Пахаренко В.Л., Марчук М.М. Матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів (металургія, ливарне виробництво)
Подождите немного. Документ загружается.
МД
із
до
п
ви
п
(9
9
р
у
д
–
3
дл
я
кг
МД
ж
) мі
д
шламом.
Ш
п
омогою спе
Ри
с
Катодну мі
д
п
ускається
ш
9
,9%
Cu
),
М
Технологіч
н
д
) наведени
й
Одна леген
д
3
7 р. н. е.) пр
и
я
цієї чаш
і
д
і. Цінні ме
т
Ш
лам випуск
а
ціальної обр
о
с
4.5. Технол
о
д
ь переплавл
я
ш
ести маро
к
М
2 (99,7%
C
u
н
ий шлях ві
д
й
на рис 4.5.
4.
2
д
а розказує,
щ
и
йшла люди
н
і
служив г
л
6
0
т
али (золото,
а
ють через
о
бки.
о
гічний шля
х
я
ють і розли
в
к
: МОО (99
,
u
), М3 (99,5
%
д
руди до м
е
2
. Виробн
и
щ
о до римсь
к
н
а з металев
о
л
инозем (
A
0
срібло тощ
о
отвір, звідк
и
х
від руди до
в
ають на зл
и
,
99%
Cu
),
%
Cu
), М4
(
е
талу (отри
м
и
цтво алюмі
н
к
ого імперат
о
о
ю чашою, я
к
32
Ol
) і, ві
о
) осідають
н
и
вони вид
а
металу (міді
)
и
вки. Мідь зг
і
МО (99,95
%
(
99%
Cu
).
м
ання міді із
н
ію
о
ра Тіберія (
4
к
а не билась.
дповідно,
п
н
а дно разом
а
ляються за
)
і
дно ГОСТУ
%
Cu
), М1
сульфідних
4
2 р. до н. е.
Матеріалом
овинен був
61
представляти собою алюміній. Боючись, що такий метал обезцінить золото і
срібло, Тіберій на всякий випадок наказав відрубати цій людині голову. Цій
легенді важко повірити: самородний алюміній в природі не зустрічається, і
під час римської імперії не могло бути технічних засобів, які дозволили б
отримати алюміній із його з’єднання. Окис алюмінію
на відміну від окису
заліза неможливо відновити за допомогою деревного вугілля. В 1825 р.
датчанину Гансу Христіану Ерстеду, а в 1827 р. німцю Фридриху Вєлеру
вдалося отримати в лабораторії перші зразки алюмінію. В 1855 р. на
Парижській всесвітній виставці був показаний кусок алюмінію вагою в
декілька кілограм. В той час в Франції Сен-
Клер Девіль отримував алюміній
в технічних масштабах (шляхом відновлення натрієм сплаву хлоридів), від
якого пізніше відмовились. Наполеон ІІІ мав намір спорядити гвардійців
алюмінієвими кирасами, але ціна їх була непомірно високою. Під час
Парижської виставки 1 кг алюмінію коштував 1000 марок (в 5 раз дорожче
срібла). В 1844 р. 1 кг алюмінію уже коштував 100 марок. Тільки після
винаходу електролітичного процесу алюміній по своїй вартості зрівнявся з
звичайними металами.
До цього винаходу в 1886 р. незалежно один від одного прийшли П. Еру в
Франції і Ч. Холл в США.
Перша назва алюмінію – “срібло із глини”.
Алюміній отримують із сировини, яка включає в себе значну кількість
глинозему, - боксити, каоліни, нефеліни
і алуніти. Основною рудою є
боксити, які включають 50…60%
32
OAl
, 1…15%
2
SiO
, 2…25%
32
OFe
,
2…4%
2
TiO
, 10…30%
OH
2
.
Технологічний процес отримання алюмінію складається із трьох
основних стадій: 1 – отримання глинозему із руд; 2 – отримання алюмінію із
глинозему; 3 – рафінування алюмінію.
32
OAl
- глинозем, окис високої стійкості і високої температури
плавлення 2050 ºС. В залежності від кількості і характеру домішок, які
входять в склад сировини, для видалення глинозему використовують
лужний, кислий, електротермічний або комбінований спосіб. Найбільш
поширеним є лужний спосіб, який існує в двох варіантах – автоклавного
(мокрого) і способу спікання (сухого).
Автоклавний (мокрий) спосіб
отримання глинозему із руд (спосіб Байєра)
отримав найбільш широке застосування в промисловості. Цим способом
62
отримують 85…87% глинозему.
32
OAl
вилуговують із руди в вигляді
алюмінату натрію (
ONaOAl
232
⋅
), який розчинений в воді. Для цьго мілко
подрібнену руду обробляють їдким натром (
NaOH ) чи содою (
32
CONa
).
Вилуговування виконується в спеціальних автоклавах при температурі
150…200 ºС і тиску 12 ат. При цьому алюміній, який міститься в бокситах в
вигляді гідратів окислів, взаємодіє з їдким натром і переходить в розчин,
утворюючи алюмінат натрію. З алюмінату натрію отримують
32
OAl
.
Сухий спосіб отримання
32
OAl
дозволяє переробляти як бідні
висококремнисті боксити, так і нефеліни. По цьому способу бокситову муку
змішують з содою, спікають при 800…1000 ºС для отримання алюмінату
натрію, який розчиняється в воді. Реакція отримання алюмінату натрію має
слідуючий вигляд:
22323232
COONaOAlCONaOAl
+
⋅
=
+
Отриманий алюмінат натрію вилуговують водою і продувають
вуглецевою кислотою для отримання осаду гідрокису алюмінію за реакцією:
32322232
)(23 CONaOHAlOHCOONaOAl +↓=++⋅
Після промивання і підсушки осад пропікають, видаляють воду і
отримують глинозем.
Другою стадією отримання алюмінію є отримання алюмінію із
глинозему. При цьому глинозем змішують з криолітом
63
AlFNa
, який
плавиться при температурі 1000 ºС. Сам глинозем досить тугоплавкий, а
розчин глинозема в криоліті евтектичного складу (біля 15%
32
OAl
)
плавиться при 940 ºС. Електроліз розчинів, які включають 8…10%
глинозему, виконується в спеціальних ваннах – електролізерах, схема якої
наведена на рис. 4.6.
Ванна включає стальний кожух, з середини який футерований
теплоізоляційною шамотною цеглою 6, анод і стінки викладені вугільними
блоками 4. В поді ванни змонтовані катодні шини, які подають струм до
вугільних блоків. Зверху в ванну
з розплавленим криолітом, який включає
8…10% глинозему і до 10%
2
MgF
,
2
CaF
і
NaCl
, опущений анод 3, який
частково занурюється в електроліт.
пр
я
(н
а
ма
с
пр
и
ма
с
ст
а
ви
к
ел
е
по
т
ан
о
ма
с
за
б
Рис 4.6.
В
1 - гл
и
Безперервн
и
я
мокутної
а
а
фтовий або
с
а знаходит
ь
и
360 ºС в ті
с
с
у. Підвід с
т
а
льні стержн
і
к
онується з
е
ктролізера
п
т
ім заливаю
т
о
ди, які зго
р
с
у. Електро
л
б
езпечуючи
б
В
анна-елект
р
и
нозем; 2 - с
т
5 - вентиля
и
й анод, я
к
а
люмінієвої
смоляний
к
ь
ся при 100
…
с
топодібний
т
руму до а
н
і
2, які заби
т
а допомого
п
роводять о
б
т
ь рідкий ел
е
р
ають опуск
а
л
іт періодич
н
б
езперервніс
т
63
р
олізер для о
т
т
альні стерж
н
ційний прис
т
к
ий самооб
п
обечайки з
а
к
окс чи кам’
я
…
140 ºС в рі
стан, при 40
0
н
ода викону
є
т
і в анод. Пе
р
ю електро
д
б
пал анодів
і
е
ктроліт і пр
и
а
ються в ва
н
н
о поповню
є
т
ь процесу н
а
т
римання ал
ю
н
і; 3 - анод;
4
т
рій; 6 - шам
о
п
алюється
п
а
вантажують
я
новугільни
й
дкому стані,
0
…950 ºС с
п
є
ться зверху
р
еміщення а
н
д
вигунів. П
е
і
підігрів ва
н
и
ступають д
о
н
ну, а звер
х
є
ться новим
и
а
протязі 2…
ю
мінію з гл
и
4
- вугільні б
л
о
тна цегла
п
рацює так.
вугільну а
н
й
пек). В ве
р
нижче вон
а
п
ікається в тв
від анодно
ї
н
одів разом
з
е
ред пуско
м
н
ни на прот
я
о
електроліз
у
х
у завантаж
у
и
порціями
г
3 років.
и
нозему:
л
оки;
Всередину
н
одну масу
р
хніх шарах
а
переходить
ерду анодну
ї
лінії через
з
стержнями
м
в роботу
я
зі 6…8 діб,
у
. Поступово
у
ють анодну
г
линозему 1,
4
…
гл
и
те
м
ел
е
пе
р
пр
о
ви
г
Електролізе
…
4,5 В. Стр
у
и
нозема і
о
м
ператури е
л
е
ктричного
с
р
еносяться е
л
о
цес (розря
д
г
ляді) . Алю
м
Рис. 4.7. Ш
л
ри живлять
с
у
м використ
о
о
тримання т
е
л
ектроліту
в
с
труму дис
о
л
ектричним
с
д
іонів алюм
і
м
іній скопич
у
6
4
л
ях алюміні
ю
с
я струмом
о
вується дл
я
е
пла, яке
н
в
850…1000
о
ціює на іо
н
с
трумом до
п
і
нію і видал
е
у
ється на дн
і
4
ю
від боксита
силою 5000
0
я
забезпечен
н
еобхідне д
л
ºС. Розплав
н
и. Додатнь
о
п
ода (катоду
)
е
ння метале
в
і
ванни під
ш
до метала
0
…155000
А
ня процесів
л
я підтрима
н
лений крио
л
о
заряджені
)
, де проход
и
в
ого алюмін
і
ш
аром електр
о
А
, напругою
електролізу
н
ня високої
л
іт під дією
іони
+3
Al
и
ть катодний
і
я в рідкому
о
літу, звідки
65
він видаляється за допомогою сифону або вичерпується ківшем через 3…4
доби.
Від’ємно заряджені аніони
−3
3
AlO
переносяться струмом до аноду
(вугільному електроду). Кисень, який при цьому видаляється окислює
вуглець анода з утворенням
CO і
2
CO
, які видаляються за допомогою
вентиляційних пристроїв 5.
Технологічний шлях від бокситів до чистого алюмінію наведений на рис.
4.7.
На 1 т алюмінію затрачується 1,92…1,98 т глинозему, 0,08…0,09 т
криоліту і 16500…18000 кВт·г (59,4…64,7 ГДж) електроенергії. На добу одна
ванна дає 350 кг алюмінію. Електроенергія складає більш 30% вартості
алюмінія, який отримується.
Третьою стадією отримання алюмінію є рафінування. Алюміній
, який
отриманий електролізом має ряд домішок: металевих (
,Si
,Fe
,Zn
тощо),
неметалевих (
32
OAl
, C тощо) і газоподібних (
,H
,N
,CO
2
CO
тощо).
Ці домішки погіршують його властивості. Для отримання чистого алюмінію
його піддають рафінуванню шляхом хлорування чи електричним способом.
Метод хлорування заключається в продуванні алюмінія хлором в ківші
місткістю біля 1,25 т чи спеціальній камері при температурі 750…770 ºС на
протязі 10…15 хв. При цьому утворюється газоподібний хлористий алюміній
32
232 AlClClAl
=
+
,
який проходить через рідкий метал, сприяє спливанню неметалевих домішок
і видаленню газів, які розчинені в алюмінію. Утворені хлористі з’єднання:
NaCl ,
2
MgCl
і
2
CaCl
також спливають на поверхню. При хлоруванні
частина алюмінію втрачається (до 1,0%), а витрати хлору становлять біля
0,1% від маси металу. Після рафінування хлором алюміній розливають на
чушки. Чистота отриманого алюмінію складає 99,5…99,85%.
Отримання алюмінію високої чистоти частіше досягається
електролітичним рафінуванням. Анодом служить алюміній, який необхідно
очистити, катодом – пластини чистого алюмінію. В якості електроліту
використовують розплавлені хлористі і фтористі солі при 750 ºС
(температурою вище температури плавлення алюмінію). В розплавленому
електроліті алюміній піддають анодному розчиненню і електролізу. Більш
високі електрододатні властивості алюмінію по зрівнянні з
,Na
Ca і
Mg
66
дозволяють осаджувати його на катоді. Електролітичним рафінуванням
отримують алюміній чистотою 99,996% і вище.
Марка алюмінію, який випускається чистоти А-999 включають алюмінію
не менше 99,999%. Цей алюміній називається особливо чистим і включає
0,001% домішок. Марки алюмінію А-995, А-99, А-97 і А95 включають
0,005%…0,05% домішок і називається алюміній високої чистоти. Марки
алюмінію технічної чистоти А-85, А
-8, А-7, А-6, А-5, А-0, АЕ і А включають
більше 0,05% домішок.
4.3 .Виробництво магнію
Магній легкий метал, який в земній корі серед інших металів займає третє
місце після алюмінію і заліза.
В 1695 р. один алхімік випарував епсомську мінеральну воду (курортне
місце Епсом поблизу Лондона) і отримав в осаді сіль. Цю саму сіль він
виявив в воді інших мінеральних джерел і це був гідратований (включаючий
воду в кристалах) сульфат магнію
OHMgSO
24
7
⋅
.
Іншу магнієву сіль (основний карбонат магнію) найшли на початку XVIII
сторіччя і застосовували в медицині. Свою назву magnesia alba (біла
магнезія) вона отримала від античного міста Магнезія (нині – Маніза в
Турції). Англійський хімік Хємфрі Деві (1778-1829) передбачив, що це
з’єднання є окисел металу, який він назвав магнієм. “Біла магнезія”
виявилась не окислом, але
це дійсно було з’єднання металу.
Х. Деві в 1808 р. приготував магнієву амальгаму (сплав магнію з ртуттю),
але не відомо чи вдалось йому отримати магній із амальгами.
Перші грами чистого магнію вдалось отримати французькому хіміку
Бюссі в 1829 р., а велика кількість нового металу – магнію була представлена
на Лондонській всесвітній виставці 1862 р
.
В ХХ сторіччі людство отримало можливість познайомитись з іншими
властивостями цього металу. Магній і його сплави стали широко
застосовуватись в запальних бомбах, і в роки другої світової війни міліони
таких бомб були скинуті на міста країн, які воювали. Потім з’явились нові
засоби масового знищення – напалмові бомби з оболонкою із
магнієвих
сплавів.
Магній отримують із сировини, яка включає хлористий магній або оксид
магнію: карналіт
OHKClMgCl
22
6
⋅
⋅
(включає 12…30% хлористого
ма
г
C
a
M
8,
8
ел
е
р
у
д
до
л
пі
д
от
р
хл
о
кі
в
р
о
з
K
C
се
к
ф
у
г
нію), ма
г
3
M
g
C
a
CO ⋅
2
M
gCl
). Маг
н
8
%
Mg
і бі
ш
Для отри
м
е
ктролітичн
и
д
).
При отри
м
л
оміту отр
и
д
дають відп
а
р
имання
Mg
о
рид магнію
:
Отриманий
в
ші в цех еле
к
Після витр
и
з
плаві зали
ш
C
l
. Готовий
Отримання
к
цій якої нав
у
теровку.
Рис
г
незит
M
3
C
O
(14…22
%
н
езит включ
а
ш
офіт – 12%
м
ання мет
а
и
й (електрол
і
м
анні магні
ю
и
мують хло
р
а
лу при тем
п
g
O
. Потім
х
:
C
MgO +
хлористий
м
к
тролізу.
и
мки, яка не
о
ш
ається до 5
0
розплав нап
р
магнію вед
у
едена на ри
с
4.8. Схема в
1 - графіто
в
3 - пе
р
6
7
3
M
gCO
(б
%
MgO
), б
і
а
є 28,8%
Mg
Mg
.
а
левого ма
г
і
з хлоридів)
і
ю
електролі
т
р
ид магнію.
п
ературі 750
…
х
лорування
м
2
Mg
C
C
l =+
м
агній в ро
з
о
бхідна для
о
0
%
2
MgCl
,
р
авляють в е
у
ть в спеціа
л
с
. 4.8. Ванна
п
анни для ел
е
в
а пластина;
р
егородки із
7
ільше 45
%
і
шофіт
M
g
C
g
, доломіт
–
г
нію засто
с
і
термічний
(
т
ичним спо
с
Для цьог
о
…
900 ºС з
м
м
в присутн
о
.
2
CO
Mg
Cl +
з
плавленом
у
о
сідання на
д
біля 0,5%
M
лектролізни
й
л
ьних елект
р
п
рямокутної
е
ктролізу хло
2 - стальні п
л
шамотної це
г
%
MgO
)
OH
C
l
22
6
⋅
(
–
21,7%
Mg
с
овують дв
а
(
термічне ві
д
с
обом із м
а
о
магнезит
м
етою видал
е
о
сті вуглец
ю
у
стані тран
с
д
но печі оки
с
M
gO
і оста
н
й
цех.
р
олізних ван
форми, має
ридів магні
ю
л
астини;
г
ли
, доломіт
(
більше 46%
, карналіт –
а
способи:
д
новлення із
а
гнезиту чи
чи доломіт
е
ння
2
CO
і
ю
отримують
с
портують в
с
у магнію, в
н
нє
NaCl
і
нах, одна із
вогнетривку
ю
:
68
Анодом служить графітова пластина 1, катодами – стальні пластини 2.
Між анодом і катодом є перегородка 3 із шамотної цегли. В кожній ванні
декілька секцій, які складаються із анодних блоків і двох катодних пластин.
Сила струму в ваннах досягає 30000…50000 А при напрузі в 7 В.
Електролітом при електролізі служить сплав солей: 8…16%
2
MgCl
,
25…35%
2
CaCl
, 25…35% NaCl і 18…25% KCl . Електричний струм
проходить через електроліт, нагріває його до 700…750 ºС, при цьому
2
MgCl
розкладається і в катодному просторі видаляється магній, а хлор
виділяється на аноді, звідки він відсмоктується в хлоропровід і
використовується для хлорування окису магнію.
Так як густина магнію менша, чим електроліту, він спливає і
накопичується на поверхні ванни. Звідси його перекачують в вакуумний
котел. На 1 т магнію отримують 2,9 т хлору. Оксид
магнію, відновлене залізо
та інші домішки осідають на дно ванни і по мірі накопичення періодично
видаляються. При електролізі витрачається до 25 кг електродів і
15000…17000 кВт·г електроенергії на 1 т магнію.
Магній, який отримують електролізом, включає до 3% домішок (хлористі
солі, оксид магнію та ін.), тому його рафінують шляхом переплавлення в
стальних тигельних
печах з флюсом чи возгонкою магнію.
При переплавленні флюс перемішується з рідким металом при
температурі 720…750 ºС і після чого дають йому вистоятись. В якості флюса
виступає сплав хлористих і фтористих солей. Під час відстоювання домішки
опускаються на дно тигля. Очищений магній розливають в виливниці за
допомогою ківшів чайникового типу. Для запобігання
окислення струменя
металу його опилюють мілким порошком сірки.
Рафінування магнію возгонкою основано на більшій пружності його парів
по зрівнянні з домішками (кремнію, заліза, міддю тощо). Це рафінування
виконують в ретортах (рис. 4.9) в вакуумі (залишковий тиск 0,1…0,2 мм
рт. ст.). Реторта включає: нагрівач 1; теплову ізоляцію 2; екран 4 і систему
водяного охолодження і відкачування
повітря. Магній 3 осідає на стінки
реторти. Нижня частина реторти підігрівається до температури 600 ºС
нагрівачем 1. При цій температурі магній починає випаровуватись, а верхня
частина реторти охолоджується приблизно до 450 ºС для конденсації парів
магнію, при цьому останній осідає на стінках реторти. Отриманий магній у
вигляді чистих блискучих кристалів видаляється із стінок реторти,
переплавляється
і розливається на чушки. Рафінований метал включає
99
,
те
р
ма
г
р
е
т
В
и
ка
р
ка
р
ко
н
ду
г
пр
и
хо
л
пе
р
вк
л
,
91…99,99%
р
мічний ме
т
г
нію кремні
є
Відновленн
я
т
ортах (рис.
и
хідним ма
т
р
бідотерміч
н
р
бідотерміч
н
н
денсується
(
Рис 4
.
1
-
Відновленн
я
г
овій електр
о
и
температу
р
Відновлени
й
л
одильника,
р
еплавляють
л
ючає 99,9
M
Технічний
м
.Mg
Для о
т
т
од в основ
у
є
м, карбідом
к
я
магнію кр
е
4.9) при г
л
т
еріалом с
л
н
ому способ
і
н
ому спос
о
(
кристалізує
т
.
9. Схема ре
т
-
нагрівач; 2
-
я
магнію у
г
о
печі, яка ф
у
р
і вище 2000
M
g
O
й
магній вип
який з’є
д
і розливаю
т
M
g
.
м
агній в чуш
к
6
9
т
римання м
а
у
якого по
к
к
альцію чи
в
е
мнієм чи к
а
л
ибокому ва
к
л
ужить обп
а
і
магній від
н
о
бах відно
в
т
ься) на стін
к
т
орти для ра
ф
-
теплова ізо
л
г
летермічни
м
у
терована ву
г
ºС. При цьо
м
Mg
C
O
=+
аровується і
д
наний з
т
ь в чушки.
О
к
ах випуска
ю
9
а
гнію застос
о
к
ладено про
ц
в
углецем.
а
рбідом кал
ь
к
уумі і тем
п
а
лений маг
н
н
овлюється.
в
лений ма
г
к
ах кристалі
з
ф
інування ма
г
л
яція; 3-маг
н
м
способом
г
ільними бло
к
м
у магній ві
д
CO
g
+
.
осідає в виг
л
піччю. Зв
і
О
триманий т
е
ю
ть двох мар
о
о
вують і бі
л
ц
еси віднов
л
ь
ція ведетьс
я
п
ературі 110
н
езит чи
д
При сілікот
е
г
ній випар
з
атора.
г
нія возгонк
о
н
ій; 4 - екран
ведеться в
к
ами, в атмо
с
д
новлюється
з
л
яді кристал
і
і
дси його
е
рмічним ш
л
о
к:
л
ьш простий
л
ення окису
я
в стальних
0…1200 ºС.
д
оломіт.При
е
рмічному і
овується і
о
ю:
трьохфазній
с
фері водню
з
а реакцією
і
в на стінках
видаляють,
л
яхом магній