Лекція виробництво кольорових металів



Скачати 103.01 Kb.
Дата конвертації23.11.2016
Розмір103.01 Kb.
ЛЕКЦІЯ 6. Виробництво кольорових металів

План:

  1. Структура, техніко-економічні особливості галузі.

  2. Технології виробництва важких кольорових металів.

  3. Технології виробництва легких кольорових металів.



1. Структура, техніко-економічні особливості галузі

Кольорові метали та їх сплави відзначаються високою технологічністю і корозійною стійкістю. Вони є основними конструкційними матеріалами в новітніх галузях промисловості: в електро- і радіотехніці, авіації і космічній техніці. Дедалі ширше використовуються в будівництві, с/г, харчовій та хімічній промисловості.

У світовому господарстві найбільше використовують мідь та алюміній, швидкими темпами зростає використання рідкісноземельних і лужних металів.

Техніко-економічні особливості кольорової металургії, які впливають на системи її технологій, а також визначають принципи розміщення підприємств:


  1. Багатогалузевий характер і складна структура. Кольорові метали поділяються:

    • легкі: алюміній, титан, магній, літій, берилій тощо;

    • важкі: мідь, цинк, свинець, ртуть, нікель, кобальт, кадмій тощо;

    • благородні: золото, срібло, платина тощо;

    • тугоплавкі: ванадій, молібден, вольфрам, ніобій тощо;

    • розсіяні: галій, індій, талій;

    • рідкісноземельні: ітрій, скандій і всі лантаноїди;

    • радіоактивні: уран, плутоній, радій, полоній тощо.

  2. В рудах кольорових металів найчастіше міститься не більше 1-5 % корисного компонента, тобто висока матеріалоємність виробництва, великі витрати на збагачення руди. Особливо великою матеріалоємністю відзначається виробництво важких кольорових металів, яке тяжіє до джерел сировини.

  3. Руди кольорових металів залягають комплексно, у руді міститься 10-20 корисних компонентів, велике значення має комплексне використання сировини.

  4. Виробництво легких кольорових металів відзначається високою енергоємністю і тяжіє до відносно дешевих джерел електроенергії.

  5. Основні витрати відбуваються на стадії видобутку, збагачення, витрат палива, енергії, основних і допоміжних матеріалів. В середньому ці витрати по галузі складають 65-70 %.

  6. Найбільш характерна така форма суспільної організації праці як комбінування, яке засноване на комплексному використанні сировини і на утилізації відходів.

  7. Характерна організація замкнених технологічних схем з багатократною переробкою проміжних продуктів та утилізацією відходів з метою підвищення ступеню вилучення металів із руди та комплексне використання сировини.

  8. Рафінування, прокат кольорових металів, виробництво сплавів можуть знаходитись у місцях споживання готової продукції.

Технологічний процес одержання кольорових металів включає:

- видобуток та збагачення сировини;

- металургійний переділ;

- рафінування (очистка);

- виробництво сплавів;

- прокат.



2. Технології виробництва важких кольорових металів

2.1. Виробництво міді

Мідь – перший метал, освоєний людством: важкий, пластичний, добре піддається всім видам обробки (волочінню, тиску, поліровці, паянню, зварюванню), має високу електропровідність, теплопровідність, антикорозійність. Температура плавлення 1083 0С.

Близько половини міді, що виробляється, йде на виплавляння сплавів. Мідь та її сплави використовують в електротехнічній та енергетичній промисловості, а також у будівництві, приладобудуванні, для виготовлення лабораторного посуду.

Отримують такі сплави міді: латунь – мідь із цинком; бронза – мідь з оловом; мельхіор – мідь з нікелем.

Мідь у земних надрах перебуває у сполуках сульфідних руд: мідний колчедан – халькопірит CuFeS2, халькозин Cu2S, оксидних руд Сu2O. Природний вміст міді в руді невеликий – 1-5 %. Руди, які містять більше 3 % міді, вважаються багатими.

Добуту мідь піддають збагаченню. Використовують флотаційний метод або метод випалення. Одержаний концентрат містить до 20 % міді. Витрати на стадії видобутку та збагачення – 70-80 % собівартості 1 т міді.

Мідь виплавляють пірометалургійним (90 %) або гідрометалургійним способом. Пірометалургійний спосіб: Концентрат випалюється у печах при температурах 700–800 0С. При цьому вигоряє значна частка домішок сірки. Вміст міді в концентраті підвищується до 35 %. Потім концентрат плавлять в печах при температурах 1500–1600 0С. Одержують рідкий штейн Cu2S+FeS2, який складається з міді (до 50 %), заліза (20 – 30 %), сірки (до 25 %) та інших домішок.

Штейн завантажують у конвертер, подають паливо, повітря, в результаті чого залізо, сірка та інші непотрібні елементи виходять у шлак. Отримують чорнову мідь із вмістом міді 95–98 %. Її піддають рафінуванню шляхом електролізу або повторної плавки та отримують чисту 100 % мідь. Відходи переходять у шлак та в димовий газ. Сірку відокремлюють у процесі виробництва та виробляють H2SO4.

Гідрометалургійний спосіб: Збагачену оксидну мідну руду обробляють H2SO4. Одержаний розчин CuSO4 очищають розчинником, а потім піддають електролізу, що дає на катоді мідь високої чистоти.

Підприємства повного циклу по виробництву міді орієнтуються на сировину у зв’язку з високою матеріалоємністю (для виробництва 1 т міді потрібно обробити 100 т руди).

Стадія рафінування, прокату та отримання сплавів орієнтується і на споживачів.

2.2. Виробництво нікелю

Нікель відрізняється високими антикорозійними властивостями, низькою окислюваністю, міцністю, добре піддається обробці, тиску; є компонентом у цінних сплавах. Температура плавлення 1455 0С. Нікель і його сплави використовують у військовій техніці, суднобудуванні, як тугоплавкий метал (у тостерах, прасках, обігрівачах), для виробництва лабораторного посуду, спеціальної техніки, як магнітний матеріал для інструментів.

Часто нікелевим рудам супутні платина, мідь, кобальт та інші метали.

Технологічна схема отримання нікелю приблизно така ж, як і міді, але виробництво нікелю відрізняється більшою паливоємністю. Головні принципи розміщення підприємств по виробництву нікелю:

- орієнтування на сировину через високу матеріалоємність (для виробництва 1 т нікелю потрібно 200 т руди);

- орієнтування на дешеві джерела електроенергії (більше 3 тис. кВт*год на 1 т металу).
2.3. Виробництво олова

Олово – м’який метал, використовується у виробництві жерсті, фольги, сплавів (бронзи), для луження котлів, в електроніці – припой (олово + каніфоль). Температура плавлення 232 0С.

Олово знаходиться у природі в розсипах (дрібнозернисті піски) або в корінних родовищах. Олово отримують найчастіше з мінералу каситериту, або олов’яного каменю. Схема виробництва: спочатку отримують олов’яний концентрат шляхом випалу і нарощують вміст олова у концентраті до 40 – 60 %, що робить олов’яний концентрат доволі транспортабельним.

Перед плавкою концентрат обробляють HCl для видалення шкідливих домішок. Плавку в суміші з відновниками (кокс або антрацит) та флюсами здійснюють або у відбивних печах, або електрометалургійним способом.

Отримане чорнове олово рафінують шляхом повторної плавки або електрометалургійним способом.

Принципи розміщення підприємств:

1) орієнтовані на споживачів, оскільки родовища олова невеликі або знаходяться у розсипах, тому для роботи одного підприємства необхідна сировина з декількох родовищ олова, а олов’яні концентрати транспортують;

2) орієнтуються на райони сировини.
2.4. Виробництво свинцю

Свинець – важкий, м’який, пластичний, легкоплавкий метал, легко піддається механічній обробці та литтю, має високі антикорозійні якості. Використовується для виробництва кислототривкої апаратури (акумулятори – 60 % всього свинцю у світі), оболонок кабелю, посуду та труб для хімічної промисловості, для поглинання рентгенівського та радіоактивного випромінювання.

Промислове виробництво свинцю засноване на переробці руд, які містять мінерали – свинцевий блиск (галеніт), церусит, а також сірчанокислий свинець.

Руда подрібнюється, збагачується (гравітаційне розділення, флотація) до 40 – 78 % свинцю. Для виробництва свинцю застосовують пірометалургійний метод. Спочатку концентрати випалюють, потім концентрат плавиться у шахтних печах або в кисневих конвертерах. Отриманий метал піддають рафінуванню шляхом повторної плавки або шляхом електролізу.

Виробництво свинцю не відзначається великою паливо- та енергоємністю, розміщують безпосередньо біля джерел сировини.


2.5. Виробництво цинку

Цинк – сріблясто-білий метал, має високу антикорозійну стійкість, різко змінює свої якості зі зміною температури. При звичайній температурі він крихкий; при 100 – 150 0С він стає ковким та пластичним; при температурі вище 200 0С він знову стає крихким. Температура плавлення 419,5 0С.

Цинк використовують для покриття заліза (половина всього виробленого цинку), виробництва сплавів, для виготовлення посуду, ванн, труб, трун. В електротехніці цинк використовують для виготовлення електродів гальванічних елементів, лужних акумуляторів. Цинк входить до складу малярних фарб, деяких фармацевтичних препаратів.

Цинк отримують із цинкової обманки ZnS та вуглекислого цинку пірометалургійним (термічним) та гідрометалургійним (електролітичним) методами. Після збагачення (флотаційний, гравітаційний способи) концентрати випалюють до повного вигоряння сірки, утворюється оксид цинку ZnО.

Термічний метод: цинкові концентрати нагрівають в ретортах до температури 1200 – 1300 0С в суміші з порошкоподібним вугіллям. Цинк кипить при температурі 907 0С, випаровується, потім охолоджується і відводиться у вигляді розплаву.

Електролітичний метод: Цинкові концентрати ZnО розчиняють в H2SO4. Отриманий розчин очищають від домішок, фільтрують. При проходженні електричного струму на алюмінієвому катоді відкладаються іони цинку. Катодний цинк переплавляють у печі при температурі 419,5 0С і одержують цинк чистотою майже 100 %. Цинк відливається в пластини масою 25 кг.

3. Технології виробництва легких кольорових металів

3.1. Виробництво алюмінію

За об’ємами виробництва та використання алюміній та його сплави посідають 2-ге місце після сталі. Алюміній – найпоширеніший метал у земній корі. Температура плавлення 660 0С, легкий, пластичний, корозійно стійкий, легко обробляються тиском та різанням, добре зварюється, має добрі ливарні якості, добре проводить тепло та електричний струм.

Алюміній використовується в електротехніці (конденсатори, дроти, кабель, деталі та ін.), приладобудуванні, авіаракетнокосмічній промисловості, будівництві, виготовленні рам, труб, цистерн, баків, посуду, фольги.

Найцінніші сплави:

- дюралюмін (сплав алюмінію з міддю, магнієм та марганцем) – висока міцність при розтягненні, тому використовується при будівництві літаків;

- силумін (сплав з кремнієм) – висока міцність, використовують при виробництві машин та у воєнному будівництві.

В якості алюмінієвих руд можливо використовувати лише мінерали, в яких вміст оксидів алюмінію (глинозему) достатньо високе, а видобуток та їх переробка технічно можливі. Найкращими рудами алюмінію є боксити, а також нефрити та алуніти. До руд алюмінію відносять також кіаніти та каоліни, з яких отримують кремнеалюмінієві сплави.

Виробництво алюмінію включає 2 стадії:

1) отримання чистого глинозему з руди. Ця стадія досить матеріалоємна, великі витрати сировини, палива, води, вапняку, тому орієнтується на сировину.

2) отримання алюмінію з глинозему методом електролізу. Ця стадія дуже енергоємна. Для отримання 1 т алюмінію потрібно 17-18 кВт/год. Тому ця стадія орієнтована на відносно дешеві джерела електроенергії. Оптимальний варіант розміщення – максимальна близькість сировини та енергобази.



1 стадія. Існують 2 способи отримання глинозему:

  1. мокрий лужний. Із розмеленого бокситу глинозем вилуджується розчином NaOH в автоклавах при температурі 250 – 300 0С і тиску 14 – 35 атм. від 40 хв. до кількох год. Утворюється алюмінат натрію. Його розкладають в апаратах, і в результаті низки процесів утворюється чистий глинозем Al2O3.

  2. сухий лужний. Глинозем отримують із кременистих бокситів шляхом спікання з вапняками та содою при температурі 1200 – 1300 0С. Для отримання 1 т металевого алюмінію необхідно 2-3 тонни глинозему, 1 т вапняку та електроенергія.

2 стадія. Алюміній виробляють електролітичним способом, в електролітичних ваннах. В якості електролітів використовуються хімічні сполуки: криоліт, в якому розчиняють глинозем. Електричний струм, який проходить через електроліт, здійснює електрохімічний процес розкладу глинозему. Температура процесу 950 0С. При цьому металевий алюміній виділяється на катоді, збираючись у розплавленому стані на дні ванни. Накопичений алюміній вивантажують за допомогою вакуумного ковша раз на добу або й рідше. Потім здійснюється стадія рафінування шляхом повторного електролізу.

Отримання металевого алюмінію є дуже енергоємним (на 1 т алюмінію витрачається 16 тис. кВт/год.) Тому виробництво алюмінію орієнтується на джерела дешевої електроенергії. Виробництво глинозему, що пов’язане з переробкою великої кількості руди та інших матеріалів, розміщують біля їх родовищ.


3.2. Виробництво магнію

Магній – метал сріблясто-білого кольору. Найважливіша якість магнієвих сплавів – їх легкість при відносно великій міцності. Магнієві сплави використовують у літакобудуванні, ракетній техніці, автомобілебудуванні, приладобудуванні, оптичній промисловості, як легуючий метал, в електрохімії, як відновник при виробництві металів (десульфуризація чавуну і сталі), фармацевтичних препаратів.

Магній входить до складу багатьох сполук та широко розповсюджений у природі. Найкращими є магнезит (карбонат магнію), доломіт (подвійний карбонат магнію та кальцію), карналіт та ін.

Магній отримують електролітичним та термічним способами. Руду випалюють та отримують оксид магнію. Потім його обробляють HCl та отримують хлорид магнію. Потім з хлориду магнію шляхом електролізу (як і алюміній) при температурі 700 – 750 0С отримують металевий магній. Цей процес відзначається високою енергоємністю (для отримання 1 т магнію потрібно 20 тис. кВт/год.)

При термічному способі магній отримують шляхом відновлення сірки та вуглецю доломітом (магнезитом).


3.3. Виробництво титану

Титанлегкий метал, має високі антикорозійні якості, тугоплавкий, міцний, хімічно дуже стійкий. Використовується у важкому машинобудуванні, у спецтехніці, літако- та ракетобудуванні.

Основними промисловими джерелами титану є рутил та ільменіт, які більш ніж на половину складаються із двоокису титану. Руди титану обробляють вуглецем та хлором. Отримують хлорид титану. Його вводять у реторту, де знаходиться металевий магній. Магній сполучають з хлором і відновлюють титан.

Одержану титанову губку розмелюють у порошок, пресують та спікають або переплавляють у дугових печах. Цей процес відрізняється великою енергоємністю, для отримання 1 т титану потрібно 60 тис. кВт/год.

Титан та магній використовуються в основному у сплавах. Найбільш міцні титаномагнієві сплави. Їх виплавляють в електричних дугових печах. Титаномагнієві сплави використовують у авіа- та ракетобудуванні, суднобудуванні, для виробництва броньованої техніки. У ракетній техніці використовують літієво-магнієві сплави, які мають високі жароміцні якості.



Через високу енергоємність виробництва титану, магнію та їх сплавів підприємства орієнтовані на дешеві джерела енергії.


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка