Towaroznawstwo artykułów przemysłowych. Wykład 3 Metale nieżelazne

Transkrypt

1 Towaroznawstwo artykułów przemysłowych Wykład 3 Metale nieżelazne

2 Inne metale (nieżelazne) o dużym znaczeniu praktycznym Miedź Aluminium Cynk Ołów Metale szlachetne i rzadkie (Ag, Au, W, Ti, )

3 Metalurgia miedzi Miedź, Cu, M = 63,6 D, miękki metal o charakterystycznej czerwonozółtej barwie; T t = 1084 C, T w = 2560 C, d = 8,9 kg/dm 3. Główne rudy: chalkopiryt CuFeS 2. chalkozyn Cu 2 S błyszcz miedziany (zagłębie lubińskie, rudy zawierają średnio 1,5% Cu).

4 Produkcja miedzi (metoda hutnicza) Prażenie rud przekształcenie chalkopirytu w Cu 2 S i FeS, Wytapianie kamienia miedziowego reakcje: Cu 2 S + 2Cu 2 O 6Cu + SO 2 ; 2Cu + FeS Cu 2 S + Fe; Cu 2 O + FeS Cu 2 S + FeO; niezbędna obecność FeS zapobiega ona przechodzeniu miedzi do żużla, Wytapianie miedzi czarnej przedmuchiwanie stopionego kamienia w konwertorach (gruszkach Bessemera), Rafinacja płomieniowa wstępna, polega na przeprowadzeniu do żużla Fe, Ni, Co, Pb, P i odparowaniu As, Sb, Zn. Po tzw. biegunowaniu (usunięciu SO 2 ) produkt zawiera 99% Cu. Rafinacja elektrolityczna elektrolizuje się płyty miedzi popłomieniowej w roztworze kwasu siarkowego. Zanieczyszczenia, w tym metale szlachetne: Au, Ag, Pt, przechodzą do szlamu.

5 Wytop miedzi sposobem hutniczym temp. do ok C Etapy prażenie rud siarczkowych, wytapianie kamienia miedziowego, otrzymywanie miedzi czarnej (surowej), rafinowanie miedzi czarnej.

6 Produkcja miedzi (metoda hydrometalurgiczna) Metoda zmniejsza uciążliwość dla środowiska powstającego w procesie hutniczym rozcieńczonego powietrzem SO 2. Wzbogaconą rudę (Cu 2 S) poddaje się prażeniu chlorującemu (400 C) z dodatkiem FeSO 4 i NaCl. Otrzymuje się CuCl 2 i CuCl, które cementuje się żelazem: CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu CuCl 2 + Fe FeCl 2 + Cu 2CuCl + Fe FeCl 2 + 2Cu Dalszy przerób jak w metodzie hutniczej (rafinacja)

7 Stopy miedzi Brązy są stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym ponad 2% jest: cyna, aluminium, krzem, beryl, ołów i inne. W zależności od głównego składnika stopowego nosi taką nazwę np. brąz krzemowy, brąz ołowiowy itp. Mosiądze ich głównym składnikiem stopowym jest cynk w ilości przekraczającej 2%. Dzielą się na mosiądze odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Te drugie dzielą się na dwuskładnikowe zawierające ,5% cynku (gatunki M95, M90, M85, M80, M75, M70, M67, M65, M63 i M60, M oznacza mosiądz, a liczba nominalną zawartość miedzi w%), i wieloskładnikowe które dzielą się na ołowiowe i bezołowiowe. Miedzionikle są przerabianymi plastycznie stopami miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest nikiel w ilości powyżej 2%. Cechą szczególną miedzionikli jest odporność na ścieranie i korozje oraz dobra plastyczność która umożliwia wytwarzanie w nich np. monet (MN25).

8 Zastosowania miedzi Stopy oporowe miedzi są stopami z niklem (do 41%), cynkiem (do 28%), manganem (do 13%), aluminium (do 3,6%) i żelazem (do 1,5%). Charakteryzują się stosunkowo wysokim oporem elektrycznym (rezystywnością) i małym współczynnikiem cieplnym oporu. Miedź stopowa jest to główna grupa stopowa miedzi, zawierająca nie więcej niż 2% głównego dodatku stopowego. Znormalizowane gatunki obejmują miedź arsenową, chromową, cynową, kadmową, manganową, niklową, siarkową, srebrową, tellurową i cyrkonową. Stopy wstępne miedzi są pomocniczymi, dwu lub trzyskładnikowymi stopami, wytwarzanymi w celu ułatwienia wprowadzenia dodatków stopowych lub technologicznych (odtlenianie). Stop zawierający 50% Al stosowany jest jako dodatek stopowy przy produkcji brązów i mosiądzów aluminiowych, stop zawierający 12% P jako dodatek stopowy lub jako odtleniacz.

9 Cynk Cynk, Zn, zincum, M = 65,38 D, metal o barwie niebieskawoszarej z silnym połyskiem; T t = 419,4 C, T w = 907 C, d = 7 kg/dm 3. Główne rudy: blenda cynkowa ZnS i polimetaliczne (zawierające m.in. Pb). Rudy wzbogaca się metodą flotacji i praży (główny składnik ZnO). Otrzymywanie cynku: Redukcja i destylacja. Reakcje ZnO + CO Zn + CO 2 ; temp C lub wytop z redukcją węglem Rafinacja usunięcie Pb i Fe. Ogrzewanie powyżej temp. topnienia od dołu Pb nasyc. Zn, w górnej części, pomiędzy warstwami kryształki FeZn 7. W nowocześniejszej metodzie hydrometalurgicznej ługuje się cynk z prażonej rudy kwasem siarkowym (ługiem elektrolitycznym) i elektrolizuje wydzielając na katodach ołowianych.

10 Glin Glin (aluminium), Al, M= jest białym metalem o dużej plastyczności. T t = 660,4 C, T w = 2060 C. Mała gęstość 2,7 g/cm 3 (3 razy mniejsza niż żelaza) kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok. 7%, główne rudy: boksyty) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne. Na powietrzu ulega pasywacji, tj. pokrywa się cienką warstwą Al 2 O 3. Wytwarza się aluminium o różnych stopniach czystości (zgodnie z normami PN 79/H i PN 79/H 82163): Najczystszy gatunek Al99,995R jest używany przy wytwarzaniu aparatury chemicznej i folii kondensatorowych, Gatunek Al99,8H stosuje się na folie, powłoki kablowe i do platerowania, Al99,5HE na przewody elektryczne, Al99 na wyroby codziennego użytku. Do najczęstszych zanieczyszczeń aluminium należą Fe, Si, Cu, Zn, Ti, które obniżają plastyczność i przewodnictwo elektryczne, natomiast zwiększają twardość i wytrzymałość.

11 Produkcja glinu

12 Produkcja glinu Proces Hall Héroulta (1886 r.) podstawowy proces używany w elektrolitycznej metodzie produkcji glinu. Proces ten rozpoczyna się od etapu rozpuszczenia tlenku aluminium (Al 2 O 3 ) w roztworze kryolitu (Na 3 [AlF 6 ]) wypełniającego wannę elektrolityczną. Elektrolit posiada wysoką rezystancję, przepływ prądu przez elektrolit powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła i w rezultacie wzrost temperatury, dzięki czemu może on być stale utrzymywany w stanie ciekłym. Temperatura utrzymywana jest na poziomie C. Aluminium powstające w procesie elektrolizy jest oddzielane od elektrolitu oraz sukcesywnie usuwane z komory elektrolizera. Energiczny proces wydzielania się dwutlenku węgla na anodzie pozwala na lepsze mieszanie się tlenku aluminium (Al 2 O 3 ) w elektrolicie, jednocześnie stając się nośnikiem dla innych lotnych substancji (np. fluorek wodoru (HF), tlenek siarki (SO 2 ), fluoropochodne węglowodoru (PFC, CF 4, C 2 F 6 ), smoły i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) itd. ), a czasami stałych (np. pył).

13 Tytan Tytan (Ti, łac. titanium) M = D. T t = 1943 C, T w = 3560 C. Jest lekkim (d = 4.55 kg/dm 3 ) metalem o szarawym kolorze o dużej wytrzymałości mechanicznej, odpornym na korozję, w tym również na działanie wody morskiej i chloru. Jest dodawany jako dodatek stopowy do żelaza, aluminium, wanadu, molibdenu i innych. Stopy tytanu są wykorzystywane w przemyśle lotniczym (silniki odrzutowe, promy kosmiczne), militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym, medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów ekstremalnych i innych. Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach rzędu 5000 ppm (udział w skorupie ziemskiej 0,61%), w postaci minerałów: ilmenitu, rutylu i tytanitu, które są szeroko rozpowszechnione na całej Ziemi. Metaliczny tytan otrzymujemy przez przerób rud w procesie Krolla. Jego najbardziej rozpowszechniony związek dwutlenek tytanu znajduje zastosowanie w produkcji białych pigmentów.

14 Tytan Proces Krolla pirometalurgiczny proces przemysłowy do otrzymywania metalicznego tytanu. Został opracowany w 1940 r. Proces Krolla zastąpił dawny proces Huntera. Oczyszczony rutyl (lub ilmenit) z rudy jest redukowany naftą oraz koksem w reaktorze fluidyzacyjnym w temperaturze 1000 C. Następnie, z chlorem gazowym daje czterochlorek tytanu TiCl 4 (ciecz) oraz inne chlorki (zanieczyszczenia), które są usuwane przez destylacje frakcji. W oddzielnym reaktorze TiCl 4 jest redukowany przez magnez (z 15 20% nadmiarem) w C w retorcie z stali nierdzewnej. Reakcja przebiega następująco: 2Mg(l) + TiCl 4 (g) 2MgCl 2 (l) + Ti(s) [T = C] Chlorek magnezu MgCl 2 może być ponownie redukowany do czystego magnezu. Tytan otrzymuje się w formie metalicznej gąbki. Gąbka jest poddawana obróbce mechanicznej zanim zostanie stopiona w próżniowym piecu elektrycznym. Odlane sztabki tytanowe krystalizują w próżni aby nie dopuścić do utlenienia. Otrzymany tytan jest około sześć razy droższy niż stal nierdzewna.

15 Cyna Cyna, Sn (stannum) M = 118,7 D, d= 7,3 g/cm³. (odmiana β (beta)). T t = 231,93 C, T w = 2602 C. W temperaturze poniżej 13, 2 C przechodzi w odmianę regularną α (alfa) o gęstości 5,85 g/cm³. Cynę używa się do pokrywania innych metali cienką warstwą antykorozyjną. Proces cynowania stosowany jest do zabezpieczania stalowych naczyń stosowanych w przemyśle spożywczym np. puszek do konserw oraz konwi na mleko. Powyżej temperatury 161 C istnieje cyna gamma, która krystalizuje w układzie rombowym (odmiany beta i alfa krystalizują w układzie regularnym). Stop cyny i ołowiu ma niską temperaturę topnienia (np. przy 60% cyny jest to temperatura ok. 180 C) i stosowany jest w przemyśle i elektrotechnice jako lutowie do łączenia innych metali poprzez lutowanie. Używany był także do wyrobu czcionek drukarskich. Stop cyny i miedzi to brąz. W przyrodzie cyna występuje w minerałach kasyterycie SnO 2 oraz stanninie Cu 2 FeSnS 4. Jest otrzymywana z kasyterytu przez redukcję węglem.

16 Metale szlachetne Złoto, Au, aurum, M = 197,2 D, d= 19,29 kg/dm 3, T t = 1063 C, T w = 2856 C Srebro, Ag, argentum, M = 107,87 D, d= 10,49 kg/dm 3, T t = 962 C, T w = 2162 C Uzyskiwane (w Polsce) głównie ze szlamu anodowego o składzie procentowym: Ag Cu Ni Au Pb Se , ,5 2,0 Au i Ag ługuje się cyjankiem sodu w obecności powietrza. Cyjanozłocian sodu: Na[Au(CN) 2 ] lub cyjanosrebrzan sodu: Na[Ag(CN) 2 ] redukuje się do metalicznego złota lub srebra pyłem cynkowym. Metaliczne srebro rafinuje się przez rozpuszczenie w HNO 3,utworzenie amoniakalnego kompleksu i jego redukcję siarczynami.

17 Wolfram Wolfram, W (wolframium) (ang. tungsten) M = 183,84 D, d= 19,250 kg/dm 3, T t = 3422 C, T w = 5555 C. Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 1 ppm. Najważniejszymi minerałami wolframu są: szelit CaWO 4 i wolframit (Fe,Mn)WO 4 Wolfram jest ciemnoszarym metalem. Bardzo czysty jest ciągliwy i łatwo poddaje się obróbce, z niewielkimi domieszkami węgla jest twardy i kruchy. Dzięki pasywacji jest odporny na działanie tlenu, wody, zasad, kwasów, a nawet wody królewskiej. Nie roztwarza się w żadnym znanym kwasie. W podwyższonej temperaturze utlenia się, reaguje z węglem i fluorowcami. Metalurgia wolframu metalurgia proszkowa. Szelit (wzbogacony magnetycznie) przerabia się chemicznie na czysty tlenek wolframu WO 3, a następnie redukuje wodorem w C do sproszkowanego metalu (czarny proszek). Formowanie przez prasowanie i spiekanie do nadtopienia ziaren, np. do żarników żarówek. Wolfram stosuje się, podobnie jak żelazowolfram, jako składnik stali. Wolfram poprawia zdolność stali do hartowania wytwarza się narzędzia szybkotnące Stosuje się także w postaci węglika WC oraz, po spiekaniu z innymi proszkami, jako cermetale. Widia: stop WC CoC otrzymuje się przez spiekanie WC z metalicznym kobaltem.

18 Inne metale o istotnym znaczeniu praktycznym Nikiel, Ni Chrom, Cr Kobalt, Co Wanad, V