ЛЕКЦІЯ 14

Тема 2.3. Металургійна промисловість

2.3.3. Кольорова металургія. Порошкова металургія

План

1. Виробництво і використання кольорових металів і сплавів на їх основі.

1. Алюміній і сплави.

2. Мідь і сплави.

3. Титан і сплави.

4. Цинк.

2. Основи технології порошкової металургії.

1. Сутність і значення порошкової металургії.

2. Способи отримання металевих порошків.

3. Отримання виробів з металевих порошків.

1. Виробництво і використання кольорових металів та сплавів на їх основі

Кольорові метали і сплави на їх основі знаходять широке промислове використання у зв'язку з особливостями їх фізико-хімічних властивостей — високою технологічністю і корозійною стійкістю. В електро- і радіотехніці, радіоелектроніці, авіації та космічній техніці вони є основними конструкційними матеріалами, дедалі ширше застосовуються в будівництві, сільському господарстві, харчовій та хімічній промисловості.

Найбільше в Україні використовують алюміній, мідь, цинк, титан, магній, нікель та сплави на їх основі.

1.1. Алюміній і сплави

За кількістю отримання та використання алюміній та його сплави посідають друге місце після сталі.

Алюміній — сріблясто-білий за кольором, найпоширеніший метал у земній корі (8,8 %), має високу пластичність, низьку температуру плавлення (660 °С), малу густину 2,74 г/м³. Технічно чистий алюміній, як метал з низькою міцністю, використовують для ненавантажених елементів конструкцій і деталей, коли від матеріалу вимагається легкість, пластичність, добра зварюваність, 3 нього виготовляють рами, двері, трубопроводи, цистерни, баки, посуд, фольгу та ін. Завдяки високій теплопровідності його використовують для різних теплообмінників у холодильних установках і системах теплопостачання. Висока електропровідність та корозієстійкість в агресивних середовищах сприяє його широкому застосуванню в електротехніці для конденсаторів, дротів, кабелів, деталей апаратури та ін., а висока відбиваюча здатність — для прожекторів, рефлекторів, телевізійних екранів та ін.

У природі алюміній знаходиться у вигляді рудних мінералів (бокситів, алунітів, каолінів, алюмосилікатів та ін.). Про сировинну базу виробництва алюмінію йшлося у розділі 4 лекції 12 нашого курсу.

Технологічний процес виробництва алюмінію включає два основних етапи:

• отримання алюмінієвих руд глинозему (оксиду алюмінію АІ₂0₃);

• електролітичне вилучення алюмінію із глинозему і рафінування його.

Основним промисловим способом одержання глинозему є мокрий лужний (спосіб Байєра), який є найбільш технологічним та дешевим і тому найбільш економічно і практично доцільним.

Подрібнений (розмелений) і просушений алюмінієвміщуючий мінерал (боксит чи інші), в основі якого лежить гідрат оксиду алюмінію А1(ОН)₃, який обробляють лугом NaOH в автоклавах (герметичних апаратах для проведення фізико-хімічних процесів при нагріванні і підвищенні тиску) при температурі 250—300 °С і тиску 2,5—3,0 МПа. При таких умовах отримують алюмінат натрію NaA10₂ за реакцією:

A1(ОH)₃ + NaOH → NaAlО₂ + 2H₂О.

Алюмінат натрію розчиняється у воді, а в осаді залишаються домішки, які відфільтровують. Розчин, відділений фільтруванням від осаду, подають до випарника, де Аl(ОН)₃ кристалізується.

NaAlО₂ + 2Н₂О → Аl(ОН)₃ + NaOH.

Одержаний А1(ОН)₃ промивають і випалюють в печах при температурі 1200 °С з одержанням глинозему А1₂0₃.

2Аl(ОН)₃ = Аl₂О₃ + 3Н₂О.

Глинозем — стійка хімічна сполука, яка має температуру плавлення 2050 °С.

Металічний алюміній вилучають з глинозему електролітичним розкладенням в електролізній ванні. Як електроліт використовується розчин глинозему в криоліті (Na₃AlF₆).

Електролізна ванна (рис. 2.3.11)— це стальний корпус 1, футерований із середини шамотною вогнетривкою цеглою та вугільними плитами 2. До цих плит підведені катодні шини 3, що з'єднані з негативним полюсом джерела електричного струму, а аноди 4— з вуглецевими електродами 5.

Рис. 2.3.11. Схема електролізного одержання алюмінію з глинозему

Ванну завантажують криолітом, а після його розплавлення — глиноземом. Включають електрострум напругою 4—5 В та силою струму близько 75000 А. Від високої температури (~ 950 °С) криоліт і глинозем дисоціюють. При дисоціації глинозему на катоді утворюються іони А1³⁺, на аноді — іони О^2-, які окиснюють вуглець аноду до CO і С0₂. Газові продукти вентиляцією виводяться з ванни. Рідкий алюміній збирається на дні ванни, звідки його періодично зливають або випомповують до роздавального ковша.

Отриманий таким способом первинний алюміній рафінують (очищають).

Рафінування первинного алюмінію проводять такими способами:

• продуванням розплавленого первинного алюмінію хлором (хлоруванням);

• електролітичним;

• зонним переплавленням (перекристалізацією).

Хлорування здійснюють у ковші при температурі розплаву 650 — 770 °С протягом 10—15 хв. Утворюється пароподібний хлористий алюміній (А1С1₃), який, проходячи через розплав, адсорбується на частинках глинозему, криоліту, вуглецю і сприяє їх спливанню. Хлор, крім того, утворює хлориди з натрієм, кальцієм і магнієм, які теж спливають. Таким чином неметалеві включення і гази виводяться з розплаву. Рідкий алюміній відстоюють 45 хв. Хлорування дає алюміній чистоти 99,5—99,85 %.

Електролітичне рафінування застосовують рідко через великі витрати електроенергії. Анод виготовляють з первинного алюмінію, катод — з чистого алюмінію, а як електроліт використовують розплави хлористих і фтористих солей. Забруднений домішками первинний алюміній — анод розчиняється, домішки спливають і їх виводять.

Зонне переплавлення — спосіб рафінування для одержання особливо чистого алюмінію (99,999 %). За цим способом виливок первинного алюмінію нагрівають в спеціальних вакуумних контейнерах послідовно й повільно вузькими зонами до їх розплавлення. Переплавлення проводять в одному напрямі 10—15 разів підряд.

Залежно від ступеня чистоти промисловість виробляє алюміній різної чистоти, а саме:

• особливо чистий А999 (вміст домішок не більше 0,001 %);

• високої чистоти А995, А99, А97, А95;

• технічно чистий А85, А8, А7, А6, А5 (вміст домішок 0,15-1 %). Алюмінієві сплави — це металічні однорідні системи на основі

алюмінію легованого одним елементом або композицією з елементів ряду: Cu, Mg, Mn, Si, Be, Ті тощо. Вони мають малу густину до 2,85 г/см³ і, разом з тим, — велику питому міцність, наближену до питомої міцності високоміцних сталей.

Алюмінієві сплави широко використовують в машинобудуванні, судобудуванні, приладобудуванні, авіації, космічній техніці, будівництві.

По технологічним властивостям алюмінієві сплави поділяють на деформівні та ливарні.

Деформівні алюмінієві сплави — мають високу пластичність і добре обробляються тиском. До них належать такі, що зміцнені термічною обробкою (гартуванням і старінням), і такі, що термічно не оброблюються.

Термічно оброблюють дуралюміни — сплави алюмінію з міддю, магнієм і марганцем (Д1, Д16, Д19 та ін., цифри в позначеннях марок означають порядкові номери сплавів).

Не оброблюють термічно сплави алюмінію з марганцем (AMn1, АМп2) і з магнієм (AMg1, AMg2 та ін.).

Із деформівних алюмінієвих сплавів куванням, пресуванням, штампуванням виготовляють листи, дріт, труби, прутки, стрічки, фасонні профілі та деталі.

До деформівних належать також високоміцні (В92, В93), ковкі (АК6, АК8), жароміцні (АК2, Д20) та інші алюмінієві сплави.

Ливарні алюмінієві сплави — мають гарні ливарні властивості, з них виготовляють вироби литтям. До них належать силуміни — сплави Аl + Si (АЛ2, АЛЗ та ін.), магналії — АІ + Mg (АЛ8, АЛ13 та ін.). В позначеннях марок А — алюміній, Л — ливарний сплав, цифри — порядкові номери.

Ливарні сплави використовують для виготовлення блоків і головок циліндрів, арматури, важелів, фасованих деталей тощо.