Производство монокорунда

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение………………………………………………………………………….. 3

Общие сведения о производстве абразивных материалов……………………. 4

Химический состав и свойства монокорунда………………………………….. 6

Теоретические основы производства монокорунда…………………………… 7

Сырьевые материалы……………………………………………………………. 9

Технологический процесс производства монокорунда……………………… 10

Заключение……………………………………………………………………… 14

Список литературы……………………………………………………………... 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

      Целью данной курсовой работы является изучение производства монокорунда, его свойств и химического состава.

      Монокорунд  – это абразивный материал из группы корундовых. Свое название он получил  от монокристаллов корунда, образующихся при кристаллизации.

      Разработка  процесса получения монокорунда  велась во ВНИИАШе с 1936 года М. В. Каменцевым. В 1949 году было организовано промышленное производство монокорунда. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ

АБРАЗИВНЫХ  МАТЕРИАЛОВ 

      Абразивные  материалы — это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов.

      Для того чтобы обеспечить эффективную абразивную  обработку,  частицы абразивного материала должны быть прочными, твердыми и иметь острые кромки. Острые кромки при резании постепенно затупляются, поэтому для сохранения режущих свойств зёрна абразивных материалов при приложении определенных усилий должны обладать способностью скалываться, при этом образуются новые острые кромки зёрен, позволяющие продолжать резание. Таким образом, абразивные материалы, наряду с высокой твердостью и прочностью, должны быть достаточно хрупкими. Сочетанием таковых свойств обладают только твердые минералы, поэтому они и применяют в качестве абразивов. 

      Основной  отличительной особенностью абразивных материалов  является их высокая твердость. Чем выше разница в твердости абразивного и обрабатываемого материалов, тем эффективнее обработка. Оценку твердости различных минералов производят с помощью сравнительной шкалы твердости. Наиболее высокое положение по этой шкале занимает алмаз как самый твердый в природе минерал, твердость его оценена цифрой 10. твердость других материалов оценивается по сравнению с алмазом цифрой, которая меньше 10. наиболее низкое место с оценкой твердости, равной 1, занимает очень мягкий минерал – тальк.

      Для сравнения различных абразивных материалов введена еще одна характеристика абразивная способность. Абразивная способность является безразмерной величиной и выражается как соотношение массы сошлифованного материала к массе навески абразивного материала (зерна).  
 Зерна абразивных материалов, применяемых для обработки резанием, должны быть достаточно прочными, чтобы длительное время выдерживать прилагаемую нагрузку без разрушения. Механическая прочность абразивных материалов может быть оценена по прочности единичного зерна и по прочности множества зерен, находящихся в определенной навеске материала. В зависимости от твердости и прочности разные материалы используются для различных операций абразивной обработки: более твердые – для обработки твердых материалов, более прочные – для обработки вязких материалов и т.д. 

      Абразивные  материалы могут быть естественного (природного) и искусственного (синтетического) происхождения. К природным материалам относят алмаз, корунд, наждак, гранат, кремень, кварц, а также более мягкие полировальные материалы: известь, тальк и др. искусственные 

абразивные материалы отличаются от природных более высоким качеством и стабильностью свойств. Поэтому большого промышленного значения природные материалы не имеют, за исключением алмазов. 
 К искусственным абразивным материалам относятся электрокорунды, карбид кремния, карбид бора и синтетические сверхтвердые материалы (синтетический алмаз и кубический нитрид бора). 
 Шлифовальные материалы представляют собой измельченные до порошкообразного состояния и рассеянные на определенные классы абразивные материалы. Классификация необходима потому, что после измельчения абразивные материалы имеют различные величину и форму частиц: в виде кристаллов, осколков кристаллов и агрегатов.  
 Для получения порошка абразивный материал подвергают обработке, включающей ряд операций, основными из которых являются дробление, измельчение, обогащение и классификация. В зависимости от абразивного материала применяют разное оборудование. Шлифовальные материалы условно делят на два класса. К первому относят порошки, классифицированные на ситах, ко второму – продукты гидроклассификации. В свою очередь продукты рассева делят на шлифзерно и шлифпорошки, а продукты гидроклассификации – на микропорошки и тонкие микропорошки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.ХИМИЧЕСКИЙ  СОСТАВ И СВОЙСТВА МОНОКОРУНДА 

      Монокорунд  отличается высоким содержанием  А1203 и большой чистотой, причем почти вся окись алюминия в монокорунде в минералогическом отношении представлена корундом.

      Химический  состав монокорунда, полученного из бокситов, содержащих до 1—2% СаО, приведен в табл. 50. 

Таблица 1

Химический  состав монокорунда 

 

      По  сравнению с другими искусственными абразивными материалами (электрокорундом нормальным — Эй белым — ЭБ) монокорунд обладает лучшими показателями твердости, механической прочности и абразивной способности (таблица 2).

      Лучшие  свойства монокорунда по сравнению с электрокорундами связаны с особенностями его строения. Если электрокорунды представлены осколками кристаллов корунда, то зерна монокорунда являются целыми кристаллами. Круги из монокорунда обладают высокой режущей способностью и самозатачиваемостью.

      Основным  недостатком монокорунда является его дороговизна: он примерно на 15—20% дороже электрокорунда белого. 

Таблица 2

Свойства  монокорунда и  других абразивных материалов 

 
 
 
 
 
 
 
 

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МОНОКОРУНДА 

      Монокорунд  производят из бокситов методом оксисульфидной плавки, сущность которой состоит  в сплавлении боксита с сернистым железом (пиритом) в присутствии восстановителя. В результате плавки образуется шлак, состоящий из монокристаллов корунда и сульфидов кальция, кремния и частично алюминия.

      Особенности способа получения монокорунда  заключаются в следующем:

1. окислы, входящие в состав боксита и сопутствующие глинозему, обладают большим сродством к сере, чем к кислороду, что дает возможность перевести их в сульфиды; переходит в растворимый сульфид и окись кальция;

2. кристаллизация расплава характерна тем, что сульфиды металлов не образуют ни химических соединений, ни твердых растворов с корундом и легко разлагаются под действием воды;

3. образующийся сульфид алюминия разжижает расплав, что способствует при кристаллизации выделению глинозема в виде крупных   кристаллов   корунда.

      При производстве монокорунда имеют  место процессы восстановления части окислов боксита до металла с последующим образованием ферросплава и части — до сульфидов. Эти процессы характеризуются  следующими   важнейшими   реакциями:

                                             Fe₂0₃ + ЗС = 2Fe + ЗСО                                          (1)

Si0₂ + 2С = Si + 2СО;                                           (2)

FeS₂ + Fe = 2FeS;                                            (3)

SiO₂ + 2FeS + 2C = SiS₂ + 2Fe + 2CO;                              (4)

CaO + FeS + С =  CaS + Fe + CO;                              (5)

TiО₂ + 2FeS + 2C = TiS₂ + 2Fe + 2CO;                         (6)

A1₂О₃ + 3FeS + 3C = A1₃S₃ + 3Fe + 3CO.                      (7)

      Последовательность  основных реакций образования сульфидов  в зависимости от температуры изучалась во ВНИИАШе.

      Реакция (3) характеризует взаимодействие пирита с чугунной стружкой, в результате чего снижается расход пиритового концентрата, уменьшается выделение пыли и сероводорода.

      Реакция (5) начинается при 400° С и завершается  при 1100° С, причем СаО полностью переходит в CaS. Присутствие кремнезема ускоряет эту реакцию, а окиси железа и алюминия замедляют ее, и она протекает при более высокой температуре (1400— 1700° С).

      Образование сульфида кремния по реакции (4) начинается при 1100° С и заканчивается при 1450° С. Кремнезем, содержащийся в боксите, на 50% переходит в SiS2, а остальное количество его восстанавливается до кремния и переходит в ферросплав. Восстановление окиси кремния по реакции (2) начинается при температуре 1585° С. Образовавшийся при этом сульфид кремния почти полностью улетучивается.

      Сульфид алюминия интенсивно образуется по реакции (7) при   температуре   1500—1550° С.

      Восстановление железа по реакции (1) происходит при температуре примерно 700° С.

      При производстве монокорунда получают до 8% A12S3, который вступает в обменные реакции с окислами, содержащимися в боксите, пока они не восстановлены или не перешли в сульфиды. Таким образом, присутствие A12S3 в расплаве свидетельствует о том, что в нем нет кислородных соединений других металлов, кроме окиси алюминия. Н. Е. Филоненко находит, что при большом количестве СаО в используемом боксите может образоваться и гексаалюминат кальция, что, впрочем, еще недостаточно изучено.

      Сульфиды  кальция и алюминия вместе с глиноземом образуют окисносульфидный расплав, который и представляет собой целевой продукт   плавки — оксисульфидный шлак.

      В последующем, при обработке шлака  водой с целью выделения кристаллов корунда, имеют место следующие реакции:

A1₂S₃ + 6Н₂0 = 2Аl(ОН), + 3H₂S;

2CaS + 2Н₂0 = Са(ОН)₂ + Са(HS)₂.

      Корунд  отделяется от гидратов в процессе обычных обогатительных операций.

      На  основании исследований, проводившихся  во ВНИИАШе, легко разлагающиеся шлаки получают при температуре 1700— 1900° С. При более высокой температуре, по предположению Н. Е. Филоненко и И. В. Лаврова, в шлаке образуются соединения типа mAl203-nAl2S3, которые уменьшают содержание корунда в шлаке и затрудняют разложение последнего. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

      Шихта для выплавки монокорунда состоит  из боксита, антрацита, пирита и чугунной стружки. Кроме того, используются возвратные материалы: старая (непрореагировавшая) шихта с боков блока, гидрат окиси алюминия, неразложившийся шлак и  отходы обогатительных  операций  монокорунда.