Общие способы получения металлов

Общие способы получения металлов

Понятие о металлургии

Ленинградская область, Волховский район, МОБУ «Сясьстройская СОШ №2»

Автор: учитель химии высшей квалификационной категории Бочкова Ирина Анатольевна

2013-2014 учебный год

Схема металлургического производства

Содержание презентации.

Схема металлургического производства Журнал «Национальная металлургия» Журнал «Металлургия машиностроения» Журнал «Металлург» Журнал «Чёрные металлы» Журнал «Экология производства» Журнал «Экология и жизнь» Телеканал RTG Задачи производственного характера Источники информации

03.10.2014

2

Чёрная металлургия

Схема металлургического производства (чёрная металлургия).

03.10.2014

3

Металлургический комбинат

03.10.2014

4

Значение металлургии

Основа индустрии фундамент машиностроения крупнейшими потребителями являются: металлообработка, строительная индустрия, железнодорожный транспорт, военно-промышленный комплекс, топливно-энергетический комплекс, химическая промышленность

03.10.2014

5

Металлургические процессы

- Извлечение металлов из руд и использование отходов производства

03.10.2014

6

Методы восстановления

- Зависят от фазы, в которой проводят восстановление (раствор, расплав, твёрдая)

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?

03.10.2014

7

Классификация металлических руд

03.10.2014

8

Важнейшие восстановители

Водород – при нагревании водород восстанавливает многие металлы из их 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

03.10.2014

9

Доменное производство

(выплавка чугуна).

Источник получения железа – железная руда:

История доменного производства

Первые доменные печи появились в Европе в середине 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.

03.10.2014

11

Устройство доменной печи

Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса (загрузочное устройство) Зона предварительного нагрева (колошник) Зона восстановления Fe2O3 (шахта) Зона восстановления FeO (распар) Зона плавления (заплечики и горн) Доменный газ Летка выпуска шлака Летка выпуска жидкого чугуна

03.10.2014

12

Химизм доменных процессов

I Образование восстановителя: Проходя через раскалённый кокс (17000С), CO2 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.)

03.10.2014

13

Производство стали

Сущность процесса: уменьшение содержания углерода; возможно более полное удаление S и P; доведение содержания Si и Mn до требуемых пределов.

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

Способы переработки чугуна:

03.10.2014

14

Химизм варки стали

I Окисление примесей кислородом воздуха: 2C + O2 = 2CO +Q Si + 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

03.10.2014

15

История сталеплавильного производства

Первым секрет получения дамасской, или булатной стали разгадал в 1828 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.

03.10.2014

16

Мартеновская печь

Название произошло от фамилии французского инженера и металлурга Пьера Мартена. 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.

03.10.2014

17

Мартен

03.10.2014

18

Кислородный конвертер

В основе процессов лежит один принцип: чугун, из которого получают 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.

03.10.2014

19

Сталевары

03.10.2014

20

Электродуговая печь

Основное назначение дуговой печи - выплавка стали из металлического лома (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.

03.10.2014

21

Устройство электродуговой печи

Свод печи Под печи Механизм наклона печи Электроды Расплав Электрическая дуга

03.10.2014

22

Дуговая сталеплавильная печь

03.10.2014

23

Прокатный стан

Комплекс оборудования, в котором происходит пластическая деформация металла между вращающимися валками. 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.

03.10.2014

24

Виды проката

03.10.2014

25

Экологические проблемы металлургии

Современное сталеплавильное производство характеризуется значительным объемом технологических выбросов. 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

03.10.2014

26

Общая масса накопленных промышленных отходов

составляет около 30 млрд. т. 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.

03.10.2014

27

Способы решения экологических проблем

При металлургическом производстве необходимо стремиться к созданию 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.

03.10.2014

28

Использование шлаков

Образующиеся шлаки используют в следующих направлениях: извлечение металла; получение щебня для 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.

03.10.2014

29

Видеоэкскурсия на металлургический комбинат

Russian Travel Guide TV - международный познавательный телеканал, 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

03.10.2014

30

Задачи производственного характера

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

Задача №1 Сколько чугуна, содержащего 94% Fe, можно получить из 1000т оксида Fe(III), содержащего 20% пустой породы?

Решение:

M(fe2o3) = 1000 ? (1 – 0,2) = 1000 ? 0,8 = 800т (800000кг)

2) n(fe2o3) = 800000/160 = 5000кмоль

4) m(fe) = 56 ? 10000 = 560000кг (560т)

5) m(чугуна) = 560/0,94 = 595,74т

Ответ: масса чугуна 595,74т

Дано: m(Fe2O3 с прим.) = 1000кг

?(Пуст. Пор.) = 20% = 0,2

?(Fe) = 94% = 0,94

M(чугуна) = ?

03.10.2014

31

Масса магнетита

Задача №2 Какая масса магнетита Fe3O4, содержащая 10% примесей, потребуется для получения 4т Fe?

Решение:

1) n(fe) = 4000/56 = 71,43 кмоль

2) fe3o4 + 4Н2 = 3 fe + 4Н2О

3) m(fe3o4) = 23,8 ? 232 = 5521,6кг (5,52т)

4) ?(Fe3O4) = 1 – 0,1 = 0,9

M(магнетита) = 5,52/0,9 = 6,14т

Ответ: масса магнетита 6,14т

Дано:

M(fe) = 4т = 4000кг

?(Прим.) = 10% = 0,1

M(магнетита) = ?

23,8кмоль 71,43кмоль

1кмоль 3кмоль

03.10.2014

32

Сплав железа с углеродом

Задача №3 Сплав железа с углеродом массой 5,83г растворили в соляной кислоте. При этом выделилось 2,24л (н.у.) водорода. Определите массовую долю углерода в сплаве. Что представлял собой сплав: чугун или сталь?

Решение:

1) n(Н2) = 2,24/22,4 = 0,1 моль

2) Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

3) m(fe) = 0,1 ? 56 = 5,6г

m(С) = 5,83 – 5,6 = 0,23г

4) ?(с) = 0,23/5,83 = 0,039 (3,9%)

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

Дано:

M(сплава) = 5,83г

V(Н2) = 2,24л (н.у.)

?(С) = ?

Чугун или сталь?

1 моль 1моль

0,1моль 0,1моль

03.10.2014

33

Феррохром

Задача №4 Феррохром содержит 65% хрома и 35% железа. Определите массовую долю хрома в стали, полученной при прибавлении к 100кг стали 2кг феррохрома (3кг феррохрома).

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) ?1(cr в стали) = 1,3/101,3 = 0,013 (1,3%)

?2(cr в стали) = 1,95/101,95 = 0,019 (1,9%)

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

Дано:

?(Fe) = 35% = 0,35

?(Cr) = 65% = 0,65

M(стали) = 100кг

M(fe – cr) = 2кг (3кг)

?(Cr в стали) = ?

03.10.2014

34

Железная руда

Задача №5 Железная руда содержит 85% Fe2O3, 10% SiO2 и 5% других примесей, не содержащих железо или кремний. Определите массу железа и хрома в 1000кг железной руды.

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

Дано:

?(Fe2O3) = 85% (0,85)

?(SiO2) = 10% (0,1)

?(Других прим.) = 5% (0,05)

M(руды) = 1000кг

m(Fe) = ?

m(Si) = ?

03.10.2014

35

Объём угарного газа

Задача №6 Определите объём (н.у.) оксида углерода (II), необходимый для восстановления железа из 1000 кг Fe2O3 и массу угля, который надо сжечь для получения требуемого объёма оксида углерода (II).

Решение:

1) n(Fe2О3) = = 1000/160 = 6,25кмоль

2) fe2o3 + 3СО = 2 fe + 3СО2

3) V(CO) (н.У.) = 18,75 ? 22,4 = 420м3

4) 2с + о2 = 2со

5) m(С) = 18,75 ? 12 = 225кг

Дано:

m(Fe2О3) = 1000кг

V(CO) (н.У.) = ?

M(с) = ?

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

6,25кмоль 18,75кмоль

1кмоль 3кмоль

18,75кмоль 18,75кмоль

2кмоль 2кмоль

03.10.2014

36

Источники информации

А.А.Карцова, А.Н.Лёвкин Химия 11 класс. Профильный уровень., М., «Вентана-Граф», 2012 М.А.Рябов. Сборник задач и упражнений по химии. 9 класс. М., «Экзамен», 2013. Металлургический комбинат http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1829545 Основы металлургического производства http://fs.nashaucheba.ru/docs/180/index-170427.html Фотографии http://www.google.ru/imghp?hl=ru&tab=ii http://loveopium.ru/texnologiya/stalevary.html Революция технологий http://lon-live-metal.narod.ru/Revolution_2_Me.htm Металлоискатели http://www.epr-magazine.ru/industrial_history/technologies/metallsearch/ Как закалялась сталь http://fishki.net/comment.php?id=90823 Металлургические отходы http://www.dishisvobodno.ru/iron-and-steel-waste.html

03.10.2014

37