Výroba technických kovů Suroviny Prvotními surovinami pro výrobu technických kovových materiálů jsou rudy. Za rudu jsou považovány takové nerostné suroviny, které obsahují žádaný kov v množství postačujícím pro jeho hospodárnou výrobu. Ve většině případů rudy obsahují kovy ve formě jejich chemických sloučenin. V čisté formě se v rudách nalézají pouze ušlechtilé kovy, například zlato. Výjimkou jsou také nálezy skoro čistého meteorického železa. Tyto případy však nemají pro technickou praxi význam. Dalšími, druhotnými, surovinami pro výrobu technických kovů jsou kovové odpady, meziprodukty hutní výroby a zůstatky z jiných průmyslových oborů.
Způsoby zpracování rud Způsob výroby kovů z jejich rud závisejí na chemickém složení dané rudy a obsahu kovu v rudě. Podstata výroby spočívá v odstranění hlušiny (minerálních látek neobsahujících kov) a následném oddělení kovů od prvků, se kterými je kov v rudě chemicky vázán. Výrobní postup se skládá ze tří základních fází: - úpravy rud - výroby surového kovu - rafinace kovu.
Úprava rud Cílem úpravy rud může být - úprava zrnitosti - obohacování rudy - úprava chemického složení - sušení a kalcinace rudy.
Úprava zrnitosti Cílem úpravy zrnitosti je získání velikosti částic rudy vhodné pro další zpracování. Velké kusy suroviny se drtí a melou, drobné částice se spojují (stmelují). Vhodná velikost se vybírá tříděním. Drcení rudy se provádí v čelisťových, kuželových, válcových nebo kladivových drtičích na velikost částic od 3 do 25 milimetrů. Mletí se provádí v kulových nebo kolových mlýnech, za sucha nebo za mokra (pod vodou). Částice získané mletím mají rozměr pod 0,1 milimetru. Tříděním následujícím po drcení nebo mletí se na sítech oddělují částice rudy podle velikosti zrna. Částice příliš velké pro další zpracování se vracejí k mlecím zařízením, částice příliš malé se na vhodnou velikost spojují. Spojování jemných částic rudy se provádí briketováním, aglomerací a peletizací (sbalováním). Při briketování se prachové částice lisují do větších kusů svou velikostí vhodných pro zavážení do pecí. Ke snížení potřebného tlaku se mohou do rudného prachu přidávat pojiva. Při aglomeraci se drobné částice rudy spékají za teploty, která je uvádí do těstovitého stavu a slepuje dohromady. Postup se provádí nejčastěji na pohyblivém pásovém roštu. Na začátku pásu se na jeho kovové články sype prachová ruda, palivo (například mletý koks) a struskotvorné přísady. Směs se zapálí plynovým hořákem. Při prohořívání paliva se prachové částice rudy spékají a současně dochází k částečné úpravě jejich chemického složení. Na konci pásu granulát vypadává do zásobníku. Po vychladnutí se třídí, případně dále upravuje. Při peletizaci se prachové částice rudy sbalují zastudena po navlhčení odvalováním na skloněné ploše, nejčastěji v rotujícím válci se šikmou osou. Pro zlepšení spojování se může přidávat pojivo. Hotové pelety se zpevňují zahříváním na teplotu, při které suroviny měknou.
Obohacování rudy Obohacování rudy spočívá v odstranění části hlušiny z rudy a tím zvýšení procentního obsahu kovu ve zbylé surovině. Může být prováděno hned po drcení, častější je obohacování po mletí. Obohacování praním se užívá u rud s jílovitou nebo hlinitou hlušinou. V pracích bubnech nebo žlabech se hlušina rozpustí a odplaví. Rudný koncentrát se následně suší. Rudy, jejichž kovová složka má jiné magnetické nebo elektrické vlastnosti než hlušina, se obohacují na magnetických nebo elektrických rozdružovačích.
23
Při flotaci se ruda odděluje od hlušiny mokrou cestou. Jemně rozemletá surovina se ve zvláštních vanách, flotátorech, rozptyluje ve vodě (suspenduje). Flotace je založena na rozdílné smáčivosti povrchu částic rudy a částic hlušiny některými kapalinami. Smáčivost zrnek hlušiny vodou je u některých surovin lepší než smáčivost zrnek rudy. Pokud suroviny tuto přirozenou schopnost flotace nemají, přidávají se do suspenze přísady, které na povrchu částic rudy vytvářejí nesmáčivý film. Při olejové flotaci se do suspenze přidává minerální olej, který obalí jen zrnka rudy. Ta vyplavou na povrch, zatímco hlušina klesá ke dnu. Nejdůležitější je flotace pěnová, při níž se do suspenze přidávají pěnivé přísady. Ty přilnou k málo smáčivým rudným zrnkům, nepřilnou však k dobře smáčivé hlušině. Mícháním suspenze nebo vháněním vzduchu se částice rudy obalí tenkou vrstvičkou bublin vzduchu, která je vynáší na hladinu ve formě pěny. Pěna bohatá na koncentrát rudy se sbírá, filtruje a suší.
Úprava chemického složení Úprava chemického složení spočívá v přeměně nevhodného chemického složení rud na složení lépe vyhovující dané metodě jejich zpracování na kov. Nejčastější úpravou chemického složení rud je jejich pražení. Při tomto pochodu se zahřívá ruda v plynném prostředí pražicích pecí. Podle plynného prostředí pece může být pražení - oxidační - sulfatační - chloridační a chlorační - redukční. Oxidační pražení se provádí u sulfidických rud železa i neželezných kovů. Jeho cílem je převedení sirných sloučenin kovů na oxidy těchto kovů. Při sulfatačním pražení se převádějí sulfidy (sirníky) kovů na snáze zpracovatelné sírany (sulfáty). Při chloridačním pražení se za přítomnosti chloridu sodného převádějí sulfidy kovů na chloridy, rozpustné ve vodě. K chloračnímu pražení se používá plynný chlór. Redukční pražení se užívá především při zpracování železných rud. Cílem je převedení složitějších nemagnetických oxidů na nižší magnetické oxidy, u kterých je možno provést obohacení založené na magnetickém rozdružení.
Sušení a kalcinace rudy Smyslem sušení rud je snížení obsahu volné vody v surovině a tím zvýšení výkonu dalších zpracovatelských zařízení. Provádí se v rotačních nebo tunelových pecích spalováním paliv přidávaných k rudě. Při kalcinaci, která se provádí za vyšších teplot, se ze suroviny odstraňuje chemicky vázaná voda. Dochází také k termickému rozkladu některých hydrátů, karbonátů, sulfátů, síranů a jiných sloučenin, případně k odstranění těkavých složek.
Výroba surového kovu Základními hutnickými pochody, kterými se z rudy vyrábí surový kov, jsou pyrometalurgie, hydrometalurgie a elektrometalurgie.
Pyrometalurgie Pyrometalurgie, to jest žárové zpracování rudy, spočívá v oddělení kovové složky rudy od hlušiny redukcí oxidů kovů v roztaveném stavu. Provádí se v šachtových, plamenných (nístějových) a elektrických pecích. K uskutečnění redukce se do vsázky přidává redukční prostředek (například koks při výrobě technického železa). Nekovová složka rudy (oxidy hlušiny) se spolu s popelem z paliva váže struskotvornými přísadami (například vápenec při výrobě technického železa) na strusku. Pyrometalurgické pochody vyžadují značné množství energie. Produkty tavení jsou surový kov nebo meziprodukt pro další zpracování (například tzv. kamínek při výrobě mědi, niklu, kobaltu a drahých kovů), struska, prachové úlety a plyny. Zvláštní pyrometalurgickou metodou je destilace kovů s nízkou teplotou varu z jejich rud. Páry kovů se v poměrně čistém stavu srážejí v kondenzátorech. Takto se vyrábí zejména zinek a hořčík.
Hydrometalurgie Při hydrometalurgii se kovová složka rud odděluje od hlušiny rozpouštěním ve vhodném loužidle. Volba loužidla závisí na druhu rudy. Může to být voda, kyselina nebo zásada. Pro tento pochod musí rudy být velmi jemně rozemlety. Roztok kovu v loužidle se nazývá výluh, nerozpuštěný zbytek louženec. Loužení se provádí za studena i za tepla. Louženec se od výluhu odděluje usazováním a filtrací. Z výluhu se kovy oddělují srážením, cementací (vytěsňováním ušlechtilejšího kovu kovem méně ušlechtilým), elektrolýzou nebo pomocí měniče iontů.
24
Hydrometalurgie se užívá zejména při zpracování chudých a polymetalických rud (rud obsahujících několik kovů).
Elektrometalurgie Elektrometalurgie je hutnický pochod užívaný pro výrobu kovů, slitin nebo jejich rafinaci pomocí elektrické energie. Jeho principem je elektrolýza roztavených surovin.
Rafinace kovu Rafinace kovu se provádí za účelem zvýšení jeho čistoty, to jest odstranění nežádoucích příměsí, které zůstaly v kovu vyrobeném pyrometalurgií, hydrometalurgií nebo elektrometalurgií a které zhoršují fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti. Rafinace se provádí žárovým nebo elektrolytickým způsobem.
Výroba a zpracování technického železa Železo v čisté podobě (prvek Fe) má ve strojírenství pouze malý význam. Jeho vlastnosti nevyhovují konstrukčním a technologickým požadavkům. Ve strojírenství je nejpoužívanějším a nejvýznamnějším materiálem technické železo, které je slitinou železa, uhlíku a dalších složek (prvků a sloučenin).
Historie výroby a užívání technického železa Historické označení období vývoje lidské společnosti názvem doba bronzová (3 000 až 1 000 let př. n.l.) a doba železná (v Evropě 700 až 600 let př. n. l.) neodpovídá skutečné době užívání jmenovaných kovů. Užívání kovů záviselo na výskytu surovin pro jejich výrobu. V místech, kde byla k disposici velmi bohatá železná ruda se vyvinulo zpracování železa mnohem dříve, než zpracování mědi a bronzu. Železa užívali již staří Egypťané, existují nálezy železných výrobků z doby více než 5 000 let př. n. l. V čistém stavu se železo na zemském povrchu prakticky nevyskytuje. Jedinou výjimkou je železo, které se na Zem dostalo v podobě meteoritů. Proto je technické železo vyráběno z různých sloučenin železa - rud.
Přímá výroba železa Původní způsob výroby spočíval v přímé přeměně rud s velkým obsahem železa (minimálně 50 %) na ocel zkujňováním v ohništích a později v jednoduchých pecích. Rozdrcená ruda se nejdříve pražila na otevřených ohništích s cílem snížení obsahu síry. Následně se vložila spolu s dřevěným uhlím do pece (obr. 1), ve které se dmýcháním vzduchu dosáhlo teploty 1300 až 1350 °C. V tomto žáru se ruda uhlíkem z dřevěného uhlí redukovala. Výsledkem byla hrouda železa v těstovitém stavu smíšeného s minerální složkou vsázky, tzv. struskou („železná houba“). Tento produkt se následně ručně překovával, čímž se odstranila struska a materiál se sjednotil (homogenizoval). Kovářským svařením menObr. 1: Šachtová pícka ších kusů byly zhotoveny větší předměty. Konečným produktem byla kujná forma technického železa, tzv. svářková ocel. Popsaná metoda byla málo produktivní a neumožňovala zpracování rud s nižším obsahem železa. Podle dnešního názvosloví tímto způsobem ovšem vznikala nízkouhlíková ocel. Přímá výroba železa však není pouze historickou záležitostí. S technickým rozvojem se tato metoda modernizuje a v současné době se ve světě asi 2 % železa takto vyrábí.
Nepřímá výroba železa Výroba technického železa v tekutém stavu, nepřímá výroba železa, má své počátky v 15. století. S vývojem techniky se železářské pece zdokonalovaly tak, že v současné době je v šachových pecích vyráběna většina železa. Proto je v dalším textu popsán pouze tento způsob. V menší míře se k výrobě železa užívá elektrických pecí a jiných postupů (například elektrolýza).
Přehled výroby a zpracování technického železa Následující přehled zahrnuje celkový proces výroby technického železa od surovin přes surové železo až po konečné produkty – ocel a litinu. Jeho cílem je ilustrace souvislostí jednotlivých fází a kroků výroby. 25
ruda
okuje
kamenné uhlí
úprava
vápenec
vzduch
koksárenská pec
ohřívače
koks
vysoká pec
surové železo
struska
licí pole (stroj)
vysokopecní plyn misič
čističe
kotle plynové motory
housky šrot
nístějové pece
kuplovna
el. pece
konvertory
SM pece
litina
el. pece
ocel
odlitky formy
odlitky
housky
kokily
krystalyzátor
ingoty
ingoty
válcovny
kovárny
Výroba surového železa v šachtových pecích Princip výroby železa v šachtových pecích spočívá v redukci kysličníkových rud probíhající za zvýšených teplot. Vsázka do šachtové pece obsahuje kromě rudy redukovadlo, palivo a struskotvorné přísady k usnadnění roztavení hlušiny a popela. Pro spalování paliva je do pece přiváděn vzduch.
Železné rudy Rudou se rozumí hornina, která obsahuje sloučeniny železa v takovém množství, že je rentabilní z ní technické železo vyrábět (alespoň 24 % Fe). Vedle sloučenin železa obsahuje ruda tak zvanou hlušinu – minerální složku horniny bez železných sloučenin. Hlavními druhy železných rud z hlediska jejich chemického složení jsou kysličníky - magnetovce (magnetity) Fe3O4, které obsahují 50 - 70 % Fe - krevele (hematity) Fe2O3, které obsahují 40 - 60 % Fe uhličitany - ocelky (siderity) FeCO3, které obsahují 30 - 40 % Fe -
26
hydráty kysličníku železitého - hnědele (limonity) Fe(OH)3, které obsahují 25 - 40 % Fe křemičitany - nejčastěji chamozity (vodnatý hlinitokřemičitan železnatohořečnatý), které obsahují 25 - 30 % Fe. Kromě železné rudy se v pecích zpracovávají také tzv. kyzové výpalky vznikající při výrobě kyseliny sírové v chemickém průmyslu (obsahují 50 až 60 % Fe v podobě kysličníku železitého) a různé hutní odpady (ocelářská struska, okuje, ocelový odpad). Podle své chemické povahy hlušiny jsou rudy kyselé - obsahují SiO2 zásadité - obsahují CaO, MgO (vyskytují se méně často) samohutné, neutrální - obsahují ve vyrovnaném poměru kyselé i zásadité složky. -
Úprava rud Rudy se upravují za účelem dosažení vhodné velikosti částic pro zavážení do pece dosažení vhodného chemického složení zvýšení relativního obsahu železa.
Dosažení vhodné velikosti Pro zpracování v šachtových pecích je nejvhodnější ruda v kusech o velikosti asi 25 mm. Větší kusy se obtížně redukují, příliš drobná ruda brání průchodu plynů pecí.
Obr. 3: Kuželový drtič
Obr. 2: Válcový drtič
Velké kusy rudy se drtí v drtičích válcových (obr. 2), kuželových (obr. 3) nebo čelisťových. Hlušina se od rudy částečně odděluje na magnetických rozdružovačích (obr. 4).
Obr. 4: Magnetický třídič 27
Drobné částice se spojují lisováním (briketováním) spékáním (aglomerací); aglomerační směs obsahuje kromě práškové železné rudy okuje a drobný koks; vápenec se sype na rošt před aglomerační směsí jako separátor proti připečení směsi; spékání se provádí na pásovém zařízení (obr. 5) nebo v rotační hrudkovací peci (obr. 6).
Dosažení vhodného chemického složení Principem výroby železa ve vysokých pecích i jiných zařízeních je redukce kyslíkatých sloučenin železa. Rudy jiného typu (uhličitany, sirníky, hydráty) je nutno převést na kysličníky pražením ve zvláštních pecích za teploty 800 - 850 °C.
Zvýšení relativního obsahu železa v rudě Relativní zvýšení obsahu železa v zavážce do pecí se provádí tříděním rudy pomocí magnetického třídiče (obr. 4), kterým je oddělována magnetická složka rudy od hlušiny hrudkováním (obr. 6), při kterém v rotující peci dochází ke spékání prachové rudy na hrudky obalené struskou a současně k její částečné redukci; vytvořené hrudky se v mlýnech drtí a na magnetickém třídiči se pak oddělí obohacená ruda od strusky. Obr. 5: Aglomerační pásové zařízení
Palivo a redukovadlo Nejstarším palivem pro šachtové pece bylo dřevěné uhlí. Jeho předností je minimální obsah síry, malý obsah popela a velká pórovitost. Protože má malou pevnost a při vyšší zátěži vsázky by se drtilo, může být použito pouze v nižších pecích. V současné době se používá výjimečně v několika hutích ve Švédsku.
Obr. 6: Hrudkovna Obyčejné uhlí není jako palivo vhodné, protože se spéká, zabraňuje průchodu plynů pecí a má malou výhřevnost. Použitelný je antracit, nejstarší kamenné uhlí, které obsahuje až 96 % uhlíku. Pro malý výskyt však nemá pro výrobu železa praktický význam. Z uvedených důvodů je palivem v šachtových pecích nejčastěji koks. Vyrábí se suchou destilací (karbonizací) uhlí při teplotě 1 000 až 1 200 °C v koksárenských bateriích z uhlí. Koks obsahuje 85 až 87 % uhlíku a nejvýše 14 % popela. Pro malé a střední pece musí mít koks velikost alespoň 25 mm, pro velké pece alespoň 40 mm. Vedlejšími produkty výroby koksu v koksárenských bateriích jsou koksárenský plyn, čpavek, dehet, fenol, naftalin a další uhlovodíky. Pevnost koksu, to jest jeho odolnost proti rozdrcení, omezuje výšku šachtových pecí. Koks vyrobený z černého (kamenného) uhlí umožňuje stavbu tzv. vysokých pecí. Země, které nemají dostatek černého uhlí, používají nízkošachetní pece vytápěné hnědouhelným koksem. 28
Palivo zavážené v hutnímu procesu do šachtových pecí dodává teplo potřebné pro tavení vsázky a umožnění chemických reakcí uhlík potřebný pro redukci rudy uhlík k nauhličení železa.
Struskotvorné přísady Struskotvorné přísady jsou minerální látky, které se přidávají do vsázky šachtových pecí, aby s hlušinami rud a popelem z paliva vytvořily taveninu s nižší teplotou tavení a umožnily tak odstranění hlušin a popela z pece v podobě tekuté strusky. Protože hlušiny v současné době užívaných rud jsou převážně kyselé, je nutno používat zásaditých struskotvorných přísad. Většinou je to vápenec (uhličitan vápenatý CaCO3).
Obr. 7: Vysoká pec s příslušenstvím 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Sazebna Šachta Rozpor Zarážka Nístěj Podstava Závěr Vykládací vozík - skip
9. 10. 11. 12. 13. 14.
Betonový základ Šikmý výtah na sazebnu Výfučny Ventily výfučen Horký vzduch Vysokopecní plyn k čističům 15. Ohřívače vzduchu
16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.
Studený vzduch Vysokopecní plyn od čističe Vzduch Spalovací komora Spaliny do komína Surové železo Struska
Vzduch Vzduch, v hutnické terminologii vítr, dodává do pece kyslík potřebný pro spalování paliva. Do pece je přiváděn dmychadly pod zvýšeným tlakem 0,08 až 0,2 MPa (0,8 až 2 at). Pro dosažení vysoké teploty v peci je vzduch předehříván v Cowperových ohřívačích (obr. 7 vpravo) na teplotu 1 000 °C i více. Cowperovy ohřívače jsou válcové stavby z ocelového plechu o průměru 6 až 8 metrů a výšce 30 až 40 metrů. Vnitřní prostor ohřívače je rozdělen na dvě části - spalovací komoru a mřížoví z kanálkového šamotového zdiva. Ve spalovací komoře se spaluje kychtový plyn přiváděný se vzduchem. Spaliny stoupají vzhůru, jejich proud se v kupoli ohřívače obrací, při průchodu druhou částí prostoru ohřívače ohřívá mřížoví na teplotu 900 až 1 350 °C a odcházejí do komína. Ohřívání mřížoví trvá 2 až 5 hodin. Potom se zastaví přívod kychtového plynu a vzduchu do spalovací komory a začne se do ohřívače přivádět studený vzduch v opačném směru proudění. V mřížoví se ohřívá a přes spalovací komorou se potrubím dmýchá do pece. Dmýchání trvá asi 2 hodiny. Vzhledem k nestejným dobám předehřívání a dmýchání musí být u každé pece 3 až 4 ohřívače, z nichž jeden ohřívá vzduch, ostatní jsou předehřívány.
29
Vysoká pec Protože se v našich podmínkách nízkošachetních pecí nepoužívá, je v dalším textu popsána pouze výroba železa v pecích vysokých. Vysoká pec (obr. 7 vlevo) je stavba složená ze dvou komolých kuželů postavených většími základnami na sebe. Horní kuželová část se nazývá šachta, dolní zarážka nebo sedlo. Mezi šachtou a sedlem je válcová část nazývaná rozpor. Pod sedlem je válcovitá nístěj, ve které se shromažďuje vyrobené železo a na něm plovoucí struska. Nad šachtou je sazebna (kychta) s dvojitým zvonovitým uzávěrem, kterou se pomocí šikmého výtahu plní vysoká pec zavážkou - rudou, koksem a přísadami. Plášť pece je vyroben z ocelového plechu. Šachta je vyzděna šamotovou vyzdívkou, zarážka (sedlo) a nístěj jsou vyzděny šamotem nebo uhlíkovou hmotou. V nejvyšší části nístěje jsou umístěny výfučny (8 až 16), kterými se do pece přivádí vzduch. V nejnižší části nístěje je umístěna výpusť vyrobeného železa (odpichový otvor), o něco výše (1,4 až 2 metry) je výpusť strusky. Dvojitý zvonový uzávěr v sazebně zabraňuje unikání kychtového plynu při plnění pece vsázkou. Ta se nasype nad horní zvon, po jeho poklesu spadne nad dolní zvon. Po uzavření horního zvonu se spustí dolní zvon a vsázka po něm sklouzne do pece. Běžné vysoké pece mají obsah 1 300 až 2 000 m3, výšku 25 až 50 metů, vnitřní průměr 5 až 12 metrů. Výrobní kapacita pecí je 1 500 až 2 000 tun železa za 24 hodin.
Provoz vysoké pece Před uvedením nově postavené nebo nově vyzděné pece je nutno pozvolna vysušit vyzdívku. To se provádí dřívím spalovaným na dně pece nebo přiváděním horkého vzduchu od ohřívačů. Po vysušení vyzdívky se na dno pece naloží dříví až do výše výfučen. Na dříví se zaveze vrstva koksu, na něj vrstva vápence, vrstva rudy, což se opakuje až do zaplnění pece. Dřevo se zapálí a do pece se začne dmýchat vzduch, nejdříve s menším tlakem a v menším množství, později se intenzita dmýchání zvyšuje. Jmenovité produkce se dosáhne po 5 až 10 dnech. Pak již pec pracuje nepřetržitě po dobu 5 až 10 let, po které musí být odstavena k nutné opravě. U moderních pecí se příprava pece k provozu i vlastní provoz urychlují přidáváním zemního plynu nebo topného oleje do dmýchaného vzduchu a jeho obohacováním kyslíkem. Koks obsažený ve vsázce se spaluje v blízkosti výfučen, kde je dosaženo teploty až 2 000 °C. Při spalování uhlíku vzniká kysličník uhličitý (C + O2 = CO2). Horké plyny stoupající vzhůru šachtou pece obsahují ještě vodík a dusík. Jak plyny procházejí vyššími vrstvami koksu, redukuje se kysličník uhličitý na kysličník uhelnatý (CO2 + C = 2 CO). Vsázka klesá proti směru proudění plynů (sazebnou je ovšem stále doplňována). V nejvyšší části pece se vysušuje odcházejícími plyny. Ve střední části šachty se rudy - kysličníky železa - redukují kysličníkem uhelnatým (postupně 3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2, Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2, FeO + + CO = Fe + + CO2). Tato redukce je nazývána nepřímá. V dolní části šachty probíhá tzv. přímá redukce uhlíkem z koksu (FeO + C = Fe + CO). Nepřímou redukcí se podle režimu řízení pece získává 40 až 80 % železa, přímou redukcí 20 až 60 % železa. Ve spodní části šachty se při teplotách nad 900 Obr. 8: Teplotní pásma °C železo vyredukované v těstovité formě (modive vysoké peci fikace γ) nasycuje uhlíkem z koksu na 3 až 4,5 % C. Přítomnost uhlíku snižuje teplotu tavení vzniklé slitiny (zřejmé z rovnovážného diagramu technického železa), železo se taví a jeho kapky stékají do nístěje. Teploty existující v peci by nestačily na roztavení hlušiny. Ta by zůstávala v pevné nebo těstovité podobě a nebylo by možno ji z pece odstranit. Přísadou vápence se však teplota tavení hlušiny sníží natolik, že v podobě tekuté strusky stéká do nístěje. Protože struska má nižší hustotu než surové železo, plave na jeho povrchu. Teplotní pásma ve vysoké peci jsou zřejmá z obrázku 8.
30
Vypouštění železa z nístěje (odpich) se podle složení zpracovávaných rud provádí po 3 až 6 hodinách. Struska se vypouští kontinuálně nebo v kratších časových intervalech než železo. Doba prosazení neboli průtavní doba, za kterou zavážka projde pecí je 8 až 12 hodin. Na 1 tunu surového železa se spotřebuje 2 až 2,5 tuny železné rudy, 1 až 1,5 tuny koksu, 700 až 800 kg struskotvorných přísad a 4 000 m3 vzduchu.
Obr. 9: Válcový mísič
Produkty vysoké pece Hlavním produktem vysoké pece je surové železo. Z pece se vypouští do pánví a s nimi převáží do ocelárny ke zkujnění na ocel (do misičů), nebo se vypouští do forem na licím poli či licím stroji. Vedlejšími produkty vysoké pece jsou vysokopecní struska a vysokopecní (kychtový) plyn. Při výrobě 1 tuny železa vznikne 0,5 až 0,8 tuny vysokopecní strusky a 3 500 až 4 000 m3 vysokopecního plynu. Vysokopecní struska vzniká z hlušiny, popela a struskotvorných přísad (vápence). Zpracovává se na vysokopecní cement, dlažební kostky, struskový štěrk, struskový písek, struskovou vlnu (užívá se jako tepelná izolace) a další výrobky. Vysokopecní plyn obsahuje dusík, kysličník uhličitý, kysličník uhelnatý a vodík. Ze sazebny je odváděn potrubím do čistícího zařízení, kde se z něho oddělí prachová složka. Vyčištěný plyn se používá k vytápění Cowperových ohřívačů, pecí a parních kotlů, pohonu plynových motorů a podobně. Prach oddělený z vysokopecního plynu obsahuje až 45 % železa a proto se přidává do vsázky pece.
Výroba oceli Surové železo obsahuje 3 až 4,5 % uhlíku a některé škodlivé doprovodné prvky, které se do železa dostaly z rud a paliva (zejména síru a fosfor). Vysoký obsah uhlíku způsobuje křehkost surového železa, které z tohoto důvodu není kujné (tvárné) a je ho možno zpracovávat pouze litím. Výroba oceli ze surového železa, zkujňování, spočívá ve snížení obsahu uhlíku v surovém železe (teoreticky pod 2,14 % C, prakticky pod 1,8 %) jeho spálením (oxidací) v odstranění síry a fosforu v úpravě obsahu dalších prvků k dosažení žádaných vlastností.
Misič Vypouštění železa z vysokých pecí, tzv. odpich, probíhá v pravidelných intervalech po 3 až 6 hodinách. Provoz vysokých pecí není koordinován s plněním ocelářských zařízení (konvertorů, Siemens-Martinských pecí, elektrických pecí) a jednotlivé tavby vysokých pecí mohou mít odlišné složení. Proto se surové železo určené ke zkujnění převáží v pánvích nejdříve do zvláštních zásobníků, tzv. misičů, které pojmou 500 až 2000 tun železa, tedy několik odpichů vysoké pece. Misič (obr. 9) je válcová sklopná nádoba vytápěná generátorovým, vysokopecním nebo koksárenským plynem, ve které se železo udržuje v tekutém stavu. Kromě tohoto základního účelu dochází v misiči k promíchání jednotlivých taveb, čímž je dosaženo stejnoměrného složení surového železa zaváženého do ocelářských zařízení úpravě složení železa
31
-
odstranění velké části síry ze železa přidáním manganu, který na sebe síru váže a jehož sirné sloučeniny se ze železa snadněji odstraňují částečnému odstranění uhlíku foukáním kyslíku do misiče (tzv. předzkujnění).
Obr. 10: Konvertor
Obr.: Kyslíkový konvertor
Výroba oceli ve vzduchových konvertorech Ve vzduchovém (klasickém) konvertoru (obr. 10) se spaluje uhlík obsažený v surovém železe kyslíkem z atmosférického vzduchu foukaným do vsázky otvory ve dnu konvertoru. Konvertor je nádoba zvláštního, tzv. hruškovitého, tvaru odpovídajícího postupu práce při zkujňování. Plášť konvertoru je ocelový, vyzdívka je ze žáruvzdorného materiálu. Postup zkujňování v konvertoru (obr. 11) sestává z fází plnění (obr. 11a), při kterém se z pánve nalije do sklopeného konvertoru surové železo v takovém množství, aby nebyly zality otvory ve dně; během plnění se vzduch do konvertoru nefouká stavění, při kterém se konvertor otáčí do svislé polohy (obr. 11b); během stavění se dnem dmýchá vzduch pod tlakem 150 až 300 kPa, aby nedošlo k zalití otvorů ve dně spalování uhlíku a dalších nežádoucích prvků (křemíku, síry, fosforu); dochází ovšem také k nežádoucímu spálení určitého množství železa; na konci spalování se vyrobená ocel odkysličuje přidáním feromanganu vylévání oceli do pánve (obr. 11c). Zdrojem tepla při konvertorových pochodech je spalování uhlíku a dalších prvků. Vyzdívka konvertorů závisí na složení surového železa - chemická povaha vyzdívky musí být shodná s chemickou povahou železa, aby nedošlo k nežádoucí reakci železa nebo přísad s vyzdívkou a tím k jejímu poškození: pro železa obsahující 1 až 2 % křemíku a velmi málo fosforu (asi do 0,1 %) se užívá vyzdívka kyselá ze silikových cihel (kysličník křemičitý SiO2); tento typ konvertoru je nazýván Bessemerův (podle vynálezce Henry Bessemera, 1813 - 1898, vynálezce výroby oceli v konvertoru) pro železa obsahující malé množství křemíku a větší množství fosforu se užívá vyzdívka zásaditá z dolomitových tvárnic (uhličitan vápníku a hořčíku); fosfor ve vsázce se váže přidávaným páleným vápnem do strusky; tento typ konvertoru je nazýván Thomasův (podle Sidney Gilcgrista Thomase, 1850 - 1885, vyná-
Obr. 11: Polohy konvertoru
32
lezce způsobu odstranění fosforu ze železa při výrobě oceli). Obsah Bessemerova konvertoru je 20 až 30 tun a doba zkujňování je 8 až 15 minut. Obsah Thomasova konvertoru je 15 až 60 tun a doba zkujňování je 20 až 25 minut. V našich železárnách, které zpracovávají převážně rudy obsahující větší množství fosforu, se užívaly Thomasovy konvertory. Ty umožňují zpracovat také až 10 % ocelového odpadu. Výhodou klasických konvertorových pochodů je krátká doba zkujňování a tím relativně vysoká výkonnost, jednodušší zařízení a skutečnost, že nepotřebují palivo - vsázka se udržuje v tekutém stavu spalováním uhlíku a dalších prvků. Základní složkou vsázky konvertorů je tekuté surové železo. Konvertory neumožňují zpracování většího množství pevné vsázky (železného odpadu). Kvalita oceli vyrobené v klasických konvertorech je nižší než u jiných pochodů, protože takto vyrobená ocel obsahuje více plynů, zejména dusíku ze vzduchu. Výroba oceli ve vzduchových konvertorech je zastaralá a v současné době se užívá pouze výjimečně.
Výroba oceli v martinských pecích V současné době se většina oceli vyrábí v plamenných pecích, které umožňují zpracování tekuté i pevné vsázky. Jsou vytápěny spalováním vhodného paliva - koksárenského plynu, vysokopecního plynu, generátorového plynu, mazutu, nafty, výjimečně také práškového paliva. Okysličovadlem vsázky jsou látky obsahující kyslík, nejčastěji kyslíkaté rudy, okuje, korozní produkty na šrotu, kyslíkaté prostředí pece (přebytek vzduchu), případně zvlášť přiváděný kyslík. Na konstrukci současných plamenných pecí se podíleli francouzský hutník P.E.Martin (1824 – 1915), který navrhl vlastní pec, a německý technik F.A. Siemens (1826 – 1904), který navrhl zařízení k předehřívání vzduchu a plynu. Podle jmenovaných vynálezců jsou tyto pece nazývány martinské nebo siemens-martinské (SM). Menší martinské pece, asi do obsahu 150 tun, se stavějí jako pevné (obr. 12), větší, do obsahu 500 až 1 000 tun, jako sklopné (tzv. pece Talbotovy). Tekutá vsázka, surové železo, se do pece nalévá z pánví jeřábem. Tuhá vsázka se do pece plní sázecími dvířky pomocí sázecího stroje s vodorovným ramenem na jehož konci je uchyceno sázecí korýtko pro vsázku. Rameno je otočné kolem podélné osy, může se sklápět ve svislé rovině a vysouvat ve směru své osy. Sázecí stroj pojíždí
Obr. 12: Martinská pec po kolejích uložených na podlaze nebo je zavěšen na jeřábové dráze. Může se otáčet kolem své svislé osy. Některé konstrukce pecí se zavážejí sázecím košem shora po zdvižení snímatelné klenby nístěje. Do nístěje se z jedné strany přivádí plyn a vzduch. Na protilehlé straně nístěje je odvod spalin. Pro dosažení potřebné teploty tavby jsou plyn i vzduch předehřívány v regeneračních komorách umístěných ve většině případů pod nístějí. Komory jsou vyzděny šamotovými cihlami tvořícími mřížoví o velké povrchové ploše. Jedna dvojice komor se vyhřívá odcházejícími spalinami, ve druhé dvojici se přehřívá plyn a vzduch. Vzhledem k poměru přiváděného plynu a vzduchu jsou komory pro ohřev plynu menší než komory pro ohřev vzduchu. Směr proudění se v průběhu zkujňování střídá, zpočátku v intervalech asi 30 minut, ke konci pochodu v intervalech 10 až 3 minut. Podle složení vsázky se rozlišují dva základní zkujňovací pochody - rudný a odpadkový. Při rudném pochodu obsahuje vsázka 60 až 80 % surového železa. Zbytek je kyslíkatá železná ruda, která slouží ke spalování uhlíku a jiných složek železa. Přitom je z rudy redukováno další železo a převáděno na ocel. 33
Při odpadkovém pochodu obsahuje vsázka převážně ocelový šrot, surového železa je nejvýše 35 %. Uhlík ze surového železa je spalován kyslíkem z kyslíkatých korozních produktů na šrotu. V případě potřeby se do pece fouká kyslík. K odstranění kysličníků železa vzniklých během zkujňování, které zůstávají ve vyrobené oceli rozpuštěny, se provádí desoxidace nejčastěji feromanganem (slitina železa s manganem obsahující až 85 % Mn) a ferosiliciem (slitina železa s křemíkem obsahující asi 17 % Si). Zkujňovací pochod v martinských pecích trvá 4 až 12 hodin. Vyrobená ocel se z pevných pecí vypouští odpichovacím otvorem najednou, u Talbotových pecí nakloněním pece po částech. Ocel vyrobená v martinských pecích má běžnou kvalitu. Na rozdíl od oceli vyrobené ve vzduchových konvertorech neobsahuje dusík. Kombinovanými (duplexními) pochody, při kterých se ocel vyrábí ve dvou fázích - předběžné a dokončovací - v různých pecích (například SM pec se zásaditou vyzdívkou a SM pec s kyselou vyzdívkou), je možno vyrobit také oceli ušlechtilé.
Výroba oceli v kyslíkových konvertorech Princip zkujňování surového železa v kyslíkových konvertorech je podobný principu práce v klasických vzduchových konvertorech. Konvertory však mají plné dno a ke spalování uhlíku a dalších prvků se užívá čistého kyslíku. Vývojově první typ kyslíkového konvertoru je sklopná nádoba s ocelovým pláštěm a žáruvzdornou vyzdívkou. Kyslík se fouká pod tlakem 0,8 až 1,5 MPa trubicí na hladinu surového železa. Na povrchu vsázky dochází k prudké oxidaci uhlíku a dalších složek, zejména fosforu. K vytvoření strusky vázající na sebe fosfor se do vsázky přidává kusové vápno, u moderních a výkonnějších konvertorů se spolu s kyslíkem fouká vápenný prach. Vzhledem k velkému množství vzniklého tepla je třeba trubici přivádějící kyslík Obr. 13: Rotační kyslíkový konvertor chladit - je opatřena pláštěm, kterým protéká voda. Vysoká teplota dovoluje přidávat do vsázky větší množství železného odpadu (až 50 % vsázky). K urychlení tavby a zároveň k ochlazení obsahu se přidávají také kyslíkatá ruda a okuje, ze kterých se vyredukuje železo. Rotační kyslíkové konvertory (obr. 13) se vyvinuly s cílem zvýšení výkonu. Konvertor je opět sklopný, ale na rozdíl od původní konstrukce u něj probíhá vlastní proces za otáčení (až 30 ot/min) při nakloněné poloze jeho osy. Tak dochází k intenzivnějšímu promíchávání obsahu a tím k urychlení zkujňovacího procesu - odstranění síry a fosforu je dokonalejší. Kyslíkové konvertorů se staví s objemem od 15 do 200 tun, moderní konstrukce až do 300 tun. Doba zkujňování je u nich 30 až 40 minut. Výkon kyslíkového konvertoru zhruba odpovídá výkonu martinské pece o desetinásobném obsahu. Investiční náklady na stavbu ocelárny s kyslíkovými konvertory jsou asi poloviční ve srovnání s náklady na stavbu ocelárny martinské. Kvalita vyrobené oceli je vysoká, stejná nebo vyšší ve srovnání s ocelí z martinských pecí.
Výroba oceli v elektrických pecích V elektrických pecích se vyrábějí většinou kvalitnější druhy ocelí. Zdrojem tepla je zde elektrická energie. Používají se dva konstrukční typy elektrických pecí - obloukové a indukční.
34
Obloukové elektrické pece Zdrojem tepla je elektrický oblouk. Dříve existovaly pece, u nichž oblouk procházel mezi elektrodami umístěnými nad vsázkou. V současné době se nejčastěji užívá pecí Heroultových (obr. 14), u nichž oblouk prochází mezi elektrodami umístěnými nad vsázkou a vlastní vsázkou. Pec má válcovitou nístěj z ocelového plechu vyzděnou žáruvzdornou vyzdívkou a snímatelnou klenbu. Nístěj je uložena na sklápěcím zařízení. Klenbou procházejí zpravidla tři uhlíkové elektrody, jejichž držáky umožňují posouvání elektrod při jejich upalování. Elektrody mají na svých koncích závity, kterými jsou spojovány. Na elektrody je přiváděn třífázový proud o napětí 80 až 300 V a vysoké intenzitě. Tyto pece umožňují zkujňování surového železa podobně jako pece martinské, ale převážně jsou používány pro rafinaci a tím Obr. 14: Oblouková pec zkvalitnění oceli již vyrobené v jiném ocelářském zařízení při kombinovaných pochodech nebo pro přetavování ocelového šrotu. Vsázka může být tekutá i pevná. Zaváží se horem po odklopení klenby, tavba se vylévá nakloněním pece. Při zkujňování surového železa se do pece ke kovové vsázce zaváží železná ruda jako okysličovadlo a vápenec jako struskotvorná přísada. Může se přidávat také ocelový odpad. Při rafinaci oceli se zaváží již vyrobená ocel a vápenec. V důsledku vysoké teploty tavby (3 000 až 3 200 °C) je možno v obloukových pecích odstranit skoro veškerou síru a fosfor. Obloukové pece se staví pro objemy až 200 tun vsázky. Ocel vyrobená v obloukových pecích je velmi kvalitní.
Indukční elektrické pece V indukčních pecích se vsázka taví odporovým teplem vznikajícím ve vsázce. Pec (obr. 15) je tvořena kelímkem ze žárovzdorné hmoty a cívkou z dutých měděných trubek, chlazených protékající vodou. V podstatě je pec transformátorem, jehož primárním vedením, cívkou, prochází střídavý proud o frekvenci 500 až 2 000 Hz a jehož sekundárním vinutím je kovová vsázka v kelímku. Uvnitř vsázky vznikají magnetické proudy, které vsázku zahřívají a intenzivně promíchávají. Indukční pece se užívají pouze pro přetavování ocelí spojené s úpravou jejich složení a zpracování ocelového odpadu. Ke kovové vsázce se přidávají struskotvorné přísady, nejčastěji vápno. Vzniklá struska chrání vsázku před oxidací a snižuje tepelné ztráty. V důsledku své nízké teploty však není schopna Obr. 15: Indukční pec na sebe vázat síru a fosfor, takže v obloukových pecích není možno ocel rafinovat. Indukční pece se staví pro menší objemy, zpravidla do 10 tun vsázky. V indukčních pecích se vyrábějí zejména ušlechtilé vysokolegované oceli.
Lití oceli
Obr. 16: Licí pánev
Vyrobená ocel se z konvertorů a pecí vypouští do licích pánví (obr. 16). Je to nádoba z ocelového plechu vyzděná šamotovou vyzdívkou. Na oceli plave vrstva strusky, která brání okysličení oceli a zpomaluje její ochlazování. Ocel se z pánve vypouští otvorem v jejím dnu, aby s ocelí nevytekla i struska. Vypouštěcí otvor se uzavírá grafitovou zátkou ovládanou tyčí. Oceli určené pro další zpracování tvářením se lijí do kokil (obr. 17) nebo do krystalizátoru (obr. 18). Kokily jsou tlustostěnné litinové formy kruhového, čtvercového, obdélníkového nebo mnohoúhelníkového průřezu, které se v jednom směru rozšiřují. V kokilách ocel ztuhne na tzv. ingoty. Lití do kokil se provádí shora nebo spodem. Lití shora je jednodušší, ale kov se na dně kokily rozstřikuje, kapky oceli se 35
Obr. 17: Lití do kokily na svém povrchu okysličují a tvoří v ingotu vady. Lití spodem je nákladnější, ale dává lepší výsledky. Smršťováním tuhnoucího kovu může uvnitř ingotu vzniknout dutina, tzv. staženina, která je vadou ingotu. Proto se na kokilu umísťují nástavce vyzděné žáruvzdornou hmotou, ve kterých ocel tuhne až nakonec a do nichž se staženina přemístí. Hlava ingotu se staženinou se pak odřízne. Lití do krystalizátoru probíhá kontinuálně. Krystalizátor je forma chlazená vodou. Na začátku lití je zespodu uzavřen dnem. Po nalití oceli do krystalizátoru se ocel ochlazuje, tuhne, v důsledku smrštění spojeného se snížením teploty se odděluje od stěn krystalizátoru. Dno krystalizátoru klesá a sním se vysouvá i ztuhlý kov, který je dále ochlazován proudem vody. Sloupec tuhé oceli je dělen kyslíkovým řezacím přístrojem na ingoty. Oceli určené pro další zpracování litím se lijí do forem na licím poli ocelárny.
Obr. 18: Kontinuální lití 1. Pánve 2. Nálevka 3. Krystalizátor
4. Hořáky 5. Uzávěr 6. Přímá zóna
36
Výroba litiny Litina vzniká přetavením surového železa, při kterém se snižuje obsah uhlíku a odstraňují nežádoucí složky existující v surovém železe. Obsahuje přibližně 3 % uhlíku. Litina běžné kvality se nejčastěji vyrábí v šachtových pecích - kuplovnách čili kupolních pecích (obr. 19), může se vyrábět také v plamenných nístějových pecích (obdoba pecí martinských). Kvalitnější litina se vyrábí v elektrických indukčních nebo obloukových pecích. Kuplovna je válcová ocelová šachtová pec vyzděná šamotem (žáruvzdorná hmota obsahující asi 25 % Al2O3, 55 % SiO2 a další příměsi) nebo magnezitovou (uhličitan hořečnatý MgCO3) vyzdívkou. Podobá se vysoké peci, je však vysoká jen asi 6 metrů. Moderní kuplovny jsou vybaveny pevným nebo pojízdným předpecím, ve kterém se vyrobená litina shromažďuje a případně také přihřívá. Surovinami pro výrobu šedé litiny jsou surové železo, zlomková litina (litinový odpad), ocelový šrot, koks a tavidla. Tavidlem, které zlepšuje tekutost strusky, je nejčastěji vápenec. V horní části pece je umístěn sázecí otvor, kterým se pec plní. Do kuplovny se dmýchá vzduch předehřátý na 250 až 650 °C. Při sázení se nejdříve plní šachta koksem do výšky asi jednoho metru nad dmýchací trubice. Koks se zapálí a po dosažení jeho červeného žáru se střídavě sází kovová vsázka, přísady a další koks. Hotová litina a struska se u kuploven bez předpecí vypouštějí odpichovými otvory ve spodní části pece, u kuploven s předpecím odpichovými otvory v něm. Vyrobená litina vytéká s teplotou asi 1 500 °C. Na rozdíl od vysokých pecí pracují kuplovny přerušovaně. Tavba trvá přiObr. 19: Kuplovna bližně jeden den. Po vyčistění kuplovny a opravě její vyzdívky se tavba opakuje. Hlavní výhodou kuploven je jednoduchost a nízké náklady na tavení. Nevýhodou je nižší kvalita vyrobené litiny a znečišťování ovzduší.
Výroba neželezných kovů Výrobní postupy neželezných kovů využívají podle složení a bohatosti rud metod pyrometalurgických, hydrometalurgických i elektrometalurgických. V dalším textu je popsána pouze výroba technicky nejvýznamnějších reprezentantů neželezných kovů – mědi a hliníku.
Výroba mědi Měděné rudy se nalézají ve formě kysličníků (kuprit Cu2O), sirníků (chalkopyrit CuFeS2, chalkosin Cu2S) nebo uhličitanů (malachit CuCO3.Cu(OH)2, azurit Cu3(CO3)2(OH)2). Jsou velmi chudé, obsahují od 0,25 do 5 % mědi. Měď se z rud vyrábí pyrometalurgickými nebo hydrometalurgickými pochody. Způsob výroby závisí na obsahu a složení rud. Sirníkové a bohatší kysličníkové rudy se zpracovávají pyrometalurgií, chudší kysličníkové rudy hydrometalurgií.
Pyrometalurgický pochod výroby mědi
37
Pro nízký obsah mědi není možno rudy zpracovávat přímo, v první fázi výroby je třeba provést jejich obohacení. K tomu se u sirníkových rud užívá pražení a flotace. Vzniklý koncentrát obsahuje 10 až 30 % mědi. Před tavením v šachtových pecích se rudy upravují hrudkováním, aglomerací, briketováním nebo peletizací. Měděné koncentráty se přímo nebo po částečném předpražení v poschoďových nebo fluidních pecích taví na měděný kamínek, což je směs sirníků mědi, železa a dalších kovů. Tavení se provádí v pecích nístějových, šachtových, elektrických nebo cyklónových (tavení ve vznosu). Výroba kamínku se často intenzifikuje použitím kyslíku nebo ohřevem vzduchu. Vyrobený kamínek obsahuje 30 až 40 % mědi. Kamínek se v tekutém stavu přepravuje v pánvích do ležatých válcových konvertorů, do nichž se po nalití kamínku vhání vzduch nebo kyslík tryskami. Takto získaná surová (černá) měď má čistotu 97 až 99%. Obsahuje také síru, kyslík a doprovodné prvky, jako jsou drahé kovy, antimon, arzen, nikl, vizmut, selen, telur a další. Surová měď se dále žárově rafinuje oxidačním tavením v nístějových nebo bubnových pecích. Žárově vyrafinovanou měď je možno dále čistit elektrolyticky, čímž se dosahuje čistoty nad 99,9 %.
Hydrometalurgický pochod výroby mědi Poněvadž se oxidové rudy nedají obohacovat, nejsou u nich žárové pochody hospodárné. Základem výroby je loužení rud. Loužidly jsou kyseliny nebo čpavek, popřípadě i soli některých kovů (chlorid železitý). Po loužení se provádí čištění výluhů, z nichž se měď získává cementací nebo elektrolýzou. Vyloužený produkt, surová měď, má čistotu kolem 80 %. Dále se rafinuje žárově a elektrolyticky.
Výroba hliníku Hliník je po kyslíku a křemíku třetím nejrozšířenějším prvkem a nejrozšířenějším ze všech kovů na Zemi. Obsah hliníku v zemské kůře činí 7,47 % její hmoty. Přesto patřila průmyslová výroba hliníku do poměrně nedávné doby k velmi obtížným procesům. Je to především z toho důvodu, že hliník nelze jednoduchým metalurgickým postupem z jeho rud vyredukovat. Produktivní výrobu čistého hliníku umožnilo až průmyslové zvládnutí elektrolýzy taveniny kovových rud. Nejvýznamnější rudou hliníku je bauxit (znečistěný hydroxid hlinitý AlO(OH); název má původ v nalezišti Le Baux ve Francii), ze kterého se také vyrábí. Další známou sloučeninou je kryolit (hexafluorohlinitan trisodný Na3AlF6) a korund (oxid hlinitý Al2O3). Výroba hliníku má tři fáze: - příprava čistého Al2O3, - výroba surového hliníku elektrolýzou - elektrolytická rafinace hliníku.
Příprava čistého Al2O3 Rozdrcený, rozemletý a vysušený bauxit se smíchá s louhem sodným nebo sodou a v autoklávu (tlakové nádobě) se při teplotě 160 °C a tlaku 1 až 2 MPa (10 až 20 atmosfér) převede na hlinitan sodný, který je rozpustný ve vodě. Po filtraci, kterou se z roztoku oddělí nerozpustné složky (kysličník železitý a kysličník křemičitý), se hydrolýzou nebo pomocí CO2 se získá čistý hydroxid hlinitý Al(OH)3. V rotačních pecích se hydroxid kalcinací přemění na čistý oxid hlinitý Al2O3.
Výroba surového hliníku elektrolýzou Elektrolytem je tavenina oxidu hlinitého v kryolitu. Přídavek kryolitu (Na3AlF6) snižuje teplotu tání Al2O3 z 2050 °C na 950 °C. Katodou je z počátku grafitové dno elektrolýzní vany, později přebírá jeho funkci kapalný hliník. Anodou jsou uhlíkové elektrody. Průchodem elektrického proudu elektrolytem se kysličník hlinitý rozkládá na hliník, který se vylučuje na katodě, to jest na dně vany. Na grafitové anodě se vylučuje kyslík. Kapalný hliník s koncentrací 99,5 % se odsává ze dna vany vakuovou pánví.
Elektrolytická rafinace hliníku. Čistota surového hliníku pro většinu jeho použití postačuje. Pro elektrotechnické účely se hliník rafinuje opakovanou elektrolýzou na čistotu až 99,99 %.
38
