Μεταλλουργικά προιόντα Μεταλλουργικές πρώτες ύλες Ιδιότητες Μετάλλων

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ - ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΖΩΓΡΑΦΟΥ Παραγωγικές Διεργασίες Eξαγωγική Μεταλλουργία Μεταλλουργικά προιόντα Μεταλλουργικές πρώτες ύλες Ιδιότητες Μετάλλων Καθ. Ιωάννης Πασπαλιάρης Εργαστήριο Μεταλλουργίας

2 Εξαγωγική Μεταλλουργία Αντικείμενο

3 Αντικείμενο της Εξαγωγικής Μεταλλουργίας Βωξίτης Αλουμίνα Αλουμίνιο

4 Γενικό Διάγραμμα Ροής Ενέργεια Αέριοι Ρύποι Σκόνη Πρώτη Ύλη Δευτερεύοντα Υλικά Προϊόντα Υγρά Απόβλητα Απορρίμματα

5 Εξαγωγική Μεταλλουργία Η Εξαγωγική Μεταλλουργία είναι ο τομέας της Επιστήμης και της Τεχνολογίας που έχει σκοπό την παραγωγή μετάλλων ή ενδιάμεσων προϊόντων από τις κατάλληλες μεταλλουργικές πρώτες ύλες.

6 Εξαγωγική Μεταλλουργία Αυτό επιτυγχάνεται με τη μελέτη των απαραίτητων φυσικών και χημικών μοναδιαίων διεργασιών και των συνδυασμών τους, η οποία καταλήγει στο βέλτιστο για κάθε περίπτωση από οικονομική και περιβαλλοντική σκοπιά σχεδιασμό της κατεργασίας, που οδηγεί στην παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος από μια δεδομένη πρώτη ύλη

7 Εξαγωγική Μεταλλουργία Συνεπώς για να μάθουμε Εξαγωγική Μεταλλουργία πρέπει να γνωρίζουμε: Τι προϊόντα θέλουμε να παράγουμε Ποιες πρώτες ύλες μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε Με τι τρόπο θα κατεργαστούμε τις πρώτες ύλες Πως θα σχεδιάσουμε την τελική κατεργασία Πως θα υπολογίσουμε τα οικονομικά και περιβαλλοντικά δεδομένα

8 Εξαγωγική Μεταλλουργία Τι προϊόντα θέλουμε να παράγουμε

9 Μεταλλουργικά Προϊόντα Συμπυκνώματα: Προϊόντα που προέρχονται από την επεξεργασία μεταλλευμάτων και περιέχουν το χρήσιμο συστατικό σε μεγαλύτερη περιεκτικότητα από αυτό του μεταλλεύματος πχ μικτά θειούχα Ενδιάμεσα προϊόντα: Προϊόντα που προκύπτουν από την υγροχημική ή πυροχημική κατεργασία μεταλλευμάτων ή συμπυκνώματος πχ αλουμίνα Μέταλλα: Προϊόντα που αποτελούνται εξ ολοκλήρου ή σχεδόν εξ ολοκλήρου από μεταλλικά στοιχεία Κράματα: Στερεά διαλύματα μεταλλικών στοιχείων

10 Μεταλλουργικά Προϊόντα - Χαλκός Αργός Χαλκός (Blister Copper) 98.5% Καθαρός Χαλκός (Pure Copper) 99.5% Υπερκαθαρός Χαλκός 99.99% Mεταλλαγή Matte Χύτευση Ανόδων Αργού Χαλκού Ηλεκτρόλυση Ανόδων Αργού Χαλκού

11 Τελικά Εμπορικά Προϊόντα - Χαλκός Κάθοδοι Χαλκού Μπάρες Χαλκού Σύρμα Χαλκού

12 Μεταλλουργικά Προϊόντα Αλουμίνιο Καθαρό Αλουμίνιο % 99.9 % Υπερκαθαρό Αλουμίνιο > % Κράματα Αλουμινίου Πλινθώματα Αλουμινίου Ράβδοι Αλουμινίου Φύλλα Αλουμινίου

13 Μεταλλουργικά Προϊόντα Αλουμίνιο Κράματα Αλουμινίου

14 Τελικά προϊόντα με βάση το Αλουμίνιο

15 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος

16 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος Χυτοσίδηρος: Ενανθρακωμένα προϊόντα σιδήρου με περιεκτικότητα 2% - 5% άνθρακα βασικό χαρακτηριστικό την έλλειψη ελατότητας Pig iron 4% - 5% C, S, Si, P Cast Iron 2% - 4% C, S, P 1% - 6% Si

17 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος Χάλυβας: Ενανθρακωμένα προϊόντα σιδήρου με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (>2%) βασικό χαρακτηριστικό την ιδιότητα της βαφής και της ελατότητας Yπόευτηκτοειδής: 0.025% - 0.8% % C Yπέρευτηκτοειδής: 0.800% - 2.0% % C

18 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος Σίδηρος: Προϊόντα σιδήρου με ασήμαντη περιεκτικότητα σε άνθρακα (>0.025%) βασικό χαρακτηριστικό την ιδιότητα της ελατότητας

19 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος Χυτοσίδηρος Pig Iron Χυτοσίδηρος Cast Iron Μαλακτός Σίδηρος Wrough Iron Μαλακός Χάλυβας Milde Steel Χάλυβας Steel C 2 5 % <1 Si Mn S P <0.03 <0.03 Σκληρός Μαλακός Εύθραυστος Ελατός Όλκιμος

20 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος Κράματα Σιδήρου: Περιέχουν διάφορες ποσότητες άνθρακα και άλλων μετάλλων όπως χρώμιο, βανάδιο, μολυβδαίνιο, νικέλιο, βολφράμιο, τα οποία προστίθενται για να δώσουν υψηλές αντοχές, αντοχή στη διάβρωση κλπ.

21 Μεταλλουργικά Προϊόντα Σίδηρος Ανοξείδωτοι Χάλυβες: Περιέχουν χρώμιο σε ποσοστό 13% - 26% και άλλα μέταλλα όπως νικέλιο, μολυβδαίνιο, τιτάνιο ανάλογα με τον τύπο του χάλυβα. Ονομάζεται ανοξείδωτος γιατί το περιεχόμενο σε αυτόν χρώμιο οξειδώνεται με το οξυγόνο του αέρα και σχηματίζει ένα προστατευτικό στρώμα από Cr 2 O 3 που αντέχει στη διάβρωση.

22 Μεταλλουργικά Προϊόντα Κράματα Ορείχαλκος Μέταλλο Σιδηροκρά ματα Μέταλλο Υπερκαθαρό Μέταλλο

23 Εξαγωγική Μεταλλουργία Ποιεςπρώτεςύλεςμπορούμενα χρησιμοποιήσουμε

24 Μεταλλουργικές Πρώτες Ύλες Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην Εξαγωγική Μεταλλουργία είναι: Τα μεταλλεύματα Τα συμπυκνώματα Τα παλαιά μέταλλα Τα κατάλοιπα ή τα απορρίμματα των μεταλλουργικών διεργασιών

25 Μεταλλουργικές Πρώτες Ύλες Τι είναι Μετάλλευμα; Υλικότουστερεούφλοιούτηςγηςτοοποίο περιέχει το μέταλλο σε μεγαλύτερη περιεκτικότητα από εκείνη με την οποία το μέταλλο απαντάται στο περιβάλλον Η περιεκτικότητα του Οξειδίου του Αλουμινίου στο στερεό φλοιό της γής είναι 8% ενώ στο Βωξίτη είναι 55%

26 Σε τι Μορφή είναι τα Μέταλλα μέσα στα Μεταλλεύματα; Τα μέταλλα πλην ορισμένων εξαιρέσεων μέσα στα ορυκτά δεν βρίσκονται σε μεταλλική μορφή, αλλά σαν χημικές ενώσεις πχ Οξείδια, Σουλφίδια, οι οποίες ανάλογα με το σύστημα που κρυσταλλώνονται δημιουργούν τα αντίστοιχα ορυκτά. Ενώσεις της ίδιας χημικής σύστασης μπορεί να κρυσταλλώνονται σε διαφορετικά ορυκτά τα οποία έχουν τελείως διαφορετική συμπεριφορά

27 Απο ποιά Μεταλλεύματα παράγεται ο Σίδηρος; Μαγνητίτης Αιματίτης Γκαιτίτης Τα πλούσια μεταλλεύματα σιδήρου μπορεί να περιέχουν μέχρι 60% σίδηρου. Μεταλλεύματα με περιεκτικότητα μέχρι 25% θεωρούνται εκμεταλλεύσιμα

28 Απο ποιά Μεταλλεύματα παράγεται το Αλουμίνιο; Γιββσίτης Βαιμίτης Διάσπορο Βωξίτης Τα πλούσια μεταλλεύματα αλουμινίου περιέχουν μέχρι και 55% αλουμίνα. Η ορυκτολογική μορφή που βρίσκεται το αλουμίνιο έχει τεράστια σημασία γιατί μπορεί να αλλάξει τελείως την τεχνολογία παραγωγής του.

29 Απο ποιά Μεταλλεύματα παράγεται ο Μόλυβδος; Γαληνίτης Ανγκλεζίτης Κερουσίτης Η ελάχιστη περιεκτικότητα για να είναι ένα μετάλλευμα μολύβδου εκμεταλλεύσιμο είναι 4%. Τα μεταλλεύματα μολύβδου περιέχουν συνήθως και ψευδάργυρο, χαλκό, άργυρο και χρυσό

30 Μεταβολή Ποιότητας Μεταλλευμάτων Χαλκού Αυτοφυείς Χαλκός

31 Μεταλλεύματα Χαλκού Οξειδωμένα 10% Συνόλου Παραγωγής Cu Κυπρίτης Cu 2 O Μαλαχίτης CuCO 3.Cu(OH) 2 Χαλκοσίνης Cu 2 S Χαλκοπυρίτης CuFeS 2 Θειούχα 90% Συνόλου Παραγωγής Cu

32 Βασικά Χαρακτηριστικά Μεταλλουργικών Πρώτων Υλών Χημική Σύσταση: Περιεκτικότητα του Μεταλλεύματος σε χημικά στοιχεία ή σε οξείδια ήθειούχεςήάλλεςενώσεις Ορυκτολογική Σύσταση: Περιεκτικότητα του Μεταλλεύματος σε ορυκτά

33 Χημική Σύσταση Βωξίτη Χημική Σύσταση Βωξίτη Ενωση % MB Al 2 O 3 55,7 101,96 Fe 2 O 3 24,3 159,70 TiO 2 3,5 79,88 SiO 2 3,3 60,09 CaO 1,6 56,08 AΠ 11,6 Σύνολο 100 Με βάση τη χημική σύσταση του βωξίτη μπορείτε να βρείτε την ορυκτολογική του σύσταση αν γνωρίζεται ποια ορυκτά περιέχει;

34 Ορυκτολογική Σύσταση Βωξίτη Ορυκτολογική Σύσταση Βωξίτη Παρατηρήσεις: Ορυκτό Διάσπορο Αιματίτης Ανατάσης Καολινίτης Ασβεστίτης Χημικός Τύπος Al 2 O 3.H 2 O Fe 2 O 3 TiO 2 Al 2 O 3.2 SiO 2 2 H 2 O CaCO 3 Όλο το SiO 2 περιέχεται στον καολινίτη Όλο το CaO περιέχεται στον ασβεστίτη

35 Χημική Σύσταση Βήμα 1: Για 100 g βωξίτη υπολογίζουμε τη μάζα κάθε συστατικού και από αυτή τα moles Χημική Σύσταση Βωξίτη Ενωση % MB moles/100 g Al 2 O 3 55,7 101,96 f Al2O3 = m Al2O3 / MB Al2O3 0,546 Fe 2 O 3 24,3 159,70 f Fe2O3 = m Fe2O3 / MB Fe2O4 0,152 TiO 2 3,5 79,88 f TiO2 = m TiO2 / MB TiO2 0,044 SiO 2 3,3 60,09 f SiO2 = m SiO2 / MB SiO2 0,055 CaO 1,6 56,08 f CaO = m CaO / MB CaO 0,029 AΠ 11,6 Σύνολο 100

36 Ορυκτολογική Σύσταση Λατερίτη Βήμα 2: Yπολογίζουμε τα γραμμομόρια κάθε ορυκτού και από αυτά τη μάζα του ορυκτού Ορυκτολογική Σύσταση Βωξίτη Ορυκτό Χημικός Τύπος MB Διάσπορο Al 2 O 3.H 2 O 119,98 Αιματίτης Fe 2 O 3 159,70 Ανατάσης TiO 2 79,88 Καολινίτης Al 2 O 3.2 SiO 2 2 H 2 O 258,14 Ασβεστίτης CaCO 3 100,09 Ενωση Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 SiO 2 CaO AΠ moles/100 g 0,546 0,152 0,044 0,055 0,029 moles f Διασπορου = f Αl2O3Διάσπορο = f Αl2O3Βωξίτη - f Αl2O3Kαολινίτη 0,519 f Αιματίτη = f Fe2O3Αιματίτη = f Fe2O3Βωξίτη 0,152 f Ανατάση = f TiO2Ανατάση = f ΤiO2Βωξίτη 0,044 f Καολινίτη = 1/2 f SiO2Kaolinite = f SiO2Βωξίτη 0,027 f Aσβεστίτη = f CaOΑσβεστίτη = f CaOΒωξίτη 0,029

37 Ορυκτολογική Σύσταση Λατερίτη Βήμα 2: Yπολογίζουμε τα γραμμομόρια κάθε ορυκτού και από αυτά τη μάζα του ορυκτού Ορυκτολογική Σύσταση Βωξίτη Ορυκτό Χημικός Τύπος MB Διάσπορο Al 2 O 3.H 2 O 119,98 Αιματίτης Fe 2 O 3 159,70 Ανατάσης TiO 2 79,88 Καολινίτης Al 2 O 3.2 SiO 2 2 H 2 O 258,14 Ασβεστίτης CaCO 3 100,09 moles 0,519 0,152 0,044 0,027 0,029 g % m Διάσπορο =( f Al2O3 - f Al2O3Kaolinite ) x MB Διάσπορο 62,25 62,25 m Αιματίτης = f Fe2O3 x MB Αιματίτης 24,30 24,30 m Ανατάσης = f TiO2 x MB Ανατάσης 3,50 3,50 m Καολινίτης = 1/2 f SiO2 / MB Καολινίτης 7,09 7,09 m Ασβεστίτης = f CaO x MB Ασβεστίτης 2,86 2,86 99,99

38 Χημική και Ορυκτολογική Σύσταση Χημική Σύσταση Βωξίτη Ενωση % Al 2 O 3 55,7 Fe 2 O 3 24,3 TiO 2 3,5 SiO 2 3,3 CaO 1,6 AΠ 11,6 Σύνολο 100 Ορυκτολογική Σύσταση Βωξίτη Ορυκτό Χημικός Τύπος Διάσπορο Al 2 O 3.H 2 O Αιματίτης Fe 2 O 3 Ανατάσης TiO 2 Καολινίτης Al 2 O 3.2 SiO 2 2 H 2 O Ασβεστίτης CaCO 3 % 62,25 24,30 3,50 7,09 2,86 99,99

39 Χημική Σύσταση Χημική Σύσταση θειούχου χρυσοφόρου μεταλλεύματος Στοιχεία % Στοιχεία MB Fe 14 Fe 55,85 Pb 8 S 32 Zn 8 O 16 S 19 Pb 207,2 As 0,6 Zn 65,38 Si 23,17 Cu 63,74 Cu 0,03 As 74,92 Μg Mn 54,94 Mn 0,8 Au 196,97 Au 7.3 Ag 107,87 Ag 1400 Si 28,09 Mg 24,31 Ca 40 C 12

40 Χημική Σύσταση Μπορείτε να βρείτε τη ορυκτολογική του σύσταση αν γνωρίζεται ότι περιέχει Σιδηροπυρίτη Αρσενοπυρίτη Χαλκοπυρίτη Γαληνίτη Σφαλερίτη Ασβεστίτη Μαγνησίτη Ροδοχρωσίτη Χαλαζία FeS 2 FeAsS CuFeS 2 PbS ZnS CaCO 3 MgCO 3 MnCO 3 SiO 2

41 Ορυκτολογική Σύσταση Ορυκτολογική Σύσταση του μεταλλεύματος Ορυκτά % Ορυκτά ΜΒ FeS2 29,07 FeS2 120 FeAsS 1,30 FeAsS 162,8 PbS 9,24 PbS 239,3 ZnS 11,92 ZnS 97,4 CuFeS2 0,09 CuFeS2 183,5 SiO2 49,57 CaCO3 100 CaCO3 MgCO3 84,31 MgCO3 MnCO3 114,94 MnCO3 SiO2 60,09

42 Μέταλλα

43 Μεταλλουργικές Πρώτες Ύλες Τι είναι Παλαιά Μέταλλα (Scrap); Μεταλλικά υλικά που προκύπτουν από την ανακύκλωση μεταλλικών αντικειμένων που έχουν ολοκληρώσει τον κύκλο της ζωής τους Το 50% του χάλυβα, το 40% του χαλκού, το 15% του νικελίου, το 45% του μολύβδου, το 12% του κασσιτέρου και το 25% του ψευδαργύρου προέρχεται από την κατεργασία παλαιών μετάλλων

44 Ο κύκλος ζωής ενός αυτοκινήτου

45 Παλαιά Μέταλλα (Scrap) Κατανάλωση Ενέργειας, GJ/t Μέταλλο Μετάλλευμα Scrap Μαγνήσιο Αλουμίνιο Νικέλιο Χαλκός Ψευδάργυρος Χάλυβας Μόλυβδος Σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης παλαιών μετάλλων είναι η πολύ μικρή ενεργειακή κατανάλωση σε σχέση με εκείνη της κατεργασίας πρωτογενούς μεταλλεύματος

46 Μεταλλουργικές Κατεργασίες Πυρομεταλλουργικές κατεργασίες: Ηκατεργασίατης πρώτης ύλης γίνεται σε ψηλές θερμοκρασίες, συνήθως σε ατμοσφαιρική πίεση και οι φάσεις που εμφανίζονται είναι στερεές, αέριες ή τήγματα Παραδείγματα πυρομεταλλουργικών διεργασιών αποτελούν η ξήρανση, η πύρωση, η φρύξη, η τήξη, η απόσταξη, και η ηλεκτρόλυση τήγματος Παραδείγματα μετάλλων που παράγονται πυρομεταλλουργικά: Σίδηρος, χαλκός, νικέλιο, μόλυβδος, ψευδάργυρος

47 Μεταλλουργικές Κατεργασίες Υδρομεταλλουργικές κατεργασίες: Ηκατεργασίατηςπρώτης ύλης γίνεται σε υδατική φάση, σε χαμηλές θερμοκρασίες, σε ατμοσφαιρικήπίεσηήσεψηλήπίεση(αυτόκλειστα) και οι φάσεις που εμφανίζονται είναι, υγρές, στερεές και αέριες Παραδείγματα υδρομεταλλουργικών διεργασιών αποτελούν η εκχύλιση, διαχωρισμός υγρής στερεής φάσης, η καταβύθιση και η κρυστάλλωση, η κατεργασία με οργανικό διαλύτη και η ηλεκτρόλυση υδατικού διαλύματος Παραδείγματα μετάλλων που παράγονται υδρομεταλλουργικά: Αλουμίνιο, μαγνήσιο, Χαλκός, νικέλιο