Реферат рафинирование цветных металлов

Обновлено: 02.07.2024

Цели курсовой работы: изучить и описать процесс электролитического рафинирования меди, рассмотреть пути его совершенствования, выбрать и обосновать технологические параметры процесса; рассчитать материальный и тепловой баланс процесса; рассчитать основное оборудование и его количество; расчитать напряжение на ванне; определить ведущую примесь. Производительность отделения электролитического рафинирования 350000 тонн катодной меди в год.

Содержимое работы - 1 файл

Эл.раф. меди Кузнецов.docx

Медь совместно с никелем, свинцом, цинком и оловом образуют группу основных тяжелых цветных металлов. Медь служит человеку на протяжении почти всей истории развития человеческого общества. Значение меди для современного общества трудно переоценить.

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева медь расположена в 1 группе 4-го периода, порядковый номер 29. Как элемент первой группы медь одновалентна. В этом состоянии она наиболее широко представлена в рудных минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах их окисления в природе и в технологических процессах более устойчивым является двухвалентное состояние.

Медь – мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета. Она легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только серебру.

В химическом отношении медь малоактивный металл, хотя она в определенных условиях может непосредственно соединяться с кислородом, серой, галогенами и другими элементами.

При обычной температуре сухой воздух и влага в отдельности не действуют на медь, но во влажном воздухе, содержащем СО₂, медь окисляется и покрывается зеленой пленкой основного карбоната CuCO₃·Cu(OH)₂.

В ряду напряжений медь более электроположительна, чем водород. Поэтому в растворах таких кислот, как серная и соляная, не растворяется в отсутствии окислителя. В кислотах-окислителях медь растворяется легко.

1 Общие сведения о металле

1.1 Нахождение в природе

Медь – наиболее ценный и один из самых распространенных цветных металлов. Благодаря своим свойствам, среди которых пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, высокие эстетические свойства и относительно невысокая стоимость производства и извлечения меди, позволяет применять ее в различных отраслях промышленности, начиная от медицины и заканчивая электроникой.

Содержание меди в земной коре (4,7 . 5,5) . 10 -3 % по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3 . 10 -7 % по массе, в речной —1 . 10 -7 %; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7 . 10 -3 %. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2 . 10 -4 % по массе, в крови человека около 0,001мг/л [6].

В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречается редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов.

Таблица 1.1 Минералы меди и её содержание в минерале

Минерал меди	Содержание меди, %
Халькопирит CuFeS₂	34,5
Ковеллин CuS	66,4
Халькозин Cu₂S	79,8
Борнит Cu₅FeS₄	63,3
Малахит CuCO₃·Cu(OH)₂	57,4
Азурит CuCO₃·2Cu(OH)₂	55,1
Куприт CuO	88,8
Хризоколла CuSiO₃·2H₂O	36,2
Самородная медь Cu, Au, Ag, Fe и др	до 100

Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения – концентраты – и вторичное сырьё. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится ~ 40 % от общего выпуска меди.[1, 2]

Медные руды практически полностью относятся к полиметаллическим. Монометаллических руд меди практически нет. Возможными природными спутниками меди, как и других тяжёлых цветных металлов, являются большинство элементов 4-6-го длинных периодов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Ценными спутниками меди в рудном сырье являются примерно 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золото, серебро, платиновые металлы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий, талий, молибден, железо.

Одновременное присутствие в медных рудах всех указанных элементов не является обязательным, но все они в различных комбинациях могут встречаться в тех или иных типах руд.

В медном производстве используются все типы руд: сульфидные (сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самородные. Однако основным медным сырьём являются сульфидные вкрапленники, запасы которых в недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85-90 % всей первичной меди.

Наряду с медными минералами в рудах находятся в больших или меньших количествах сульфиды других тяжелых цветных металлов (цинка, свинца, никеля) и железа. Железо может присутствовать как в форме самостоятельных, так и в виде комплексных сульфидов типа халькопирита и борнита. Основными природными сульфидами железа являются пирит FeS₂ и пирротин Fe₇S₈ (Fe_1-xS). Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких и рассеянных элементов: селена, теллура, рения, висмута и др.

Халькопирит, ковеллин, борнит и пирит относятся к высшим сульфидам. Они содержат избыток серы сверх стехиометрического содержания, соответствующего валентным отношениям. При нагреве высшие сульфиды диссоциируют с образованием низших сульфидов и выделением паров элементарной серы.[7]

Кроме рудных минералов в медных рудах содержится пустая порода в виде кремнезёма, глинозёма, кальцита, различных силикатов и др. В практике медного производства встречаются кислые руды, в пустой породе которых преобладает кремнезём SiO₂ и основные руды со значительными количествами известняка и других минералов.

Вследствие низкого содержания меди и комплексного характера руд в большинстве случаев непосредственная металлургическая переработка невыгодна, поэтому они предварительно подвергаются флотационному обогащению.

1.2 Физические свойства меди

Медь — пластичный метелл золотисто-розового цвета, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра). Имеет два стабильных изотопа — 63 Cu и 65 Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64 Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.

Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром, а = 3,6074 Å; плотность 8,96 г/см 3 (20 °С). Атомный радиус 1,28 Å; ионные радиусы Cu + 0,98 Å; Сu 2 + 0,80 Å; t_пл1083 °С; t_кип 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства Меди: высокая теплопроводность - при 20 °С 394,279 вт/(м·К.), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С); малое электрическое сопротивление - при 20 °С 1,68·10 -8 ом·м. Термический коэффициент линейного расширения 17,0·10 -6 . Давление паров над медью ничтожно, давление 133,322 н/м 2 (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10 -6 . Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м 2 (т. е. 35 кгс/мм 2 ); предел прочности при растяжении 220 Мн/м 2 (т. е. 22 кгс/мм 2 ); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·10 3 Мн/м 2 (т.е. 13,2·10 3 кгс/мм 2 ). Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м 2 , при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3.

1.3 Химические свойства меди

Медь относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, в кислотах-сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной)-медь растворяется:

Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, медь покрывается зеленоватым налетом карбоната меди:

В большинстве известных соединений медь проявляет степень окисления + 2. Соединения меди (II)-оксид СuО и гидроксид Си(ОН)₂-довольно устойчивы. Этот гидроксид амфотерен,хорошо растворяется в кислотах:

и в концентрированных щелочах.

Гидроксид меди (II)-труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается,образуя оксид меди (II) черного цвета:

Темный цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого оксида. Для ионов меди (II) Сu2+ характерно образование комплексных соединений, например K2[Cu(CN)4]-тетрацианокупрат (II) калия:

Из других комплексных соединений меди (II) отметим соединение с аммиаком. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II):

Если добавить избыток аммиака, то гидроксид растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной для аммиачного комплекса меди:

Эта реакция является качественной на ион меди (II).

Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также связана с образованием комплексных соединений:

Образованием комплексных соединений объясняется цвет растворов солей меди (II). Почему, например, безводный сульфат меди (II)-вещество белого цвета, а раствор этой соли имеет голубую окраску? При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску:

Разработка способов повышения чистоты металлов и улучшения их физико-химических свойств в металлургии. Основные способы рафинирования специальных сталей. Использование вакуума для рафинирования стали. Рафинирование металла с помощью плазменного нагрева.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	13.10.2016
Размер файла	228,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. Основные способы рафинирования специальных сталей

2. Использование вакуума для рафинирования стали

3. Рафинирование металла плазменным нагревом

4. Вторичные рафинирующие процессы

Список использованных источников

Качество стали -- это постоянно действующий фактор, который на всех исторических этапах побуждал металлургов искать новые технологии и новые инженерные решения. Ограниченные возможности регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки в традиционных сталеплавильных агрегатах (конвертерах, дуговых, мартеновских и двухванных печах) привели к созданию новых сталеплавильных процессов, комплексных технологий, обеспечивающих получение особо чистых по содержанию нежелательных примесей марок стали.

Развитие таких отраслей техники, как авиакосмическая, атомная, энергетическая и ряда других, во многом определяется состоянием и техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, способных работать в самых разнообразных условиях.

Поэтому возникла необходимость применения специализированных методов, относящихся к переплавным процессам, которые объединяют в особую группу специальной электрометаллургии - вторичные рафинирующие процессы. Общими для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос переплавляемого металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во всех этих процессах используется электрический источник тепла, под действием которого металл плавится. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей.

1. Основные способы рафинирования специальных сталей

рафинирование сталь металл вакуум

Традиционными методами выплавки и разливки в ряде случаев нельзя получить металл требуемого качества. Взаимодействие жидкой стати в процессе выплавки и разливки с огнеупорными материалами, шлаком и атмосферой неизбежно приводит к значительному загрязнению металла неметаллическими включениями и газами. Затвердевание металла в чугунных изложницах сопровождается дефектами кристаллизационного (усадочные раковины, пористость, трещины и т.д.) и ликвационного происхождения.

Для повышения чистоты металлов и улучшения их физико-химических свойств металлурги используют различные виды воздействия на металл. Эти виды воздействия можно условно разделить на четыре группы:

1) применение шлаков или газов в качестве рафинирующих реагентов для проведения реакций дефосфорации и десульфурации, экстрактивного удаления из металла растворенных газов и неметаллических включений;

2) повышение температуры металлов, которое приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, всплыванию неметаллических включений и т.д.;

3) вакуумирование металла, значительно повышающее раскислительную способность углерода и снижающее содержание растворенных газов и легкоплавких примесей цветных металлов, а также неметаллических включений в результате их флотации при барботировании металла;

4) принудительная кристаллизация в водоохлаждаемых кристаллизаторах (применяется в переплавных процессах), что дает возможность, регулируя скорость кристаллизации, получать желаемую макроструктуру, повышать плотность металла, оттеснять в металлическую ванну неметаллические включения с низкой адгезией, получать слитки без зональной ликвации, газовых пузырей и практически без усадочных раковин.

2. Использование вакуума для рафинирования стали

Вакуумирование стали [steel vacuum treatment (processing)] - обработка жидкой стали под вакуумом с целью улучшения ее качества за счет уменьшения в ней содержания газов (Н₂, N₂, О₂) и неметаллических включений, а при специальных методах выплавки и некоторых других элементов (например, Mn, Pb, Zn, Сu).

Вакуумирование стали является наиболее эффективным методом внепечной обработки, обеспечивающим производство сталей высокого качества за счёт минимального содержания вредных примесей. Это достигается максимальной степенью рафинирования, благодаря выполнению следующих условий:

- создание максимального разряжения над жидким металлом;

- максимальная поверхность взаимодействия между металлом и вакуумом;

- достаточное время взаимодействия металла с вакуумом.

Таким образом, использование вакуума позволяет обеспечить глубокую дегазацию металла (удаление O₂, H₂, N₂), снизить содержание углерода и неметаллических включений. Кроме того происходит усреднение химического состава и выравнивание температуры по всему объему металла.

Основная идея технологии вакуумной обработки стали основана на термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенным в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде СО и СО₂, обеспечивая, наряду с раскислением, обезуглероживание стали. Как отмечалось выше, равновесие реакции

сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя оксид углерода (II). Следовательно, обработка стали в вакууме позволяет уменьшить концентрацию кислорода в расплаве пропорционально снижению остаточного давления.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит к частичному или полному их разрушению по реакции

МnО или Сг₂О₃, восстанавливаются почти полностью. Для восстановления более прочных включений, (А1₂О₃ или ТiO₂) требуется очень глубокий вакуум.

Обработка металла вакуумом также влияет на содержание в стали водорода и азота.

С присутствием водорода в стали связан такой дефект, как флокены. Верхние границы концентраций водорода, при которых металл свободен от флокенов, зависят от состава стали, сечения проката и скорости охлаждения.

Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется. Примеси цветных металлов в некоторых случаях, особенно при производстве высокопрочных сплавов, заметно ухудшают свойства металла, и обработка вакуумом является по существу единственным способом уменьшить это вредное влияние.

Поэтому обработка стали вакуумом используют при производстве сталей высокого качества, необходимых для производства целого ряда изделий авиационной, радиоэлектронной, приборостроительной промышленности, а также для изготовления конструкций (например, трубопроводов, мостов и т. п.), работающих на крайнем Севере, для космической техники и т. п.

В настоящее время в промышленно развитых странах успешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Схемы наиболее распространенных конструкций представлены на рисунке 2.[5].

I - вакуумирование в струе: 1- при переливе из ковша в ковш; 2 - при разливки в изложницу; 3 - поточное вакуумирование; II - вакуумирование в вакуум-камере: 4 - циркуляционное вакуумирование; 5 - порционное вакуумирование; 6 - поточное вакуумирование; III - вакуумирование металла в ковше: 7, 8 - вакуум-кислородное рафинирование; 9, 10 - вакуум-кислородное рафинирование; 11, 12 - комбинированные с дуговым нагревом и вакуумированием.

Рисунок 1 Способы вакуумирования стали

На современном рынке высококачественных сталей постоянно растет спрос на продукцию, отвечающую строгим требованиям по минимизации содержания углерода и вредных примесей, поэтому во всем мире увеличиваются объемы выпуска вакуумированной стали.

3. Рафинирование металла плазменным нагревом

Плазму из-за особенностей протекания в ней физико-химических процессов относят к четвертому агрегатному состоянию вещества. В технике, в том числе и в металлургии, используют низкотемпературную плазму, получаемую за счет электрического разряда в газах, степень ионизации которой, как правило, составляет 1. 2%. Частица в такой плазме обладает энергией в пределах 0,5. 3 эВ. В связи с тем что 1эВ соответствует энергии теплового движения при температуре около 11600 К, область существования используемой в металлургии плазмы находится в интервале температур 5-10 3 . 50-10 3 К.

Плазменное состояние вещества характеризуется наличием заряженных частиц, которые в отличие от нейтральных молекул обычного газа взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Общий заряд плазмы равен нулю, т.е. плазма квазинейтральна.

Плазмообразующие газы могут состоять из чистых газов или их смесей, т.е. быть одно- и многокомпонентными. От состава плазмо-образующего газа зависят конструкция и энергетические параметры плазматрона, тип и электрический режим источника питания, основные технологические и экономические показатели металлургического процесса.

В качестве плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. Подбором состава компонентов можно создать любую среду:

- окислительную, например кислородсодержащие смеси при плазменной резке;

- восстановительную, например водородсодержащие смеси для рафинирования металлов.

Используемые в технике чистые газы, как правило, имеют небольшие примеси попутных газов, поэтому, строго говоря, понятие однокомпонентной плазмы несколько идеализировано. Кроме того, учитывая то, что в плазме могут одновременно присутствовать возбужденные атомы и ионы одного и того же элемента, обладающие разными термодинамическими свойствами, даже в наиболее простых случаях плазму только условно можно назвать однокомпонентной. Так, в аргоновой плазме кроме атомов и ионов аргона присутствуют в небольших количествах атомы, ионы и молекулы кислорода, водорода, углерода, азота и их соединения.

Физические свойства металлов в большой степени зависят от количества растворенных в них или химически связанных газов. Содержание газов в металле после переплава зависит от их парциального давления в печной атмосфере. Особенно чувствительны к атмосфере плавильных печей высокореакционные металлы. Технический аргон может содержать недопустимые количества других газов, таких как азот, кислород, углеводород, а также влагу. В связи с высокой реакционной способностью этих газов в возбужденном, атомарном и ионном состояниях, а также с учетом принципа работы плазменных печей необходимо снижать их содержание.

В большинстве случаев при плавлении металлов это не играет особой роли, но в ряде случаев, например в переплавных процессах, требования к чистоте газа бывают достаточно высокие, поэтому плазмообразующий газ подвергают очистке.

Азот при высоких температурах обладает довольно высокими значениями энтальпии, теплопроводности и теплоемкости, в результате чего электрический разряд в атмосфере азота обеспечивает достаточно эффективное преобразование электрической энергии в тепловую и передачу ее металлу. В пользу применения азота говорят его доступность и низкая цена. Широкое применение азота в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды ограничено из-за возможного разрушения вольфрамового катода, поскольку при высокой температуре на его поверхности образуются нитриды вольфрама. Кроме того, использование технического азота, содержащего до 2% кислорода, приводит к разрушению катода в результате образования при температурах > 600 °С летучих оксидов типа W0₃, W₂O₃,W₂O₅. Поэтому азот в основном используют в качестве добавки к аргону при выплавке азотированных марок сталей.

Гелий обладает более выгодными энергетическими характеристиками, чем аргон, однако он очень дорогой и дефицитный, поэтому используется лишь в качестве добавки к Аг.

Водород - самый высокоэнтальпийный плазмообразующий газ, однако чистый водород при высоких температурах разрушает катод. Его используют для получения сталей и сплавов высокой чистоты.

4. Вторичные рафинирующие процессы

При вторичных рафинирующих процессах направленное затвердевание обеспечивается применением водоохлаждаемого поддона и тепловой изоляцией боковых стенок кристаллизатора в сочетании с наличием теплового центра в головной части слитка.

Условия ведения переплавных процессов позволяют получить химически и физически однородные слитки с минимальным содержанием вредных примесей.

Взаимодействие жидкого металла с рафинирующей средой происходит на трех стадиях переплава: 1 - пленке жидкого металла на торце расходуемой заготовки (электрода), 2 - поверхности капли, перемещающейся от заготовки (электрода) к ванне жидкого металла, 3 - поверхности плоской металлической ванны.

Несмотря на то что рафинирующей средой при ПДП является плазменная дуга, при ЭЛП - электронный луч, при ВДП - вакуумная дуга, при ЭШП - шлак, существуют общие закономерности, характерные для переплавных процессов.

К общим закономерностям, протекающих в переплавных процессах относятся химические реакции, протекающие между металлом и рафинирующей средой, которые являются гетерогенными. Например, поглощение и выделение газовых примесей, рафинирование от неметаллических включений и примесей цветных металлов, взаимодействие расплавленного металла со шлаком и газами и т.п. - все это гетерогенные процессы.

Гетерогенные процессы характеризуются наличием многих стадий, основными из которых являются три: 1-я - перенос (диффузия) реагирующих веществ к поверхности раздела фаз - реакционной зоне, 2-я - собственно химическая реакция, 3-я - отвод продукта реакции из реакционной зоны.

Кроме того существенную роль в переплавных процессах играет процесс каплеобразования, который носит ярко выраженный периодический характер: после ухода предыдущей капли расплавленный металл остается в пленке большую часть периода каплеобразования, во время которого происходит его перегрев, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения. Металл стекает и накапливается на конце конуса электрода, а затем отделяется в виде капли.

Преимущественным протеканием процессов рафинирования на поверхности переплавляемой заготовки и в ванне жидкого металла объясняется возможность получения чистого металла при переплавпых процессах.

В конце 50-х - начале 60-х годов XX в. с началом освоения па заводах качественной металлургии процессов электрошлакового переплава (ЭШП) и вакуумно-дугового переплава (ВДП), а затем и вакуумно-индукциоиного переплава (ВИИ) связано рождение новой промышленной отрасли - специальной электрометаллургии (СЭМ). Эти и последующие годы ознаменовались значительными успехами в повышении качества металла, что главным образом связано с успешным развитием процессов ВИП, ВДП, ЭШП, электронно-лучевого переплава (ЭЛП), плазменно-дугового переплава (ПДП). Успехи специальной металлургии связаны с применением одного или нескольких рафинирующих воздействий для коренного улучшения качества металла.

В таблице 4.1 показано, как при различных процессах рафинирующей обработки используются эти средства повышения качества металла. Наиболее прогрессивными являются процессы переплава, так как они позволяют одновременно использовать почти все средства.

В металлических расплавах всегда присутствуют примеси. Это прежде всего примеси металлов и элементов, находящиеся в рас¬творенном состоянии. Значительную долю составляют примеси га¬зов, также находящиеся в растворе. Наконец, определенное количество примесей находится в расплаве в виде нерастворимых инородных частиц. Подобными частицами могут быть оксиды основ¬ного и легирующих компонентов приготовляемого сплава, а также их карбиды и нитриды. К подобным примесям относятся также частицы шлаков, флюсов, огнеупорной футеровки.

Содержание работы

Файлы: 1 файл

Реферат. Рафинирование сталей и чугунов.docx

Тема: Рафинирование сталей и чугунов.

Студент гр. Лч-108

Рафинирование стали……………………………………….………….………5
Рафинирование чугуна…………………………………………………..……. .8
Рафинирование на сегодняшний день……………………………….……..….9
Литература…………………………………………………… …………………17

В металлических расплавах всегда присутствуют примеси. Это прежде всего примеси металлов и элементов, находящиеся в растворенном состоянии. Значительную долю составляют примеси газов, также находящиеся в растворе. Наконец, определенное количество примесей находится в расплаве в виде нерастворимых инородных частиц. Подобными частицами могут быть оксиды основного и легирующих компонентов приготовляемого сплава, а также их карбиды и нитриды. К подобным примесям относятся также частицы шлаков, флюсов, огнеупорной футеровки.

Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило, является задачей металлургического передела. Однако в некоторых случаях подобные процессы приходится проводить и в литейном производстве.

В данном реферате разобрана тема рафинирование чугунов и сталей. С начало бы хотелось рассказать немного о самом рафинировании.

Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96—99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на рафинирование. Различают 3 основных метода рафинирования: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов рафинирования.

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при рафинировании Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить рафинирование. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При рафинирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очищения его от неметаллических включений. Рафинирование стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.

Электролитическое рафинирование, представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов. Электролитическое рафинирование с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее положительное значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое рафинирование с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.

Химическое рафинирование основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим. путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического рафинирование может служить аффинаж благородных металлов. рафинирование Au производят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

Рафинирование стали - это процесс удаления из жидкой стали вредных и нежелательных примесей. Процесс рафинирования стали может осуществляться как в печи, так и вне печи (внепечное рафинирование стали), в ковше, а также в специальных агрегатах (например - вакууматор). Рафинирование стали могут проводить добавлением окислителей и восстановителей, продувкой расплава стали инертными газами и др.

Процесс рафинирования стали включает в себя целый комплекс операций, направленный на очищение стали от лишних примесей. В случае необходимости применяют комбинированные методы обработки, включающие в себя сразу несколько способов рафинирования стали, например раскисление, модифицирование или удаление неметаллических включений, десульфурация, дегазация (удаление азота и водорода) и т.д.

Внепечное рафинирование стали - рафинирование стали вне сталеплавильного агрегата. Так как затруднительно проведение рафинирования стали в крупных и высокопроизводительных сталеплавильных агрегатах, то многие технологические операции рафинирования стали проводят за пределами агрегата (печи). Внепечное рафинирование стали технологически осуществляется гораздо легче. При непрерывной разливке стали также удобнее использовать методы внепечного рафинирования. Рафинирование стали в установках печь-ковш обеспечивает массовое производство металла особо высокого качества. В результате внепечного рафинирования сталь имеет однородный состав, высокие характеристики пластичности, вязкости и трещиностойкости. Одновременно рафинированием практически полностью подавляется флокеночувствительность стали .

С помощью внепечного рафинирования, помимо прочих, решается сложная задача введения в расплав летучих, легкоокисляемых, труднорастворимых и токсичных элементов.

Рафинирование чугуна - очистка чугуна от вредных (преимущественно S, Р) и нежелательные (например Si) компонентов. Осуществляется вне доменной печи. Внепечное рафинирование чугуна ведут разными способами: в струе металла с применением транспортир, газов и механических мешалок, и разлив, ковшах, на специальных стендовых установках. Возможно выборочное рафинирование с удалением одного компонента (де-сульфурация, дефосфорация, обескремнивание и др.) или комплексное рафинирование с одновременным или последовательным удалением нежелательных компонентов. Обессеривание или процессы внепечной десульфурации дифференции по виду применения десульфураторов, технологии подачи десуль-фуратора в обрабатываемый металл. В качестве реагентов-десульфураторов применяют: домен, шлак, кальцинированную соду (порошковую, гранулированную, брикетированную), известь, карбид кальция, магний металлический, а также некоторые комплексные реагенты на основе перечисленных веществ.

Десульфурация чугуна идет по реакции: [FeS] + СаО = (FeO) + (CaS),

где [FeS] — содержание S в чугуне;

СаО - содержание (расход) реагента-десульфуратора;

(FeO), (CaS) — содержание FeO и CaS в шлаке.

Процесс дефосфорации чугуна сводится к окислению фосфора и связывает Р2О5 в прочные соединения в шлаковой фазе. Чугун дефосфорирует комплекс, реагентами, содержащий известь, плавиковый шпат, хлориды кальция и железа, соду, оксиды железа.

Процесс обескремнивания идет окислением кремния соответственно реагентами (кислородом, окалиной, железной рудой) по реакции: [Si] + FeO = (SiO2) + (FeO),

где [Si] — содержание кремния в чугуне;

FeO — расход реагента-окислителя; (SiO2),

(FeO) — содерж. компонентов в шлаке;

Рафинирование на сегодняшний день.

Весьма эффективно внепечное вакуумирование жидкой стали, осуществляемое различными способами в процессе разливки и позволяющее повысить качество металла, увеличить производительность сталеплавильных агрегатов и снизить расход раскислителей и легирующих материалов. Способ внепечного вакуумирования (в ковше, при переливании из ковша в ковш, порционный и циркуляционный способы) определяется массой плавки и назначением стали.

Практика работы некоторых заводов подтвердила, что при вакуумировании жидкой стали в камерах с высокой степенью разрежения улучшаются качество поверхности проката конструкционных и магнитные свойства электротехнических сталей, повышается чистота шарикоподшипниковой стали по неметаллическим включениям и т.д.

Развитие процесса внепечного вакуумирования жидкой стали позволит усовершенствовать процессы термической обработки легированного металла, а при производстве кипящей стали — улучшить качество металла, полученного на установка непрерывной разливки стали.

Количество стали, вакуумированной внепечным способом, в девятой пятилетке намечено увеличить в несколько раз. В ближайшие годы предусмотрено значительно увеличить мощности для внепечного вакуумирования жидкой стали и в первую очередь обеспечить обработку электротехнической стали, стали для автомобильного листа и стали, предназначенной для других целей с использованием глубокой вытяжки, шарикоподшипниковой и конструкционных легированных фло-кеночувствительных сталей, а также рельсовой и колесной.

В ближайшие годы предусмотрено установить ряд агрегатов для внепечного вакуумирования стали порционным и циркуляционным методами в ковшах емкостью 100—130 т, а также для вакуумирования в ковше с электромагнитным перемешиванием металла.

Внепечное вакуумирование обеспечивает в углеродистой стали с 0,2% С не более 0,001% О2, не более 0,0008% N2 и не более 0,000095% Н2; в углеродистой стали с 0,35% С содержание кислорода на 17,5% ниже, общее количество включений на 29% меньше, уровень механических свойств на 10—15% выше, чем в невакуумированной стали. Вакуумированиая рельсовая сталь не склонна к образованию флокенов.

По данным Уралмашзавода, вакуумирование мартеновской стали при разливке ее в крупные слитки позволило снизить содержание водорода на 50—60% (с 3,93 до 1,76 см3 на 100 г металла), азота на 22—25% (с 0,0051 до 0,0039%). При вакуумировании металла степень его загрязнения неметаллическими включениями значительно уменьшается, изменяется состав этих включений и распределение по сечению слитка, что улучшает качество поковок. Время охлаждения поковок после их термической обработки было сокращено на 30% вследствие пониженной флокеночувствительности, связанной с пониженным содержанием водорода после вакуумирования.

Дополнительные эксплуатационные и капитальные затраты на внепечное вакуумирование стали для поковок составили на Уралмашзаводе соответственно 1,5 и 4,6 руб. на 1 т стали, а экономия от сокращения брака поковок и длительности термической обработки выразилась в 36 руб. на 1 т стали.

Рафинирование металлов - очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96—99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механическихсвойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на рафинирование Различают 3 основных метода рафинирования: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности,электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов рафинирования.

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ
Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединенияосновного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав,и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при рафинировании Sn и др. металлов. Прифракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, илидистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить Рафинирование Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах.Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При Рафинировании стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышаетсяинтенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очищения его от неметаллических включений. Рафинирование стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ
Электролитическое рафинирование,представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.
Электролитическое рафинирование с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла.

Рафинирование металлов Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96‒99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на Р. Различают 3 основных метода Р.: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов Р.

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное Р. основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при Р. Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка , плазменная металлургия , вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Р. осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить Р. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При Р. стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации , дефосфорации , раскисления металлов , очищения его от неметаллических включений. Р. стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.

Электролитическое Р. с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее положительное значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое Р. с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.

Химическое рафинирование основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим. путём ( гидролиз , цементация , образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена ). Примером химического Р. может служить аффинаж благородных металлов. Р. Au производят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

Лит.: Пазухин В. А. , Фишер А. Я., Разделение и рафинирование металлов в вакууме, М., 1969; Сучков А. Б., Электролитическое рафинирование в расплавленных средах, М., 1970; Рафинирование стали синтетическими шлаками, 2 изд., М., 1970.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Читайте также: