Общие способы получения металлов

производства»
Журнал «Экология и жизнь»
Телеканал RTG
Задачи производственного характера
Источники информации

Содержание презентации

04.05.2014

комплекс,
химическая промышленность

Значение металлургии

04.05.2014

восстановления

1. Гидрометаллургическое восстановление – восстановление химическими восстановителями из водных растворов
CuSO4 + Zn = Cu + ZnSO4

2. Пирометаллургическое восстановление – восстановление химическими восстановителями при высокой температуре из расплавов или твёрдой фазы
FeO + CO = Fe + CO2

3. Электрогидрометаллургическое восстановление – восстановление электрическим током из водных растворов или расплавов
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu↓ + 2H2SO4 + O2↑

04.05.2014

в руде металлов
1. Монометаллические (простые)
2. Полиметаллические (комплексные)
По содержанию металла
1. Богатые; 2. Средние
3. Бедные
По форме нахождения металла
1. Самородные (Ме); 2. Окисленные (МеО)
3. Сульфидные (МеS); 4. Галогенидные (МеНаl)

Классификация металлических руд

04.05.2014

оксидов
CuO + H2 = Cu + H2O

Оксид углерода (II) – является одним из сильнейших восстановителей в металлургии
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Углерод – процесс карботермия, дешёвый восстановитель
2PbO + C = 2Pb + CO2

Металлы – процесс металлотермия: Al - алюмотермия; Mg - магнийтермия; Ca – кальцийтермия
2Al + 3CuO = Al2O3 + 3Cu
Fe2O3 + 3Mg = 3MgO + 2Fe
5Ca + V2O5 = 5CaO + 2V

04.05.2014

(магнитный железняк)
Fe2O3 – гематит (красный железняк)
Fe2O3 ⋅ nH2O – лимонит (бурый железняк)
FeS2 – пирит (железный или серный колчедан)

XIV века.
Отцом русской доменной металлургии, считают Андрея Денисовича Виниуса.
29 февраля 1632 года получил жалованную грамоту царя Михаила Федоровича на монопольное устройство на Урале заводов с правом безоброчного владения на 10 лет.
24 марта 1636 г. заводчик объявил 144 пуда железа «первого своего дела».
Построил чугунолитейный и железоделательный заводы в 15 км от Тулы.
Позднее он основал железоделательный завод в Шенкурском уезде, на реке Ваге.
До А. Виниуса в России пользовались железом, покупавшимся в Швеции по очень высокой цене.
Тульский завод стал первым предприятием по изготовлению отечественного железа.
На его базе при Петре I в 1712 году был основан Тульский оружейный завод, который позволил прекратить импорт оружия из Европы.

04.05.2014

восстановления Fe2O3 (шахта)
Зона восстановления FeO (распар)
Зона плавления (заплечики и горн)
Доменный газ
Летка выпуска шлака
Летка выпуска жидкого чугуна

Устройство доменной печи

04.05.2014

восстанавливается до СО.
C+O2 = CO2 + Q
С+CO2 = 2CO
II Восстановление железа из руды:
Fe2O3 ⋅ nН2О = Fe2O3 + nН2О (500-700°С)
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 (450-500°С)
Fe3O4 +CO = 3FeO + CO2 (500-700°С)
FeO + CO = Fe + CO2 (700-800°С)
Железо частично реагирует с углеродом с образованием
карбида железа Fe3С, которое растворяется в жидком железе.
3Fe + C = Fe3С
III Частичное восстановление примесей:
SiO2 + 2C = Si + 2CO
MnO + C = Mn + CO
Ca3(PO4)2 + 5C = 2P + 3CaO + 5CO
Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий примеси
карбида железа, S, P, Si, Mn.
IV Шлакообразование: Известняк CaCO3 при высокой
температуре разлагается:
CaCO3= CaO+CO2
Оксид кальция взаимодействует с оксидами пустой породы:
CaO(тв.) + SiO2(тв.)= CaSiO3(ж.)
CaO (тв.) + Al2O3(тв.) =Ca(AlO2)2(ж.)
3СаО(тв.) + Р2О5(тв.) = Са3(РО4)2(ж.)

04.05.2014

S и P;
доведение содержания Si и Mn до требуемых пределов.

Сырьё:
передельный чугун;
железный лом;
обогащённая железная руда.

мартеновский
бессемеровский
томасовский
электродуговой

Способы переработки чугуна:

04.05.2014

O2 = SiO2 + Q
S + O2 = SO2 + Q
4P + 5O2 = 2P2O5 + Q
2Mn + O2 = 2MnO + Q
II Частичное окисление железа кислородом:
2Fe + O2 = 2FeO + Q
III Окисление примесей оксидом железа (II)
C + FeO = Fe + CO - Q
Si + 2FeO = 2Fe + SiO2 + Q
S + 2FeO = 2Fe + SO2 + Q
2P + 5FeO = 5Fe + P2O5 + Q
Mn + FeO = Fe + MnO + Q
IV Шлакообразование:
CaO + SiO2 = CaSiO3
3CaO + P2O5 = Ca3(PO4) 2
MnO + SiO2 = MnSiO3
V раскисление железа ферромарганцем:
FeO + Mn = MnO + Fe

Химизм варки стали

04.05.2014

году генерал-майор Павел Аносов, который надзирал над производством металла на заводе в Златоусте;
англичанин Генри Бессемер в 1856 году изобрел конверторный способ изготовления стали. Этот метод стал сегодня основным в черной металлургии;
французский металлург Пьер Мартен, в 1865 году запатентовал печь для выплавки стали нового образца, в производстве стало возможным использовать лом, которого на планете к тому времени накопилось громадное количество;
Сидней Джилкрист Томас а 1878 году придумал, как удалять из железной руды при плавке серу и фосфор.

История сталеплавильного производства

04.05.2014

В 1864 предложил новый способ получения литой стали в регенеративных пламенных печах.
Использовал  принцип регенерации тепла продуктов горения для подогрева не только воздуха, но и газа. Благодаря этому удалось получить температуру, достаточную для выплавки стали.
Широко применялся в металлургии в последней четверти XIX века.
Мартеновская печь работает в среднем 1 год, после чего кирпич выгорает и теплоизоляция ухудшается.
 С 1970-х годов новые мартеновские печи в мире более не строятся. 
В России первую мартеновскую печь построили в 1869—1870гг. на Сормовском заводе А.А.Износков и Н.Н. Кузнецов.

04.05.2014

сталь, очищают, продувая через него воздух;
сосуд, где протекает реакция (конвертер) имеет грушевидную форму с открытой горловиной вверху; укреплен на горизонтальной оси, что позволяет его наклонять;
конвертеры Бессемера и Томаса по внешнему виду одинаковы;
главное различие:  бессемеровский конвертер изнутри выложен - кислой  огнеупорной футеровкой и в нем нельзя удалить фосфор в основной шлак, потому что такой шлак быстро разъедает кислую футеровку.
Томасовский конвертер имеет основную футеровку, поэтому здесь, добавляя известь, можно получить основной шлак, который хорошо извлекает фосфор из чугуна, но не разрушает основную футеровку.
бессемеровский и томасовский конверторы позволяют за 20 мин превратить в сталь до 20 т чугуна. 

Кислородный конвертер

04.05.2014

(скрапа);
источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы (температура 3000оС);
возможность электроплавки металлов впервые была установлена русским физиком В. В. Петровым;
1909 г. считают началом промышленного производства электростали в России. В этом году на дуговой печи П. Эру было выплавлено 192 т высококачественной стали;
основоположником создания электрометаллургии качественных сталей в нашей стране следует считать металлурга Н. И. Беляева. В 1916 г. он получил первую легированную электросталь.

Электродуговая печь

04.05.2014

электродуговой печи

04.05.2014

Это система машин, выполняющая вспомогательные операции:
транспортирование исходной заготовки со склада к нагревательным печам и к валкам стана,
передачу прокатываемого материала от одного калибра к другому,
кантовку,
транспортирование металла после прокатки,
резку на части,
маркировку или клеймение,
правку,
упаковку,
передачу на склад готовой продукции и др.

Прокатный стан

04.05.2014

На 1 т выплавленного чугуна выделяется 11—13 кг пыли, 190—200 кг оксида углерода, 0,4 кг диоксида серы, 0,7 кг углеводородов и др.
Концентрация пыли в отходящих газах составляет 5—20 г/м3, размер пыли 35 мкм.
При литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества.
При литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества

04.05.2014

Только 15 – 30% металлургических отходов подвергаются переработке.
Основная часть отработанных материалов хранится в отвалах (пластах, негодных для выработки), на шламовых полях и т.п.
По подсчётам экологов, площадь территории России, занимаемая промышленными отходами металлургических предприятий, составляет свыше 1300 кв. км. Зачастую отработанное сырьё складируется на плодородных землях.
Промышленные отходы изобилуют токсичными веществами, и вещества эти способны мигрировать на огромные дистанции. Поэтому окружающая среда в радиусе 200 км от места захоронения металлургических отходов является загрязнённой.

04.05.2014

безотходного производства.
Для этого предприятиях помимо основного производства (чугуна, стали и проката) развиты сопутствующие химические производства по выпуску бензола, аммиака, минеральных удобрений, цемента.
Так как сернистый газ загрязняет окружающую среду, то на многих современных производствах этот газ при помощи специальных устройств улавливается и используется для производства серной кислоты.
Котлы-утилизаторы используют физическое тепло нагретых газов для получения пара, который идёт на отопление зданий.
Пылеулавливающие устройства задерживают пыль.
Перевод сталеплавильного производства на прогрессивную технологию непрерывной разливки стали позволяет снизить вредные выбросы в атмосферу на 5,3 тыс.т. в год.

04.05.2014

дорожного и промышленного строительства;
использование основных шлаков в качестве известковых удобрений (шлаковой муки) для
сельского хозяйства;
использование фосфорсодержащих шлаков для получения удобрений для сельского
хозяйства;
вторичное использование конечных сталеплавильных шлаков.

Использование шлаков

04.05.2014

посвященный путешествиям по России, её культурному и географическому разнообразию.
Эфир телеканала состоит из эксклюзивных фильмов собственного производства о культуре и искусстве многонациональной страны, её уникальной природе, российских городах, научных достижениях. Телеканал RTG TV был дважды награжден как лучший познавательный телеканал.
Ссылка на фильм в YouTube http://www.youtube.com/watch?v=XJH1VJ1v5As

04.05.2014

1000т оксида
Fe(III), содержащего 20% пустой породы?

Дано:
m(Fe2O3 с прим.) = 1000кг

ω(пуст. пор.) = 20% = 0,2

ω(Fe) = 94% = 0,94

m(чугуна) = ?

Решение:

m(Fe2O3) = 1000 ⋅ (1 – 0,2) = 1000 ⋅ 0,8 = 800т (800000кг)

2) n(Fe2O3) = 800000/160 = 5000кмоль

5000 кмоль 10000 кмоль
3) 2Fe2O3 + 3С = 4 Fe + 3СО2
2 кмоль 4 кмоль

4) m(Fe) = 56 ⋅ 10000 = 560000кг (560т)

5) m(чугуна) = 560/0,94 = 595,74т

Ответ: масса чугуна 595,74т

04.05.2014

4т Fe?

Дано:

m(Fe) = 4т = 4000кг

ω(прим.) = 10% = 0,1

m(магнетита) = ?

Решение:

1) n(Fe) = 4000/56 = 71,43 кмоль

2) Fe3O4 + 4Н2 = 3 Fe + 4Н2О

23,8кмоль 71,43кмоль

1кмоль 3кмоль

3) m(Fe3O4) = 23,8 ⋅ 232 = 5521,6кг (5,52т)

4) ω(Fe3O4) = 1 – 0,1 = 0,9

m(магнетита) = 5,52/0,9 = 6,14т

Ответ: масса магнетита 6,14т

04.05.2014

При
этом выделилось 2,24л (н.у.) водорода. Определите массовую долю углерода
в сплаве. Что представлял собой сплав: чугун или сталь?

Дано:

m(сплава) = 5,83г

V(Н2) = 2,24л (н.у.)

ω(С) = ?

Чугун или сталь?

Решение:

1) n(Н2) = 2,24/22,4 = 0,1 моль

0,1моль 0,1моль

2) Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

1 моль 1моль

3) m(Fe) = 0,1 ⋅ 56 = 5,6г

m(С) = 5,83 – 5,6 = 0,23г

4) ω(С) = 0,23/5,83 = 0,039 (3,9%)

Ответ: массовая доля углерода 3,9%; это чугун.

04.05.2014

хрома в стали, полученной при прибавлении к 100кг стали 2кг феррохрома
(3кг феррохрома).

Дано:

ω(Fe) = 35% = 0,35

ω(Cr) = 65% = 0,65

m(стали) = 100кг

m(Fe – Cr) = 2кг (3кг)

ω(Cr в стали) = ?

Решение:

1) m1(Cr) = 2000 ⋅ 0,65 = 1300г (1,3кг)

m2(Cr) = 3000 ⋅ 0,65 = 1950г (1,95кг)

2) m1(хромовой стали) = 100 + 1,3 = 101,3кг

m2(хромовой стали) = 100 + 1,95 = 101,95кг

3) ω1(Cr в стали) = 1,3/101,3 = 0,013 (1,3%)

ω2(Cr в стали) = 1,95/101,95 = 0,019 (1,9%)

Ответ: массовые доли хрома 1,3% (1,9%)

04.05.2014

примесей, не
содержащих железо или кремний. Определите массу железа и хрома в
1000кг железной руды.

Дано:

ω(Fe2O3) = 85% (0,85)

ω(SiO2) = 10% (0,1)

ω(других прим.) = 5% (0,05)

m(руды) = 1000кг

m(Fe) = ?

m(Si) = ?

Решение:

1) m(Fe2О3) = 1000 ⋅ 0,85 = 850кг

m(SiО2) = 1000 ⋅ 0,1 = 100кг

2) М(Fe2О3) = 56 ⋅ 2 + 48 = 160кг/кмоль

М(SiО2) = 28 + 16 ⋅ 2 = 60кг/кмоль

3) m(Fe) = (112 ⋅ 850)/160 = 595кг

m(Si) = (28 ⋅ 100)/60 = 46,67кг

Ответ: масса железа 595кг, масса кремния 46,67кг

04.05.2014

из 1000 кг Fe2O3 и массу угля, который надо сжечь
для получения требуемого объёма оксида углерода (II).

Дано:

m(Fe2О3) = 1000кг

V(CO) (н.у.) = ?

m(С) = ?

Решение:

1) n(Fe2О3) = = 1000/160 = 6,25кмоль

6,25кмоль 18,75кмоль

2) Fe2O3 + 3СО = 2 Fe + 3СО2

1кмоль 3кмоль

3) V(CO) (н.у.) = 18,75 ⋅ 22,4 = 420м3

18,75кмоль 18,75кмоль

4) 2С + О2 = 2СО

2кмоль 2кмоль

5) m(С) = 18,75 ⋅ 12 = 225кг

Ответ: объём угарного газа 420м3, масса угля 225кг.

04.05.2014