Раскисление и легирование стали

 

Раскисление — процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл. Так, сталь раскисляют алюминием, который образует весьма прочный окисел Al2O3, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твёрдой фазы. Также используют углерод,ферросилиций и ферромарганец для раскисления стали.

Обязательной завершающей операцией сталеплавильного процесса является раскисление стали в ковше. Окислительный характер плавки приводит к высокой концентрации в металле FeO — вредного соединения, вызывающего красноломкость при горячей деформации, кристаллизационные трещины при сварке и т. п. Собственно раскисление с удалением кислорода из жидкой стали — это процесс восстановления железа из FeO.

В зависимости от степени раскисления различают кипящие (СтЗкп), полуспокойные (СтЗпс) и спокойные (СтЗсп) стали. Чаще всего кипящую сталь раскисляют только ферромарганцем; полуспокойную сталь раскисляют ферромарганцем и небольшими количествами ферросилиция; спокойную сталь раскисляют комплексно ферромарганцем, ферросилицием,

Выбор технологии и применяемых при этом раскислителей должен быть сделан с учетом ряда условий:

1)должна быть достигнута максимальная степень раскисления стали и возможно более полное удаление из металла продуктов раскисления;

2)состав, форму, размеры и расположение остающихся в стали неметаллических включений желательно получить такими, чтобы свести к минимуму отрицательное их влияние на свойства стали;

3)должно быть обеспечено получение мелкозернистой структуры;

4)удельный расход ферросплавов должен быть как можно более низким;

5)возможность применения относительно недорогих и недефицитных ферросплавов;

6)методика раскисления и применяемые при этом ферросплавы должны допускать наличие в металле к моменту раскисления стали данной марки возможно более высокое содержание углерода.

Существуют четыре основных способа раскисления стали:

- обработка синтетическими шлаками;

- диффузионное раскисление;

- глубинное раскисление;

- обработка вакуумом.

Леги́рование — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных веществ (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

Легированная сталь — сталь, которая, кроме обычных примесей, содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированную сталь по степени легирования разделяют на:

низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %),

среднелегированную (от 2,5 до 10 %),

высоколегированную (от 10 до 50 %).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Маркировка

Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали.

Стоящая за буквой цифра обозначает среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1 %, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, если цифра одна, то содержание углерода в десятых долях процента.

 

12. Производство меди: исходные материалы, этапы плавки, основная продукция.

СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди.

В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит CuFeS2, халькозин Cu2 S, ковелин CuS), оксидов (куприт Cu2 O, тенорит CuO) или гидрокарбонатов (малахит CuCO3 × Cu(OH2), азурит 2CuCO3 × Cu(OH)2).

Пустая порода состоит из пирита FeS, кварца SiO2, карбонатов магния и кальция (MgCO3 и CaCO3), а также из различных силикатов, содержащих Al2 O3, CaO, MgO и оксиды железа.

В рудах иногда содержится значительное количество других металлов: цинк, олово, никель, золото, серебро, кремний и другие.

Руда делится на сульфидные, окисленные и смешанные. Сульфидные руды бывают обычно первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления металлов сульфидных руд.

В небольших количествах встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИ.

Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличии от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.

Второй способ пригоден для переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению.

Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

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

Этапы плавки.

Передел меди из руды в металл осуществляется с помощью плавки. Концентрат высушивается и подается в печь. Штейн затем обрабатывается в процессе конвертирования. Шлак выпускается из печи и хранится в рабочей После плавки медный штейн подается в конвертер выливается в горизонтальный цилиндрический сосуд, оснащенный трубамифурмами для подачи воздуха в конвертер. В штейн добавляются известь и диоксид кремния, чтобы пошла реакция с получением оксида железа для формирования шлака. В конвертер может быть добавлен медный лом. Печь поворачивается таким образом, чтобы фурмы оказались в погруженном положении. В расплавленный штейн вдувается воздух, который заставляет остаток сульфида железа вступить в реакцию с кислородом для получения оксида железа и диоксида серы. Затем конвертер поворачивается и сливается железосиликатный шлак. Первый этап рафинирование обжигом. Расплавленная черновая медь выливается в цилиндрическую печь, внешне похожую на конвертер, в которой продувается сначала воздухом, а затем природным газом или пропаном для удаления остатка серы и кислорода. Затем металл выливается в разливочный барабан для получения достаточно чистых для электрорафинирования анодов.. Собранный раствор, содержащий медь, может быть переработан посредством одного из двух процессов диффузионного насыщения или извлечения металла растворителем / электролизом. В процессе диффузионного насыщения (который применяется редко) медь в виде кислотного раствора осаждается на поверхности чугунного лома в обмен на железо. После насыщения достаточным количеством меди чугунный лом помещается в плавильную печь вместе с рудными концентратами для получения меди пирометаллургическим путем. При извлечении металла растворителем/электролизом в богатом выщелачивающем растворе концентрируется медь, но не другие металлы (железо и пр.). Затем органический раствор, содержащий медь, отделяется от продукта выщелачивания в отстойнике. В богатую органическую смесь добавляется серная кислота, которая отгоняет медь в электролитический раствор. Продукт с содержанием железа и других примесей возвращается для операции выщелачивания. Отогнанный медесодержащий раствор помещается в электролитическую камеру. Камера электролиза отличается от электрорафинирующей тем, что в ней используется постоянный нерастворимый анод. Медь откладывается на основных катодных листах точно таким же образом, как и на катоде электрорафинирующей камеры. Освобожденный от меди электролит возвращается в процесс извлечения растворителем, где используется для дополнительной отгонки меди из органического раствора. Катоды, полученные в электролизном процессе, переделываются в стержни так же, как и в процессе электрорафинирования.

13. Производство алюминия: исходные материалы, этапы плавки, основная продукция.

Алюминий – наиболее распространенный металл в земной коре (8,8 %), но в чистом виде не встречается. Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы, в которых алюминий содержится в виде минералов – гидроксидов Al(OH)3, AlO(OH), корунда Al2O3 и каолинита Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O.

Алюминий получают электролизом глинозема – оксида алюминия (Al2O3) в расплавленном криолите с добавлением фтористых алюминия и натрия.

Получение алюминия включает: получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия; получение криолита из плавикого шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью. Полученный в результате этого алюминат натрия NaAlO2 подвергают гидролизу:

NaAlO2 + 2H2O =NaOH + Al (OH)3↓.

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия Al(OH)3. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150…1200 0С и получают обезвоженный глинозем Al2O3.

Для производства криолита сначала из плавикого шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят Al(OH)3, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой, и получают криолит, выпадающий в осадок.

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250…300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и криолит. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Для электролиза и разогрева электролита до 1000 0С подводят постоянный ток. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют: на катоде разряжается ион Al 3+ и образуется алюминий, а на аноде – ион O 2–, который окисляет углерод анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению натрия, кальция, магния и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30…45 мин при температуре 690…730 0С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5…99,85 %.

 

 

14. Производство магния, титана: исходные материалы, этапы плавки, основная продукция.

Получение титана. Титан - серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стойкостью. Для производства титана используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10-40% двуокиси титана ТiO2. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% ТiO2. ТiO2 и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой. В процессе плавки окислы железа и титана восстанавливаются, в результате чего получают чугун и титановый шлак, в котором содержится до 80-90% ТiO2. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан соединяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl4. Затем четыреххлористый титан нагревают в замкнутой реторте при температуре 950-1000°С в среде инертного газа (аргон) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl2, а твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку. Путем сложных процессов рафинирования и переплава из титановой губки получают чистый титан.

Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.

Титан, магний и их сплавы

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литейные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответствующие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые применяют в авиационной и химической промышленности.

Получение магния. Магний - самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1,740 кг/м3, температура плавления 650°С. Технически чистый магний непрочный, малопластичный металл с низкой тепло- и электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, торий, церий, цинк, цирконий и подвергают термообработке.

Для производства магния используют преимущественно карналлит (MgCl2∙КСl∙6Н2О), магнезит (MgCO3), доломит (CaCО3∙MgCО3) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обогащению, в процессе которого отделяют КСl и нерастворимые примеси путем перевода в водный раствор MgCl2 и КCl. После получения в вакуум-кристаллизаторах искусственного карналлита, его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который затем подвергают рафинированию. Свойства и применение магния. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные магниевые сплавы применяют для изготовления деталей литьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МЛ5. Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной промышленности: картеры, корпуса приборов, фермы шасси и т. п.