Rudy metali - procesy przygotowawcze rud metali

– Kruszenie

– Sortowanie

– Spiekanie

– Prażenie

– Flotacja

– Ługowanie

Właściwości metali:

-Połyskiem metalicznym – stąd szczególna zdolność odbijania promieniowania świetlnego

-Duże przewodnictwo cieplne - w dotyku są zimne gdyż ich przewodnictwo powoduje szybkie odprowadzanie ciepła od skóry,

-Dużą wytrzymałość mechaniczną - większość z nich,

-Ciągliwością i kowalnością – dobre własności plastyczne

-Dobrą przewodnością elektryczną

-Stosunkowo znaczną gęstością - w kryształach metali ich atomy są gęsto upakowane (ułożone),

-Dodatnim współczynnikiem temperaturowym oporu – ze wzrostem temperatury wzrasta oporność elektryczna,

- Nieprzezroczystość,

-Zasadowy charakter wodorotlenków utworzonych przez tlenki metali z wodą.

- Różnorodnością cechy odporności na korozję.

Materiały ceramiczne, właściwości:

- duża twardość i kruchość

- duża odporność cieplna (ognioodporność)

- wysoka ogniotrwałość

- Duża odporność na korozję

- duża odporność na korozję

-duża wytrzymałość mechaniczna

- słaba przewodność elektryczna i cieplna

- złe własności technologiczne – wymagają specjalnych technik wytwarzania

Materiały polimerowe (tworzywa sztuczne) właściwości:

-Wykazują stosunkowo dobre właściwości mechanicznymi,

-Są elektroizolatorami ,

-Są bardzo odporne na działanie czynników chemicznych.

-Zaletą ich jest mały ciężar właściwy, a wadą - mała odporność na działanie temperatur przekraczających 200-300° C (organiczne związki węgla z wodorem i tlenem).

-Dają się łatwo formować w wyroby o skomplikowanych kształtach.

-Mają małą gęstość i związany z tym najczęściej bardzo korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości.

-Dają możliwość łatwego otrzymywania wyrobów o estetycznym wyglądzie z możliwością barwienia lub uzyskiwania wyrobów przezroczystych.

Materiały kompozytowe to materiały niejednorodne, powstałe z połączenia dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się wzajemnie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, ani średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden ze składników stanowi osnowę, która nadaje kompozytowi spójność, twardość, elastyczność

i odporność na ściskanie, a drugi składnik nazywany też zbrojeniem lub komponentem konstrukcyjnym, zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

Miedź - Chalkopiryt, Bornit, Kowelin, Chalkozyn, Kupryt, Malachit, Azuryt

Cynk- Galman

Żelazo- Magnetyt

Materiały ogniotrwałe właściwości:

- ognioodpornością większą niż 1580°C (stożek 26),

- znaczną wytrzymałością w zwykłej temperaturze i określoną wytrzymałością w wysokich temperaturach,

- znaczną odpornością na nagłe zmiany temperatury, zwłaszcza gdy chodzi o materiały do budowy urządzeń cieplnych pracujących okresowo,

- stałą objętością kształtu,

- małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,

- małym współczynnikiem przewodności cieplnej i przenikliwości gazowej, a także odpornością na działanie chemiczne środowiska ciekłego lub gazowego,

- zwartością budowy

Materiały Ogniotrwałe:

Do grupy materiałów kwaśnych należą wyroby:

– krzemionkowe,

– szamotowe i pokrewne.

Reagują one w wysokiej temperaturze z materiałami zasadowymi.

Do grupy materiałów zasadowych zalicza się wyroby:

– magnezytowe,

– dolomitowe, itd.

Reagują one w wysokiej temperaturze z materiałami kwaśnymi.

Do grupy materiałów obojętnych zalicza się wyroby:

– węglowe,

– chromitowe

– karborundowe

– cyrkonowe i inne

Nie reagują w wysokiej temperaturze ani z materiałami zasadowymi, ani z kwaśnymi.

Podstawowymi materiałami wsadowymi do wielkiego pieca są:

-Ruda

-Koks

-Topniki

Otrzymywanie koksu: sucha destylacja węgla w temperaturze powoli wzrastającej do 1200°C.

Topniki: W celu ułatwienia stopienia skały płonnej i oddzielenia zanieczyszczeń niemetalicznych od żelaza, dodaje się zwykle do wsadu wielkopiecowego pewnych substancji - topników.

Najważniejszym procesem chemicznym, za pomocą którego otrzymuje się metale z rud, od dawna stosowanym w przemyśle, jest redukcja, czyli odtlenianie w wysokiej temperaturze rud tlenkowych za pomocą węgla lub tlenku węgla.

Taką metodą otrzymuje się zwykle surówkę żelaza, miedź, cynk i kadm, a ponadto antymon, arsen, bizmut, cynę, kobalt i nikiel.

Otrzymanie surówki polega na odpowiednim odtlenieniu rudy. Wszystkie reakcje zachodzące w wielkim piecu mogą mieć charakter POŚREDNI lub BEZPOŚREDNI. W normalnych warunkach jedne występują obok drugich.

REAKCJE POŚREDNIE polegają na redukcji tlenków za pomocą tlenku węgla. Reakcje przebiegają w kierunku wzbogacania rudy w żelazo:

3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 egz.

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 end.

FeO + CO = Fe + CO2 egz.

REAKCJE BEZPOŚREDNIE zachodzą według wzorów:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO egz.

Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO end.

FeO + C = Fe + CO egz.

Redukcja krzemu:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Redukcja Fosforu:

P2O5 + 5C = 2P + 5CO

REDUKCJA MANGANU:

MnO + C = Mn + CO

Produkty wielkiego pieca:

-Surówka

-Żużel wielkopiecowy

-Gaz wielkopiecowy

SURÓWKA: Przeciętnie co 6-8 godzin - zależnie od pojemności pieca - przebija się kanały i spuszcza ciekłą surówkę. Produkowane w wielkim piecu surówki dzielimy w zależności od przeznaczenia na surówki przeróbcze, czyli stalownicze oraz na surówki odlewnicze. Surówki przeróbcze zależnie od ich składu chemicznego dzielimy na besemerowskie, tomasowskie oraz martenowskie. Surówkę wielkopiecową przerabia się na stal w procesie świeżenia.

PROCES ŚWIEŻENIA MOŻE BYĆ:

-bezpośredni-> wielki piec-> konwertor,

-pośredni - wielki piec-> mieszalnik-> konwertor,

-kombinowany - wielki piec-> mieszalnik-> bloki-> żeliwiak–> konwertor

ŻUŻEL WIELKOPIECOWY: powstaje w wyniku stopienia skały płonnej towarzyszącej rudzie oraz topników wprowadzonych do pieca w celu obniżenia temperatury topnienia mineralnych zanieczyszczeń występujących w rudzie. Z tego względu skład chemiczny żużla zależy od składu chemicznego rudy i topników. Zwykle składa się on z tlenków wapnia, glinu oraz krzemu.

GAZ WIELKOPIECOWY: Powstające w wyniku reakcji wielkopiecowych gazy zawierają pewne ilości składników, które po spaleniu mogą dostarczyć jeszcze pewnych ilości ciepła. Przeciętna wartość opałowa gazów wielkopiecowych wynosi około 100 000 kJ/kmol. Głównym składnikiem palnym gazu wielkopiecowego jest CO. W skład gazów wielkopiecowych wchodzi do 60% azotu oraz do 30% tlenku węgla.

Proces świeżenia surówki w konwertorze Thomsona: W procesie zasadowym (tomasowskim) fosfor ma podobne zadanie do spełnienia jak krzem w metodzie kwaśnej, tzn. podczas świeżenia jest głównym źródłem ciepła. Wymaganie mniejszej zawartości krzemu w surówce jest spowodowane jego chemicznym oddziaływaniem na zasadowe wyłożenie konwertora. Załadowanie do poziomo pochylonego konwertora ciekłej surówki poprzedzane jest wprowadzeniem wapna palonego stanowiącego około 15% wsadu, które po stopieniu tworzy żużel i następnie służy do odfosforzenia stali. Świeżenie surówki przeprowadza się w pionowej pozycji konwertora. Przebieg świeżenia surówki w konwertorze Thomasa jest

podobny do przebiegu świeżenia w procesie Bessemera czyli polega on na świeżeniu surówki strumieniem powietrza przechodzącym przez nią.

Proces świeżenia surówki w konwertorze Bessemera: Polega on na świeżeniu surówki strumieniem powietrza przechodzącym przez nią. Znajdujący się w powietrzu tlen szybko utlenia zawarte w surówce domieszki, a wytworzone ciepło reakcji podnosi temperaturę tak wysoko, że mimo zmniejszenia zawartości węgla w żelazie pozostaje ono w stanie ciekłym. Proces świeżenia przeprowadza się w konwertorze ustawionym pionowo. W procesie Bessemera nie następuje ani odsiarczanie, ani odfosforzanie. Jest to główną wadą tego procesu.

Proces SIEMENSA-MARTINA: Bracia Emil i Piotr Martinowie realizując swój pomysł stapiania złomu z surówką chcieli wykorzystać przede wszystkim złom, który był całkowicie bezużyteczny w procesie Bessemera. Po zastosowaniu pieca trzonowego okazało się, że można w nim przerabiać również surówkę i to o takim składzie, jaki był niemożliwy do przetwórstwa w innych procesach. Można było również usuwać fosfor i siarkę - pozwalało to na przerabianie takich gatunków surówki, które nie nadawały się do procesu Thomasa i Bessemera. Dzięki tym zaletom proces ten rozpowszechnił się i był długo podstawą procesów stalowniczych. Piec martenowski jest piecem płomiennym opalanym mieszaniną gazów wielkopiecowego i koksowniczego, wysoką temperaturę spalania (do 1800°C) osiąga się w nim dzięki zastosowaniu podgrzewaczy gazu, tzw. regeneratorów, gdzie za pomocą rozgrzanych spalin podgrzewa się powietrze i gazy przed spalaniem.

Wytwarzanie stali można podzielić na trzy zasadnicze grupy:

– utlenianie,

– rozpuszczanie,

– redukowanie.

Metody otrzymywania miedzi: Znaczny procent miedzi otrzymuje się w procesie metalurgii ogniowej. Pełny cykl otrzymania czystej miedzi (z rudy siarczkowej) jest następujący:

1. utlenianie, mieszanie i brykietowanie mieszanki koncentratu miedzi w celu otrzymania jednorodnego wsadu do przerobu w piecach szybowych,

2. stapianie zbrykietowanych koncentratów w piecach szybowych lub sproszkowanych w piecach zawiesinowych i następnie rozdzielanie w odstojnikach kamienia miedziowego od żużla,

3. świeżenie kamienia miedziowego w konwertorach poziomych, gdzie po usunięciu S, Pb, Fe i Zn otrzymuje się miedź konwertorową,

4. ogniowa rafinacja miedzi konwertorowej w piecach płomiennych i odlewanie anod,

5. elektrolityczne rafinowanie miedzi w celu oddzielenia metali i uzyskanie miedzi katodowej,

6. stapianie i rafinowanie miedzi katodowej w piecu płomiennym, odlewanie wlewków, tzw. wirebasów, na karuzelowej maszynie odlewniczej.

Rafinacja miedzi:

-Miedź surowa zawiera około 0,8-2,0% domieszek: siarkę, arsen, bizmut, ołów, żelazo, nikiel, tlen; wszystkie one w znacznym stopniu pogarszają elektryczne własności miedzi.

-Zawarte są w niej również domieszki metali szlachetnych.

-Rafinacja miedzi składa się z dwóch odrębnych procesów:

– rafinacji ogniowej (usuwanie domieszek metali mniej szlachetnych od miedzi)

– rafinacji elektrochemicznej (usuwanie domieszek metali szlachetniejszych od miedzi)

Metoda otrzymywania aluminium jest podzielona na dwa charakterystyczne etapy:

-przeróbka surowców na czysty bezwodny tlenek glinu,

-elektroliza tlenku glinowego rozpuszczonego w kriolicie.

Rafinacja Aluminium: Podczas elektrolizy otrzymuje się aluminium o czystości nie większej niż 98-99%. Głównymi zanieczyszczeniami są: żelazo, krzem, tytan oraz porwane mechanicznie cząstki elektrod i elektrolitu. Dodatkowo są w nim

rozpuszczone gazy, głównie wodór. Zanieczyszczenia niemetaliczne oraz sód, wapń i magnez usuwa się przez chlorowanie, a krzem i pozostałe domieszki przez rafinację elektrolityczną. Chlorowanie polega na przedmuchiwaniu

kąpieli chlorem w temperaturze 750-770°C. Chlor łączy się z aluminium i w postaci pary unosi się do góry porywając zanieczyszczenia, po czym przenosi je na powierzchnię kąpieli tworząc żużel. Po chlorowaniu aluminium zawiera jeszcze około 0,3-0,55% zanieczyszczeń.

Rafinacja cynku: Dotychczas znany sposób przygotowania stopu cynku polega na tym, że proces stapiania prowadzi się w piecu topielno rafinacyjny, który wyposażony jest w dwie wanny usytuowane na jednym poziomie, przy czym stapianie, rafinację i odstawanie metalu prowadzi się w każdej wannie oddzielnie. Czas trwania jednego wytopu wynosi 24 godziny, przy czym czas trwania poszczególnych operacji technologicznych wynosi: ładowanie wsadu - 4 godziny, topienie wsadu — 10 godzin, rafinacja odstawanie oraz wprowadzanie składników stopowych - razem 6 godzin, odlewanie - 4 godziny. Po ukończeniu procesu rafinacji i odstania płynny metal odlewa się z każdego pieca oddzielnie. Każda wanna zaopatrzona jest w tylnej stronie pieca w palenisko węglowe. Wytworzone spaliny ogrzewają piec przechodząc bezpośrednio nad kąpielą metalu do przewodu kominowego.

Metalurgia proszków to najnowsza metoda otrzymywania metali na skalę przemysłową. Polega ona na otrzymywaniu najpierw metali w stanie znacznego rozdrobnienia, a następnie po sprasowaniu proszków metalicznych i spiekaniu w temperaturze zwykle niższej od temperatury ich topnienia. Otrzymywane w różnych procesach metalurgicznych metale są jeszcze w znacznym stopniu zanieczyszczone i z tego powodu poddaje się je oczyszczaniu, czyli rafinacji.

Klasyfikacja metod wytwarzania proszków:

1. Metody mechaniczne

a) ze stanu stałego

– zgrubne rozdrabnianie: kruszenie, zdzieranie, frezowanie, ścieranie, tłuczenie, rozbijanie

– mielenie

b) ze stanu ciekłego

– granulacja,

– rozpylanie,

– rozdrabnianie mechaniczne

2. Metody fizykochemiczne

a) z fazy gazowej

– kondensacja,

– karbonylkowa

b) elektrolityczne

– elektroliza roztworów wodnych,

– rozpuszczalność anody,

– elektroliza stopionych soli metali

c) Redukcja

– cieplna związków

– roztworów wodnych soli,

– stopów soli,

Rozróżnia się następujące metody zagęszczania materiałów proszkowych:

A. Zagęszczanie bez przyłożenia ciśnienia - nasypowe ułożenie proszków. Sam proces zagęszczania następuje dopiero podczas spiekania, dlatego też ten proces może odbywać się tylko w odpowiednich formach. Wysoką gęstość można uzyskiwać tylko po zastosowaniu bardzo drobnych frakcji proszków.

B. Zagęszczanie wibracyjne - podczas tego rodzaju zagęszczania po winno się stosować wibrację o odpowiedniej częstotliwości.

C. Metoda odlewania proszków - odlewa się gęste zawiesiny proszkowe, przeważnie ze źle prasujących się, lub też do otrzymania bardzo skomplikowanych kształtów. Odlewa się do form o dużej porowatości w celu szybkiego odprowadzenia wilgoci. Istnieje niebezpieczeństwo segregacji fazowej.