METALURGIA ALUMINIUM. Produkcja Al. Przebiega w dwóch odrębnych procesach: 1- otrzymanie czystego tlenku gliny metodą mokrą, zasadową(Bayera); 2- otrzymanie Al. Metodą elektrolityczną(Halla). Metoda Bayera- stosuje się ją do przerobu boksytów o niskiej zawartości krzemionki. Polega ona na rozpuszczeniu tlenku glinu zawartego w boksycie w roztworze wodorotlenku sodu. Zanieczyszczenia- tlenki żelaza i krzemionki pozostają nierozpuszczalne i tworzą szlam. Z roztworu wytrąca się wodorotlenek glinu. Następnie wodorotlenek glinowy odwadnia się przez prażenie w wysokiej temp(1200C). Tak oczyszczony tlenek glinowy jest materiałem wyjściowym do drugiego etapu produkcji Al.- metodą elektrolityczną. Tlenek glinowy występuje w postaci białego, mikroskopijnego proszku- temp2050C. Tą metodą otrzymuje się około 95% światowej produkcji tlenku glinu. Aby otrzymać 1 tonę tlenku glinowego potrzeba: 2,2-2,3 t boksytu, 0,07-0,09 t ługu sodowego, 0,17 t wapna palonego, 2,5-3,0 t pary, 0,14 t ropy naftowej, 250-300 kwh energii elektrycznej, 0,2-0,3 t węgla kamiennego, 14- 30m3 wody przemysłowej. Produkcja aluminium metalicznego odbywa się wyłącznie metodą elektrolizy. Proces przeprowadza się w specjalnych wannach elektrolitycznych wykonanych z materiałów ognioodpornych, które pokryte są blokami węglowymi. Dno wanny stanowi katoda, na którym zbiera się cienkie Al. Anodę stanowi blok węglowy zawieszony nad wanną, która zanurzona jest dolną powierzchnią w roztopionym kriolicie. Do elektrod doprowadza się prąd stały o napięciu 4,5 V i natężeniu prądu stałego 39-150 kt. Elektrolita stanowi tlenek glinu rozpuszczony w roztopionym kriolicie, jego zawartość wynosi 3-10%. Kriolit- minerał sześciofluoroglinian o temp.950-980C. Podczas tego procesu tlenek glinowy rozkłada się prądem stałym na ciekłe Al. I gazowy tlen. Tlen powstający z rozkładu tlenku glinu częściowo spala węgiel anody. Ciekłe Al. Czerpane jest z wanny i odlewane w bloki do dalszego przerobu na fabrykaty lub gotowe wyroby. Tę metodą otrzymuje się Al. hutnicze. Zawiera ono ok. 1% szkodliwych zanieczyszczeń. Wpływają one negatywnie na jego właściwości. Z reguły poddaje się je oczyszczeniu. Zastosowanie tworzyw aluminiowych w technice: do budowy samolotów wojskowych; do budowy korpusów rakiet militarnych; w produkcji samochodów osobowych, ciężarowych, wagonów kolejowych i metra, kontenerów; wykorzystywane w budownictwie, w elementach konstrukcji budowlanych, w budowie mostów, wież lotniczych, szybów naftowych; wykorzystywane są w przemyśle spożywczym(opakowania, puszki na napoje, naczynia, folie opakowaniowe); wykonuje się butle do przechowywania skraplanych gazów; w przemyśle okrętowym do budowy kadłubów statków, promów pasażerskich, barek, wodolotów rzecznych, poduszkowców. Przez zastosowanie stopów Al. i kompozytów Al. można osiągnąć efekty techniczno-eksploatacyjne w budownictwie okrętowym: zwiększenie nośności statku i stateczności statku, zmniejszenie masy kadłuba, zmniejszenie mocy silników głównych, zwiększenie wysokości kadłuba, zmniejszenie szerokości statku, zwiększenie odporności na korozję, zmniejszenie możliwości powstawania pożarów. 20% stopów AL. wykorzystuje się na odlewy, 80% do przeróbki plastycznej. Al. bardzo czyste 99,99%.
METALURGIA MIEDZI. Miedź otrzymuje się z rud dwoma metodami:1- pirometalurgiczną czyli ogniową- do rud siarczkowych; 2- hydrometalurgiczną- do rud tlenkowych. Metoda ogniowa. Jest najczęściej wykorzystywana. Składa się z trzech etapów: 1. Wytopienie z przygotowanego wcześniej koncentratu miedziowego kamienia;2. Otrzymanie miedzi surowej o zawartości Cu ok.98%; 3. Rafinowanie miedzi metodą ogniową w piecach płomiennych lub rafinowanie elektrolityczne. Źródła otrzymywania miedzi: 1. Cu rodzima; 2. Rudy; 3. Cu z dna mórz i oceanów; 4. Odzyskanie Cu z wody morskiej. 1.Wytopienie. Z rud siarczkowych wytapia się miedź skomplikowanymi metodami. Rudy ubogie najpierw wzbogaca się poprzez proces flotacji. Jest to metoda wzbogacania mokrego kopalin użytecznych, polegająca na różnej zwilżalności składników rud i kopalin. Na drobno zmieloną rudę działa się wodą zmieszaną z odpowiednim olejem. Olej zwilża materiały siarczkowe. Następnie przez zawiesinę przedmuchuje się powietrze aby wytworzyć pianę, która zawiera olej i minerały siarczkowe i minerały krzemieniowe, które opadają na dno. Uzyskamy z procesu flotacji produkt- koncentrat. Następnie koncentrat wytapia się w piecach: płomiennych, szybowych, elektrycznych. Z wytapiania otrzymuje się kamień miedziowy. Jest to stop siarczków miedziowego i żelazowego. W tym stopie zawartość miedzi może wynosić 10-65% zaś siarki ok.25%. Kamień miedziowy zawiera również małe ilości innych siarczków metali, metale szlachetne. Temp.topnienia kamienia miedziowego zależy od składu chem. i wynosi 950-1100C. 2.Otrzymywanie miedzi surowej. Aby otrzymać z kamienia miedzianego surową miedź należy poddać ją procesowi utleniania. Jest to metoda ogniowa wykonywana konwertorach. Proces konwertorowania polega na przedmuchiwaniu sprężonym powietrzem ciekłego kamienia miedzianego. Pod względem cieplnym ten proces jest samowystarczalny, dzięki przebiegającym reakcjom egzotermicznym. Wyodrębnia się dwa okresy: utlenianie żelaza i częściowo siarki- powstaje siarczek miedzi; utlenianie tego siarczku. Po przedmuchaniu powietrzem ciekłego siarczku miedziowego następuje wydzielenie się metalicznej miedzi i wywiązywanie się gazu SO4. Produktami świeżenia kamienia miedzianego są: miedź surowa, SO2, żużel, pył konwertorowy. Po procesie utleniania z powodu powinowactwa tlenu do miedzi tworzy się szkodliwy związek Cu2O. Ten nadmiar tlenu musi być usunięty, Usuwa się go przez tzw. żerdziowanie. Zachodzi sucha desylacja drewna. Wydzielające się produkty gazowe-wodór i tlenek węgla mieszają kąpiel metalową i redukują tlen i tlenek miedziawy. Otrzymaną w konwertorze miedź surową odlewa się w formę w których zastyga w bloki. 3.Rafinowanie miedzi. Miedź konwertorową poddaje się rafinacji ogniowej i elektrolitycznej. Rafinacja ogniowa polega na roztopieniu miedzi w piecu wannowym i wypalaniu zanieczyszczeń i usunięciu żużla. Tak oczyszczoną miedź odlewa się w grube płyty z uchami jako anody. Metodą elektrolizy otrzymuje się miedź elektrolityczną o zawartości Cu ok.89,99%. Anoda miedziana rozpuszcza się, jej jony osadzają się na katodzie, tworzy się bardzo czysta miedź. Te katody miedziane rozpuszcza się w piecach wannowych i odlewa się w bloki, w których walcuje się blachę, ciągnie rury i przerabia się do innych celów. Zanieczyszczenia stanowią szlam, który opada na dno wanien i zawiera małe ilości metali jak srebro, złoto, cynk, nikiel. Piec szybowy pracuje w sposób ciągły. Posiada pionową przestrzeń roboczą. Wsad stanowią: koncentrat, topniki, koks. Do procesu wytapiania Cu i spalania odprowadza się sprężone powietrze. W najniższej części pieca gromadzą się produkty topienia: kamień miedziowy i żużel. W garze jest otwór spustowy. Produkty te powstają w wyniku procesów fizykochemicznych przebiegających w fazie stałej i ciekłej. Produkt wpuszcza się do specjalnego odstojnika, gdzie na powierzchni ciekłego kamienia pływają żużle. Tu następuje ich oddzielenie. W piecu szybowym uzyzkana Cu w kamieniu miedziowym wynosi 90-95%. Piec elektryczny- przekrój prostokątny. Elektrody węglowe, wsad drobnoziarnisty. Konwertor do wyrobu miedzi. Wyłożenie ognioodporne magnetyzowe. Przez gardziel w środkowej części wprowadza się kamień Cu i kwarcyt, a także wylewa się żużel, miedź surową i odciąga gazy. Powietrze doprowadza się przez dysze umieszczone wzdłuż tworzącej cylindra. W pierwszym okresie świeżenia utlenia się FeS do FeO, natomiast w drugim CuS2 do Cu. Otrzymywanie miedzi metodą hydrometalurgiczną. Polega na rozpuszczeniu jej za pomocą rozpuszczalnika. Jego rodzaj zależy od składu chemicznego skały płonnej zawartej w rudach. Gdy skała płonna jest kwaśna stosuje się wodny roztwór kwasu siarkowego. Tworzy się rozpuszczalny w wodzie siarczan miedzi i poddaje się go procesowi elektrolitycznemu. Elektrolitem jest oczyszczony siarczan zawierający ok.20-50g miedzi na litr roztworu a także kwas siarkowy. Anoda jest nierozpuszczalna, katoda jest ciemną blachą z Cu, na której wydziela się z procesu miedź. Na anodzie wydziela się tlen. Z procesu powstaje węglan miedziawoamoniakalny. Ten węglan poddaje się specjalnemu procesowi cieplnemu, który polega na ogrzaniu przegrzaną parą wodną roztworu węglanu w cylindrycznych zbiornikach. Wyróżnia się grupy stopów miedzi: mosiądze- zawierają Zn jako główny dodatek stopowy, miedzionikle- głównym dodatkiem stopowym jest Ni, brązy- zawierają ponad 2% dodatków stopowych. Wyróżnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe, manganowe, krzemowe.
METALURGIA PROSZKÓW. Jest działaniem techniki i obejmuje wytwarzania proszków metali i materiałów metalowych lub ich mieszanin z proszkami niemetalowymi. Z metody tej otrzymuje się półwyroby lub wyroby gotowe, bez dalszej obróbki i konieczności roztapiania metali i materiałów metalowych. Tą drogą otrzymuje się metale, które nie rozpuszczają się w stanie ciekłym i stałym a także metale o najwyższych temp.topnienia. Metale trudnotopliwe to: wolfram, tantal, molibolen, hafn, chrom, cyrkan, tytan. Istota metody polega na przygotowaniu odpowiednich proszków, na ich prasowaniu lub z częściowym topnieniem topliwych składników. Do zalet metalurgii proszków można zaliczyć ograniczenie zużycia materiałów, możliwość otrzymywania materiałów, których nie da się wytworzyć innymi metodami oraz stosowanie niższej temperatury. Produktem MP są spieki. Metody MP zmniejszają pracochłonność, obciążenie obrabiarek skrawających i zmniejszenie ilości braków. Spiekanie części maszyn stosowane jest w przemyśle maszynowym z proszków żelaza, stali węglowych i stopowych. Z proszków wytwarza się koła zębate, rolki, podkładki, nakrętki, łożyska, elementy uzbrojenia, filtry spiekane do powietrza i cieczy. Spiek- materiał spiekany uzyskany przez spiekanie, prasowanie, wyciskanie w podwyższonej temp. na skutek dyfuzji lub innych zjawisk fizykochemicznych. W zasadzie spiek jest i stopem i kompozytem. Spiekanie proszków występuje w przemyśle ceramicznym i metalurgicznym. Proces technologiczny otrzymuwania proszków metodą MP: wytwarzanie proszku metalu lub mieszaniny proszków różnych materiałów, przygotowanie mieszanek proszków, formowanie proszku na zimno, spiekanie, obróbka wykańczająca części. Formowanie proszków na zimno. Poddawanie proszków ściskaniu w zamkniętej przestrzeni, w wyniku czego następuje jego zagęszczenie. Do tej operacji dobiera się różne metody na zimno w zależności od kształtu, formy, własności proszku, formalności: prasowanie w piecach w zamkniętych matrycach, prasowanie w komorach wysokociśnieniowych, zagęszczenie wibracyjnego proszku, walcowanie i wyciskanie, kucie na zimno proszków. Spiekanie- złączenie pod wpływem ogrzewania poszczególnych ziarn proszku w kompozyt o określonych własnościach mech. i fizykochemicznych. W wyniku spiekania otrzymuje się spieki metali lub też spieki ceramiczno- metalowe. Spiekanie może przebiegać jako: swobodne, pod działaniem siły- połączone z formowaniem zapewniającym określony kształt. Do obróbki wykańczającej spieki należą specjalne operacje: obróbka cieplna- ma polepszyć własności fizyczne i mechaniczne: hartowanie, odpuszczanie, przesycanie; kalibrowanie- w celu uzyskania wysokiej dokładności wymiarowej gotowe produkty z proszków spiekanych poddaje się kalibrowaniu; nasycanie spieków metalami; obróbka plastyczne- kucie, walcowanie; obróbka skrawaniem- prowadzi się podobnie jak dla metali jednolitych, z różnicą że nie stosuje się cieczy chłodzących. Materiały, produkty konstrukcyjne i specjalne z proszków spiekanych. Masowe produkty spiekane ze stali i stopów nieżelaznych; łożyska i filtry spiekane; spiekane styki elektryczne i przewodniki elektryczne, spiekane materiały magnetycznie twarde i magnetycznie miękkie; spiekane materiały odporne na korozję, żaroodporne; spiekane materiały narzędziowe: spiekane stale szybkotnące, węglikostale spiekane, węgliki spiekane i pokrywane twardymi warstwami, spiekane materiały narzędziowe ceramiczne i ceramicznowęglikowe, supertwarde materiały narzędziowe; inne wyroby i materiały spiekane z proszków: wysokotopliwe metale: W, Mo,Ta, Nb, ze względu na wysokie temp.topnienia; MP stosowana jest przy produkcji kompozytów umocnionych cząstkami i włóknami, części sprzętu uzbrojenia, samolotów, rakiet.