22.6: Переробка металів

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 22.5: Зменшення металів
- 22.7: Корозія

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Після того, як метал зменшується, він все ще не обов'язково достатньо чистий для всіх цілей, до яких він може бути поставлений. Очевидним прикладом є крихкість і низька міцність на розрив чавуну, характеристики яких роблять його придатним для лиття, але мало що інше. Ці несприятливі властивості обумовлені наявністю домішок, типовий аналіз доменного заліза показує близько 4% С, 2% Р, 2,5%, Si, 2,5% Mn, і 0,1% S по масі. Подальше рафінування для видалення цих домішок (особливо вуглецю) дає сталь, набагато міцніший і, отже, більш корисний матеріал.

Виробництво сталі передбачає окислення домішок в основному кисні, мартенівських або електричних печах. Деякі продукти окислення (CO, CO ₂ та SO ₂) леткі і легко відокремлюються. Інші опиняються разом з деякими оксидами заліза в шлаку, який плаває на поверхні розплавленої сталі.

У мартенівській печі окислення відбувається за рахунок повітря на поверхні розплавленого металу. Цей метод рафінування сталі був розроблений в середині 1800-х років, сучасно з промисловою революцією. Цей метод вимагає до 12 годин - і природний газ або інше паливо потрібно спалювати, щоб зберегти металеву рідину. Таким чином, мартенівський вогнище витрачає велику кількість вільної енергії. Використання викопного палива дійсно дає можливість переробляти цілих 50 відсотків металобрухту, однак, і більш тривалий час плавлення дозволяє дещо більший контроль над складом партії сталі.

Розроблена в 1950-х роках, основна киснева піч замінила мартенівську піч як основний метод виробництва сталі. У цьому процесі чистий кисень направляється на поверхню розплавленого чавуну у великому тиглі. Частина заліза окислюється до Fe ₃ O ₄ і Fe ₂ O ₃, утворюючи окислювальний шлак. Домішки, а саме C, P, Si, Mn і S, окислюються одночасно. Оскільки всі ці реакції є спонтанними та екзотермічними, вони забезпечують достатню кількість тепла, щоб до 25 відсотків твердого брухту можна було розплавити в тиглі, не охолоджуючи його до того моменту, коли залишиться тверде залізо. Окислення однієї партії чавуну і брухту зазвичай займає трохи більше півгодини. Таким чином, цей спосіб набагато швидше мартенівської печі, є в три рази ефективніше.

Комп'ютери тепер використовуються для інтерпретації спектроскопічних аналізів сталі в основних кисневих печах, вказуючи за кілька хвилин, які метали необхідно додати для отримання потрібного складу. Це багато в чому усунуло останню перевагу мартенівського вогнища і прискорило перехід на основний кисень. Це також зменшило переробку заліза, оскільки остання піч не може обробляти стільки брухту. Велика переробка заліза зараз проводиться в електродугових печах, які можуть розплавити шихту зі 100-відсоткового брухту.

Крім хімічних окислень, що застосовуються в сталеплавильному виробництві, електролітичне окислення і відновлення досить важливі при рафінуванні металів. Електролітичне рафінування міді, а також виробництва алюмінію вже описано.