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 MexO4 + R → MexO(4-a) + ROa Prażenie w atmosferze obojętnej Mex(CO3)z → MexOz + z CO2 ,Mex(OH)z → MexO 0.5z + 0.5z H2O Prażenie w atmosferze utleniającej MexSw + (0.5z +w) O2 → MexOz + 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 + RMe → Me + RMeA 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: cuso4(liq) + fe(s) → feso4(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%, STALIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2% przeznaczony na odlewy kształtowe, 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 ziarnistościPodstawowe 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 – 950oC) :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 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 Rm ≥ 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 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 morskaProcesy 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= 1300oC)- 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 – 1500oC, 2MgO + 2CaO + (Fe)Si = 2Mg(g) + Ca22SiO4(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 1200oC 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 ( 1600oC) 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.
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 MexO4 + R → MexO(4-a) + ROa Prażenie w atmosferze obojętnej Mex(CO3)z → MexOz + z CO2 ,Mex(OH)z → MexO 0.5z + 0.5z H2O Prażenie w atmosferze utleniającej MexSw + (0.5z +w) O2 → MexOz + 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 + RMe → Me + RMeA 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: cuso4(liq) + fe(s) → feso4(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%, STALIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2% przeznaczony na odlewy kształtowe, 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 ziarnistościPodstawowe 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 – 950oC) :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 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 Rm ≥ 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 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 morskaProcesy 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= 1300oC)- 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 – 1500oC, 2MgO + 2CaO + (Fe)Si = 2Mg(g) + Ca22SiO4(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 1200oC 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 ( 1600oC) 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.
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 MexO4 + R → MexO(4-a) + ROa Prażenie w atmosferze obojętnej Mex(CO3)z → MexOz + z CO2 ,Mex(OH)z → MexO 0.5z + 0.5z H2O Prażenie w atmosferze utleniającej MexSw + (0.5z +w) O2 → MexOz + 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 + RMe → Me + RMeA 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: cuso4(liq) + fe(s) → feso4(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%, STALIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2% przeznaczony na odlewy kształtowe, 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 ziarnistościPodstawowe 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 – 950oC) :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 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 Rm ≥ 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 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 morskaProcesy 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= 1300oC)- 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 – 1500oC, 2MgO + 2CaO + (Fe)Si = 2Mg(g) + Ca22SiO4(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 1200oC 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 ( 1600oC) 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.