Металлургия цветных металлов

во внешнюю среду, достигается максимальная теорети­ ческая температура горения.

Практически такие условия создать трудно, часть тепла теряется и температура горения tr ниже теорети­ ческой U. Отношение этих величин — пирометрический коэффициент — всегда меньше единицы:

Потери тепла пропорциональны времени, поэтому чем больше скорость горения, тем ближе л к единице. Прак­ тически эта величина колеблется в пределах от 0,62 до 0,82.

Пирометрический коэффициент можно повысить, при­ меняя для сжигания топлива предварительно нагретый воздух или воздух, обогащенный кислородом.

Скорость основной реакции горения углерода зависит от величины поверхности топлива, если оно твердое или жидкое. Чем больше эта поверхность на единицу массы, тем лучше условия доступа кислорода и выше скорость горения.

Для быстрого сжигания газа необходимо хорошее пе­ ремешивание его с воздухом, достигаемое при турбулент­ ном, вихревом их движении.

В металлургии топливо часто сжигают в том же печ­ ном пространстве, где перерабатывается руда. Для луч­ шего использования печей объем топлива и его расход должны быть малыми. Для металлургии нужно высоко­ калорийное и малозольное топливо: зола может за­ грязнять продукты переработки. Лучшие виды металлур­ гического топлива: газ, мазут, кокс и высококалорийный каменный уголь.

Природный газ

Природный газ содержит от 50 до 97% метана и дру­ гих горючих углеводородов состава С„Нт , негорючих при­ месей в нем обычно не больше 3—10% (СОг, N2 и др.).

Месторождения газа в нашей стране разведаны близ Баку, Грозного, Саратова, Дашавы и в других районах. Уже в 1964 г. Южный и Средний Урал получили бухар­ ский газ, а на Средний Урал поступил еще и березовский газ.

Газификация цветной металлургии была начата

в1958 г. Современная потребность цветной металлургии

вгазе еще невелика, но она уже оценивается в 10 млрд, м3 газа в год. Более широкому использованию газа в ме­ таллургии пока препятствует отсутствие разветвленной сети газопроводов, строительство которой быстро про­ должается.

Н е ф т ь

Нефть состоит из смеси различных углеводородов. Она служит не только топливом, но и ценным сырьем для химической промышленности. Сначала нефть перегоняют,

извлекая легкокипящие ценные вещества: бензин, керо­ син, лигроин и газойль. Остаток от перегонки — мазут содержит около 85% углерода и 12% водорода^ Ма­ зут— прекрасное жидкое топливо с теплотворной спо­ собностью около 41800 кдж/кг (10 000 ккал/кг) и ценное сырье для дальнейшей переработки на смазочные масла и гудрон, поэтому с применением мазута во многих ме­ таллургических переделах можно согласиться только до широкого освоения природного газа.

Быстрое сжигание топлива способствует получению высоких температур; при этом меньше тепла успевает уйти через стены печи во внешнюю среду. Для быстрого сжигания мазут пульверизируют сжатым воздухом и вду­ вают в печь распылителем — форсункой (рис. 6). Мел­ кие капли мазута сгорают налету, образуя факел. Воз­ духа, которым вдувают мазут (первичного), не всегда достаточно для полного сжигания; дополнительный (вто­

ричный) воздух подают отдельно от первичного разны­ ми способами.

Каменный уголь

Каменный уголь имеет много разновидностей, отли­ чающихся содержанием свободного углерода, углеводо­ родов, золы и смолоподобных веществ — битумов. При нагревании каменного угля без доступа воздуха угле­ водороды улетучиваются, а при доступе воздуха сгора­ ют, образуя пламя. Угли с высоким содержанием угле­ водородов относят к длиннопламенным (до 45% лету­ чих) , а при малом их содержании — к тощим. Если нуж­ ны высокие температуры, каменный уголь, преимущест­ венно длиннопламенный, сжигают в пылевидном состоя­ нии. Для этого уголь дробят и измельчают до крупности около 0,05 мм, а затем вдувают в печь сжатым воздухом через особые горелки. Частицы угля быстро сгорают налету, подобно каплям мазута.

Теплотворная способность пылеугля должна быть не ниже 25140 кдж (6000 ккал), зольность не выше 15%, а содержание летучих желательно более 25%. Горелка для пылеугля показана на рис. 7.

Кокс

Для некоторых металлургических печей требуется твердое кусковое топливо. Оно должно быть прочным, а для быстрого сгорания — и пористым. Каменный уголь довольно прочен, но от нагревания растрескивается; кроме того, он плотен и горит медленно.

Кокс делают из особых сортов каменного угля, со­ держащих битумы. Уголь измельчают до крупности око­ ло 5 мм, увлажняют и загружают в камеры коксовых пе­ чей. Герметично закрытые камеры нагревают снаружи до 900—1000° С. Летучие вещества отводятся в холо­ дильники, где из них конденсируются ценные химические продукты (смолы, бензол, толуол и др.), а горючий кок­ совый газ выводится из холодильника.

От расплавления и последующего затвердевания би­ тумов уголь в камерах спекается в сплошную пористую массу — кокс. Выгруженный кокс тушат — охлаждают водой и дробят, после чего он получается в виде проч­ ных пористых кусков серебристо-серого цвета с тепло­ творной способностью около 26170 кдж/кг (6500 ккал/кг).

Коксовый газ, состоящий из водорода (50%), ме­ тана (27%) и других углеводородов, может служить хо­ рошим топливом, теплотворная способность его около 18800 кдэ1с/мг (4500 ккал/мъ). Часть коксового газа идет на нагревание косковых печей, остальной использу­ ют как топливо для других нужд.

Расчет расхода воздуха и выхода дымовых газов при горении топлива

Нижний ряд цифр получен делением процентного содержания на атомную или молекулярную массу

Исходя из основных реакций горения:

С + О2 СОг,

2Нг + 0 2-> 2 Н 20 ,

S + О2 — SO2,

находим необходимое количество киломолей кислорода воздуха и вы­ читаем из него количество кислорода, содержащегося в топливе. Кислорода воздуха потребуется, кмоль:

6 ,1 9 + —~ ~ + 0,06 — 0,05 = 7,08.

В воздухе 21% 0 2 и 79% N2 по объему. Молярное отношение вы­ ражается теми же цифрами: 1 кмоль всякого газа имеет объем, рав­ ный 22,4 м3. Поэтому с кислородом поступает азота, кмоль:

79

7,08- — = 26,65.

Воздуха потребуется

7,08 + 26,65 = 33,73 кмоль,

или

33,73-22,4 « 7 5 5 м\

Выход дымовых газов определяем по тем же реакциям, сумми­ руя азот топлива с азотом воздуха, а воду, полученную от сгорания водорода, с влагой топлива.

Получим дымовых газов:

1 Атомная масса и молекулярная масса — новые, рекомендован­ ные Международной организацией стандартизации названия атомно­ го и молекулярного весов. Исторически сложившиеся названия «мо­ лекулярный вес» и «атомный вес» неточно отражают физический смысл этих величин.

О бъем ды мовы х газов, м3:

34,91 -22.4 = 782.

Расчет проведен при теоретическом расходе воздуха, а для бы­ строго и полного горения нужен избыток его, обозначаемый коэф­ фициентом а

Например при о = 1,5 воздуха потребуется, м3:

755-1,5=1133.

§ 7. Огнеупорные материалы

Огнеупорными называют строительные материалы, не плавящиеся при высоких температурах, до 1600° С. Огнеупорность определяют по характеру начальной де­ формации образца стандартной формы, нагреваемого при постепенно возрастающей температуре.

Помимо огнеупорности, эти материалы должны об­ ладать термической стойкостью — не растрескиваться при резких изменениях температуры, и химической стой­ костью против действия шлаковых и солевых расплавов. В зависимости от применения оценивают также плот­ ность, теплопроводность и электропроводность огнеупор­ ных материалов.

Сырьем для производства наиболее ходовых огне­ упорных изделий служат тугоплавкие окислы, а также химические соединения окислов алюминия и кремния, по­ лучаемые прокаливанием огнеупорных глин. Например, температуры плавления А120 3— 2050° С; SiC>2 — 1713° С; MgO — 2800° С; СаО — 2570° С; Сг20 3 — 2275° С.

Для изготовления кирпича или других изделий исход­ ные окислы смешивают с небольшими количествами свя­ зующих веществ — глины или извести и увлажняют. Из полученной после хорошего перемешивания однородной массы прессуют изделия, которые затем медленно сушат, избегая растрескивания, и обжигают в особых печах, по­ степенно повышая температуру до 1350—1600° С (в за­ висимости от состава и сорта). После выдержки при этой температуре следует медленное охлаждение.

Химическая природа окислов, входящих в огнеупор­ ные материалы, различна. Окислы кальция и магния — основания, двуокись кремния имеет кислотные свойства, а окись алюминия амфотерна: в зависимости от среды она проявляет либо кислотные, либо основные свойства.

Ш а м о т н ы е и з д е л и я делают из огнеупорной гли­ ны, главная составляющая которой каолинит АЬОз • •2Si02*2H20. Глину обжигают при 1400°С, отчего она теряет воду и превращается в шамот, химическая форму­ ла которого 3 AI2O.3 • 2SiC>2. При смачивании водой шамот уже не становится пластичным, подобно глине. Измель­ ченный шамот смешивают с водой и свежей глиной, слу­ жащей связующим. Полученную при этом густую массу мнут и подают на формовку, сушку и обжиг.

Огнеупорность шамотных изделий сравнительно не­ велика — не превышает 1730° С, но они дешевы и находят широкое применение в металлургии. По химическим свойствам шамот нейтрален. Чем больше содержание AI2O3 в шамоте, тем выше его огнеупорность. Для получе­ ния наиболее огнеупорного высокоглиноземистого шамо­ та в состав сырой массы добавляют технический глино­ зем AI2O3.

М а г н е з и т о в ы е и з д е л и я получают из природно­ го магнезита, который для удаления углекислоты снача­ ла обжигают при температуре 1600° С:

MgCC>3— MgO -j- СО2.

Связующим веществом служит также окись магния, но полученная обжигом при 900° С. Переделы, необходимые для изготовления изделий, те же: мятие, формовка, суш­ ка и обжиг.

Магнезитовые изделия стойки до 2000° С, они облада­ ют химическими свойствами оснований. Отличительные особенности магнезитовых изделий: малая термостой­ кость (плохо переносят резкие изменения температуры) и сравнительно высокая плотность (3,65 г/см3).

Д и н а с о в ы е и з д е л и я получают из чистого квар­ цевого песка. В качестве небольшой связующей добавки применяют огнеупорную глину. Динас —это огнеупор кислотного характера с огнеупорностью около 1710° С

ис высокой термостойкостью.

Вопросы для самопроверки

1.Кто был основателем металлургии как науки? Менделеев, Лавуазье, Ломоносов, Пруст.

2.Какие металлы выплавляли в России до Октябрь­ ской революции?

Со, Си, W, Al, Mg, Ag, Zn, Ti, Pb.

РАЗДЕЛ I

ТЯЖЕЛЫЕ ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

§8. Применение тяжелых металлов

исплавов

Медь, никель, свинец, цинк и олово у нас называют тя­ желыми металлами. Это название возникло в период ин­ дустриализации страны в связи с понятием «тяжелая промышленность» и с ее значением для развития народ­ ного хозяйства. Вместе с тем такое название удачно от­ личает тяжелые металлы от столь же важного алюминия и других легких металлов, имеющих меньшую плотность.

Условной границей между тяжелыми и легкими ме­ таллами считают плотность, равную 5000 кг/мй. В ино­ странных языках нет аналогичных наименований, обоб­ щающих эти группы металлов; однако значение их в технике повсюду признается первостепенным после же­ леза.

Железо издавна стало основным материалом для строительных конструкций, машиностроения и транспор­ та. Однако уже в XIX в. с развитием новых отраслей промышленности и техники выявились некоторые его не­ достатки. Разумеется, речь идет не о чистом железе, а о его промышленных сплавах — чугунах и сталях. Обла­ дая большим разнообразием ценных свойств, обычные чугуны и стали вместе с тем недостаточно стойки против коррозии на воздухе и особенно под действием воды, рас­ творов солей и кислот, мало теплопроводны, мало элёктропроводны и обладают довольно высоким коэффициен­ том трения.

Тяжелые цветные металлы и их сплавы с начала XIX в. стали заменителями железа в тех отраслях произ­ водства, где требовались особые свойства, недостаточно выраженные у чугуиов и сталей.

Медь

Медь имеет высокую электропроводность и теплопро­ водность. По показателям этих свойств она уступает только серебру. Пластичность меди позволяет легко обра­ батывать ее прокаткой, штамповкой и волочением. С развитием электротехники медь стала основным ма­ териалом для проводов, шин, контактов и других токо­ проводящих изделий.

Высокая теплопроводность меди позволяет применять ее во всяких устройствах, проводящих тепло,— в нагре­ вателях и холодильниках. В химической промышленности из меди делают змеевики для нагревания или охлажде­ ния растворов, варочные котлы, трубопроводы и другие детали аппаратуры.

(-Даже малые примеси других элементов сильно снижа­ ют электропроводность, теплопроводность и коррозион­ ную стойкость медш! Для полного использования этих свойств необходим металл, содержащий не более 0,05% примесей.

Однако чистая медь слишком мягка для строительных конструкций, деталей машин и арматуры. Сплавы ее с другими металлами имеют значительно большую проч­ ность и твердость, многие из них превосходят медь и по другим ценным свойствам, например по коррозионным и антифрикционным.

Сплавы меди с 10—40% Zn — латуни дешевле чистой меди. Вместе с тем они хорошо обрабатываются давле­ нием и резанием, более прочны, тверды и стойки против коррозии. Небольшие добавки железа, алюминия и мар­ ганца в различных комбинациях придают латуням еще большую прочность и твердость, а присадки олова, алю­ миния, марганца и никеля усиливают антифрикционность. В виде листов, прутков, труб и разных отливок ла­ туни широко применяются в химическом и общем маши­ ностроении, судостроении и военной технике.

Бронзами раньше называли только сплавы меди с 6—20% Sn, известные высокими механическими свой­ ствами, коррозионной стойкостью и антифрикционно-