II. Металлургическое производство

1. Сущность металлургического производства

Применяемые в технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы; к цветным  все остальные металлы.

Основная продукция черной металлургии: чугуны; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и др.); стальные слитки для производства сортового проката и поковок крупных деталей машин (валов, роторов турбин, дисков и т.д.).

Продукцией цветной металлургии являются как чистые металлы, так и их сплавы, а также слитки для производства сортового проката, для изготовления отливок, лигатуры  сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.

2. Основные способы получения металлов из руд

Пирометаллургический способ основан на том, что тепло, необходимое для выплавки металла, образуется за счет сжигания топлива. Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, приводят к химическим изменениям всей массы используемых минералов (это основной способ получения железа и его сплавов, меди и др.).

Электрометаллургический способ получения металлов осуществляется в дуговых, индукционных и других электрических печах или электролизом из расплавов и водных растворов химических соединений (например получение алюминия из глинозема Al₂O₃).

Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании металлов из руд различными растворителями и в последующем выделении их из раствора. Этот способ широко применяется для получения, например, меди, а в последнее время  урана и некоторых других металлов.

Химико-металлургический способ – получение металлов в результате химических и пирометаллургических процессов, например титан получают восстановлением тетрахлорида TiCl₄ магнием и последующей плавкой в электродуговых печах.

3. Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства металлов используют руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Рудой называют горные породы, содержащие металлы в количествах, обеспечивающих экономную их переработку.

Руда состоит из минералов, содержащих металл в виде оксидов, сульфидов, карбонатов, и пустой породы (в основном, кремнезема SiO₂, глинозема Al₂O₃), в составе которой находятся также примеси серы, фосфора, мышьяка и др.

Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак  легкоплавкое соединение с пустой породой руды, золой топлива и другими неметаллическими включениями. Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он находится на поверхности расплавленного металла.

При выплавке черных и некоторых цветных металлов в качестве флюсов используют кварцевый песок, состоящий в основном из SiO₂, известняк CaCO₃ и другие соединения кальция или магния.

Топливом в металлургических процессах служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут.

Кокс получают сухой перегонкой коксующихся каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000…1100 С. При такой обработке из угля извлекаются и ценные побочные продукты: бензол, фенолы, а также улавливается коксовый газ.

Природный газ состоит в основном из метана CH₄.

Доменный газ  побочный продукт при выплавке чугуна в доменной печи содержит значительное количество горючих составляющих (до 32 % СО, до 4 % Н₂).

Мазут  тяжелый остаток перегонки нефти содержит до 88 % С, 10…12 % Н₂ и небольшое количество кислорода и серы.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) плавильных печей и другого оборудования, находящегося под действием высоких температур и расплавленных металлов и шлаков. По химическому составу огнеупорные материалы подразделяют на кислые, основные и нейтральные.

К кислым относятся динасовый кирпич, кварцевый порошок и другие материалы с высоким содержанием кремнезема SiO₂; к основным  доломитовые, магнезитовые и другие материалы с большим содержанием основных оксидов MgO, CaO; к нейтральным  материалы, состоящие из оксидов Al₂O₃, Cr₂O₃, MgO и т.д. (шамот, хромомагнезит), а также углеродистый кирпич.