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

Как видно из этой реакции, удаление Si02 требует расхода А120з и NaOH (на 1 кг Si02, содержащейся в боксите, расходуется 0,85 кв АЬОз и 0,67 кг NaOH). Поэтому боксит, содержащий свыше 5% SiÖ2, этим способом перерабатывать нерентабельно.

Пульпа из автоклава после фильтрации сливается в цилиндри­ ческие баки — отстойники, где при длительном и медленном пере­ мешивании из алюмннатного раствора выпадает осадок гидроокиси алюминия. Для протекания этого процесса в отстойник вводится затравка — кристаллическая гидроокись алюминия, служащая ка­ тализатором. Выпадение осадка идет по реакции

Na20 • AlА -г 4 Н20 —>2 NaOH + 2 Al (ОН)3.

Полученный гидрат окиси алюминия тщательно промывают, филь­ труют и направляют на завершающую операцию — прокаливание (кальцинацию). Применяемые для этого наклонные вращающиеся печи имеют длину 50—70 м, диаметр 2,5—3,5 м. При медленном вращении печи ( 1—2 об/мин) засыпанная гидроокись постепенно перемещается в зону высоких температур (до 1200°), что приводит к получению чистого глинозема:

2 А1 (ОН)3 А120 3 + 3 Н20.

Сухой щелочной способ состоит в том, что прщ прокаливании тонко измельченного боксита и соды до температуры 1200—1300° получается спек, содержащий алюминат натрия:

АІ20з + Па2С0з = Па20 ■ АІ2О3 + СО2.

Из этой спекшейся массы алюминат натрия выщелачивается горя­ чей водой. Полученный алюминатный раствор продувают углекис­ лотой, получая в осадке гидроокись алюминия:

Na20 • АІ203+ ЗН20 + С02 = 2А1 (0 Н )3+ Na2C 03.

Осадок промывают и прокаливают для получения глинозема. Сухой щелочной способ (спекание) применяется для переработки высоко­ кремнистых бокситов, нефелинов (Na20 • А120 3 • 2Si02) и некоторых других материалов.

Алюминатно-кальциевый способ имеет две стадии — электро­ металлургическую и химическую. В начале процесса боксит в смеси с известью и коксом расплавляется в мощных электрических печах. При этом образуются два жидких слоя — металлический сплав (Fe и Si) и шлак, состоящий из CaQ -Al20 3. Шлак легко отделяется и после охлаждения поступает на дробилку. Измельченный шлак вы­ щелачивают содовым раствором, в результате чего образуется алюминат натрия:

СаО •А120 з+ Na2C 03= Nа20 •А120 34-СаС03.

Дальнейшее получение АІ20з из алюмннатного раствора произво­ дится аналогично вышерассмотренным способам.

80

Производство криолита. Выше мы познакомились с некоторы­ ми технологическими схемами получения AI2O3. Казалось бы, даль­ нейшее выделение алюминия из этого соединения можно провести за счет простой реакции восстановления, действуя таким восстано­ вителем, как углерод. Однако при подобной реакции алюминий сое­ диняется с восстановителем, образуя карбид АЦС3 . Можно предпо­ ложить, что алюминий выделится при электролизе водного раст­ вора какой-нибудь его соли. Однако при таком процессе па катоде будет выделяться более электроположительный водород, а не алю­ миний. Следовательно, электролит не должен содержать ионов во­ дорода и быть по составу таким, чтобы при электролизе алюминий в нем являлся более электроположительным, че-м остальные компо­ ненты.

Этим условиям отвечают некоторые фтористые соли, особенно криолит NasAlFß. Электролиз расплава, состоящего из глинозема и криолита, является основным способом выделения металлическо­ го алюминия. Криолит получают из плавикового шпата CaF2 после его предварительного обогащения. Схема производства криолита включает следующие этапы.

1. Получение плавиковой кислоты в трубчатых вращающихся печах (при / = 200°):

CaF2+ H 2S 0 4= C aS04-|-2 HF.

2. Получение фтороалюминиевой кислоты в специальных баш­ нях при взаимодействии HF с гидратом окиси алюминия:

12HF + 2A1 (0Н ) 3 = 2НзА1Рб+ 6Н20.

Производство угольных электродов. Для подвода тока при электролизе глиноземного расплава и для футеровки внутренней поверхности стенок электролизера применяются угольные электро­ ды и плиты. Исходными материалами для их производства являют­ ся твердые углеродистые материалы (антрацит, нефтяной или смо­ ляной кокс) и связующие вещества (например, пек — продукт перегонки каменноугольной смолы). Измельченные и смешанные в надлежащих пропорциях исходные материалы прессуются, а затем подвергаются обжигу с нарастанием температуры до 1400° по опре­ деленному графику (длительность процесса около 200 ч) , после чего медленно охлаждаются. При обжиге происходит размягчение и кок­

81

сование пека, который скрепляет зерна твердых углеродистых материалов.

Электролиз глинозема. Электролизер для электролиза глино­ зема (рис. 41) состоит из металлического корпуса 1, имеющего теп­ лоизоляционную футеровку 2 и выложенного внутри угольными плитами 3 и блоками 10. Нижние блоки имеют каналы, в которых проходят катодные шины 9. Угольные электроды 4 частично погру­ жены в электролит 6, состоящий из глинозема и криолита. По мере

ю

Рис. 41. Электролизер

расхода электроды постепенно опускаются, а верхняя часть их на­ ращивается.

При электролизе на поду ванны (на катоде) осаждается рас­ плавленный алюминий 8. За счет выделяемого тепла электролит в рабочем объеме ванны поддерживается в жидком состоянии, а на стенках затвердевает в виде гарнисажа 7. На поверхности ванны электролит образует твердую корку 11. На эту корку насыпается глинозем 5, который пополняет ванну по мере расходования глино­ зема из расплава. Криолит, входящий в состав расплавленного элек­ тролита, понижает температуру плавления. Например, электролит,

Производительность электролизера зависит от режима процес­ са. В электролизере, работающем при напряжении 4,3—4,5 в і^силе тока 50000 а, выделяется в сутки около 350 кг А1.

Осаждающийся на поду электролизера алюминий периодиче­ ски (раз в трое-четверо суток) извлекается вакуум-ковшом, после чего рафинируется двумя способами — переплавкой в электропечах сопротивления с продувкой хлором или специальной электролити­ ческой очисткой.

82

пую электропечь. В этих печах при ^ = 800—900° производится обра­ ботка брикетов хлором, что приводит к образованию MgCl2:

MgO + Cl2+ С = MgCl2+ СО;

MgO + С12+ СО = MgC 12+ С 02.

Электролитическое выделенйе Mg производится в плотно за­ крытых ваннах (рис. 42), сваренных из стальных листов 1, футеро­ ванных внутри шамотом 2. На катодах 5 выделяется расплавленный магний 6, всплывающий на поверхность электролита 7. На аноде — графитовом стержне 9 — выделяется хлор, который через хлоропровод 4 отводится для нужд производства (например, для хлори­

рования MgO). Огнеупорная шамот­

лем», в силу чего магний легко всплывает на поверхность электро­ лита.

Для электролиза применяют ток напряжением 5'—5,6 в и силой 30000—50000 а. Кроме представленной на рисунке схемы с боко­ вым вводом графитового анода 9, существуют ванны с верхним под­ водом анодов. Магниевые ванны работают непрерывно 12—14 меся­ цев, после чего останавливаются на ремонт (смена диафрагмы, вос­ становление футеровки, замена анодов и т. д.). Ванны соединяются между собой последовательно в серии из 60—100 штук.

На получение 1 т магния-сырца расходуется 4,5—4,7 т MgCl2, около 25 кг анодов и до 18000 кет • ч электроэнергии.

Из катодного пространства магний извлекают при помощи вакуумного ковша 2—3 раза в сутки, после чего заливают расплав­ ленный хлористый магний, и процесс продолжается. Оседающий на дно ванны шлам удаляется по мере накопления раз в 2—3 дня.

Рафинирование магния. Магний-сырец, полученный в резуль­ тате электролиза, может содержать примеси как металлические (Fe, К, Na и др.), так и неметаллические (СаС12, MgCl2, NaCl, KCl и др.). 'Поэтому магний перед разливкой в слитки подвергается рафинированию.

84

■Неметаллические примеси могут быть удалены переплавкой в тигельных печах вместе со специальными флюсами, подобранными так, что они могут с неметаллическими включениями образовывать шлак, температура затвердевания которого составляет 710—690э. Таким образом, по мере остывания расплава образуется корка шла­ ка, под которой находится очищенный магний (/„л = 651°). Пробив корку, наклоном тигля рафинированный магний разливают в фор­ мы для получения слитков.

Однако наилучшие результаты (до 99,99% Mg) дает рафини­

где, соприкасаясь с более холодными стенками (температура 450— 500°), оседают па них в виде друз магния 9. По окончании процес­ са рафинирования магний переплавляется и разливается в слитки.

Производство магния термическим методом. Термическим спо­ собом магний восстанавливается из каустического магнезита или доломита при высокой температуре и глубоком вакууме различны-: ми восстановителями (кремнием, углеродом и др.). Существует не­ сколько вариантов термического способа, отличающихся видом восстановителя, применяемого сырья и технологического оборудованияу Но при любом варианте производство Mg включает следую­ щие процессы: 1) подготовку исходных материалов; 2 ) восстанов­ ление Mg, его возгонку и конденсацию; 3) расплавление получен­ ных друз магния и получение слитков.

Рассмотрим схему силикотермического способа получения Mg в ретортных печах (рис. 44). Реторта 1, отлитая из жаропрочной

85

хромоникелевой стали, установлена в торцевой стенке 2 нагрева­ тельной печи. Водоохлаждаемая камера 3 создает зону конденса­ ции. Вакуум (не свыше 0,1 мм рт. ст.) создается путем отсоса воздуха через патрубок 4. Исходная шихта 9 представляет собой бри­ кеты, спрессованные из смеси доломита (или магнезита) и ферро­ силиция. После загрузки шихты головка реторты плотно закрыва­ ется крышкой 5, и затем из реторты откачивается воздух. Глухая часть реторты нагревается в печи за счет сжигания газа, Жидкого

Вода

Рис. 44. Ретортная печь

топлива или путем электропагрева до температуры 1150—1170°. При этом магний восстанавливается по реакции

2MgO + 2CaO+ (Fe)Si= (2CaO) • Si0 2+ 2Mg+ (Fe).

Восстановленный магний сублимируется, и пары его, поступая в конденсатор (t —475—550°), осаждаются на стенках стального разъ­ емного цилиндра 6 в виде друз 7. Радиационный экран 8 предохра­ няет конденсатор от нагревания за счет лучеиспускания раскален­ ной шихты. По окончании цикла вакуум-насосы отключают, снима­

MgO + CaC2= Mg + CaO + 2 С.

Длительность рабочего цикла для реторты емкостью 100 кг шихты составляет около 10 ч. Производительность двадцатиреторт­ ной печи 600—700 кг магния в сутки.

66

§ 5. Понятие о произв одстве т и т а н а

Титан в природе входит в состав более 70 минералов, что обу­ словливает разнообразие способов его получения. Являясь одним из самых активных в химическом отношении элементов, титан лег­ ко соединяется с кислородом, азотом и углеродом, образуя устой­ чивые окислы, нитриды и карбиды.

Прямое восстановление титана из окислов не может иметь про­ мышленного значения, так как он при высоких температурах сам отнимает кислород от большинства окислов. Кроме того, восстанов­ ленный титан с большинством восстановителей образует химиче­ ские соединения или твердые растворы. Поэтому извлечение его из руд представляет большие трудности.

Важнейшим исходным сырьем для производства титана явля­ ются рутил Ті02с содержанием титана около 60% и ильменит FeOX ХТІ02 с содержанием титана около 32%. Обогащение руд перед их переработкой производят флотацией или магнитной сепарацией. Одним из основных способов получения металлического титана яв­ ляется магниетермический, включающий две стадии: 1) хлориро­ вание ТЮ2 и получение тетрахлорида титана ТіС14; 2) получение из ТІСІ4 металлического титана.

Из обогащенного концентрата Ті02 в смеси с древесным углем

ной цилиндр 1, футерованный изнутри динасовым кирпичом 2. На­ грев до 800° производится нагревательными графитовыми элемен­ тами сопротивления 3. Брикеты рутила 5 загружаются в печь через загрузочный бункер 6, а хлор подается снизу через па­ трубок 4.

В результате процессов хлорирования, протекающих в нижней части печи, образуются пары тетрахлорида ТіС14, которые по трубо­ проводу 7 поступают в пылеочиститель 8 и оттуда в конденсатор 9, где, охлаждаясь, превращаются в жидкость. Жидкий ТіС14 после отстаивания подвергается. дальнейшей очистке путем фильтрации и ректификации. После ректификации ТіС14, имеющий вид бесцвет­ ной жидкости, поступает для восстановления из него титана в спе­ циальные печи — так называемые реакционные аппараты, или ре­ акторы (рис. 45, б).

В реакционный стакан /, установленный внутри корпуса реак­ тора 3, загружают чушки Mg высокой чистоты. Затем реактор гер­ метически закрывают крышкой 6, откачивают из него воздух и за­ полняют весь объем камеры инертным газом (аргоном). После это­ го включают электронагреватель 4 (спираль сопротивления) и по достижении в камере температуры 850—950° по трубе 5 вводят

87

Г л а в а V. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

§ 1. Общие сведения

Литейным производством называется технологический процесс изготовления металлических заготовок (отливок) путем заливки жидкого металла в специально приготовленные формы. Форма за­ полняется металлом через систему каналов, называемую литнико­ вой системой. При этом наружные очертания отливки определяются полостью формы, а внутренние образуются фасонными вставками, называемыми стержнями.

После затвердевания отливки ее извлекают из формы, освобож­ дают от литниковой системы, очищают и направляют на механиче­ скую обработку. В ряде случаев отливки предварительно проходят термическую обработку.

Литейные формы изготавливаются из различных материалов и в зависимости от свойств последних могут использоваться только один раз или многократно. Формы, используемые для получения одной отливки, называются разовыми (эти формы разрушаются при извлечении из них отливки). Формы, используемые для получе­ ния сотен и тысяч отливок, называются постоянными (они обычно выполняются металлическими). Некоторое применение находят полупостоянные формы, изготавливаемые из высокоогнеупорных материалов и используемые несколько десятков раз.

Разовые формы изготавливаются из песчано-глинистых, пес­ чано-смоляных и песчано-керамических смесей. Такие формы могут выполняться объемными (большой толщины) или оболочко­ выми (небольшой толщины). Как правило, формы из песчано-гли- нистЬіх смесей делаются объемными, а из песчано-смоляных и пес­ чано-керамических— оболочковыми. Литье в песчано-глинистые формы является наиболее распространенным.

Процесс получения отливок в песчано-глинистых формах со­ стоит из нескольких этапов: изготовление моделей и стержневых ящи­ ков, приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовле­ ние форм и стержней, сборка форм, получение литейного сплава, заливка форм, выбивка отливок из форм, очистка и обрубка отли­ вок.

Модели и стержневые ящики изготовляются в модельном цехе, все остальные операции выполняются в литейном цехе.

89