ПЗ ОП 07 Основы металлургического производства

ГБПОУ «Чебаркульский профессиональный техникум»

                                              Методические указания

к выполнению практических и лабораторных работ

по дисциплине ОП. 07

Основы металлургического производства

для специальности 150412 Обработка металлов давлением

2016 г.

                                                     Пояснительная записка

Методические указания к выполнению практических работ обучающимися по дисциплине ОП.07

Основы металлургического производства предназначены для обучающихся по специальности 150412 Обработка металлов давлением.

Цель методических указаний: оказание помощи обучающимся в выполнении практических  работ по дисциплине ОП.07 Основы металлургического производства.

Настоящие методические указания содержат работы, которые позволят обучающимся самостоятельно овладеть фундаментальными знаниями, профессиональными умениями и навыками деятельности по дисциплине , опытом творческой и исследовательской деятельности и направлены на формирование   знаний и умений.

В результате выполнения практических  работ обучающиеся должны

уметь:

- выбирать стали и сплавы на основе анализа их свойств для конкретного применения в производстве;

знать:

- перспективы развития металлургического производства;

- способы получения и рафинирования металлов и сплавов, методы упрочнения и переработки;

- принципы построения технологических процессов изготовления изделий из металлов и сплавов;

- величины, характеризующие деформацию, и их оптимальное значение при разных способах обработки металлов давлением.

Описание каждой практической  работы содержит: тему, цели работы, задания, основной теоретический материал, порядок выполнения работы, формы контроля. Для получения дополнительной, более подробной информации по изучаемым вопросам, приведено учебно-методическое и информационное обеспечение.

                    Тематический план практических   работ по дисциплине

                       ОП.07     Основы металлургического производства               

Название практической работы	Количество часов
Практическая работа № 1 Анализ технологического процесса производства чугуна	4
Практическая   работа № 2 Анализ технологического процесса производства стали	4
Практическая   работа № 3 Анализ технологического процесса производства магния и никеля	4
Практическая работа № 4 Анализ технологического процесса производства титана	4
Практическая  работа № 5 Выбор сталей и сплавов на основе анализа их свойств для конкретного применения в производстве	4
Практическая  работа № 6 Способы рафинирования металлов и сплавов	4
Практическая  работа № 7 Величины, характеризующие деформацию, и их оптимальные значения при разных способах обработки металлов давлением	4
Итого	28 часов

                                                 Практическая работа № 1

Тема : Анализ технологического процесса производства чугуна

Цель: 1. Освоение методики анализа технологического процесса производства чугуна

Оборудование: тетрадь, ручка методические рекомендации

                                                Выполнение работы

Чугун является сплавом железа, содержащим углерод. Его состав может кроме них включать марганцевые, фосфорные, кремниевые, серные и др. компоненты. Изначально материалами для производства чугуна служат железосодержащие руды, топливные материалы, флюсы. Как правило, в виде сырья для производств чугуна применяются железняки, имеющие в составе от 30 до 70% железа и прочих химических веществ в пустой породе, а также вредных серо- и фосфоросодержащих соединений. Топливным материалом для производства чугуна служит кокс, представляющий собой результат сухой, то есть без участия воздуха, переработки каменного коксугля. Применяемые флюсы, чаще всего это кварц, доломит, песчаники и известняки, позволяют снизить температуру расплавления пустой породы, а также привести ее вместе с золой от топлива к шлаку.

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Наибольшее применение нашел в производстве чугуна доменный процесс. Он включает ряд физических, физико-химических, а также механических проявлений, наблюдаемых в действующей доменной печи. Помещенные в эту печь исходные компоненты (кокс, железосодержащие материалы с флюсами) при прохождении всех операций преобразуются в сплав чугуна, выделяющиеся доменные газы со шлаками. Задача доменного производства чугуна – создание этого сплава из железосодержащих компонентов посредством их переплавления в доменных печах в очень высокой температуре. 

Поэтому доменный цех – один из важнейших в структуре завода по производству чугуна. Помимо этого производство чугуна в доменной печи – основа для изготовления стали, прокатных изделий – конечной продукции металлургического цикла других предприятий. Часть чугуна является товарным продуктом, поставляемым в твердом виде в форме небольших слитков (чушек). Их получают на разливочных машинах, установленных в стороне от доменного цеха в специальном разливочном отделении. Другая часть чугуна идет на производство сталей. Газ, получаемый в ходе процесса производства чугуна, используют в мартеновском и коксохимическом производствах в металлургии. Он служит основным топливом нагревательных устройств прокатных цехов, доменных воздухонагревателей.

Чугун выплавляется в печах, куда помещаются, чередуясь слоями, железосодержащие компоненты с флюсами, топливом. От воздействия своей массы они спускаются в низ печи, куда в особые отверстия подается подогретый воздух под определенным давлением. Он поддерживает нужные условия горения загруженного кокса. Технологический процесс производства чугуна предполагает восстановление железа, а также других элементов из их окислов. В процессе восстановления кислород отнимают от окислов и получают из них компоненты или окислы меньшего содержания кислорода.

Одним из ведущих способов производства чугуна считается восстановление железа от действия окиси углерода. Она образуется от сгорания в горне печи природного газа. Еще стоит отметить, что восстановление железа, предусмотренное технологией производства чугуна для данных печей, осуществляется постепенно, в процессе поэтапного извлечения кислорода из окислов. Доменный процесс предполагает, что в процессе восстановления железа участвуют как окиси углерода, так и непосредственно сам твердый углерод.

Определенное количество железа также восстанавливается с помощью водорода. В схеме производства чугуна восстановление железа от действия водорода или окиси углерода считается непрямым (то есть косвенным), а восстановление с помощью твердого углерода называют прямым. На самом деле восстановление железа в данном случае осуществляется двумя стадиями. К моменту достижения железорудным составом зоны распада доменной печи, где установилась температура около 1000°С и больше, окислы железа успевают частично восстановиться непрямым путем в зоне, где действуют менее высокие температуры. В результате их прямого разложения углеродом получается полное восстановление железа.

ПРОИЗВОДСТВО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

При производстве высокопрочного чугуна большое место отводится науглероживанию железа. Чугун с такими характеристиками образуется, когда восстановленное в доменной печи из рудного материала железо принимает в себя много углерода и прочих элементов. Начало процесса науглероживания железа характеризуется его образованием в губчатом состоянии на участке печи, где действует температура до 500°С. Только что восстановленное железо выступает в качестве катализатора, способствующего распаду окиси углерода на два компонента: двуокись и сажистый углерод. В итоге распада окиси углерода от температуры 550-650°С получаются карбиды железа, прочих металлов. Наделенный особой активностью, сажистый углерод активно вступает в химическое взаимодействие с частицами железа.

При температуре в 1000°С и больше карбид железа распадается на железо с углеродом. С ростом количества углерода температура в процессе плавления становится существенно ниже. Так, чистое железо расплавляется при температуре от 1539°С, а сплав его с углеродом способен плавиться уже от 1147°С. Плавление сплава происходит в зонах доменных печей, где действуют высокие температуры, то есть внизу шахты. Образующийся жидкий сплав и есть чугун. При стекании вниз он, омывая раскаленные части кокса, еще больше науглероживается.

Науглероживание металла завершается ниже уровня шлаковой летки – в металлоприемнике. Здесь на соотношение углерода с металлом оказывает влияние содержание других компонентов. Итоговое наполнение углеродом при производстве серого чугуна, например, может зависеть от стойкости карбидов, которая в большой степени определяется содержащимися в чугуне примесями. Например, примесь марганца способствует науглероживанию металла, так как он входит в состав карбида, растворяющегося в чугуне. Аналогичное действие оказывают ванадий, хром, титан. Кремний с фосфором или сера препятствуют образованию карбидов. Из-за этого ферромарганец и зеркальные чугуны всегда содержат больше углерода, чем чугуны передельные, ферросилиций или полученные в литейном производстве чугуны.

В ходе плавления восстанавливается не только само железо, но и ряд различных элементов, находившихся в рудной массе. В составе шихтовых материалов в печи, помимо окислов железа, поступают еще окислы и отдельные химические элементы, такие как марганец, хром, ванадий, титан, свинец, медь, цинк, мышьяк и др. Они в полностью или частично восстановленном виде вместе с частицами серы попадают в чугун и влияют на его свойства в худшую или в лучшую сторону. В основах производства чугуна считается, что чаще всего ценными примесями служат кремний с марганцем, а вредоносными – сера с фосфором.

Наличие в чугуне серных компонентов можно уменьшить до оптимального предела путем внедоменного обессеривания. Если выдержать чугун с 2% марганца в ковше-чугуновозе или миксере, то некоторый объем серы в различных ее соединениях с марганцем перейдет из состава металла в шлак. Это возможно благодаря уменьшению растворяемости данного соединения в металлах от снижения температуры. Подобное обессеривание в ковше чугуна может достичь 60%. Кроме этого существуют еще методы внедоменного обессеривания чугунов. В производствах чугуна в мире довольно часто в этих целях используют обессеривающие присадки, такие как известь, кальцинированная сода или металлический магний.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА

В процессе плавления в горн с общей смесью стекает расплавленный шлак. Благодаря его плотности, меньшей, чем у чугуна, он всплывает поверх него. Это явление наблюдается в районе распара печи. Первоначальный шлак получается от сплавления находившихся в пустых породах руд, а также флюсах окислов. При стекании вниз, в процессе накапливания шлак значительно меняется по составу. Благодаря реакциям с компонентами не полностью прогоревшего кокса, расплавляющегося чугуна в нем получают восстановление из своих окислов марганец с железом, а кроме того растворяются соединения серы, зола и кокс.

Равномерность работы доменных печей, качественное производство отливок из чугуна с его видом зависят от таких свойств шлака, как плавкость, вязкость, текучесть, температура плавления, серопоглотительная способность. Данные качества шлака продиктованы его химическим наполнением, минералогическими свойствами исходных шихтовых компонентов. Химическое содержание шлака предопределяет итоговый состав чугуна, этим объясняется тот факт, что для производства различных чугунов (литейного, передельного и др.) обычно выбирают шлак с определенными свойствами. Расплавленные шлаки и получаемый чугун поочередно выпускаются в особые отверстия – шлаковую и чугунную летки, сначала шлак, потом чугун.

Ответить на контрольные вопросы:

1.       Что называется чугуном?

2.       Описать процесс получения чугуна.

3.       Виды чугунов.

4.       Особенности получения чугуна.                                                             

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                                Практическая работа № 2

Тема : Анализ технологического процесса получения стали

Цель: 1. Освоение методики анализа технологического процесса получения стали

Оборудование: тетрадь, ручка методические рекомендации

                                                Выполнение работы

Сварочные работы

Основы технологии получения стали

Первой ступенью получения стали является выплавка из руды чугуна. Последовательность технологических процессов получения чугуна и стали и изготовления из них строительных конструкций показана на рис. 1.
Выплавка чугуна из руды производится в доменных печах. Материалами, участвующими в этом процессе, являются железные руды, флюсы (плавни) и топливо.
Железные руды представляют собой окислы железа, т. е. различные соединения железа с кислородом. Обычно в составе руды имеются также и другие, не содержащие окислов железа, минералы, которые в металлургии называются «пустой породой».
Задачей доменного процесса является восстановление железа, т. е. удаление кислорода из окислов железа.
Одновременно с восстановлением железа удаляются пустые породы. Так как эти породы тугоплавки, к ним добавляют флюсы, т. е. вещества, образующие с ними легкоплавкие соединения. Пустыми породами в большинстве случаев является кремнезем (SiO₂) и глинозем (Аl₂О₃). В качестве флюса обычно добавляют известняк (СаСО₃). Сплавы флюсов с пустыми породами, являющимися отходами доменного процесса, называются доменными шлаками. Их удаляют из доменной печи в расплавленном состоянии.
В доменных печах в качестве топлива применяют в большинстве случаев каменноугольный кокс — продукт сухой перегонки коксующихся сортов каменного угля. Благодаря этому топливу достигается температура, необходимая не только для восстановления железа, но и для получения расплавленного чугуна и шлака.
Чугуны, получаемые при доменной плавке, подразделяются на литейные, применяемые для отливки труб, радиаторов и других изделий; передельные, идущие для производства стали, и специальные.
Основной задачей при переделке чугуна на сталь является понижение содержания примесей (С, Mn, Si, Р, S). Это достигается переводом примесей в соединения, не растворяющиеся в расплавленном металле, переходящие в шлак и удаляемые вместе с ним.
Необходимо иметь в виду, что при высоких температурах плавления металла требуется специальная футеровка (облицовка) изнутри металлического кожуха печи, иначе он начнет плавиться или даст значительные изменения формы. Материал футеровки, будучи огнеупорным, тем не менее в некоторой степени участвует в происходящих во время плавки реакциях образования шлака, поэтому его состав имеет большое значение. Для футеровки металлургических печей применяют следующие материалы: шамотный кирпич и шамотные изделия (шамотом называют предварительно обожженную огнеупорную глину); дннасовый кирпич и изделия, получаемые путем обжига измельченных кварцевых пород с известковой связкой; магнезитовый кирпич и порошок из обожженного магнезита; доломитовый кирпич и порошок из обожженного доломита.

Рис. 1. Технологический процесс получения чугуна и стали и изготовления из них строительных конструкций
В каждом из способов выплавки стали, приведенных на рис. 1. задача удаления примесей решается различно.

Рис 2. Схема конвертера: 1 — огнеупорная футеровка; 2 — воздухопровод; 3 — отверстия в днище для подачи воздуха; 4 — рейка поворотного механизма печи

При конвертерном способе применяют специальную печь грушевидной формы, вращающуюся на горизонтальной оси (рис. 2). В настоящее время по этому способу выплавляют в среднем 10% стали.
После того как в конвертер залит жидкий чугун (с частичным заполнением объема), сквозь него через отверстия в днище продувают под давлением воздух. Окисляя железо, кислород воздуха образует соединение FeO, называемое закисью железа, растворимое в жидком металле, реагирующее на примеси и переходящее в сталь. Переход примесей в шлак уменьшает их содержание в выплавляемом металле.
Недостаток конвертерного способа — повышение содержания в стали азота, получающееся вследствие продувания воздуха. Кроме того, конвертерный способ не позволяет перерабатывать большое количество стального лома.

Рис. 3. Разрез мартеновской печи: каналы для подогретого воздуха и газа; 2 - свод печи; 3 - рабочее пространство печи, в котором плавится сталь

По мартеновскому способу плавка стали ведется на поду пламенной отражательной печи (рис. 3), верхняя часть рабочего пространства которой ограничена сводом, отражающим тепловой поток. Для получения необходимой температуры в рабочем пространстве печи сжигается в смеси с воздухом горючее (в большинстве случаев газ).
Мартеновский способ является универсальным, позволяющим получать стали разного качества с добавкой при выплавке их чугунного и стального лома (так называемого скрапа) и даже железных руд.

Рис 4. Дуговая печь для электроплавки: 1 - электроды; 2 - механизм для установки электродов; 3 - полозья, на которых поворачивается печь; 4 - заслонка выпускного окна; 5 - загрузочное окно

Электроплавка, производящаяся в дуговой печи (рис. 4), является современным и наиболее совершенным способом выплавки стали. Достоинства такой печи состоят в том, что в ней достигаются очень высокие температуры, которые легко регулировать, а следовательно, и регулировать весь процесс. Доступ воздуха в печь ограничен. Сталь получается лучшего качества, чем при других процессах, вследствие отсутствия печных окисляющих газов и соприкосновения металла с топливом.
Высокая температура при электроплавке создается электрической дугой между угольными  электродами и расплавленным металлом. Напряжение тока, требующееся при плавке, не превышает 150 в при силе тока, доходящей до 10 тыс. а. По размерам применения электроплавки и ее удельному весу в металлургической промышленности Советский Союз занимает первое место в мире.
В результате плавки и разливки металла по формам получаются стальные слитки. Дальнейшим этапом является горячая механическая их обработка для получения изделии определенного сечения и длины, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств стали.
После плавки и разливки полученный металл может иметь различные дефекты (пороки). К ним относятся: усадочные раковины, которые могут распространяться в глубь слитка; неравномерное выделение (скопление) примесей (фосфор, углерод и сера) при затвердевании (обычно примеси скапливаются у стенок усадочных раковин); газовые пузыри, образующиеся вследствие того, что газы, появляющиеся в процессе раскисления стали, не успевают выделяться при ее затвердевании; плены, появляющиеся на поверхности металла от брызг или заливин при разливке в формы; неметаллические включения, представляющие собой, как правило, частицы шлаков; трещины от быстрого и неравномерного охлаждения металла и больших внутренних напряжений, возникающих в результате резких изменений температуры.
Основными видами горячей механической обработки стали являются прокатка и ковка. Поскольку арматурная сталь изготовляется прокаткой, в дальнейшем изложении ковка не освещается. 
При прокатке нагретый слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана. В зависимости от формы рабочей поверхности валков могут быть получены изделия различных профилей.
При горячей механической обработке структура металла может изменяться, причем могут образовываться различные дефекты. Например, если обработка производится при высоких температурах, сталь делается крупнозернистой и хрупкой. Усадочные пустоты и газовые пузыри сплющиваются и ведут к образованию внутренних трещин. При прокатке на неравномерных скоростях и слишком больших обжимах также могут появиться трещины и расслоения.
Для обнаружения дефектов необходимо производить наружный осмотр изделий, а также исследование так называемого шлифа металла. Исследование производится с помощью микроскопа и с применением различных химических добавок, которые могут растворять или окрашивать отдельные частицы металла.

Ответить на контрольные вопросы:

1.       Что называется сталью?

2.       Способы выплавки стали.

3.       Виды стали.

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                            Практическая работа № 3

Тема : Анализ технологического процесса производства магния и никеля

Цель: 1. Освоение методики анализа технологического процесса производства магния и никеля

Оборудование: тетрадь, ручка , методические рекомендации

                                                Выполнение работы

Магний широко применяют в виде сплавов с алюминием, цинком и марганцем для изготовления деталей авиационных и автомобильных двигателей. Магниевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами, что дает возможность получать из них сложные отливки. Сплавы магния легко поддаются свариванию и обработке резанием. Основными видами сырья для производства магния являются магнезит, доломит, карналлит и бишофит. Главной составляющей магнезита является MgCO3, а доломита СаСО3 • MgCO3. Карналлит — это природный хлорид магния и калия MgCl2 • КСl • 6Н2O. Бишофит (MgCl2 • 6Н2O) получается при переработке карналлита или выпаривается из воды соленых озер и морей. Наиболее распространен в настоящее время электролитический способ производства магния, при этом Mg в процессе электролиза получается из вводимого в электролит хлорида MgCl2. Технология производства магния этим способом включает три стадии: получение безводного хлорида магния MgCl2, электролиз с выделением из хлорида жидкого магния, рафинирование магния. Получение хлорида магния ведут тремя способами. Первый способ — обезвоживание карналлита MgCl2 • KCl • 6Н2O. Процесс осуществляют в две стадии. Первую проводят, нагревая карналлит в трубчатых вращающихся печах или печах кипящего слоя. Вторую — в основном в печах-хлораторах, имеющих плавильную камеру, где карналлит расплавляют при температурах 550—600 °С; две хлорирующие камеры, где продувкой хлором примеси (MgO) переводят в MgCl2 и копильник расплава (миксер). На некоторых заводах вторую стадию проводят в электрических печах сопротивления, где карналлит расплавляют при температуре ~500°С и сливают в миксер. В обоих случаях жидкий карналлит сливают из миксеров в ковш и везут в электролизный цех. Обезвоженный карналлит содержит, %: MgCl2 47-52; KCl 40-46; NaCl 5-8. Рисунок 1. Шахтная печь для производства магния: 1 — летка; 2 — угольные электроды; 3 — ремонтный люк; 4 — загрузочное устройство; 5 — гаэоотвод; б — футеровка; 7 — хлорные фурмы; 8 — шихта; 9 — угольные брикеты Рисунок 2. Схема магниевого диафрагменного электролизера Второй способ производства хлорида магния заключается в хлорировании магнезита или оксида магния, получаемого путем предварительного обжига магнезита. Процесс ведут в шахтных электрических печах. В нижней части (рис. 1) расположены в два ряда электроды 2; между ними находятся угольные брикеты, которые при прохождении электрического тока нагреваются до ~ 750 °С. Шихту загружают сверху, через фурмы 7 вдувают хлор. У фурм происходит хлорирование оксида магния: MgO + Сl2 + С = MgCl2 + СО. Хлористый магний плавится и скапливается на подине, периодически его выпускают в ковш и транспортируют в электролизный цех. Третий способ — это получение МgСl2 в качестве побочного продукта в процессе восстановления титана магнием из TiCl4 (см. ниже). Этот жидкий хлорид магния направляют в магниевое производство (Mg и титан обычно производят на одном предприятии). Электролитическое получение магния осуществляют в электролизере (рис. 2). Анодами служат графитовые пластины 7, а катодами — стальные пластины 2. Удельная плотность магния меньше удельной плотности электролита, и поэтому магний всплывает. Хлор, выделяемый на аноде, тоже всплывает. Чтобы избежать взаимодействия хлора с Mg, а также короткого замыкания анода и катода расплавленным магнием, вверху устанавливают специальную разделительную диафрагму 3. Электролит состоит из МgСl2 (5—17 %), KCl, NaCl и добавок СаF2 и По мере расходования МgСl2 в электролизер периодически заливают жидкие карналлит либо хлористый магний. Электролиз ведут при 670—720 °С. На катоде выделяется магний: Мg2+ + 2е —>на аноде — газообразный хлор 2Cl- — 2е —> Cl2. Из электролизера откачивают хлор и 2—3 раза в сутки с помощью вакуум-ковшей с электрообогревом извлекают жидкий магний. В последнее время наряду с описанными выше диафрагменными электролизерами применяют бездиафрагменные. Рафинирование магния осуществляют отстаиванием в печах, возгонкой или электролизом. Наиболее распространен первый способ, заключающийся в выдержке магния в печах сопротивления под слоем флюса. При этом происходит отстаивание (переход в осадок) запутавшихся в расплаве частиц электролита и шлама. Рафинирование возгонкой осуществляют путем испарения магния в вакууме при 900 °С. Испаряющийся чистый Mg осаждается в конденсаторе. Электролитическое рафинирование магния схоже с аналогичным процессом рафинирования алюминия по трехслойному методу. В электролизере внизу у анода находится слой рафинируемого магния, выше — слой электролита, а над ним у катода накапливается чистый магний. Применяют также термические способы производства магния с использованием в качестве восстановителя С, Si или СаС2. Из них проще силикотермический способ, при котором пользуются специальными ретортами из хромоникелевой жаропрочной стали, помещаемыми в электропечь, отапливаемую газообразным топливом. В качестве сырья лучше всего брать доломит MgCO3 • СаСО3, а в качестве восстановителя — кремний ферросилиция. Магний получается высокой чистоты.

Схемы получения никеля 

I. Исходное сырье — сульфидная руда с ≤6 % Ni и ≤3% Сu:

1)предварительный обжиг при высокой концентрации S;

2)плавка на штейн в отражательных или шахтных печах или плавка во взвешенном состоянии на Си—Ni-штейн с ≤25 % Ni + Cu (иногда на Сu—Ni-файнштейн);

3)разделение Сu и Ni. обжиг Ni концентрата, восстановительная плавка Ni, рафинирование Ni электролизом.

II. Исходное сырье — окисленная руда с 2-10 % Ni:

1)сульфидизирующая плавка с частичным восстановлением;

2)продувка Ni-штейна на файнштейн или частичный обжиг Fe—Ni сырой крицы;

3)обжиг файнштейна; очистка от меди; восстановление до металла или плавка обожженной крицы на ферроникель.

Подготовка сульфидной руды. Предварительный окислительный обжиг. Чтобы предохранить Ni от ошлаковывания при плавке содержание S в огарке должно быть больше, чем в Сu-огарке.

Плавка на штейн сульфидной руды.

а. Отражательная плавка.

Основные реакции сводятся в основном к реакциям термической диссоциации высших сульфидов и реакциям взаимодействия твердых и жидких веществ. Ошлаковывание Fe в виде фаялита:

4FeO + O₂→2Fe₂O₃;

2FeO + SiO₂→2FeO*SiO₂.

Обратная сульфидизация NiO и СuО (Cu₂O):

3NiO + 2FeS→Ni₃S₂+ Fe₂O₃; 6CuO + 4FeS→ 3Cu₂S+ 4FeO + SO₂.

б.Шахтная плавка. Такая плавка сульфидных Сu—Ni руд является типичным полупиритным процессом. Реакцииокисления  сульфидов:

(Fe,Ni)₉ S₈ + SO₂→9NiO + 9FeO + 8SO₂;

CuFeS₂ + 3O₂→CuO + FeO + 2SO₂;

2FeS₂ + 5O₂→2FeO + 4SO₂;

2FeS + 3O₂→2FeO + 2SO₂.

Полупиритный процесс занимает промежуточное положение между восстановительной и пиритной плавкой. Источником тепла служит кокс (от 8 до 10%). Часть тепла выделяется при окислении S. Процесс обычно характеризуется переработкой кислой пустой породы.

Пиритная плавка применима при высоком содержании пирита. Окисление шихты и образование штейна происходят вшахтной печи одновременно. FeS является топливом. В чистом виде сейчас не применяется. Большое выделение SO₂приводит к загрязнению окружающей среды. Прототипом пиритной плавки является автогенная плавкавысокосернистых бедных руд, представляющая собой комбинированный процесс обжига и плавки.

в. Руднотермическая плавка.

Проводится в печах, оборудованных самоспекающимися набивными электродами. процесс применим для переработки тугоплавкого сырья.

г. Плавка во взвешенном состоянии.

Получение чернового никеля из сульфидных руд.

Исходным материалом является Сu—Ni-штейн или белый штейн. Полный окислительный обжиг (обжиг намертво). Разделение меди и никеля в конверторе невозможно, так как из-за большого сродства Ni к кислороду возможно его ошлаковывание. процесс конвертирования заканчивается получением Ni—Cu-файнштейна с 78% Ni+Cu+0,3 % Fe. Дальнейшая его переработка сводится к разделению меди и никеля, которое может проводиться следующими способами:

— Карбонильный метод. Ni—Cu-штейн подвергается полному обжигу (намертво). Сu удаляют из огарка выщелачиванием. Остаток от выщелачивания восстанавливается до никелевой губки карбонильным способом: Ni + 4CO→Ni(CO)₄.

Сu не образует карбонила. Fe, Со можно отделить от Ni, так как термическое разложение карбонилов этих элементов происходит при более высоких температурах.

—Флотационное разделение. Ni—Cu-файнштейн медленно охлаждают до ~500°С, измельчают и подвергают флотации. При флотации происходит разделение Сu и Ni с получением соответствующих сульфидных концентратов. Богатый Ni-концентрат подвергают полному окислительному обжигу; закись никеля восстанавливают до металла.

—Хибинетт-процесс (гидрометаллургический метод). Ni—Cu-файнштейн обжигают намертво. Сu удаляют выщелачиванием, остаток восстанавливают. Отлитые никелевые аноды подвергают электролизу с диафрагмой, защищающей прикатодное пространство. Анолит очищают от меди.

Очистка закиси никеля (сульфидные руды).

Двустадийный процесс:

1) обжиг, при котором остаточная S удаляется при нагреве в присутствии Na₂CO₃ или NaNO₃; образовавшийся Na₂SO₄затем выщелачивается. Далее проводят восстановление до металла;

2) выщелачивание — обработка огарка растворами НС1, если необходимо дополнительно очистить закись никеля от Сu и Fe.

Восстановительно-сульфидирующая плавка окисленных руд.

Способ плавки Ni-pyды в восстановительной атмосфере с добавкой сульфидизатора (в шахтных или отражательных печах).

Две теории процесса сульфидирования:

а)через восстановление сульфата кальция:

7CaSO₄ + 28CO→7CaS + 28СO₂;

7CaS + 9NiO₂ 3Ni₃S₂ + 7CaO + SO₂;

  ______________7CaO + 9SiO₂→7 (CaO-SiO₂) + 2SiO₂ 

9 (NiO-SiO₂) + 7CaSO₄ + 28CO→3Ni_sS₂+ 7 (CaO-SiO₂) + 28CO₂ + 2SiO₂ + SO₂;

б)путемобменнойреакции:

3(NiO*SiO₂)+ 3CaSO₄→3NiSO₄+ 3(CaO-SiO₂);

                3NiSO₄ +10CO→Ni₃S_g + 10CO₂ + SO₂ 

3 (NiO*SiO₂) + 3CaSO₄ + 10CO→Ni₃S₂+3 (CaO*SiO₂) + 10CO₂ + SO₂.

Содержание Ni в штейне — от 30 до 40 %.

Частичное восстановление Ni—Fe-крицы (окисленные руды).

Процесс происходит во вращающейся трубчатой печи с присадкой известняка и кокса.

Трубчатую печь условно можно разбить на три зоны:

1) зона предварительного нагрева( от 300 до 600°С), где происходит обезвоживание и разложение карбонатов;

2)зона восстановления (до 1100°С):

3Fe₂O₃ + CO→2Fe₃O₄ + СO₂;

Fe₃O₄ + CO→3FeO + СО₂;

FeO + CO→Fe + CO₂;

NiO + CO→Ni + CO₂

3)кричная зона (1300°C). Образование Fe—Ni-крицы, ошлаковывание остатка окислов Fe; крица: ~6 % Ni; 80 % Fe.

Ферроникель может также получаться:

а)в результате селективного обжига в кипящем слое измельченной необжатой Fe—Ni-крицы;

б)из Ni-файнштейна (см. получение чернового никеля из сульфидных руд).

Гидрометаллургия никеля

а. Подготовка руды (см. гидрометаллургия Сu). Исходные материалы: бедная силикатная руда с ≤2 % Ni (Fe₂O₃, MgO, SiO₂); сульфидный концентрат с ≤14% Ni (Сu, Со); никелевая шпейза с ≤35 % N1 (Fe, As, Sb, Сu, Со).

б. Перевод в растворимую форму и выщелачивание.

Окисленнные руды. Аммиачное выщелачивание (метод Никаро). Селективное восстановление руды до Niмет.

Выщелачивание огарка:

Ni + (NH₄)₂ СO₃ + (п— 2) NH₄OH +0,5O₂→Ni (NH₃)_n СO₃ + (п— 1) Н₂O;

n = 2-6 (Со ведет себя анологично Ni).

Сульфидные руды. Аммиачное выщелачивание в автоклавах (канадский метод):

NiS- FeS + 3FeS + 7O₂ + 10NH₃ + 4H₂O→[4Ni(NH₃)_e SO₄] + 2Fe₂O₃*H₂O + 2(NH₄)₂S₂O₃;

2 (NH₄)₂ S₂O₃ + 2O₂→(NH₄)₂ S₃O₆ + (NH₄)₂SO₄;

(NH₄)₂ S₃O₆ + 2O₂ + 4MH₃ + H₂O→NH₄*SO₃*NH₂ + 2 (NH₄)₂ SO₄

(Co и Сu ведут себя аналогично Ni).

Шпейзы. Окислительный обжиг с целью перевода арсенидов в арсенаты и антимонидов в антимонаты. При обжиге в многоподовой печи возможно диспропорционирование:

5As₂O₃→3As₂O₅ + 4As.

Сернокислотное выщелачивание. Концентрированная кислота применяется при повышенном давлении (в автоклавах), разбавленная — при выщелачивании в нормальных условиях:

NiO + H₂S0₄→NiSO₄ + Н₂O;

Ni₃ (AsO₄)₂ + 3H₂SO₄→3NiSO₄ + 2H₃AsO₄;

Ni₃ (AsO₃)₂ + 3H₂SO₄→3NiSO₄ + + As₂O₃ + 3H₂O

(Co, Cu, Fe и другие растворимые в кислотах металлы ведут себя аналогично Ni).

Другие способы выщелачивания:

1)силикатные руды с малым содержанием MgO можно выщелачивать концентрированной H₂SO₄ (хемико-процесс).

2)выщелачивание сульфидных руд H₂SO₄ под давлением.

в. Очистка растворов от выщелачивания.

— Сернокислый   раствор,   загрязненный Со, Сu, Fe (Mn, Zn, As).

Стадии процесса:

1)электролитическое осаждение меди до концентрации ≤0,5 г/л;

2)кристаллизация смешанного купороса испарением электролита;

3)осаждение Си добавкой Na₂S;

4)осаждение Fe и адсорбция As;

5)осаждение Со в виде Со(ОН)₃ при помощи NaOH.

—Аммиачный раствор, загрязненный Сu, Со (Fe):

1)окисление воздухом с осаждением Fe(OH)₃;

2)отгонка СO₂ и NH₃ при помощи щелочи и водяного пара.

г. Получение никеля.

—осаждение Ni из сернокислого раствора в виде основного карбоната добавкой соды;

—выделение Ni из аммиачного раствора в виде основного карбоната [Ni_{2(OH)2CO3] термическим разложением.}

Электролитический никель получают электролизом NiSO₄.

Чушковой никель получают восстановлением NiO коксового угля.

Кристаллы сульфата никеля NiSO₄* 7Н₂O (CuSO₄).

Контрольные вопросы:

1.      Что представляют собой никель и магний?

2.      Способы получения магния и никеля ?

3.      Особенности процессов.

По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                         Практическая работа № 4

Тема : Анализ технологического процесса производства титана

Цель: Освоение методики анализа технологического процесса производства титана

Оборудование: тетрадь, ручка , методические рекомендации

                                                Выполнение работы

Технология производства титана

Титан – это металлический сплав с высокой механической прочностью, жароустойчивостью и коррозионной стойкостью. Титан используется в строительстве, промышленности, для производства самолетов и изготовлении сосудов, предназначенных для перевозки концентрированных химических соединений. Диоксид титана используется для производства эмали и белил.

Самым распространенным сырьем для выплавки титана является ильменитовый концентрат. В ходе производства концентрат проходит три основных стадии переработки: получение титанового шлака, получение тетрахлорида титана и производство титана из тетрахлорида.

Плавку концентрата проводят в электродуговых печах, куда загружают восстановитель и концентрат и прогревают до температуры порядка 160 градусов. В результате химической реакции образуется титановый шлак, содержащий большое количество оксида титана.

Следующим этапом выплавки титана является хлорирование полученного шлака, которое осуществляется в шахтных хлораторах. Полученный в результате хлорирования тетрахлорид восстанавливается при помощи магния или натрия в специальных герметичных печах-ретортах. В результате восстановления тетрахлорида получают чистый титановый сплав.

Контрольные вопросы:

1.      Что представляет  собой титан ?

2.      Способы получениятитана ?

3.      Особенности процессов.

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                           Практическая работа № 5

Тема : Выбор сталей и сплавов на основе анализа их свойств для конкретного применения в производстве.

Цель: Научиться выбирать марки сталей и сплавов для деталей , обосновывая выбор условиями работы при их эксплуатации.

Оборудование: тетрадь, ручка , методические рекомендации

                                                         Ход работы

При выборе материала для деталей конструктор пользуется справочниками, где наряду с данными о механических свойствах, полученных при испытании стандартных образцов учитывается так же название деталей , для которых данный материал используют. При выборе материала по справочнику в первую очередь следует исходить из условий работы детали и требуемых от нее свойств.

Условия подбора:

1.      Материал должен обеспечить прочность. Надежность и долговечность работы детали. Для выполнения этих требований необходимо учитывать жесткость погружения в процессе работы и условия , в каких работает конструкция.

2.      Выбранный материал должен быть технологичным.

3.      Выбранный материал должен быть как можно более дешевым и недефицитным.

Выполнение работы.

Марка материала	Термообработка	Предел прочности МПа	Твердость	Другие свойства

1.      Коленчатый вал из легированной стали

2.      Заклепка для клепания рамы автомобиля

3.      Плоская пружина

4.      Клапан автомобиля

5.      Корпус редуктора

6.      Звездочка цепной передачи

а) На основе сравнения всех данных следует сделать заключение о том, какой материал следует считать оптимальным и по каким причинам.

б) Для выбранного материала дать расшифровку марки.

                                        Практическая работа № 6

Тема : Способы рафинирования металлов и сплавов

Цель: Изучение способов рафинирования металлов и сплавов

Оборудование: Методические рекомендации

                                                Ход  работы

Рафинирование англ. refining (от франц. raffiner – очищать) – очищение от посторонних примесей чего-либо, как правило - жидкости (рафинирование масла, нефти, спирта).

Рафинировавние металлов - это удаление из металлов и сплавов (обычно в жидком виде) примесей для повышения качества металла. Применяют пирометаллургические (рафинирующие переплавы), химические и электролитические методы рафинирования [1]. Процесс рафинирования благородных металлов называется аффинажем.

Благодаря процессу рафинирования структура металлов и сплавов получается более однородной, качество металла при этом значительно возрастает. Обычно в металлургии и литейном производстве применяют комплексные методы обработки расплавов, при этом сегодня рафинирование, как правило, является неотъемлемым этапом внепечной обработки стали, чугуна и других сплавов. Одной из основных операций процесса рафинирования металла является раскисление.

Рафинирование чугуна чаще всего проводят с целью очистки чугуна от таких вредных компонентов, как сера (S) и фосфор (P), а также для удаления нежелательного кремния (Si); при этом обычно используют метод внепечного рафинирования чугуна.

Методы рафинирования

Рафинирование чернового металла: черновой металл, загрязнённый примесями, рафинируют различными методами (с относительно узкими границами применимости)

1. Физические методы рафинирования металлов: ликвация (зейгерование), осаждение интерметаллических соединений, дистилляция или дистилляционное рафинирование (дразнение).
2. Химические методы рафинирования металлов: избирательные окисление и сульфидизация, хлорирование.
3. Электрохимические методы рафинирования металлов (электролитическое рафинирование - электролиз водных растворов или расплавов).

Физические методы рафинирования основываются на различиях в физических свойствах разделяемых компонентов. Например, такой метод рафинирования металлов, как ликвация, основан на создании гомогенности расплава за счёт уменьшения растворимости примесей при медленном охлаждении расплава или на разложении сплава при его медленном нагреве.

Химические методы рафинирования представляют собой избирательное окисления и основываются на различиях в химическом сродстве к кислороду (O), сере (S), хлору (Cl).

Электролитическое рафинирование чернового металла - это рафинирование металлов при электролизе с растворяющимся анодом.

Рафинирование стали

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 и/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.

Рафинирующие переплавы

Рафинирующими переплавами (или электрорафинирующими переплавами) называются металлургические процессы, применяемые для повышения качествасталей и других сплавов, полученных в плавильных агрегатах. Различают электрошлаковый переплав, вакуумный дуговой, электронно-лучевой и плазменно-дуговой.

Ответить на вопросы:

1.Что называется рафинированием?

2. Виды рафинирования?

3. Процесс рафинирования.

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                         Практическая работа № 7

Тема : Величины характеризующие деформацию, и их оптимальные значения при разных способах обработки металлов давлением.

Цель: Изучить  величины характеризующие деформацию, и их оптимальные значения при разных способах обработки металлов давлением.

Оборудование: методические рекомендации.

                                                Ход  работы

ОМД (обработка металлов давлением) — процессы получения заготовок или деталей машин силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из исходного материала. Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.

Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии. Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия.

Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом.

По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:

·         для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;

·         для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующихмеханической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки являются:

·         сжатие между плоскостями инструмента – ковка;

·         ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;

·         затекание металла в полость инструмента – штамповка;

·         выдавливание металла из полости инструмента – прессование;

·         вытягивание металла из полости инструмента – волочение.

Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С.И. предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки давлением.

Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

Неполная горячая деформация - характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.

Неполная холодная деформация рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.

Холодная деформация - разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.

1.      Ознакомиться с методическими рекомендациями

2.      Какие величины характеризуют деформацию при разных способах ОМД

По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.