Прогресс в металлургии - от бронзы к железу - был только одной из значительных инноваций.
Как человек имеющий 5 по металловедению
1. Прогрес как раз наоборот....
2. Железо восстанавливается углем
А вот медь
Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.
Первый из них не нашел широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличии от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.
Второй способ пригоден для переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению.
Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.
Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди.
Черновую медь далее подвергают рафинированию – очистке от примесей.
Подготовка руд к плавке.
Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2 , Al2 O3 и CaO.
Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна.
Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0 С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25% Cu) подвергают обжигу.
Температура обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно.
Выплавка медного штейна
Медный штейн, состоящий в основном из сульфидов меди и железа (Cu2 S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.
Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.
Сернистые, чисто медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.
При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы.
В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные продукты. Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.
В верхних горизонтах шахты создается восстановительная среда, а в нижней части печи – окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 0 С на верху печи она равна примерно 450 0 С.
Столь высокая температура отходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы.
В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают следующие основные процессы:
а) Сжигание углерода кокса
C + O2 = CO2
б) Сжигание серы сернистого железа
2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2
в) Образование силиката железа
2 FeO + SiO2 = (FeO)2 × SiO2
Газы, содержащие CO2 , SO2 , избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:
CO2 + C = 2CO
2SO2 + 5C = 4CO + CS2
SO2 + 2C = COS + CO
В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:
FeS2 = Fe + S2
При температуре около 1000 0 С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2 S, в результате чего образуется пористая масса.
В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже:
а) образование сульфида меди из закиси меди
2Cu2 O + 2FeS + SiO2 = (FeO)2 × SiO2 + 2Cu2 S;
б) образование силикатов из окислов железа
3Fe2 O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5(2FeO × SiO2 ) + SO2 ;
3Fe3 O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO × SiO2 ) + SO2 ;
в) разложение CaCO3 и образование силиката извести
CaCO3 + SiO2 = CaO × SiO2 + CO2 ;
г) восстановление сернистого газа до элементарной серы
SO2 + C = CO2 + ½ S2
В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S2 , COS, H2 S, и CO2 . Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)
Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8% Cu).
Температура плавления переплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные и электрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло.
По мере нагревания шихты в печи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:
6CuO + FeS = 3Cu2 O + SO2 + FeO;
FeS + 3Fe3 O4 + 5SiO2 = 5(2FeO × SiO2 ) + SO2
В результате реакции образующейся закиси меди Cu2 O с FeS получается Cu2 S:
Cu2 O + FeS = Cu2 S + FeO
Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак.
Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.
Штейн отражательной плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO2 ; 0,5-3,0 Al2 O3 ; 0.5-2.0 (CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2 , FeO, CaO, Al2 O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.
Конвертирование медного штейна
В 1866 г. русский инженер Г. С. Семенников предложил применить конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.
Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м. Производительность за одну операцию составляет 80-100 т. Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера, расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы. Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы – 50мм. Расход воздуха достигает 800 м2 /мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-80% SiO2 , и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.
Процесс можно разделить на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.
В первом периоде протекают следующие реакции окисления сульфидов:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 930360 Дж
2Cu2 S + 3O2 = 2Cu2 O + 2SO2 + 765600 Дж
Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:
Cu2 O + FeS = Cu2 S + FeO
Закись железа шлакуется добавляемым в конвертер кварцевым флюсом:
2FeO + SiO2 = (FeO) × SiO2
При недостатке SiO2 закись железа окисляется до магнетита:
6FeO + O2 = 2Fe3 O4 , который переходит в шлак.
Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100–1200 до 1250-1350 0 С . Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители – твердый штейн, сплески меди.
Из предыдущего следует, что в конвертере остается главным образом так называемый белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа (магнетита, закиси железа) и кремнезема, а также небольших количеств глинозема, окиси кальция и окиси магния. При этом, как следует из вышесказанного, содержание магнетита в шлаке определяется содержанием магнетита в шлаке определяется содержанием кремнезема. В шлаке остается 1,8-3,0% меди. Для ее извлечения шлак в жидком виде направляют в отражательную печь или в горн шахтной печи.
Во втором периоде, называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь:
2Cu2 S + 3O2 = 2Cu2 O + 2SO2
Cu2 S + 2Cu2 O = 6Cu + O2
Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащая 98,4-99,4% - меди, 0,01-0,04% железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра, золота и конвертерный шлак, содержащий 22-30% SiO2 , 47-70% FeO, около 3% Al2 O3 и 1.5-2.5% меди.
Это уровень тупоголовых римлян.
Олово вообще редкий металл
сложность заключается в том, что чистая руда сейчас, практически не встречается. Известно не большое количество месторождений, в которых сохранились жилы или пласты олова. Поэтому, более распространенный способ получения олова, из касситерита SnO2. Таких рудников намного больше, но способ выплавки олова, на порядок дороже.
Оловянный камень, как еще называют касситерит, в наибольших количествах добывают в Испании, Италии, Мексике, Китае, Японии, Сибири и Финляндии. Довольно большие месторождения оловянной руды, были найдены на территории США.
Касситерит - оловяный камень
Производство олова заключается способе получения его из касситерита основывается на окиси углерода и восстанавливающих свойствах угля, используя калильный жар. Количество обогащения руды в данном случае, имеют, определяющую роль, для чистоты выхода получаемого металла. Для наивысшей чистоты олова, нужно избавиться от бесполезной породы в составе руды. Это достигается двумя методами: механическим и химическим (обжиг и выветривание).
Обработанную руду измельчают до камней, величиной в кулак и отделяют бедную и богатую. Богатую руду обрабатывают отдельно, ее снова измельчают, но уже в порошок. С помощью специальных приспособлений, промывают измельченную руду, получая бедный и богатый шлих. Обогащенный шлих обжигают, что бы удалить сернистый мышьяк и вольфрам, который в большом количестве содержится в шлихе.
Производственное олово
Руда, которую добывают из россыпи породы, в результате механического обогащения, сразу подвергают процессу восстановления, так как она намного чище. Жильную руду вначале обжигают. В результате термообработки, железный колчедан преобразовывается в окись железа с последующим выделением кислоты. При этом оловянный камень не изменяется, лишь небольшая его часть превращается в серную закись.
При больших температурах, так же получается мышьяковокислое железо, для избавления от него, добавляется уголь. В результате чего, часть серы и мышьяка, испаряются в форме мышьяковистой и сернистой кислот. Примеси сторонних металлических веществ, преобразовываются в сернокислые соли, которые хорошо растворяются. Их удаляют с помощью процесса промывки.
Как я уже подчеркивал, что самое важное, это чистота руды и тогда производство олова работает на полную силу. Наиболее чистое олово получают на островах Малакки и Биллитон. Степень чистоты олова, обычно определяют по звуку, издаваемому при сгибании и по поверхности готового олова.
Это минимум 13-14 век
... ведь и письменностьу них была
