1236

§ 1. Общие свойства металлов

Из 107 известных в настоящее время элементов периодической системы Д. И. Менделеева примерно 85 — металлы. Почему при­ мерно? Чтобы ответить на этот вопрос, надо указать на свойства, по которым принято относить элемент к металлам или неме­ таллам.

В первую очередь элемент-металл должен обладать следую­ щими физическими свойствами: прочностью и пластичностью (можно ковать, прокатывать), теплопроводностью, электропро­ водностью и характерным светлым цветом. Металлы проводят электрический ток, являясь проводником первого рода. С повыше­ нием температуры их сопротивление возрастает. Электроны в ме­ таллах легко подвижны. Это один из важнейших признаков эле­ мента-металла.

Не менее важны химические свойства металлов. Металлы легко отдают свои подвижные электроны: Me = Ме2++ 2е. Следова­ тельно, они — восстановители. Низшие оксиды металлов обладают

к числу металлов, обладают полным набором указанных свойств. Так, медь и золото окрашены в красный и желтый цвета, как и многие их сплавы. Ртуть при обычных условиях находится в жид­ ком виде. Олово — плохой проводник тока. Оксиды типичных ме­ таллов алюминия и цинка амфотерны. Сурьма, селен, мышьяк — плохие проводники тока и непластичны. Оксиды селена и мышь­ яка (по виду мышьяк — металл) обладают кислотными свойст­ вами. Условно к металлам относят кремний. Он плохо проводит ток, хрупок. Его оксид обладает кислотными свойствами. Вот по­ чему выше называлось неточное число металлов.

Ряд металлов (всего 19) и их сплавов обладает важным для техники будущего свойством сверхпроводимости, т. е. практически отсутствием электрического сопротивления при температурах, близких к нулю по Кельвину.

Часть металлов после получения их в очень чистом состоянии оказалась плохими проводниками и была отнесена к классу по­ лупроводников — веществ, весьма важных в электронике. К по­ лупроводникам принадлежат чистые металлы — кремний, теллур, селен, олово, мышьяк, сурьма, металлоиды — бор, углерод, фос­ фор, сера, многие соединения металлов — MeS, MeО, MeSi, MeSe и Ме\Мв2.

В промышленности принята приведенная ниже исторически сло­ жившаяся система классификации металлов по видам и группам.

Черные металлы. Сюда относятся железо, марганец, хром и ванадий. Эти металлы не требуется выпускать в очень чистом виде. Они применяются в народном хозяйстве в сплавах с угле­

дий). Специальные стали содержат никель, кобальт, вольфрам и другие металлы. Такие стали называют легированными. Ванадий иногда считают тугоплавким цветным металлом.

Цветные металлы (в иностранной литературе нежелезные ме­

основного вещества). Цветные металлы в свою очередь принято

трий, калий (бериллий), кальций, стронций, барий. Плотность лег­ ких металлов составляет 1—3,5 г/см3. Плотность важнейших: алю­ миния 2,7, магния 1,74 г/см3. Иногда в группу легких включают титан (плотность 4,51 г/см3).

III группа — благородные металлы: золото, серебро, платина, рутений, родий, палладий, осмий, иридий. В этой группе нахо­ дятся самые тяжелые металлы: иридий (плотность 22,4 г/см3) и осмий (22,5 г/см3).

IV группа — малые металлы: висмут, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт.

V группа — так называемые редкие металлы. В нее входят 54 ме­ талла. Поэтому ее еще делят на следующие подгруппы:

(плотность 0,53 г/см3, у бериллия 1,84 г/см3); б) тугоплавкие редкие металлы: ванадий, вольфрам, гафний,

молибден, ниобий, тантал, титан, цирконий. В подгруппу входят металлы, имеющие точку плавления выше 1700°С. Среди них са­ мый тугоплавкий металл — вольфрам (точка плавления 3400°С). Иногда в эту подгруппу включают рений (3170°С);

в) рассеянные редкие металлы: галлий, германий, индий, ре­ ний, селен, таллий, теллур. Эти металлы содержатся в концентра­ тах основных металлов (меди и др.) в сотых и тысячных долях процента. Получают их попутно;

г) редкоземельные металлы: иттрий, скандий, лантан и ланта­ ноиды (церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций). Редкоземельные металлы получают в небольших коли-

цовом концентрате). Во всех сульфидных концентратах присутст­ вуют серебро и золото (особенно в медных и свинцовых), селен и теллур. Как примеси цинк, свинец и никель присутствуют в мед­ ном концентрате, медь и свинец — в цинковом и т. д. В цинковом концентрате всегда есть кадмий и часто индий, в свинцовом — тал­ лий, в никелевом — кобальт и платиновые металлы, в молибдено­ вом — рений. Для сульфидных концентратов характерно присут­ ствие сульфидов железа (FeS2, CuFeS2).

2. Окисленные концентраты и руды, в которых металлы при­ сутствуют в виде оксидов (Ti02, Sn02), карбонаты (MeСОз), гид­ раты (А120 з-ЗН20 ), силикаты (Na20-A l2C>3-2Si02), гидратирован­ ные карбонаты (СиСоз-Си(ОН)2), соли (MgCI2-6H20, FeWO-t). Главным образом — это концентраты (руды) алюминия, воль­ фрама, магния, олова, титана. Из окисленных руд получают часть никеля.

3. Концентраты самородных металлов, в которых они нахо­ дятся в металлическом виде. Частицы самородных металлов пред­ ставляют собой не чистые металлы, а условно сплавы часто с плот­ ным налетом (пленкой) на поверхности. Главным образом — это концентраты золота и серебра и платиновых металлов (редко).

Кроме рудного сырья, на заводы поступают отходы металообрабатывающих заводов (стружка, обрезь и др.), вышедшее из строя оборудование с деталями из цветных металлов или их спла­ вов. Литейные заводы получают в качестве отходов изгарь и шлаки. Одни партии вторичного сырья содержат 80—90 % цвет­ ного металла, другие всего около 10%. Себестоимость вторичных металлов обычно низкая. Для высокоразвитых индустриальных стран производство вторичных металлов (меди, свинца, алюми­ ния) достигает 40—50 % от производства первичных.

В сульфидных и окисленных рудах металлы находятся в виде образовавшихся в природных условиях соединений, в самородных рудах — в виде природных сплавов. Все природные соединения и сплавы называют минералами. Состав важнейших минералов при­ веден в табл. 1.

Как следует из краткой характеристики концентратов и руд цветных металлов, практически любой вид сырья содержит не­ сколько ценных элементов. Так, в цинковом концентрате содер­ жатся цинк, сера, кадмий, медь, свинец, серебро, золото, индий, селен, теллур, кобальт, никель, таллий, иногда германий, мышьяк. Такое сырье принято называть комплексным. При его перера­ ботке стремятся к наиболее полному извлечению всех ценных со­ ставляющих в продукцию высокого качества. При более, полном использовании сырья увеличивается прибыль предприятия и улуч­ шаются другие экономические показатели. Наиболее полное ис­ пользование сырья называется комплексным.

Необходимость комплексного использования сырья и получе­ ния продукции высокой чистоты ставят перед металлургом за-

Огнеупорами называются материалы, способные длительно выдерживать ме­ ханические и физико-химические воздействия пыли, шлака и жидкого металла при температуре не ниже 1580 °С.

В зависимости от степени огнеупорности огнеупорные материалы подразде­ ляются на следующие классы: огнеупорные (1580—1770 °С), высокоогнеупорные (1770—2000°С) и высшей огнеупорности (2000°С и более).

Значение огнеупоров в цветной металлургии чрезвычайно велико, так как металлы и их сплавы получают в большинстве случаев при высокой температуре.

§ 1. Основные свойства огнеупорных материалов

Огнеупорность — свойство материала противостоять, не расплавляясь, действию высокой температуры. Она соответствует температуре размягчения материала под действием собственной массы. Однако возможность применения огнеупор­ ных изделий для кладки деталей печи принято определять температурой начала деформации под нагрузкой 196 кПа, не превышающей фактические нагрузки в металлургических печах. Так, шамотные изделия, имеющие огнеупорность не менее 1580—1730 °С и температуру деформации под нагрузкой 196 кПа, равную 1300—1400 °С, применяют в печах, где температура не превышает 1100—1300 °С.

ляться химическому воздействию образующихся в печи продуктов: шлака, штейна, металла, пыли, паров и газов.

По отношению к действию шлаков огнеупоры делятся на группы: кислые, основные, нейтральные.

К кислым огнеупорам относятся динасовый кирпич и кварц. Динасовые изделия весьма стойки к кисТгым шлакам, однако они быстро разъедаются основ­

Эти огнеупоры устойчивы к действию основных шлаков, но разъедаются кис­ лыми.

Нейтральные огнеупоры могут применяться в металлургических печах при кислых и основных шлаках. К нейтральным огнеупорам относится шамот и хро­ митовый железняк, содержащий в качестве основной составляющей FeO-C^O?.

Термической стойкостью называется способность огнеупоров сопротивляться резким изменениям температуры. Это особенно важно для огнеупоров, приме­ няемых для печей с периодическим нагревом и охлаждением.

Термическая стойкость огнеупорных изделий определяется количеством тетг-

вания. Динасовые и магнезитовые изделия имеют наименьшую термостойкость (1—2 теплосмены), магнезитохромитовые (МХС) изделия — наибольшую (12— 15 теплосмен). Низкая или недостаточная термостойкость огнеупорных изделий служит частой причиной их быстрого износа.

Механическая прочность — способность огнеупоров выдерживать механиче­ ские нагрузки при высоких температурах. В металлургических агрегатах огне­ упорная кладка подвергается сжатию под действием собственной массы. Обычно величина усилия сжатия составляет 196 кПа. Огнеупорные изделия должны об­ ладать способностью сопротивляться этому усилию. Ни растягивающих, ни из­ гибающих усилий огнеупоры не выдерживают. Чем выше предел прочности при сжатии того или иного огнеупора, тем лучше его качество. Кроме того, огне­ упорные изделия подвергаются истирающему действию твердых и жидких ма­ териалов в отражательных и вращающихся печах, а также в конвертерах.

Теплопроводность — свойство огнеупоров проводить тепло. Чем выше тепло­ проводность огнеупоров, тем больше тепла будет теряться через кладку печи. В большинстве случаев огнеупорные изделия обладают небольшой теплопровод­ ностью, т. е. являются плохими проводниками тепла.

Пористость. Все огнеупоры пористы. У большинства обычных огнеупоров пористость колеблется в пределах 15—28%. Пористость легковесных огнеупоров составляет 50—80 %. Большая часть пор в огнеупорных изделиях сообщается между собой, выходит на поверхность изделия и может быть заполнена водой. Такие поры называются открытыми. Часть пор в изделиях изолирована и не­ доступна для заполнения водой. Такие поры считаются закрытыми. В связи с этим различают истинную или общую пористость изделий, которую составляют открытые и закрытые поры, и кажущуюся или открытую пористость, которую составляют только открытые поры. Истинная пористость определяется отноше­ нием суммы объемов всех открытых и закрытых пор к общему объему изделия. Кажущаяся пористость определяется отношением объема пор, сообщающихся между собой и внешней атмосферой, к общему объему изделий. Как кажущаяся, так и истинная пористость выражается в процентах. Чем выше пористость огне­ упорных изделий, тем меньше их шла неустойчивость.

Электропроводность. Огнеупорные изделия при нормальной температуре, как правило, являются плохими проводниками электрического тока. При высокой

Постоянство формы и объема — одно из важнейших требований, предъяв­ ляемых к огнеупорам. Если объем кирпичей значительно изменяется во время нагрева, то нельзя рассчитывать на сохранение устойчивости кладки стен и свода печи. Наибольшим постоянством обладают углеродистые изделия, наимень­ шим— динас. Так, при нагревании шамотные изделия сжимаются, динасовые изделия — расширяются. Сжатие приводит к уменьшению прочности футеровки, расширение может вызвать раздавливание кладки. При изготовлении огнеупор­ ной футеровки печи нужно учитывать, что при высокой температуре некоторые огнеупоры склонны к усадке (уменьшению объема) или росту.

К внешним признакам относятся правильная форма огнеупоров, отсутствие кривизны, трещин, оплавлений, отбитости углов и кромок. В изломе качество огнеупоров характеризуется однородностью состава и отсутствием внутренних

и большого формата. К малому формату относятся прямые изделия размером

Огнеупорные материалы выбирают для каждого процесса, исходя из темпе­ ратуры процесса и химических свойств шлака. Учитывают также их стоимость. Сравнительная стоимость 1 т некоторых огнеупоров первого сорта по отношению к стоимости динасовых изделий следующая: динасовый 1; шамотный 0,8—0,9; магнезитовый 1,3—1,5; хромомагнезитовый 1—1,3; периклазохромитовый 1,6— 1,8; карборундовый 1,4—2,8.

При транспортировке огнеупорных кирпичей к рабочим местам на автома­ шинах и на транспортерах они не должны ударяться друг о друга и о детали транспортирующих устройств.

Склады для хранения огнеупоров должны быть закрытыми. Уменьшение сопротивления сжатию после года хранения на открытом воздухе составляет для шамота 27—30 %, для динаса 35%, для магнезитовых изделий 30%.

Огнеупорные изделия в Советском Союзе стандартизованы и делятся на классы и сорта. Ниже рассмотрены свойства огнеупорных изделий, используе­ мых в металлургии.

Динасовые изделия получают путем формовки кирпичей из размолотых квар­ цитов и песчаников, содержащих не менее 93—98 % Si02, с добавлением для связи известкового молока (СаО) с последующим обжигом. Количество СаО колеблется в пределах 1,5—2,5 %, причем для более ответственных сортов динаса оно должно быть минимальным. Динасовые изделия имеют большое распростра­ нение в металлургии; из них набирают своды, поды и стены печей, работающих на кислых шлаках. В табл. 2 приведены химические и механические свойства динасовых изделий.

Особенностью динаса является то, что кремнезем, из которого он состоит, имеет несколько кристаллических модификаций (кварц, тридимит, кристобалит и кремнеземистое стекло), различающихся по плотности и коэффициенту объем­ ного расширения при нагревании. Плотность кварца равна 2,65, тридимита 2,23, кристобалита 2,22—2,32. Температура плавления кремнезема составляет 1713 °С.

Кварц при обжиге динасового кирпича превращается в тридимит в интер­ вале температур 1200—1460 °С. Присутствие в кварце небольшого количества оксида железа (до 1,5%) обеспечивает перекристаллизацию кварца в тридимит. Динас состоит почти полностью из тридимита (плотность 2,23 г/см3). Он стоек по отношению к кислым шлакам и расплавам цветных металлов, имеет значи­ тельное термическое расширение, вследствие чего меняет линейные размеры и объем, с температурой, поэтому при кладке обязательно делают значительные температурные швы. Разогревать и охлаждать динасовую кладку следует осто­ рожно, по специальному графику.

Динас хранят в крытых помещениях, так как под действием атмосферных осадков его качество резко ухудшается.

Шамотные и полукислые огнеупоры. Шамотным кирпичом называют алюмо­ силикатные огнеупорные изделия (28—46 % А120 3). Шамотные изделия готовят из огнеупорных глин с отощающими добавками в виде размолотого шамота. Шамотом называют предварительно обожженную и размолотую огнеупорную глину.

Составной частью шамота, кроме глинозема, является кремнезем, и поэтому шамот, будучи по существу соединением кремнекислоты с глиноземом, является нейтральным. Химические и механические свойства шамотных огнеупоров при­ ведены в табл. 3. Согласно данным табл. 2, при содержании в шамоте 28 % АЬОз огнеупорность его не ниже 1580 °С.

Шамотные изделия, как менее огнеупорные, применяют для кладки обжи­ говых печей, сводов руднотермических печей, наружной кладки стен и подов

ности шамот не рекомендуют применять для кладки частей печи, работающих при температуре выше 1400 °С.

Полукислые огнеупоры содержат не более 25 % А120 3 и не менее 65 % Si02. Изделия из них имеют огнеупорность в пределах 1610—1710 °С. Особенностью полукислых огнеупоров является постоянство объема, полученного в результате роста кварцевых зерен, компенсирующего усадку при обжиге изделий. Остальные свойства полукислых огнеупоров такие, как и у шамота.

Высокоглиноземистые огнеупоры. Высокоглиноземистые огнеупоры содержат

ветственно составляет 1750, 1800 и более 1800°С.

Высокоглиноземистые изделия обладают хорошей сопротивляемостью дей­ ствию кислых шлаков и удовлетворительной — действию основных. Их исполь­ зуют для кладки стен и сводов электрических печей.

§ 3. Магнезитовые огнеупоры

Магнезитовыми огнеупорами называют изделия, содержащие не менее 85 % MgO и не более 4 % СаО. Сырьем для изготовления магнезитового огнеупора служит природный минерал магнезит MgC03, который при нагревании разлагается по реакции MgC03 = Mg0 + C02.

Магнезит обжигают при 1600—1700 °С. Обожженный магнезит состоит на 85—92 % из периклаза MgO. Температура плавления магнезитового кирпича вы­

других соединений снижает температуру его плавления. Преимуществом магне­ зитовых изделий является высокая огнеупорность и стойкость против действия основных шлаков, а недостатком — примерно в 10 раз большая по сравнению с динасом теплопроводность (изделия значительно расширяются при нагревании* что требует при кладке достаточно больших швов).

Магнезитовые изделия применяются для кладки стен, иногда подов метал­ лургических печей. Важнейшие свойства магнезитовых изделий: огнеупорность 2000 °С, температура начала деформации под нагрузкой 196 кПа намного ниже огнеупорности и равна 1500—1600 °С. Термостойкость составляет 1—2 водяные теплосмены.§

§ 4. Хромомагнезит и периклазохромит

Химический состав хромомагнезитовых изделий колеблется в следующих пре­ делах, %: 17—22 оксида хрома и 45—55 оксида магния.