Metalurgia Opracowanie wykładów Modrzyńskiego

Metalurgia - to nauka zajmująca się otrzymywaniem metali z rud

Ruda- utwory skalne zawierające związki chemiczne metalu (metali), podstawowy surowiec
stosowany w procesach metalurgicznych. Składa się z: SKŁADNIK PODSTAWOWY,
SKAŁA PŁONNA

FORMY WYSTĘPOWANIA METALI W RUDACH :

-W STANIE WOLNYM (Au, Ag, Pt, Hg )
- TLENKI (Fe

)

- SIARCZKI (Cu

- WĘGLANY (FeCO

, MgCO

)

- UWODNIONE TLENKI ( Al

n H

O )

Wstępna przeróbka rud – rozdrabnianie –> Przemiana związku lub usuwanie skały płonnej
-> scalanie -> koncentrat

[proces ; produkt]

Rozdrabnianie –

-grube średnica: z 200-400 do 80-100 mm –łamacze stożkowe,

-łamacze szczękowe;

-średnie z 100-200 do 30-80,

–łamacze stożkowe,
- kruszarki bębnowe,
-młyny prętowe,
-młyny kulkowe,

-drobne z 1-80 do <1

-młyny kulkowe

Metody wzbogacania rud:

•

Metody fizyczne :

-metody grawitacyjne,
- metody elektryczne:

- metody elektromagnetyczne,
- metody elektrostatyczne

- metody flotacyjne

•

Metody chemiczne

- WZBOGACANIE GRAWITACYJNE (Wykorzystuje różnice w gęstości pozornej
ziarenek rudy i prędkości ich opadania w powietrzu i w cieczy):

•

PŁUKANIE

•

STRUMIENIOWE

•

W CIECZACH CIĘŻKICH

-WZBOGACANIE ELEKTRYCZNE

•

WZBOGACANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

- SEPARACJA ELEKTROMAGNETYCZNA

•

WZBOGACANIE ELEKTROSTATYCZNE

- SEPARACJA ELEKTRYCZNA

PRZEMIANA ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL (Me)

•

Prażenie w atmosferze redukującej

MexO4 + R

→

MexO(4-a) + ROa

•

Prażenie w atmosferze obojętnej

Mex(CO3)z

→

MexOz + z CO2

Mex(OH)z

→

MexO 0.5z + 0.5z H2O

•

Prażenie w atmosferze utleniającej

MexSw + (0.5z +w) O2

→

MexOz + z SO2

SCALANIE KONCENTRATU –

•

SPIEKANIE KONCETRATU

•

BRYKIETOWANIE KONCETRATU

•

GRUDKOWANIE KONCENTRATU

PROCESY WSTĘPNE:

•

WYDZIELANIE METALU ZE ZWIĄZKU ZAWIERAJĄCEGO METAL

•

ODDZIELENIE SKAŁY PŁONNEJ OD METALU

Podział procesów wstępnych:

-pirometalurgiczne :

-redukcyjne
-dysocjacji termicznej
-utlenianie

-elektrometalurgiczne

-redukcyjne
-dysocjacji termicznej
-utlenianie

-elektrolityczne (Nierozpuszczalna anoda) MeSO

→

SO4- - + Me++,

Gdzie Anoda SO

+0,5O

, Katoda Me

-hydrometalurgiczne

PROCESY REDUKCYJNE -STOSOWANE DO PRZERÓBKI RUD TLENKOWYCH

REDUKTORY: C, CO , H

, niektóre metale (Me),

SCHEMAT PROCESU

MeO + R

→

Me + RO

MeA + RMe

→

Me + RMeA

A – dowolny pierwiastek występujący w związku z Me, R - reduktor

PROCESY DYSOCJACJI TERMICZNEJ - SCHEMAT 2MeO

→

Me + O

UTLENIANIE - Oddziaływanie na związek MeX tlenem; MeX + O2

→

Me + XO2

PROCESY HYDROMETALURGICZNE :

Etapy:

-ROZPUSZCZANIE (POZWALA NA PRZEPROWADZENIE METALU
WYSTĘPUJĄCEGO W RUDZIE DO ROZTWORU)

ZASADA - METAL ZAWARTY W RUDZIE PRZEPROWADZMY
DO ROZTWORU
SPOSÓB REALIZACJI – ODDZIAŁYWANIE NA RUDĘ

ROZTWORAMI KWASÓW, ZASAD LUB SOLI

- OCZYSZCZENIE ROZTWORU Z ZANIECZYSZCZEŃ

-EKSTRAKCJA Z WYTRĄCANIEM PRZEZ SPECJALNIE
WPROWADZONE DODATKI
- ZASTOSOWANIE ROZPUSZCZALNIKÓW ORGANICZNYCH
-KRYSTALIZACJA

- WYDZIELENIE PIERWIASTKA Z ROZTWORU

STOSOWANE PROCESY

•

WYDZIELENIE Z ROZTWORU NA DRODZE
ELEKTROLIZY

•

CEMENTACJA
CuSO4(liq) + Fe(s)

→

FeSO4(liq) + Cu(s)

•

REDUKCJA CIŚNIENIOWA WODOREM

CuSO4 + H2

→

Cu + H2SO4

PROCESY RAFINACYJNE

cel - usunięcie zanieczyszczeń z metalu uzyskanego w

procesach wstępnych lub w wyniku przetapiania złomu ( recyklingu )
Metal po procesie wstępnym zawiera pewną ilość domieszek ( zwykle zawartość ich waha się
od ułamka procentu do 10% )

Rafinacja metali ma na celu usunięcie domieszek lub

ograniczenie ich zawartości do dopuszczalnej koncentracji

Zanieczyszczenia:

-Metaliczne

-Niezwiązane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

-Związane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

-Niemetaliczne

-Niezwiązane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

-Związane

-Rozpuszczalne
-Nierozpuszczalne

KLASYFIKACJA METOD RAFINACJI

-FIZYCZNA

-EKSTRAKCJA

ŻUŻLOWA- wykorzystuje prawo Ernsta które określa warunki

równowagi na granicy dwóch faz

GAZOWA- wykorzystuje prawo Raoulta które określa równowagę

na granicy faz : ciekły metal - gaz

PRÓŻNIOWA- Obniżanie stężenia zanieczyszczenia A w fazie

gazowej sąsiadującej z ciekłym metalem

-ZMIANA STANUSKUPIENIA- Swobodne przechodzenie zanieczyszczeń z

tworzącej się fazy stałej do cieczy wymaga istnienia
wyraźnego frontu krystalizacji
Wykorzystuje zjawiska:

 zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń w

metalu wraz ze zmianą temperatury,

 zmiany rozpuszczalności zanieczyszczeń

podczas przejścia metalu ze stanu ciekłego w
stan stały,

POSTĘPUJĄCA KRYSTALIZACJA
TOPIENIE STREFOWE
DESTYLACJA, REKTYFIKACJA- Wykorzystuje do oddzielenia

zanieczyszczeń z metalu różnicę w prężności par
składników stopu

 PROCES DESTYACJI – gdy rozdzielenie

składników następuje podczas przeprowadzania
ich w stan gazowy

 PROCES REKTYFIKACJI – gdy rozdzielenie

składników następuje podczas ich przechodzenia
ze stanu gazowego w stan stały

-MECHANICZNA

FILTROWANIE-usuwanie stałych wtrąceń z ciekłego metalu; szerokie

zastosowanie przemysłowe

WIBRACJA
ULTRDŹWIĘKI

-ELEKTROLIZA

-CHEMICZNA

-ŻUŻLOWA- do żużla lub do metalu wprowadzamy pierwiastek (R)

charakteryzujący się dużym powinowactwem chemicznym
do zanieczyszczenia

-GAZOWA- DO CIEKŁEGO METALU WDMUCHUJEMY GAZ ( G )

CHARAKTERYZUJĄCY SIĘ DUŻĄ AKTYWNOŚCIĄ W
SOSUNKU DO ZANIECZYSZCZENIA

-PRÓŻNIOWA- WYKORZYSTUJE MOŻLIWOŚĆ URUCHOMIENIA

REAKCJI POPRZEZ OBNIŻENIE CIŚNIENIA
NAD POWIERCHNIĄ CIEKŁEGO METALU

Powierzchnię rozdziału faz <F> może stanowić :

 Swobodna powierzchnia metalu,
 Powierzchnia pęcherzy gazu wprowadzonych do metalu,
 Powierzchnia pęcherzy gazów samoczynnie tworzących się w metalu wskutek

wydzielania się zanieczyszczenia ( wstąpienie zjawiska przesycenia )

Efekt rafinacji można uzyskać:

 Przez przedmuchiwanie ciekłego metalu gazem obojętnym o niskiej koncentracji

zanieczyszczenia A,

 Przez przetrzymanie ciekłego metalu w próżni

PODSTAWOWE STOPY ŻELAZA:



SURÓWKA – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości

C>2%,

 STAL – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2%,
 ŻELIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C>2%

przeznaczony na odlewy kształtowe,

 STALIWO – stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2%

przeznaczony na odlewy kształtowe,

KLASYFIKACJA STOPÓW ŻELAZA

 WĘGLOWE ( NIESTOPOWE )
 STOPOWE ( ZAWIERAJĄ CELOWO WPROWADZONE DO STOPU

PIERWIASKI W ILOŚCI NAWET DO 30% )

Podstawowe domieszki stopów żelaza:Krzem ( Si ) , Mangan ( Mn ) , Fosfor (P), Siarka (S)

Przebieg procesu wytwarzania stopów żelaza:

Podstawowe rudy żelaza:

 Rudy magnetytowe – zawierają głównie Fe3O4 oraz Fe2O3 ( bogactwo rudy od 45 do

70% Fe)

 Rudy hematytowe – zawierają Fe2O3

( bogactwo rudy od 40 do 65%Fe )

 Rudy limonitowe – zawierają głównie uwodniony tlenek żelaza– mFe2O3• nH2O

(bogactwo rudy od 25 do 50% Fe ),

 Syderyty – zawierają głównie węglan żelazowy – FeCO3 ( bogactwo rudy od 30 do

40% Fe )

Przygotowanie rud do procesu metalurgicznego

Wstępna przeróbka rudy:

- podwyższenie zawartości Fe w rudzie
- sporządzenie koncentratu rudy o odpowiednich właściwościach takich jak

temperatura topnienia, porowatość, wytrzymałość.

Cele te osiąga się przez :mieszanie rud o różnych właściwościach, prażenie

rud, scalanie koncentratu o małej ziarnistości

BUDOWA WIELKIEGO PIECA:

ELEMENTY SKŁADOWE INSTALACJI

 WIELKI PIEC
  NAGRZEWNICE POWIETRZA
  URZĄDZENIA ZAŁAOWCZE
 INSTALACJA ODPROWADZAJĄCA GAZY WIELKOPIECOWE
  URZĄDZENIA DO ODBIORU ŻUŻLA
 URZĄDZENIA DO ODBIORY SURÓWKI

PODSTAWOWE PROCESY

 REDUKCJA TELNKÓW ŻELAZA ZAWARTYCH W KONCENTRACIE

FUNKCJĘ PODSTAWOWEGO

REDUKTORA PEŁNI TLENEK

WĘGLA

( CO),

 ODDZIELENIE OTRZYANEGO ŻELAZA OD SKAŁY PŁONNEJ POPRZEZ ICH

STOPIENIE

SKŁANIKI SKAŁY PŁONNEJ ZOSTAJĄ ZMAGAZYNOWANE W
ŻUŻLU

PROCES SPALANIA KOKSU

•

SPALANIE ZUPEŁNE

C + O2

→

CO2

•

SPALANIE NIEZUPEŁNE

C + 0.5 O2

→

•

REAKCJA BOUDOUARDA (400 – 950oC)

CO2 + C

→

2CO

REAKCJE REDUKCJI POŚREDNIEJ- REDUKCJA TLENKÓW ŻELAZA W
WIELKIM PIECU PRZEBIEGA STOPNIOWO OD TLENKÓW WYŻSZYCH ( O
WYŻSZEJ ZAWARTOŚCI TLENU ) AŻ DO ŻELAZA METALICZNEGO
T> 573oC

→

FeO

→

450 < T < 950oC

3Fe2O3 + CO

→

2Fe3O4 + CO2 - Q

2Fe3O4 + 2CO

→

6FeO + 2CO2 + Q

6FeO + 6CO

→

6Fe + 6CO2 - Q

3Fe2O3 + 9CO

→

6Fe + 9CO2 - Q

T > 950oC

Powyżej 950oC cały powstały CO2 przechodzi w CO
REAKCJA REDUKCJI BEZPOŚREDNIEJ
FeO + CO

→

Fe + CO2 + Q

CO2 + C

→

2CO – Q

___________________________
FeO + C

→

Fe + CO - Q

UWAGA ! Niesłusznie odnosi się wrażenie, że reduktorem jest węgiel

WYNIK REDUKCJI TLENKÓW W PROCESIE WIELKOPIECOWYM

(Obecność Mn , Si i P w surówce):

 Si

SiO2 + 2C

→

Si + 2CO + Q

Podstawowym źródłem siarki ( S ) jest koks ( zawiera do 1,2%S )
Formy występowania siarki

- FeS – rozpuszczony w surówce,
- MnS – tylko częściowo rozpuszczony w surówce
- CaS oraz MgS – rozpuszczone w żużlu

 Mn

MnO + C

→

Mn + CO + Q

 P

P2O5 + 5C

→

2P + 5CO + Q

Proces odsiarczania surówki

 Wymaga istnienia nadmiaru niezwiązanych tlenków CaO lub MgO w żużlu

( zasadowość żużla mierzona stosunkiem CaO/ SiO2= 1.2 – 1.3 )

 Musi być zapewniona odpowiednia masa żużla
 Odpowiednie warunki termiczne w dolnej części wielkiego pieca ( reakcja

endotermiczna )

 Atmosfera w wielkim piecu musi być redukująca ( obecność CO)
 Reakcja odsiarczania

FeS +CaO + C

→

Fe + CaS + CO +Q

MnS +CaO + C

→

Mn + CaS+CO+ Q

Warunki przebiegu

- żużel zasadowy ( CaO/SiO2>1.2 )
- atmosfera redukująca
- wysoka temperatura ( reakcja endotermiczna)

Bilans materiałowy(1 t surówki ):

Materiały wsadowe

 Ruda

- 2.0-2.5 t

 Koks

- 1.0 t

 Topniki - 0.5 t
 Powietrze-(T=1100oC p=0.2-0.3MPa)

Produkty

 Surówka - 1t
 Żużel

- 0.6t,

 Pyły

- 0.08t

 Gaz WP - 3250 Nm3

Klasyfikacja surówek :

 SURÓWKI ODLEWNICZE

HEMATYTOWA (H)

NORMALNA (N)

FOSFOROWA (F)

NA WALCE ( W)

 SURÓWKI PRZERÓBCZE

PRZERÓBCZA ( P1)
PRZERÓBCZA ( P2 )

METODY REDUKCJI BEZPOŚREDNIEJ- POZWLAJĄ NA OTRZYMANIE
CZYSTEGO ŻELAZA W STANIE STAŁYM ( GĄBKA ŻELAZNA )
REDUKTORAMI TLENKÓW ŻELAZA W TYCH PROCESACH SĄ :

- H

- CH

- CO

Proces Midrex proces redukcji rud żelaza za pomocą mieszaniny składającej się z gazu
ziemnego i odlotowego gazu tzw. gardzielowego z samego procesu Midrex. Piec redukcyjny
jest piecem szybowym pionowym na górze zaopatrzonym w zamykaną gardziel, na dole w
system odbioru żelaza gąbczastego w postaci grudek.

PROCESY STALOWNICZE- OBNIŻENIE ZAWARTOŚCI WĘGLA W CIEKŁEJ
SURÓWCE; Procesy wytapiania stali: SURÓWKOWY, SURÓWKOWO- ZŁOMOWY,
ZŁOMOWY

ETAPY PROCESU STALOWNICZEGO:
ŁADOWANIE PIECA - TOPIENIE WSADU

 ŁADUJEMY DO PIECA WSAD ZŁOŻONY Z CIEKŁEJ LUB STAŁEJ SURÓWKI

I ZŁOMU STALOWEGO ORAZ TOPNIKI

 PZEGRZEWAMY METAL DO ZAŁOŻONEJ TEMPERATURY
 ŚCIĄGAMY Z POWIERZCHNI CIEKŁEGO METALU ŻUŻEL OKRESU

ROZTAPIANIA

UTLENIANIE METALU ( ŚWIEŻENIE )

Dodawanie do ciekłego metalu rudy i tlenu
- UTLENIANIE ŻELAZA

Fe + 0.5O2

→

FeO

- UTLENIANIE MANGANU

Mn + FeO

→

Fe + MnO

- UTLENIANIE KRZEMU

Si + 2FeO

→

2Fe + SiO2

- UTLENIANIE WĘGLA

C + FeO

→

Fe + {CO}

KORZYSTNE EFEKTY PROCESU GOTOWANIA

 WYRÓWNANIE TEMPERATURY W OBJĘTOŚCI CIEKŁEGO

METALU,

 UŁATWIONY TRANSPORT WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYC DO

ŻUŻLA

 SILNE ODGAZOWANIE CIEKŁEGO METALU
 UJEDNORODNIENIE SKŁADU CHEMICZNEGO CIEKŁEGO

METALU

PROCES ODFOSFOROWANIA

WARUNKI REALIZACJI PROCESU ODFOSFOROWANIA

  ŻUŻEL ZASADOWY,
  ATMOSFERA UTLENIAJĄCA (DUŻO FeO W METALU )
  NISKA TEMPERATURA

RAFINACJA METALU ( ODTLENIANIE )

- ODTLENIENIE STALI
- ODSIARCZENIE

FeS + CaO + C

→

Fe + CaS + CO

Warunki przebiegu :

- żużel zasadowy ( wolne CaO )
- atmosfera redukująca,
- wysoka temperatura

- KOREKTA SKŁADU CHEMICZNEGO

SPOSOBY ODTLENIANIA STALI
ODTLENIANIE OSADOWE

Polega na wprowadzeniu do ciekłego metalu pierwiastków
charakteryzujących się większym powinowactwem chemicznych do
tlenu niż żelazo

Jako odtleniacze stosujemy takie pierwiastki jak Mn , Si , Ti , Ca i
inne

– Schemat procesu FeO + X

→

Fe + XO

ODTLENIANIE DYFUZYJNE

SPUST -ODTLENIANIE KOŃCOWE

Po uzyskaniu założonej temperatury i składu chemicznego :
- Przeprowadzam spust metalu do kadzi
- Przeprowadzamy odtlenianie końcowe stali w kadzi przez dodanie aluminium
hutniczego w ilości 0.5 – 1.0 kg Al. / t stali

Podstawowe procesy stalownicze:

 KONWERTOR TLENOWY ( PROCES LD )
 PIEC ELEKTRYCZNY ŁUKOWY

Konwertor Tlenowy- kolejność operacji:

- ładowanie złomu
- zalewanie ciekłą surówką
- dmuch tlenem
- ładowanie dodatków
- spust stali

 CEMENTYT – Fe3C
 GRAFIT
 WĘGIEL ŻARZENIA

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA STRUKTURĘ:

•

SKŁAD CHEMICZNY

•

SZYBKOŚĆ STUDZENIA ODLEWU

KLASYFIKACJA
wg formy występowania węgla :

 ŻELIWO SZARE – WĘGIEL W POSTACI GRAFITU
 ŻELIWO BIAŁE – WĘGIEL W POSTACI CEMENTYTU ( Fe3C )
 ŻELIWO POŁOWICZNE ( PSTRE ) – WĘGIEL JEDNOCZEŚNIE W POSTACI

GRAFITU I CEMENTYTU

wg PN:

 żeliwo szare maszynowe,
  żeliwo sferoidalne,
  żeliwo ciągliwe,
  żeliwo stopowe

Żeliwo szare maszynowe

dobre właściwości odlewnicze ( dobra lejność, mały skurcz )

prosta technologia topienia,

dobra skrawalność,

dobra odporność na ścieranie i dobre właściwości ślizgowe,

naturalna zdolność do tłumienia drgań,

odporność na działanie szeregu czynników chemicznych (soda, ług sodowy, ług
potasowy, kwas siarkowy, kwas azotowy, woda, ziemia )

niskie koszty wytwarzania

- Dzieli się na gatunki zależnie od Rm(MPa)

Zawartość eutektyczna węgla

Zależy od zawartości :
 Węgla
 Krzemu
 Manganu
 Fosforu
 Siarki

Żeliwo modyfikowane

–

Aby uzyskać Rm

≥

250 MPa należy przeprowadzić zabieg

modyfikacji, otrzymujemy poprzez zabieg polegający na dodaniu do ciekłego żeliwa
specjalnych dodatków zwanych modyfikatorami

Efekt:
 rozdrobnienie struktury

 rozdrobnienie i zwiększenie ilości wydzieleń grafitu

Modyfikatory:

Modyfikatory proste :

Ca, Al , C grafit , Ba, Sr

Modyfikatory złożone :

Fe-Si (75%), Ca-Si, Fe-Si-Mn-Zr

Sposoby realizacji zabiegu modyfikacji :

 Dozowanie modyfikatora na rynnie podczas spustu ciekłego żeliwa z pieca

(zastosowanie różnego typu dozowników ),

  Modyfikacja prętowa,
  Modyfikacja w zbiorniku układu wlewowego,
  Metoda przewodu elastycznego,
  Metoda modyfikacji w formie „ in mould ”

WYTAPIANIE ŻELIWA

•

Wytapianie w żeliwiakach ,

•

Wytapianie w piecach elektrycznych

indukcyjnych,

•

Wytapianie w piecach elektrycznych

łukowych

Materiały wsadowe metalowe

•

Surówka odlewnicza,

•

Złom handlowy żeliwny,

•

Złom handlowy stalowy,

•

Złom własny ( obiegowy ) żeliwny,

•

Złom własny ( obiegowy ) staliwny lub

stalowy

Paliwo w procesie żeliwiakowym- Koks odlewniczy zwykły lub formowany o odpowiedniej
granulacji, zawartości popiołu i siarki,Zawartość siarki w koksie – 0.7 – 1,0 % S; Zużycie
koksu ( rozchód koksu ) – 12-14kg na 100 kg wsadu metalowego

Materiały żużlotwórcze- Podstawowym materiałem żużlotwórczym stosowanym w procesie
żeliwiakowym jest kamień wapienny ( CaCO3) odpowiedniej granulacji.
Funkcja żużla :

magazynuje produkty reakcji chemicznych zachodzących podczas procesu topienia,

magazynuje produkty pozostałe po procesie spalania koksu (popiół )

Masa materiałów żużlotwórczych – 30-40% masy koksu

Wady procesu żeliwiakowego

 niska temperatura ciekłego żeliwa na rynnie spustowej,
  trudna płynna regulacja składu chemicznego żeliwa,
  emisja niekorzystnych gazów i pyłów do otaczającego środowiska ,
  krótki czas pracy między kolejnymi remontami bieżącymi pieca ( ciągła praca przez 8

– 10 godz. )

Żeliwo sferoidalne jest to gatunek żeliwa w którym grafit występuje w postaci kulkowej
Klasyfikacja np. 37017

Metody wytwarzania

 dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego

ceru lub jego stopów,

 dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym technicznie czystego

magnezu lub jego stopów,

 dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym stopu magnezu (7-8%

Mg) z metalami ziem rzadkich,

Skład chemiczny

 posiada wyższą zawartość węgla i krzemu,
 posiada ograniczoną do 0.02% zawartość siarki,
 zawartość fosforu i manganu zależy od rodzaju osnowy metalowej ( dla struktury

ferrytycznej-jest najmniejsza )

URZĄDZENIA DO SFEROIDYZACJI

 AUTOKLAW
  KONWERTOR
  KADŹ „SMUKŁA”
  SFEROIDYZACJA METODĄ DRUTOWĄ

ŻELIWO CIĄGLIWE

W zależności od atmosfery w której prowadzi się proces wyżarzania odlewów z żeliwa
białego otrzymujemy:

 żeliwo białe gdy wyżarzanie prowadzimy w atmosferze utleniajacej, klasyfikacja np

W-35-04

 żeliwo czarne gdy wyżarzanie prowadzimy w atmosferze obojętnej

klasyfikacja np. B 30-06, P 45-06

ALUMINIUM

- GĘSTOŚĆ - 2.7 g / cm3
- TEMPERATURA TOPNIENIA

- 660oC

- TEMPERATURA WRZENIA

- 2000oC

- DOBRE PRZEWODNICTWO
CIEPŁA I ELEKTRYCZNOŚCI
- POWIERZCHNIA PASYWUJE
SIĘ WARSTEWKĄ Al2O3
- DOBRA ODPORNOŚĆ NA KOROZJĘ

Zanieczyszczenia:

tlenki, wodorotlenki i krzemiany Fe ,

krzem w postaci kwarcu , opalu i kaolinitu,

węglany Ca i Mg

związki takich pierwiastków jak – Na, K, Zr, Cr, Ti, P, S, V

METODY OTRZYMYWANIA :

- METODY ALKALICZNE ( METODA BAYERA ),

1. WIĄZANIE Al ZA POMOCĄ ŁUGÓW ( NaOH i

NaCO3 ) W ROZPUSZCZALNY W WODZIE GLINIAN
SODOWY - (NaAlO2)

2. ODDZIELENIE „ CZERWONEGO SZLAMU ”

ZAWIERAJĄCEGO TLENKI DOMIESZEK I
WODOROTLENKI Si

3. WYDZIELENIE Z ROZTWORU CZYSTEGO Al(OH)3
4. PRAŻENIE Al(OH)3

→

POZYSKANIE Al2O3

- METODY KWAŚNE,

1. DZIAŁANIE NA RUDĘ ROZTWOREM KWASÓW

NIEORGANICZNYCH ( H

, HCl , HNO

)

2. OTRZYMANIE SOLI ZAWIERAJĄCYCH Al TAKICH JAK

- Al2(SO

)

, AlCl

, Al (NO

)

3. ROZKŁAD SOLI Z WYDZIELENIEM - Al(OH)

4. PRAŻENIE Al(OH)

W CELU OTRZYMANIA

TECHNICZNEGO Al

- METODY ELEKTROTERMICZNE -STOPIENIE BOKSYTU Z WĘGLEM

W PIECACH ELEKTRYCZNYCH W CELU
REDUKOWANIA DOMIESZEK I UZYSKANIA
STOPIONEGO Al

; UWAGA!!! -PROCES WYMAGA

ZUŻYCIA DUŻEJ ILOŚCI ENERGII - BARDZO RZADKO
STOSOWANY

PROCES PRZEMYSŁOWY WYTWARZANIA ALUMINIUM I JEGO STOPÓW

WYTWARZANIE Al

- METODA BAYERA

1 ŁUGOWANIE BOKSYTU WODNYM ROZTWOREM NaOH
2

DEKANTACJA WODNEGO ROZTWORU GLINIANU SODOWEGO – NaAlO

KRYSTALIZACJA WODOROTLENKU GLINU Z ROZTWORU

PRZEMYWANIE I SUSZENIE KRYSZTAŁÓW

PRAŻENIE Al(OH)

– TECHNICZNY Al

ELEKTROLIZA TLENKU GLINU

 TEMPERATURA PROCESU -

∼

960oC

 ELEKTROLIT:

- Al

- 8 – 10%

- Na

AlF

(KRIOLIT) -

∼

80%

- AlF

- 4 – 8%

- CaF

- 2 – 7%

ALUMINIUM Z ELEKTROLIZERA( CZYSTOŚĆ – 98 – 99.4 % Al)

 ZANIECZYSZCZENIA :
 DOMIESZKI NIEMETALICZNE (elektrolit , Al2O3, cząstki elektrod- węgiel)
 DOMIESZKI METALICZNE ( takie pierwiastki jak Fe, Si, Ti, Na i Ca – pochodzące

z surowca )

 DOMIESZKI GAZOWE ( zwłaszcza wodór pochodzący z elektrolitycznego

rozkładu wody–ok. 0.2 cm3H / 1cm3 Al )

RAFINACJA ALUMINIUM Z ELEKTROLIZERA

 RAFINACJA OGNIOWA
 RAFINACJA ELEKTROLITYCZNA

RAFINACJA OGNIOWA-CZYSTOŚĆ 99,9% Al. ( PIECE TRZONOWE )

1. USUWANIE TLENKÓW:

- OBRÓBKA CIEKŁEGO METALU ŻUŻLEM NA BAZIE CHLORKÓW I
FLUORKÓW
- FILTROWANIE

2. USUWANIE WODORU Z CIEKŁEGO ALUMINIUM:

- PRZEDMUCHIWANIE CIEKŁEGO METALU GAZEM OBOJĘTNYM
( ARGON )
- PRZEDMUHIWANIE CIEKŁEGO METALU GAZEM

AKTYWNYM ( CHLOR

→

POWSTAJE AlCl3(g) )

3. USUWANIE ŻELAZA ( PRZTRZYMANIE METALU W PIECU - ODSTANIE
METALU )

RAFINACJA ELEKTROLOTYCZNA – CZYSTOŚĆ – 99.99%
( METODA TRZECH WARSTW )

1 ALUMINIUM RAFINOWANE
2 ELEKTROLIT
3 STOP ANODOWY

MIEDŹ (Cu)

- GĘSTOŚĆ

- 8,93 g/cm3

- TEMEPERATURA TOPNIENIA - 1083oC
- TEMPERATURA WRZENIA

- 2380oC

- DOBRE PRZEWODNICTWO CIEPŁA
I ELEKTRYCZNOŚCI
- NA POWIETRZU POKRYWA SIĘ CIENKĄ
WARSTEWKĄ SOLI ZASADOWYCH – tzw.
„ patyną „

RUDY BARDZO UBOGIE ( 1-3% Cu ) i SILNIE ZANIECZYSZCZONE ŻELAZEM
( FeS ) I SIARKĄ ( Cu2S ):
SIARCZKOWE

- CHALKOPIRYT

- CuFeS2

- CHALKOZYN

- Cu2S

- KOWELIN

- CuS

TLENKOWE

- MALACHIT

- CuCO3

•

Cu(OH)2

- CHRYZOKOL

- CuSiO3

•

2H2O

- KUPRYT

- CuO2

- AZURYT

- 2CuCO3

•

Cu(OH)2

PROCES OTRZYMYWANIA MIEDZI Z RUD SIARCZKOWYCH METODĄ
PIROMETALURGICZNĄ
– WYTAPIANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

SKŁAD WSADU:
- KONCENTRAT RUDY
- PIASEK KWARCOWY ( TOPNIK )
- KOKS ( PALIWO )

- 4 – 12 %

– KONWERTOROWANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

CEL PROCESU
- DALSZE ZMNIEJSZENIE KONCETRACJI ŻELAZA
- DALSZE ZMNIEJSZENIE KONCENTRACJI SIARKI
- ODDZIELENIE ŻUŻLA
powstaje MIEDŹ SUROWA – MIEDŹ CZARNA

98 – 99 % miedz, reszta

zanieczyszczenia

-RAFINACJA OGNIOWA MIEDZI

CEL PROCESU:
- USUNIĘCIE ZANIECZYSZCZEŃ
- ODGAZOWANIE

MAGNEZ

 Temperatura topnienia

- 651oC

  Temperatura wrzenia - 1107oC
  Gęstość - 1.75 g/cm3
  Pierwiastek metaliczny o bardzo małej gęstości
  Używany do produkcji stopów Mg i Al

Podstawowe rudy magnezu

 Magnezyt ( MgCO3)

-28.8%Mg

 Dolomit ( MgCO3

•

CaCO3 )-13.2%Mg

 Karnalit ( MgCl2

•

KCl

•

6H2O)- 8.8%Mg

 Woda morska (MgCl2 ,MgSO4)-0.14%Mg

PROCESY OTRZYMYWANIA MAGNEZU

 PROCES PIROMETALURGICZNY

( REDUKCJA TLENKÓW MAGNEZU
W WYSOKIEJ TEMPERATURZE )

 ELEKTROLIZA CHLORKU MAGNEZU

TRUDNOŚCI PRODUKCYJNE

 CIEKŁY MAGNEZ JEST BARDZO LEKKI

- 1.58 g/cm3 w T = 700oC

 JEST LŻEJSZY OD ELEKTROLITU

(GROMAZI SIĘ NA POWIERZCHNI ELEKTROLITU)

 GWAŁTOWNIE REAGUJE Z TLENEM

( PALI SIĘ GDY T

≥

T TOPNIENIA )

 NALEŻY UTRZYMYWAĆ TEMPERATURĘ CIEKŁEGO MAGNEZU PONIŻEJ

700oC

PROCES REDUKCJI TERMICZNEJ

RUDY WĘGLANOWE

ROZKŁAD RUD WĘGLANOWYCH NA TLENKI PRAŻENIE

3 REDUKCJA TLENKÓW MAGNEZU PRZY OBNIŻONYM CIŚNIENIU
( REDUKTOREM W PROCESIE JEST MIELONY ŻELAZOKRZEM )
4 KONDENSACJA PAR MAGNEZU

CYNK

- GĘSTOŚĆ

- 7.13 g/cm3

- TEMEPERATURA TOPNIENIA - 419oC
- TEMPERATURA WRZENIA

- 907oC

- W TEMPERATURZE - T= 500 – 510oC SPALA SIĘ JASKRAWYM

ZIELONKAWYM PŁOMIENIEM DO ZnO

- W WYŻSZYCH TEMPERATURACH CYNK UTLENIA SIĘ CO2 I PARĄ

WODNĄ H2O

ZAKRES ZASTOS0WANIA

 SKŁADIK STOPOWY STOPÓW ODLEWNICZYCH (STOPY Al,Cu i Mg )
 STOPY CYNKU ( „ZNALE” )
 PRZEMYSŁ MOTORYZACYJNY

( ODLEWY GAŹNIKÓW, POMP OLEJOWYCH, WENTYLATORÓW )

 POWŁOKI KOROZYJNE NA WYROBACH ZE STOPÓW Fe

PODSTAWOWE RUDY CYNKU

1. RUDY SIARCZKOWE:

BLENDA CYNKOWA ( SFALERYT ) ZAWIERA:
- PODSTAWOWY SKŁADNIK

- ZnS

- DRUGI PODSTAWOWY SKŁADNIK – PbS
- ZWIĄZKI Cd, Cu, As i Sn,
- DOMIESZKI METALI SZLACHETNYCH
TAKICH JAK Au, Ag, Se, Te, In, Ga, Ge

2. RUDY WĘGLANOWE

GALNAN CYNKOWY ( ZnCO3) Z DODATKIEM

WĘGLANÓW ŻELAZA I OŁOWIU

SPOSOBY WZBOGACANIA UBOGICH RUD CYNKOWYCH
RUDA CYNKU -> ROZDRABNIANIE -> FLOTACJA lub PRAŻENIE W PIECACH
PRZEWAŁOWYCH -> SCALANIE

Cel procesu wzbogacania rud cynku

 usunięcie skały płonnej
 przeprowadzenie metali występujących w rudzie w tlenki ( ZnO, PbO )
 przygotowanie wzbogaconej rudy do procesu metalurgicznego

OBRÓBKA POZAPIECOWA STALI

 Podwyższenie jakości stopu
 Obniżenie ilości energii zużywanej do wytopienia 1 kg stali

Zabiegi możliwe do zrealizowania

 Odtlenienie stali ( staliwa)
  Odwęglenie stali
  Odgazowanie
  Odfosforowanie i odsiarczenie stali
 Wprowadzenie dodatków:

- modyfikujących strukturę
- zwiększenie zawartości pierwiastków

stopowych

Zabiegi obróbki pozapiecowej stali dzielą się na zabiegi realizowane przy :
- ciśnieniu atmosferycznym

-ODTLENIANIE OSADOWE- Wprowadzenie do ciekłego metalu po spuście

do kadzi odtleniacza

-Argonowanie stali -ujednorodnienie składu chemicznego

-Zmniejszenie zawartości gazów ( H,N )
-Zmniejszenie zawartości wtrąceń niemetalicznych i
-zmiana ich morfologii

-Obróbka ciekłego metalu żużlem syntetycznym

Ciekły metal przelewamy do kadzi w której znajduje się ciekły żużel
Syntetyczny o składzie : CaO- 55% + Al2O3- 45 %

Spustu metalu dokonujemy z wysokości ok. 3m w celu zapewnienia
dobrego wymieszania metalu z żużlem

Sprawność procesu odsiarczania –ok.80%
Końcowa zawartość siarki poniżej 50 ppm
Obniżenie zawartości wtrąceń niemetalicznych 2-3 razy

-Proces AOD Argon Oxygen Decarburisation

 Przedmuchiwanie ciekłej stali mieszaniną argonu i tlenu
 Produkcja stali Cr-Ni o zawartości węgla poniżej 0,03 %C
 Odsiarczenie staliwa

- ciśnieniu obniżonym ( w próżni)

-Wdmuchiwanie sproszkowanych materiałów do stali

Możliwe zabiegi :
-Zwiększenie zawartości węgla w stali
-Obniżenie zawartości fosforu
-Obniżenie zawartości siarki i modyfikacja morfologii
wydzieleń siarczków w stali
-Obniżenie zawartości tlenu - odtlenienie

-Argonowanie stali

 Obniżenie koncentracji wodoru H ( do 80% )
  Obniżenie zawartości siarki poniżej 20 ppm
  Obniżenie koncentracji azotu N ( o 20-40% )
  Efektywna flotacja WN
 Wyrównanie składu chemicznego w całej objętości ciekłego metalu
  Małe nakłady inwestycyjne na zakup urządzenia

Odgazowanie recyrkulacyjne

 Szybki proces odtlenienia stali
  Szybkie odwęglenie do zawartość C=15ppm
  Dobra homogenizacja ciekłego metalu
  Odgazowanie ( H<1.5 ppm ,N<30ppm )
  Duży uzysk wprowadzanych dodatków stopowych
  Dobre oczyszczenie metalu z WN

-Odgazowanie recyrkulacyjne połączone z dmuchem tlenem

 Wszystkie zalety poprzedniego rozwiązania
 Pozwala na głębsze odwęglenie
 Wyższa temperatura metalu w kadzi dzięki procesowi dopalania

CO na CO2 w objętości urządzenia,

 Brak konieczności przedmuchiwania argonem
 Szczególnie przydatny prace do wytwarzania niskowęglowego

staliwa Cr-Ni

 Możliwość regulacji temperatury metalu w kadzi na drodze grzania

chemicznego

Odgazowanie w kadzi

 Odgazowanie ( H i N )
  Odtlenienie
  Odwęglenie ( C< 20 ppm )
  Odsiarczenie ( S < 20 ppm )
  Ograniczenie zawartości WN
  Niskie koszty inwestycyjne

-Proces VOD Vacuum Oxygen Decarburisation

Proces odwęglenie realizujemy bazując na przebiegu reakcji
zachodzącej w ciekłym metalu[C] + [O] = { CO }

 Stal wyjściowa o zawartości C=0.5-1.0%,
 metal przedmuchujemy tlenem przy ciśnieniu 50 – 150 mbar
 Po zakończeniu procesu utleniania obniżamy ciśnienie do 1

mbar

 redukcja tlenku chromu z żużla przez dodanie na jego

powierzchnię sproszkowanego Fe-Si lub Al.

 Odłączenie układu próżniowego i spust

-Obróbka ciekłej stali w piecu kadziowym

 Zwiększenie wydajności stalowni,
  Możliwość spustu metalu o niższej temperaturze
  Możliwość uzyskania niskiej koncentracji tlenu ( 20 – 30 ppm )
  Obniżenie zawartości H ( 1-2.5 ppm )
   Możliwość odsiarczenia metalu żużlem syntetycznym do

zawartości S= 30-50 ppm przy sprawności procesu

= 80%

 Możliwość płynnej regulacji temperatury ciekłego metalu
 Możliwość modyfikacji stopu poprzez wdmuchiwanie proszków

lub wprowadzenie do metalu przewodu elastycznego

Grzanie chemiczne