oczyszczaniu otrzymanych roztworów od zanieczyszczeń utrudniających elektrolityczne
wydzielanie cynku. Ługowanie prowadzi się zwykle dwu lub trzystopniowo przy uŜyciu
elektrolitu zwrotnego uzupełnianego świeŜym kwasem siarkowym. Poddawana ługowaniu
praŜonka zawiera cynk głównie w postaci ZnO
,
jednak część cynku zostaje w procesie
praŜenia związana z Ŝelazem w formie ZnFe
2
O
4
, którego ilość jest zaleŜna od ilości Ŝelaza
w praŜonym surowcu. Dla odzysku cynku związanego w ZnFe
2
O
4
wprowadza się etap tzw.
gorącego kwaśnego ługowania (oznaczany umownie HALHot Acid Leaching). Jest on
prowadzony przy stęŜeniach kwasu siarkowego 80–250 g/dm
3
i temperaturach 353–373K.
Zwykle w ciągu 2–8 godzin następuje całkowite roztworzenie cynku. Najstarszym znanym
sposobem, nadal stosowanym do usuwania końcowej zawartości Ŝelaza jest hydroliza soli
Fe
+3
i wytrącenie wodorotlenku Ŝelazowego.
Aktualnie w przewaŜającej ilości zakładów stosowany jest trzystopniowy sposób
oczyszczania otrzymanego w ługowni roztworu siarczanu cynku:
−
dodanie do elektrolitu pyłu cynkowego dla usunięcia miedzi,
−
aktywowane As
2
O
3
wytrącenie kobaltu i niklu,
−
wytrącenie kadmu przy uŜyciu pyłu cynkowego.
Oczyszczony roztwór siarczanu cynku poddaje się elektrolizie, przy czym osadzaniu na
katodzie cynku elektrolitycznego towarzyszy regeneracja kwasu siarkowego zawracanego do
ługowania oraz wydzielanie tlenu na anodzie. W kaŜdym elektrolizerze znajdują się
aluminiowe katody i anody ze stopu PbAg. Elektrolizery zasilane są roztworem ochłodzonym
do ok. 303K. Elektrolit zwrotny wypływający z elektrolizerów o temperaturze 305–310K
pompowany jest do wieŜ chłodniczych. Po ochłodzeniu i zmieszaniu ze świeŜym elektrolitem
neutralnym do osiągnięcia stęŜenia cynku 55 g/dm
3
, elektrolit jest ponownie kierowany do
hali wanien. Czas osadzania cynku wynosi od 24 do 72 godzin. KaŜda jednostka wanien
elektrolitycznych jest wyposaŜona w automatyczne urządzenia do wyjmowania, transportu
i zdzierania cynku katodowego lub proces ten jest prowadzony manualnie.
Przetop katod cynkowych odbywa się we wszystkich zakładach w piecach indukcyjnych
z dodatkiem chlorku amonu jako topnika. Ilość i wielkość uŜywanych pieców jest
dostosowana do wielkości produkcji danego zakładu. Cynk katodowy przetapiany jest
w temperaturze ok. 500°C, a następnie odlewany w gąski lub bloki. Odlewanie wlewków jest
prowadzone przy uŜyciu automatycznych maszyn odlewniczych taśmowych lub obrotowych.
Zgary i odpady powstające przy przetopie i odlewaniu są frakcjonowane na część metaliczną
zawracaną do przetopu i część tlenkową kierowaną do etapu praŜenia lub ługowania.
Schemat otrzymywania cynku metodą hydrometalurgiczną przedstawiono na rysunku 16.
Eksploatacja instalacji produkcji cynku w istotny sposób moŜe wpływać na środowisko.
Podstawowe aspekty środowiskowe takich instalacji to:
—
emisja zanieczyszczeń do powietrza, głównie pyłu i jego składników (Pb, Cd, Zn), SO
2
,
CO, CO
2
, NO
x
i H
2
SO
4
z gazami technologicznymi i wentylacyjnymi,
—
emisja odpadów, w tym niebezpiecznych, powstających w trakcie samego procesu, jak
i podczas remontów obiektów przemysłowych (m.in. ŜuŜel z KPO, okładziny piecowe,
szlamy z hydrometalurgii cynku, itp.),
—
emisja ścieków zanieczyszczonych głównie metalami cięŜkimi, chlorkami i siarczanami,
—
zuŜycie energii elektrycznej, powiązane ze skutkami środowiskowymi powstającymi
podczas jej produkcji,
—
zuŜycie gazu ziemnego, koksu i oleju opałowego (nieodnawialnych surowców
naturalnych),
—
hałas związany z pracą zespołów wentylatorów i pomp instalacji oczyszczania gazów
technologicznych i wentylacyjnych,
—
emisja promieniowania elektromagnetycznego związana z pracą transformatorów i linii
przesyłowych energii elektrycznej.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
Rys. 16. Schemat ideowy hydrometalurgicznego otrzymywania cynku [6]
W procesach metalurgii cynku występuje zagroŜenie zatrucia parami cynku i pyłami
zawierającymi tlenek cynku. Mogą one przedostawać się do organizmu przez drogi
oddechowe i jamę ustną. Zatrucie objawia się dreszczami, kaszlem, bólami głowy i wysoką
gorączką zaatakowany moŜe być równieŜ przewód pokarmowy i nerki. W oddziałach
elektrolizy mgły H
2
SO
4
i ZnSO
4
działają niszcząco na zęby. Niebezpieczeństwo stwarzają
równieŜ sole cynku, które działają Ŝrąco na organizm. Dodatkowe niebezpieczeństwo
stwarzają trucizny towarzyszące surowcom i produktom zawierającym cynk, a mianowicie
związki ołowiu, kadm, arsen i antymon. Podstawą ochrony zdrowia w oddziałach produkcji
cynku są odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne stanowisk pracy oraz intensywna
wentylacja. Oprócz tego stosuje się środki ochrony osobistej, np. maski przeciwpyłowe.
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe właściwości cynku?
2. Jakie rudy są wykorzystywane w produkcji cynku?
3. Jakimi metodami prowadzi się wzbogacanie rud cynku?
4. Jak przebiega wzbogacanie metodą flotacji?
5. Jak przebiega wzbogacanie rud cynku przez praŜenie?
6. Jak przebiega redukcja cynku w metodzie ogniowej?
7. Jak przebiega rektyfikacja cynku?
8. Jakie są etapy hydrometalurgii cynku?
9. Jak odbywa się ługowanie?
10. Jak przebiega elektroliza?
11. Jakie są wymagania bezpieczeństwa i higieny pracy w zakładach cynkowych?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Narysuj uproszczony schemat otrzymywania cynku na drodze hydrometalurgii.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące procesów metalurgii
cynku,
2) określić materiał wyjściowy do procesów hydrometalurgicznych,
3) określić metody wzbogacania rud cynku,
4) określić kolejne etapy otrzymywania cynku na drodze hydrometalurgii,
5) narysować schemat procesu hydrometalurgii cynku,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 2
Posługując się schematem wyjaśnij zasadę działania pieca szybowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat pieca szybowego,
2) dokonać analizy schematu,
3) opisać budowę pieca szybowego,
4) opisać zasadę działania pieca szybowego,
5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 3
Scharakteryzuj proces rektyfikacji cynku posługując się schematem kolumny do
rektyfikacji.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat rektyfikacji cynku,
2) opisać budowę kolumny rektyfikacyjnej,
3) wyjaśnić zasadę działania kolumny rektyfikacyjnej,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) rozróŜnić podstawowe rudy cynku?
2) rozróŜnić metody wzbogacania rud?
3) wyjaśnić metodę flotacji?
4) wyjaśnić metodę praŜenia?
5) wyjaśnić metodę ogniową otrzymywania cynku?
6) wyjaśnić metodę hydrometalurgii cynku?
7) określić zasady bhp w zakładach produkcji cynku?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
4.4. Metalurgia aluminium
4.4.1. Materiał nauczania
Aluminium jest pierwiastkiem o barwie srebrzystobiałej. Jest metalem odpornym na
korozję oraz dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego i ciepła. Zastosowanie aluminium
w stanie czystym jest ograniczone, głownie ze względu na niską wytrzymałość. Czyste
aluminium jest stosowane do wyrobu folii, proszków do platerowania naczyń, do wyrobu
farb. DuŜe zastosowanie mają natomiast stopy aluminium, które ze względu na małą gęstość
są nazywane stopami lekkimi. Najczęściej stosowanymi dodatkami stopów aluminium są:
miedź, krzem, magnez, mangan, nikiel, cynk. Dodatki zwiększają wytrzymałość, odporność
na korozję i polepszają obrabialność.
Podstawowym surowcem do produkcji aluminium jest minerał o nazwie boksyt. Zawiera
on do 60% wodorotlenku glinu Al(OH)
3
oraz zanieczyszczenia tlenkami Ŝelaza, wapnia
i krzemu. Jakość boksytu jest oceniana na podstawie składu chemicznego. Im więcej Al
2
O
3
znajduje się w boksycie, a mniej SiO
2
, tym lepszym jest on surowcem do produkcji
aluminium. Produkcja aluminium przebiega w dwu odrębnych procesach. Pierwszym jest
otrzymywanie czystego tlenku aluminium, a drugim otrzymywanie aluminium metodą
elektrolityczną.
Otrzymywanie tlenku glinu
Tlenek glinu przeznaczony do produkcji aluminium metodą elektrolizy powinien
odznaczać się duŜą czystością oraz drobnoziarnistością. Istnieje wiele metod otrzymywania
tlenku glinu. NaleŜy do nich między innymi metoda Bayera, spiekanie boksytu z sodą
i wapieniem, metoda spiekowo-rozsypowa prof. Grzymka. Najbardziej rozpowszechnione jest
otrzymywanie tlenku glinu metodą Bayera. Jest ona stosowana w przypadku surowców nie
zawierających większych ilości krzemionki SiO
2
. Metoda Bayera polega na oddziaływaniu
roztworem wodorotlenku sodu na rozdrobniony boksyt. Przed ługowaniem rozdrobnione
boksyty poddaje się praŜeniu w temperaturze około 500ºC co niszczy zawarte w rudzie
substancje organiczne. Zawarty w surowcu wodorotlenek glinu rozpuszcza się
w wodorotlenku sodu, tworząc glinian sodowy według reakcji:
2Al(OH)
3
+ 2NaOH = Al
2
O
3
Na
2
O + 4H
2
O
Proces odbywa się w zamkniętych naczyniach, zwanych autoklawami, pod ciśnieniem
kilkuset kPa, w podwyŜszonej temperaturze. Tworzący się w czasie tej reakcji glinian sodowy
rozpuszcza się w roztworze, zanieczyszczenia natomiast, jako nierozpuszczalne, pozostają
w postaci osadu. Ze względu na duŜą zawartość tlenków Ŝelaza osad ten nazywa się
czerwonym szlamem. W osadzie pozostaje tlenek Ŝelaza. W celu oddzielenia osadu od
roztworu przepuszcza się go przez filtry pracujące pod ciśnieniem. Z oczyszczonego roztworu
moŜna strącić, czyli wydzielić przez krystalizację, czysty wodorotlenek glinu. W tym celu
doprowadza się do roztworu krystaliczny wodorotlenek glinu, który zapoczątkowuje dalszą
krystalizację. Strącony na dno kadzi wodorotlenek glinu po odsączeniu i ponownym
przemyciu wodą jest poddawany praŜeniu w temperaturze około 1200ºC. Proces praŜenia
moŜna przedstawić za pomocą reakcji:
2Al(OH)
3
= Al
2
O
3
+ 3H
2
O
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
Uzyskany czysty tlenek glinu jest materiałem wyjściowym do produkcji aluminium
metodą elektrolizy stopionego tlenku glinu z kriolitem. Schemat otrzymywania tlenku glinu
metodą Bayera przedstawia rysunek 17.
Rys. 17. Schemat otrzymywania tlenku aluminium metodą Bayera [1, s. 246]
Elektroliza tlenku glinu
Metaliczne aluminium otrzymuje się metodą elektrolizy stopionego tlenku glinu
z kriolitem w urządzeniach zwanych elektrolizerami. Dno elektrolizera (rys. 18) zbudowane
jest z przylegających ściśle do siebie bloków katodowych ułoŜonych na podmurowaniu
z cegieł szamotowych. Boki wanny otacza stalowy płaszcz wymurowany wewnątrz cegłami
szamotowymi (1) i wyłoŜony płytami węglowymi (4). W czasie normalnej pracy elektrolizera
na płytach węglowych wydziela się zakrzepły elektrolit (5) chroniący je przed zuŜyciem
i poprawiający izolację cieplną. Od góry do wanny elektrolizera wsunięta jest na odpowiednią
długość anoda (10). Prąd do anod ciągłych doprowadza się za pomocą sworzni (11) wbitych
w masę anodową z boku elektrody. Sworznie tkwiące w masie anodowej po jej spieczeniu,
słuŜą takŜe do podwieszania anody na odpowiedniej ramie stalowej. Buduje się takŜe
elektrolizery z górnym doprowadzeniem prądu do anody. Prąd do boków katodowych (2)
doprowadza się prętami stalowymi (3), które wprowadza się w odpowiednie wycięcia
i zalewa Ŝeliwem lub ubija specjalną masą węglową.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
Rys. 18. Schemat elektrolizera [1, s. 249]
Proces elektrolizy prowadzi się w temperaturze 950ºC. Źródłem ciepła jest przepływ
prądu przez warstwę elektrolitu. Elektrolitem jest stopiony wraz z kriolitem tlenek glinu.
Podczas elektrolizy na katodzie wydziela się metaliczne ciekłe aluminium, a na anodzie tlen,
który łączy się z węglem anody dając mieszaninę CO i CO
2
. W miarę spalania anodę
opuszcza się w dół. PoniewaŜ wydzielające się aluminium ma gęstość większą od stopionego
elektrolitu, więc zbiera się na dnie wanny, stanowiąc wtórną katodę. Gdy grubość warstwy
aluminium osiągnie 10–12 cm, usuwa się je z wanny za pomocą syfonu lub kadzi próŜniowej.
W miarę postępu procesu elektrolizy zawartość tlenku glinu w elektrolicie maleje i gdy
spadnie poniŜej 2% powstaje tak zwany efekt anodowy. Napięcie w wannie, które wynosi
normalnie 4,2–4,5 V, wzrasta gwałtownie do 30 V, a niekiedy wyŜej. W pobliŜu anody
elektrolit silnie się nagrzewa i paruje, a jego zwykłe burzenie, powodowane wydzielaniem
CO i CO
2
ustaje. Długotrwały efekt anodowy jest szkodliwy i naleŜy mu przeciwdziałać przez
regularne uzupełnianie składu elektrolitu.
W wyniku elektrolizy tlenku glinu otrzymuje się tak zwane aluminium hutnicze
zawierające do 1% zanieczyszczeń. Występujące zanieczyszczenia wpływają niekorzystnie na
właściwości aluminium i z tego powodu aluminium hutnicze poddaje się rafinacji.
Rafinacja aluminium
Obecnie są stosowane dwie metody oczyszczania aluminium. Jedna z nich polega na
przepuszczaniu chloru przez stopiony metal. Do kadzi zawierającej ciekłe aluminium
wprowadza się przez zanurzoną rurkę grafitową gazowy chlor. Zanieczyszczenia
mechaniczne zostają wyniesione na powierzchnię, usunięte zostają takŜe rozpuszczone
w aluminium gazy oraz niektóre zanieczyszczenia metaliczne. Aluminium elektrolityczne
oczyszczone przez chlorowanie zawiera najczęściej 99,7–99,8% Al. Gdy wymagana jest
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
wyŜsza czystość aluminium, przeprowadza się rafinację elektrolityczną aluminium
stopionego z miedzią. Elektrolit w tej metodzie składa się z chlorku baru (BaCl
2
), fluorku
glinu (AlF
3
) i fluorku sodu (NaF). Gęstość elektrolitu jest mniejsza od gęstości stopu
aluminium z miedzią, a większa od gęstości aluminium. Z tego powodu w elektrolizerze
tworzą się trzy warstwy. Na spodzie elektrolizera znajduje się stop miedzi z aluminium
przeznaczony do rafinacji, nad nim elektrolit solny, a górna warstwę stanowi aluminium
rafinowane (rys. 19).
Rys. 19. Fragment kolumny do rektyfikacji cynku: 1 – trzon (anoda), płaszcz, 3 – cegły, 4 – wyłoŜenie
magnezytowe, 5 – załadunek aluminium, 6 – katody [6, s. 251]
Rafinacja aluminium metodą elektrolityczną zmniejsza ilość zanieczyszczeń do 0,1%,
niekiedy nawet do 0,01%. Zarówno aluminium hutnicze, jak i rafinowane odlewa się w płyty
lub bloki przeznaczone do dalszej przeróbki. Obecnie coraz częściej stosuje się odlewanie
półciągłe i ciągłe taśm, prętów i drutów.
Eksploatacja instalacji elektrolizy tlenku glinu moŜe w istotny sposób wpływać na
ś
rodowisko. Podstawowe aspekty środowiskowe takiej instalacji to:
—
emisja zanieczyszczeń do powietrza, głównie fluorowodoru, fluorków stałych,
węglowodorów aromatycznych i alifatycznych, bezo(α)pirenu, perfluorowęglowodorów
CF
4
i C
2
F
6
, pyłu, SO
2
, NO
x,
CO i CO
2
z gazami technologicznymi i halowymi oraz
z pylenia wtórnego związanego z operacjami magazynowania i transportu,
—
emisja odpadów stałych, w tym niebezpiecznych, powstających w trakcie samego
procesu, jak i podczas remontów elektrolizerów (m.in. pył z elektrofiltrów, piana
węglowa, szlam kriolitowy, odpady węglowe z katod elektrolizerów, szamot
z elektrolizerów, odpady węglowe z anod),
—
wysokie zuŜycie energii elektrycznej, powiązane ze skutkami środowiskowymi
powstającymi podczas jej produkcji,
—
zuŜycie gazu ziemnego, oleju opałowego (nieodnawialnych surowców naturalnych),
—
hałas związany z pracą zespołów wentylatorów i pomp instalacji oczyszczania gazów
technologicznych i halowych,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
—
emisja promieniowania elektromagnetycznego związana z pracą transformatorów,
prostowników i linii przesyłowych energii elektrycznej.
W trakcie procesu produkcji aluminium pierwotnego elektrolizery są źródłem emisji
gazów anodowych i gazów halowych. Powstaje emisja pyłu przy rozładunku wagonów
i załadunku pojazdów tlenkiem glinu i fluorkiem glinu oraz przy zbieraniu zgarów z kadzi
zlewczych. W gazach i pyłach emitowane są:
—
fluorki gazowe i stałe,
—
perfluorowęglowodory (PFC),
—
tlenek i dwutlenek węgla,
—
węglowodory aromatyczne i alifatyczne,
—
dwutlenek siarki,
—
tlenki azotu,
—
tlenek glinu.
Bezpośrednimi źródłami emisji zanieczyszczeń w procesie elektrolizy tlenku glinu są
elektrolizery. W wyniku reakcji chemicznych towarzyszących elektrolitycznej redukcji tlenku
glinu powstają gazowe i stałe związki fluoru w elektrolicie, które w około 80% jako gazy
anodowe, po dopaleniu w palnikach przy wannach, są transportowane do stacji oczyszczania
gazów anodowych.
Pozostała część gazów poreakcyjnych przedostaje się do wnętrza hal elektrolizy
i z powietrzem wentylacyjnym, odprowadzana jest do atmosfery jako gazy halowe po
oczyszczaniu w dachowych zespołach wentylacyjno-myjących.
Odpadami procesu elektrolizy tlenku glinu są:
—
zuŜyte wyłoŜenie węglowe i ceramiczne katody remontowanych elektrolizerów,
—
piana węglowa,
—
węgiel z anod.
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe właściwości aluminium?
2. Jak nazywa się podstawowy minerał uŜywany do produkcji aluminium?
3. Jakie są kolejne etapy otrzymywania aluminium?
4. Jak przebiega proces otrzymywania tlenku glinu metodą Bayera?
5. Jak zbudowane są elektrolizery?
6. Jak przebiega elektroliza aluminium?
7. Jakie są metody rafinacji aluminium?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Na podstawie schematu opisz proces otrzymywania tlenku glinu metodą Bayera.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące metody Bayera,
2) dokonać analizy schematu,
3) określić kolejne etapy procesu otrzymywania tlenku glinu,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
filmy dydaktyczne,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 2
Posługując się schematem wyjaśnij zasadę działania elektrolizera.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat elektrolizera,
2) dokonać analizy schematu,
3) opisać budowę elektrolizera,
4) opisać zasadę działania elektrolizera,
5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
foliogramy,
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
Ćwiczenie 3
Scharakteryzuj wpływ procesów produkcji aluminium na środowisko.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat wpływu procesów
otrzymywania aluminium na środowisko,
2) opisać emisję zanieczyszczeń do atmosfery,
3) opisać emisję zanieczyszczeń stałych,
4) opisać zuŜycie energii,
5) określić sposoby ograniczania emisji zanieczyszczeń,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) rozróŜnić etapy otrzymywania aluminium?
2) scharakteryzować metodę Bayera?
3) wyjaśnić zasadę działania elektrolizera?
4) wyjaśnić proces elektrolizy tlenku glinu?
5) scharakteryzować metody rafinacji aluminium?
6) wyjaśnić metodę rafinacji za pomocą elektrolizy?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
4.5. Metalurgia ołowiu
4.5.1. Materiał nauczania
Otrzymywanie ołowiu w nowych autogenicznych procesach polega na utlenianiu
materiałów siarczkowych lub siarczanowych z dodatkiem reduktora przy pomocy dmuchu
o wysokiej zawartości tlenu (50–95% O
2
), a następnie redukcji wytworzonego ciekłego ŜuŜla
tlenkowego reduktorem węglowym. Oba etapy procesu prowadzi się:
—
równocześnie w dwóch odrębnych strefach tego samego reaktora (QSL, Kivcet),
—
cyklicznie w tym samym agregacie (Kaldo, Sirosmelt),
—
równocześnie w takich samych reaktorach ustawionych kaskadowo (Sirosmelt),
—
w dwóch róŜnych reaktorach (Outokumpu – piec zawiesinowy i elektryczny).
Większość światowej produkcji ołowiu z surowców pierwotnych (koncentratów
siarczkowych) uzyskuje się w piecach szybowych. W krótkich piecach obrotowych lub
obrotowo-wahadłowych przerabia się jedynie surowce wtórne, a w nowoczesnych procesach
przerabia się zarówno czyste koncentraty siarczkowe, koncentraty z duŜym udziałem
surowców wtórnych (do 45%) lub tylko surowce wtórne.
Podczas produkcji powstają pary i dymy będące głównym źródłem zatrucia. Zatrucie
ołowiem (ołowica) jest niezwykle niebezpieczne dla zdrowia i Ŝycia ludzkiego. Własności
trujące ma zarówno metaliczny ołów, jak i jego związki. Najczęściej zatrucie następuje przez
przewód pokarmowy, drogi oddechowe i błony śluzowe. Pierwszymi objawami zatrucia
ołowiem jest ogólne osłabienie, utrata apetytu, ostre bóle w dolnych partiach brzucha
i ściemnienie dziąseł. W stanach ostrych występują bóle stawów, zatrzymanie moczu, anemia,
upośledzenie pracy centralnych ośrodków nerwowych. Podstawą ochrony zdrowia
w oddziałach produkcji cynku są odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne stanowisk pracy
oraz intensywna wentylacja. Oprócz tego stosuje się środki ochrony osobistej, np. maski
przeciwpyłowe. Praca w oddziałach zagroŜonych odbywa się w skróconym wymiarze godzin.
Ołów jest metalem o zabarwieniu jasnoszarym. Topi się w temperaturze 327,5ºC, wrze
w temperaturze 1740ºC jest plastyczny, daje się walcować i ciągnąć na zimno. Jest odporny
na działanie niektórych środowisk chemicznych (kwas siarkowy). Dobrze się skrawa i daje
się łatwo lutować oraz spawać. Jest stosowany do wyrobu akumulatorów i osłon kabli, a takŜe
osłon zabezpieczających przed promieniowaniem rentgenowskim i atomowym. Ołów stanowi
osnowę stopów łoŜyskowych i lutowniczych.
Podstawowym surowcem do wytapiania metalicznego ołowiu są koncentraty galeny PbS.
Otrzymywanie ołowiu z koncentratów
Koncentraty ołowiowe przerabia się zwykle na ołów metodami praŜenia i redukcji.
PraŜenie siarczkowych koncentratów ołowiowych ma na celu przemianę siarczków w tlenki
i uzyskanie spieku w postaci porowatych bryłek. Odbywa się to zwykle w urządzeniach
taśmowych, podobnych do stosowanych przy spiekaniu (aglomerowaniu) rud Ŝelaza.
Podstawową reakcją dostarczającą znacznych ilości ciepła podczas praŜenia siarczków jest
utlenianie według wzoru:
2PbS + 3O
2
= 2PbO + 2SO
2
Siarczek ołowiu ma budowę zwartą i z tego powodu utlenia się tylko na powierzchni
ziarna. Aby uzyskać lepsze wyniki praŜenia, naleŜy stosować siarczki o znacznym stopniu
rozdrobnienia i zapewnić podczas procesu dobry dopływ tlenu.
Wytapianie ołowiu surowego z praŜonki jest procesem redukcyjnym prowadzonym
w piecach szybowych, działających w podobny sposób jak piece do redukcji rud Ŝelaza (rys. 20).
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
Rys. 20. Piec szybowy do wytapiania ołowiu: 1 – skrzynia wodna, 2 – dysza, 3 – trzon, 4 – szyb, 5 – przewód
powietrzny, 6 – zasłona okna wsadowego, 7 – urządzenie do spustu ołowiu, 8 – rynna spustowa ŜuŜla
[1, s. 201]
W procesie tym powstaje surowy ołów, który zbiera się w garze pieca. Zawarte we
wsadzie pewne ilości siarczków róŜnych metali nie ulegają redukcji, lecz topią się, tworząc
tzw. płynny kamień o temperaturze topienia około 1000ºC. Składniki skały płonnej, które
znajdowały się w praŜonce, tworzą ŜuŜel o temperaturze topnienia około 1200ºC.
Produkty pieca szybowego rozdzielają się w garze według ich gęstości. Warstwę dolną
stanowi ołów surowy, a kamień i ŜuŜel warstwy górne. Ołów spływa w sposób ciągły z gara
pieca do kotłów rafineryjnych lub rozlewa się go do specjalnych form.
ś
uŜel i kamień odprowadza się okresowo z pieca do odstojników przez otwór połoŜony
nad otworem spustowym przeznaczonym na ołów. Po pewnym czasie w odstojnikach pod
wpływem róŜnicy gęstości następuje oddzielenie się kamienia od ŜuŜla. Kamień zawierający
cenne składniki podlega dalszej przeróbce, a ŜuŜel wywozi się zazwyczaj na zwał lub
przerabia w celu odzyskania pozostałego w nim ołowiu i wydzielenia cynku. Ołów surowy
zawiera mniejsze lub większe ilości miedzi, antymonu, cynku, arsenu, bizmutu i ponadto
srebra oraz złota. Ilość składników domieszkowych w ołowiu surowym wynosi 1–6%.
Domieszki te pogarszają w znacznym stopniu własności plastyczne ołowiu oraz jego
odporność na korozje.
Rafinacja ołowiu
Proces rafinacji ołowiu przeprowadza się metodami ogniowymi w określonej kolejności:
—
odmiedziowanie,
—
usunięcie cyny, arsenu i antymonu,
—
osrebrzanie cynkiem,
—
usunięcie resztek cynku,
—
ewentualne usunięcie bizmutu.
Usunięcie miedzi następuje w kotłach rafinacyjnych, w których podczas ochładzania do
temperatury nieco wyŜszej od temperatury topnienia ołowiu wydziela się miedź w postaci
kryształków. Wydzielona z ołowiu miedź, jako lŜejsza wypływa na powierzchnię i stamtąd
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
jest zbierana za pomocą dziurkowanych łyŜek. Odmiedziowany ołów poddaje się procesowi
ś
wieŜenia w piecach płomieniowych. Podczas świeŜenia usuwa się z ołowiu cynę, arsen
i antymon, która tworzą tlenki trwalsze niŜ tlenki ołowiu. Srebro i złoto usuwa się obecnie za
pomocą cynku wprowadzanego do roztopionego ołowiu. Cynk ze srebrem i złotem tworzy
nierozpuszczalne w ołowiu związki, które wypływają na powierzchnię ołowiu w postaci
piany. Zebrana z powierzchni piana jest następnie poddawana dalszym zabiegom w celu
wydzielenia z niej metali szlachetnych. Usunięcie resztek cynku, który powstaje w ołowiu po
zgarnięciu piany, przeprowadza się przez przedmuchanie powietrzem, działanie stopionego
NaOH lub przepuszczanie gazowego chloru. Rafinacja końcowa ołowiu ma na celu usunięcie
z metalu bizmutu. Przeprowadza się ją za pomocą wapnia, który z bizmutem tworzy
nierozpuszczalne związki. Związki te usuwa się mechanicznie z powierzchni ołowiu. Ołów
moŜna równieŜ oczyszczać metodą elektrolizy. Sposób ten jest jednak kosztowny.
Do otrzymywania ołowiu surowego stosuje się szereg nowoczesnych oraz klasycznych
maszyn i urządzeń, do których moŜna zaliczyć:
—
piec szybowy klasyczny,
—
piec szybowy Imperiał Smelting,
—
krótki piec obrotowy,
—
piec elektryczny łukowo-oporowy,
—
nowoczesne procesy przetopu autogenicznego: QSL, Kivcet, Kaldo, Sirosmelt,
Outokumpu.
Otrzymywanie ołowiu w nowych autogenicznych procesach polega na utlenianiu
materiałów siarczkowych lub siarczanowych z dodatkiem reduktora przy pomocy dmuchu
o wysokiej zawartości tlenu (50–95% O
2
), a następnie redukcji wytworzonego ciekłego ŜuŜla
tlenkowego reduktorem węglowym. Oba etapy procesu prowadzi się:
—
równocześnie w dwóch odrębnych strefach tego samego reaktora (QSL, Kivcet),
—
cyklicznie w tym samym agregacie (Kaldo, Sirosmelt),
—
równocześnie w takich samych reaktorach ustawionych kaskadowo (Sirosmelt),
—
w dwóch róŜnych reaktorach (Outokumpu – piec zawiesinowy i elektryczny).
Większość światowej produkcji ołowiu z surowców pierwotnych (koncentratów
siarczkowych) uzyskuje się w piecach szybowych. W krótkich piecach obrotowych lub
obrotowo-wahadłowych przerabia się jedynie surowce wtórne, a w nowoczesnych procesach
przerabia się zarówno czyste koncentraty siarczkowe, koncentraty z duŜym udziałem
surowców wtórnych (do 45%) lub tylko surowce wtórne.
Procesy otrzymywania metali nieŜelaznych są związane z emisją do atmosfery
szkodliwych zanieczyszczeń. W celu ich ograniczenia stosuje się róŜnorodne metody
oczyszczania gazów odlotowych stosuje się urządzenia odpylające. Zespół urządzeń
koniecznych do wydzielenie pyłu z zapylonego gazu składa się z odpylacza, w którym
następuje wydzielanie ziaren pyłu z gazu oraz urządzeń pomocniczych, jak przewodów
ssących i tłoczących, wentylatorów lub dmuchaw, silników napędzających, instalacji
elektrycznych, pomp i przewodów wodnych, zbiorników na pył, urządzeń odprowadzających
pył itp. Zestaw i rodzaj urządzeń pomocniczych zaleŜy od typu odpylacza. Do wydzielania
pyłów z gazów odlotowych mają zastosowanie następujące zjawiska fizyczne: siła
bezwładności, siła ciąŜenia, siła odśrodkowa, siła elektrostatyczna, siła dyfuzji, kondensacja
pary wodnej na ziarnach pyłu.
Urządzenia odpylające dzielą się na trzy grupy (rys. 21):
—
mechaniczne,
—
filtracyjne,
—
elektrostatyczne.
Do grupy mechanicznych suchych urządzeń odpylających naleŜą komory osadcze,
cyklony, multicyklony, odpylacze o ruchu obrotowym cylindrycznej obudowy, odpylacze
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
wirnikowe. Najczęściej stosowane są cyklony. Mają bardzo szeroki zakres zastosowania,
m.in. w obiegach wentylacyjnych i przy odpylaniu małych ilości gazu (za paleniskami
kotłów, w odlewniach, piecach wapiennych, itp.). Cyklony stosuje się takŜe w skojarzeniu
z innymi typami odpylaczy, jako pierwszy stopień odpylania (np.: z odpylaczami
tkaninowymi, mokrymi lub elektrostatycznymi). Urządzenia te działają na zasadzie
występowania duŜych sił odśrodkowych z odrzutem cięŜszych ciał stałych w kierunku
ś
cianek cylindra, po których zsuwają się do umieszczonego w dole zbiornika pyłu.
Charakteryzują się łatwą obsługą, niskimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi, lecz
i niezbyt wysoką skutecznością działania.
Rys. 21. Podział urządzeń odpylających [1, s. 457]
Mechaniczne mokre urządzenia odpylające, stanowiące najliczniejszą grupę urządzeń
odpylających są to m.in.: płuczki wieŜowe, cyklony mokre, płuczki obrotowe, odpylacze ze
zwęŜką Venturiego. Zasada ich działania polega na wykorzystywaniu zjawisk występujących
przy dodawaniu cieczy do zapylonego gazu, tj. kondensacji pary wodnej, dyfuzji, zderzenia
się kropelek cieczy z ziarenkami pyłu, zjawisk elektrostatycznych, rozdrobnienia gazu,
osadzania się pyłu. Urządzenia te przeznaczone są do odpylania gazów technologicznych
z pyłów drobnych, nieagresywnych i niecementujących. Charakteryzują się małą czułością na
zmiany temperatury, wilgotności oraz stosunkowo wysoką skutecznością odpylania (do 99%).
Mokre urządzenia odpylające, niezaleŜnie od odpylania gazu, mogą być równocześnie
wykorzystywane do chłodzenia gazu lub wydzielania zanieczyszczeń gazowych. Działanie
odpylaczy tkaninowych (filtracyjnych) polega na oddzieleniu pyłu podczas przepływu
zapylonego gazu przez materiały filtracyjne, tj. warstwy kształtek ceramicznych
i metalowych, tkaniny, włókniny, filce, bibuły. Najbardziej rozpowszechnione są odpylacze
filtracyjne tkaninowe, w których materiałem filtracyjnym są tkaniny lub włókniny naturalne
i sztuczne, pozwalające na oddzielenie pyłów o wielkości ziaren rzędu 1 mikrometra. Często
wymagają one wstępnego odpylenia gazów. Stosowane są w cementowniach, wapiennikach,
wytwórniach mączek mineralnych, w produkcji metali i wyrobów z metali, produkcji maszyn
i urządzeń, a takŜe w produkcji wyrobów chemicznych.
Elektrostatyczne urządzenia odpylające (elektrofiltry) wykorzystują zjawisko siły
elektrostatycznej. Zapylony gaz ulega jonizacji w silnym polu elektrostatycznym, ziarna pyłu
są przyciągane przez elektrodę zbiorczą, gdzie koagulują (łączą się) i przy wstrząsaniu
opadają do zbiornika pyłu. Urządzenia te charakteryzują się wysoką skutecznością działania
(powyŜej 99,5%) oraz niskimi oporami przepływu, nawet dla bardzo duŜych ilości gazów.
Elektrofiltry stosowane są do odpylania duŜych ilości gazów, np.: spalin z kotłów
energetycznych, w cementowniach, w produkcji metali i wyrobów z metali, w produkcji
wyrobów chemicznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
40
Rys. 22. Schemat przemysłowych urządzeń odpylających: a) komora osadcza, b) cyklon, c) płuczka bez
wypełnienia, d) płuczka z wypełnieniem, e) płuczka obrotowa nadciśnieniowa; 1 – wał z tarcza,
2 – palce, 3 – pręty nieruchome, f) odpylacz tkaninowy workowy nadciśnieniowy, g) odpylacz
tkaninowy workowy podciśnieniowy, h) odpylacz tkaninowy ramowy, i) odpylacz z warstwa sypką
nieruchomą, j) odpylacz z warstwą sypką ruchomą, k) odpylacz elektrostatyczny rurowy, l) odpylacz
elektrostatyczny płytowy, ł) odpylacz elektrostatyczny mokry [1, s. 458]
Do zadań słuŜb utrzymania ruch na wydziałach otrzymywania metali nieŜelaznych
naleŜą:
1) przeglądy, naprawy, remonty i modernizacje pieców topialnych i podgrzewczych,
2) przeglądy, naprawy i remonty napędów i urządzeń elektrycznych, np.: silników
elektrycznych, serwonapędów, transformatorów, elektrosprzęgieł, cewek, przekaźników,
3) przeglądy, naprawy i remonty urządzeń chłodniczych, np.: skraplaczy i klimatyzatorów,
wentylatorów, pomp chłodziwa,
4) przeglądy, naprawy i remonty układów hydrauliki wodnej, np.: układów chłodzenia
pieców topialnych, pomp przesyłowych i obiegowych, pomp układów chłodzenia maszyn
i urządzeń,
5) przeglądy, naprawy i remonty układów hydrauliki gazowej, np.: instalacji chloru, argonu
przy urządzeniach do rafinacji metalu, układów zapłonowych pieców topialnych,
systemów spręŜonego powietrza wewnątrz hal produkcyjnych,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
41
6) przeglądy i naprawy aparatury kontrolno-pomiarowej, np.: układów pomiarowo-
regulacyjnych temperatury w piecach topialnych, sprawdzanie termoelementów
i mierników, sprawdzanie manometrów, sprawdzanie rejestratorów.
Aby zapewnić naleŜyte bezpieczeństwo obsługi naleŜy bezwzględnie przestrzegać
przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, do których naleŜą między innymi:
—
elektryczne piece łukowe, konwertory i piecokadzie powinny być wyposaŜone
w urządzenia do mechanicznego załadunku wsadu oraz w urządzenia odpylające,
uruchamiane wyłącznie przez pracownika prowadzącego wytop,
—
części pieca elektrycznego i piecokadzi znajdujące się pod napięciem powinny być
osłonięte oraz oznakowane barwami i znakami bezpieczeństwa określonymi w Polskich
Normach,
—
pracownik dokonujący ręcznej regulacji elektrod w piecach, powinien stać na suchym
podłoŜu wykonanym z materiałów dielektrycznych,
—
wszystkie elementy przewodzące pieca powinny być uziemione,
—
pracownik obsługujący piec elektryczny powinien uŜywać narzędzi z uchwytami
izolowanymi.
4.5.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe właściwości i zastosowanie ołowiu?
2. Jak przebiega proces otrzymywania ołowiu w piecu szybowym?
3. Jakie zanieczyszczenia występują w surowym ołowiu?
4. Jakie są etapy rafinacji ołowiu?
5. Jak usuwa się podczas rafinacji cynę, arsen i antymon?
6. Jak usuwa się podczas rafinacji srebro?
7. Jakie są zasady bhp w zakładach produkujących ołów?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Narysuj uproszczony schemat rafinacji ołowiu.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące procesów rafinacji ołowiu,
2) określić zanieczyszczenia ołowiu surowego,
3) określić kolejne etapy usuwania zanieczyszczeń,
4) narysować schemat rafinacji ołowiu,
5) opisać kolejne etapy procesu rafinacji ołowiu,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
−
papier formatu A4, flamastry,
−
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
42
Ćwiczenie 2
Scharakteryzuj procesy otrzymywania ołowiu z koncentratów w procesie redukcji
w piecu szybowym.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat otrzymywania ołowiu
z koncentratów,
2) opisać budowę pieca szybowego,
3) wyjaśnić zjawiska zachodzące w procesie redukcji koncentratów,
4) zaprezentować wyniki ćwiczenia.
WyposaŜenie stanowiska pracy:
—
papier formatu A4, flamastry,
—
literatura zgodna z punktem 6 Poradnika.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować właściwości i zastosowanie ołowiu?
2) rozróŜnić metody otrzymywania ołowiu z koncentratów?
3) wyjaśnić otrzymywanie ołowiu w piecu szybowym?
4) rozróŜnić etapy rafinacji ołowiu?
5) scharakteryzować sposób usuwania z ołowiu domieszek cyny, arsenu
i antymonu?
6) określić zasady bhp w zakładach produkcji cynku?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
43
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do kaŜdego zadania dołączone są 4 moŜliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.
6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
8. Na rozwiązanie testu masz 30 minut.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1. Boksyty są wykorzystywane do otrzymywania
a) miedzi.
b) cynku.
c) aluminium.
d) ołowiu.
2. W rudach kwaśnych podstawowym składnikiem skały płonnej jest
a) krzemionka.
b) kalcyt.
c) dolomit.
d) galena.
3. Do węglanowych rud metali nieŜelaznych naleŜy
a) galman ZnCO
3
.
b) blenda cynkowa ZnS.
c) galena PbS,
d) piroluzyt MnO
2
.
4. Do procesów wzbogacania rud zaliczamy
a) klasyfikację.
b) flotację.
c) rozdrabnianie.
d) przesiewanie.
5. Glinian sodowy w metodzie Bayera tworzy się wg reakcji
a) A1(OH)
3
= Al
2
O
3
+ H
2
O.
b) 2A1(OH)
3
+ 2NaOH = Al
2
O
3
Na
2
O + 4 H
2
O.
c) 2 A1(OH)
3
= Al
2
O
3
+ 3 H
2
O.
d) 2 A1(OH)
3
+ 2 NaOH = Al
2
O
3
Na
2
O + 4 H
2
.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
44
6. Metaliczne aluminium otrzymuje się przez stopienie tlenku glinu z kriolitem w
a) piecu indukcyjnym.
b) elektrolizerze.
c) konwertorze.
d) piecu płomieniowym.
7. Procesu nie zaliczany do wzbogacania rud cynku to proces
a) flotacji.
b) praŜenia.
c) suszenia.
d) kruszenia.
8. Rafinację miedzi metodą ogniową przeprowadza się w
a) piecach elektrycznych.
b) piecach zawiesinowych.
c) elektrolizerach.
d) piecach płomieniowych.
9. Procesy ługowania są stosowane w
a) pirometalurgii.
b) hydrometalurgii.
c) elektrometalurgii.
d) metalurgii proszków.
10. ŚwieŜenie kamienia miedziowego przeprowadza się w
a) piecach indukcyjnych.
b)
elektrolizerach.
c)
konwertorach.
d)
piecach płomieniowych.
11. śerdziowanie polega na
a) mieszaniu miedzi drągami drewnianymi.
b) usuwaniu ŜuŜla z powierzchni metalu.
c) przedmuchiwaniu kąpieli metalowej tlenem.
d) usuwaniu ŜuŜla.
12. Redukcja tlenku cynku jest prowadzona
a) w piecach szybowych.
b) elektrolizerach.
c) piecach łukowych.
d) piecach indukcyjnych.
13. W procesach otrzymywania miedzi surowej w celu wytworzenia ŜuŜla wprowadza się
a) wapno.
b) krzemionkę.
c) węgiel drzewny.
d) magnezyt.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
45
14. Podstawowym surowcem do produkcji ołowiu jest
a) chalkopiryt.
b) kupryt.
c) boksyt.
d) galena.
15. Końcowym etapem rafinacji ołowiu jest usunięcie domieszek
a) miedzi.
b) cyny.
c) Ŝelaza.
d) bizmutu.
16. Proces świeŜenia polega na
a) utlenianiu.
b) redukcji.
c) dysocjacji.
d) elektrolizie.
17. Urządzenie przedstawione na rysunku słuŜy do
a) elektrolizy aluminium,
b) rafinacji elektrolitycznej
aluminium,
c) otrzymywania tlenku
aluminium metodą Bayera,
d) spiekania boksytu z sodą.
18. Podczas elektrolizy tlenku glinu gwałtowny wzrost napięcia jest spowodowany
a) wzrostem zawartości tlenku glinu.
b) obniŜeniem zawartości tlenku glinu.
c) zwiększeniem stęŜenia kriolitu.
d) zmniejszeniem stęŜenia kriolitu.
19. Znale to stopy
a) miedzi.
b) aluminium.
c) ołowiu.
d) cynku.
20. Siarczkowe rudy cynku wzbogaca się w procesie
a) praŜenia.
b) rozdrabniania.
c) flotacji.
d) filtracji.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
46
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko ...............................................................................
Otrzymywanie metali nieŜelaznych
Zakreśl poprawną odpowiedź.
Nr
zadania
Odpowiedź
Punkty
1
a
b
c
d
2
a
b
c
d
3
a
b
c
d
4
a
b
c
d
5
a
b
c
d
6
a
b
c
d
7
a
b
c
d
8
a
b
c
d
9
a
b
c
d
10
a
b
c
d
11
a
b
c
d
12
a
b
c
d
13
a
b
c
d
14
a
b
c
d
15
a
b
c
d
16
a
b
c
d
17
a
b
c
d
18
a
b
c
d
19
a
b
c
d
20
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
47
6. LITERATURA
1. Hutnictwo i odlewnictwo. WSiP, Warszawa 1989
2. Mazanek M.: Hutnictwo ogniowe metali nieŜelaznych. WSiP, Warszawa 1976
3. Okoniewski S.: Technologia maszyn. WSiP, Warszawa 1998
Internet
4. http://ktmmis.mech.pg.gda.pl/
5. http://mops.uci.agh.edu.pl/
6. http://www.mos.gov.pl/