Металлургические процессы и огнеупорные материалы
Процессы получения металлов из руд называются металлургическими. Различают два вида металлургических процессов — гидро- и пирометаллургические.
Гидрометаллургия (гидро, по-гречески вода) — процесс получения металла путем обработки руд большой массой растворителей (мокрый способ). Выщелачиванием химические соединения, богатые металлом, переводят в раствор с последующим получением концентратов. Гидрометаллургия в некоторых случаях применяется, например, для получения меди и золота, а также марганца, пинка, кадмия, кобальта, платины, серебра и др.
Пирометаллургия (пирос, по-гречески огонь) — процесс получения металлов главным образом плавкой руды. Источником тепла служат топливо, электроэнергия и экзотермические реакции в жидком расплаве. Пирометаллургическим способом перерабатывают основное количество встречающихся в земной коре руд.
Металлургическая технология по существу сводится к созданию таких условий (температура, давление, концентрации реагирующих веществ), при которых физические процессы и химические превращения совершаются самопроизвольно и с достаточно высоким выходом.
При этом закон действующих масс сводится главным образом к тому, что скорость химической реакции при различных процессах прямо пропорциональна концентрации действующих масс, т. е. если в какой-либо среде идут химические процессы, например соединение с кислородом, то интенсивнее окисляться будут те элементы, содержание которых в среде наибольшее.
Все химические и физико-химические процессы (например, растворение) идут с поглощением или выделением тепла. Если воздействовать извне на среду, в которой происходят эти процессы, например, повышать или понижать температуру или давление, то течение процессов изменяется таким образом, что эффект произведенного извне воздействия уменьшится. Так, при нагревании пойдут реакции с поглощением тепла, способствующие понижению температуры, а при охлаждении, наоборот,— реакции с выделением тепла, способствующие повышению температуры. Следовательно, путем нагрева или охлаждения можно влиять на ход реакций в металлургических процессах в желаемом направлении.
При пирометаллургическом процессе важную роль играет газовая атмосфера, определяющая направление и ход процесса. Если в атмосфере имеется свободный кислород, то он соединяется с металлом, углеродом и другими веществами, т. е. окисляет их. Поэтому такая атмосфера называется окислительной. Если в атмосфере содержится преимущественно свободная окись углерода, то она, реагируя с окислами расплава, отнимает у них кислород, т. е. восстанавливает металл. Поэтому атмосфера, в которой имеется окись углерода, называется восстановительной.
Огнеупорные материалы. Материалы, которые при высоких температурах (выше 1580°С) обладают прочностью, не размягчаются, не плавятся и не разрушаются, называются огнеупорными. Огнеупорные материалы подразделяются на естественные и искусственные.
К числу естественных огнеупорных материалов относятся песчаники, кварцевый песок, сланцы, асбест, хромистый железняк и др. Они находят применение в металлургии в естественном виде. Недостатком естественных огнеупорных материалов является неоднородность как по химическому составу, так и по физическому состоянию. В важнейших отраслях промышленности, таких как металлургическая, химическая, широко используются искусственные огнеупорные материалы в виде всевозможных изделий. Например, огнеупорный кирпич служит для футеровки (кладки изнутри) металлургических печей и других металлургических и тепловых устройств.
Важнейшими свойствами огнеупорных изделий являются: огнеупорность — способность выдерживать высокие температуры, не размягчаясь и не расплавляясь; термостойкость — способность выдерживать большое число теплосмен; химическая стойкость — свойство не вступать в химическое взаимодействие с исходными материалами металлургического процесса — шихтой, продуктами плавки шихты и печными газами, так как это может вызвать разъедание огнеупоров; стойкость против разрушения и способность сохранять объем при колебаниях температур. Огнеупорные изделия разделяют на кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезиальные, углеродистые и т. д.
Кремнеземистые огнеупорные изделия (кислые) представлены кварцевым песком и динасовым кирпичом, приготовленным из кварцевых пород, содержащих 92—96% Si02. Огнеупорность динаса 1690— 1730 С.
К достоинствам динаса следует отнести его достаточно высокую устойчивость против деформации под нагрузкой при высоких температурах, а к недостаткам — плохую термостойкость.
Алюмосиликатные изделия различают полукислые (70—80% Si02), шамотные (40—45% А1203), муллитовые и т. д., огнеупорность этих изделий 1710—2000°С. Для них характерна хорошая устойчивость против деформации под нагрузкой при высоких температурах, удовлетворительная термостойкость. В среднем изделия этого вида характеризуются хорошей устойчивостью по отношению к основным и кислым шлакам.
Магнезиальные изделия (основные) подразделяются на следующие группы: магнезитовые, доломитовые, форстеритовые, шпинельные и т. д.
Хромистые изделия подразделяются на хромитовые и хромомагнезитовые. Огнеупорность этих изделий высокая— 1800—2000°С, устойчивость против воздействия основных и кислых шлаков хорошая.