Metalurgia -to nauka zajmująca się otrzymywaniem metali z rud, Ruda -utwory skalne zawierające związki chemiczne metalu (metali), podstawowy surowiec stosowany w procesach metalurgicznych, FORMY WYSTĘPOWANIA METALI W RUDACH- w stanie wolnym (Au, Ag, Pt, Hg );tlenki(Fe2O3 ); siarczki (Cu2S); węglany (FeCO3, MgCO3 ); uwodnione tlenki( Al2O3 n H2O ), Metody wzbogacania rud metali *Metody fizyczne -metody grawitacyjne,- metody elektryczne: metody elektromagnetyczne, metody elektrostatyczne - metody flotacyjne *Metody chemiczne, WZBOGACANIE GRAWITACYJNE- Wykorzystuje różnice w gęstości pozornej ziarenek rudy i prędkości ich opadania w powietrzu i w cieczy, *płukanie *strumieniowe *w cieczach ciężkich WZBOGACANIE ELEKTRYCZNE *wzbogacanie elektromagnetyczne- separacja elektromagnetyczna *wzbogacanie elektrostatyczne - Separacja elektryczna ;PRZEMIANA ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL (Me) -Prażenie w atmosferze redukującej MexO4 + R Ⴎ MexO(4-a) + ROa -Prażenie w atmosferze obojętnej -Mex(CO3)z Ⴎ MexOz + z CO2 Mex(OH)z Ⴎ MexO 0.5z + 0.5z H2O -Prażenie w atmosferze utleniającej MexSw + (0.5z +w) O2 Ⴎ MexOz + z SO2, SCALANIE KONCENTRATU SPIEKANIE KONCETRATU -BRYKIETOWANIE KONCETRATU -GRUDKOWANIE KONCENTRATU PROCESY WSTĘPNE -WYDZIELANIE METALU ZE ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL -ODDZIELENIE SKAŁY PŁONNEJ OD METALU, PODZIAŁ PROCESÓW WSTĘPNYCH: *PROCESY PIROMETALURGICZNE- UTLENIANIE, PROCESY DYSOCJACJI TERMICZNEJ, PROCESY REDUKCYJNE *PROCESY PIROMETALURGICZNE- UTLENIANIE, PROCESY DYSOCJACJI TERMICZNEJ, PROCESY REDUKCYJNE * PROCESY ELEKROLITYCZNE *PROCESY HYDROMETALURGUCZNE, PROCESY REDUKCYJNE - STOSOWANE DO PRZERÓBKI RUD TLENKOWYCH - REDUKTORY: C, CO , H2, niektóre metale (Me), PROCESY REDUKCYJNE SCHEMAT PROCESU MeO + R Ⴎ Me + RO, MeA + RMe Ⴎ Me + RMeA (A - dowolny pierwiastek występujący w związku z Me R - reduktor), PROCESY DYSOCJACJI TERMICZNEJ SCHEMAT PROCESU 2MeO Ⴎ Me + O2, UTLENIANIE Oddziaływanie na związek MeX tlenem MeX + O2 Ⴎ Me + XO2, PROCESY HYDROMETALURGICZNE (1) SKŁADAJĄ SIĘ Z NASTĘPUJĄCYCH ETAPÓW *ROZPUSZCZANIE - POZWALA NA PRZEPROWADZENIE METALU WYSTĘPUJĄCEGO W RUDZIE DO ROZTWORU *OCZYSZCZENIE ROZTWORU Z ZANIECZYSZCZEŃ *WYDZIELENIE PIERWIASTKA Z ROZTWORU PROCESY HYDROMETALURGICZNE (2) ROZPUSZCZANIE *ZASADA - METAL ZAWARTY W RUDZIE PRZEPROWADZAMY DO ROZTWORU *SPSÓB REALIZACJI - ODDZIAŁYWANIE NA RUDĘ ROZTWORAMI KWASÓW, ZASAD LUB SOLI, PROCESY HYDROMETALURGICZNE (3) OCZYSZCZENIE ROZTWORU Z ZANIECZYSZCZEŃ -EKSTRAKCJA Z WYTRĄCANIEM PRZEZ SPECJALNIE WPROWADZONE DODATKI -ZASTOSOWANIE ROZPUSZCZALNIKÓW ORGANICZNYCH - KRYSTALIZACJA PROCESY HYDROMETALURGICZNE (4) WYDZIELENIE PIERWIASTKA Z ROZTWORU: STOSOWANE PROCESY -WYDZIELENIE Z ROZTWORU NA DRODZE ELEKTROLIZY -CEMENTACJA -REDUKCJA CIŚNIENIOWA WODOREM, Cel procesów rafinacyjnych- usunięcie zanieczyszczeń z metalu uzyskanego w procesach wstępnych lub w wyniku przetapiania złomu ( recyklingu) ZANIECZYSZCZENIA W METALACH -Metal po procesie wstępnym zawiera pewną ilość domieszek ( zwykle zawartość ich waha się od ułamka procentu do 10% ) -Rafinacja metali ma na celu usunięcie domieszek lub ograniczenie ich zawartości do dopuszczalnej koncentracji, ZANIECZYSZCZENIA *METALICZNE (zw i nz) ZWIĄZANE (rozp i nrozp) NIEZWIĄZANE (rozp i nrozp) * NIEMETALICZNE (zw i nz) ZWIĄZANE (rozp i nrozp) NIEZWIĄZANE (rozp i nrozp), KLASYFIKACJA METOD RAFINACJI METALI PODZIAŁ ZE WZGLĘDU NA MECHANIZM PROCESU: -FIZYCZNE METODY RAFINACJI -CHEMICZNE METODY RAFINACJI, METODY FIZYCZNEJ RAFINACJI METALI: EKSTRAKCJA -ŻUŻLOWA, GAZOWA, PRÓŻNIOWA, ZMIANA STANU SKUPIENIA -POSTĘPUJĄCA KRYSTALIZACJA, TOPIENIE STREFOWE, DESTYLACJA REKTYFIKACJA ELEKTROLIZA, MECHANICZNA -FILTROWANIE -WIBRACJA -ULTRDŹWIĘKI, EKSTRAKCJA ŻUŻLOWA - wykorzystuje prawo Ernsta, które określa warunki równowagi na granicy dwóch faz, Prawo Nernsta: N(A) / N[A] = LN -dla p i T = const (N(A) - koncentracja składnika A w cieczy I N[A] - koncentracja składnika A w cieczy II LN - stała podziału A - usuwane zanieczyszczenie) EKSTRAKCJA GAZOWA - wykorzystuje prawo Raoulta które określa równowagę na granicy faz: ciekły metal - gaz ,pA = NA * pAo (pA - ciśnienie cząstkowe składnika A w roztworze, pAo - prężność par czystego składnika A, NA - stężenie składnika A (zanieczyszczenia) w roztworze, Warunek przebiegu rafinacji fizycznej gazowej pA` < pa, Proces intensyfikuje: mieszanie metalu, duża powierzchnia <F> rozdziału ciecz - gaz, Powierzchnię rozdziału faz <F> może stanowić: -Swobodna powierzchnia metalu, -Powierzchnia pęcherzy gazu wprowadzonych do metalu, -Powierzchnia pęcherzy gazów samoczynnie tworzących się w metalu wskutek wydzielania się zanieczyszczenia ( wstąpienie zjawiska przesycenia), 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 Wykorzystuje zjawiska: -zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń w metalu wraz ze zmianą temperatury, -zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń podczas przejścia metalu ze stanu ciekłego w stan stały, Istota procesu: Swobodne przechodzenie zanieczyszczeń z tworzącej się fazy stałej do cieczy wymaga istnienia wyraźnego frontu krystalizacji, Destylacja- Rektyfikacja -Wykorzystuje do oddzielenia zanieczyszczeń z metalu różnicę w prężności par składników stopu, PROCES DESTYACJI - gdy rozdzielenie składników następuje podczas przeprowadzania ich w stan gazowy PROCES REKTYFIKACJI - gdy rozdzielenie składników następuje podczas ich przechodzenia ze stanu gazowego w stan stały, MECHANICZNE METODY RAFINACJI -Filtrowanie - znalazło szerokie zastosowanie przemysłowe, -Zastosowanie - usuwanie stałych wtrąceń z ciekłego metalu, CHEMICZNA RAFINACJA METALI ŻUŻLOWA, GAZOWA, PRÓŻNIOWA, RAFINACJA CHEMICZNA ŻUŻLOWA -do żużla lub do metalu wprowadzamy pierwiastek (R) charakteryzujący się dużym powinowactwem chemicznym do zanieczyszczenia, RAFINACJA CHEMICZNA GAZOWA -DO CIEKŁEGO METALU WDMUCHUJEMY GAZ (G) CHARAKTERYZUJĄCY SIĘ DUŻĄ AKTYWNOŚCIĄ W SOSUNKU DO ZANIECZYSZCZENIA, RAFINACJA CHEMICZNA PRÓZNIOWA -WYKORZYSTUJE MOŻLIWOŚĆ URUCHOMIENIA REAKCJI POPRZEZ OBNIŻENIE CIŚNIENIA NAD POWIERCHNIĄ CIEKŁEGO METALU, PODSTAWOWE STOPY ŻELAZA -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 PIERWIASKI W ILOŚCI NAWET DO 30% ), Podstawowe domieszki stopów żelaza : Krzem ( Si ) , Mangan ( Mn ) , Fosfor ( P ) , Siarka ( S ), Podstawowe rudy żelaza -Rudy magnetytowe - zawierają głównie Fe3O4 oraz Fe2O3 ( bogactwo rudy od 45 do 70% Fe) -Rudy hematytowe - zawierają Fe2O3 ( bogactwo rudy od 40 do 65%Fe ) -Rudy limonitowe - zawierają głównie uwodniony tlenek żelaza- mFe2O3• nH2O (bogactwo rudy od 25 do 50% Fe ), -Syderyty - zawierają głównie węglan żelazowy - FeCO3 ( bogactwo rudy od 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, PODSTAWOWE PROCESY *REDUKCJA TELNKÓW ŻELAZA ZAWARTYCH W KONCENTRACIE -FUNKCJĘ PODSTAWOWEGO REDUKTORA PEŁNI TLENEK WĘGLA ( CO), *ODDZIELENIE OTRZYMANEGO ŻELAZA OD SKAŁY PŁONNEJ POPRZEZ ICH STOPIENIE -SKŁADNIKI SKAŁY PŁONNEJ ZOSTAJĄ ZMAGAZYNOWANE W ŻUŻLU, ELEMENTY SKŁADOWE INSTALACJI WIELKIEGO PIECA- WIELKI PIEC -NAGRZEWNICE POWIETRZA -URZĄDZENIA ZAŁADOWCZE -INSTALACJA ODPROWADZAJĄCA GAZY WIELKOPIECOWE -URZĄDZENIA DO ODBIORU ŻUŻLA -URZĄDZENIA DO ODBIORY SURÓWKI, PROCES SPALANIA KOKSU, SPALANIE ZUPEŁNE C + O2 Ⴎ CO2; SPALANIE NIEZUPEŁNE, C + 0.5 O2 Ⴎ CO; REAKCJA BOUDOUARDA, (400 - 950oC); CO2 + C Ⴎ 2CO, REAKCJE REDUKCJI POŚREDNIEJ -REDUKCJA TLENKÓW ŻELAZA W WIELKIM PIECU PRZEBIEGA STOPNIOWO OD TLENKÓW WYŻSZYCH ( O WYŻSZEJ ZAWARTOŚCI TLENU ) AŻ DO ŻELAZA METALICZNEGO -DLA T> 573oC Fe2O3 Ⴎ Fe3O4 Ⴎ FeO Ⴎ Fe, 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 FeS +CaO + C Ⴎ Fe + CaS + CO +Q MnS +CaO + CႮ Mn + CaS+CO+ Q, *Warunki przebiegu - żużel zasadowy ( CaO/SiO2>1.2 ) -atmosfera redukująca -wysoka temperatura (reakcja endotermiczna) Klasyfikacja surówek *SURÓWKI ODLEWNICZE -HEMATYTOWA (H) -NORMALNA (N) -FOSFOROWA (F) -NA WALCE ( W) *SURÓWKI PRZERÓBCZE -PRZERÓBCZA ( P1) -PRZERÓBCZA ( P2 ), METODY REDUKCJI BEZPOŚREDNIEJ -POZWLAJĄ NA OTRZYMANIE CZYSTEGO ŻELAZA W STANIE STAŁYM ( GĄBKA ŻELAZNA ), -REDUKTORAMI TLENKÓW ŻELAZA W TYCH PROCESACH SĄ :H2, CH4, CO, GŁÓWNY CEL PROCESU STALOWNICZEGO -OBNIŻENIE ZAWARTOŚCI WĘGLA W CIEKŁEJ SURÓWCE SCHEMAT PROCESU WYTAPIANIA STALI TYP PROCESU -PROCES SURÓWKOWY -PROCES SURÓWKOWO- ZŁOMOWY PROCES ZŁOMOWY, TYPOWE ETAPY PROCESU STALOWNICZEGO- 1. ŁADOWANIE PIECA - TOPIENIE WSADU: ŁADUJEMY DO PIECA WSAD ZŁOŻONY Z CIEKŁEJ LUB STAŁEJ SURÓWKI I ZŁOMU STALOWEGO ORAZ TOPNIKI; PZEGRZEWAMY METAL DO ZAŁOŻONEJ TEMPERATURY; ŚCIĄGAMY Z POWIERZCHNI CIEKŁEGO METALU ŻUŻEL OKRESU ROZTAPIANIA 2.UTLENIANIE METALU ( ŚWIEŻENIE): OBSERWOWANE REAKCJE CHEMICZNE- UTLENIANIE ŻELAZA, UTLENIANIE MANGANU, UTLENIANIE KRZEMU, UTLENIANIE WĘGLA; *KORZYSTNE EFEKTY PROCESU GOTOWANIA -WYRÓWNANIE TEMPERATURY W OBJĘTOŚCI CIEKŁEGO METALU, UŁATWIONY TRANSPORT WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYC DO ŻUŻLA, SILNE ODGAZOWANIE CIEKŁEGO METALU, UJEDNORODNIENIE SKŁADU CHEMICZNEGO CIEKŁEGO METALU *PROCES ODFOSFOROWANIA WARUNKI REALIZACJI PROCESU ODFOSFOROWANIA- ŻUŻEL ZASADOWY, ATMOSFERA UTLENIAJĄCA (DUŻO FeO W METALU ) NISKA TEMPERATURA 3. RAFINACJA METALU ( ODTLENIANIE ) CEL ETAPU: ODTLENIENIE STALI, ODSIARCZENIE, KOREKTA SKŁADU CHEMICZNEGO; SPOSOBY ODTLENIANIA STALI: ODTLENIANIE OSADOWE (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), ODTLENIANIE DYFUZYJNE 4. SPUST Po uzyskaniu założonej temperatury i składu chemicznego :- Przeprowadzamy spust metalu do kadzi -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( PROCES LD ) PIEC ELEKTRYCZNY ŁUKOWY PIECE ELEKTRYCZNE: PIECE ELEKTRYCZNE ŁUKOWE BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA, PIECE ŁUKOWE ELEKTRYCZNE POŚREDNIEGO DZIAŁANIA, PIECE INDUKCYJNE BEZRDZENIOWE Piece łukowe elektryczne: Podstawowy agregat do wytopu stali nisko- i wysokostopowych, Pojemność do 250t, Najczęściej posiadają wyłożenie ogniotrwałe o charakterze chemicznym - zasadowym ( umożliwiają realizację procesu odfosforowania i odsiarczania ), ŻELIWO- 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 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA STRUKTURĘ ŻELIWA -SKŁAD CHEMICZNY -SZYBKOŚĆ STUDZENIA ODLEWU KLASYFIKACJA ( wg formy występowania węgla)-ŻELIWO SZARE - WĘGIEL W POSTACI GRAFITU -ŻELIWO BIAŁE -WĘGIEL W POSTACI CEMENTYTU ( Fe3C ) -ŻELIWO POŁOWICZNE ( PSTRE ) -WĘGIEL JEDNOCZEŚNIE W POSTACI GRAFITU I CEMENTYTU Klasyfikacja wg PN -żeliwo szare maszynowe, -żeliwo sferoidalne, -żeliwo ciągliwe, -żeliwo stopoweŻeliwo 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 Zawartość eutektyczna węgla Zależy od zawartości : -Węgla, Krzemu, Manganu, Fosforu, Siarki Stopień nasycenia eutektycznego Wyrażony zależnością : Sc = 4.25 / Ceut Gdy: Sc = 1 - żeliwo eutektyczne Sc < 1 - żeliwo podeutektyczne Sc > 1 - żeliwo nadeutektyczne ŻELIWO MODYFIKOWANE Aby uzyskać Rm Ⴓ 250 MPa należy przeprowadzić zabieg modyfikacji, Żeliwo modyfikowane - otrzymujemy poprzez zabieg polegający na dodaniu do ciekłego żeliwa specjalnych dodatków zwanych modyfikatorami, Efekt zabiegu modyfikacji -rozdrobnienie struktury -rozdrobnienie i zwiększenie ilości wydzieleń grafitu MODYFIKATORY Modyfikatory proste: Ca, Al , C grafit , Ba, Sr -Modyfikatory złożone: Fe-Si (75%), Ca-Si, Fe-Si-Mn-Zr SPOSÓB MODYFIKACJI Sposoby realizacji zabiegu 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” WYTAPIANIE ŻELIWA -Wytapianie w żeliwiakach, -Wytapianie w piecach elektrycznych indukcyjnych, -Wytapianie w piecach elektrycznych łukowych Materiały wsadowe metalowe -Surówka odlewnicza, -Złom handlowy żeliwny, -Złom handlowy stalowy,- Złom własny ( obiegowy ) żeliwny, -Złom własny ( obiegowy ) staliwny lub stalowy, Paliwo w procesie żeliwiakowym Koks odlewniczy zwykły lub formowany o odpowiedniej granulacji, zawartości popiołu i siarki, Zawartość siarki w koksie - 0.7 - 1,0 % S, Zużycie koksu ( rozchód koksu ) - 12-14kg na 100 kg wsadu metalowego 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.) Żeliwo sferoidalne jest to gatunek żeliwa w którym grafit występuje w postaci kulkowej Metody wytwarzania -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 chemiczny 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” -SFEROIDYZACJA METODĄ DRUTOWĄ 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