9. Производство меди (физико-химические процессы, сущность).

Медь - один из важнейших металлов. По электроповодности он уступает лишь сребру и является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике, потребляющих 40-50% всей меди. Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды, из которых получают около 80% всей меди.

1.Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, (например CuFeS₂):

2.Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:

+3.Электролиз раствора сульфата меди:

10. Производство алюминия (физико-химические процессы, сущность).

Алюминий наиболее растпространенный металл в природе, он входит в состав более 250 минералов. Наиболее важные алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты.

Технологический процесс получения алюминия

1). Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд;

2). Получение алюминия из глинозема;

3). Рафинирование алюминия.

Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5-6%) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рис. 1.

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170оС может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1). Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2). Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230-250°С (500-520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlOOH+NaOH → NaAlO2+H2O или Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+2H2O;

содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия: SiO2+2NaOH → Na2SiO3+H2O;

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100°С;

3). Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6-1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4). Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60°С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси — затравки: Na2O ּ Al2O3+4H2O → Al(OH)3+2NaOH;

5). Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50-60% частиц Al(OH). Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затра­вочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Оста­ток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах — для выщелачивания новых бокситов);

+6). Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150-1300оС; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3

11. Производство магния (физико-химические процессы, сущность).

Производство магния.

В чистом виде магний в природе не встречается вследствие своей высокой химической активности.

В качестве руд для производства магния обычно используют магнезит, содержащий преимущественно карбонат магния (MgC03), доломит, содержащий преимущественно двойной карбонат магния и кальция (MgCOa •СаС03), карналлит, содержащий двойной хлорид магния и калия (MgCls •КС1 •6Н20) и бишофит — шестиводный хлорид магния (MgCl2 •6Н20), получаемый из морской воды и воды некоторых озер путем испарения и кристаллизации.

Существуют электролитический и термические способы получения магния.

Электролитический способ получения магния. По этому способу сначала получают безводный хлорид магния (MgCl2), который затем, при помощи высококлассного электротехнического оборудования подвергают электролизу с целью получения магния.

Получение хлорида магния из бишофита и карналлита производится путем их обезвоживания нагревом. Получение хлорида магния из каустического магнезита производится путем обработки его при температуре 800° газообразным хлором в присутствии углерода в электрической печи:

MgO + Сl2 + С = MgCl2 + СО2

Электролиз хлорида магния производят в плотно закрытых электролитических ваннах. Как и при электролизе глинозема, электрический ток используется здесь для электрохимического процесса и для нагрева ванны; рабочая температура процесса около 750°, напряжение тока 6 в, сила тока 30 000—000 а.

Аноды изготовляют из графита, катоды — из стали в форме пластин; те и другие расположены в ванне вертикально и параллельно друг другу.

При электролизе на анодах выделяется газообразный хлор, который пузырьками всплывает на поверхность и по хлоропроводам отводится для дальнейшего использования; на катодах выделяется магний. Удельный вес электролита больше удельного веса магния, поэтому последний всплывает на поверхность электролита, откуда по мере накопления извлекается. С целью предупреждения взаимодействия хлора с магнием, рабочее пространство ванны разделяют на анодное и катодное с помощью огнеупорных перегородок, устанавливаемых между анодами и катодами.

Термические способы получения магния. За последние годы термические способы производства магния получили широкое распространение вследствие своей простоты. Сущность термических способов состоит в восстановлении окиси магния или нефтяным коксом в смеси с каменноугольным пеком, или металлами, сплавами и карбидами металлов (например, алюминием, ферросилицием, карбидом кальция и др.)

Легкие металлические сплавы на основе алюминия и магния с удельным весом меньше 3 г/см3 в последнее время получают все большее распространение в авиа, авто и вагоностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.

Сплавы на основе алюминия делят на литейные и обрабатываемые давлением.

12. Производство титана (физико-химические процессы, сущность).

Производство Титана.

Титан и его сплавы являются ценными конструкционными сплавами. По сочетанию свойств они превосходят многие легированные стали и сплавы металлов. Получение металлического титана затрудняется его очень высокой химической активностью при повышенных температурах. Титан образует химические соединения и твердые растворы со многими элементами. Поэтому при производстве титана требуются особые условия, обеспечивающие достаточную чистоту производимого металла.

Для получения титана применяют магниетермический способ, который включает операции:

1) получение титановых концентратов;

2) производство титанового шлака;

3) производство четыреххлористого титана;

4) восстановление четыреххлористого титана магнием;

5) вакуумная сепарация реакционной массы;

6) плавка титановой губки в вакуумных печах.

Получение титановых слитков.

Титановые слитки получают переплавкой титановой губки в вакуумн элекрт дуговых печах. Расходуемый электрод изготавл. прессованием и измельченной титановой губки. Электрическая дуга горит между расходуемым электродом и ванной расплавленного металла, постепенно заполняющего изложницу, затвердевающего и образующего слиток.Наличие вакуума предожраняет металл от окисления и способствует его очистке от поглощенных газов и примесей. Для получения слитков может быть использована дробленная титановая трубка, загружаемая в печь дозатором.в этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом, поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом. Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют два раза. При второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой плавке. Титановые сплавы выплавляют в электрических дуговых вакуумных печах, аналогичных применяемым для переплавки титановой губки. В качестве шихтовых материалов используют титановую губку и легирующие элементы в соответствии с заданным хим составом.

3. Изготовление отливок в песчаных формах (схема, сущность, особенности).

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в том, что расплав заливается в нагретую до высоких температур тонкостенную оболочковую форму, изготовленную по разовой разрушаемой модели из жидких формовочных смесей. Процесс состоит из ряда последовательно выполняемых операций

Модель или звено моделей2изготовляют в разъемной пресс-форме1,рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку (модельного состава и материала отливки) и обработку резанием (рис. 7.1,а).Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), либо способных растворяться (карбамид) Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки3имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки (рис. 7.1.б). Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижнейчасти стояка изготовляют отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость сжидкой формовочной смесью — суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидногоогнеупорного материала, например пылевидного кварца или электрокорунда, исвязующего (рис. 7.1,в). В результате на поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой4суспензии. Для упрочнения этого слоя и увеличения толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала5(мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 7.1,г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины(3— 10 слоев).Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака6,что зависит от связующего (рис. 7.1,д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением или испарением. Например, в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде7(tводы< 100 °С) получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели (рис. 7.1,е). С целью упрочнения перед заливкой ее (форму)помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорнымматериалом8(кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 7.1,ж).Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь для прокаливания(рис. 7.1,з). Прокалку формы ведут при температуре 900... 1100 °С, далее прокаленную форму10извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 7.1,и).После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники. Особенностью процесса, прежде всего, является применение разовой разрушаемой модели, в результате чего отпадает необходимость ее разъема, а также разъема формы, что обеспечивает высокую геометрическую и размерную точность отливок. Тонкостенная оболочковая форма обладает высокой газопроницаемостью даже при использовании пылевидных огнеупорных материалов, результатом чего является низкая шероховатость поверхности отливок. Заливка металла в нагретые до высоких температур формы создает благоприятные условия для хорошей заполняемости самых тонких сечений, а также для питания тепловых узлов.