Металлургия цветных металлов

Широкое применение цветных металлов объясняется их специфическими свойствами: высокими электро- и тепло­проводностью, коррозийной стойкостью, жаропрочностью. Кроме того, цветные металлы способны образовывать спла­вы друг с другом и с черными металлами.

Цветные металлы классифицируют на четыре группы:

тяжелые — медь, никель, свинец, цинк, олово;

легкие — алюминий, магний, титан, кальций и др.;

благородные — золото, серебро, платина;

редкие — молибден, вольфрам, ванадий, уран и др.

 

Производство меди

Медь имеет красный цвет, температура ее плавления 1083 °С, плотность 8,96 т/м³. Медь хорошо проводит элек­тричество и тепло, отличается малой прочностью, высо­кой пластичностью. Медь используется в электро- и ра­диопромышленности, значительная часть ее идет на полу­чение сплавов.

Около 80% меди выплавляют из сульфидных руд. Ос­новными медными рудами являются медный колчедан (CuFeS₂) и медный блеск (Cu,S).

Медные руды относительно бедны (содержание меди — не более 5%), поэтому их подвергают обогащению. С этой целью используют метод флотации, основанный на способ­ности тонко измельченных рудных минералов смачивать­ся некоторыми реагентами. Смесь измельченной руды, воды и реагентов помещается в специальной ванне, через кото­рую пропускается воздух. Благодаря пузырькам воздуха на поверхность ванны поднимаются частицы рудных ми­нералов, а пустая порода осаждается и удаляется. Содер­жание меди в полученном концентрате достигает до 30%.

Медный концентрат после обогащения содержит сернис­тые соединения. Для снижения содержания серы концент­рат подвергают обжигу, который ведут в специальных пе­чах при температуре 700—800 ⁰С.

В результате обжига получают так называемый огарок и сернистый газ S0₂. Огарок направляется на плавку. Сер­нистый газ используется для получения серной кислоты.

Плавка огарка производится в отражательных печах, по устройству сходных с мартеновскими. В них одновре­менно может плавиться более 100 т огарка.

В конце плавки в печи образуется полупродукт — штейн (Cu₂S₄FeS), содержащий до 50% меди, а также же­лезо, серу, кислород и включающий небольшое количество золота, серебра, свинца и других металлов. Штейн слива­ют и направляют в конверторы для получения черновой меди.

Конвертор представляет собой футерованный изнутри металлический сосуд, установленный на опорных роликах и поворачивающийся вокруг горизонтальной оси (рис. 7). Масса плавки составляет до 1000 т. Воздушное дутье по­дается через фурмы, расположенные вдоль конверторов. Затем в конвертор подается кварцевый флюс. Продувка длится до 30 часов. В результате получают черновую медь.

Черновая медь содержит примеси железа, серы, мышь­яка, кислорода.

Примеси ухудшают свойства меди, поэтому черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование меди про­изводится огневым и электролитическим способами. Огне­вое рафинирование осуществляется в пламенных печах и производится в том случае, когда пренебрегают небольшим количеством благородных металлов, содержащихся в чер­новой меди. Окисление примесей в печи происходит за счет кислорода воздуха, который подается в жидкий металл. Готовую медь разливают на слитки или анодные пластины.

Для получения высококачественной меди и выделения из нее благородных металлов производят электролитичес­кое рафинирование. Для этого черновую медь в виде пластин (анодов) погружают в ванну с водным раствором мед­ного купороса в серной кислоте. Параллельно анодам под­вешивают тонкие листы чистой меди (катоды). При про­хождении постоянного тока аноды растворяются в воде и медь осаждается на катодах. За 10—12 суток на катодной пластине отлагается около 100 кг меди. Катоды затем пе­реплавляют и разливают в слитки.

В зависимости от степени чистоты различают ряд ма­рок меди (М00, МО, Ml, М2, МЗ, М4) с содержанием меди от 99,0 до 99,95%.

Производство алюминия

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, темпе­ратура его плавления 660 ⁰С, плотность 2,7 т/м³. Алюми­ний обладает высокой электро- и теплопроводностью, ус­тупая по этим свойствам серебру и меди, пластичностью и малой окисляемостью. Прочность и твердость алюминия невысокие.

Наибольшее применение алюминий получил в электро­технической промышленности для изготовления проводов и кабелей. Сплавы алюминия широко применяются в авиа­ции, машиностроении, пищевой промышленности.

Получают алюминий из руд с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов. Ос­новным сырьем для получения алюминия являются бокси­ты (50-60% глинозема).

Процесс получения алюминия состоит из двух стадий: получение глинозема (Аl₂0₃) из руды и производство алю­миния из глинозема. В зависимости от состава и свойств исходного сырья применяют различные способы получе­ния глинозема. Наиболее эффективным из них является щелочной способ. Выход глинозема из руды при этом спо­собе составляет около 87%.

Глинозем представляет собой прочное химическое со­единение, температура его плавления — 2050 ⁰С. В этих условиях восстановление алюминия из глинозема весьма затруднительно. Поэтому алюминий получают электроли­зом из глинозема, растворённого в расплавленном криоли­те (3NaFuAlF₃). Процесс проходит в электролизных ваннах (электролизерах). Ванна (рис. 8) представляет собой металлический корпус, футерованный углеродистыми бло­ками. В них вставляются медные катодные шины. Сверху в ванну опускается угольный электрод, представляющий собой анод.

В результате электролиза на дне ванны собирается жид­кий алюминий, который периодически откачивается с по­мощью вакуумного насоса.

Для увеличения степени чистоты алюминия его рафи­нируют. С этой целью алюминий в ковшах при темпера­туре 650-770 ⁰С подвергают продувке хлором в течении 10-15 минут. Из алюминия удаляются примеси глинозе­ма, криолита и газы. Готовый алюминий разливают в из­ложницы.

Алюминий высокой чистоты получают электролитичес­ким рафинированием. Анодом в этом случае служит под­лежащий очистке алюминий, катодом — пластины из чис­того алюминия. Расплавы хлористых и фтористых солей используются в качестве электролита.

Сплавы цветных металлов

Сплавы меди нашли в технике широкое применение в качестве конструкционных материалов.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, кремни­ем, марганцем, свинцом, бериллием. Эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Устойчивость к износу делает их незаменимыми для изготовления вкладышей подшипников, червячных колес, шестерен и других деталей машин и приборов.

Сплав меди с цинком называют латунью. Применяют латуни с содержанием цинка до 45%. По сравнению с ме­дью латуни дешевле, прочнее и устойчивее против корро­зии. В технике применяют деформируемые и литейные ла­туни. Деформируемые латуни (обрабатываются давлением) предназначены для изготовления листов, прутков, труб. Литейные латуни применяют для получения изделий пу­тем литья — втулок, деталей санитарно-технической ар­матуры.

В машиностроении и строительстве широко использу­ют сплавы алюминия. Они делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы идут для полу­чения листов, проволоки, ленты, фасонных профилей и различных деталей. Наиболее известный сплав — дюра­люминий. Дюралюминий хорошо деформируется как в го­рячем, так и в холодном состоянии. Упрочняющей обра­боткой для него служит закалка.

В качестве литейных наибольшее применение нашли сплавы алюминия с кремнием — силумины.

Силумины отличаются повышенными по сравнению с алюминием механическими свойствами, хорошей обраба­тываемостью резаньем и высокими литейными качества­ми. Силумины применяют, например, для отливки блока цилиндров автомобильных двигателей, поршней и т. п.

 

Основы металловедения

Металловедение — наука, изучающая зависимость свойств металлов от их строения и состава. Металловеде­ние является базой для разработки оптимальных техноло­гических процессов обработки металлов.

Свойства металлов

Металлами называются вещества, обладающие рядом специфических свойств: характерным цветом, высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, пластичное-

 

Термическая обработка стали

Термическая (тепловая) обработка стали основана на способности металла изменять свою структуру при нагре­вании и охлаждении. Путем такой обработки можно при­давать стали необходимые свойства: сделать изделие твер­дым или хрупким, прочным или пластичным.

Термическая обработка заключается в нагреве сталь­ного изделия (заготовки) до определенной температуры, некоторой выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью (рис. 10). Режим терми­ческой обработки зависит от вида и цели термической обра­ботки, химического состава, формы и размеров изделия.

В зависимости от свойств, которые хотят придать из­делию (твердость, прочность, пластичность и т. д.), при­меняют разные виды термической обработки. Основными видами термической обработки являются: отжиг, норма­лизация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре и мед­ленном охлаждении — обычно вместе с печью. Отжиг де­лает сталь пластичной, благодаря чему улучшается ее об­рабатываемость, снимается внутреннее напряжение, возникшее в металле на предыдущих этапах изготовления изделия или получения Заготовки (обработка давлением, литье, сварка).

Нормализация заключается в нагреве стального изделия и последующем его охлаждении на воздухе без выдержки. Сталь при этом приобретает более мелкозернистую структу­ру, следовательно, более высокую прочность и твердость, чем после отжига, но частично теряет свою пластичность.

Закалка заключается в нагреве стального изделия до определенной температуры, выдержке и быстром охлаждении. Быстрое охлаждение позволяет получить мелкозер­нистую структуру стали, то есть придать ей высокие меха­нические свойства: прочность, твердость, повысить режу­щие свойства и т. д.

Скорость охлаждения при закалке обеспечивается вы­бором охлаждающей среды. Закалку производят в основ­ном в масле и воде.

Возможна закалка изделия в двух средах: сначала в воде, а затем в масле. В некоторых случаях выполняют только поверхностную закалку, что позволяет придать из­делию поверхностную твердость при сохранении вязкости основной массы металла. Нагрев изделия в данном случае производится токами высокой частоты или пламенем ацетилено-кислородной горелки.

Отпуск заключается в нагреве закаленного стального изделия до температуры ниже 720 °С, некоторой выдержке при этой температуре и охлаждении. Отпуск выполняют сразу после закалки. Отпуск осуществляется для сниже­ния хрупкости и уменьшения внутренних напряжений, а также для придания стали повышенной вязкости.

Применяются другие виды термической обработки металлов — старение и обработка холодом. Основное назна­чение старения — повышение прочности и стабилизация свойств, например, алюминиевых и медных сплавов. Об­работку холодом применяют главным образом для режу­щих инструментов.

 

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали состоит в одно­временном нагревании и поверхностном насыщении сталь­ного изделия различными элементами — углеродом, азо­том, алюминием, хромом и др. При этом поверхностный слой изделия становится более прочным, твердым, износоус­тойчивым, стойким против воздействия агрессивных сред.

В зависимости от того, каким веществом насыщается поверхностный слой изделия, химико-термическую обра­ботку подразделяют на цементацию, азотирование, циани­рование, алитирование, хромирование и т. п.

Цементация заключается в нагреве стального изделия в среде, легко отдающей углерод (например, древесный уголь). Цементацию проводят с целью последующей закал­ки поверхностного слоя изделия из низкоуглеродистой ста­ли. Наружный слой изделия при этом становится твердым, а внутренние слои сохраняют вязкость и пластичность.

Азотирование состоит в насыщении стального изделия азотом на некоторую глубину. Азотирование не только по­вышает твердость поверхностного слоя, но также защи­щает его от воздействия агрессивной среды. Процесс осу­ществляется путем длительного нагревания готовых изде­лий в продуктах разложения аммиака.

Цианирование производится путем одновременного на­сыщения поверхностного слоя изделия углеродом и азотом. Режущий инструмент при цианировании обладает высокой износоустойчивостью, твердостью, хорошо противостоит действию переменных нагрузок.

Алитирование, хромирование и другие аналогичные процессы состоят в насыщении поверхности стальных из­делий соответствующим металлом с целью обретения спе­цифических свойств, например жаростойкости, стойкости против коррозии и т. д.