Федеральное агентство по образованию
Самарский государственный экономический университет
Кафедра промышленной технологии и товароведения
РЕФЕРАТ
по техническим основам производства
на тему: «Технологические основы производства цветныхметаллов: меди, алюминия, магния, титана»
Выполнили: студентки
2 курса ПЭФ ЭОТ
Толстова Татьяна
Липей Елена
Науч. рук.: Тарасов А.В.
Оценка: ______________
Самара — 2009
Содержание
Введение
Глава 1. Производство меди
Глава 2. Производство алюминия
Глава 3. Производство магния
Глава 4. Производство титана
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Из цветных металлов важное промышленное значение имеют алюминий,медь, магний, свинец, цинк, олово, титан. Но стоимость цветных металлов по сравнениюс черными высока, поэтому во всех случаях, когда это допустимо, их стараютсязаменить черными металлами или неметаллическими материалами.
Технология металлов — наука о свойствах, способах полученияи обработки металлов.
Технология металлов и других конструкционных материаловявляется комплексной дисциплиной, содержащей основные сведения о способах получениямашиностроительных материалов и средствах их физико-химической переработки сцелью придания им свойств и конфигураций, необходимых в машиностроительномпроизводстве. Технология металлов и материалов освещает технологические методыформообразования заготовок литьем, обработкой давлением, сваркой, а так жеметоды обработки материалов резанием.
Карл Маркс в первом томе «Капитала» указывает, что«экономические эпохи различаются не тем, что производится, а тем, какпроизводится, какими средствами труда». Маркс отмечает, что доисторическиевремена подвергаются разделению «по материалу орудий и оружия: каменныйвек, бронзовый век, железный век». Свыше 6 млрд. тонн металла,заключенного в машинах, сооружениях, средствах транспорта и т.п., являются тойбазой, на которой основана современная материальная культура.
Развитие металлурги своими истоками уходит в глубокуюдревность. Добыча железной руды и получение из неё металла производились натерритории древней Руси задолго до нашей эры.
Металлургия цветных металлов в дореволюционной России носилавесьма ограниченный характер. Потребность страны в цветных металлахудовлетворялась преимущественно путём импорта. За годы индустриализации у нас встране не только увеличено производство меди, свинца, цинка, но и созданысовершенно новые отрасли промышленности. Выпускающие металлы, ранее непроизводившиеся в России, такие как алюминий, магий, никель, титан, вольфрам, молибден,германий.
В области разработки и совершенствования технологииметаллургического производства велика роль отечественных учёных,научно-исследовательских институтов и новаторов производства. Крупным вкладом вдело развития металлургии чугуна являются труды акад. М.А. Павлова, на основекоторых проектируются и эксплуатируются современные доменные печи. Важныеработы в области металлургии, особенно по внедрению кислорода в производство,выполнены под руководством акад. И.П. Бардина. У нас в стране зародилась наукао строении металлов — металлография (металловедение), основоположником которойбыл Д.К. Чернов. Это дало возможность поставить на научную основу процессыгорячей обработки металлов.
Технологические процессы производства и обработки металловнепрерывно совершенствуются. Внедрение новой отечественной и зарубежнойтехнологи даёт возможность повышать производительность действующих ипроектируемых установок, готовить изделия с минимальным расходом металла.Особое внимание при этом уделяется механизации и автоматизации процессов.
Глава 1. Производство меди
Медь как золото и серебро встречается в самородном виде ипоэтому в древности человек, который ещё не знал металлургии (восстановление металлаиз руд) уже мог находить и применять медь. В настоящее время медь производятметаллургическим способом, отделением ее от кислорода и серы. Не смотря на то,что содержание меди в земной коре невелико (0,01%), она не рассеянный метал иконцентрируется в медных рудах, где содержание её порядка 5%. По свойствам медьблизка к серебру и золоту. Последние на воздухе не окисляются и поэтомуназываются благородными металлами; медь окисляется слабо, поэтому её называютполублагородным металлом. Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств.Высокая пластичность, высокая электро- и теплопроводность, малая окисляемость — всё это обусловило широкое применение меди. Кроме того медь является основойважнейших сплавов — латуней и бронз. Высокая электропроводность медиобусловливает её преимущественное применение в электротехнике какпроводникового металла. После серебра медь стоит на втором месте поэлектропроводности. Все примеси уменьшают электропроводность меди, наклеп также уменьшает её электропроводность. Поэтому, если провода не должны быть особопрочными, то применяют отожженную медь. Для подвесных же проводов, где требуетсяпрочность, применяют нагартованную медь или медь с небольшими добавкамиактивных упрочнителей.
Сплавы меди с цинком (латуни).
Практическое применение имеют медные сплавы с содержаниемцинка до 45%, которые называются латунями. При комнатной температуре практическиприменяемые латуни либо состоят из одних альфа кристаллов, либо являются смесьюальфа и бета кристаллов.
Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальнойпластичностью обладает сплав с 30% содержанием цинка. Литейные свойства латунейопределяются взаимным расположением линий ликвидус и солидус. Латунь легкоподдается пластической деформации, поэтому из латуней изготавливают катаныйполуфабрикат (листы, ленты, профили). Латуни маркируют буквой Л., за которойследует цифра, показывающая среднее содержание меди в сплаве. Так как цинкдешевле меди, то чем больше в латуни цинка, тем она дешевле.
Кроме простых латуней — сплавов только меди и цинка,применяют специальные латуни, в которых для придания тех или иных свойствдополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения обрабатываемости,олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде, алюминий и никельдля повышения механических свойств.
Диаграмма состояния Cu — Zn
/>
Микроструктура латуни, х 200 А) альфа латунь
Б) альфа + бета латунь
/>
Сплавы меди с оловом (оловянистые бронзы).
Высокие литейные свойства бронз определяются исключительномалой усадкой, которую имеют бронзы. Наиболее сложные по конфигурации отливкиобычно изготавливают из бронзы. Жидкотекучесть бронзы невелика из-за большойразницы в температурах между линиями ликвидус и солидус. По этой же причинебронза не дает концентрированной усадочной раковины и для отливки из бронзвысокой плотности она не годится.
Влияние олова на механические свойства меди аналогичновлиянию цинка, но проявляется более резко. Уже при 5% олова пластичностьначинает падать. Благодаря высокой технической стойкости бронз из них изготавливаютарматуру (паровую, водяную и пр). Таким образом, основное применение бронз — сложные отливки, вкладыши подшипников и др. Для удешевления в большинствопромышленных бронз добавляют 5 — 10% цинка. Цинк в этих количествахрастворяется в меди и не оказывает существенного влияния на структуру. Фосфорвводят в бронзу как раскислитель и он устраняет хрупкие включения окиси олова.При наличии около 1% фосфора, такую бронзу называют фосфористой.
Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы,показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, а потом цифры,показывающие количество этих элементов в целых процентах.
Диаграмма состояния Cu — Sn
/>
Структура литой бронзы с 6% Sn,х 200 А) после отжига
Б) до отжига
/>
Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами.
Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другимиэлементамиже называются бронзами; в отличие от оловянистых их называютсоответственно алюминиевыми, кремнистыми и т.д. Малой величиной усадкиоловянистая бронза превосходит эти бронзы, но они в свою очередь превосходятоловянистую в других отношениях: по механическим свойствам, по химическойстойкости, по жидкотекучести. Олово — дефицитный элемент, поэтому эти бронзы,кроме, разумеется, бериллиевой, дешевле оловянистой. Бериллиевая бронзаотличается от остальных высокими твердостью и упругостью.
Свинцовистая бронза, содержащая 30% свинца, являетсявысококачественным антифрикционным материалом, широко применяемым в машиностроении.Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца. Высокиеантифрикционные свойства сплава обеспечиваются равномерным вкраплением свинца вмедь.
Получение меди.
Медь получают главным образом пирометаллургическим способом,сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ееобогащение, обжиг, плавку на полупродукт — штейн, выплавку из штейна черновоймеди и ее очистку от примесей (рафинирование).
Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1 — 6% Cu, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в видесернистых соединений, оксидов или гидрокарбонатов. Перед плавкой медные рудыобогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентратеего подвергают окислительному обжигу. Полученный концентрат переплавляют вотражательных или электрических печах. Восстанавливаются оксид меди (CuO) ивысшие оксиды железа.
Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, арасплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Послеэтого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом дляокисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медьсодержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают визложницы. Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов.Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe,Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальнымтрубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, длячего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медьи способствуют удалению других газов. Ванну жидкой меди покрывают древеснымуглем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженнойв медь, образуются углеводороды.
После огневого рафинирования получают медь чистотой99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) илиплиты для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование проводят для получениячистой от примесей меди (99,5% Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутривинипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды — из листов чистой меди. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медьпереходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди.
Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на днованны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают,промывают и переплавляют в электропечах.
/>
Упрощенная схема получения меди из сульфидных руд пирометаллургическимспособом
Реализация этой схемы на различных переделах, особенно наначальных этапах до получения медного штейна, может проводиться в различныхпечах и в различных технологических вариантах. В рассматриваемой схеме первыйпередел медной руды — это обогащение. Однако бывают случаи, когда руды,обогащенные серой (свыше 35%), плавят без обогащения для извлечения из них нетолько меди, но и серы. Однако основная масса добываемой из недр землисульфидной медной руды подвергается флотационному обогащению.Глава 2. Производство алюминия
Сущность процесса производства алюминия заключается вполучении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующимполучением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема вкриолите.
В современной алюминиевой промышленности применяетсянесколько способов получения окиси алюминия; их можно разбить на три группы.
Суть электротермических способов заключается ввосстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде,восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистыйчугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия. В шлакеостаются также некоторые частично невосстановленные примеси. Полученный такимобразом глинозем может использоваться для изготовления шлифовальных кругов идругих абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминиятакой глинозем не пригоден.
Кислотные способы сводятся к тому, что алюминиевая рудаподвергается обработке какой-либо кислотой, например соляной или серной.Кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимаясоль (например, хлористый алюминий). Основные примеси (кремнезем, окись кальцияи др.) с кислотами не реагируют. Однако ряд примесей (например окислы железа)взаимодействуют со многими кислотами, что создает большие дополнительныетрудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в раствореочень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует многопатентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кислотойтолько в кислотоупорной аппаратуре, это дополнительно удорожает и осложняетпроизводство глинозема.
Щелочные способы в большинстве стран применяют и дляполучения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, чтоалюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи.
В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся вруде, например с едким натром, при определенных условиях образуются так называемыеалюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде.Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами невзаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминийпереходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать сощелочами. Важнейшая из них — кремнезем. Освободить раствор от него не просто.
Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому чтовсе операции можно проводить в стальной и чугунной аппаратуре.
Разберем более подробно один из наиболее употребительныхщелочных способов получения окиси алюминия — способ спекания. Примерная схемаэтого способа представлена на рисунке:
/>
Схема получения глинозёма способом спекания
Боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды вследующей пропорции: на один моль А1203 и Fe203 добавляют один моль соды и наодин моль кремнезема в шихту вводятся два моля CaCOs
Полученную мокрую шихту тонко размалывают в шаровыхмельницах и она выходит из них в виде жидкой пульпы. Пульпу после проверки инекоторой корректировки ее состава направляют в медленно вращающиеся трубчатыепечи длиной 80-120 м и диаметром 2,5-3,5 м. Пульпу подают в «холодный»конец печи, где она встречается с отходящими печными газами, имеющимитемпературу порядка 300-400 °С. В результате влага испаряется; высохшая шихта,постепенно нагреваясь, перемещается в горячую зону, в которой температурадостигает 1200-1250 «С.
По мере нагревания в шихте протекают сложные химическиепроцессы. В печи спекания протекают многие другие процессы, которые приводят кобразованию алюминатов и ферритов кальция, некоторых других комплексныхсоединений.
Продукты реакций выделяются из печи в виде так называемого опека(напоминающего пористую гальку серого цвета), состоящего главным образом изалюмината натрия, феррита натрия и силиката кальция.
Полученный спек охлаждают, дробят и подвергаютвыщелачиванию, сущность которого заключается в воздействии на спек слабыхрастворов соды. В результате выщелачивания из спека в раствор переходиталюминат натрия, а также происходит гидролиз ферритов натрия. Образовавшаясягидроокись железа выпадает восадок, а раствор обогащается едким натром. Полученный раствор отделяют отнерастворившихся примесей отстаиванием и фильтрацией.
Наряду с этими желательными реакциями происходят и реакции,осложняющие производство чистой окиси алюминия. Так, например, в растворпереходит некоторое количество силикатов натрия, что заставляет проводитьспециальную операцию, называемую обескремниванием раствора. Сущность этойоперации заключается в длительном нагревании с перемешиванием алюминатногораствора и известкового молока в прочных закрытых цилиндрических сосудах сосферическими днищами — автоклавах — при температуре 150-180°С. В результатепротекает ряд химических процессов.
После фильтрации раствора от взвешенных в нем частиц чистыйалюминатный раствор подвергают карбонизации. Назначением этой операции являетсявыделение из раствора чистой гидроокиси алюминия, не загрязненной другимивеществами. Эту операцию проводят в цилиндрических баках с мешалками — карбонизаторах, в которые подают углекислый газ (обычно очищенные печные газы).Под действием С02 алюминатный раствор разлагается, из него выпадаетбелый осадок — гидрат окиси алюминия, который отделяется от раствора соды.Оставшийся раствор соды после добавления в него некоторого количества свежейсоды возвращают на подготовку шихты для очередного спекания, а гидрат окисиалюминия прокаливают в трубчатых печах (аналогичных печам спекания) притемпературе 1200 °С, в результате чего получается безводный, негигроскопичныйглинозем, вполне пригодный для последующего электролиза.
Основное сырье для производства алюминия — алюминиевые руды:бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы.
Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей,т.е. пропуская постоянный электрический ток через расплавленный криолит, вкотором растворен глинозем. Сущность этого процесса можно понять, рассмотреврисунок:
/>
Электролизер состоит из основного корпуса 1, футерованноговнутри угольными блоками; в его подовую часть с помощью шин 2 и 3 подведенотрицательный полюс источника тока. Над корпусом подвешен угольный анод 8, ккоторому с помощью шин 9 и 10 присоединен положительный полюс источниканапряжения. Если в электролизер залить расплав, состоящий из криолита иглинозема, опустить в этот расплав анод и пропускать через расплав постоянныйток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на днеэлектролизера можно обнаружить расплавленный алюминий 4 под слоемрасплавленного электролита 6, состоящего из криолита Na3AlF6, в котором при температуре, близкой к 1000 С,обычно растворено от 1 до 10% глинозема. Электролит поддерживается врасплавленном состоянии только за счет теплоты, выделяющейся при прохождениичерез него электрического тока, поэтому часть электролита всегда застывает нахолодных стенках и образует твердую застывшую корку 5, на которую сверху насыпаютпорошкообразную окись алюминия 7.
Схематический чертёж алюминиевой ванны с верхним подводом тока к самообжигающемуся аноду />В настоящее время наиболее широко применяют электролизеры,рассчитанные на силу тока, превышающую 100 кА, с заранее обожженными анодамиили с верхним подводом тока к самообжигающимся анодам (см. рисунок ниже).Получение алюминия в таком электролизере осуществляется непрерывно в течениедвух-трех лет; при этом выполняются следующие основные операции: наблюдение засоставом электролита, обеспечение своевременной загрузки глинозема и извлеченияалюминия, наблюдение за напряжением и обслуживание самообжигающейся аноднойсистемы.
/>/>
Процесс электролиза сводится к разряду ионов А13+и 02+, из которых состоит глинозем, который непрерывно расходуется.Криолит не подвергается непосредственному электролизу и расходуется мало,однако из-за его физических потерь (испарения, выплескивания и т.д.), а такжевзаимодействия его отдельных составляющих с примесями глинозема и футеровкойэлектролизера приходится систематически следить за его уровнем в ванне (толщинаслоя 18-25 см) и химическим составом.
Некоторые заводы вводят в электролит небольшие добавки CaF2 и MgF2 дляснижения температуры плавления электролита на несколько десятков градусов.
Когда в электролите остается мало глинозема (менее 1%),возникает анодный эффект. Внешне он проявляется в быстром скачке напряжения наэлектролизере от обычных 4,0-4,7 В до 30-50 В; в области анода появляютсяэлектрические дуги, электролит начинает перегреваться и бурлить. Для ликвидациианодного эффекта пробивают корку электролита и, перемешивая, растворяют в немглинозем (очередная порция которого всегда заранее насыпается на коркуэлектролита).
После растворения глинозема в электролите анодный эффектобычно прекращается и напряжение делается нормальным. Анодный эффект в процессеполучения алюминия играет как положительную, так и отрицательную роль. С однойстороны, он сигнализирует о недостатке в электролите глинозема и даетвозможность получить представление о ходе электролиза, с другой стороны — онприводит к перерасходу электроэнергии и нарушению теплового равновесия ванны.На заводах стремятся предотвратить частое появление анодных эффектов, вводяглинозем до их появления. В свою очередь, избыток глинозема, введенного вэлектролит, не растворяется, оседает на дно под слой алюминия, затрудняетнормальный ход электролиза. Поэтому считают нормальным возникновение вэлектролизере одного-двух анодных эффектов в сутки.
Изучением природы анодного эффекта занималось многоисследователей. На основе исследований, проведенных в Московском институтецветных металлов и золота под руководством проф.А.И. Беляева, можно сделать вывод,что причиной, вызывающей анодный эффект, является различная смачиваемостьугольного анода расплавленным электролитом при различном содержании в немокислов. Когда в электролите имеется значительное количество окиси алюминия,электролит хорошо смачивает угольную поверхность анода и поэтому образующиесяанодные газы легко удаляются с его поверхности, не препятствуя прохождениюэлектрического тока. При уменьшении количества глинозема смачиваемостьэлектролитом медленно изменяется и при содержании глинозема менее 1% количествопереходит в качество — электролит перестает смачивать угольную поверхность; врезультате между электролитом и угольным анодом образуется газовая пленка,препятствующая прохождению электрического тока, что и приводит к резкому повышениюнапряжения на ванне.
Алюминий извлекают из электролизера, пробивая коркузастывшего электролита и опуская на дно футерованную огнеупором стальнуютрубку, через которую алюминий откачивают в вакуумный ковш. На современнойалюминиевой ванне, рассчитанной на силу тока 100 кА, получают в сутки около 700 кг алюминия, поэтому извлечение металла проводят не чаще чем один раз в сутки (из менее мощныхванн один раз за двое суток).
По мере извлечения алюминия анод постепенно опускают, приэтом тщательно регулируют напряжение и межполюсное расстояние электролизера.Поскольку нижняя часть анода сгорает и он постепенно опускается, его необходимонаращивать в верхней части. В кожух анода систематически загружают аноднуюмассу, которая коксуется на горячем конусе анода за счет теплоты из ванны.Токоподводящие стальные штыри постепенно опускаются с анодом и во избежаниерасплавления их поочередно выдергивают из его тела и поднимают на более высокийуровень, а в образовавшуюся полость затекает анодная масса1 икоксуется в ней.
На получение 1 т первичного алюминия электролизомрасходуется 15 000-17 000 кВт-ч электроэнергии и почти 2 т глинозема.
Для удаления неметаллических включений (частичек угля,глинозема, фтористых солей и т.д.) извлеченный из электролизеров алюминий частоподвергают 10-15-минутному хлорированию в ковше при температуре 750 °С. Потомалюминий направляют в большие электропечи сопротивления, из которых проводитсяего полунепрерывная разливка в калиброванные заготовки для производства труб,проволоки и листа (рис.17.8). Эти же печи применяются для получения многихсплавов на алюминиевой основе.
Часть первичного алюминия после отстаивания от примесей впечах САН разливается в чушки на конвейерной машине.
В конце 70-х годов на алюминиевых электролизных заводах СССРрезко увеличили объем бесслитковой прокатки листа из расплавленного первичногоалюминия. Эти прогрессивные методы значительно экономят труд и электроэнергию,так как отпадает необходимость изготовления слитков, их транспортировки ипоследующего повторного нагрева. На рис.17.9 показана схема установки дляполучения алюминиевого листа непосредственно из расплавленного металла.
Первичный алюминий выпускают 13 марок, которые делятся натри группы: алюминий особой чистоты марки А999, четыре марки алюминия высокойчистоты и восемь марок алюминия технической чистоты. В первичномметалле допускается содержание примесей от 0,15 до 1,0%, причем название маркиуказывает на степень чистоты металла. Так, марка алюминия технической чистотыА8 обозначает, что в нем 99,8% алюминия, а примесей (в основном кремния ижелеза) только 0,2%. В алюминии высокой чистоты марки А99 — соответственно99,99% алюминия и только 0,01% примесей.
В электролизных ваннах получают алюминий техническойчистоты. Для получения алюминия более высоких марок требуется его дополнительноерафинирование.Глава 3. Производство магния
Магний — серебристо-белый металл. Важнейшее егофизическое свойство — малая плотность (р = 1,74 г/см при 20 °С). В электроннойоболочке атома магния имеется двенадцать электронов. Два электрона 3s, находящиеся на внешней орбите, легко могут быть оторваны,что приводит к образованию иона Mg'2+,поэтому магний двухвалентен во всех известных соединениях.
Природный магний состоит из смеси трех стабильных изотопов.Причем искусственный изотоп.27Mg с полураспадом10,2 ч может быть применен в качестве радиоактивного индикатора. Кристаллымагния обладают компактной гексагональной структурой.
При хранении магния на сухом воздухе на его поверхностиобразуется окисная пленка, предохраняющая металл при небольшом нагревании (до200 °С) от дальнейшего окисления; в этих условиях коррозионная стойкость чистогомагния превышает стойкость низкоуглеродистой стали. Однако во влажном воздухеего коррозия значительно усиливается. На него практически не действует керосин,бензин и минеральные масла. Однако он не стоек в водных растворах солей (кромефтористых) и растворяется во многих минеральных и органических кислотах.
Магний в виде слитков или изделий не огнеопасен. Возгораниемагния может произойти лишь при температуре, близкой к точке его плавления (651°С) или после расплавления, если он не изолирован от кислорода воздуха.Покрытый флюсом, металл можно нагребать и плавить. Порошкообразный магний илитонкая магниевая лента легко загорается от спички и горит ослепительно белымпламенем. Магний немагнитен и не искрит при ударах пли трении.
В свободном виде он не встречается, но входит в видекарбонатов, силикатов в состав многих горных пород, а также растворен в морскойи озерной воде в виде хлоридов и сульфатов.
В настоящее время для получения магния применяют магнезит,доломит, карналлит, а также морскую воду и отходы ряда производств.
Природный минерал магнезит кроме карбоната магния MgC03 обычно содержит карбонат кальция, кварц, атакже примеси других минералов, включающих окислы алюминия и железа. Дляпроизводства магния применяют только чистый каустический магнезит, полученныйпо реакции MgC03 = MgO+ CO2 при нагревании (обжиге) природногомагнезита до 700-900 °С.
Доломит — горная порода, представляющая собой двойнойкарбонат кальция и магния MgC03-СаС03.Доломиты обычно содержат примеси кварца, кальцита, гипса и др. Содержание иокраска примесей определяют цвет породы. Доломит широко распространен в природеи составляет около 0,1% всех горных пород, входящих в состав земной коры.Доломит, так же как и магнезит, предварительно обжигают до получения смесиокислов MgO и СаО.
Карналлит — природный хлорид магния и калия — оченьгигроскопичное кристаллическое вещество, обычно окрашенное примесями в розовый,желтый пли серый цвет. Карналлит подвергают гидрохимической обработке длявыделения из него брома и некоторого количества хлористого натрия и калия, врезультате чего получается так называемый искусственный карналлит, которыйприменяется в магниевой промышленности.
Неисчерпаемы запасы магния в виде бишофита MgCl2* 6Н,0 в морской воде; в среднем там содержится 0,38% MgCl2.Кроме того, в морской воде имеются соединения магния MgS04(0,17%) и MgBr2 (0,01%).
Морская вода пока редко используется для получения бишофита,так как во многих странах имеются соляные озера, в воде которых содержаниехлористого магния значительно выше. В некоторых озеpaxперекопской группы, например, содержание хлористого магния к концу летадостигает 15%. Кроме того, сырьем для получения магния теперь служат отходыряда производств. При этом особенно, широко используют хлористый магний,получаемый при извлечении титана из его руд.
Понятие об электролитической способе получения магния. Восновном магний получают электролитическим способом, важнейшими стадиями которогоявляются: а) получение чистых безводных солей магния; б) электролиз расплаваэтих солей и в) рафинирование магния.
Варианты электролитического способа получения магнияразличаются по составу солей, поступающих на электролиз (карналлит, хлористый магнийи т.д.), и по способу получения этих солей (хлорирование магнезита, обезвоживаниебишофита или карналлита). Хлорирование магнезита можно проводить аналогичнохлорированию окиси титана. Обезвоживание карналлита обычно проводят в двестадии: вначале медленным нагреванием природного карналлита в трубчатых печах,а затем плавлением соединения КCl* MgCl2* Н20 до полного удаления гидратной влаги.
Электролиз проводят в расплавленных хлоридах магния, калия,натрия и кальция, так как при электролизе водных растворов его солей из-заотрицательного потенциала магния на катоде выделяется только водород.
Схема электролизера для получения магния изображена нарисунке:
/>
Электролизер для получения магния.
Анодами служат графитные плиты 4, катодами — стальныепластины 2. Так как плотность расплавленного электролита больше, чемплотность магния в этих же температурных условиях, то выделяющийся на катодежидкий магний, не растворяясь в электролите, в виде капель всплывает на поверхность.На аноде выделяется газообразный хлоp, который такжеподнимается и выбрасывается из электролита. Во избежание взаимодействия хлора имагния и короткого замыкания анода и катода расплавленным магнием вверхуустанавливают перегородку 1, которую принято называть диафрагмой. Во времяэлектролиза расходуется хлористый магний, периодически вводимый в электролит.
Собирающийся на поверхности катодного пространства магнийпериодически удаляют. Выделяющийся в анодном пространстве хлор всасывают черезтрубы 3 и используют, например, для хлорирования окиси магния или окисититана.
Магний можно получить электролизом чистого расплавленного безводногохлористого магния, однако высокая температура плавления, низкаяэлектропроводность и другие неблагоприятные свойства этой соли вынуждаютприбегать к электролитам более сложного состава. Практически удобнее вестиэлектролиз карналлита, который обычно содержит в виде примеси хлористый натрий.Такой электролит обладает более низкой температурой плавления, более высокойэлектропроводностью и меньше растворяет магний. Поэтому при работе с нимдостигается меньший расход электроэнергии.
Магниевые ванны соединяются между собой последовательно всерии по 60-100 шт. Число ванн в серии определяется напряжением источника постоянногоэлектрического тока; напряжение ванны, которое зависит от ее конструкции,межполюсного расстояния, состава электролита, колеблется в пределах 5,5-7,5 В.
Обслуживание ванн заключается в выполнении следующихосновных операций: а) питании электролитом; б) регулировании температуры; в) извлечениимагния; г) удалении шлама.
Питание ванн электролитом. В процессе электролиза идетнепрерывное разложение хлористого магния, поэтому для восполнения го расхода вванну периодически вводят свежие расплавленные мористые соли. Наиболее удобнодобавлять в электролит безводный Хлористый магний, получающийся привосстановлении хлорида титана магнием. В случае автономного расположениямагниевого завода бишофит приходится предварительно обезвоживать. Можно вводитьв ванну и безводный карналлит, но тогда необходимо сливать часть электролита,так как иначе в нем будет избыток хлорида калия. Из отработанного электролитаполучают калийные удобрения.
Регулирование температуры. Электролиз должен протекать притемпературе 690-720 °С, при этом нижнего предела желательно придерживаться припитании ванн хлористым магнием, а верхнего — при питании карналлитом. Впроцессе электролиза необходимо наблюдать за температурой электролита, так какотклонение от нормы, особенно в сторону повышения, значительно ухудшаетпоказатели Iпроцесса.
В магниевых ваннах для регулирования температуры не меняютмежполюсное расстояние, как это принято при электролитическом полученииалюминия, а изменяют состав, а с ним и электропроводность электролита. Так,например, чтобы поднять температуру электролита, следует залить в него большечистого хлористого магния, что увеличит сопротивление электролита. Изменениятемпературы впределах 20-30 °С можно добиться, варьируя количествоотсасываемых газов из катодного пространства ванны.
В случае перегрева электролита применяют загрузку твердогохлористого натрия; при чрезмерном падении температуры, например при выключенииванны, используют подогрев электролита переменным током, опуская в катодныеячейки нихромовые спирали.
Извлечение магния из электролизера. Это обычно производят нереже одного раза в сутки, применяя вакуумные ковши. Ковш предварительно нагреваетсявмонтированными в него нагревательными элементами и затем подается к ваннаммостовым краном. После создания в нем разрежения 730-800 кПа в ячейку ванныопускают всасывающуютрубу и открывают клапан. Металл и частьэлектролита засасываются в ковш. Затем клапан закрывают и повторяют операцию вдругих ячейках ванны.
Удаление шлама. В электролит с хлористым магнием поступает иокись магния; кроме того, может протекать гидролиз электролита с образованиемокиси магния. Она оседает на дно электролизера, увлекая за собой другиепродукты и образуя шлам. Шлам удаляют один раз в два-три дня, не допускаязначительного накопления его на дне ванны, так как это иногда приводит кзамыканию анода с катодом и ухудшает условия осаждения магния на катоде.
Глава 4. Производство титана
Титан получают магнийтермическим способом, сущность которогосостоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последующимполучением из него четыреххлористого титана и восстановлении из последнегометаллического титана магнием.
Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовыеруды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45% TiO2,~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5-7% пустой породы. Название этотконцентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeО*TiO2.
Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем,антрацитом в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.
Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, анизшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы.
Основной продукт этого процесса-титановый шлак. Побочныйпродукт этого процесса — чугун используют в металлургическом производстве.Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижнейчасти печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании черезнее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмывнутрь печи-хлор. При температуре 800 — 1250° С в присутствии углеродаобразуется четыреххлористый титан, а также хлориды.
Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальныххлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификациив специальных установках.
Титан из четыреххлористого титана восстанавливают вреакторах при температуре 950-1000° С. В реактор загружают чушковый магний;после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразныйчетыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаномпроисходит реакция 2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2.
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу-губку, ажидкий MgCl2 выпускают через летку реактора. Титановая губкасодержит 35-40% магния и хлористого магния.
Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагреваютдо температуры 900-950° С в вакууме. Титановую губку плавят методомвакуумно-дугового переплава.
Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствуеточистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому ихвторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистотатитана составляет 99,6 — 99,7%. После вторичного переплава слитки используютдля обработки давлением.
/>
Упрощенная схема получения титана
Заключение
Подводя итоги, можно сделать следующий вывод: в настоящеевремя цветные металлы и сплавы на их основе находят весьма широкое применение.Наибольшее применение получили сплавы на основе меди, алюминия, магния.Указанные металлы в чистом виде в промышленности не применяют, но техническичистые, содержащие небольшое количество примесей, используют достаточно часто.
Медь выпускают в виде листов, лент нормальной и повышеннойточности, проволоки, прутков разного сечения. Медь является основой важнейшихсплавов — латуней и бронз. Сплавы меди с цинком называют латунями, асплавы со всеми другими элементами — оловом, алюминием, бериллием и др. — бронзами.
Широко используются в народном хозяйстве сплавы меди сникелем — мелъхиоры, иногда с небольшими добавками железа и марганца, атакже меди с цинком и никелем (иногда с добавлением кобальта) — нейзильберы.Мельхиоры отличаются высокой химической стойкостью в морской воде,растворах солей, органических кислотах, они весьма пластичны. Их применяют вморском судостроении, для изготовления разменной монеты, медицинскогоинструмента, деталей аппаратуры точной механики и др. Нейзильберы обладаютвысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Они используются в производстветочных приборов, часов и т.д.
Алюминий. Благодаря ряду положительных свойств алюминия ибольшого количества его в земной коре (до 7,45%) он широко применяется в производствев виде различных сплавов. Чистый алюминий из-за высокой химической активности вприроде не встречается и в технике не применяется.
Алюминий — мягкий металл серебристо-белого цвета. Имеетвысокие электро- и теплопроводность, большую скрытую теплоту плавления. Техническичистый алюминий выпускается нескольких марок и применяется в основном дляизготовления радиоэлектронной аппаратуры (электролитических конденсаторов,фольги и др.). Сплавы алюминия применяются практически во всех отрасляхпромышленности (авиационной, ракетостроительной, приборостроительной и др.).Наибольшее применение имеют сплавы алюминия с кремнием, магнием и медью (литейныеи деформируемые).
Лучшим деформируемым сплавов на алюминиево-медной основе являетсядюралюминий. Дюралюминий, имея малую плотность (2,85 г/см3), обладаетвысокими механическими свойствами, не уступающими свойствам низкоуглеродистыхсталей. Свойства дюралюминия повышаются с проведением закалки и старениясплава.
Лучшими литейными сплавами являются силумины (на основе алюминий- кремний), из которых изготовляют детали различных приборов и радиоаппаратов,корпуса турбонасосных агрегатов и др.
Магний быстро окисляется на воздухе, имеет весьма низкиемеханические свойства. Поэтому как конструкционный материал он не применяется,а вводится в качестве компонента в сплавы. Магниевые сплавы делятся на деформируемыеи литейные. Широкое применение магниевого литья объясняется, в частности, малойплотностью магния, что обеспечивает получение деталей малой массы.
Титан — малопрочный серебристо-серый металл. В чистом виде втехнике не применяется. Введение в титан различных компонентов позволяетполучать требуемые свойства сплавов.
Применяют также литейные титановые сплавы, обеспечивающиевысокую плотность отливок. Эти сплавы дают малую линейную усадку, не подверженыобразованию трещин в горячем состоянии, что позволяет изготовлять отливкисложной формы.
Плавка и разливка титановых сплавов производится в защитнойатмосфере и вакууме.
Список использованной литературы
1. Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение иконструкционные материалы: учебник для механических и машиностроительныхтехникумов, М.: Высшая школа, 1984
2. Браун Д.А., Разыграев А.М. Технология металлов и конструкционныематериалы, М.: Высшая школа, 1965
3. Технология металлов и других конструкционных материалов под ред. проф.Дубинина Н.П., М.: Высшая школа, 1969
4. Архипов В.В., Касенко М.А., Ларин М.Н. и др. Технология металлов, М.:Высшая школа, 1964
5. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы: учебникдля средних специальных учебных заведений, Л.: Машиностроение, Ленинградскоеотделение, 1986.