1. Surowce do otrzymywania metali.

Głównym źródłem metali jest skorupa ziemska (rudy żelaza). Innymi źródłami są:

- woda morska,

- konkrecje - to tlenki metali w postaci ziaren, bryłek i brył zalegające dno mórz i oceanów. Występowanie - Pacyfik, Atlantyk, Ocean Indyjski, Morze Czerwone,

- złom metali.

2. Co to jest ruda?

Rudy metali - są to twory skalne zawierające związki metali zalegających w takich warunkach i skupieniach, że ich przemysłowe wydobycie jest ekonomiczne, a właściwości pozwalają na otrzymanie metali w sposób przemysłowy, masowy i opłacalny stosując metody hutnicze, chemiczne i elektrochemiczne. Zawartość metali w różnych rudach wynosi od ułamków procent do 70%. O zawartości tej decydują dwa czynniki: rodzaj związku, w którym występuje metal oraz zawartość skały płonnej.

Podział rud:

- rudy monometaliczne,

- rudy polimetaliczne (zawierają więcej niż 1 metal),

- rudy żelaza,

- rudy metali nieżelaznych.

3. W jakim celu poddaje się rudę przeróbce?

Rudę poddaje się przeróbce w celu:

• polepszenia składu chemicznego,

• ujednorodzenia rudy pod względem składu chemicznego i właściwości fizykochemicznych,

• zapewnienia odpowiedniej wielkości kawałków rudy.

4. Jakie zasadnicze operacje obejmuje proces przygotowania rudy do procesu metalurgicznego?

PROCESY PRZERÓBCZE RUDY

Operacja wstępna

rozdrabnianie

przesiewanie

klasyfikacja

Operacja wzbogacania

grawitacyjne

flotacyjne

magnetyczne]

przez prażenie

Operacja scalania

spiekanie

granulowanie

brykietowanie

5. Jak dzieli się metody rafinacji metali?

RAFINACJA

FIZYCZNA CHEMICZNA

- żużlowa

Ekstrakcja Przez zmianę stanu skupienia Elektroliza Mechaniczna - gazowa

- żużlowa - krystalizacja postępująca - filtrowanie - próżniowa

- gazowa - topienie strefowe - wibracja

- próżniowa - destylacja, reaktyfikacja - ultradźwięki

6. Na jakim prawie oparta jest fizyczna rafinacja żużlowa?

Fizyczna rafinacja żużlowa oparta jest na praktycznym wykorzystaniu prawa podziału Nernsta i polega na naprowadzeniu na powierzchnię ciekłego metalu żużla o dużej zdolności rozpuszczania zanieczyszczeń.

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.

C_A1 - stężenie składnika A w cieczy 1

C_A2 - stężenie składnika A w cieczy 2

7. Ogólny schemat procesów otrzymywania metali z rud

RUDA

Przeróbka rudy

KONCENTRAT

Proces wstępny wydzielania metalu ze związku chemicznego

METAL SUROWY

Rafinacja metalu surowego

METAL RAFINOWANY

Wykonywanie odlewów Odlewanie wlewków

ODLEWY WLEWKI

Przeróbka plastyczna

8. Za pomocą jakich procesów można wydzielić metal z rudy tlenkowej?

a) poprzez prażenie:

• usuwanie z rudy składników lotnych (rudy tlenkowe zawierające wodę krystaliczną tracą ją w czasie prażenia)

MeO + nH₂O Me + nH₂O

b) w procesie redukcji:

• redukcja chemiczna

MeO + R = Me + RO

- za pomocą węgla np.

SnO₂ + 2C Sn + 2CO

- za pomocą gazów (CO iH₂)

- za pomocą metali (krzem, aluminium, sód, magnez, wapń)

9. Wymienić rudy żelaza

Głównymi rudami żelaza są:

• rudy magnetytowe, zawierające Fe₃O₄ i Fe₂O₃ (45-70% żelaza),

• rudy hematytowe, zawierające Fe₂O₃ (40-65% żelaza),

• limonity, których głównym składnikiem jest uwodniony tlenek żelazowy 2Fe₂O₃ x 3H₂O (25-50% żelaza),

• syderyty, w których żelazo występuje w postaci węglanu FeCO₃ (30-40% żelaza)

10. Definicja podstawowych technicznych stopów żelaza

Surówka - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości węgla powyżej 2%,

Stal - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości węgla do 2%(produkt procesu stalowniczego),

Żeliwo - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości węgla powyżej 2%, przeznaczony na odlewy kształtowe,

Staliwo - stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości węgla do 2%, przeznaczony na odlewy kształtowe.

11. Schemat podstawowych etapów prowadzących do otrzymania z rud wyrobów z technicznych stopów żelaza.

RUDA ŻELAZA

Przeróbka rudy

KONCENTRAT

Wielki piec

SURÓWKI

Mieszalnik

Maszyna rozlewnicza piec stalowniczy

GĄSKI SURÓWKI ODLEWY STALIWNE WLEWKI STALOWE

Piec odlewniczy przeróbka plastyczna

ODLWEY ŻELIWNE WYROBY KUTE

12. Budowa wielkiego pieca.

Wielki piec jest piecem szybowym. W skład instalacji obok właściwego pieca wchodzą nagrzewnice służące do podgrze­wania powietrza dostarczanego do pieca, urządzenie załadowcze, instalacja odpro­wadzająca gazy wielkopiecowe oraz układy odbioru żużla i surówki. Stalowy płaszcz wielkiego pieca wsparty jest na konstrukcji kratownicowej a wewnątrz wymurowany materiałami ogniotrwałymi. Pojemność wielkiego pieca waha się od kilkuset do 5000m³. Dla przykładu wymiary pieca o pojemności 2000m³ wynoszą: średnica garu 9750, średnica przestronu 10900 mm, średnica gardzieli 7300 mm, wysokość całkowita 41000 mm.

Gar wielkiego pieca wypełniony jest gorącym koksem, szyb zawiera wsad składający się z warstw koksu, koncentratu rudy oraz topników ładowanych na przemian. Koks jest paliwem dostarczającym ciepło niezbędne w procesie redukcji rudy. Służy on także do wytworzenia CO, stanowiącego reduktor tlenków żelaza. Topnik, który najczęściej stanowi kamień wapienny CaC0₃, służy do obniżenia temperatury topnienia skały płonnej.

13. Na czym polega istota procesów zachodzących w wielkim piecu?

Istota procesu wielkopiecowego polega na:

• redukcji tlenków żelaza zawartych w koncentracie, przede wszystkim za pomocą tlenku węgla, w celu otrzymania metalicznego żelaza,

• oddzieleniu otrzymanego żelaza od skały płonnej przez ich stopienie, co umożliwia rozwarstwienie 2 otrzymanych produktów ciekłych - surówki i żużla.

14. Podać schemat reakcji redukcji tlenków w wielkim piecu.

15. Dlaczego w wielkim piecu nie otrzymuje się czystego żelaza?

Ponieważ ciekłe żelazo na skutek kontaktu z koksem i gazami podlega nawęglaniu i nasiarczaniu. Z tego powodu na dnie gara zbiera się stop żelaza zwany surówką, którego cechą charakterystyczna jest zawartość węgla w granicach 2,5-5%.

16. Jaki proces stanowi istotę otrzymywania stali?

Istotę otrzymywania stali stanowi proces stalowniczy, czyli zmniejszenie zawartości węgla w metalu. Dokonuje się tego przez utlenienie węgla za pomocą tlenu wprowadzonego do ciekłego metalu w postaci FeO. Każdy proces stalowniczy składa się z 3 podstawowych etapów:

• I etap - ładowanie i topnienie wsadu metalowego,

• II etap - świeżenie metalu,

• III etap - odtlenienie stali.

17. Jakie warunki muszą być spełnione, aby zmniejszyć zawartość fosforu i siarki w stali?

Zawartość fosforu w metalu ulega zmniejszaniu w wyniku świeżenia, zgodnie z reakcją:

Niezbędne w reakcji tej jest wapno (CaO), które wprowadza się do żużla, nadając mu tym samym charakter chemiczny zasadowy. Żużel taki może współpracować tylko z zasadową wymurówką pieca. Wymurówka taka może być wykonana z materiałów dolomitowych, a więc zawierających CaO lub magnetyzowych (zawierających MgO).

Odsiarczanie metalu zachodzi podczas odtleniania stali według równań:

Oczywiście, ze względu na obecność CaO, odsiarczanie może zachodzić w procesach zasadowych.

18. Podać cechy charakterystyczne procesu konwertorowego otrzymywania stali.

• czas trwania procesu jest bardzo krótki i wynosi 60 do 70 min,

• sprawność cieplna konwertora jest wysoka i dochodzi do 70%, co pozwala na zastosowanie około 30% stałego wsadu, np. złomu,

• proces odfosforzania stali jest efektywny w związku ze znaczną koncentracją CaO w żużlu,

• proces odsiarczania częściowo zachodzi bezpośrednio przez utlenienie siarki, a częściowo przez reakcję z CaO.

19. Za pomocą jakich zabiegów można podwyższyć właściwości żeliwa?

Właściwości żeliwa można podwyższyć w procesie modyfikacji i sferoidyzacji.

20. Na czym polega zabieg modyfikacji, a na czym sferoidyzacji żeliwa?

W żeliwie szarym maszynowym węgiel występuje jako grafit w postaci płatków, stanowiących okluzje w osnowie metalowej. Gatunki żeliwa szarego maszynowego o wyższej wytrzymałości muszą mieć rozdrobnione płatki grafitu. Dokonuje się tego przez zabieg modyfikacji, polegający na wprowadzeniu do żeliwa żelazokrzemu na chwilę przed wypełnieniem formy.

W żeliwie sferoidalnym wydzielenia grafitu mają kształt kulisty. Sferoidyzację grafitu uzyskuje się przez dodanie do żeliwa magnezu, jego stopów lub metali ziem rzadkich przed wypełnieniem formy.

DO 13

Wspomniane dwa procesy, realizowane są w następujący sposób: przez dysze wdmuchiwane jest do wielkiego pieca gorące powietrze. Jego podgrzewanie odbywa się w nagrzewnicach, których wnętrze, zbudowane w formie kratownicy z cegły ogniotrwałej, zostało uprzednio nagrzane przez gazy wielkopiecowe. Nagrzewnice są, zatem instalowane parami i pra­cują przemiennie. Tlen zawarty w powietrzu, napotykając na koks, reaguje z nim wg wzoru:

Reakcja ta dostarcza ciepło niezbędne do stopienia wsadu i reakcji redukcji tlenków żelaza. Dwutlenek węgla napotykając dalsze warstwy koksu reaguje z nim powodując wytwarzanie tlenku węgla:

Jest on podstawowym reduktorem w procesie wielkopiecowym. Bezpośrednia redukcja węglem oraz wodorem powstałym z węglowodorów lub pary wodnej ma drugo­rzędne znaczenie.

Koncentrat rudy, przesuwając się w szybie od gardzieli w kierunku spadków, nagrzewa się, traci wodę, a potem kolejno ulega redukcji.

Proces redukcji praktycznie zachodzi w stanie stałym i kończy się na wysokości przestronu. W strefie spadków następuje topienie powstałego żelaza oraz skały płon­nej i popiołów powstałych z koksu. Tworzą się dwie nie mieszające się ciecze: metal i żużel. Zbierają się one w garze, przy czym żużel wypływa na powierzchnie metalu i może być od niego oddzielony przez spuszczenie otworem żużlowym, znajdującym się w górnej części gara.

4

---