TECHNOLOGIA METALI
( dr inż. Robert Skoblik )
WykładyMETALURGIA METALI
Metalurgią nazywa się szereg powiązanych ze sobą procesów technologicznych mających na celu otrzymanie technicznie czystego produktu z surowców, którymi najczęściej są rudy wytapianych metali.
Główne działy metalurgii to:
- metalurgia żelaza,
- metalurgia metali nieżelaznych
Podstawowe procesy metalurgiczne to:
•wstępna przeróbka rudy
•wzbogacanie rudy
•proces hutniczy
•rafinacja
Materiałami wyjściowymi przy produkcji stopów żelaza i stopów metali nieżelaznych są ruda, koks lub inne nośniki ciepła, topniki oraz materiały ogniotrwałe.
Procesy metalurgiczne można podzielić na:
1. procesy pirometalurgiczne (ogniowe), prowadzone w wysokich temperaturach, mające za zadanie otrzymanie metalu i w następnych zabiegach jego ewentualną rafinację,
2. procesy elektrometalurgiczne polegające na topieniu i rafinacji wsadu metalowego w piecach elektrycznych
łukowych, oporowych i indukcyjnych oraz procesach elektrolizy roztopionych soli lub wodnych roztworów,
3. procesy hydrometalurgiczne w których otrzymuje się metale z wodnych roztworów ich soli, przez rozpuszczanie metali zawartych w rudzie za pomocą kwasów lub zasad.
4. metalurgię próżniową
MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE
W większości przemysłowych sposobów otrzymywania metali i stopów mamy do czynienia z procesami topienia przy wysokich temperaturach, dlatego też wewnętrzne wykładziny pieców i innych urządzeń metalurgicznych wykonuje się z materiałów ogniotrwałych. Muszą być one zdolne do przenoszenia obciążeń przy wysokich temperaturach, wytrzymania gwałtownych zmian temperatury i chemicznego oddziaływania żużla i gazów piecowych.
W zależności od zachowania się względem żużli, dzielimy materiały ogniotrwałe na:
1. kwaśne – odporne na działanie żużli kwaśnych –
podstawowym składnikiem jest SiO2 lub Al2O3 ( materiały krzemionkowe, kwarcowo – szamotowe, szamotowe),
2. zasadowe – odporne na działanie żużli zasadowych – podstawowym składnikiem jest CaO lub MgO (magnezytowe, dolomitowe, dolomitowo – magnezytowe i chromitowo – magnezytowe),
3. neutralne lub amfoteryczne (obojętne) – słabo reagujące z żużlami zarówno zasadowymi jak i kwaśnymi lub też wykazujące pełną odporność na ich działanie – podstawowymi składnikami są: Cr2O3, Zr2O3, SiC lub C (chromitowe, cyrkonowe, karborundowe i węglowe).
PALIWA STOSOWANE W METALURGII
Stan skupienia lub rodzaj paliwa
Paliwa naturalne
Paliwa sztuczne
Stały
Drewno Torf
Węgiel brunatny Węgiel kamienny
Węgiel drzewny
Koks
Półkoks
Pył węglowy
Ciekły
Ropa naftowa
Destylaty ropy naftowej
Destylaty smoły pogazowej
Benzyna syntetyczna
Gazowe
Gaz ziemny
Gaz świetlny
Gaz koksowniczy
gaz czadnicowy
Gaz generatorowy
Gaz wielkopiecowy
Energia elektryczna
Paliwo jądrowe
KOKSOWNIA
Przekrój pieca typu Koppersa: 1 – główny przewód gazu koksowniczego, 2 – główny przewód gazu wielkopiecowego, 3 – regenerator, 4 zbiorcze kanały spalinowe, 5 – kanały komór grzewczych [9]
Koksownia
Przekrój przez komorę koksowniczą [5]
METALURGIA STOPÓW ŻELAZA
Stopy żelaza :
Surówka jest to stop żelaza z węglem (ponad 2%C – najczęściej 2,5 – 4,5%) oraz innymi pierwiastkami (Si, Mn, P, S)otrzymywany w wyniku redukcji rudy żelaza (w wielkim piecu, piecu niskoszybowym) przeznaczony do dalszej przeróbki na inne stopy żelaza.
Stal – techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C (max. 2,06%) oraz inne pierwiastki pochodzące z surowców, materiałów ogniotrwałych, paliw, atmosfery albo dodawane celowo (dodatki stopowe stali) otrzymywany w stanie ciekłym w procesach stalowniczych i po zakrzepnięciu przerabiane plastycznie.
Staliwo – techniczny stop żelaza zawierający do ok. 2% C oraz inne pierwiastki pochodzące z surowców, materiałów ogniotrwałych, paliw, atmosfery albo dodawane celowo (dodatki stopowe stali) otrzymywany w stanie ciekłym w procesach stalowniczych i odlany do form odlewniczych, nie przerobiony plastycznie.
Żeliwo – stop żelaza z węglem i z innymi pierwiastkami jak Mn, Si, P, S o zawartości węgla ponad 2% (praktycznie 2,65 do 3,8%), stosowany w postaci odlewów.
Rudy żelaza
• magnetyt (żelaziak magnetyczny) – tlenek żelazowo – żelazawy (Fe3O4), zawierająca ok. 72% Fe, ma własności magnetyczne, zwartą budowę i ze względu na skład chemiczny skały płonnej jest trudno topliwy, zawiera domieszki siarki i fosforu. Występuje w Szwecji, Norwegii, Rosji.
• hematyt (żelaziak czerwony) – tlenek żelazowy (Fe2O3), zawiera zwykle 50 – 60% żelaza. Skałę płonną stanowi najczęściej krzemionka i glina a niekiedy również wapń. Jest rudą łatwo topliwą o charakterze zasadowym i nie stanowi w kopalinie zwartej i twardej masy. Największe złoża hematytów znajdują się na terenach Ukrainy, USA, Hiszpanii i we Włoszech, niewielkie również w Polsce na Dolnym Śląsku.
• limonit (żelaziak brunatny) - uwodniony tlenek żelazowy (2Fe2O33H2O), zawiera przeciętnie 30 - 53% żelaza. Jest najbardziej rozpowszechnioną rudą w przyrodzie. Jest rudą łatwo topliwą. Skałę płonną stanową najczęściej krzemionka i glina a czasem tlenki wapnia i tlenki magnezu. Jako zanieczyszczenie występuje w skale płonnej siarka i fosfor.
• syderyt (żelaziak szpatowy) - węglan żelazawy (FeCO3) zawierający przeciętnie 30 - 40% żelaza. Rudy te są bardzo łatwo topliwe lub samo topliwe, zanieczyszczone krzemionką, tlenkiem wapnia i tlenkiem magnezu.
Przygotowanie rud
• Operacje przygotowania rud dzielimy na dwie grupy:
1. Operacje przygotowania rud oparte na własnościach fizycznych
materiałów:
• rozdrabnianie i klasyfikacja
• operacje wzbogacania rud: przebieranie ręczne, wzbogacanie grawitacyjne, magnetyczne i elektrostatyczne, flotacja,
• operacje wykańczające i pomocnicze: oddzielanie koncentratów od wody (zagęszczanie, filtrowanie, suszenie), zbrylanie przez brykietowanie i grudkowanie
2. Operacje przygotowania rud mające charakter przeróbki chemicznej:
• zbrylanie materiałów przez spiekanie,
• wzbogacanie ogniowe rud węglanowych,
• prażenie utleniające rud i koncentratów siarczkowych, prażenie utleniające ze spiekaniem.
Rozdrabnianie rud
Zakresy rozdrabniania i stosowane urządzenia
Rozdrabnianie
Przybliżona wielkość
otrzymywanego
ziarna
mm
Urządzenia rozdrabniające
Grube (wstępne)
100
Kruszarka szczękowa, stożkowa, młotowa, udarowa
Średnie
30
Kruszarka płaskostożkowa, udarowa, młotowa, walcowa
Drobne
5
Kruszarka walcowa, dezyntegrator
Mielenie
0,5
Młyny kulowe i prętowe
Kruszarki szczękowe
Kruszarka szczękowa normalna: 1 – wał mimośrodowy, 2-oparcie wału, 3 –płyta rozporowa, 4-gniazdo, 5 – szczęka ruchoma, 6 – oś szczęki ruchomej, 7 – płyta wymienna, 8 – rama kruszarki, 9 – szczęka nieruchoma, 10 – sprężyna, 11 – śruba nastawcza klinów, 12 – kliny [1]
Kruszarka szczękowa jednodźwigniowa [1]
Kruszarka stożkowa
Kruszarka stożkowa do rozdrabniania wstępnego: 1 – stożek, 2 – pierścień kruszący, 3- płaszcz
zewnętrzny,4 – wrzeciono, 5 – łożysko, 6 – ramiona nośne dla łożyska i wału, 7 i 8 – koła zębate, 9 – wał
napędowy, 10 – nakrętka do podnoszenia i opuszczania wrzeciona i stożka [1]
Kruszarka młotowa
Kruszarka młotowa: 1 – kadłub kruszarki, 2 – tarcza obrotowa, 3 – wał, 4 – młotki, 5 – lej załadunkowy, 6 – ruszt [1]
Kruszarka młotowa dwuwirnikowa [1]
Kruszarka udarowa
Kruszarka udarowa: 1 – wirnik stalowy, 2 – listwy z twardej stali, 3 –płyty robocze, 4 – zsuwnia rusztowa, 5 – wylot [1]
Młyny
Młyn kulowy bębnowy: 1 – bęben, 2 – wyłożenie bębna płytami ze stali odpornej na ścieranie, 3 – koło zębate, 4 – komora wyładowcza, 5 – ślimak zasilacza [1]
Młyn kulowy stożkowy [1]
Młyn prętowy: 1 – zasilacz ślimakowy, 2 – koło zębate, 3 – bęben, 4 – wyłożenie bębna, 5 – wyłożenie ścian czołowych, 6 – pręty [1]
Przesiewacze
Schemat przesiewacza bębnowego [1]
Schemat przesiewacza wibracyjnego mimośrodowego: 1 – ruchoma rama sita, 2 – sito, 3 wał mimośrodowy, 4 – stojak, 5 – rama nieruchoma, 6 amortyzatory [1]
Seperator magnetyczny
Spiekanie rud
Spiekanie rud: 1 - taśma typu Dwight - Lloyda (wózki), 2 - bębny, 3 - komory ssące, 4 - dozowniki mieszanki, 5 - piec do zapalania wsadu, 6 - łamacz spieku [2]
WIELKI PIEC
PROFIL WIELKIEGO PIECA
Przekrój wielkiego pieca: 1 – gardziel, 2 – szyb, 3 – przestron, 4 – spadki, 5 – gar, 6 – trzon [7]
PROCES WIELKOPIECOWY
• Grupy procesów zachodzących w wielkim piecu:
• 1. Procesy wstępne: odparowanie wilgoci, wydzielanie wody krystalizacyjnej, rozkład węglanów, usuwanie części lotnych z koksu
• 2.Redukcja tlenków żelaza.
• 3. Nawęglanie żelaza.
• 4.Tworzenie się i topnienie żużla.
• 5. Redukcja pozostałych składników surówki,
• 6. Odsiarczanie.
• 7. Procesy spalania paliwa
Produkty wielkiego pieca
Surówki
...
Puchaczo_o