ТКМ / Tema_4

3

Тема 4. Виробництво кольорових металів

1. Виробництво міді

Руди: мідний колчедан (CuFeS₂), куприт, азурит. Два способи виробництва міді: пірометалургійний (плавка на штейн, відновлювальна плавка); гідрометалургійний (вилуговування сірчаною кислотою).

Руду збагачують флотаційним способом й отримують мідний концентрат (11 – 35 % Cu)

При плавці мідного концентрату на штейн у відбивній печі відбувається відділення сірчистих з’єднань міді і заліза від домішок, тобто утворюється штейн,– сплав сульфідів заліза і міді.

Відбивна піч має такі габарити: 7 – 10 м (ширина)*35 – 40 м * 3,5 – 4,5м (висота). Зсередини викладена вогнетривкою цеглою. У голові печі розташовані форсунки для спалювання мазуту, вугільного пилу або газу, які нагрівають її до 1550 ⁰С, а хвіст – до1300 ⁰С. У склепінні вздовж печі є отвори для завантаження шихти. При проходженні шихти через піч відбуваються такі перетворення: часткове відновлення оксидів заліза і міді, окислення сірки та утворення шлаку і штейну.

Розплавлений штейн заливають у циліндричний конвертер (вміст 100 т чорнової міді), добавляють кварцовий пісок та продувають повітрям через фурму. У процесі продування відбувається окислення сірчистого заліза, що міститься в штейні з утворенням шлаку за рівняннями:

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂;

2FeO + SiO₂ = 2 FeO*SiO₂ (шлак).

Після видалення шлаку продовжують продування рідкого штейну у результаті одержують чорному мідь:

Cu₂S + 2Cu₂O = 6 Cu + SO₂ (конвертерний газ, сировина для сірчаної кислоти).

Мідь із конвертера називають чорновою, бо вона містить 1 – 2% домішок заліза, цинку, миш’яку та ін.

Чорнову мідь рафінують (видаляють домішки) вогневим або електролітичним способом. Вогневе за допомогою відбивної печі (5*2,5*12–15м), вмістом 400 т міді. Основні технологічні операції рафінування: завантаження, розплавлення, окислення домішок, виділення газів, розкислення, розливання.

2. Виробництво алюмінію

Основна руда боксити, допоміжна руда нефелін, – Na(K)₂O*Al₂O₃*2SiO_2.

Обладнання: трубчаста обертова піч довжиною 80 – 150 м, діаметр 2, 5 – 5 м; баки для карбонізації; електролізна ванна для одержання первинного алюмінію, електропіч, електролізна ванна для рафінування первинного алюмінію.

Схема виробництва: руда → виробництво гідрату глинозему (Al₂O₃ *3H₂ O) → виробництво безводного глинозему (Al₂O₃) → електролітичне виробництво первинного алюмінію → рафінування → сортовий алюміній.

Електроліз – це явище розкладу речовин під дією постійного електричного струму.

Виробництво глинозему складається з таких операцій:

• одержання мокрої шихти змішуванням бокситу з вапняком та розчином соди;

• спікання шихти при 1250 ⁰С у грудки в трубчастій печі.

Основні хімічні процеси у печі:

Na₂CO₃ + Al₂O₃ = Na₂O_* Al₂O₃ + CO₂ (1)

2SiO₂ + 2CaO = 2 CaO* SiO₂

• одержання розчину алюмінату натрію Na₂O_* Al₂O₃ шляхом взаємодії подрібнених грудок з розчином соди;

• одержання гідрату оксиду алюмінію шляхом продування вуглекислим газом алюмінатного розчину в циліндричних баках для випадання в осад гідрату оксиду алюмінію:

Na₂O_* Al₂O₃ + CO₂ + 3H₂ O = Na₂ CO₃ + Al₂O₃ *3H₂ O (2)

• одержання безводного глинозему шляхом прожарювання гідрату оксиду алюмінію в трубчастій печі.

Електролітичне виробництво первинного алюмінію складається з таких процесів:

• змішування глинозему з кріолітом (сполука алюмінію з флюором Na₃AlF₆), що виконує функцію електроліту;

• завантаження в електролізну ванну;

• опускання в суміш вугільних анодів (+) та пропускання постійного струму силою 120 000 А;

• дисоціація глинозему:

Al₂O₃↔ 2 Al³⁺ + 3 O^2-;

• розшарування розплавленою суміші на рідкий алюміній з боку катода (на дні ванни) та рідкий кріоліт (над алюмінієм);

• вилучення 1 раз на добу алюмінію (пробивка кірки, що утворилася над рідким електролітом, введення стальної трубки, відкачування за допомогою вакууму в ківш);

• заливка в електропіч для відстоювання з метою очищення від неметалевих домішок.

Рафінування алюмінію виконують тришаровим методом в спеціальній електролізній ванні, на дні якої знаходиться розплавлений анодний сплав, який складається з первинного алюмінію і 25% міді, на ньому шар електроліту з суміші кріоліту та хлористого барію, в який зверху вводять катод. При пропусканні постійного струму, над електролітом утворюється шар рафінованого алюмінію.

3. Виробництво титану

Основні руди: ільменіт, рутил, сфен (FeO*TiO₂; TiO₂; CaO*TiO₂*SiO₂).

Обладнання: руднотермічна електропіч, хлоратор, конденсаційні установки, реторти, електропечі опору, вакуумна дугова піч.

Реторта – це вогнетривка герметична посудина, в яку вміщують матеріали при їх нагріванні в промислових печах.

Схема виробництва: збагачення руди → виготовлення шихти шляхом змішування з вугіллям та її брикетування → відновлювальна плавка та одержання діоксину титану → хлорування та утворення парів чотирихлористого титану → конденсування чотирихлористого титану → відновлення чотирихлористого титану до кристалів титану (титанової губки) → переплавка у вакуумній дуговій печі..

У результаті відновлювальної плавки одержують доевтектоїдний чавун із вмістом вуглецю 2, 5% та шлак, до складу якого входять 65 – 85 % TiO_2, що має властивість перетворюватися в порошок при охолодженні.

Порошкоподібний шлак засипають у циліндричний хлоратор, який нагрівається змінним струмом та містить розплавлені хлориди магнію, калію і натрію. Потім у хлоратор через фурми подають хлор та добавляють вугілля. При 600 ⁰С:

TiO₂ +2Сl + C = TiCl₄ + CO₂ + 205 000 Дж (1)

Чотирихлористий титан виходить із хлоратора у вигляді парів та направляється в конденсаційні установки, де очищується й охолоджується, перетворюючись на рідкий конденсат чотирихлористого титану.

В електричну піч опору вставляють реторту, з реторти відкачують повітря, закачують аргон, нагрівають до 740 – 800 ⁰С, заливають рідкий магній та чотирихлористий титан (приблизно 1,5т). У реторті відбувається хімічна реакція:

TiCl₄ + 2 Mg = 2MgCl₂ + Ti + Q (2)

Процес за рівнянням (2) триває 30 – 35 год і завершується відкладанням на стінках реторти кристалів титану, що мають назву титанова губка.

Титанову губку подрібнюють та сортують на чисту і забруднену хлоридами. Чиста йде на переплавку у вакуумній дуговій печі для одержання виливків, а забруднена – брикетується та використовується як розкислювач сталі.

4. Виробництво магнію

Руда: магнезит MgCO₃, доломіт MgCO₃ *CaCO₃, карналіт KCl*MgCl₂*6H₂O та морська вода.

Обладнання: секційні електролізні ванни,

руда → відпалювання з метою одержання чистих безводних солей магнію → електроліз солей → рафінування магнію.

В електролізній ванні є графітний анод, який розміщується між двома стальними катодами, електролітом є розплавлені хлориди магнію, калію, натрію і кальцію. Густина розплавленого електроліту більша за густину рідкого магнію, тому краплі магнію, що виділяються на катоді при температурі 690 – 720 ⁰С випливають на поверхню електроліту.

Вилучають рідкий магній з електролізних ванн за допомогою вакуумного ковша, але одержаний метал має більше 0,1 % домішок та потребує рафінування.

Рафінують у тигельних печах опору, змішуючи 1 тону рідкого магнію з флюсом та нагрівають до 720 ⁰С, потім піч охолоджують до 690 ⁰С при цьому магній відстоюється і шкідливі добавки переходять у шлак.