Технология конструкционных материалов

через горловину 17. Продувку воздухам осуществляют через фурмы 16. Процесс превращения штейна в черновую медь разделяется на два периода. В первом периоде происходитокончательное окисление FeS и связывание FeO пустой породой (Si02). Входе второго периода Cu2S окисляется кислородом воздуха и S02 удаляется через горловину. Ре­ акция первого периода идет с выделением тепла, разогревая ванну свыше 1300 °С. В ходе второго периода температура расплава снижа­ ется, так как реакции этого периода идут с поглощением тепла.

Черновая медь содержит примеси неметаллических включений и около 2 % примесей железа, цинка, никеля, свинца и др. Слитки черновой меди нуждаются в рафинировании, которое осуществля­ ется огневым или электролитическим способом. При огневомрафи­ нировании слитки расплавляют в пламенных печах и расплав окисля­ ют продувкой воздухом через стальные трубы. Так как большинство примесей (Si, Mn, Zn, Fe, Si и др.) имеют более высокое сродство к кислороду, чем медь, они окисляются и переходят в шлак, который удаляют в конце периода окисления примесей. Продувка расплава меди природным газом во втором периоде способствует ее раскисле­ нию и удалению неметаллических включений. Окончательное рас­ кисление меди осуществляют древесным углем и добавкой фосфо­ ристой меди.

Электролитическое рафинирование основано на анодном раство­ рении чушек черновой меди в растворе медного купороса и серной кислоты 18. Катионы меди из раствора поступают на катод и там раз­ ряжаются. Процесс идет в течение нескольких дней. Примеси выпа­ дают в осадок 19, а медь после переплава и разливки подается на прокатку.

11.2. Производство алюминия

Алюминий относится к наиболее распространенным в земной коре металлам. Он встречается в виде смеси оксидов алюминия, кремния и железа. В порядке уменьшения содержания глинозема (А120 3) и уве­ личения содержания силиката различают бокситы, нефелины, алуни­ ты, каолины.

Технологический процесс производства алюминия разбивается на три этапа: извлечение глинозема из руд, его электролиз с целью полу­ чения алюминия и рафинирование. Предложено много различных

методов извлечения глинозема из руд, но для самой богатой руды (боксита), содержащей до 50 % А12Оэ и 10 % Si02, чаще других приме­ няют мокрый щелочной метод.

Общая схема технологического процесса производства алюминия приведена на рис. 11.2, Бокситы прокаливают в проходныхтрубчатых печах и измельчают в мельницах, после чего загружают в автоклавдля выщелачивания при температуре около 200 °С и давлении до 3 МПа. При этом протекает реакция образования растворимого в воде алюми­ ната натрия:

А12Оэ+ ЗН20 + 2NaOH = Na20Al20 3+ 4Н20.

Параллельно идет процесс образования нерастворимого в воде Na20 • А120 3 • 2Si02 ■2Н20 . Чем выше содержание Si02 в боксите, тем больше необратимые потери А120 3 и NaOH. Пульпа после фильтра­ ции сливается в отстойник и охлаждается, в результате чего гидроок­ сид алюминия выпадает в осадок:

NajO • А120 3 + 4Н20 = 2NaOH + 2А1(ОН)31.

Воду отделяют от А1(ОН)3 фильтрованием, после чего гидрооксид обезвоживают нагреванием в печах и образующийся глинозем пода­ ют в электролизные ванны. Алюминий получают электролизом гли­ нозема в расплавленном криолите NajAlF6. Сварные стальные ванны футеруют изнутри угольными блоками 1, а у стенок — шамотным кирпичом. Стальные катодные шины 4 вмонтированы в футеровку, благодаря чему угольный слой футеровки является катодом. Анода­ ми 5 служатсамообжигающиеся угольные электроды, которые по ме­ ре обгорания снизу наращиваются сверху анодной массой, отверде­ вающей в результате коксования. Температура электролита 2 порядка 950 °С. Глинозем, расходуемый в ходе электролиза, загружается в ван­ ну сверху, для чего твердая корка электролита периодически прола­ мывается. При этом происходит удаление С02 в атмосферу.

Растворенный в электролите глинозем диссоциирует на ионы (А120 3 = 2А13+ + ЗО2'). На поверхности катода ионы алюминия восста­ навливаются до металла (2А13+ + 6е = 2А1), который собирается на дне ванны 3, откуда периодически удаляется через металлическую летку. Кислородные ионы разряжаются на угольном аноде 5и, взаимодейст­ вуя с ним, образуют С 02.

Алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен при­ месями кремния, железа, неметаллическими включениями и газами, в основном водородом, и нуждается в рафинировании. Для очистки от газов и неметаллических включений расплав алюминия продувают хлором. Пузырьки хлора и А1С13 (парообразного при температуре жидкого алюминия) растворяют водород и адсорбируют на своей по­ верхности включения, вынося их в верхние слои расплава и атмосферу. Более чистый алюминий можно получить повторным электролизом через расплав хлористых и фтористых солей б, 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 рас­ творению и электролизу, скапливаясь в верхней части ванны. В ходе электролиза он очищается не только от неметаллических включений, растворяющихся в электролите, но и от металлических примесей.

11.3. Производствомагния

Магний относится к числу широко распространенных металлов. Его содержание в земной коре превышает 2,3 %. Встречается он в виде следующих минералов:

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

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

□карналлита—двойногохлоридамагния и калия (MgCl2 ■КС1 • 6Н20), содержащего 8,8 % магния;

□бишофита — шестиводного хлорида магния (MgCl2 • 6Н20), рас­

творенного в морской воде.

Независимо от вида исходного сырья процесс получения магния можно разбить на три периода: подготовку сырья, получение из него магния и рафинирование. Магний можно получать термическим и электролитическим способами. Последний способ применяется наи­

более часто.

Общая схема технологического процесса производства магния из карналлита приведена на рис. 11.3. Карналлит обезвоживают и плайят в печах, после чего подают на электролиз, который протекает при

температуре выше 700 °С, поддерживаемой пропусканием электри­ ческоготока (U= 6...7 В, /= 30 000...70 ОООА). Электролизер представ­ ляет собой сварную стальную ванну, футерованную внутри огнеупор­ ным кирпичом 1. В расплав карналлита 3 опускают стальные като­ ды 4, облицованные с внутренней 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 че­ рез отверстие 8.

Ионы магния разряжаются на катоде (Mg2* + 2е = Mg). Плотность электролита поддерживают выше плотности магния 2, вследствие чего последний всплываетна поверхность, откуда периодически удаляется с помощью вакуумных ковшей и насосов. При этом применяются оп­ ределенные меры предосторожности, исключающие контакт расплав­ ленного магния с кислородом воздуха (чтобы избежать возгорания).

Дальнейшую очистку магния можно осуществлять возгонкой, ис­ пользуя сравнительно низкую температуруего кипения, или за счет по­ вторного плавления смеси магниевых чушек и специально подобран­ ного флюса 9, растворяющего неметаллические включения чернового магния.

Если в качестве исходного сырья применяют магнезит или доло­ мит, то процесс подготовки руды включает ее обжиг при 900 °С с це­ лью разложения карбонатов, после чего полученный оксид магния смешивают с углем и нагревают в атмосфере хлора. Образующийся

входе реакции хлорид магния используют для получения магния

вэлектролизерах:

MgO + С + С12 = MgCl2 + СО.

Процесс получения бишофита из морской воды и его переработку с целью производства магния применяютредко, так как он связан со значительными затратами энергии и большой трудоемкостью.

11.4. Производствотитана

Титан относится к числу широко распространенных в природе метал­ лов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Но из-за трудно­ сти восстановления из оксидов он до сих пор не нашел такого широ­ кого применения в технике, как, например, алюминий или железо.

Известны две основные разновидности титановых руд: рутил ТЮ2 и ильменит FeO • ТЮ2.

Технологический процесс получения титана из ильменита пред­ ставлен на рис. 11.4. В первом приближении он может быть разбит на следующие этапы: обогащение руды и получение двуокиси титана, получение четыреххлористого титана, восстановление титана и полу­ чение губки и, наконец, переплавка титановой губки в слитки.

Обогащение титана можно производить как магнитной сепараци­ ей, так и флотацией. Смесь концентрата с углем загружают в отра­ жательные или индукционные печи и нагревают до температуры плавления чугуна. В результате восстановления железа из оксида и его науглероживания углем на подине печи образуется расплав чугу­ на, а сверху — слой белого титанового шлака, содержащего 90 % ТЮ2. Порошок ТЮ2 смешивают с углем и после добавки каменноугольной смолы в качестве связующего брикетируют. Брикеты прокаливают при 800 °С и загружают в хлораторы, где они при такой же температу­ ре подвергаются хлорированию. В его ходе идет реакция образования четыреххлористого титана:

ТЮ2 + 2С12 + С = TiCl4 + С02.

Четыреххлористый титан представляет собой бурую жидкость с тем­ пературой кипения 136 °С. Вместе с ним образуются хлористые соеди­ нения элементов, входящих в состав руды в виде примесей (Fe, V, Si). Для разделения хлоридов используется принцип ректификации, для чего пары смеси хлоридов пропускают через систему термостатов, в которых поддерживается температура, более низкая, чем темпера­ тура кипения соответствующего хлорида.

Восстановление титана из TiCl4 осуществляется магнийтермическим или натрийтермическим методами. На рис. 11.4, г показана сущность наиболее часто используемого магнийтермического мето­ да. В герметически закрываемых ретортах (реакторах) расплавляют чушки магния и при температуре свыше 900 °С к нему добавляют жидкий TiCl4. В результате реакции

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 + Q

образуется MgCl2, который периодически сливают из реактора, и хло­ пья титана, осаждающиеся в виде пористой массы (губки) на стенках реактора. Губку, содержащуюдо 60 %титана и в виде примесей MgCl2, и магний, рафинируют при 900...950 °С отгонкой магния и MgCl2

вводоохлаждаемые кристаллизаторы с помощью вакуума, после чего

ееразмалывают, брикетируют и переплавляют в слитки в вакуумных электрических дуговых печах с расходуемым электродом. Чтобы ис­ ключить загрязнение титана материалом тигля, плавку ведут в водо­ охлаждаемой медной изложнице. Электрическая дуга горит межцу расходуемым электродом из прессованной титановой губки и жидкой ванной металла. По мере оплавления электрод опускается вниз. Каче­ ство металла улучшается, если переплавка производится дважды.

Готовые слитки титана поступают на прокатку или на производст­ во титановых сплавов.

Раздел

Ш Литейноепроизводство

Глава 12

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В РАЗОВЫХ ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХ

12.1. Общее понятиеолитейнойтехнологии

Сущность процесса получения отливок заключается в том, что рас­ плавленный металл определенного состава заливается в литейную форму, внутренняя полость которой с максимальной степенью при­ ближения воспроизводит конфигурацию и размеры будущей детали. В ходе дальнейшего охлаждения металл затвердевает, сохраняя при­ данную ему форму. Из всех известных способов формообразования (ковка, обработка резанием, сварка, порошковая металлургия и т. д.) литейная технология наиболе эффективна, так как позволяет полу­ чать изделия необходимой конфигурации непосредственно из рас­ плава при сравнительно небольших затратах энергии, материалов и труда.

Эффективность литейной технологии объясняется ее универсаль­ ностью, позволяющей получатьизделия из сплавов практическилюбо­ го состава массой от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время объем выпуска фасонных отливок в мире превышаетЛ0 млн т. Литейная технология может быть реализована различными и весьма многообразными способами, но доминирующей пока остается техно­ логия получения отливок в разовой песчаной форме.