Материаловедение и технология конструкционных материалов

280 Раздел II. Производство черных и цветных металлов

глинозема (А120 3) и увеличения содержания силиката различа­ ют бокситы, нефелины, алуниты, каолины.

Технологический процесс производства алюминия разбива­ ется на три этапа: извлечение глинозема из руд, его электролиз с целью получения алюминия и рафинирование. Предложено много различных методов извлечения глинозема из руд, но для самой богатой руды (боксита), содержащей до 50 % А120 3 и 10 % Si02, чаще других применяют мокрый щелочной метод.

Общая схема технологического процесса производства алюми­ ния приведена на рис. 12.2. Бокситы прокаливают в проходных трубчатых печах и измельчают в мельницах, после чего загружа­ ют в автоклав для выщелачивания при температуре около 200 °С и давлении до 3 МПа. При этом протекает реакция образования растворимого в воде алюмината натрия:

А120 3 + ЗН20 + 2NaOH = Na20Al20 3 + 4Н20.

Параллельно идет процесс образования нерастворимого в воде NazO • А1203 ■2Si02 • 2Н20. Чем выше содержание Si02 в боксите, тем больше необратимые потери А120 3 и NaOH. Пульпа после фильтрации сливается в отстойник и охлаждается, в результа­ те чего гидрооксид алюминия выпадает в осадок:

Na20 • А120 3 + 4Н20 = 2NaOH + 2А1(ОН)3!.

Воду отделяют от А1(ОН)3 фильтрованием, после чего гидро­ оксид обезвоживают нагреванием в печах и образующийся глино­ зем подают в электролизные ванны. Алюминий получают электро­ лизом глинозема в расплавленном криолите Na3AlF6. Сварные стальные ванны футеруют изнутри угольными блоками 1, а у сте­ нок — шамотным кирпичом. Стальные катодные шины 4 вмон­ тированы в футеровку, благодаря чему угольный слой футеровки является катодом. Анодами 5 служат самообжигающиеся уголь­ ные электроды, которые по мере обгорания снизу наращиваются сверху анодной массой, отвердевающей в результате коксования. Температура электролита 2 порядка 950 °С. Глинозем, расходуе­ мый в ходе электролиза, загружается в ванну сверху, для чего твердая корка электролита периодически проламывается. При этом происходит удаление С02 в атмосферу.

Растворенный в электролите глинозем диссоциирует на ионы (А1203 = 2А13+ + ЗО2'). На поверхности катода ионы алюминия

восстанавливаются до металла (2А13+ + 6е = 2А1), который соби­ рается на дне ванны 3, откуда периодически удаляется через ме­ таллическую летку. Кислородные ионы разряжаются на угольном аноде 5 и, взаимодействуя с ним, образуют С02.

Алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен примесями кремния, железа, неметаллическими включениями и газами, в основном водородом, и нуждается в рафинировании. Для очистки от газов и неметаллических включений расплав алю­ миния продувают хлором. Пузырьки хлора и А1С13 (парообраз­ ного при температуре жидкого алюминия) растворяют водород

иадсорбируют на своей поверхности включения, вынося их в верх­ ние слои расплава и атмосферу. Более чистый алюминий можно получить повторным электролизом через расплав хлористых

ифтористых солей 6, подобранных таким образом, чтобы их плотность была выше 2,7 г/см3. В рафинируемый алюминий

для увеличения плотности добавляют медь 7. При этом анодом 8 является угольная ванна, а катодом 9 — угольный электрод.

Врасплавленном электролите алюминий подвергается анодному растворению и электролизу, скапливаясь в верхней части ванны.

Входе электролиза он очищается не только от неметаллических включений, растворяющихся в электролите, но и от металличе­ ских примесей.

12.3. Производство магния

Магний относится к числу широко распространенных метал­ лов. Его содержание в земной коре превышает 2,3 %. Встреча­ ется он в виде следующих минералов:

□магнезита — природного карбоната магния (MgC03), содер­ жащего 28,8 % магния;

□доломита — двойного карбоната магния и кальция (MgC03 • СаС03), содержащего 13,2 % магния;

□карналлита — двойного хлорида магния и калия

(MgCl2 • КС1 • 6Н20), содержащего 8,8 % магния;

□ бишофита — шестиводного хлорида магния (MgCl2 • 6Н20), растворенного в морской воде.

Независимо от вида исходного сырья процесс получения маг­ ния можно разбить на три периода: подготовку сырья, получе­

ние из него магния и рафинирование. Магний можно получать термическим и электролитическим способами. Последний спо­ соб применяется наиболее часто.

Общая схема технологического процесса производства магния из карналлита приведена на рис. 12.3. Карналлит обезвоживают и плавят в печах, после чего подают на электролиз, который про­ текает при температуре выше 700 °С, поддерживаемой пропус­ канием электрического тока (U = 6...7 В, / = 30 ООО...70 ООО А). Электролизер представляет собой сварную стальную ванну, футе­ рованную внутри огнеупорным кирпичом 1. В расплав карнал­ лита 3 опускают стальные катоды 4, облицованные с внутрен­ ней стороны огнеупором. Графитовый анод 5 устанавливается между двумя катодами и сверху закрывается хлороуловителем 6. Выделяющийся на аноде хлор в виде пузырьков 7 всплывает, собираясь в хлороуловителе, из которого он удаляется через от­ верстие 8.

Ионы магния разряжаются на катоде (Mg2+ + 2е - Mg). Плот­ ность электролита поддерживают выше плотности магния 2, вслед­ ствие чего последний всплывает на поверхность, откуда периоди­ чески удаляется с помощью вакуумных ковшей и насосов. При этом применяются определенные меры предосторожности, ис­ ключающие контакт расплавленного магния с кислородом воз­ духа (чтобы избежать возгорания).

Дальнейшую очистку магния можно осуществлять возгонкой, используя сравнительно низкую температуру его кипения, или за счет повторного плавления смеси магниевых чушек и специ­ ально подобранного флюса 9, растворяющего неметаллические включения чернового магния.

Если в качестве исходного сырья применяют магнезит или доломит, то процесс подготовки руды включает ее обжиг при 900 °С с целью разложения карбонатов, после чего полученный оксид магния смешивают с углем и нагревают в атмосфере хло­ ра. Образующийся в ходе реакции хлорид магния используют для получения магния в электролизерах:

MgO + С + С12 = MgCl2 + СО.

Процесс получения бишофита из морской воды и его перера­ ботку с целью производства магния применяют редко, так как он связан со значительными затратами энергии и большой тру­ доемкостью.

12.4. Производство титана

Титан относится к числу широко распространенных в природе металлов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Но из-за трудности восстановления из оксидов он до сих пор не нашел такого широкого применения в технике, как, например, алюми­ ний или железо. Известны две основные разновидности титано­ вых руд: рутил ТЮ2 и ильменит FeO • Ti02.

Технологический процесс получения титана из ильменита пред­ ставлен на рис. 12.4. В первом приближении он может быть разбит на следующие этапы: обогащение руды и получение двуокиси титана, получение четыреххлористого титана, восстановление титана и получение губки и, наконец, переплавка титановой губки в слитки.

Обогащение титана можно производить как магнитной сепа­ рацией, так и флотацией. Смесь концентрата с углем загружают в отражательные или индукционные печи и нагревают до темпе­ ратуры плавления чугуна. В результате восстановления железа из оксида и его науглероживания углем на подине печи образу­ ется расплав чугуна, а сверху — слой белого титанового шлака, содержащего 90 % ТЮ2. Порошок ТЮ2 смешивают с углем и после добавки каменноугольной смолы в качестве связующего брике­ тируют. Брикеты прокаливают при 800 °С и загружают в хлора­ торы, где они при такой же температуре подвергаются хлориро­ ванию. В его ходе идет реакция образования четыреххлористого титана:

ТЮ2+ 2С12+ С = TiCl4 + С02.

Четыреххлористый титан представляет собой бурую жид­ кость с температурой кипения 136 °С. Вместе с ним образуются хлористые соединения элементов, входящих в состав руды в виде примесей (Fe, V, Si). Для разделения хлоридов используется принцип ректификации, для чего пары смеси хлоридов пропус­ кают через систему термостатов, в которых поддерживается температура более низкая, чем температура кипения соответст­ вующего хлорида.

Восстановление титана из ТЮ14 осуществляется магнийтермическим или натрийтермическим методами. На рис. 12.4, г

показана сущность наиболее часто используемого магнийтермического метода. В герметически закрываемых ретортах (ре­ акторах) расплавляют чушки магния и при температуре свыше 900 °С к нему добавляют жидкий ТЮ14. В результате реакции

TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 + Q

образуется MgCl2, который периодически сливают из реактора, и хлопья титана, осаждающиеся в виде пористой массы (губки) на стенках реактора. Губку, содержащую до 60 % титана и в виде примесей MgCl2, и магний рафинируют при 900...950 °С отгон­ кой магния и MgCl2 в водоохлаждаемые кристаллизаторы с помо­ щью вакуума, после чего ее размалывают, брикетируют и пере­ плавляют в слитки в вакуумных электрических дуговых печах с расходуемым электродом. Чтобы исключить загрязнение ти­ тана материалом тигля, плавку ведут в водоохлаждаемой мед­ ной изложнице. Электрическая дуга горит между расходуемым электродом из прессованной титановой губки и жидкой ванной металла. По мере оплавления электрод опускается вниз. Качество металла улучшается, если переплавка производится дважды.

Готовые слитки титана поступают на прокатку или на произ­ водство титановых сплавов.

Раздел

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

13.Изготовление отливок в разовых песча­ ных формах

14.П лавка сплавов

15.Специальные способы литья

U P J И З Г О Т О В Л Е Н И Е О Т Л И В О К

В Р А З О В Ы Х П Е С Ч А Н Ы Х Ф О Р М А Х

ш

13 .1. Обш ее понятие о литейной технологии

Сущность процесса получения отливок заключается в том, что расплавленный металл определенного состава заливается в ли­ тейную форму, внутренняя полость которой с максимальной степенью приближения воспроизводит конфигурацию и разме­ ры будущей детали. В ходе дальнейшего охлаждения металл за­ твердевает, сохраняя приданную ему форму. Из всех известных способов формообразования (ковка, обработка резанием, сварка, порошковая металлургия и т.д.) литейная технология наиболе эффективна, так как позволяет получать изделия необходимой конфигурации непосредственно из расплава при сравнительно небольших затратах энергии, материалов и труда.

Эффективность литейной технологии объясняется ее универ­ сальностью, позволяющей получать изделия из сплавов практи­ чески любого состава массой от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время объем выпуска фасонных отливок в мире превышает 70 млн т. Литейная технология может быть реали­ зована различными и весьма многообразными способами, но доми­ нирующей пока остается технология получения отливок в разо­ вой песчаной форме.

Процесс изготовления отливок в разовых песчаных ф орм ах

Основой для разработки технологического процесса изготовле­ ния отливки (литой заготовки) служит чертеж детали. Техно­ лог-конструктор выбирает разъем модели и формы исходя из кон­ структивных особенностей детали, затем определяет припуски на механическую обработку, учитывая специфику существую­ щего на заводе технологического процесса производства отливок,