книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

70

можно соответствующим подбором сечения слитка. Очевидно, что минимальными напряжения в поверхностном слое будут тогда, ко­ гда' отношение его периметра к площади сечения будет наиболь­ шим. В этом случае круглое сечение слитка является наиболее не­ благоприятным.

Поперечные трещины возникают, когда создаются препятствия для продольной усадки слитка при его охлаждении. Это может про­ исходить при низкой технологической дисциплине на участке раз­ ливки (недоброкачественные стаканы и пробки в разливочных ков­ шах, что приводит к переливу стали через верхний край изложни­ цы; раковины и выступы на внутренней поверхности изложницы и т. д.). В таких условиях могут возникнуть продольные растяги­ вающие напряжения в наружном слое.

Плены — наслоения на поверхности — характерны для слит­ ков, полученных разливкой сверху. При такой разливке заплески металла, пристающие к стенкам изложницы, окисляются с поверх­ ности и, захватываемые поднимающейся кверху жидкой сталью, не свариваются с ней. При последующей прокатке эти окисленные включения могут быть закатаны в слиток и образовать плены.

Чтрбы предупредить образование плен, нужно тщательно гото­ вить изложницы под заливку, смазывать их внутренние стенки смо­ лой или графитом, а также принимать меры для уменьшения силы удара падающей струи металла (применяя для этого установку между разливочным ковшом и изложницей промежуточной воронки или малого ковша).

Наружные дефекты стального слитка удаляются обрубкой при помощи пневматических зубил, обдиркой на специальных станках или зачисткой поверхности огневым способом.

н

1

Г л а в а IV. МЕТАЛЛУРГИЯ НЕКОТОРЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

§1. Общая характеристика цветных металлов

ипроцессов их получения

Вразличных отраслях народного хозяйства широкое примене­ ние находят такие металлы, как медь (Си), никель (Ni), цинк (Zn), свинец (РЬ), олово (Sn), титан (Ті), алюминий (AI), магний (Mg). Они применяются не только в чистом виде, но образуют самые раз­ нообразные сплавы, свойства которых в значительной степени пре­ восходят свойства чистых металлов.

Способы получения цветных металлов из руд тяжелых или лег­ ких металлов различны. Для металлургии тяжелых цветных метал­ лов могут применяться пирометаллургические или гидрометаллур­ гические способы.

Суть пирометаллургического способа состоит в расплавлении рудного концентрата и отделении части расплава, в которой удер­ живается выделяемый металл. Так, при пирометалл-ургическом способе получения меди расплавленный медный концентрат обра­ зует два слоя: нижний (штейн) состоит из соединений меди, а верхний (шлак) — из сплавов различных окислов, входящих в пус­ тую породу. Дальнейшее получение Си сводится к переработке штейна.

Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании металла из руды. Для этого нерастворимые в воде соединения, со­ держащие данный металл, при помощи.химических реагентов пере­ водят в водно-растворимые соли. Из полученного раствора металл выделяют электролизом. Например, из медной руды, содержащей медь в виде нерастворимого в воде соединения CuC03C u(0H ) 2 (ма­ лахит), можно выделить водно-растворимый сульфат меди CuS04 при воздействии на руду серной кислотой:

СиСОз • Си (ОН)2+ 2 H2S 0 4= 2C US 0 4+ 3 Н20 + С 02.

к г

Дальнейшее получение Си сводится к электролизу полученного раствора. Пустая порода остается в нерастворимом остатке.

Способы получения легких цветных металлов основываются на одних и тех же принципах: основная масса А1 и Mg получается электролизом расплавленных солей этих металлов.

72

§ 2. Металлургия меди

Медные руды. Медь добывается преимущественно из медных руд, являющихся полиметаллическими, содержащими, кроме меди, Zn, Sn, Fe, Ag, Au и др. В состав пустой породы входят пирит (FeS2), кварц, карбонаты Mg и Са, различные силикаты, содержа­ щие окислы Al, Ca, Mg и Fe. По химическому составу пустой поро­ ды медные руды разделяются на основные, кислые и смешанные. Разнообразный состав пустой породы и множество химических сое­

РУ9°

S

Рис. 37. Флотационная машина

динений, которые может образовывать Си, обусловили наличие в природе очень большого числа рудных минералов (свыше 230). Только очень небольшое количество меди встречается в самородном виде.

Различают две группы медных руд: сульфидные, содержащие

стране около 80% всей добываемой меди выплавляют из сульфид­ ных руд.

.Подготовка руд к плавке. Медные руды подвергаются флотаци­ онному обогащению (рис. 37). Руда в порошкообразном состоянии поступает через бункер 1 в бассейн с проточной водой. Через отвер­ стие 5 в днище и сквозь холст 6 продувается воздух. Благодаря не­ смачиваемости руды водой (в смеси со специальными реагентами)

73

ностью переходит в штейн (до 96—99%). Потеря меди происходит за счет уноса пыли рудного концентрата и за счет перехода в шлак.

Для плавки медной руды, содержащей значительное количе­ ство пирита FeS2. может применяться плавка в шахтных печах. Шахтные печи имеют вертикально расположенное рабочее прост­ ранство, образованное кессонами — металлическими плитами, в полостях которых непрерывно циркулирует вода, охлаждающая стенки. Благодаря этому расплавленная шихта образует на стен­ ках затвердевшую корку, служащую футеровкой. Такое решение

Рис. 40. Медеплавильный конвертор

здесь применено потому, что обычная футеровка из огнеупоров очень быстро разъедалась бы расплавленными шлаками.

Процесс плавления в шахтной печи идет преимущественно за счет сгорания FeS2- Для устойчивости процесса в шихту добавля­ ется кокс (3—4% от веса руды).

По сравнению с плавкой в пламенной печи плавка в шахтной печи отличается меньшим содержанием меди в штейне (75—85%), так как руда не проходит предварительного обогащения, поэтому выход шлака на единицу веса штейна значительно выше.

Переработка штейна в конверторе. Полученный в различных плавильных устройствах штейн сливается в медеплавильный кон­ вертор (рис. 40) для получения черновой меди. Конвертор пред­ ставляет собой стальной кожух 1, имеющий магнезитовую футеров­ ку 9. Через фурмы 8, расположенные по образующей конвертора, вдувается воздух, поступающий из воздухопровода 11. Воздух (в отличие от сталеплавильных конверторов) подводится через боковые фурмы в связи с* высокой теплопроводностью меди, что при подаче воздуха снизу вызвало бы быстрое охлаждение и за­ твердевание расплава. Корпус конвертора охватывается двумялободами 2, опирающимися на две пары роликов 5, вращающихся в опо­ рах 10. От мотора 7 через редуктор приводится во вращение зубча­ тая передача 6, обеспечивающая поворот конвертора на 180° от среднего положения. Заливка штейна и выпуск получаемой меди производятся через горловину 3. Флюс (кремнезем) во время плав­

75

ки подается через отверстие 4 в одной из торцевых стенок. Емкость такого конвертора 15—100 г.

В конверторе окисляется большое количество S и Fe, содержа­ щихся в штейне (до 80% по весу), поэтому длительность процесса доходит до 10— 12 ч и более. Окисление S и Fe сопровождается вы­ делением тепла, поддерживающего в конверторе температуру во время продувки в пределах 1100—1200°.

Процессы, происходящие в медеплавильном конверторе, мож­

Исходя из состава штейна, можно предположить, что одновре­ менно с началом продувки начнет окисляться и полусернистая медь по реакции

2 Cu2S + 3 0 2= 2 CU20 + 2 S 0 2.

Но практически в первый период эта составляющая не окисляется, так как избыток сернистого железа приводит к реакции

Cu20 + FeS = Cu2S + Fe0.

Эту реакцию можно назвать основной для пирометаллургии меди, так как она раскрывает существо процесса: концентрация меди в штейне в виде сульфида Cu2S непрерывно возрастает, а окислы железа непрерывно обогащают шлак.

2. Окисление Cu2S и получение черновой меди. После окисле

Закись меди взаимодействует с оставшейся полусернистой медью, что приводит к получению черновой меди:

2CU20 + Cu2S = 6Cu + S 02.

Черновая медь содержит до 2% примесей, что требует последую­ щего рафинирования.

Рафинирование меди. Существуют два способа рафинирова­ ния черновой меди — огневой и электролитический.

При огневом способе в расплавленную черновую медь по труб­ кам вдувают воздух. В зависимости от степени сродства с кисло­ родом примеси, входящие в медь, окисляются в такой последова­ тельности: AI, Si, Mn, Zn, Sn, Fe, Ni, As, Sb, Pb, Bi, Cu. При этом часть примесей в виде окислов уходит в шлак (Fe203, А120 3, Si02), а часть удаляется с газами (PbO, ZnO и др.). Чтобы не окислялась медь (4 CU + 0 2-*2 CU20 ), на ванну металла насыпают слой древес­ ного угля и начинают восстановление окислов меди, находящихся

77

в расплаве. Для этого опускают сырые сосновые или березовые бревна, при перемешивании которыми в ванне происходят реакции:

CU20 + C->2CU + C0;

Cu20 -Ь СО—>-2Cu+ С 02.

Эта операция из-за выделения пузырьков газа вслед за переме­ щением бревен получила название «дразнение». Энергично выделя­ ющиеся пузырьки СО, С 02 и паров воды способствуют перемеши­ ванию меди и удалению из нее SÖ2 и других газов.

-Огневое рафинирование обеспечивает получение слитков со степенью чистоты 99, 5—99,7%.

Черновую медь, предназначенную для электролитического ра­ финирования, после выпуска из конвертора отвозят в ковше на ленточную разливочную машину. В изложницах, закрепленных на конвейере этой машины, медь затвердевает в виде Т-образных слит­ ков — «анодов» — весом 200—350 кг, которые после остывания опускают в ванны, выложенные внутри листовым свинцом (свинец часто заменяют пластмассами, например хлорвинилом). Между анодами подвешивают тонкие листы электролитически чистой меди (катоды). Ванна заполняется электролитом, состоящим из 10— 16%-ного водного раствора CuS04 с добавкой 10—16% H2S 0 4. При пропускании тока происходит растворение анода и осаждение меди на катоде.

Постоянный ток, применяемый для электролиза, имеет плот­ ность 150—200 а на 1 м2 катодной поверхности. Длительность элек­ тролиза около 20 дней. В нерастворимый осадок (шлам) переходят примеси, содержащиеся в черновой меди. Рафинированная этим способом медь содержит до 99, 98% Си.

Обычно электролизу предшествует огневое рафинирование, что уменьшает затраты на переработку и повышает качество меди.

§ 3. Металлургия алюминия

Общие сведения. Производство алюминия — одна из наиболее энергоемких отраслей металлургии: для получения 1 тметалла рас­ ходуется до 20 тыс. кет • ч электроэнергии.

Получение алюминия сводится к извлечению его из окиси алю­ миния А120 3 (глинозем) путем электролиза расплава глинозема и криолита (Na3AlFe). Электроды, применяемые для электролиза, должны быть изготовлены из очень чистых углеродистых материа­ лов.

Металлургия алюминия включает четыре самостоятельных производства: 1) получение чистого глинозема (из алюминиевых руд); 2 ) получение криолита и других фтористых солей; 3) произ­ водство угольных электродов; 4) электролиз расплава, содержа­ щего глинозем. Основными из них являются производство А120 3 и получение из него металлического алюминия. О масштабе этих производств можно судить по следующим цифрам: для получения

73

1 r Al нужно израсходовать около 2 тглинозема (или около 6 тбок­ ситов), 100 кг фтористых солей и 700 кг угольных электродов.

Производство глинозема. Основной алюминиевой рудой, слу­ жащей для получения чистого глинозема, являются бокситы, в со­ став которых входят гидроокислы алюминия А120 3 • Н20 и А120 3Х ХЗН20, различные окислы типа Fe203, Si02, Ті02, CaO, MgO, а так­ же соединения Na, К, Cr, Р, V и др. Качество бокситов тем выше, чем больше в них А120 3 и чем меньше Si02. Разнообразный харак­ тер и различное количество примесей, входящих в состав бокситов, а также амфотерность окиси алюминия обусловили чрезвычайное многообразие способов получения глинозема. Амфотерность А120 3 проявляется в одинаковости щелочных и кислотных свойств. С раст­ ворами кислот гидроокись алюминия реагирует как основание, об­ разуя алюминиевые соли этих кислот, например:

А120 3 • 3 Н20 + 6 НС1 = 2 АІСІз + 6 Н20.

С растворами щелочей гидроокись алюминия реагирует как кислота, образуя щелочные соли — алюминаты, например:

А120 3 • 3 Н20 + 2 NaOH = Na80 • А120 3+ 4 Н20.

Все многообразие способов получения глинозема можно свести к трем группам: щелочные, кислотные и электротермические. В на­ шей стране распространены щелочные способы.

Мокрый щелочной способ применяется для получения глинозе­ ма из окислов, содержащих не свыше 5% Si02. Просушенный бок­ сит измельчают в шаровых мельницах, и полученную муку выще­ лачивают концентрированной щелочью NaOH в автоклавах. Авто­ клав представляет собой металлический цилиндр диаметром 1,6— 2,3 м и высотой 8 м, имеющий герметически закрывающиеся крыш­ ки, через одну из которых может подводиться пар при давлении 8—12 ати и температуре около 250°.

Гидроокись алюминия в автоклаве взаимодействует с едким натром по реакции

А120 3 • 3 Н20 + 2 NaOH = Na20 • А120 3+4 Н20.

Раствор алюмината натрия (Na20*A l20 3) в виде пульпы поступает на дальнейшую обработку.

Окислы железа, титана и кальция, содержащиеся в рудах, поч­ ти не растворяются и оседают в автоклаве в виде шлама. Сложнее удалить такую вредную примесь, как Si02. Кремнезем реагирует в автоклаве с NaOH и образует силикат натрия:

Si02+ 2 NaOH = Na20 • Si02+ H 20.

Удаление в осадок силиката натрия происходит при его взаимодей­ ствии с алюминатом натрия, находящимся в растворе:

2 (NasO • Si02) -f Na20 • AlА + 4 Н20 =

= NaaO • ALA, • 2 Si02 - 2 Н20 + 4 NaOH.

I

79