Одержання чавуну

Для виробництва чавуну в доменних печах необхідно мати наступнівихідні матеріали: залізні руди, паливо і флюси. Ці вихідні матеріалиназиваються шихтою.
Залізні руди є оксиди і карбонати заліза, і іншіз'єднання. Оксиди: Fe2O3-червоний залізняк, Fe3O4-магнітний залізняк,
Fe2O3 · пH2O-бурий залізняк.
Карбонати: FeСО3-Шпатовий залізняк.
Паливом для доменної плавки служить кокс продукт сухої перегонки кам'яноговугілля.
Як часткові замінники коксу можуть бути використані природний газ, мазутабо пиловидне паливо.
У якості флюсу використовують вапняк CaCO3 або доломітізірованнийвапняк nCaCO3 · mMgCO3.
Порожня порода разом з флюсами утворює рідкий шлак. Флюс надає шлакунеобхідні склад і властивості, завдяки чому забезпечуються заданий режимроботи печі й очищення чавуну від сірки.
При спалюванні палива в доменній печі перший процес є згоряннявуглецю.

2С + О2 = 2СО + Q
Другий процес характеризується відновленням заліза, марганцю кремніюфосфору сірки та інших елементів. Відновлювачами є СО,
Н2 (що утворюється в результаті вплив вуглецю на вологу дуття у виглядіводяної пари) і твердий вуглець С.

3 Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 + Q;

Fe3O4 + СО = 3FeО + СО2-Q;

FeО + СО = Fe + СО2 + Q.
Відновлене в доменній печі залізо активно поглинає вуглець
(насичується вуглицем)також краплі рідкого металу інтенсивно взаємодіють з вуглецем приконтакті з розпеченим коксом.

3Fe 2 CO = Fe3C + СО2 + Q;

3Fe + С = Fe3C.
Насичене вуглецем залізо має знижену (до 1150 ... 1200єС) у порівнянні зчистим залізом (1539єС) температуру плавлення. Виділяється чавун.
Марганець відновлюється твердим вуглецем.

MnO + C = Mn + CO-Q

MnSiO3 + CaO + C = Mn + CaSiO3 + CO-Q
Відновлення кремнію здійснюється за реакції.

SiО2 +2 C = Si +2 CO-Q
У доменному процесі видалення сірки з металу надається велике значення.

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO.

7 8

6

5

4

3

2

1

Малюнок доменної печі

1 жужільна вічка, 2 лещадь, 3 горн, 4 чавунна вічка, 5 шахта, 6 випускгазів, 7 вагонетка, 8 похилий міст.

Таким чином, в результаті процесів відновлення оксидів заліза,розчинення в залозі С, Mn, Si, P, S в печі утвориться чавун. У нижнійчастини печі утворюється шлак у результаті з плавлення оксидів порожньої породируди, флюсів і золи палива. У міру скупчення чавуну і шлаку їх випускаютьз печі. Чавун випускають через 3-4 год, а шлак через 1,0-1,5 год Чавунвипускають через чавунну летку, а шлак через жужільну летку.

Переробка чавуну в сталь.

В даний час застосовується два головні способи переробки чавуну всталь. Обидва вони засновані на окисленні що містяться в чавуні домішок.
Бесемерівський спосіб полягає в продування крізь розплавлений чавунсильною струменя повітря.
Бессемерованіе виробляється у величезних сталевих грушовидних судинах, такзваних конверторах, викладених всередині цеглою з керамзиту і вміщуютьдо 40-50 т чавуну. Конвертор може обертатися на горизонтальних цапфах придопомоги зубчастого колеса. Ко дну конвектора, який містить багатодрібних отворів, прироблений повітряна камера для нагнітання повітря.
Конвектор наповнюють розплавленим чавуном, а в повітряну камеру нагнітаютьповітря. Проходячи через отвори в дні конвертора, повітря пронизує всюмасу чавуну і окисляє домішки.
Перш за все, вигоряє, переходячи в шлак, кремній і марганець, потім вжевуглець. Весь процес бессемерованія триває 19-20 хвилин, після чогоконвектор можна спорожнити, повернувши його отвором вниз.
Бесемерівський способом отримують сталь, що містить менше 0,3% вуглецю.
Якщо бажають одержати сталь із великим вмістом вуглецю, то чизакінчують продування повітря раніше, поки ще не весь вуглець вигорів,або додають в конвектор до отриманої стали деяку кількість багатоговуглецем чавуну і ще якийсь час продувають повітря для перемішування.
Якщо чавун містить фосфор, то видалити, останній при звичайній обкладкиконвектора не вдається. Тим часом видалення фосфору необхідно, тому щоприсутність його робить сталь ламкою. У таких випадках за пропозицією Томасаобкладка конвектора робиться із суміші оксидів магнію та кальцію одержуваніпрожарювання мінералу доломіту MgCO3 · CACO3, а, крім того, до самого чавунудодають 10-15% вапна. Що утворюється при згоранні фосфору фосфористийангідрит Р2О з'єднується з вапном, причому виходять шлаки, що використовуютьсяяк добриво так звані томасшлак.

Другим основним способом одержання сталі, є отримання вмартенівських печах. При плавці в мартенівських печах складовими шихтиможуть бути сталевий скрап, рідкий і твердий чавуни.
1. Скрап-процес, при якому основною частиною шихти є сталевий скрап; застосовують на металургійних заводах.
2. Скрап-рудний процес, при якому основна частина шихти складається з рідкого чавуну (55-75%), а тверда частина шихти скрап і залізна руда; цей процес застосовують на заводах де є доменні печі.
3. Кислим мартенівським процесом виплавляють якісні сталі. Вони містять меншу кількість розчинених газів, неметалевих включень. Використовують при отриманні металеву шихту. Деталі з цієї сталі, отримують такі як: колінчаті вали великих двигунів, роторів потужних турбін.

Отримання алюмінію

Гірські породи з високим вмістом оксиду алюмінію (боксити, нефеліни,алуніти, каоліни) називаються алюмінієвими рудами.
Алюміній - найпоширеніший у земній корі метал. Головна маса йогозосереджена в алюмосилікатах. Надзвичайно розповсюдженим продуктомрозкладу утворених ним сполук є глина, основний складякої відповідає формулі Al2O3.2SiO2.2H2O. З інших природних формзнаходження алюмінія найбільше значення має боксит Al2O3.xH2O і мінераликорунд Al2O3 і кріоліт AlF3.3NaF.

В даний час в промисловості алюміній отримують електролізомрозчину глинозему Al2O3 в розплавленому кріоліті. Al2O3 повинен бутидостатньо чистим, оскільки із виплавленого алюмінію домішки видаляютьсявеликими труднощами. Температура плавлення Al2O3 близько 2050 оС, а кріоліту 1100оС. Електролізу піддають розплавлену суміш криоліта і Al2O3, що міститьблизько 10 мас.% Al2O3, та плавиться при 960 о С і має електричнупровідність, густину та в'язкістю, найбільш придатними дляпроведення процесу. При додаванні AlF3,, CaF2 і MgF2 проведенняелектролізу виявляється можливим при 950 оС.

Електролізер для виплавки алюмінія являє собою залізний кожух,викладений зсередини вогнетривким цеглою. Його дно, складене з блоківспресованого вугілля, що є катодом. Аноди розташовані зверху: це --алюмінієві каркаси, заповнені вугільними брикетами.

Al2O3 = Al3 + + AlO33-

На катоді виділяється рідкий алюміній:

Al3 + + 3е-= Al

Алюміній збирається на дні печі, звідки періодично випускається. Нааноді виділяється кисень:

4AlO33-- 12Е-= 2Al2O3 + 3O2

Отримання міді.

В даний час мідь видобувають тільки з руд. Залежно від характерущо входять до їх складу з'єднання, підрозділяють на оксидні і сульфідні.
Сульфідні руди мають найбільше значення, оскільки з них виплавляються
80% всієї видобувається міді. Найважливішими мінералами, що входять до складу міднихруд, є: халькозін, або мідний блиск, Cu2S; Халькопірит, або міднийколчедан, CuFeS2; Купрій Cu2О і малахіт CuCO3 · Cu (OH) 2.
Мідні руди, як правило, містять таку кількість домішок, щобезпосереднє отримання з них міді економічно невигідно. Тому вметалургії міді особливо важливу роль відіграє флотаційні спосіб збагаченняруд, що дозволяє використовувати руди з дуже невеликим змістом міді.
Для отримання міді з сульфідних руд обпалену руду сплавляють в шахтнихабо відбивних печах з кремнеземом і коксом. При цьому велика частиназаліза переходить у шлак у вигляді силікату заліза FeSiO3, мідь жперетворюється на сульфіт Cu2S, який разом з залишаються ще в рудісульфідом заліза утворює штейн, що збирається на дні печі під шаром шлаку.
Подальша обробка Штейна з метою видалення з нього залишився залізаведеться в конверторах. Крізь що знаходиться в конверторі розплавлений штейн,до якого додано необхідну кількість піску, продувають повітря або,що більш ефективно, кисень.
Хімічні процеси, що відбуваються в конверторі, досить складні.
Знаходиться в штейн сульфід заліза перетворюється на оксид заліза івидаляється у вигляді силікату в шлаку:

2FeS +3 O2 = 2FeO +2 SO2

2FeO 2 SiO2 = 2FeSiO3
Мідь відновлюється до металу. При цьому, ймовірно, відбуваютьсянаступні реакції:

2Cu2S +3 O2 = 2Cu2O +2 SO2

2CuO + Cu2 6 Cu + SO
Виділяються при цих реакціях тепло підтримує в конверторітемпературу 1100-1200єС і робить зайвим витрата палива.
Вдування повітря продовжують до тих пір, поки не відновиться вся мідь, прощо можна судити за характером вириваються з конвертора полум'я.
Розплавлену мідь випускають з конвектора в піщані форми, де вона ізастигає у вигляді товстих пластин.

Отримання титану

Титан дуже поширений в природі; складаючи 0,61 вагу. % Земної кори, вінстоїть попереду таких широко використовуються в техніці металів, як мідь,свинець і цинк.
Мінерали, що містять титан, знаходяться в природі повсюдно. Найважливішимиз них є: титаномагнетиту FeTiO3 · nFeO4, ільменіт FeTiO3, Стено
CaTiSiO5 і рутил TiO2. Незважаючи на велику поширеність титанув природі, його до останнього часу відносили до рідкісних елементів івін знаходив, лише дуже обмежене застосування. Однак за останній час цей елемент став предметів великих і грунтовнихдосліджень в більшості країн світу.
Така увага титану пояснюється тим, що дослідження властивостейчистого титану, вперше отриманого в 1925 р., показало, що в чистомувигляді цей метал дуже пластичний і легко піддаєтьсямеханічній обробці. Він добре кується і прокочується бляхи, та йнавіть у фольгу. Це, в поєднанні з високою корозійноїстійкістю і жароміцних, робить титан найціннішим конструкційних матеріалом для багатьох областей нової техніки, зокрема дляавіації та ракетобудування.
Сутність отримання металевого титану полягає у відновленнічотирихлористого титану або оксидів титану або натріетерміческімспособом. У результаті значного кількість дослідженьрозроблено ряд способів отримання чистого титану. З них найбільше значення має спосіб, що полягають у перекладі титанової руди вчистий двоокис титану з подальшим її хлоруванням у присутностівугілля або меленого графіту:

TiO2 + 2C12 + 2C TiC14 + 2CO

утворився чотирихлористий титан відновлюють металевиммагнієм або натрієм:

TiC14 + 2Mg Ti + 2MgC12

TiC14 + 4Na Ti + 4NaC14

Металевий титан плавиться при 1725єС; густина його дорівнює 4,54гсм.