1. Производство меди, обогащение и обжиг концентрата

1. Производство меди, обогащение и обжиг концентрата

Медь получают главным образом пирометаллургическим способом. Пиро­металлургия — это совокупность метал­лургических процессов, протекающих при высоких температурах. Производство ме­ди из медных руд включает в себя их обо­гащение, обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейн а черновой меди (конвертирование) и ее очистку от примесей (рафинирование).

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1... 6 % Си, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS* Cu₂S, CuS), оксидов (Cu₂0, CuO) или гидрокарбонатов [СиСОз, Си(ОН)2, 2СиС0₃ • Си(ОН)₂]. Перед плав­кой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания °еры в концентрате его подвергают окис­лительному обжигу при температуре 750... 800 °С. Полученный концентрат переплавляют в отражательных или элек­трических печах. При температуре 1250... 1300 °С восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Обра­зующийся оксид меди (Cu₂0), реагируя с FeS, дает Cu₂S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а рас­плавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (кон­вертируют) для окисления сульфидов ме­ди и железа и получения черновой меди.

Черновая медь содержит 98,4... 99,4 % Си и небольшое количество при­месей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сна­чала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и др. окисляются кислородом воз­духа, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего сни­мают шлак и погружают в медь сырое

дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению S0₂ и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от Cu₂0 ванну жидкой меди покрывают древесным углем и по­гружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, кото­рые восстанавливают Cu₂0.

После огневого рафинирования по­лучают медь чистотой 99... 99,5 %. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от приме­сей меди (99,5 % Си). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди ог­невого рафинирования, а катоды - из лис­тов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuS0₄ (10... 16 %) _и H₂S0₄ (10... 16 %). При пропускании по­стоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разря­жаются ионы меди:

Си²* + 2е~ Си.

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

2. Газовая сварка, структура факела, распределение температур

При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотем­пературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рис. 5.18). Газовое пламя получают при сгорании ацетилена в атмосфере техниче­ски чистого кислорода.

Кислород, используемый для свароч­ных работ, поставляют к месту потребле­ния в стальных баллонах под давлением 15 МПа.

Кислородный баллон (рис. 5.19) представляет собой стальной цилиндр со сферическим днищем 6 и горловиной 4 для крепления запорного вентиля 2. На нижнюю часть баллона насаживают баш­мак 5, позволяющий ставить баллон вер­тикально. На горловине имеется кольцо 3 с резьбой для навертывания защитного колпака 1.

Средняя жидкостная вместимость баллона до 40 дм³. При давлении 15 МПа он вмещает 6000 дм³ кислорода.

Кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью "Кис­лород".

Для снижения давления газа на вы­ходе из баллона и поддержания постоян­ного рабочего давления применяют газо­вые редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 0,1 МПа, а ацетиленовые - от 1,6 до 0,02 МПа. Ре­дукторы, применяемые в сварочной тех­нике, обычно имеют два манометра, один из которых измеряет давление газа до входа в редуктор, другой - на выходе из него.

Корпус редуктора окрашивают в оп­ределенный цвет, например голубой для кислорода, белый для ацетилена и т.д. К сварочной горелке кислород от редуктора подают через специальные резиновые шланги.

В качестве горючих газов кроме аце­тилена можно также применять природ­ные газы, водород, пары бензина и керо­сина, нефтяные газы и др. Перечисленные горючие газы могут быть использованы главным образом для кислородной резки, не требующей высокой температуры пла­мени.

Ацетилен имеет ббльшую теплоту сгорания по сравнению с другими горю­чими газами и высокую температуру пла­мени (3200 °С), поэтому он более пред­почтителен для газовой сварки. Ацетилен (С2Н2) - горючий газ с удельной теплотой сгорания 54 кДж/м³. Его получают в спе­циальных аппаратах - газогенераторах g при взаимодействии воды с карбидом кальция:

СаС₂ + 2Н₂0 о Са(ОН)₂ + С₂Н₂ +Щ

При разложении 1 кг карбида каль­ция образуется 250... 300 дм³ ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо рас­творяется в ацетоне (в одном объеме аце­тона при давлении 0,15 МПа растворяется 23 объема ацетилена). Последнее свойст­во используют для его безопасного хране­ния в баллонах.

Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись "Ацетилен". Их конст­рукция аналогична конструкции кисло­родных баллонов. Давление ацетилена в баллоне 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Раство­ренный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.

Сварочные горелки используют для образования сварочного пламени. В про­мышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она наибо­лее безопасна и работает на низком и среднем давлениях (рис. 5.20). В инжек­торной горелке кислород под давлением 0,1... 0,4 МПа через регулировочный вен­тиль 6 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала ин­жекторного конуса, кислород создает зна­чительное разрежение в камере 4 и заса­сывает горючий газ, поступающий через вентиль 7 в ацетиленовые каналы 8 горел­ки и камеру смешения 5, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь по­ступает по наконечнику 2 к мундштуку /, на выходе из которого при сгорании обра­зуется сварочное пламя.

Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мунд­штука, что позволяет регулировать мощ­ность ацетилено-кислородного пламени. Обычно горелки имеют семь номеров сменных наконечников.

Сварочное пламя образуется в ре­зультате сгорания ацетилена, смешиваю­щегося в определенных пропорциях с ки­слородом в сварочных горелках. Ацети- лено-кислородное пламя / состоит из трех

зон (рис. 5.21): ядра пламени /, средней зоны 2 и факела пламени 3. В зоне 1 про­исходит постепенный нагрев до темпера­туры воспламенения газовой смеси, по­ступающей из мундштука; в зоне 2 - пер­вая стадия горения ацетилена за счет ки­слорода, поступающего из баллона:

2СО + Н₂ + ³/₂ 0₂ = 2С0₂ + Н₂0.

Пары воды и С0₂ при высоких тем­пературах окисляют металл, поэтому дан­ную зону называют окислительной. Сва­рочное пламя называется нормальным, когда соотношение 0₂/С₂Н₂ * 1,1. Нор­мальным пламенем сваривают большин­ство сталей. При увеличении содержания кислорода (0₂/С₂Н₂> 1,1) пламя приобре­тает голубоватый оттенок и имеет заост­ренную форму ядра. Такое пламя облада­ет окислительными свойствами и мо­жет быть использовано только при сварке латуни. В этом случае избыточный кисло­род образует с цинком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка кото­рых препятствует дальнейшему испаре­нию цинка.

При увеличении содержания ацети­лена (0₂/С₂Н₂ < 1,1) пламя становится науглероживающим и применяется для сварки чугуна и цветных металлов, так как в этом случае компенсируется вы­горание углерода и восстанавливаются оксиды цветных металлов.

Газосварочное пламя

Для газовой сварки сталей присадоч­ную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого изделия. При сварке чугуна применяют специаль­ные литые чугунные стержни; для на­плавки износостойких покрытий - литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специаль­ных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки меди и ее сплавов - кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для свар­ки алюминиевых сплавов - бескислород­ные флюсы на основе фтористых, хлори­стых солей лития, калия, натрия и кальция.

Роль флюса - растворение оксидов и образование шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во флюсы можно вводить элементы, раскис­ляющие и легирующие наплавленный металл.

При газовой сварке заготовки нагре­ваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области ее применения: для сварки металлов малой толщины (0,2... 3 мм); легкоплавких цвет­ных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагре­ва и охлаждения, например инструмен­тальных сталей, чугуна, латуней; для пай­ки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отлив­ках. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается, свариваемые изделия значи­тельно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки.

При кислородной резке происходит локальное сжигание металла в струе ки­слорода и удаление этой струей образую­щихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты. Для начала горения металл подогре­ вают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1000 ••• 1200 °С)