2.3 Восстановление металла

2.3.1 Термохимическое восстановление металла. Осуществляется воздействием на соединение металла каким-либо восстановителем при высокой температуре.

Например, железо обычно содержится в руде в виде окислов Fe₂O₃ или Fe₃O₄ и восстанавливается угарным газом (CO), образующимся при горении кокса (продукта переработки каменного угля) в доменных печах (рис.2.1).

В зонах 4-6 происходит горение кокса в потоке воздуха поступающего через фурмы и образуется угарный газ при температуре 1600-1750 °С, который, воздействуя на окислы железа, приводит к их восстановлению:

Fe₂O₃ + CO --- Fe₃O₄ +CO₂ + Q

Fe₃O₄ +CO₂ --- FeO + CO₂ -Q

FeO + CO --- Fe + CO₂ +Q

Образующееся железо, в виде капель, стекает в горн, откуда периодически выпускается. Сверху печи также периодически происходит подсыпка шихты (смеси руды, кокса и флюсов). Таким образом горение в печи поддерживается непрерывно в течении длительного времени, от 5 до 10 лет.

Рисунок 2.1 – Схема доменной печи:

1-устройство для загрузки руды, кокса и флюсов; 2 -фурмы для подачи

воздуха; 3 - под печи; 4 –шахта; 5 – распар; 6 –горн, где накапливается

жидкий металл; 7 - заплечики

Таблица 2.1 – Баланс материалов доменного процесса (на 1 т

выплавленного чугуна)

Загрузка	Кол-во, кг	Получено	Кол-во, кг
Кокс	700	Чугун	1000
Агломерат (обогащен		Шлак	733
щенная и обработан-		Газ	3382
ная руда)	1708	Колошниковая пыль	77
Сортированная		Влага	14
руда	320
Известняк	43
Металлодобавки	40
Воздух (влажное
дутье)	2420

В образующемся железе при высокой температуре растворяется углерод кокса, что приводит к получению сплава железа с углеродом, при содержании последнего выше 2% (но не более 6,67%). Такой сплав весьма тверд и хрупок и называется чугуном. Суточная производительность доменной печи достигает 2500 тонн чугуна.

Чугун, как конструкционный материал, применяется для отливки заготовок различных деталей машин (станины, корпуса двигателей, зубчатые колеса и т.д.) , но большая его часть перерабатывается в сталь - сплав железа с углеродом при содержании углерода до 2,14%.

Понизить содержание углерода в чугуне и, тем самым, превратить его в сталь можно окисляя избыточный углерод в жидком чугуне. Для этого применяются конвертерный и мартеновский методы получения стали.

Конвертерный способ получения стали.

Сущность конвертерного метода производства стали состоит в окислении избыточного углерода продувкой через жидкий чугун кислорода. При этом, естественно, сгорает и некоторая часть железа. Реакция является экзотермической, поэтому в жидкий чугун можно добавить некоторую часть металлического лома, который при продувке кислородом расплавляется. Процесс протекает довольно быстро (менее 20мин).

Производительность процесса зависит от объема конвертера (от 3 до 250 тонн).

Рисунок 2.2 – Конвертер для получения стали:

1-механизм поворота, 2-огнеупорная футеровка, 3- шлак на поверхности

жидкого металла, 4- жидкий металл, 5-каналы для подачи кислорода

При таком производстве стали химический состав ее зависит от содержания примесей в руде. Невозможно получить высококачественные легированные стали и переработка стального лома возможна только в ограниченных количествах, в то время как в промышленности накапливается его огромная масса.

Мартеновский способ получения стали.

В мартеновских печах получается свыше 80% производимой стали. Плавка шихты осуществляется за счет горения топлива, в качестве которого используются горючие газы, мазут, угольная пыль.

Емкость мартеновских печей от 35 до 500 тонн, но длительность процесса составляет несколько часов. При этом возможно производить контроль состава, вводить легирующие элементы.

В зависимости от вида процесса, в печь загружаются:

• жидкий чугун + руда - "рудный процесс";

• твердый чугун + металлический лом - "скрап процесс";

- жидкий чугун+ металлический лом + руда -"скрап-рудный процесс".

Рисунок 2.3 – Схема мартеновской печи

Термохимическим способом восстанавливают многие металлы, например, медь. Плавку медных руд ведут в пламенных печах (рис.2.4), в которых происходит восстановление меди, но из-за высокого содержания в руде соединений железа и серы образуется "медный штейн", в котором содержится 20-50% меди, 20-40% железа и 22-25% серы.

Рисунок 2.4 – Пламенная печь для плавки медной руды

Полученный штейн перерабатывается в черновую медь в конвертерах (рис.2.5). Продувая через жидкий штейн воздух, проводят окисление железа, которое всплывает на поверхности в виде окислов, сера выгорает с образованием огромного количества окиси серы, используемой как сырьё для производства серной кислоты.

Рисунок 2.5 – Конвертер для получения черновой меди

В результате процесса получают черновую медь (98,5-99,5%Cu) , которую можно использовать для производства медных сплавов, но которая не пригодна для электротехнической промышленности (для производства проводов).

2.3.2 Восстановление металла электролизом. Ряд металлов, из-за их высокой химической активности, сложно восстанавливать термохимическим путем. Поэтому их восстановление проводят электролизом расплавленных соединений. В настоящее время это основной способ получения алюминия и магния.

Рисунок 2.6 – Схема установки для получения алюминия электролизом

Таблица 2.2 Затраты материалов и энергии при получении 1 тонны

алюминия

Составляющие	Количество
Глинозем (Al2O3 )	2000кг
Криолит (Na3AlF6 )	100кг
Угольные электроды	600кг
Электроэнергия	16000 – 18500 кВт.час

Таким образом, затраты на электроэнергию являются превалирующими и алюминиевые комбинаты целесообразно строить рядом с источниками дешевой электроэнергии.