METODY OTRZYMYWANIA METALI
W hutnictwie stosujemy dwie metody otrzymywania metali z rud: metodę wytopu i metodę elektrolityczną. Urządzeniami hutniczymi, w których ma zastosowanie metoda wytopu, są wielkie piece, piece martenowskie, piece elektryczne i konwertory tlenowe. Urządzeniami hutniczymi w metodzie elektrolitycznej są elek-trolizery.
Metodą wytopu uzyskuje się między innymi żeliwo i stal. Do otrzymania żeliwa i stali potrzebna jest surówka żelaza. Surówkę otrzymuje się z rud żelaza w procesie wielkopiecowym. Budowę wielkiego pieca pokazano na rys. 63.
Proces wielkopiecowy jest procesem ciągłym. Do raz rozpalo-
nego wielkiego pieca dokonuje się systematycznie wsadu koksu, rudy i topników. Koks hutniczy służy do wytworzenia wysokiej temperatury i redukcji rudy. Zadaniem topników jest przyspieszenie stopienia zanieczyszczeń rudy. Jeśli zanieczyszczenia rudy mają składniki kwaśne, stosuje się topniki zasadowe, najczęściej węglan wapnia, jeśli zaś rudy są zasadowe, jako topników używa się ubogich rud żelaza kwaśnych, a więc zawierających krzemionkę. Powietrze w procesie wielkopiecowym odgrywa zasadniczą rolę, gdyż tlen jest niezbędny w procesie palenia. Do wielkiego pieca tłoczy się powietrze ogrzane w nagrzewnicach Cowpera.
Redukcja rudy odbywa się w garze wielkiego pieca. Surówka spływa na dół, a stopiona skała płonna i topniki tworzą żużel, który zbiera się na jej powierzchni. Spustu surówki dokonuje się przez przebicie zasklepionego otworu w najniższej części pieca. Przez otwór położony nieco wyżej usuwany jest żużel.
W zależności od rodzaju rudy wyróżnia się surówką białą, zwaną także surówką przeróbczą, oraz surówką szarą, zwaną surówką odlewniczą.
Surówka odlewnicza przetopiona z dodatkiem złomu i koksu w piecu, zwanym żeliwiakiem, daje żeliwo. Surówkę przeróbczą, czyli białą, przetapia się na stal.
Do wyrobu stali stosujemy obecnie piece martenowskie, elektryczne i konwertory tlenowe. Dawniej używano także konwertorów Bessemera i Thomasa.
Piec martenowski jest to wanna (rys. 64) z systemem kanałów doprowadzających gaz i powietrze oraz odprowadzających pył i spaliny. Wsadu do pieca dokonuje się przez okna wsadowe znajdujące się pod sklepieniem wanny. Materiałem wsadowym, oprócz surówki żelaza, są: złom, kamień wapienny, mała ilość niskoprocentowej rudy żelaza oraz składniki specjalne jak chrom, nikiel i inne. Temperaturę ok. 1700°C uzyskuje się w piecu martenow-skim dzięki spalaniu gazu wielkopiecowego zmieszanego z powietrzem. Gaz ten spala się nad topiskiem pieca. Proces świeżenia trwa ok. 8,5 godziny. Z jednego spustu otrzymujemy ok. 93 tony stali.
Piece elektryczne dają stal wyższej jakości o dokładnie ustalonym składzie chemicznym i właściwościach. Wysokie temperatury w piecach elektrycznych uzyskuje się z łuku elektrycznego (piece-łukowe) lub prądów indukowanych (piece indukcyjne).
Konwertory tlenowe są najnowocześniejszymi i najbardziej wydajnymi urządzeniami do wytopu stali. Zasada pracy konwertora jest prosta. Do wlanej do konwertora surówki tłoczy się od dołu czysty tlen. Tlen powoduje natychmiastowe spalanie się węgla, siarki, fosforu i innych zanieczyszczeń występujących w surówce. Proces wypalania stali trwa zaledwie ok. 45 minut, a więc ponad dziesięciokrotnie szybciej niż w piecu martenowskim. Ponadto konwertory tlenowe nie zużywają paliwa, przeciwnie — dają duże ilości ciepła.
Z metodą elektrolityczną otrzymywania metali zapoznamy się na przykładzie otrzymywania aluminium. Podstawowym urządzeniem w hucie aluminium jest wanna zwana elektro
8 8
lizerem. Wanna ta jest zbudowana z metalu i wyłożona materiałem ogniotrwałym. Warstwa ogniotrwała pokryta jest płytami węglowymi. Płyty węglowe połączone z biegunem ujemnym prądu elektrycznego tworzą katodę. Biegun dodatni, czyli anodę, tworzą płyty węglowe zawieszone nad elektrolizerem, tak że są one zanurzone w elektrolicie nie dotykając dna wanny (rys. 65).
Elektrolitem jest stopiony tlenek glinu z dodatkiem kriolitu {związek fluoru, sodu i glinu). Elektrolit pod wpływem przepływającego prądu o napięciu ok. 4,5 V i natężeniu ok. 80 kA w temperaturze ok. 900°C rozpada się na aluminium i tlen. Płynne aluminium osiada na dnie wanny, tlen zaś łączy się z anodą węglową tworząc tlenek i dwutlenek węgla. Gdy warstwa aluminium osiągnie grubość ok. 15 cm, za pomocą rury ssącej odprowadza się czyste aluminium do kadzi próżniowej. Z kadzi aluminium wlewane jest do żeliwnych wlewnic i tu zastyga w postaci wlewek.