Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
2. Получение металла или его сплава.
3. Механическая обработка металла

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl2

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl2

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

MgCl2 → Mg + Cl2

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

CaCl2 → Ca + Cl2

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:

2Al2O3 → 4Al + 3O2

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например, железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC2 + CO

Разновидности сырья

Самое название «цветной» означает цвет металла. Некоторые виды, например, медь, имеют ярко выраженный цветовой оттенок. Подобные вещества важны из-за своих свойств и качеств, намного отличающихся от обычного железа.

Поэтому производство цветных металлов и сплавов необходимо для получения качественно новых соединений, применяемых во всех отраслях промышленности.

Сплав – это смешанные металлы. При соединении двух или более металлов, находящихся в расплавленном состоянии, образуется новый материал, имеющий практически полный спектр свойств, которым обладают составляющие сплава.

Цветные металлы распределяются на несколько крупных групп:

• Тяжелые – в эту группу входят медь, цинк, свинец, олово.
• Легкие – эта группа представлена магнием, титаном, бериллием, кальцием, стронцием, алюминием, натрием, калием, цезием.
• Благородные – находятся самые дорогие из цветных металлов, которых мало в природе: платина, золото, серебро, осмий, рутений, родий, палладий.
• Малые – группа веществ, которых также немного в природе. Сюда относятся кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть.
• Тугоплавкие: марганец, вольфрам, хром, ванадий, тантал.
• Редкоземельные.
• Рассеянные.
• Радиоактивные.

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Например, цезий взрывается на воздухе.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например: алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

2Fe2O3 + 4Al → 4Fe + 2Al2O3

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например, при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

Pb(NO3)2 + Zn = Pb + Zn (NO3)2

Материаловед

Понятие о сплавах и методах их получения

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Основные понятия в теории сплавов.

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Вариантность © (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Если вариантность C ═ 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.

Если вариантность C ═ 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса:

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится:

где С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей,

твердых растворов, химических соединений

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1) механические смеси;

2) химические соединения;

3) твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 4.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Рис. 4.1. Схема микроструктуры механической смеси

Сплавы химические соединения образуются элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

1.Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/

2.Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)

3.Ярко выраженные индивидуальные свойства

4.Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов

Рис. 4.2. Кристаллическая решетка химического соединения

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 4.3).

Рис.4.3. Схема микроструктуры твердого раствора

Классификация сплавов твердых растворов

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:

– с неограниченной растворимостью компонентов;

– с ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя, по мере увеличения концентрации растворенного компонента, плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы:

1.изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;

2.близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.

3.близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

– замещения;

– внедрения;

– вычитания.

В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. 4.4 , а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Рис.4.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 4.4 , б).

Образование таких растворов возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2,5%

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами узлов в решетке.

К химическому соединению добавляют один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.

Кристаллизация сплавов

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердом состоянии имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные

аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации, и происходит их рост…

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 4.5)

.

Рис. 4.5. Диаграмма состояния

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому их также называют диаграммами равновесия, так как они показывают, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состояния в координатах: по оси абсцисс –концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус 1 и солидус(2, а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии 3, 4.

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно,свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Особенности процесса

В промышленности практически не применяются цветные металлы в чистом виде, а больше используются именно сплавы, что позволяет достигать требуемых свойств. При производстве цветных металлов происходит видоизменение их химических, физических и механических свойств, что очень важно для изготовления как бытовых, так и промышленных предметов.

Особенностью цветных металлов является простота обработки. Практически все они подвергаются шлифовке, ковке, штамповке, прессования, резке, сварке или пайке.

При производстве из этих веществ удается получать не только готовые изделия, но также разнообразные полуфабрикаты:

• прутки;
• проволока;
• порошок;
• фольга.

Производство проволоки из цветного металла

Производство отдельных видов

Производство меди

Получение подобного цветного металла происходит из медных руд. Его содержание в составе этих соединении составляет от 1 до 6%. При составе меди менее 1% ее извлечение при современном уровне развития технологии не представляется рентабельным.

Получение меди осуществляется двумя способами:

• гидрометаллургический;
• пирометаллургический.

Первый способ является менее распространенным, поскольку при его использовании не удается извлекать из руды иные элементы.

Пирометаллургический метод добычи меди состоит из нескольких последовательных этапов:

• Подготовка руды к плавке посредством обогащения и дальнейшего обжига. Это позволяет получить концентрат меди.
• Последующий обжиг требуется для сокращения количества серы.
• Плавка на штейн. Путем плавки концентратов меди удается получить штейн или сульфиды меди и железа.

А также проводится конвертирование штейна. Этот этап заключается путем продувки воздухом внутри специального медеплавильного конвертера полученного штейна, что позволяет выделить железо в шлак и получить черновую медь.

И в заключение – рафинирование. Черновая медь подвергается действию огневого плавления и электролитического рафинирования, что позволяет в итоге получить продукт, чистота которого составляет 99,97–99,99%.

Производство алюминия

Получение алюминия происходит методом электролиза глинозема. Процесс включает несколько этапов.

Получение чистого глинозема или оксида алюминия. Этот процесс заключается в обработке бокситов (руд, содержащих металл) щелочными растворами. Результатом является выпадение в виде осадка гидроксида алюминия.

Получение криолита – его производство заключается в обработке плавикового шпата для получения плавиковой кислоты и дальнейшего выделения фторалюминиевой кислоты. Посредством соды криолит выделяется в виде осадка.

Электролиз глинозема – результатом этого процесса является получения алюминия-сырца.

Рафинирование – посредством продувки расплавленного сырца хлором добывается чистый алюминий.

Производство магния

Магний добывается посредством реакции электролиза. Сырьем служат расплавленные соли металла (карналлит, магнезит, доломит, бишофит). Основу электролита составляет хлористый магний. Дополнительно применяется хлористый натрий, кальций и калий.

После проведения реакции на аноде оседает черновой металл, имеющий до 5% примесей. Их удаление происходит посредство процесса рафинирования с использованием флюсов. Все неметаллические компоненты преобразуются в шлак, а чистый металл разливается в изложницы.

Производство титана

По своим качествам титан и его сплавы во многом превосходят легированные стали. Процесс производства титана затрудняется его повышенной активностью, особенно при повышении температуры.

Его особенностью является способность вступать в реакцию со множеством металлов, что требует соблюдения определенных условий для получения чистого титана.

Метод, применяемый для получения титана, называется магниетермия. Он состоит из следующих операций.

Выделение титанового концентрата путем обогащения руды, содержащей подобный металл.

Изготовление шлака – на этом этапе происходит отделение оксидов железа от оксидов титана.

Получение четыреххлористого титана – чтобы получить металлический титан, требуется применение хлорида титана, получаемый при хлорировании шлака.

Восстановление посредством магния – процесс восстановления протекает при очень высоких температурах – близких к 1 тыс. градусов. Реактор, где расплавляется магний, подается парообразный титан. При металлизации он оседает на стенках, а расплавленный магний удаляется через летку.

Сепарация массы в вакууме – полученный в результате предыдущего шага титан в виде губчатой массы требуется нагреть с использованием вакуума, что позволит выделить чистый металл.

Особенности сырья

Все цветные металлы обладают рядом особенностей, что должно учитываться при обработке или их использовании.

Ряд элементов имеют повышенную теплопроводность и удельную теплоемкость:

• медь;
• магний;
• алюминий.

При сварке место соединения быстро охлаждается, что потребует использования мощных источников, особенно тепла при сварочных работах.

Некоторые элементы при резком нагреве изменяют свои механические свойства. Наблюдается их снижение. При этом сам металл становится легко разрушаемым от ударов или иного механического воздействия.

Все цветные металлы легко вступают во взаимодействие с газами, кроме инертных. Эта особенность характерна для тугоплавких цветных металлов.