10. Обпалювання в кольоровій металургії. Кальцінуючий, окислювальний, агломеруючий, відновний, хлоруючий і фторуючий (дайте визначення і наведіть приклади хімічних реакцій)

Обпалювання – металургійний процес, що проводиться при високих температурах (500-1200⁰С) з метою зміни хімічного складу сировини, яка переробляється. Обпалювальні процеси, за винятком обпалювання із спіканням, є твердофазними. У кольоровій металургії застосовують наступні види обпалювання:

1.Кальцінуюче обпалювання (прокалку) проводять з метою розкладання (дисоціації) нагрівом нестійких хімічних сполук – гідроксидів, карбонатів та ін. У загальному вигляді цей вигляд обпалювання описується наступними рівняннями:

Me(ОН)₃  Me₂O₃ + H₂O;

MeCO₃  MEO + CO₂

2. Окислювальне обпалювання застосовують для підготовчої обробки сульфідних руд і концентратів з метою повного або часткового перекладу сульфідів в оксиди:

2MеS + 3O₂  2MeO + 2SO₂.

До окислювального процесу відноситься і агломеруюче обпалювання (обпалювання із спіканням). Останній має на меті одночасно окислювати і спікати матеріал. Спікання відбувається за рахунок утворення деякої кількості рідкої фази, яка при застиганні зв'язує тугоплавкі дрібні частки в кусковий пористий продукт – агломерат.

3. Відновне обпалювання проводять для відновлення вищих оксидів деяких металів до нижчих, наприклад:

3Fe₂O₃ + CO  2Fe₃O₄ + CO₂

4. Хлоруюче і фторуюче обпалювання проводять з метою перекладу оксидів або сульфідів у водорозчинні або леткі хлориди (фториди).

11. Класифікація металургійних процесів при виробництві кольорових металів. Піро-, гідро- і електрометалургійні процеси, їх коротка характеристика і призначення. Наведіть приклади хімічних реакцій обпалювання, плавки, дистиляції, вилуговування, екстракції, цементації, електролізу

Всі використовувані при виробництві кольорових металів процеси підрозділяють на три групи:

• Пірометалургійні;

• Гідрометалургійні;

• Електрометалургійні.

Пірометалургійні процеси проводяться при високих температурах, найчастіше з повним і рідше з частковим розплавленням матеріалів. Ці процеси розділяють на три групи: обпалювання, плавка і дистиляція. Обпалювання – металургійний процес, що проводиться при високих температурах (500-1200⁰С) з метою зміни хімічного складу сировини, яка переробляється. Як приклад приведемо рівняння окислювального обпалювання:

2MeS + 3O₂  2MeO + 2SO₂.

Плавка – пірометалургійний процес, що проводиться при температурах, що забезпечують в більшості випадків повне розплавлення матеріалу, який переробляється. Розрізняють два різновиди плавок – рудні і рафінувальні. Як приклади приведемо відновну рудну плавку:

(MeO, SiO₂, CаO, Fe₂O₃) + C + O₂, N₂ = Me + (SiO₂, CаO, FеO) + CO₂,N₂.

Дистиляція – процес випару речовини при температурі декілька вище за точку його кипіння, що дозволяє розділити компоненти оброблюваного матеріалу залежно від їх летючості. Дистиляційні процеси можуть використовуватися як для первинної переробки рудної сировини, так і для видалення легколетучих домішок при рафінуванні металів або розділенні металевих сплавів.

Гідрометалургійні процеси проводяться при низьких температурах на межі розділу, найчастіше твердої і рідкої фаз. Будь-який гідрометалургійний процес складається з трьох основних стадій: вилуговування, очищення розчинів від домішок і осадження металу з розчину.

Вилуговування – процес переведення видобуваних металів в розчин при дії розчинника на матеріали (руду, концентрат тощо), які переробляються, часто у присутності газового реагенту – кисню, водню й ін. Очищення розчинів від домішок проводять з метою запобігання їх попадання у видобуваний метал при подальшому його осадженні у вигляді хімічної сполуки або у вільному стані. Для очищення використовують методи хімічного осадження неорганічними або органічними реагентами, кристалізацію або цементацію. Прикладами очищення цементації можуть служити процеси виділення міді з сірчанокислих цинкових розчинів цинком:

(CuSО₄ + Zn  ZnSO₄ + Cu)

або з нікелевого електроліту нікелем

(CuSO₄ + Ni  NiSO₄ + Cu).

Більшого поширення набувають сорбційні і екстракційні процеси. Екстракцією називають процес видобування розчинених хімічних сполук металів з водних розчинів в рідку органічну фазу, що не змішується з водою.

Особливістю електрометалургійних процесів є використання електроенергії як рушійна енергетична сила для їх протікання. Електроліз розплавлених солей ведуть при дії постійного струму на розплавлене середовище, що складається з оксидів або хлоридів. Процес описується наступною схемою:

MеO (MeCl₂)  Me²⁺ + O^2- (2Cl^-).

Me²⁺ + 2e  Me - на катоді;

O^2- - 2e  O₂  або 2Cl^- - 2e  Cl₂ на аноді.

В результаті на катоді виділяється метал (у рідкому або твердому стані), а на аноді – газ.

12. Вогнетривкі матеріали і їх класифікація за вогнетривкістю і характером хімічної активності оксиду, який служить вогнетривкою основою. Кремнеземні, алюмосилікатні, магнезійні, хромисті, вуглецеві вогнетриви. Робочі властивості вогнетривів

Для спорудження плавильних печей і ряду інших агрегатів, а також для створення в них внутрішнього захисного облицювання, яке називається футеровкою, використовують найчастіше вогнетривкі матеріали. Вогнетривкими називають будівельні матеріали, що витримують без розплавлення температури до 1600ºC і більше. За своїм складом вони, в основному, представляють оксидні системи. Вогнетривкі матеріали залежно від їх фізико-хімічних властивостей класифікуються за вогнетривкістю, хіміко-мінералогічним складом, хімічній активності оксидів й рядом інших характеристик.

Вогнетривкість – стійкість матеріалів при тривалій дії температур. За вогнетривкістю вироби підрозділяють на вогнетривкі (1580-1770ºС), високовогнетривкі (1770-2000ºС) й вищої вогнетривкості (більше 2000ºС).

За хіміко-мінералогічним складом вогнетривкі матеріали класифікують на наступні основні групи:

1. кремнеземні – вогнетривка основа SiO₂ (динасові, кварцове скло)

2. алюмосилікатні – вогнетривка основа А1₂О₃ і SiO₂ (напівкислі, шамотні і високоглиноземисті)

3. магнезійні – основа MgO (магнезитові, доломітові, шпинельні, форстеритові)

4. хромисті – основа Cr₂O₃ · MgO (хромітові, хромомагнезитові)

5. вуглецеві – основа вуглець (графітові, вугільні, карборундові).

За характером хімічної активності оксиду, який служить вогнетривкою основою, вогнетриви бувають кислі (SiO₂) і нейтральні (Аl₂О₃), а також основні (MgO, CаO).

Вогнетриви повинні володіти наступними робочими властивостями:

1. термічна стійкість;

2. здатність зберігати в процесі експлуатації первинний об'єм і форму.

3. пористість або газопроникність;

4. теплопровідність;

5. електропровідність та ряд інших властивостей.

13. Металургійне паливо. Класифікація його за агрегатним станом і способом здобуття (наведіть приклади основних видів палива). Теплотворна здатність палива. Повнота згорання палива (наведіть приклади реакцій згорання палива). Коефіцієнт надлишку дуття

Необхідні температури в металургійних процесах досягаються спалюванням палива або за рахунок використання електроенергії. Основні різновиди палива мають органічне походження. До складу палива входять C, H₂, S, O₂, N₂, присутні у вигляді різних з'єднань, які складають горючу масу. Крім того, в паливі можуть міститися вода і зола – негорюча частина. За агрегатним станом розрізняють тверде, рідке і газоподібне паливо, а за способом здобуття – природне і штучне. Штучне паливо отримують в результаті направленої переробки природного палива. Основними видами палива є дрова, торф, буре вугілля, кам'яне вугілля, кокс, нафта, сульфідні руди й концентрати, а також природний газ.

При спалюванні палива виділяється теплова енергія, кількість якої тісно пов'язана з хімічним складом палива й умовами його спалювання. Кількість тепла, яке виділяється при спалюванні палива, називається теплотою згорання палива або його теплотворною здатністю. Теплота згорання виражається в наступних одиницях: кДж/кг, кДж/м³ або кДж/моль. Наведемо приклади деяких реакцій згорання палива:

C + O₂ = CO₂ + 34070 кДж/кг

H₂ + 1/2 O₂ = H₂O + 241800 кДж/моль

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 35800 кДж/м³

Горіння палива здійснюється за рахунок кисню дуття: повітря (21%(об.) О₂), суміші повітря з киснем або технологічного кисню (95-98%(об.) О₂). Повнота спалювання палива характеризується коефіцієнтом надлишку дуття (α). Якщо кількість дуття відповідає теоретично необхідному для повного спалювання палива, то α = 1. При недостатності дуття α < 1, при його надлишку α > 1.

14. Дроблення і подрібнення рудної сировини кольорових металів. Крупне, середнє, дрібне дроблення, тонке подрібнення. Міра дроблення (подрібнення), (щокові, конусні, валкові і молоткасті дробарки, барабанні млини (намалюйте схему і поясніть принцип дії)

Для витягання мінералів і відділення їх один від одного руду потрібно роздрібнити і подрібнити. При тісному взаємному зрощенні мінералів для їх розділення потрібне подрібнення до 0,2 мм і дрібніше. Міра дроблення (подрібнення) є відношенням діаметрів найбільших шматків руди (D) до діаметру шматків продукту подрібнення (d): K = D / d. Дроблення і подрібнення руди зазвичай ведуть в декілька стадій з використанням дробарок і млинів різних типів. Наведемо розміри шматків продуктів на кожній стадії: крупне дроблення - 100...300 мм, середнє дроблення – 10...50 мм, дрібне –3...10 мм, тонке – 0,05...2,0 мм й менше. Для дроблення руд кольорових металів найчастіше застосовують щічні, конусні, валкові і молоткасті дробарки. У щокових дробарках дроблення руди відбувається між нерухомою і рухливою щоками. Разом з бічними стінками щоки утворюють робочий простір дробарки. Щокові дробарки – апарати періодичної дії. Це є основним недоліком щокових дробарок, які мають нижчу продуктивність в порівнянні з конусними дробарками безперервної дії. Дроблення в конусних дробарках здійснюється в кільцевому просторі між двома усіченими конусами.

Валкові дробарки з гладкими і рифленими валками застосовують для дрібного дроблення. Вихідний матеріал подається в дробарку зверху, захоплюється валками, які обертаються назустріч один одному, дробиться і розвантажується вниз під дробарку. Для подрібнення кускових матеріалів до крупності часток менше 1,2 мм використовують барабанні млини, які залежно від вигляду тіл, що дроблять, діляться на кульові, стержневі, самоподрібнюючі тощо.

15. Якісна схема збагачення руд кольорових металів. Підготовчі, збагачувальні і допоміжні процеси. Технологічні показники збагачення руд. Витягання, міра збагачення, вихід продукту (дайте визначення і наведіть приклади)

Перед збагаченням руду приводять до такого стану, при якому мінерали, які містяться в ній, будуть як можна повніше звільнені від сполучення один з одним. Це досягається при дробленні і подрібненні руди та сортуванням подрібненого матеріалу за розмірами грохоченням або класифікацією. У свою чергу, отриманий концентрат необхідно підготувати до металургійної переробки шляхом його обезводнення (малюнок). На малюнку знаками «+» і «-» позначені крупна і дрібна фракції продукту подрібнення. Таким чином, процес збагачення складається з підготовки руди до збагачення, власне збагачення і підготовки концентрату до металургійної переробки.

До основних технологічних показників збагачення відносять: вміст компонентів в сировині і в продуктах збагачення, міру збагачення, вихід продуктів збагачення і витягання корисних компонентів в продукти збагачення.