Восстановление металла

Обогащение руды

Добыча руды

Ведется открытым способом, в карьерах, если глубина залегания руды невелика (менее 100м), а толщина рудного тела большая, и в шахтах, если руда залегает глубоко, а толщина рудных пластов малая.

Открытый способ добычи более экономичен, однако связан с существенным
изменением ландшафта и выемкой огромной массы пустой породы,
расположенной над рудным телом. Добыча же руды в шахтах требует больших затрат труда и только при достаточно мощных по толщине пластах и пологом их залегании может быть механизирована и автоматизирована.

При открытом способе добычи руды работа включает:

-подготовку земной поверхности (рубка леса, осушение болот, отвод русел рек в сторону и т.д.);

- вскрышные работы (удаление горных пород, залегающих над рудным телом);

- добычные работы (извлечение полезного ископаемого), которые включают в себя буровзрывные работы и выемку, производимую экскаваторами. Это основной способ добычи железной руды. Также добывают руды алюминия, титана...

Для извлечения металла из руды необходимо повысить его содержание. Но так как соединение металла перемешано с пустой породой, то для его отделения приходится руду тщательно дробить и даже размалывать в тончайший порошок. И чем меньше частицы соединения металла по размерам, тем в более мелкий порошок должна быть измельчена добытая руда. Это чрезвычайно трудоемкая работа, которая была механизирована уже в средние века путем использования энергии падающей воды для дробления руды на куски и размола ее в тонкий порошок с последующей промывкой и отделением нужной составляющей гидравлическим способом.

В настоящее время применяются различные виды дробилок и мельниц для превращения руды и породы в порошок.

Мельчайшие частицы этого порошка можно отделить друг от друга используя отличие свойств соединения металла от свойств пустой породы. Так некоторые виды соединений железа обладают магнитными свойствами и их легко отделить магнитной сепарацией. Если используется различная смачиваемость частиц руды и пустой породы, то используется метод флотации. В некоторых случаях применяется химическое отделение, основанное на растворении соединения извлекаемого элемента в различного рода растворителях. Естественно пустая порода в этом растворителе не должна растворяться.

2.3.1 Термохимическое восстановление металла. Осуществляется воздействием на соединение металла каким-либо восстановителем при высокой температуре.

Например, железо обычно содержится в руде в виде окислов Fe₂O₃ или Fe₃O₄ и восстанавливается угарным газом (CO), образующимся при горении кокса (продукта переработки каменного угля) в доменных печах (рис.2.1).

В зонах 4-6 происходит горение кокса в потоке воздуха поступающего через фурмы и образуется угарный газ при температуре 1600-1750 °С, который, воздействуя на окислы железа, приводит к их восстановлению:

Fe₂O₃ + CO --- Fe₃O₄ +CO₂ + Q

Fe₃O₄ +CO₂ --- FeO + CO₂ -Q

FeO + CO --- Fe + CO₂ +Q

Образующееся железо, в виде капель, стекает в горн, откуда периодически выпускается. Сверху печи также периодически происходит подсыпка шихты (смеси руды, кокса и флюсов). Таким образом горение в печи поддерживается непрерывно в течении длительного времени, от 5 до 10 лет.

Рисунок 2.1 – Схема доменной печи:

1-устройство для загрузки руды, кокса и флюсов; 2 -фурмы для подачи

воздуха; 3 - под печи; 4 –шахта; 5 – распар; 6 –горн, где накапливается

жидкий металл; 7 - заплечики

Таблица 2.1 – Баланс материалов доменного процесса (на 1 т

выплавленного чугуна)

Загрузка	Кол-во, кг	Получено	Кол-во, кг
Кокс		Чугун
Агломерат (обогащен		Шлак
щенная и обработан-		Газ
ная руда)		Колошниковая пыль
Сортированная		Влага
руда
Известняк
Металлодобавки
Воздух (влажное
дутье)

В образующемся железе при высокой температуре растворяется углерод кокса, что приводит к получению сплава железа с углеродом, при содержании последнего выше 2% (но не более 6,67%). Такой сплав весьма тверд и хрупок и называется чугуном. Суточная производительность доменной печи достигает 2500 тонн чугуна.

Чугун, как конструкционный материал, применяется для отливки заготовок различных деталей машин (станины, корпуса двигателей, зубчатые колеса и т.д.), но большая его часть перерабатывается в сталь - сплав железа с углеродом при содержании углерода до 2,14%.

Понизить содержание углерода в чугуне и, тем самым, превратить его в сталь можно окисляя избыточный углерод в жидком чугуне. Для этого применяются конвертерный и мартеновский методы получения стали.