Зонна плавкаЗонна плавка здійснюється наступним чином (рис. 2). Злиток алюмінію високої чистоти, очищений від плівки окислів стравлюванням, розміщують в графітовий човник, а потім в кварцеву трубку і запаюють. В трубці створюють вакуум 10 -4 – 10-5 мм рт ст. Ззовні вздовж трубки повільно (1 см / хв) переміщують вузький кільцевий високочастотний нагрівач за допомогою якого створюється вузька (25 – 30 мм) розплавлена зона алюмінію. Розплавлена зона переміщується 10 – 15 разів в одному напрямі, в результаті чого домішки відводяться до одного краю злитка. В результаті зонної плавки отримують алюміній чистотою 99, 9999 %, тобто домішки складають 10 -4 %.
1. Структура і властивості та використання алюмінієвих сплавів. Алюмінієві сплави поділяють на дві групи: - сплави, які деформуються; - сплави ливарні. В свою чергу деформаційні сплави поділяються на дві підгрупи: - сплави, які зміцнюються термічною обробкою; - сплави, які не зміцнюються термічною обробкою. Деформаційні сплави пластичні, але маломіцні. До деформованих сплавів відносяться дюралюміни та авіаль. Ці сплави добре зварюються, стійкі проти корозії. З них виготовляють вироби, які підлягають малому навантаженню і для зварних конструкцій. До цієї групи відносяться сплави: АМц, АМг, АМгб. Це сплави переважно однофазні. Ці сплави мають до трьох – чотирьох складових хімічних елементів і більше. Дюралю міни зміцнюються при швидкому охолодженні і утворення твердого розчину та фази CuAl2. Найбільш відомі дюралю міни Д1, Д18, Д 16. Хімічний склад дюралю міна Д1: 3, 8 – 4, 8 %Cu, 0, 4 – 0, 8% Mg, 0, 4 – 0, 8Мn. Із дюралюмінія виготовляють листи, стрічки, кутники та інші профілі.
Ливарні алюмінієві сплави. Ливарні сплави маркуються двома буквами: АЛ (алюміній ливарний). Вони поділяються на 5 груп: Грпа I – сплави на основі системи Al – Si: їх називають силумінами (AЛ – 2, АЛ - 4). Сплав АЛ-2 містить 10 – 13% кремнію. Цей сплав піддають модифікуванню мікроструктури шляхом добавки металевого натрію та інших солей (NaF, NaCl). При цьому значно змінюється мікроструктура і властивості сплаву. Група II. Основа цих сплавів – система Al – Si – Cu. Це сплави АЛ-3, АЛ-5. Група III. Це сплави на основі системи Al – Mg. Це сплави АЛ-7, АЛ -19. Ці сплави дорогі. Група IV. До цієї групи відносяться сплави на основі системи Al – Mg. Ці сплави в 3 рази легші сталі, мають високі механічні властивості і високу корозійну стійкість. Сюди відносяться сплави АЛ-8, АЛ-13, АЛ-23. Група V. Сюди відносять сплави алюмінію з міддю, магнієм та іншими елементами. Це сплави АЛ -1, АЛ-11, АЛ-24. Сплави алюмінію з магнієм і міддю піддають термічній обробці. Вони змінюють свої властивості в широкому діапазоні. Багато із них піддаються старінню (змінюють властивості при зберіганні. Лекція 5.Технологія виробництва міді і її сплави. План 1. Загальні відомості про мідь, властивості та застосування. 2. Мідні руди. Технологія збагачення мідних руд. 3. Виробництво мідних штейнів. 4. Переробка мідного штейна на чорнову мідь. 5. Рафінування міді. 6. Мідні сплави: латуні, бронзи, монель-метал. Література 4, 5, 6
1. Загальні відомості про мідь, властивості та застосування. Мідь використовувалась людиною ще з стародавніх часів. Із міді і мідних сплавів виготовляли прикраси і просту зброю. В наш час без міді не можна уявити науково-технічний прогрес. Мідь і сплави міді застосовуються в елекроенегетиці (електрогенератори і електродвигуни), електромережі, радіотехніці, в машино- та приладобудуванні, мистецтві (виготовлення скульптур), виробництві побутових товарів (світильників) та ін. В світі виробляється до 20 млн тон міді на рік. Основні властивості міді: висока електропровідність, пластичність. Мідь здатна утворювати цінні технологічні і функцій ні сплави, які добре обробляються і мають хороші механічні властивості. Кристалічна гратка міді – кубічна границентрована, параметр гратки а = 3, 61 Ао, густина міді 8, 93 г/см3. Температура плавлення міді 1083 оС, твердість міді НВ 35. 2. Мідні руди. Для виробництва міді використовуються сульфідні руди, які містять кольчидан CuFeS2, борніт 5Cu2 S Fe2 S3, халькозит CuS і інші складові. Часто в цих рудах міститься Ni, Pb, Zn, Ag, Au. Другим по значенню джерелом міді являються окислені мідні руди, які містять мідь у вигляді куприта Сu2О, або азурита 2СuСО3хСu(ОН)2. Зустрічаються також змішані сульфідно-окислені мідні руди, а також вкраплення самородної міді в різних гірських породах. Вміст міді в рудах незначний (часто 1-25%), тому вони завжди піддаються збагаченню, яке дозволяє виділити із руди окремо мідний концентрат (11 -35% Сu), цинковий і піритний концентрат (FeS). Технологія збагачення руд. Для збагачення мідних руд застосовується метод флотації. Сутність методу флотації заклечається у створенні умов для прилипання у водному середовищі (пульпі) частинок певного мінералу до поверхні бульбашок повітря і спливання їх на поверхню. Пульпа - це суміш рідини (вода або інша рідина) і дрібних частинок мінералу. В результаті цього, на поверхні рідкої маси утворюється мінералізована піна. Цим самим цінний мінерал (мідні сполуки) відділяються від пустої породи (хвостів). Для успішного здійснення флотації необхідні такі умови: а) руду необхідно роздробити на дрібні частинки (< 0, 1 мм), що дає можливість отримати і виділити необхідні складові із одного мінералу; б) отримати в пульпі значну кількість стійких бульбашок. Остання вимога досягається за рахунок використання різних флотаційних реагентів, що дає можливість здійснювати збагачення різних руд. Розрізняють наступні флотаційні реагенти: - вспінювачі, які утворюють стійкі бульбашки; - колектори (збирачі), які вибірково зменшують змочуваність певних мінералів водою і полегшують їх взаємодію (зчеплення) з бульбаш-ками повітря. Отриманий після флотаційного збагачення мідний порошкоподібний концентрат, містить 11 – 35 % Сu, 15 – 37 % Fe і інших хімічних сполук, які направляються на подальшу переробку.
3. Технологія виробництва мідних штейнів. Штейном називають сплав мідних і залізних сульфідів, які утворюються при переплавці мідної руди і містять 80 – 90 % міді і заліза. Решта - це сульфіди Zn, Pb, Ni і оксиди Si, Al, а також Аu і Аg. Штейн отримують переплавкою збагаченої мідної руди в спеціальних печах: шахтних, електропечах або так званих відбивних печах (рис. 2.). Внутрішню частину печі виготовляють із динасової або магнезитової цегли. Температура в печі становить 1250 – 1550 оС. По мірі нагрівання шихти починається реакція відновлення міді:
2FeS +2Cu2O +SiO2 = 2FeOxSiO2 +2Cu2S (штейн) (1) Поряд з цим проходять інші хімічні реакції.
4. Переробка мідного штейна на чорнову мідь. Переробка штейна на мідь здійснюється в конверторах. У зв’язку з тим, що штейн складається із сульфідів міді і заліза то процес переробки штейна на мідь здійснюється у два етапи. На першому етапі окислюють сульфіди заліза і міді, а це дозволяє видаляти залізо із шихти у вигляді оксиду, який переводиться в шлак.
2FeS + 3O2 = 2FeO +2SO2 + Q (ккал) (2)
2FeO + SiO2 = 2FeOxSiO2 (шлак) (3)
2Сu2 S + 3O2 = 2Cu2 O + 2SO2 (4)
В печі залишається тільки Сu2S і Сu2О (білий штейн). Кисень повітря в печі окислює білий штейн, що сприяє появі металічної міді по реакції: Сu2 S + Cu2O = 6Cu (чорнова мідь) + SO2.
5. Рафінування міді. Чорнова мідь містить домішки металів. Для видалення домішок чорнову мідь рафінують вогневим пірометалургійним або електролізним методом. Окислення домішок проходить через відновлення міді із її оксиду:
[Me] + Cu2O = [Me]O + 2Cu
Повне розкислення (видалення оксидів міді) здійснюється за допомогою вуглеводнів, наприклад, по такій реакції:
4Сu2О + СН4 = СО2 + 2Н2 О + 8Сu
Товарна чиста мідь має 10 марок: М00, М0, М06, М1, М1Р, М2, М2Р, М3, М3Р, М4. Буква Р означає рафінована і містить менше деяких домішок (свинцю, кисню). На пластичні властивості міді впливають ті домішки, які не утворюють твердий розчин (вісмут і свинець).
7. Мідні сплави. Із багатьох мідних сплавів найбільше застосування знайшли бронзи і латуні. Бронза – сплав міді з оловом.Ще в далеку давнину із бронзи виготовляли зброю, інструменти, посуд, прикраси.Ці сплави більш міцні і стійкі проти корозії чим мідь. Завдяки прекрасним ливарним властивостям із цих сплавів виготовляли гармати, звони і статуї. Бронза має малий коефіцієнт тертя і тому застосовується при виготовленні підшипників, зубчатих черв’ячних коліс, шестерен, деталей точних приладів. Бронзи – однофазні сплави, які складаються із альфа –кристалів (твердий розчин в міді олова або інших металів). Бронзи маркують буrвами Бр; справа ставляться букви металів, які входять в сплав: О - олово, А – алюміній, Ф – фосфор, Т – титан, Н – нікель, Ж – залізо, Мг – магній. Після букв ставляться цифри, які вказують на вміст цих металів. Дуже високу міцність мають берилієві бронзи (Бр2). З них виготовляють пружини, пружинячі контакти приладів та ін. Відомі широко сплави міді і нікелю – мельхіор (80% Сu і 20% Ni). Інколи частка нікелю замінена цинком. Цей сплав використовується для виготовлення прикрас, столових приладів (ложки, виделка, чайники). Цей сплав використовується також для виготовлення монет (монель-метал), який містить 68% Ni, 28%Cu остальне Mn і Fe. Цей сплав широко використовується для виготовлення хірургічних інструментів, деталей в точному машинобудуванні. Латуні. Латунь – це сплав міді з цинком (10 – 40% Zn) і інші елементи (Al, Ni, Si). Латуні мають вищі механічні властивості чим мідь і вони краще обробляються різанням. Латуні мають меншу собівартість порівняно з міддю. Латуні широко використовуються для виготовлення виробів в машинобудуванні, приладобудуванні, хімічному обладнанні. Вони корозійно стійкі, піддаються штампуванню в горячому стані. Марки латуні: Алюмінієва – АЛ77 – 2 (виготовляють труби). Нікелеві ЛН 65 – 5 (виготовляють дроти, листи). Олов’яна ЛО70 – 1 (виготовляють труби). Кремнієво-свинцьова ЛКС*0-3-3 (виготовляють підшипники і втулки).
Лекція 6. Технологія виробництва титану і його сплави. План 1. Загальні відомості про титан. 2. Титанові руди. Збагачення руд. 3. Технологія виробництва титану. 4. Титанові сплави і вироби з них. Література 4, 5, 6
1. Загальні відомості про титан. Титан – метал сріблястого кольору з голубуватим відтінком. Густина титану 4, 507 г/см3 . Температура плавлення 1660 о С. Титан має дві алотропічні модифікації кристалічної гратки: до 882 оС титан має гексагональну гратку (альфа титан) з параметрами а = 0, 295 Нм (2, 95 Ао ) і с = 0, 468 Нм (4, 68 Ао). При температурі більше 882 оС стійка модифікація гратки (бета) – об’ємноцентрована з параметрами а = 0, 304 Нм (3, 036Ао ). Властивості титана. Чистий титан ковкий. Твердість чистого титану НВ = 70. Механічні властивості титану значною мірою залежать від вмісту в ньому азоту, вуглецю та кисню, які різко знижують його пластичність. Тому технічний титан крихкий і твердий (НВ = 180 – 280). Вуглець при вмісті в титані 0, 15% знижує ковкість, утруднює обробку різанням і різко погіршує зварюваність. Водень сильно підвищує чутливість титану до надрізу (зменшує ударну в’язкість). Тому цей ефект називають водневою хрупкістю (крихкістю). На поверхні титану утворюється стійка окисна плівка, внаслідок чого титан володіє високою стійкістю проти корозії на повітрі, морській і прісній воді і в деяких кислотах. На повітрі титан стійкий і мало змінює свої властивості при нагріві до 400 оС. При вищій температурі титан починає поглинати кисень і поступово підвищує свої механічні властивості, а при температурі вище 540 о С стає крихким. При нагріві вище 800 оС титан енергійно поглинає кисень, азот і водень. Ця властивість титану використовується в металургії для розкислення сталі і підвищення її механічних властивостей. Титан утворює ряд окислів: TiO, TiO2, Ti2O3, Ti3O5. Закись титану TiO – речовина золотистого-жовтого кольору з металевим блиском, електропровідна. Використовується у декоративних цілях, підвищення стійкості деталей до стирання (зносу), корозії. Двоокись титану TiO2 – порошок білого кольору, який практично не розчиняється у воді і розбавлених кислотах, але розчиняється при нагріванні у сірчаній, соляній, азотній кислотах. Двоокись титану являється основним продуктом переробки титанової сировини для виробництва білої фарби та інших речовин. Титан з початку його промислового виробництва (1954 р.) став широко використовуватись як міцний, відносно легкий, корозійностійкий і жароміцний конструкційний матеріал. Він використовується в літакобудуванні для виробництва реактивних двигунів та інших елементів конструкції літаків, ракетобудуванні. Він отримав визнання і в будівництві морських суден завдяки його стійкості проти корозії у морській воді. Починаючи з 1959 року кожних 7 – 10 років виробництво титану збільшувалось в 3 рази. Так, якщо в 1959 році виробництво титану у світі складало 7000 тн, то в 1966 році виробництво титану склало уже 22300 тн.
|
