UNIT 1

Ruda- utwory skalne zawierające związki chemiczne metalu (metali), podstawowy surowiec stosowany w procesach metalurgicznych

-składnik podstawowy

-skała płonna

FORMY WYSTĘPOWANIA METALI W RUDACH W STANIE WOLNYM (Au, Ag, Pt ):

• TLENKI (Fe₂O₃ ) • SIARCZKI (Cu₂S)• WĘGLANY (FeCO₃, MgCO₃ )

• UWODNIONE TLENKI ( Al₂O₃ n H₂O )

Wstępna przeróbka rud:ruda-Rozdrabnianie-przemiana związku/usuwanie skały płonnej-scalanie-KONCENTRAT

Rozdrabnianie:Grube: z fi 200-400 mm do fi 80-100 mm (Łamacze stożkowe,szczękowe)

Średnie:z 100-200mm do 30-80mm (łam. Stożkowe,kruszarki bębnowe,młyny kulowe iprętowe)

Drobne: z 1-80 mm do <1mm

Metody wzbogacania rud:

-Fizyczne:a)Met. Grawitacyjneb)elektryczne (elektromagnetyczne I estatyczne)c)metody flotacyjne

-Chemiczne

Wzbogacanie grawitacyjne:wykorzystuje różnicę w gęstości pozornej ziarenek rudy I prędkości ich opadanie w powietrzu I w cieczy (płukanie ,strumieniowanie,w cieczach ciężkich)

Wzbogacanie Elektryczne:

-wzb. Elektromagnetyczne –separacja elektromagnetyczna

-wzb elektrostatyczne-separacja elektrostatyczna

Wzbogacanie flotacyjne: Jest związane z aktywnością powierzchniową cząstek zmielonej rudy.W metodzie tej wykorzystana jest zdolność do zwilżania cząstek rozdrobnionej rudy przez odpowiednio dobraną ciecz ( np. wodę ). Czynnikiem roboczym jest pęcherzyk powietrza wprowadzony do cieczy.

PRZEMIANA ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL (Me):

Prażenie w atmosferze redukującej Me_xO₄ + R → Me_xO_(4-a) + RO_a

Prażenie w atmosferze obojętnej Me_x(CO₃)_z → Me_xO_z + z CO₂ ,Me_x(OH)_z → Me_xO _0.5z + 0.5z H₂O

Prażenie w atmosferze utleniającej Me_xS_w + (0.5z +w) O₂ → Me_xO_z + z SO₂

SCALANIE KONCENTRATU:

•spiekanie koncetratu •brykietowanie koncentratu • grudkowanie koncentratu

wstępne procesy metalurgiczne:

wydzielanie metalu ze związku zawierającego metal -oddzielenie skały płonnej od metalu

procesy redukcyjne: stosowane do przeróbki rud tlenkowych

• reduktory: c, co , h₂, niektóre metale (me)

schemat procesu:MeO + R → Me + RO , MeA + R_Me → Me + R_MeA

A – dowolny pierwiastek występujący w związku z Me,R - reduktor

procesy dysocjacji termicznej: 2meo → me + o₂

utlenianie: oddziaływanie na związek mex tlenem mex + o₂ → me + xo₂

procesy hydrometalurgiczne:

-rozpuszczanie – pozwala na przeprowadzenie metalu występującego w rudzie do roztworu, zasada - metal zawarty w rudzie przeprowadzmy do roztworu ,sposób realizacji – oddziaływanie na rudę roztworami kwasów, zasad lub soli

-oczyszczenie roztworu z zanieczyszczeń : ekstrakcja z wytrącaniem przez specjalnie wprowadzone dodatki,zastosowanie rozpuszczalników organicznych ,krystalizacja

- wydzielenie pierwiastka z roztworu: stosowane procesy: wydzielenie z roztworu na drodze elektrolizy ,cementacja: cuso_4(liq) + fe_(s) → feso_4(liq) + cu_(s) ,redukcja ciśnieniowa wodorem: cuso₄ + h₂ → cu + h₂so₄

UNIT 2 ___________________________________________________________________________

Procesy rafinacyjne-mają na celu usunięcie domieszek lub ograniczenie ich zawartości do dopuszczalnej koncentracji

-fizyczne metody rafinacji

a)ekstrakcja(żużlowa,gazowa,próżniowa)

b)zmiana stanu skupienia(postepująca krystalizacja,topienie strefowe,destylacja rektyfikacja

c)elektorliza

d)mechaniczna(filtrowanie ,wibracja ultradźwięki)

-chemiczne metody rafinacji

ekstrakcja żużlowa-wykorzystuje prawo nernsta które określa warunki równowagi na granicy dwóch faz Prawo podziału Nernsta – jeżeli jakaś substancja jest rozpuszczalna w dwóch cieczach, które zupełnie lub niemal zupełnie nie mieszają się z sobą tworząc dwie fazy, wówczas przy danej temperaturze stężenie substancji rozpuszczalnej w jednej fazie będzie się znajdowało w określonym stosunku do stężenia tej substancji w drugiej fazie.

ekstarkcja gazowa-wykorzystuje prawo raoulta które określa równowagę na granicy faz : ciekły metal – gaz

Efekt rafinacji można uzyskać: Przez przedmuchiwanie ciekłego metalu gazem obojętnym o niskiej koncentracji zanieczyszczenia A, Przez przetrzymanie ciekłego metalu w próżni.

Rafinacja próżniowa-obniżanie stężenia zanieczyszczenia A w fazie gazowej sąsiadującej z ciekłym metalem

RAFINACJA PRZEZ ZMIANĘ STANU SKUPIENIA:

Swobodne przechodzenie zanieczyszczeń z tworzącej się fazy stałej do cieczy, wymaga istnienia frontu krystalizacji

-metoda postępującego krzepnięcia

-metoda strefowego topnienia

DESTYLACJA-REKTYFIKACJA-Wykorzystuje do oddzielenia zanieczyszczeń z metalu różnicę w prężności par składników stopu

*DESTYLACJA- gdy rozdzielenie składników następuje podczas przeprowadzania ich w stan gazowy

*REKTYFIKACJA – gdy rozdzielenie składników następuje podczas ich przechodzenia ze stanu gazowego w stan stały

3.MECHANICZNE METODY RAFINACJI

* FILTROWANIE – znalazło szerokie zastosowanie przemysłowe,

zastosowanie – usuwanie stałych wtrąceń z ciekłego metalu

4.RAFINACJA CHEMICZNA:

◊żużlowa- do żużla lub do metalu wprowadzamy pierwiastek (R) charakteryzujący się dużym powinowactwem chemicznym do zanieczyszczenia

◊gazowa-do ciekłego metalu wdmuchujemy gaz charakteryzujący się dużą aktywnością w stosunku do zanieczyszczenia

◊próżniowa- wykorzystuje możliwość uruchomienia reakcji poprzez obniżenie ciśnienia nad powierzchnią ciekłego metalu

5.RAFINACJA ELEKTROLITYCZNA-anodę stanowi zanieczyszczony metal, elektrolit może stanowić wodny roztwór soli rafinowanego metalu

UNIT 3_____________________________________________________________________________

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

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

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

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

Klasyfikacja stopów żelaza:

-węglowe(niestopowe) -stopowe(zawierają celowo wprowadzone do stopu pierwiastki w ilości nawet 30%(krzem,fosfor,mangan,siarka)

Podstawowe rudy żelaza:

Rudy magnetytowe – zawierają głównie Fe₃O₄ oraz Fe₂O₃ ( 45 do 70% Fe)

Rudy hematytowe – zawierają Fe₂O₃ ( od 40 do 65%Fe )

Rudy limonitowe – zawierają głównie uwodniony tlenek żelaza– mFe₂O₃• nH₂O (bo od 25 do 50% Fe )

Syderyty – zawierają głównie węglan żelazowy – FeCO₃ ( 30 do 40% Fe )

Przygotowanie rud do procesu metalurgicznego

Wstępna przeróbka rudy:

- podwyższenie zawartości Fe w rudzie

- sporządzenie koncentratu rudy o odpowiednich właściwościach takich jak temperatura topnienia, porowatość,wytrzymałość.

Cele te osiąga się przez :

- mieszanie rud o różnych właściwościach,

- prażenie rud,

- scalanie koncentratu o małej ziarnistości

Budowa wielkiego pieca:

Podstawowe procesy:

-redukcja telnków żelaza zawartych w koncentracie:funkcję podstawowego reduktora pełni tlenek węgla( co),

- oddzielenie otrzyanego żelaza od skały płonnej poprzez stopienie wsadu: skłaniki skały płonnej zostają zmagazynowane w żużlu

ELEMENTY SKŁADOWE INSTALACJI WIELKIEGO PIECA:wielki piec,nagrzewnice powietrza, urządzenia załadowcze,instalacja odprowadzająca gazy wielkopiecowe,urządzenia do odbioru żużlu,urządzenia do odbiory surówki

Procesy Spalania KOKSU:

SPALANIE ZUPEŁNE :C + O₂ → CO₂

SPALANIE NIEZUPEŁNE :C + 0.5 O₂ → CO

REAKCJA BOUDOUARDA(400 – 950^oC) :CO₂ + C → 2CO

SIARKA W SURÓWCE

Podstawowym źródłem siarki ( S ) jest koks ( zawiera do 1,2%S )

Formy występowania siarki

- FeS – rozpuszczony w surówce, - MnS – tylko częściowo rozpuszczony w surówce

- CaS oraz MgS – rozpuszczone w żużlu

Proces odsiarczania surówki
-Wymaga istnienia nadmiaru niezwiązanych tlenków CaO lub MgO w żużlu ( zasadowość żużla mierzona stosunkiem CaO/ SiO₂= 1.2 – 1.3 )

-Musi być zapewniona odpowiednia masa żużla

-Odpowiednie warunki termiczne w dolnej części wielkiego pieca ( reakcja endotermiczna )

-Atmosfera w wielkim piecu musi być redukująca ( obecność CO)

Reakcja odsiarczania:warunki:żużel zasadowy,atmosfera redukująca,wysoka temperatura

FeS +CaO + C → Fe + CaS + CO +Q

MnS +CaO + C→ Mn + CaS+CO+ Q

Klasyfikacja surówek:

-Surówki odlewnicze:hematytowa,normalna,fosforowa,na walce -surówki przeróbcze:P1 i P2

Redukcja bezpośrednia:pozwala na otrzymanie czystego żelaza w stanie stałym(gąbka żelazna)

Reduktorami tlenków żelaza są H2,CH4,CO

UNIT 4_____________________________________________________________________________

PROCESY STALOWNICZE-

◊CEL: obniżenie zawartości węgla w ciekłej surówce

Etapy procesu stalowniczego:

1.ładowanie pieca-topnienie wsadu, wsad z ciekłej surówki lub stałej surówki i złomu stalowego oraz topniki, przegrzewamy metal do założonej temp, ściągamy z powierzchni ciekłego metalu żużel okresu roztapiania

2.utlenianie metalu- świeżenie

3.rafinacja metalu-odtlenianie odtlenianie stali, odsiarczanie, korekta składu chemicznego

4.spust-przeprowadzamy odtlenianie końcowe stali w kadzi przez dodanie aluminium hutniczego w ilości 0.5 – 1.0 kg Al. / t stali

Podstawowe procesy stalownicze:

-Konwertor tlenowy -piec elektryczny łukowy

Sposoby odtleniania stali: Polega na wprowadzeniu do ciekłego metalu pierwiastków charakteryzujących się większym powinowactwem chemicznych do tlenu niż żelazo.Jako odtleniacze stosujemy takie pierwiastki jak Mn , Si , Ti , Ca i inne

FeO + X → Fe + XO – Schemat procesu

Odsiarczanie:FeS + CaO + C → Fe + CaS + CO warunki:żużel zasadowy,atmosfera redukująca,wysoka temp.

Konwertor tlenowy: Materiały: ciekła surówka ( 80%) ,złom stalowy ( ruda, zgorzeliana ,Tlen o czystości 99,5%O₂ pod ciśnieniem 800 do 1200 kPa ,Wapno palone CaO w celu wytworzenia żużla zasadowego potrzebnego do odfosforowania i odsiarczenia metalu

-Kolejność operacji procesu: Ładowanie złomu-zalewanie konwertora ciekłą surówką-Dmuch tlenem-Ładowanie dodatków-Spust stali

PIECE DO WYTAPIANIA STALI I STALIWA:

-Elektryczne: piece elektryczne łukowe bezpośredniego działania ,piece łukowe elektryczne pośredniego działania ,piece indukcyjne bezrdzeniowe

UNIT 5____________________________________________________________________________

żeliwo – stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami o zawartości węgla powyżej 2% przeznaczony do wykonywania odlewów kształtowych

żeliwo - stop wieloskładnikowy żelaza z węglem o takim składzie chemicznym , który zapewnia krzepnięcie w końcowym etapie fazy ciekłej w temperaturze eutektycznej

formy występowania węgla w żeliwie:

*cementyt – fe₃c * grafit * węgiel żarzenia

klasyfikacja wg występowania węgla:

-zeliwo szare-węgiel w postaci grafitu -żeliwo białe –cementyt

-żeliwo połowiczne-jednocześnie w formie grafitu i cementytu

klasyfikacja wg pn:

-żeliwo szare maszynowe, -żeliwo sferoidalne, -żeliwo ciągliwe -żeliwo stopowe

Żeliwo szare maszynowe: dobre właściwości odlewnicze ( dobra lejność, mały skurcz ),prosta technologia topienia,dobra skrawalność, dobra odporność na ścieranie i dobre właściwości ślizgowe,naturalna zdolność do tłumienia drgań,odporność na działanie szeregu czynników chemicznych (soda, ług sodowy, ług potasowy, kwas siarkowy, kwas azotowy, woda, ziemia ) niskie koszty wytwarzania

ŻELIWO MODYFIKOWANE

Aby uzyskać R_m ≥ 250 MPa należy przeprowadzić zabieg modyfikacji

Żeliwo modyfikowane – otrzymujemy poprzez zabieg polegający na dodaniu do ciekłego żeliwa specjalnych dodatków zwanych modyfikatorami

Efekt zabiegu:rozdrobnienie struktury,i wydzieleń grafitu + zwiększenie,

Modyfikatory

-Modyfikatory proste :Ca, Al , C _grafit , Ba, Sr

- Modyfikatory złożone :Fe-Si (75%) z dodatkiem do 2%Al i Ca , Ca-Si, Fe-Si-Mn-Zr

Sposoby modyfikacji:

-Dozowanie modyfikatora na rynnie podczas spustu ciekłego żeliwa z pieca (zastosowanie różnego typu dozowników ),

-Modyfikacja prętowa, -Modyfikacja w zbiorniku układu wlewowego,

-Metoda przewodu elastycznego, -Metoda modyfikacji w formie „ in mould ”

MATERIAŁY ŻUŻLOTWÓRCZE: Podstawowym materiałem żużlotwórczym stosowanym w procesie żeliwiakowym jest kamień wapienny ( CaCO₃) odpowiedniej granulacji.

Funkcja żużla :

-magazynuje produkty reakcji chemicznych zachodzących podczas procesu topienia,

-magazynuje produkty pozostałe po procesie spalania koksu (popiół )

Masa materiałów żużlotwórczych – 30-40% masy koksu

Wady procesu żeliwiakowego

-niska temperatura ciekłego żeliwa na rynnie spustowej,

-trudna płynna regulacja składu chemicznego żeliwa,

- emisja niekorzystnych gazów i pyłów do otaczającego środowiska ,

- krótki czas pracy między kolejnymi remontami bieżącymi pieca ( ciągła praca przez 8 – 10 godz.)

UNIT 6___________________________________________________________________________

Żeliwo sferoidalne -jest to gatunek żeliwa w którym grafit występuje w postaci kulkowej

Metody wytwarzania żeliwa sferoidalnego:

-dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego ceru lub jego stopów,

- dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego magnezu lub jego stopów,

- dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym stopu magnezu (7-8% Mg) z metalami ziem rzadkich,

Skład żeliwa sferoidalnego:

-posiada wyższą zawartość węgla i krzemu,

- posiada ograniczoną do 0.02% zawartość siarki,

- zawartość fosforu i manganu zależy od rodzaju osnowy metalowej ( dla struktury ferrytycznej-jest najmniejsza )

Urządzenia do sferoidyzacji :autoklaw, konwertor, kadź smukła, metoda drutowa

Żeliwo ciągliwe W zależności od atmosfery w której prowadzi się proces wyżarzania odlewów z żeliwa białego otrzymujemy:

* żeliwo białe gdy wyżarzanie prowadzimy w atmosferze utleniajacej,

* żeliwo czarne gdy wyżarzanie prowadzimy w atmosferze obojętnej

Unit 7_____________________________________________________________________________

Aluminium –podstawowa ruda boksyt,inne:Silicates,Oxides,Flourides,Sulphates

Metody wytwarzania:

*alkaliczne(metoda Bayera)-wiązanie Al za pomocą ługów, oddzielenie „czerwonego szlamu” zawierającego domieszki i wodorotlenki Si, wydzielenie z roztworu czystego Al(OH)3, prazenie go i pozyskanie Al2O3

*kwaśne-działanie na rudę roztworem kwasów nieorganicznych(H2SO4), otrzymanie soli zawierających Al, rozkład soli z wydzieleniem Al(OH)3, prażenie i mamy Al2O3

* elektrotermiczne-stopienie boksytu z węglem w piecach elektrycznych w celu zredukowanie domieszek i uzyskania stopionego Al2O3

ALUMINIUM Z ELEKTROLIZERA (rafinacja ogniowa i elektrolityczna)

( CZYSTOŚĆ – 98 – 99.4 % Al)

ZANIECZYSZCZENIA :

-domieszki niemetaliczne (elektrolit , Al₂O₃, cząstki elektrod- węgiel)

-domieszki metaliczne ( takie pierwiastki jak Fe, Si, Ti, Na i Ca – pochodzące z surowca )

- domieszki gazowe ( zwłaszcza wodór pochodzący z elektrolitycznego rozkładu wody–ok. 0.2 cm³H / 1cm³ Al )

UNIT 8__________________________________________________________________________

Proces przygotowania rud do procesu metalurgicznego:

-przeróbka mechanicznawzbogacanie grawitacyjne-flotacyjne koncentratprocesy przygotowawcze (prażenie,aglomeracja, brykietowanie)

Otrzymywanie miedzi z rud siarczkowych metoda pirometalurgiczną:

1.wytapianie kamienia miedziowego, skład wsadu: koncentrat rudy, piasek kwarcowy(topnik),koks(paliwo)

2.konwertowanie kamienia miedziowego, dalsze zmniejszanie koncentracji żelaza i siarki, oddzielenie żuzla, produkt:miedź surowa-miedź czarna

3.rafinacja ogniowa miedzi-usunięcie zanieczyszczeń, odgazowanie

Piec szybowy do wytapiania kamienia miedziowego:

1-urządzenie zasypowe zamknięte podwójnym stożkiem, 2 –wylot gazów, 3 –dysze, 4 –skrzynie wodne,

5 –murowana część szybu, 6 –przewód powietrzny, 7 –otwór spustowy

Przebieg procesu: ETAP 1

1.UTLENIANIE ( Cu₂S , FeS lub FeS₂ ) Cu₂S + 2O₂ → 2Cu₂O + SO₂

2FeS + 3O₂ → 2 FeO + 2SO₂ 3FeS₂ + 8O₂ → Fe₃O₄ + 6SO₂

2. REDUKCJA Fe₃O₄ do FeO - WĘGLEM Z KOKSU Fe₃O₄ + C → 3FeO + CO

3. OŻUŻLENIE FeO ( przy pomocy SiO₂ ) 2FeO + SiO₂ → 2FeO • SiO₂

4. PRZEJŚCIE KRZEMIANU 2FeO • SiO₂ DO ŻUŻLA

UNIT 10________________________________________________________________________

MAGNEZ:

Rudy:Magnezyt, Dolomit, Karnalit ,Woda morska

Procesy otrzymywania magnezu:

1.proces pirometalurgiczny(redukcja tlenków magnezu w wysokiej temp.)

2.elektroliza chlorku magnezu

Trudności produkcyjne:

-ciepły magnez jest bardzo lekki -jest lżejszy od elektrolitu, gromadzi się na jego powierzchni

-gwałtownie reaguje z tlenem(pali się gdy T>Ttopnienia)

-należy utrzymywać temp ciepłego magnezu poniżej 700 stopni

Proces redukcji termicznej:

Rudy węglanowerozkład rud na tlenki, prażenieredukcja tlenków magnezu przy obniżonym ciśnieniukondensacja par magnezu

Etapy w produkcji magnezu:

Etap I: Kalcynacja dolomitu ( T= 1300^oC)- reakcja endotermiczna CaMg(CO₃)₂ = CaO + MgO + 2CO₂

Etap II: Produkcja żelazo-krzemu (Fe-Si) wykorzystywanego jako reduktor – reakcja endotermiczna

Fe₂O₃ + 4SiO₂ + 11C = 2(Fe)Si₂ +11CO

Etap III: Redukcja MgO przy wykorzystaniu jako reduktora żelazokrzemu ( Fe-Si) w próżni w temperaturze 1200 – 1500^oC, 2MgO + 2CaO + (Fe)Si = 2Mg_(g) + Ca₂2SiO_4(Solid) + Fe

Pary magnezu krystalizują w postaci porowatego osadu na ściankach reaktora

Procesy w wytwarzaniu magnezu:

PIGEON Proces: Jest realizowany w reaktorze przedstawionym na schemacie.Ten reaktor ma kształt rury o średnicy 0,3 m i długości 3 m i jest ogrzewany z zewnątrz do temperatury 1200^oC przy ciśnieniu w reaktorze 13Pa .Czas procesu – 8-10 godz.

BOLtZANO Proces: Proces charakteryzuje się tym , że do reaktora wprowadzamy uprzednio przygotowany wstępnie wsad

Reaktor wykonany jest ze stali wyłożonej materiałem ogniotrwałym

Cylindryczna pokrywa reaktora służy do gromadzenia magnezu

Prąd elektryczny jest dostarczony do wsadu i nagrzewa go do wymaganej temperatury

Bezpośrednie nagrzewanie wsadu powoduje spadek zużycia energii elektrycznej

Magnetherm Process: W procesie tym stosowany jest także reaktor z ogrzewaniem wewnętrznym

Proces jest realizowany w wyższej temperaturze ( 1600^oC) oraz przy wyższym ciśnieniu ( 400-670 Pa )

Reaktor zbudowany jest z dwóch połączonych reaktorów

CYNK:

Zakres zastosowania:

*składnik stopowy stopów odlewniczych (stopy Al.,Cu,Mg)

*stopy cynku, przemysł motoryzacyjny(odlewy gaźników, popm olejowych)

*powłoki korozyjne na wyrobach ze stopów Fe

Rudy: -siarczkowe-blenda cynkowa(zawiera ZnS,PbS, związki Cd,Cu,As,Sn i domieszki metali szlachetnych -węglanowe-galnan cynkowy(ZnCO3)z dodatkiem węglanów Fe i Pb

Wzbogacanie rud: ruda cynkurozdrabnianieflotacja lub prażenie w piecach przewałowychscalanie

Cel wzbogacania: -usunięcie skały płonnej

- przeprowadzenie metali występujących w rudzie w tlenki ( ZnO, PbO )

- przygotowanie wzbogaconej rudy do procesu metalurgicznego

Obróbka pozapiecowa stali:

CEL:-Podwyższenie jakości stopu - Obniżenie ilości energii zużywanej do wytopienia 1 kg stali

Zabiegi obróbki pozapiecowej stali dzielą się na zabiegi realizowane przy :

- ciśnieniu atmosferycznym

Odtlenianie osadowe:

◊wprowadzenie do ciekłego metalu po spuście do kadzi odtleniacza

◊Obróbka ciekłego metalu żużlem syntetycznymCiekły metal przelewamy do kadzi w której znajduje się ciekły żużel syntetyczny o składzie :- CaO 55%

Al2O3-45 %,spustu metalu dokonujemy z wysokości ok. 3m w celu zapewnienia dobrego wymieszania metalu z żużlem

◊Wdmuchiwanie sproszkowanych materiałów

do stali