Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, магния, титана
Федеральное агентство по образованию
Самарский государственный экономический университет
Кафедра промышленной технологии и товароведения
РЕФЕРАТ
по техническим основам производства
на тему: "Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, магния, титана"
Выполнили: студентки
2 курса ПЭФ ЭОТ
Толстова Татьяна
Липей Елена
Науч. рук.: Тарасов А.В.
Оценка: ______________
Самара - 2009
Содержание
Введение
Глава 1. Производство меди
Глава 2. Производство алюминия
Глава 3. Производство магния
Глава 4. Производство титана
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Из цветных металлов важное промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, свинец, цинк, олово, титан. Но стоимость цветных металлов по сравнению с черными высока, поэтому во всех случаях, когда это допустимо, их стараются заменить черными металлами или неметаллическими материалами.
Технология металлов - наука о свойствах, способах получения и обработки металлов.
Технология металлов и других конструкционных материалов является комплексной дисциплиной, содержащей основные сведения о способах получения машиностроительных материалов и средствах их физико-химической переработки с целью придания им свойств и конфигураций, необходимых в машиностроительном производстве. Технология металлов и материалов освещает технологические методы формообразования заготовок литьем, обработкой давлением, сваркой, а так же методы обработки материалов резанием.
Карл Маркс в первом томе "Капитала" указывает, что "экономические эпохи различаются не тем, что производится, а тем, как производится, какими средствами труда". Маркс отмечает, что доисторические времена подвергаются разделению "по материалу орудий и оружия: каменный век, бронзовый век, железный век". Свыше 6 млрд. тонн металла, заключенного в машинах, сооружениях, средствах транспорта и т.п., являются той базой, на которой основана современная материальная культура.
Развитие металлурги своими истоками уходит в глубокую древность. Добыча железной руды и получение из неё металла производились на территории древней Руси задолго до нашей эры.
Металлургия цветных металлов в дореволюционной России носила весьма ограниченный характер. Потребность страны в цветных металлах удовлетворялась преимущественно путём импорта. За годы индустриализации у нас в стране не только увеличено производство меди, свинца, цинка, но и созданы совершенно новые отрасли промышленности. Выпускающие металлы, ранее не производившиеся в России, такие как алюминий, магий, никель, титан, вольфрам, молибден, германий.
В области разработки и совершенствования технологии металлургического производства велика роль отечественных учёных, научно-исследовательских институтов и новаторов производства. Крупным вкладом в дело развития металлургии чугуна являются труды акад. М.А. Павлова, на основе которых проектируются и эксплуатируются современные доменные печи. Важные работы в области металлургии, особенно по внедрению кислорода в производство, выполнены под руководством акад. И.П. Бардина. У нас в стране зародилась наука о строении металлов - металлография (металловедение), основоположником которой был Д.К. Чернов. Это дало возможность поставить на научную основу процессы горячей обработки металлов.
Технологические процессы производства и обработки металлов непрерывно совершенствуются. Внедрение новой отечественной и зарубежной технологи даёт возможность повышать производительность действующих и проектируемых установок, готовить изделия с минимальным расходом металла. Особое внимание при этом уделяется механизации и автоматизации процессов.
Глава 1. Производство меди
Медь как золото и серебро встречается в самородном виде и поэтому в древности человек, который ещё не знал металлургии (восстановление металла из руд) уже мог находить и применять медь. В настоящее время медь производят металлургическим способом, отделением ее от кислорода и серы. Не смотря на то, что содержание меди в земной коре невелико (0,01%), она не рассеянный метал и концентрируется в медных рудах, где содержание её порядка 5%. По свойствам медь близка к серебру и золоту. Последние на воздухе не окисляются и поэтому называются благородными металлами; медь окисляется слабо, поэтому её называют полублагородным металлом. Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Высокая пластичность, высокая электро- и теплопроводность, малая окисляемость - всё это обусловило широкое применение меди. Кроме того медь является основой важнейших сплавов - латуней и бронз. Высокая электропроводность меди обусловливает её преимущественное применение в электротехнике как проводникового металла. После серебра медь стоит на втором месте по электропроводности. Все примеси уменьшают электропроводность меди, наклеп так же уменьшает её электропроводность. Поэтому, если провода не должны быть особо прочными, то применяют отожженную медь. Для подвесных же проводов, где требуется прочность, применяют нагартованную медь или медь с небольшими добавками активных упрочнителей.
Сплавы меди с цинком (латуни).
Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45%, которые называются латунями. При комнатной температуре практически применяемые латуни либо состоят из одних альфа кристаллов, либо являются смесью альфа и бета кристаллов.
Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30% содержанием цинка. Литейные свойства латуней определяются взаимным расположением линий ликвидус и солидус. Латунь легко поддается пластической деформации, поэтому из латуней изготавливают катаный полуфабрикат (листы, ленты, профили). Латуни маркируют буквой Л., за которой следует цифра, показывающая среднее содержание меди в сплаве. Так как цинк дешевле меди, то чем больше в латуни цинка, тем она дешевле.
Кроме простых латуней - сплавов только меди и цинка, применяют специальные латуни, в которых для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения обрабатываемости, олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде, алюминий и никель для повышения механических свойств.
Диаграмма состояния Cu - Zn
Микроструктура латуни, х 200 А) альфа латунь
Б) альфа + бета латунь
Сплавы меди с оловом (оловянистые бронзы).
Высокие литейные свойства бронз определяются исключительно малой усадкой, которую имеют бронзы. Наиболее сложные по конфигурации отливки обычно изготавливают из бронзы. Жидкотекучесть бронзы невелика из-за большой разницы в температурах между линиями ликвидус и солидус. По этой же причине бронза не дает концентрированной усадочной раковины и для отливки из бронз высокой плотности она не годится.
Влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цинка, но проявляется более резко. Уже при 5% олова пластичность начинает падать. Благодаря высокой технической стойкости бронз из них изготавливают арматуру (паровую, водяную и пр). Таким образом, основное применение бронз - сложные отливки, вкладыши подшипников и др. Для удешевления в большинство промышленных бронз добавляют 5 - 10% цинка. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на структуру. Фосфор вводят в бронзу как раскислитель и он устраняет хрупкие включения окиси олова. При наличии около 1% фосфора, такую бронзу называют фосфористой.
Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, а потом цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах.
Диаграмма состояния Cu - Sn
Структура литой бронзы с 6% Sn, х 200 А) после отжига
Б) до отжига
Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами.
Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами же называются бронзами; в отличие от оловянистых их называют соответственно алюминиевыми, кремнистыми и т.д. Малой величиной усадки оловянистая бронза превосходит эти бронзы, но они в свою очередь превосходят оловянистую в других отношениях: по механическим свойствам, по химической стойкости, по жидкотекучести. Олово - дефицитный элемент, поэтому эти бронзы, кроме, разумеется, бериллиевой, дешевле оловянистой. Бериллиевая бронза отличается от остальных высокими твердостью и упругостью.
Свинцовистая бронза, содержащая 30% свинца, является высококачественным антифрикционным материалом, широко применяемым в машиностроении. Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца. Высокие антифрикционные свойства сплава обеспечиваются равномерным вкраплением свинца в медь.
Получение меди.
Медь получают главным образом пирометаллургическим способом, сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от примесей (рафинирование).
Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1 - 6% Cu, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений, оксидов или гидрокарбонатов. Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу. Полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. Восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа.
Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. После этого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы. Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению других газов. Ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды.
После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди.
Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.
Упрощенная схема получения меди из сульфидных руд пирометаллургическим способом
Реализация этой схемы на различных переделах, особенно на начальных этапах до получения медного штейна, может проводиться в различных печах и в различных технологических вариантах. В рассматриваемой схеме первый передел медной руды - это обогащение. Однако бывают случаи, когда руды, обогащенные серой (свыше 35%), плавят без обогащения для извлечения из них не только меди, но и серы. Однако основная масса добываемой из недр земли сульфидной медной руды подвергается флотационному обогащению.
Глава 2. Производство алюминия
Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.
В современной алюминиевой промышленности применяется несколько способов получения окиси алюминия; их можно разбить на три группы.
Суть электротермических способов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия. В шлаке остаются также некоторые частично невосстановленные примеси. Полученный таким образом глинозем может использоваться для изготовления шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.
Кислотные способы сводятся к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо кислотой, например соляной или серной. Кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий). Основные примеси (кремнезем, окись кальция и др.) с кислотами не реагируют. Однако ряд примесей (например окислы железа) взаимодействуют со многими кислотами, что создает большие дополнительные трудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует много патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кислотой только в кислотоупорной аппаратуре, это дополнительно удорожает и осложняет производство глинозема.
Щелочные способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи.
В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, например с едким натром, при определенных условиях образуются так называемые алюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде. Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий переходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со щелочами. Важнейшая из них - кремнезем. Освободить раствор от него не просто.
Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции можно проводить в стальной и чугунной аппаратуре.
Разберем более подробно один из наиболее употребительных щелочных способов получения окиси алюминия - способ спекания. Примерная схема этого способа представлена на рисунке:
Схема получения глинозёма способом спекания
Боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды в следующей пропорции: на один моль А1>2>0>3> и Fe>2>0>3> добавляют один моль соды и на один моль кремнезема в шихту вводятся два моля CaCO>s>
Полученную мокрую шихту тонко размалывают в шаровых мельницах и она выходит из них в виде жидкой пульпы. Пульпу после проверки и некоторой корректировки ее состава направляют в медленно вращающиеся трубчатые печи длиной 80-120 м и диаметром 2,5-3,5 м. Пульпу подают в "холодный" конец печи, где она встречается с отходящими печными газами, имеющими температуру порядка 300-400 °С. В результате влага испаряется; высохшая шихта, постепенно нагреваясь, перемещается в горячую зону, в которой температура достигает 1200-1250 "С.
По мере нагревания в шихте протекают сложные химические процессы. В печи спекания протекают многие другие процессы, которые приводят к образованию алюминатов и ферритов кальция, некоторых других комплексных соединений.
Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого опека (напоминающего пористую гальку серого цвета), состоящего главным образом из алюмината натрия, феррита натрия и силиката кальция.
Полученный спек охлаждают, дробят и подвергают выщелачиванию, сущность которого заключается в воздействии на спек слабых растворов соды. В результате выщелачивания из спека в раствор переходит алюминат натрия, а также происходит гидролиз ферритов натрия. Образовавшаяся гидроокись железа выпадает в осадок, а раствор обогащается едким натром. Полученный раствор отделяют от нерастворившихся примесей отстаиванием и фильтрацией.
Наряду с этими желательными реакциями происходят и реакции, осложняющие производство чистой окиси алюминия. Так, например, в раствор переходит некоторое количество силикатов натрия, что заставляет проводить специальную операцию, называемую обескремниванием раствора. Сущность этой операции заключается в длительном нагревании с перемешиванием алюминатного раствора и известкового молока в прочных закрытых цилиндрических сосудах со сферическими днищами - автоклавах - при температуре 150-180°С. В результате протекает ряд химических процессов.
После фильтрации раствора от взвешенных в нем частиц чистый алюминатный раствор подвергают карбонизации. Назначением этой операции является выделение из раствора чистой гидроокиси алюминия, не загрязненной другими веществами. Эту операцию проводят в цилиндрических баках с мешалками - карбонизаторах, в которые подают углекислый газ (обычно очищенные печные газы). Под действием С0>2> алюминатный раствор разлагается, из него выпадает белый осадок - гидрат окиси алюминия, который отделяется от раствора соды. Оставшийся раствор соды после добавления в него некоторого количества свежей соды возвращают на подготовку шихты для очередного спекания, а гидрат окиси алюминия прокаливают в трубчатых печах (аналогичных печам спекания) при температуре 1200 °С, в результате чего получается безводный, негигроскопичный глинозем, вполне пригодный для последующего электролиза.
Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы.
Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей, т.е. пропуская постоянный электрический ток через расплавленный криолит, в котором растворен глинозем. Сущность этого процесса можно понять, рассмотрев рисунок:
Электролизер состоит из основного корпуса 1, футерованного внутри угольными блоками; в его подовую часть с помощью шин 2 и 3 подведен отрицательный полюс источника тока. Над корпусом подвешен угольный анод 8, к которому с помощью шин 9 и 10 присоединен положительный полюс источника напряжения. Если в электролизер залить расплав, состоящий из криолита и глинозема, опустить в этот расплав анод и пропускать через расплав постоянный ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на дне электролизера можно обнаружить расплавленный алюминий 4 под слоем расплавленного электролита 6, состоящего из криолита Na>3>AlF>6>, в котором при температуре, близкой к 1000 С, обычно растворено от 1 до 10% глинозема. Электролит поддерживается в расплавленном состоянии только за счет теплоты, выделяющейся при прохождении через него электрического тока, поэтому часть электролита всегда застывает на холодных стенках и образует твердую застывшую корку 5, на которую сверху насыпают порошкообразную окись алюминия 7.
В
Схематический чертёж алюминиевой ванны с верхним подводом тока к самообжигающемуся аноду
настоящее время наиболее широко применяют электролизеры, рассчитанные на силу тока, превышающую 100 кА, с заранее обожженными анодами или с верхним подводом тока к самообжигающимся анодам (см. рисунок ниже). Получение алюминия в таком электролизере осуществляется непрерывно в течение двух-трех лет; при этом выполняются следующие основные операции: наблюдение за составом электролита, обеспечение своевременной загрузки глинозема и извлечения алюминия, наблюдение за напряжением и обслуживание самообжигающейся анодной системы.
Процесс электролиза сводится к разряду ионов А13+ и 02+, из которых состоит глинозем, который непрерывно расходуется. Криолит не подвергается непосредственному электролизу и расходуется мало, однако из-за его физических потерь (испарения, выплескивания и т.д.), а также взаимодействия его отдельных составляющих с примесями глинозема и футеровкой электролизера приходится систематически следить за его уровнем в ванне (толщина слоя 18-25 см) и химическим составом.
Некоторые заводы вводят в электролит небольшие добавки CaF>2> и MgF>2> для снижения температуры плавления электролита на несколько десятков градусов.
Когда в электролите остается мало глинозема (менее 1%), возникает анодный эффект. Внешне он проявляется в быстром скачке напряжения на электролизере от обычных 4,0-4,7 В до 30-50 В; в области анода появляются электрические дуги, электролит начинает перегреваться и бурлить. Для ликвидации анодного эффекта пробивают корку электролита и, перемешивая, растворяют в нем глинозем (очередная порция которого всегда заранее насыпается на корку электролита).
После растворения глинозема в электролите анодный эффект обычно прекращается и напряжение делается нормальным. Анодный эффект в процессе получения алюминия играет как положительную, так и отрицательную роль. С одной стороны, он сигнализирует о недостатке в электролите глинозема и дает возможность получить представление о ходе электролиза, с другой стороны - он приводит к перерасходу электроэнергии и нарушению теплового равновесия ванны. На заводах стремятся предотвратить частое появление анодных эффектов, вводя глинозем до их появления. В свою очередь, избыток глинозема, введенного в электролит, не растворяется, оседает на дно под слой алюминия, затрудняет нормальный ход электролиза. Поэтому считают нормальным возникновение в электролизере одного-двух анодных эффектов в сутки.
Изучением природы анодного эффекта занималось много исследователей. На основе исследований, проведенных в Московском институте цветных металлов и золота под руководством проф.А.И. Беляева, можно сделать вывод, что причиной, вызывающей анодный эффект, является различная смачиваемость угольного анода расплавленным электролитом при различном содержании в нем окислов. Когда в электролите имеется значительное количество окиси алюминия, электролит хорошо смачивает угольную поверхность анода и поэтому образующиеся анодные газы легко удаляются с его поверхности, не препятствуя прохождению электрического тока. При уменьшении количества глинозема смачиваемость электролитом медленно изменяется и при содержании глинозема менее 1% количество переходит в качество - электролит перестает смачивать угольную поверхность; в результате между электролитом и угольным анодом образуется газовая пленка, препятствующая прохождению электрического тока, что и приводит к резкому повышению напряжения на ванне.
Алюминий извлекают из электролизера, пробивая корку застывшего электролита и опуская на дно футерованную огнеупором стальную трубку, через которую алюминий откачивают в вакуумный ковш. На современной алюминиевой ванне, рассчитанной на силу тока 100 кА, получают в сутки около 700 кг алюминия, поэтому извлечение металла проводят не чаще чем один раз в сутки (из менее мощных ванн один раз за двое суток).
По мере извлечения алюминия анод постепенно опускают, при этом тщательно регулируют напряжение и межполюсное расстояние электролизера. Поскольку нижняя часть анода сгорает и он постепенно опускается, его необходимо наращивать в верхней части. В кожух анода систематически загружают анодную массу, которая коксуется на горячем конусе анода за счет теплоты из ванны. Токоподводящие стальные штыри постепенно опускаются с анодом и во избежание расплавления их поочередно выдергивают из его тела и поднимают на более высокий уровень, а в образовавшуюся полость затекает анодная масса1 и коксуется в ней.
На получение 1 т первичного алюминия электролизом расходуется 15 000-17 000 кВт-ч электроэнергии и почти 2 т глинозема.
Для удаления неметаллических включений (частичек угля, глинозема, фтористых солей и т.д.) извлеченный из электролизеров алюминий часто подвергают 10-15-минутному хлорированию в ковше при температуре 750 °С. Потом алюминий направляют в большие электропечи сопротивления, из которых проводится его полунепрерывная разливка в калиброванные заготовки для производства труб, проволоки и листа (рис.17.8). Эти же печи применяются для получения многих сплавов на алюминиевой основе.
Часть первичного алюминия после отстаивания от примесей в печах САН разливается в чушки на конвейерной машине.
В конце 70-х годов на алюминиевых электролизных заводах СССР резко увеличили объем бесслитковой прокатки листа из расплавленного первичного алюминия. Эти прогрессивные методы значительно экономят труд и электроэнергию, так как отпадает необходимость изготовления слитков, их транспортировки и последующего повторного нагрева. На рис.17.9 показана схема установки для получения алюминиевого листа непосредственно из расплавленного металла.
Первичный алюминий выпускают 13 марок, которые делятся на три группы: алюминий особой чистоты марки А999, четыре марки алюминия высокой чистоты и восемь марок алюминия технической чистоты. В первичном металле допускается содержание примесей от 0,15 до 1,0%, причем название марки указывает на степень чистоты металла. Так, марка алюминия технической чистоты А8 обозначает, что в нем 99,8% алюминия, а примесей (в основном кремния и железа) только 0,2%. В алюминии высокой чистоты марки А99 - соответственно 99,99% алюминия и только 0,01% примесей.
В электролизных ваннах получают алюминий технической чистоты. Для получения алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафинирование.
Глава 3. Производство магния
Магний - серебристо-белый металл. Важнейшее его физическое свойство - малая плотность (р = 1,74 г/см при 20 °С). В электронной оболочке атома магния имеется двенадцать электронов. Два электрона 3s, находящиеся на внешней орбите, легко могут быть оторваны, что приводит к образованию иона Mg'2+, поэтому магний двухвалентен во всех известных соединениях.
Природный магний состоит из смеси трех стабильных изотопов. Причем искусственный изотоп.27Mg с полураспадом 10,2 ч может быть применен в качестве радиоактивного индикатора. Кристаллы магния обладают компактной гексагональной структурой.
При хранении магния на сухом воздухе на его поверхности образуется окисная пленка, предохраняющая металл при небольшом нагревании (до 200 °С) от дальнейшего окисления; в этих условиях коррозионная стойкость чистого магния превышает стойкость низкоуглеродистой стали. Однако во влажном воздухе его коррозия значительно усиливается. На него практически не действует керосин, бензин и минеральные масла. Однако он не стоек в водных растворах солей (кроме фтористых) и растворяется во многих минеральных и органических кислотах.
Магний в виде слитков или изделий не огнеопасен. Возгорание магния может произойти лишь при температуре, близкой к точке его плавления (651 °С) или после расплавления, если он не изолирован от кислорода воздуха. Покрытый флюсом, металл можно нагребать и плавить. Порошкообразный магний или тонкая магниевая лента легко загорается от спички и горит ослепительно белым пламенем. Магний немагнитен и не искрит при ударах пли трении.
В свободном виде он не встречается, но входит в виде карбонатов, силикатов в состав многих горных пород, а также растворен в морской и озерной воде в виде хлоридов и сульфатов.
В настоящее время для получения магния применяют магнезит, доломит, карналлит, а также морскую воду и отходы ряда производств.
Природный минерал магнезит кроме карбоната магния MgC0>3 >обычно содержит карбонат кальция, кварц, а также примеси других минералов, включающих окислы алюминия и железа. Для производства магния применяют только чистый каустический магнезит, полученный по реакции MgC0>3> = MgO + CO>2> при нагревании (обжиге) природного магнезита до 700-900 °С.
Доломит - горная порода, представляющая собой двойной карбонат кальция и магния MgC0>3>-СаС0>3>. Доломиты обычно содержат примеси кварца, кальцита, гипса и др. Содержание и окраска примесей определяют цвет породы. Доломит широко распространен в природе и составляет около 0,1% всех горных пород, входящих в состав земной коры. Доломит, так же как и магнезит, предварительно обжигают до получения смеси окислов MgO и СаО.
Карналлит - природный хлорид магния и калия - очень гигроскопичное кристаллическое вещество, обычно окрашенное примесями в розовый, желтый пли серый цвет. Карналлит подвергают гидрохимической обработке для выделения из него брома и некоторого количества хлористого натрия и калия, в результате чего получается так называемый искусственный карналлит, который применяется в магниевой промышленности.
Неисчерпаемы запасы магния в виде бишофита MgCl>2> * 6Н,0 в морской воде; в среднем там содержится 0,38% MgCl>2>. Кроме того, в морской воде имеются соединения магния MgS0>4> (0,17%) и MgBr>2> (0,01%).
Морская вода пока редко используется для получения бишофита, так как во многих странах имеются соляные озера, в воде которых содержание хлористого магния значительно выше. В некоторых озеpax перекопской группы, например, содержание хлористого магния к концу лета достигает 15%. Кроме того, сырьем для получения магния теперь служат отходы ряда производств. При этом особенно, широко используют хлористый магний, получаемый при извлечении титана из его руд.
Понятие об электролитической способе получения магния. В основном магний получают электролитическим способом, важнейшими стадиями которого являются: а) получение чистых безводных солей магния; б) электролиз расплава этих солей и в) рафинирование магния.
Варианты электролитического способа получения магния различаются по составу солей, поступающих на электролиз (карналлит, хлористый магний и т.д.), и по способу получения этих солей (хлорирование магнезита, обезвоживание бишофита или карналлита). Хлорирование магнезита можно проводить аналогично хлорированию окиси титана. Обезвоживание карналлита обычно проводят в две стадии: вначале медленным нагреванием природного карналлита в трубчатых печах, а затем плавлением соединения КCl* MgCl>2> * Н>2>0 до полного удаления гидратной влаги.
Электролиз проводят в расплавленных хлоридах магния, калия, натрия и кальция, так как при электролизе водных растворов его солей из-за отрицательного потенциала магния на катоде выделяется только водород.
Схема электролизера для получения магния изображена на рисунке:
Электролизер для получения магния.
Анодами служат графитные плиты 4, катодами - стальные пластины 2. Так как плотность расплавленного электролита больше, чем плотность магния в этих же температурных условиях, то выделяющийся на катоде жидкий магний, не растворяясь в электролите, в виде капель всплывает на поверхность. На аноде выделяется газообразный хлоp, который также поднимается и выбрасывается из электролита. Во избежание взаимодействия хлора и магния и короткого замыкания анода и катода расплавленным магнием вверху устанавливают перегородку 1, которую принято называть диафрагмой. Во время электролиза расходуется хлористый магний, периодически вводимый в электролит.
Собирающийся на поверхности катодного пространства магний периодически удаляют. Выделяющийся в анодном пространстве хлор всасывают через трубы 3 и используют, например, для хлорирования окиси магния или окиси титана.
Магний можно получить электролизом чистого расплавленного безводного хлористого магния, однако высокая температура плавления, низкая электропроводность и другие неблагоприятные свойства этой соли вынуждают прибегать к электролитам более сложного состава. Практически удобнее вести электролиз карналлита, который обычно содержит в виде примеси хлористый натрий. Такой электролит обладает более низкой температурой плавления, более высокой электропроводностью и меньше растворяет магний. Поэтому при работе с ним достигается меньший расход электроэнергии.
Магниевые ванны соединяются между собой последовательно в серии по 60-100 шт. Число ванн в серии определяется напряжением источника постоянного электрического тока; напряжение ванны, которое зависит от ее конструкции, межполюсного расстояния, состава электролита, колеблется в пределах 5,5-7,5 В.
Обслуживание ванн заключается в выполнении следующих основных операций: а) питании электролитом; б) регулировании температуры; в) извлечении магния; г) удалении шлама.
Питание ванн электролитом. В процессе электролиза идет непрерывное разложение хлористого магния, поэтому для восполнения го расхода в ванну периодически вводят свежие расплавленные мористые соли. Наиболее удобно добавлять в электролит безводный Хлористый магний, получающийся при восстановлении хлорида титана магнием. В случае автономного расположения магниевого завода бишофит приходится предварительно обезвоживать. Можно вводить в ванну и безводный карналлит, но тогда необходимо сливать часть электролита, так как иначе в нем будет избыток хлорида калия. Из отработанного электролита получают калийные удобрения.
Регулирование температуры. Электролиз должен протекать при температуре 690-720 °С, при этом нижнего предела желательно придерживаться при питании ванн хлористым магнием, а верхнего - при питании карналлитом. В процессе электролиза необходимо наблюдать за температурой электролита, так как отклонение от нормы, особенно в сторону повышения, значительно ухудшает показатели Iпроцесса.
В магниевых ваннах для регулирования температуры не меняют межполюсное расстояние, как это принято при электролитическом получении алюминия, а изменяют состав, а с ним и электропроводность электролита. Так, например, чтобы поднять температуру электролита, следует залить в него больше чистого хлористого магния, что увеличит сопротивление электролита. Изменения температуры в пределах 20-30 °С можно добиться, варьируя количество отсасываемых газов из катодного пространства ванны.
В случае перегрева электролита применяют загрузку твердого хлористого натрия; при чрезмерном падении температуры, например при выключении ванны, используют подогрев электролита переменным током, опуская в катодные ячейки нихромовые спирали.
Извлечение магния из электролизера. Это обычно производят не реже одного раза в сутки, применяя вакуумные ковши. Ковш предварительно нагревается вмонтированными в него нагревательными элементами и затем подается к ваннам мостовым краном. После создания в нем разрежения 730-800 кПа в ячейку ванны опускают всасывающую трубу и открывают клапан. Металл и часть электролита засасываются в ковш. Затем клапан закрывают и повторяют операцию в других ячейках ванны.
Удаление шлама. В электролит с хлористым магнием поступает и окись магния; кроме того, может протекать гидролиз электролита с образованием окиси магния. Она оседает на дно электролизера, увлекая за собой другие продукты и образуя шлам. Шлам удаляют один раз в два-три дня, не допуская значительного накопления его на дне ванны, так как это иногда приводит к замыканию анода с катодом и ухудшает условия осаждения магния на катоде.
Глава 4. Производство титана
Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием.
Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45% TiO>2>, ~30% FeO, 20% Fe>2>O>3 >и 5-7% пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeО*TiO>2>.
Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.
Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы.
Основной продукт этого процесса-титановый шлак. Побочный продукт этого процесса - чугун используют в металлургическом производстве. Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи-хлор. При температуре 800 - 1250° С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды.
Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.
Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950-1000° С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция 2Mg+TiCl>4>=Ti+2MgCl>2>.
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу-губку, а жидкий MgCl>2> выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35-40% магния и хлористого магния.
Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900-950° С в вакууме. Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава.
Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 - 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.
Упрощенная схема получения титана
Заключение
Подводя итоги, можно сделать следующий вывод: в настоящее время цветные металлы и сплавы на их основе находят весьма широкое применение. Наибольшее применение получили сплавы на основе меди, алюминия, магния. Указанные металлы в чистом виде в промышленности не применяют, но технически чистые, содержащие небольшое количество примесей, используют достаточно часто.
Медь выпускают в виде листов, лент нормальной и повышенной точности, проволоки, прутков разного сечения. Медь является основой важнейших сплавов - латуней и бронз. Сплавы меди с цинком называют латунями, а сплавы со всеми другими элементами - оловом, алюминием, бериллием и др. - бронзами.
Широко используются в народном хозяйстве сплавы меди с никелем - мелъхиоры, иногда с небольшими добавками железа и марганца, а также меди с цинком и никелем (иногда с добавлением кобальта) - нейзильберы. Мельхиоры отличаются высокой химической стойкостью в морской воде, растворах солей, органических кислотах, они весьма пластичны. Их применяют в морском судостроении, для изготовления разменной монеты, медицинского инструмента, деталей аппаратуры точной механики и др. Нейзильберы обладают высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Они используются в производстве точных приборов, часов и т.д.
Алюминий. Благодаря ряду положительных свойств алюминия и большого количества его в земной коре (до 7,45%) он широко применяется в производстве в виде различных сплавов. Чистый алюминий из-за высокой химической активности в природе не встречается и в технике не применяется.
Алюминий - мягкий металл серебристо-белого цвета. Имеет высокие электро- и теплопроводность, большую скрытую теплоту плавления. Технически чистый алюминий выпускается нескольких марок и применяется в основном для изготовления радиоэлектронной аппаратуры (электролитических конденсаторов, фольги и др.). Сплавы алюминия применяются практически во всех отраслях промышленности (авиационной, ракетостроительной, приборостроительной и др.). Наибольшее применение имеют сплавы алюминия с кремнием, магнием и медью (литейные и деформируемые).
Лучшим деформируемым сплавов на алюминиево-медной основе является дюралюминий. Дюралюминий, имея малую плотность (2,85 г/см3), обладает высокими механическими свойствами, не уступающими свойствам низкоуглеродистых сталей. Свойства дюралюминия повышаются с проведением закалки и старения сплава.
Лучшими литейными сплавами являются силумины (на основе алюминий - кремний), из которых изготовляют детали различных приборов и радиоаппаратов, корпуса турбонасосных агрегатов и др.
Магний быстро окисляется на воздухе, имеет весьма низкие механические свойства. Поэтому как конструкционный материал он не применяется, а вводится в качестве компонента в сплавы. Магниевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Широкое применение магниевого литья объясняется, в частности, малой плотностью магния, что обеспечивает получение деталей малой массы.
Титан - малопрочный серебристо-серый металл. В чистом виде в технике не применяется. Введение в титан различных компонентов позволяет получать требуемые свойства сплавов.
Применяют также литейные титановые сплавы, обеспечивающие высокую плотность отливок. Эти сплавы дают малую линейную усадку, не подвержены образованию трещин в горячем состоянии, что позволяет изготовлять отливки сложной формы.
Плавка и разливка титановых сплавов производится в защитной атмосфере и вакууме.
Список использованной литературы
Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы: учебник для механических и машиностроительных техникумов, М.: Высшая школа, 1984
Браун Д.А., Разыграев А.М. Технология металлов и конструкционные материалы, М.: Высшая школа, 1965
Технология металлов и других конструкционных материалов под ред. проф. Дубинина Н.П., М.: Высшая школа, 1969
Архипов В.В., Касенко М.А., Ларин М.Н. и др. Технология металлов, М.: Высшая школа, 1964
Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы: учебник для средних специальных учебных заведений, Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986.