2.1.2. Технологии обогащения руд.

Обогащение руды включает следующие основные этапы:

- дробление и сортировка руд по крупности с целью получения оптимальных для плавки размеров кусков руды;

- обогащение руды — получение концентрата с более высоким содержанием металла в шихте.

Технологии обогащения руд основаны на различии физико-химических свойств минералов, содержащихся в руде, - плотности, магнитной восприимчивости и др. Приведем для примера технологии гравитационного и магнитного обогащения.

Гравитационное обогащение основано на разделении минералов по плотности. Руду погружают в жидкость с плотностью, большей плотности пустой породы. В результате легкие частицы пустой породы всплывают на поверхность и удаляются, а зерна тяжелого рудного минерала осаждаются на дно.

Магнитная сепарация — это отделение железосодержащих минералов, обладающих магнитными свойствами, от немагнитной, пустой породы. Под действием магнитного поля магнитный минерал перемещаются в сторону притягивающего магнита.

Магнитная сепарация применяется для обогащения бедных железных руд, а также для очистки и сортировки стружки, опилок, лома, т.е. вторичного (нерудного) сырья.

2.1.3. Получение слитков металлов и сплавов. Первичная кристаллизация (затвердевание).

Затвердевание - переход металла в твердое состояние из жидкого (т.е. изменение агрегатного состояния вещества) называется первичной кристаллизацией. Это изменение агрегатного состояния возможно только в том случае, если оно сопровождается уменьшением внутренней энергии системы. Таким образом, затвердевание обусловлено стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние.

При равновесной температуре Т_s величины свободных энергий металла в жидком и твердом состояниях равны (рис.2.1). При температуре выше Т_s более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. Процесс кристаллизации будет развиваться лишь в том случае, если жидкий металл охладить ниже Т_s. Температура, при которой практически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации Т_k. Разность между температурами Т_s и Т_k называется степенью переохлаждения:

ΔТ= Т_s – Т_k.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно описать с помощью кривых охлаждения в координатах «время (τ) - температура (Т)».

На рис. 2.2 показаны кривые охлаждения, характеризующие кристаллизацию чистых металлов при охлаждении с разной скоростью (V). Кристаллизация происходит при постоянной температуре, на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации. Во время плавления происходит поглощение теплоты, которая расходуется на повышение энергии атомов, т.е. на «разрушение» кристаллической решетки металла. Эта теплота называется скрытой. В процессе кристаллизации происходит обратное явление, а именно выделение энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации. Она компенсирует тепло, которое отводится в окружающую среду, и задерживает падение температуры.

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения мала и кристаллизации происходит при температуре, близкой к равновесной. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые 2 и 3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, значительно более низких, чем равновесная температура кристаллизации.

Необходимая для кристаллизации степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают зародыши твердых кристаллов.

Процесс кристаллизации происходит следующим образом. В начале во многих участках жидкого сплава образуются зародыши кристаллов. Пока их окружает жидкость, кристаллы растут свободно и могут иметь правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как на контактируемых участках (границах) их рост прекращается. Кристалл растет лишь в том направлении, где он соприкасается с жидкостью. В результате после окончательного затвердевания кристаллы имеют несимметричную (неправильную) форму. Их называют зернами, или кристаллитами.

Скорость процесса кристаллизации определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов.

Под скоростью зарождения центров кристаллизации понимают число зародышей, возникающих в единицу времени в единице объема. Под скоростью роста кристаллов - скорость увеличения линейных размеров кристалла в единицу времени.

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре кристаллизации (Т_s) число зародышей и скорость их роста равны нулю (рис. 2.3) затвердевания не происходит. При увеличении степени переохлаждения эти параметры возрастают и достигают максимума (но при разных степенях переохлаждения). При небольшой степени переохлаждения (см. рис 2.3) число зародышей мало, а скорость роста кристаллов велика. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения (см. рис 2.3) число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.

При весьма больших степенях переохлаждения (см. рис 2.3) число центров кристаллизации и скорость роста равны нулю, так как при низких температурах диффузионная подвижность атомов очень низкая. Кристаллизации при этом не происходит. В результате после затвердевания получается аморфная структура без упорядоченного расположения атомов. В металлах это достигается лишь при очень высоких скоростях охлаждения, тогда как в стеклах такое строение получается при обычных скоростях охлаждения.

Таким образом, скорость охлаждения определяет величину зерна, - чем она выше, тем мельче зерно металла. Металл, имеющий мелкозернистое строение, имеет высокую прочность. Связь между величиной зерна и пределом прочности описывается формулой Петча-Холла:

σ_в = σ₀ + 1/(kd)^1/2 (здесь σ_в – предел прочности, σ₀ и k- постоянные величины материала d – размер зерна).

Охлаждение с высокой скоростью для получения мелкого зерна невозможно для отливок большой массы. В этом случае в жидкий металл вводят модификаторы, которые являются искусственными центрами кристаллизации. Увеличение центров кристаллизации обеспечивает получение мелкозернистого строения. Модификатор, прежде всего, должен более высокую, чем у выплавляемого металла температуру кристаллизации, а также тот же тип кристаллической решетки, что и выплавляемый металл. Модификаторы вводят в жидкий металл в небольших количествах, они практически не изменяют химический состав сплава. В качестве модификаторов при выплавке сталей используют алюминий. При введении в жидкую сталь алюминия происходит следующая реакция: 2Al+Fe₂O₃=Al₂O₃+2Fe. Роль дополнительных центров кристаллизации играет оксид алюминия (Al₂O₃), температура плавления которого (~2000°С) значительно выше, чем у стали.