Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

Катоди після промивання переплавляють в електричних чи відбивних печах і

відливають заготівки для прокату; у цих же печах одержують сплави на

основі міді.

Товарна мідь випускається десяти марок (ДСТУ 864-66) від МОО зі змістом

міді не менш 99,99% до М4 (99,0%).

5.5.3. Технологія алюмінію

За поширеністю в природі алюміній займає перше місце серед металів; його

вміст у земній корі складає 7,45%. У чистому вигляді алюміній не

зустрічається внаслідок своєї високої хімічної активності. Він знаходиться в

складі, головним чином, алюмосилікатних гірських порід. Рудами алюмінію

можуть бути лише породи, багаті глиноземом

OAl

що лежать на

поверхні землі. До таких порід відносяться боксити, нефеліни, алуніти і

каоліни (глини). Найважливіша алюмінієва руда — боксити — складається з

гідроксидів алюмінію і заліза, кремнезему, поєднань кальцію, магнію, тощо.

Зараз як руду застосовують нефеліни і алуніти. Крупні родовища бокситів

знаходяться в Росії на Уралі, у Санкт-Петербургській області, в Алтайському

і Красноярському краях і ін. регіонах. Нефелін

SiOAlNa

2322

2



входить до складу апатитонефелінових порід (на Кольському півострові).

Бироо-ництво алюмінію складається з двох основних процесів: одержання

глинозему з руди й електролізу глинозему.

Глинозем одержують трьома способами: лужним, кислотним і

електротермічним. Найбільше поширення отримав лужний спосіб К.І.Байера,

розроблений у Росії і який застосовується для переробки високосортних

бокситів з невеликою кількістю ((5...6)%) кремнезему. За цим способом

боксит після подрібнення і розмелу вилуговують концентрованим розчином

їдкого натру в автоклавах (сталевих герметичних посудинах) при температурі

250 °С і тиску (2,5...3,0) МПа. Автоклави обігрівають перегрітою парою.

Гідроксид алюмінію з бокситів за таких умов швидко і досить повно

розчиняється з утворенням алюмінату натрію:

ONaAlNaOH)OH(Al





Кремнезем, що міститься в бокситі також розчиняється їдким натром з

утворенням силікату натрію

ONa

який реагує з алюмінатом натрію і

водою, в результаті чого виходить натрієвий

OnSiO

OOAlNa

2322

2

алюмосилікат що випадає в осадок.

Тому, чим більше кремнезему в бокситі, тим менше витяг глинозему в

розчині.

275

Розклад ашомінатного розчину для одержання кристалічного гідроксиду

алюмінію називають викручуванням. Викручування робиться в баках, куди

для прискорення процесу вводять невелику кількість гідроксиду, що грає

роль затравлення (центрів кристалізації). Реакція гідролізу йде в розведених

водою розчинах при повільному перемішуванні пульпи:

NaOH)OH(AlONaAl



 3

Тривалість викручування (75...90) годин. Кристалічний гідроксид після

промивання фільтрують і для повного зневодження обпалюють

(кальцинують) у трубчастих обертових печах довжиною до 70 м при

поступовому нагріванні до 1200 °С. Отриманий глинозем

OAl

охолоджують і направляють на склад чи в електролізний цех. На 1 т

глинозему витрачається до 2,5 т бокситів, до 200 кг їдкого натру, до 120 кг

вапна, що застосовується при регенерації їдкого натру. За лужним способом

А.А.Яковкіна для бокситів з підвищеним вмістом кремнезему руду і вапняк

після подрібнення змішують із содою

CONa

та спікають при

температурі

(1200...1300) °С в барабанних обертових печах. У результаті виходять

окатиші спеку, що містять метаалюмінат натрію

OAlNa

322



а також

нерозчинний у воді двокальцієвий силікат

Si)CaO(



метаферит натрію

OFeNa

322



та ін. з'єднання.

Далі алюмінат натрію вилуговують водою. Отриманий алюмінатний розчин

відфільтровують, потім підігрівають до 80 °С та в баках з мішалками

продувають трубними газами. При цьому оксид вуглецю (IV) з газів реагує з

їдким натром з утворенням розчину соди:

OCNaOH

CONaO

322

2 



що сприяє реакції гідролізу алюмінату натрію й одержанню гідроксиду

алюмінію за цією реакцією. Цей процес називають карбонацією.

Розчин соди йде на вилуговування чи випаровування для одержання соди, а з

гідроксиду одержують глинозем способом кальцинації. Для одержання

глинозему з нефеліну його спікають тільки з вапняком, сода тут не потрібна,

оскільки в нефеліні її міститься до 20%

Схема одержання глинозему зі спеку аналогічна розглянутій. Вапняно-

кременистий шлам, що випадає при вилуговуванні спеку'нефеліну,

використовують для виробництва цементу. Після карбонізації в розчинах

міститься багато оксидів натрію і калію; їх використовують для одержання

поташу і соди.

276

Електроліз глинозему. Одержання алюмінію здійснюється при

електролізі глинозему, розчиненого в кріоліті

AlFNa

Способи

відновлення з оксидів, які застосовуються при одержанні інших металів,

неприйнятні для одержання алюмінію, тому що він з вуглецем утворює

карбід

CAl

Рис. 5.24. Електролізна ванна для вилучення алюмінію

Електролізна ванна (рис. 5.24) має сталевий кожух, який всередині викладено

шамотною цеглою. Подина і стіни ванни складені з вуглецевих блоків, до

яких підведені катодні шини. Вуглецеві аноди в сучасних ваннах

самообпікаються. За мірою згоряння вони опускаються і нарощуються зверху

за рахунок рідкої анодної маси, з якої в міру нагрівання відбувається

вилучення летких газів і коксування (випалення) анодної маси. Струм до

анодів підводиться штирями.

У розплаві кріоліту і глинозему кількість останнього підтримується більш

менш постійним ((8...9)%); збиток глинозему від електролізу періодично

поповнюється завантаженням його нових порцій. У ході процесу

температура розплаву підтримується в межах (939...950) °С теплотою, що

виділяється при проходженні струму через електроліт. Потенціал

електролітичної дисоціації глинозему (1,7В) менше, ніж кріоліту (3,7В).

Глинозем дисоціює на іони:

OAlOAl 3







Іони алюмінію переносять струм до катоду й осаджуються на ньому. Іони

кисню розряджаються на аноді. Кисень, що виділяється, спалює вуглець

аноду з утворенням

. Електроліт зверху і з боків ізольований

твердою скоринкою. Що зменшує тепловтрати і випаровування електроліту.

Напруга струму у ванні за звичай — (4...4,3) В, сила струму до 140000А. Для

одержання 1 кг алюмінію витрачається {60...70) МДж електроенергії і

близько 2 кг глинозему. Рідкий алюміній,

277

що накопичується на подині ванни, періодично (кожні 1 ...2) доби відбирають

сифоном чи вакуум-ковшем.

Електролітичний алюміній піддається наступному рафінуванню шляхом

додаткового електролітичного процесу, при якому анодом є вихідний рідкий

алюміній, а катодом — рідкий рафінований алюміній. До вихідного рідкого

алюмінію додають 25%

, щоб збільшити густину сплаву до 3,5

см/г

сплав розташовується на подині ванни, що є анодом. Поверх металу, що

рафінується, знаходиться електроліт, що складається із суміші солей

%)(%)(

BaCl

2360

і Na(17%) та має густину 2700

см/г

.При

електролітичному рафінуванні можна довести чистоту алюмінію до 99,99%

(ДСТУ 11069-74).

5.6. Технологія магнію і титану

Виробництво магнію. У чистому виді магній в природі не зустрічається

внаслідок своєї високої хімічної активності. У виді з'єднань магній широко

розповсюджений у природі, причому знаходиться не тільки у твердих

породах, а й також у морській воді та у воді солених озер. Як руди для

виробництва магнію звичайно використовують магнезит, що містить

карбонат магнію

MgCO

доломіт, що містить подвійний карбонат

магнію і кальцію

MgCO

CaC



карналіт, що містить подвійний

хлорид магнію і калію

OKCl

MgCl

6

і бішофіт — шестиводний

хлорид магію

,OMgCl

6

що одержується з морської води і води деяких озер шляхом

випаровування і кристалізації.

Магнезит і доломіт піддають механічному збагаченню і випаленню.

Випалення проводиться при температурах (850...900) °С. При таких

температурах відбувається дисоціація карбонатів:

COCO

MgOMg





COCaCO

MgCO

CaOMg

2



Оксид магнію MgO зветься каустичним магнезитом.

Існують електролітичний і термічний способи одержання магнію. За

електролітичним способом спочатку одержують безводний хлорид магнію

MgCl, що потім піддають його електролізу з метою одержання магнію.

Хлорид магнію з бішофіту і карналіту одержують шляхом їх зневодження

при повільному нагріванні в трубчастих печах (100...180) °С. Хлорид магнію

одержують обробкою каустичного

278

магнію при температурі (800...900) °С газоподібним хлором у присутності

вуглецю в електричній шахтній печі:

COCMg

MgCl



Електроліз хлориду магнію роблять у щільно закритих електролітичних

ваннах (рис. 5.25).

Як при електролізі глинозему, електричний струм тут використовується для

електрохімічного процесу і для нагрівання ванни; робоча температура

процесу близько 700 °С; напруга струму — (6...7) В, сила струму

(30000...70000)А.

5.25. Схема електролізера

Аноди виготовляють із графіту. Катоди — зі сталі у формі пластин; вони

розташовані у ванні вертикально і паралельно один до одного. Вогнетривка

перегородка відокремлює хлор від магнію.

При електролізі на анодах виділяється газоподібний хлор, що пухирцями

спливає на поверхню і по хлоропроводах виводиться яття ттоттальтттого

використання; біля катодів виділяється магній. Густина електроліту

збільшуєтьсяvдобавленням

CaCl

так щоб він перевищував густину

магнію, тому останній спливає на іш-верхню електроліту, звідкіля за

нагромадженням витягується за допомогою вакуумних ковшів. Витрата

електроенергії на тонну магнію складає (55000...60000) МДж.

Рафінування електролітичного магнію виробляється або переплавленням

його разом із флюсами, що рафінують, (суміш хлористих солей лужних і

лужноземельних металів), або сублімацією у вакуумі під тиском (10...20)Па

при температурі 600 °С. Таким способом одержують магній високої чистоти

(до 99,99% Mg).

279

Термічні способи одержання магнію. Ці способи одержали широке

поширення внаслідок своєї простоти. Суть термічних способів складається у

відновленні оксиду магнію нафтовим коксом у герметичній дуговій

електропечі при температурі (1900...2000) °С. Магній, що випаровується,

швидко охолоджується. Таким способом одержують чистий магній (99,97%

Mg) при втраті електроенергії близько 75000 МДж на тонну металу.

Відновлюють оксид магнію також кремнієм у вакуумі (залишковий тиск 10

Па) при температурі 1160 °С.

Виробництво титану. Титан має велику міцність (майже вдвічі більшу, ніж у

заліза), високу стійкість в агресивних середовищах та невелику густину —

4500

/кг

тому він є дуже цінним конструкційним матеріалом. Титан

широко використовується в літакобудуванні, хімічній і ін. галузях

промисловості.

Рудами для одержання титану є рутил, що містить

TiO

і ільменіт, що

містить

FeTiO

Руди піддають збагаченню (мокрому чи

електромагнітному), в результаті чого одержують титанові концентрати.

Витяг титану з концентратів — важка річ, тому що цри нагріванні титан

реагує з киснем і азотом, а в розплавленому стані — з усіма відомими

вогнетривами.

Вилучення титану складається з таких процесів:

1. Одержання в електричній шахтній печі тетрахлориду титану

TiCl

при

нагріванні брикетів із суміші титанових концентратів технічного оксиду

титану

TiO

з вугіллям у струмі хлору; тетрахлорид титану після

конденсації пари виходить у вигляді забрудненої червонуватої рідини, що

очищується дистиляцією;

2. Одержання губчастого титану (титанової губки) відновленням

тетрахлориду титану при взаємодії з магнієм у нейтральній атмосфері (аргон

чи гелій) при температурі в зоні реакції (950... 1000) °С;

3. Одержання злитків титану в електричних дугових печах під вакуумом.

Для цього губку пресують з метою одержання з неї електродів. Такий

електрод подається у верхню частину печі і є одним полюсом постійного

струму. Іншим полюсом служить мідна во-доохолоджувана виливниця. За

мірою плавлення електроду, що витрачається, з губки і затвердіння титану

біля холодних стінок днище виливниці опускається до одержання злитку

встановленої довжини. Сила струму при плавці — до 5400А, напруга —

близь-

280

ко 30 В. Чистота титану одержуваного переплавленням губки, складає

(99,6...99,7)%.

Основні властивості металів наведено в табл. 5.1.

Таблиця, 5.1.

Властивості металів

Назва

металу

Симв

ол

Густина,

м/кг

Темпера

тура

плавлен

ня, °С

Коефіціє

ет

лінійног

розшире

ння,



Питома

електрові

дповідніс

ть при 0°



,МС

м/м

Тверді

сть за

Брішел

ем НВ

Границя

міцності

(тимчасовий

опір) 8 в.

мм/Н

Відно

сне

подов

женн



Віднос

не

звужен

ня

попере

чного

перети

ну,



Алюміні

А1 2700 660 24,0 37,0 20-37 8-11 40 85

Вольфра

W 1930 3370 4,0 18,1 160 110 - -

Залізо Fe 7870 1539 11,9 11,0 50 25-33 21-

55-86

Кобальт Co 8900 1490 12,08 10,2 125 7- 3 -

Магній Мg 1740 651 25,7 23,0 25 17-21 15 20

Маргане

ць

Мn 7440 1242 23,0 22,7 20 Хрумкий

Мідь Сu 8940 1083 16,42 64,0 35 22 60 75

Нікель Ni 8900 1452 13,7 8,5 60 40-50 40 70

Олово Sn 7300 232 22,4 8,5 5-10 20-40 40 74

Свинець Pb 11300 327 29,5 4,9 4-6 1.8 50 100

Титан Ті 4500 1812 7,14 - - 30-45 20-

35-50

Хром Cr 7100 1550 81 38,4 108 Хрумкий

Цинк Zn 7140 419 32,6 17,4 30-42 15 5-20 -

5.7. Корозія та антикорозійні заходи

5.7.1. Причини виненкнення корозії

Термін корозія походить від латинського "corrosio", що означає роз'їдати,

руйнувати. Цей термін характеризує як процес руйнування, так і результат.

Корозія це руйнування будь-чого під впливом хімічних агентів або фізико-

хімічних факторів:

1) Руйнування тканини живого виразковими шляхами або їдкими рідинами;

2) Іржавіння, руйнування поверхні виробів і споруджень під впливом

хімічних чи електрохімічних процессів;

281

3) Змінення геологічних порід під впливом хімічних агентів і виносу

речовини водою.

Середовище в якому метал піддається корозії (кородує) називають

корозійним або агресивним середовищем. У випадку з металами, говорячи

про їхню корозію, мають на увазі небажаний процес взаємодії металу із

середовищем. Фізико-хімічна сутність змін, що перетерплює метал при

корозії — є окислювання металу.

Будь-який корозійний процес є багатостадійним:

1) необхідне підведення окремих ії компонентів корозійного середовища до

поверхні металу;

2) взаємодія середовища з металом;

3) повний чи частковий відвід продуктів від поверхні металу (в об'єм рідини,

якщо середовище рідке).

Спонтанно перебігає процес руйнування металів у результаті взаємодії з

довкіллям, що відбувається з виділенням енергії і розсіюванням речовини.

Корозійні процеси перебігають незво-ротньо у відповідності з другим

началом термодинаміки.

Повільне виділення теплової енергії, майже без підвищення температури чи

електричної енергії з мізерно малими різницями потенціалів не дає

можливості використовувати енергію, що виділяється — відбувається

розсіювання енергії (ріст теплової частини ентропії). Продукти корозії, як

правило, розсіюються в процесі експлуатації металевих конструкцій.

Незворотні корозійні процеси наносять значну шкоду народному

господарству. Міжнародний інститут корозії і захисту металів координує

роботи із захисту металів, що ведуться у всіх країнах. Підраховано, що

близько 20% щорічної виплавки металів витрачається в корозійних процесах.

Велику шкоду приносить корозія в машинобудуванні, оскільки через

корозійне руйнування якої-небудь однієї деталі може вийти з ладу машина,

що призводить до значних втрат. Корозія знижує точність показань приладів

і стабільність їхньої роботи. Незначна корозія електричного контакту

приводить до відмовлення при його включенні. Боротьби з корозійними

процесами є завданням сучасної техніки.

Зміна поверхні металу в результаті корозійних процесів може бути різною в

залежності від властивостей металу і корозійного середовища. На їхній

розвиток значно впливає механічна напруженість металу. Найбільш

небезпечною є місцева корозія, що при малій загальній корозії в окремих

місцях може створити різку концентрацію механічних напруг, що в свою

чергу сприяє подальшому руйнуванню металу. Всі корозійні руйнування, що

виявляють-

282

ся мікроскопічним дослідженням, небезпечні й особливо інтеркри-сталітна

корозія, що послабляє зв'язок між металевими зернами; і транскристалітна

корозія, що виникає під дією механічних напруг і призводить до розвитку

тріщин. Найменьш небезпечна селективна корозія — результат травлення

сталі при збереженні карбітних зерен (цементіт, мартенсіт) чи втрата цинку з

латунью.

Часто ті самі типи корозійних руйнувань металу можуть бути викликані

різними процесами корозії. Корозійні процеси важко віднести тільки до

якого-небудь визначеного типу, тому що вони нерідко відбуваються

одночасно (атмосферна корозія). За природою гетерогенних процесів

взаємодії довкілля з металами ці процеси можна розділити на два основних

типи.

Хімічна корозія, що розвивається під час відсутності електролітів. Вона

перебігає головним чином при температурах, що виключають можливість

утворення насиченої пари води, — високотемпературна чи газова корозія.

Цей вид корозії може виникати і в неводних органічних середовищах.

Електрохімічна корозія, що йде в електролітичому середовищі під дією

внутрішніх мікро- чи макрогальванічних процесів або при зовнішній різниці

потенціалів.

Істотно впливає на корозійні процеси рівень зовнішніх чи внутрішніх

(залишкових) напруг і їхній розподіл у металевому виробі. На корозію сталей

і інших металів, особливо в контакті з грунтом (землею), можуть впливати

продукти життєдіяльності мікроорганізмів, що значно прискорюють процеси

корозії.

Хімічній корозії піддаються деталі і вузли машин, що працюють при високих

температурах, — двигуни поршневого і турбінного типу, ракетні двигуни і

т.п. Хімічна спорідненість більшості металів до кисню при високих

температурах майже необмежена, тому що оксиди всіх технічно важливих

металів здатні розчинятися в металах.

Швидкість окислювання металу залежить від швидкості власне хімічної

реакції і швидкості дифузії окислювача через плівку, а тому захисна дія

плівки тим вище, чим краще її суцільність і нижча дифузійна здатність.

Суцільність плівки, що утвориться на поверхні металу, можна оцінити за

відношенням об'єму оксиду, що утворився, або іншого якого-небудь

з'єднання до об'єму витраченого на утворення цього оксиду металу.

Складні теоретичні питання про розвиток оксидних і інших шарів на

поверхні металів має практичне значення в технології

283

машинобудування, тому що зміну розмірів деталей після їхнього

оксидування необхідно врахувати (припуск на обробку). У металів зі змінним

ступенем окислювання будова плівки по товщині неоднакова. Найкращі за

стійкістю оксидні плівки служать надійним захистом від корозії.

Зміна складу металу в_ результаті газової корозії. Якщо утворення оксидного

шару при високій температурі супроводжується інтенсивною дифузією

кисню у середину металу, то це приводить до зміни його складу за рахунок

окислювання легуючих компонентів. Особливо це помітно на

конструкційних сталях, у поверхневих шарах, у яких відбувається втрата

міцності, особливо для тонкостінних виробів. Взаємодія сталей із

середовищами, що окисляють, можна представити у виді таких рівнянь:

Останній випадок — найбільш небезпечний, тому що водень, розчиняючи в

сталі створює підвищену крихкість металу. При тонкостінних конструкціях

цей вплив газової корозії на зниження міцності особливо помітно.

(де R — органічні радикали).

Хімічна корозія в неводних середовищах: Ці процеси характерні для

експлуатації хіміко-технологічного устаткування. Незважаючи на складність

їхнього розвитку, вони уявляють собою звичайні гетерогенні хімічні реакції:

Розрив ковалентних зв'язків і перехід їх в іонні легше відбувається при

підвищених температурах. Особливо легко йде перебудова зв'язків в

присутності залишків води. Остання обставина має місце при корозії

живильної апаратури двигунів внутрішнього згоряння (плунжерні пари,

форсунки), що працюють на паливі з домішками сірчистих з'єднань.

284

Раніше електрохімічну корозію називали гальванічною корозією, тому що

руйнування металу відбувається під дією виникаючих гальванічноюпар.

Розглянемо різні випадки виникнення корозійних гальванічних пар:

1. Контакт з електролітом двох різних металів у випадку сполучення в

одному вузлі або деталі металів різної активності в даному середовищі, чи у

випадку застосування сплаву евтектичного типу з двох металів різної

активності.

2. Контакт металу і його з'єднання, що володіє металоподібними чи

напівпровідниковими властивостями. У будь-якому випадку вільний метал

має негативний електричний заряд, а з'єднання — позитивний заряд, тому що

в ньому частина електронів провідності зв'язана.

3. Різні концентрації електролітів повітря, розчиненого в рідкому

електроліті.

4. Різний рівень механічних напруг в одній і тій же деталі.

Механізм електрохімічної корозії, зумовлений різницею потенціалів

пасивних (катодних) і активних (анодних) ділянок, зводиться до роботи

гальванічного елемента, однак результат корозійних руйнувань може бути

різний.

На механізм низькотемпературної корозії впливає багато різних причин:

змінна температура і вологість повітря, змінний склад газового й

електролітного середовища і навіть бактеріальна флора, наприклад при

ґрунтовій корозії, тому що деякі види бактерій сприяють окислюванню

заліза.

Сам процес взаємодії металів з електролітним середовищем може

відбуватися з водневої, чи з кисневою диполяризацією в залежності від рН

середовища.

Різні концентрації електроліту можуть викликати корозію, створюючи пари

навіть з однаковими металами. Різний вміст кисню також приводить до

утворення гальванічної пари — менш окислений і більш окислений метал.

Прикладом може служити корозія металу під краплею води (крапкова

корозія, що переходить у піттінг);

Поверхневі шари води містять більше кисню, ніж внутрішні, і тому середня

частина змоченого металу виявляється більш активною (анод), чим зовнішня

(катод). Після висихання краплі в її центрі з'являється досить глибока пляма

іржі. Якщо взяти досить тонку (0,2...0,1 мм) пластинку, наприклад сталі, то

можна одер-

285

жати наскрізний отвір. Такі процеси часто спостерігаються при атмосферній

чи ґрунтовій корозії.

Корозійні пари можуть виникати при дії зовнішніх чи внутрішніх механічних

напруг (залишкових напруг, наприклад при зварюванні). Якщо пластинку

сталі, чи дюралю титанового сплаву зігнути й у напруженому стані занурити

в корозійне середовище, то на розтягнутому шарі (зовнішній стороні) через

відносно короткий час виникнуть тріщини, а внутрішній стиснутий шар буде

залишатися без змін. Розтяжні зусилля особливо небезпечні, тому що в цьому