Контрольная работа по "Общая металлургия"

NiO+C=Ni+CO

закись  никеля частично (до 40—50 %) восстанавливается  и из реактора выходит металлизированный огарок с содержанием никеля 22—86 %, что ускоряет и удешевляет его дальнейшую переработку в  электропечах.

Процесс восстановительной электроплавки  осуществляют в дуговых электрических печах за счет тепла, выделяющегося при горении дуги между угольными (графитовыми) электродами и металлом. Для получения никеля из окисленных руд применяют трехэлектродные круглые печи емкостью 4,5-10т. Они работают периодически с продолжительностью цикла от 6 до 8 ч.

Технологический процесс электроплавки закиси никеля состоит из ряда операций:

шихтовки  закиси никеля с восстановителем;

загрузки  шихты и ее расплавления;

доводки металла;

выпуска и грануляции никеля.

Во время  приготовления шихты закись никеля смешивают в заданной пропорции с Твердым восстановителем, чаще всего нефтяным коксом, содержащим 0,2—0,5 % S.

При расплавлении шихты происходит восстановление закиси никеля до металла и одновременно его науглероживание за счет растворения углерода и образующегося карбида Ni3C. При содержании углерода около 2,2 % температура плавления металла снижается до 1315 °С. Это сокращает время расплавления шихты и снижает расход электроэнергии.

В конце  плавки избыток углерода удаляют  путем доводки металла забрасыванием в печь закиси никеля. При этом происходит взаимодействие карбида никеля с NiO по реакции: Ni3C+2NiO=5Ni+C02

При доводке  с целью предотвращения вторичного окисления никеля кислородом печной атмосферы в печи наводят известковый шлак. Этот шлак позволяет также очистить металл от серы за счет взаимодействия по реакции Ni3S2+2CaO+2C=-=3Ni+2CaS+2CO.

Образующийся  сульфид кальция не растворяется в никеле и переходит в шлак. После снятия шлака металл разливают, наклоняя печь в сторону разливочного желоба.

Готовый металл льют в грануляционные бассейны с проточной холодной водой, на дне  которых установлена дырчатая металлическая корзина. Полученные гранулы никеля извлекают из бассейна, сушат, упаковывают в фанерные бочки и отправляют потребителю.

Огневой никель по ГОСТ 849—70 должен содержать  суммарно никеля и кобальта не менее 98,6 % (Н-3) и кобальта не более 0,7 %. 
 
 
 

10. 4. Что происходит в результате декомпозиции?

Декомпозиция (или  выкручивание) представляет собой процесс  самопроизвольного разложения алюминатного раствора с выделением в осадок гидроксида алюминия NaA1O₂+2H₂O - Al(OH)₃+ NaOН. Чтобы эта реакция шла слева направо, необходимо алюминатный раствор перевести в область пересыщенных глиноземом растворов, что достигается разбавлением автоклавной пульпы после выщелачивания и снижением температуры раствора. 
По мере разложения раствор приближается к равновесному состоянию и при достижении этого состояния его разложение прекращается. На практике процесс декомпозиции прекращают значительно раньше, так как разложение раствора по мере приближения к равновесному состоянию все более и более замедляется.

Для ускорения декомпозиции применяют затравку, которая представляет собой гидроксид алюминия, полученный в предыдущем цикле. Затравку вводят в алюминатный раствор для создания в нем центров кристаллизации. 

11. 4. Для каких алюминиевых руд предназначен способ спекания? 

Способ спекания является достаточно универсальным и может применяться для извлечения глинозема из различных видов алюминиевых руд. Помимо различных сортов бокситов, способом спекания могут быть переработаны на глинозем и разнообразные алюмосиликаты, в частности нефелины и глины, а также зола от сжигания каменных углей на электростанциях.    

12. 4. Факторы, влияющие  на разложение  алюминатных растворов  

К числу таких  факторов относятся следующие:

1) концентрация  раствора;

2) каустический  модуль раствора;

3) температура  раствора;

4) содержание  в растворе SiO2 и других примесей;

5) присутствие  в растворе гидроокиси алюминия (затравки), преднамерен о введенной  в этот раствор; 

6) обработка  раствора CO2

7) механическое  воздействие (перемешивание).   

Опыт показывает, что с изменением концентрации алюминатного раствора скорость его распада также изменяется. Оказывается, что при прочих равных условиях весьма разбавленные алюминатные растворы (7—25 г/л Al2O3) обнаруживают такую же стойкость, как и растворы весьма высоких концентраций (300 г/л Al₂O₃). Меньшая стойкость присуща растворам с концентрациями близкими как к разбавленным (40—70 г/л Al₂O₃), так и к сильно концентрированным (200—250 г/л Al₂O₃) растворам. Наконец, еще меньшую стойкость обнаруживают растворы средней концентрации (80—150 г/л Al₂O₃), внутри которой с разбавлением раствора его стойкость достаточно закономерно понижается.    

Исключительно велико влияние на стойкость алюминатного раствора его каустического модуля, с повышением которого стойкость раствора возрастает. Растворы алюмината натрия, каустический модуль которых a = 1, не могут существовать, мгновенно подвергаясь распаду. Для получения практически стойких алюминатных растворов необходим некоторый избыток против этого свободной каустической щелочи, причем стойкость раствора будет возрастать прямо пропорционально этому избытку. Так, при наличии даже небольшого избытка каустической щелочи, например при a=1,1-1,25, растворы алюмината натрия средних концентраций могут существовать, не разлагаясь, примерно, в течение суток. Растворы же с каустическим модулем a= 1,4—1,8 оказываются достаточно стойкими в производственных условиях. Наконец, растворы с каустическим модулем a = 3 и выше являются стойкими в течение весьма длительного промежутка времени и малочувствительными к температурным изменениям.    

Снижению температуры  ускоряет распад алюминатного раствора, однако во всех случаях наибольшая скорость этого распада соответствует, примерно 30°, дальнейшее же снижение температуры  снова замедляет скорость распада алюминатного раствора.   

Такие же факторы, как заранее введенная в раствор  затравка свежеосажденной гидроокиси алюминия, пропускание через раствор  углекислоты и его механическое перемешивание, ускоряют разложение алюминатного раствора.   

Напротив, присутствие  в растворе небольших количеств  примеси SiO₂, некоторых органических и коллоидных веществ повышает стойкость алюминатных растворов.   

Уже этот краткий  обзор факторов, влияющих на стойкость, а, следовательно, и на поведение алюминатных растворов, показывает, что, с одной стороны, имеется ряд возможностей, которые позволяют воздействовать на эти растворы, повышая или понижая их стойкость с точки зрения выгоды в данных производственных условиях.    

С другой же стороны, наличие многочисленных факторов, могущих влиять на поведение алюминатных растворов, говорит, очевидно, о достаточной сложности процессов, протекающих в этих растворах, требуя их более глубокого исследования.     
 

 13. 4. Причины анодного эффекта  

Практика  работы показывает, что возникновение трудноустранимого анодного эффекта обусловлено наличием в электролите нерастворенного глинозема во взвешенном состоянии. Наиболее часто такое явление наблюдается на ваннах с низким уровнем электролита, на подинах которых имеются чрезмерные подовые настыли и большие глиноземистые осадки. Возникает "затяжная” вспышка, как правило, на холодно работающих ваннах с кислым электролитом после очередной выливки металла и характеризуется тем, что не поддается устранению обычными способами; продолжительность ее может достигать нескольких часов. Во время "затяжного” анодного эффекта многократно увеличивается расход электроэнергии и, следовательно, приход тепла; резко сокращается производительность электролизера. В результате образования большого избытка тепла возможен прорыв расплава из шахты ванны. Для устранения "затяжного” анодного эффекта тщательно очищают от глинозема корку электролита по всему периметру шахты ванны, затем корку вскрывают и удаляют. Одновременно увеличивают междуполюсное расстояние, поднимая анод. При кислом электролите в него добавляют фтористый натрий или соду для улучшения растворимости глинозема. Часть пересыщенного глиноземом электролита выливают, а для освежения и охлаждения электролита наплавляют свежий криолит равномерно вокруг анода. Практикуется также замена части или всего электролита свежим. Места с сильным движением расплава у борта шахты ванны прокладывают крупными кусками застывшего электролита. "Затяжная” вспышка может возникнуть и в том случае, если из электролизера вылито слишком много металла, а оставшийся металл не покрывает глиноземистые осадки. Для устранения возникшей по этой причине "затяжной” вспышки заливают в ванну некоторое количество алюминия или наплавляют твердый металл. Если перечисленными приемами "затяжной” анодный эффект устранить не удастся и на электролизере создастся аварийная ситуация, приходится значительно снижать или даже на несколько минут полностью снимать токовую нагрузку на серии, При медленном подъеме силы тока до установленной величины "затяжная” вспышка обычно не возобновляется. Однако эта операция крайне нежелательна, так как приводит к снижению производительности серии и отрицательно влияет на нормальный ход работы всех других электролизеров. В исключительных случаях практикуется устранение "затяжной” вспышки опусканием анода до замыкания его с расплавленным металлом. При этом положительных результатов можно достичь только в том случае, если анод не будет касаться глиноземистых осадков и настылей. При постепенном подъеме анода после некоторой выдержки его в замкнутом на металл положении анодный эффект на электролизере не возобновляется. После ликвидации "затяжной” вспышки постепенно (с учетом хода ванны) восстанавливают нормальный режим обработки, а после установления нормального режима работы электролизера его подину очищают от осадка. 
 

14. 4. Реакции на электродах  при электролизе  алюминия 

Электролизер  для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри  огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. 

Al₂O₃ = Al³⁺ + AlO₃^3-

На катоде выделяется жидкий алюминий: 

Al₃⁺ + 3е- = Al 

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород: 

4AlO₃^3- – 12е- = 2Al₂O₃ + 3O₂

Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.    
 
 

  15. 4. Основные переделы переработки титановой руды  

Принципиальная  схема производства

Процесс производства четыреххлористого титана состоит  из пяти основных переделов: подготовки сырья, хлорирования, конденсации продуктов  хлорирования, очистки четыреххлористого  титана и переработки отходов.  

Подготовка сырья  заключается в приготовлении  брикетов из титансодержащего материала и кокса, пригодных для хлорирования. Этот передел включает операции дробления, размола, смешения, брикетирования и прокалки брикетов.

Хлорирование  осуществляется в различных аппаратах:

а) со статическим  или неподвижным слоем шихты (шахтные электропечи, шахтные хлораторы) ;

 б) с жидкой  ванной из расплавленных хлоридов  щелочных или щелочноземельных  металлов (солевой хлоратор) ;

 в) с псевдокипящим  слоем шихты. 

Для хлорирования титансодержащих материалов (титансодержащие шлаки, искусственный и естественный рутил, некондиционные отходы титановых сплавов) применяют как 100% компрессированный хлор, так и разбавленный воздухом анодный хлоргаз, получаемый в процессе электролиза магния и натрия. В процессе хлорирования оксиды титансодержащих минералов взаимодействуют с хлором и углеродом и переводятся в хлориды. Процесс хлорирования проводят при 900–1500 К. Назначение конденсации – отделить четыреххлористый титан от хлоридов, примесных элементов и получить технический четыреххлористый титан.  

Очистка технического четыреххлористого титана. Здесь  происходит уже окончательная очистка  четыреххлористого титана от растворенных в нем примесей.

Переработка отходов. Чем богаче материал по содержанию в нем титана, тем проще его  перерабатывать путем хлорирования. Однако с повышением чистоты исходного сырья стоимость его возрастает. Поэтому для промышленного производства четыреххлористого титана применение титансодержащих материалов высокой чистоты (например титана) экономически не всегда выгодно.  

Подготовка сырья 

Титановые шлаки, получающиеся в результате руднотермической восстановительной плавки железо-титановых  концентратов, дробят в щековой и  конусной дробилках. После измельчения  шлаки размалывают в шаровых  мельницах. Размолотый шлак должен содержать фракций +0.1 мм не более 10% (по массе) и металлического железа менее 4%. После удаления с помощью магнитной сепарации металлического железа размолотый шлак поступает на хлорирование (при использовании солевых хлораторов или аппаратов кипящего слоя) или в отделение подготовки шихты (брикетирование, агломерация, окомкование) при использовании шахтных хлораторов с подвижным слоем.  

Аппараты для  хлорирования.

Хлорирование  в шахтных электропечах и шахтных  хлораторах с подвижным слоем.

Шахтная электропечь. На первом этапе развития титановой промышленности в качестве основного промышленного аппарата использовались шахтные электропечи (ШЭП) для производства магния. В титановом производстве их конструкция подвергалась значительным изменениям. Шахтная электоропечь состоит из двух зон – верхней и нижней. В верхнюю зону через свод печи загружают шихту; в нижнюю зону, оборудованную электродами, загружают угольную насадку и подают хлор. Шахтные электропечи незаменимы при использовании титаносодержащего сырья с компонентами, хлориды которых низколетучи (например, перовскиты, титаномагнетиты и др.) . Шахтная электропечь сыграла важную роль создании и развитии отечественной титановой промышленности.

Хлоратор с  подвижным слоем. В связи с  появлением титаносодержащих шлаков с низким содержанием в них CaO и MgO шахтные электропечи вытеснены более совершенным аппаратом – хлоратором с подвижным слоем. Основное отличие его от ШЭП – отсутствие электрообогрева, сложной насадочной зоны и наличие в нижней его части герметичного разгрузочного устройства для непрерывного удаления непрохлорированного остатка.