Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950 – 960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы – очень агрессивны, противостоять которым могут углеродистые и некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера.  Для преобразования переменного тока в постоянный на современных заводах применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные в кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один выпрямительный агрегат дает ток силой до 63 кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, так как все они включены параллельно.  Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, который периодически выливается с помощью вакуум-ковша и направляется в литейное отделение на разливку или миксер, где в зависимости от дальнейшего назначения металла готовятся сплавы с кремнием, магнием, марганцем, медью или проводится рафинирование. На аноде происходит окисление выделяющимся кислородом углерода. Отходящий анодный газ представляет собой смесь СО₂ и СО.  Электролизеры обычно снабжены укрытиями, отводящими отходящие газы, и системой очистки. Это снижает выделение вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс требует, чтобы укрытие было герметично для обеспечения отсоса газа в коллектор с помощью вентиляторов. В удаляемых газах от электролизеров преобладают диоксид углерода (большая часть оксида углерода дожигается либо над электролитом, либо в специальных горелках после газосборного колокола), азот, кислород, газообразные и твердые фториды и частицы глиноземной пыли. Для их удаления и возвращения в процесс применяются различные технологические схемы.  Современные электролизеры оборудованы системой автоматического питания глиноземом (АПГ) с периодом загрузки 10 – 30 мин.  Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением  Таким образом, теоретически на процесс электролиза расходуются глинозем и углерод анода, а также электроэнергия, необходимая не только для осуществления электролитического процесса – разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей температуры. Практически расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. Для получения 1 т алюминия необходимо:

Производство алюминия является одним из самых энергоемких процессов, поэтому алюминиевые заводы строят вблизи источников энергии.  Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, кремний, медь и др.), так как эти примеси при электролизе практически полностью переходят в металл. 

Промышленный способ получения алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов, несмотря на длительное его применение, имеет ряд существенных недостатков: высокий удельный расход электроэнергии, низкие удельный съем металла и срок службы электролизеров, большие трудовые и капитальные затраты, выделение вредных веществ в атмосферу и ряд других.

8.4 Производство магния

Пластическая деформация магния и его сплавов про­исходит при повышенных температурах. Следует отме­тить очень хорошую обрабатываемость резанием магния и его сплавов. Магний и его сплавы легко свариваются. Механические свойства прокатанного и отожженного магния: _в =180 МПа; _0,2 = 100 МПа;  = 15%. Для получения сплавов к магнию добавляют различные элементы, повышающие его свойства. К основным легирующим элементам относятся алюминий, цинк и марганец.

Рис. 8.5. Шахтная печь для 1 — летка; 2 — угольные электроды; 3 — ремонтный люк; 4 — загрузочное устройство; 5 — газоотвод; 6 — футеровка; 7 — хлорные фурмы; 8 — шихта; 9 — угольные брикеты

Рис. 8.6. Схема магниевого диафрагменного электролизера

8.5 Производство меди

Все медные руды являются бедными и обычно содер­жат 1…2 %, иногда меньше 1 % меди. Пустая порода, как правило, состоит из песчаников, глины, известняка, сульфидов железа и т. п. Многие руды являются ком­плексными — полиметаллическими и содержат, кроме меди, никель, цинк, свинец и другие ценные элементы в виде окислов и соединений. Примерно 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом; около 10 % —гидрометаллур­гическим способом.  Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми рас­творами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот способ, применя­емый для переработки бедных окисленных руд, не по­лучил широкого распространения в нашей промышлен­ности. Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт — штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафиниро­вание, т. е. очистку от примесей (рис. 2.1). Рис. 8.7. Упрощенная схема пирометаллургического производства меди

Наиболее широко для обогащения медных руд при­меняется метод флотации. Флотация основана на раз­личном смачивании водой металлсодержащих частиц и частиц пустой породы (рис. 3) а) (б Рис 8.8.Схема флотации а – принципиальная схема механической флотационной машины; б – схема всплывания частиц; 1 – мешалка с лопастями; 2 – перегородка;  3 – схема минерализованной пены; 4 – отверстие для удаления хвосты (пустой породы); I – зона перемешивания и аэрации

8.6 Производство титана

Плавка титана ведется в электрических высокочастотных или в электродуговых печах. Электродуговые печи находят большое применение и разделяются на два типа с постоянным водоохлаждаемым вольфрамовым электродом или с расходуемым прессованным электродом из титановой губки. На рис. 37, а) и б) представлена схема печей для плавки титана. Плавка ведется в вакууме или в среде инертных газов. Емкость, в которой накапливается титан и образуется слиток, изготавливается из графита или из чистой красной меди и усиленно охлаждается водой.

Рис.8.9. Схема конструкции печей для плавки титана и его сплавов: А - электродуговая с постоянным вольфрамовым электролитом: 1-электрод; 2-изолирующая втулка; 3-вибратор; 4-загрузочный бункер; 5-зажим; 6-гибкий сильфон; 7-окно; 8-изолятор; 9-резиновя прокладка; 10-медный тигель; Б - электропечь с высокочастотным нагревом: 1-балаган;2-водоохлаждаемый высокочастотный индуктор; 3-окно для наблюдения; 4-графитовая втулка;5-мешалка; 6-щуп для загрузки; 7-загрузочный бункер; 8-графитовая труба; 9 - графитовый плавильный тигель; 10-кварцевый кожух; 11-водоохлаждаемый высокочастотный индуктор;  12 — опорные блоки; 13-графитовая муфта; 14-графитовая изложница

В электропечи с постоянным вольфрамовым электродом охлаждаемый тигель постепенно наплавляется титаном, потом из него извлекают слиток. Форма слитка соответствует форме тигля. В электропечи с высокочастотным нагревом (рис. 37, б) наплавляют тигель титаном и поддерживают его в жидком состоянии за счет высокочастотного обогрева. Когда емкость графитового тигля заполнена внизу, расплавляется пробка и титан заполняет изложницу. Форму слитка можно получить любую. Таким образом, из титана или его сплава можно также получать и литые фасонные детали.

Глава 9. Современные технологии литейного производства

9.1 Способы изготовления отливок

Литьё — технологический процесс изготовления заготовок (реже — готовых деталей), заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом (металлом,сплавом,пластмассойи т. п.) с последующим его затвердеванием.

Литьём называют также продукцию литейного производства, художественные изделия и изделия народных промыслов, полученные с помощью литья.

Известно множество разновидностей литья:

1) в песчаные формы (ручная или машинная формовка);

2) в многократные (цементные, графитовые, асбестовые формы);

3) в оболочковые формы;

4) по выплавляемым моделям;

5) по замораживаемым ртутным моделям;

6) центробежное литье;

7) в кокиль;

8) литьё под давлением;

9) по газифицируемым (выжигаемым) моделям;

10) вакуумное литьё;

11) электрошлаковоелитьё;

12) литьё с утеплением.

Так как разновидности литья различаются одновременно по многим разнородным признакам, то возможны и комбинированные варианты, например, электрошлаковое литьё в кокиль.

9.2 Литье в песчаные формы

Литьё в песчаные формы — дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75-80% по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале изготовляется литейная модель (ранее — деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком илиформовочной смесью(обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия — литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяютлитниковую систему(обычно это обрубка), удаляютоблойи проводяттер мообработку.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах