Значение цветных металлов в развитии всех отраслей народного хозяйства очень велико. Цветные металлы являются важнейшим конструкционным материалом. Несмотря на большие успехи органической химии и быстрое развитие полимерных материалов выпуск цветных металлов не только не снижается, но и растет опережающими темпами. Это объясняется их уникальными свойствами -- жаропрочностью, тугоплавкостью, высокой электропроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным весом, твердостью, способностью образовывать многочисленные сплавы и др Металловедение (металлообработка): А. М. Адаскин, В. М. Зуев -- Москва, Академия, 2007 г..

Создание мощной материально-технической базы тесно связано с развитием производства новых материалов со специальными свойствами для прогрессивных технологических процессов, характеризующихся высокими температурами, давлением, скоростями, работой в среде плазмы, в условиях ядерного излучения, в агрессивных средах. В получении таких материалов ведущую роль играют цветные металлы и сплавы на их основе.

Цветные металлы применяются в машиностроении, электротехнике, приборостроении, радиотехнике, электронике, промышленности, строительстве, в быту, в атомной и ракетной технике.

Области применения цветных металлов и сплавов исключительно широки, поэтому ассортимент их производства чрезвычайно разнообразен. Обычно цветные металлы и сплавы используются в виде полуфабрикатов (листов, лент, фольги, труб, прутков, профилей, проволоки) или отливок и поковок.

Развитие новых отраслей промышленности потребовало освоения производства цветных металлов высокой степени чистоты. Чистые и сверхчистые цветные металлы обладают свойствами, отличными от так называемых технически чистых металлов, т. е. повышенной коррозионной стойкостью, электро- и теплопроводностью, высокой пластичностью и др.

Сырьем для производства цветных металлов являются руды, горючие полезные ископаемые, флюсовые материалы. Производство многих цветных металлов связано с потреблением большого количества электроэнергии.

Металлургия цветных металлов характеризуется разнообразием технологических процессов и большим количеством (свыше 70 наименований) выплавляемых металлов. При этом развиваются и совершенствуются как традиционные методы, так и новые, в числе которых обжиг руд в кипящем слое, плавка при помощи электроэнергии, природного газа и кислорода, автоклавные процессы, гидрометаллургия и др.

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛОВ

Металлургией называют отрасль промышленности, производя­щую металлы из руд и другого сырья.

Все металлы делят на черные и цветные. К черным металлам относятся железо, марганец, хром и сплавы на их основе; к цвет­ным - все остальные. Цветные металлы делятся на четыре группы: 1) тяжелые: медь, свинец, олово, цинк и никель; 2) легкие: алю­миний, магний, кальций, щелочные и щелочноземельные; 3) дра­гоценные, или благородные: платина, иридий, осмий, палладий, рутений, родий, золото и серебро; 4) редкие (все остальные): а) тугоплавкие: вольфрам, молибден, ванадий, титан, кобальт, цирконий иниобий; б) рассеянные: германий, галлий, таллий, индий и рений; в) редкоземельные: лантаноиды; г) радиоактивные: торий, радий, актиний, протактиний и уран; д) искусственные полоний, астат, нептуний, плутоний и др.

Сырье цветной и черной металлургии . По извлекаемому металлу руды называют железными, медными, марганцовыми, свинцовыми, медноникелевыми, урановыми и т. п. По составу их делят насульфидные, окисленные и самородные. Сульфидными рудами называются породы, в которых получаемый металл находится ввиде сульфидов. Это медные, цинковые, свинцовые и полиметаллические руды (халькопирит CuFeS 2 , галенит PbS, сфалерит ZnS и др.) Если извлекаемый металл находится в виде оксидов или другихкислородсодержащих минералов (силикаты, карбонаты), то такие руды относят к окисленным. Железные, марганцовые, алюминиевые руды чаще бывают окисленными. Руды, содержащие природные сплавы металлов, называют самородными.

На современном уровне развития технологии считается рентабельной переработка железных руд с содержанием не менее 30 % Fe, цинковых - 3% Zn имедных - 0,5 % Си.

Для получения металла из руды, кроме отделения пустой поро­ды, необходимо отделить металл от химически связанных с ним элементов. Эта стадия называется металлургическим процессом. Металлургический процесс, осуществляемый с применением высо­ких температур, называется пирометаллургическим, с использо­ванием водных растворов - гидрометаллургическим. В отдельную группу выделяют электрометаллургические процессы.

Первая стадия производства - обогащение сырья. Следующая стадия заключается в разложении концентрата обжигом, в обра­ботке его хлором, а также оксидом серы (IV) или жидкими реа­гентами(кислотами, щелочами, комплексообразователями). По­следними двумя способами извлекаемый металл переводят в раст­вор, из которого выделяется оксид или соль редкого металла осаж­дением в виде малорастворимого соединения или кристаллизацией. Завершающая стадия - получение чистого металла или сплававосстановлением углеродом или водородом, термическим разложением, вытеснением (цементация), электролизом растворов или расплавов.

В производстве тугоплавких металлов (вольфрам, молибден – завод «Победит») применяется метод порошковой металлур­гии, заключающийся в восстановлении оксидов порошкообразных металлов. Затем металлический порошок прессуют под большим давлением испекают в электрических печах, получая металл безперевода его в жидкое состояние. Температура спекания металли­ческого порошка обычно на 1/3 ниже температуры плавления ме­талла.

ПРОИЗВОДСТВО ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ

Среди используемых человеком металлов железо и его сплавы по объему и сферам применения занимают первое место. В практике обычно используют не чистое железо, а его сплавы, и в первую очередь с углеродом. В технике железом называют черный металл с содержанием углерода менее 0,2%. По количеству углерода все сплавы делят на стали и чугуны. К сталям относятся железные сплавы с содержанием углерода от 0,2 до 2%, к чугунам - с содержанием углерода выше 2% (обычно от 3,5 до 4,5%).

На рисунке 1 приведена диаграмма фазового состояния системы железо - углерод.

Как следует из диаграммы, температура начала плавления сталей снижается с ростом содер­жания углерода до точки Е. Эта точка соответствует предельной растворимости углерода в твердом железе (2% С). Для чугуна не­зависимо от количества углерода температура плавления остается постоянной.

Если в чугуне значительная часть углерода находится в виде цементита Fe 3 C, то такой чугун называется белым. Из-за высокой твердости и хрупкости его трудно обрабатывать на станках, поэтому белый чугун перерабатывается в сталь. По этому признаку он получил еще название передельного чугуна. При медленном охлаждении расплавленного чугуна часть Fe 3 C распадается с выделением свободного углерода в виде графита. Такой чугун называется серым или литейным. Он более мягок, менее хрупок и хорошо обрабатывается на станках.

По составу стали могут быть углеродистыми и легированными. Углеродистыми называют стали, свойства которых определяются углеродом, а другие примеси существенного влияния не оказы­вают. По содержанию углерода эти стали делят на: малоуглеродистые (до 0,3% С), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,65%) и высоко­углеродистые (от 0,65 до 2% С). Из иизкоуглеродистой стали из­готовляют кровельное железо, стальной лист, черную и белую жесть (широко используемую для изготовления тары), мягкую проволоку и т. д.; среднеуглеродистые стали используют для про­изводства рельсов, труб, проволоки, деталей машин; высокоугле­родистая служит в основном для изготовления разнообразного ин­струмента.

Легированными называют стали, содержащие, кроме углерода, другие специально введенные для изменения свойств добавки (Cr, Mn, Ni, V, W, Мо и др.). Сталь, содержащую до 3-5% леги­рующих элементов, считают низколегированной, 5-10%-среднелегированной, 10% и более - высоколегированной. Никель придает стали повышенную пластичность и вязкость, марганец - прочность, хром - твердость и коррозионностойкость, молибден и ванадий - прочность при высоких температурах и т. д. Напри­мер, марганцовистые стали (8-14% Мп) обладают высокой ударо­стойкостью, их используют для изготовления дробилок, шаровых мельниц, рельсов и других ударонапряженных изделий. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали идут на изготовление колонн синтеза, работающих под высоким давлением и при повышенной температуре. Из хромоникелевой или нержавеющей стали изго­тавливают химические реакторы, трубопроводы, кухонную посуду, вилки, ножи и т. д. Стали также классифицируют по назначению: строительная (конструкционная), машиностроительная, инстру­ментальная и стали с особыми (специальными) свойствами. Некоторые примеси заметно ухудшают свойства стали. Так, сера придает стали красноломкость - хрупкость при красном калении, фосфор - хладноломкость, т. е. хрупкость при обычной и низкой темпера­туре, азот и водород - газопористость, хрупкость.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

В настоящее время главный процесс металлургического про­изводства черных металлов осуществляется по двухступенчатой схеме: получение чугуна в доменной печи и его передел в сталь. Чугун используют также для отливки станин, машин, тяжелых колес, труб и т. д. Основными исходными материалами для произ­водства чугуна являются железные руды, флюсы и топливо.

Промышленные типы железных руд классифицируюг по виду преобладающего рудного минерала: 1) магнитные железняки со­стоят в основном из минерала магнетита Fe 3 O 4 (с наиболее высоким содержанием железа - 50-70% и низким содержанием серы), который трудновосстановим; 2) красные железняки содержат 50-70% железа в виде минерала гематита - Fe 2 O 3 , небольшие примеси серы, фосфора и восстанавливаются легче, чем магнетит; 3) бурые железняки представляют собой гидроксиды железа со­става Fe 2 O 3 × пН 2 О с переменным количеством адсорбированной воды. Эти руды в основном бедные по содержанию железа (от 25 до 53%), часто загрязнены вредными примесями - серой, фосфо­ром, мышьяком. Встречаются хромоникелевые бурые железняки (2% Cr и 1% Ni), используемые для выплавки природнолегированных чугуна и стали; 4) шпатовые железняки содержат 30-37% Fe, а также FeCO 3 и незначительные примеси серы и фосфора. После обжига содержание железа возрастает до 50-60%. Для сидеритов часто характерна примесь марганца от 1 до 10%.

Сырьем служат также отходы производства черных и цветных металлов, но их доля в общем потреблении руд невелика. Для перевода тугоплавких оксидов в легкоплавкий шлак, не смешиваю­щийся с чугуном, в процессе доменной плавки используют флюсы - породы основного характера: известняк или доломит (СаСО 3 , MgCO 3). Обычно на выплавку 1 т чугуна расходуется 0,4-0,8 т флюсов.

В качестве топлива в производстве чугуна применяют кокс с содержанием 80-86% С, 2-7% Н 2 О, 1,2-1,7% S, до 15% золы и природный газ.

Подготовка железной руды к доменной плавке заключается в
дроблении, грохочении, усреднении и обогащении. Обо­гащение ведут в зависимости от типа руды восстановительным обжигом, электромагнитной сепарацией, флотацией. В нашей стране практически всю добываемую руду на последнем этапе подготовки подвергают агломерации. Это процесс спекания измельченной руды с коксовой мелочью (5-8%) и обожженным известняком (3-6%) в агломерационной машине транспортерного типа. Наряду с агломерацией применяют и окомковывание пылевидной руды со связующим веществом во вращающихся обжиговых печах с получением окатышей.

Процесс доменной плавки . Чугун выплавляют в металлур­гических реакторах шахтного типа, называемых до­менными печами или домнами. Описание доменной печи дано в лекции 4.

В зоне горна за счет интенсивной подачи воздуха поддерживается окислительная среда и углерод кокса сгорает:

С + О 2 = СО 2 + 401 кДж

Воздух, подаваемый в доменную печь, нагревается в регенерагивных воздухоподогревателях (кауперах) до 900-1200 °С (рис. 2).

Оксид углерода (IV) на поверхности раскаленного кокса восстанавливается до оксида углерода (II):

2С + СО 2 = 2СО - 166 кДж

Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи, нагревает и восстанавливает компоненты шихты. Наивысшая температура в горне доменной печи 1800 °С, низшая в колошнике 250 °С. Давление газа в горне 0,2-0,35 МПа.

По мере опускания шихты последовательно протекают следую­щие процессы: разложение нестойких компонентов шихты, вос­становление оксидов железа и других соединений, науглероживание железа (растворение углерода), шлакообразование и плавле­ние. Разложение компонентов шихты начинается в колошнике, одновременно (до 200 °С) удаляется влага. При нагревании шихты от 400 до 600 °С идет интенсивное разложение карбонатов железа, марганца, магния, а при 800-900 °С - известняка. Оксиды каль­ция и магния взаимодействуют с ингредиентами пустой породы, образуя силикаты и алюминаты. Из кокса удаляются остатки ле­тучих компонентов.

Восстановление железа представляет собой процесс последова­тельного перехода от высших оксидов к низшим до элементарного железа по схеме:

Fe 2 O 3 ® Fe 3 O 4 ® FeO ® Fe

В основу восстановительного процесса заложены реакции окси­да углерода с оксидами железа:

2Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 + 63 кДж

Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 - 22 кДж

FeO + CO = Fe + CO 2 + 13 кДж

Восстановление железа оксидом углерода (II) принято назы­вать косвенным (непрямым), а при помощи твердого углерода – прямым.

Прямое восстановление железа протекает не только за счет углерода кокса, но и углерода, образующегося при термической диссоциации оксида углерода (II) на поверхности руды:

2СО = СО 2 + С

Применение природного газа в качестве дополнительного топли­ва способствует повышению температуры процесса и косвенному восстановлению руды водородом:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 + 803 кДж

Н 2 О + С = Н 2 + СО - 126 кДж

Кроме железа, в условиях доменного процесса восстанавлива­ются и другие элементы, входящие в состав шихты. Однако зна­чительная часть марганца не восстанавливается и переходит в шлак.

Гетерогенное восстановление руды заканчивается получением губчатого железа, в порах которого оксид углерода (II) разлагает­ся. Образовавшийся при этом сажистый углерод с железом дает цементит:

3Fе + С = Fe 3 C

Одновременно идет науглероживание железа и за счет растворе­ния углерода. Повышение содержания углерода в железе приводит к снижению температуры его плавления. Примерно при 1200 °С науглероженное железо плавится, стекает по кускам кокса и флюсов, дополнительно растворяя углерод, кремний, марганец, фосфор и другие элементы. Расплавленный чугун накапливается в горне. Шлакообразование начинается при температуре около 1000 °С за счет взаимодействия оксида кальция с оксидом кремния (IV), оксидом алюминия, марганца. При 1250-1350 °С шлаки плавятся и накапливаются в горне над расплавленным чугуном. Для преду­преждения перехода FeO в шлак и выведения серы необходимо повышать основность шлака (избыток СаО):

FeO × SiO 2 + СаО = CaSiO 3 + FeO

FeO + CO = Fe + CO 2

FeS + CaO = FeO + CaS

MnS + CaO = MnO + CaS

Образовавшийся сульфид кальция растворим в шлаке, но нерастворим в чугуне.

Для обеспечения непрерывности процесса доменную печь об­служивают несколько воздухонагревателей. Применение в домен­ном процессе нагретого воздуха в пределах 1000-1350 °С дает возможность на каждые 100° увеличивать производительность на 2% и на столько же снизить расход кокса.

В результате доменной плавки получают литейный чугун, на­правляемый на изготовление изделий методом литья; передельный и специальный чугуны (ферросилиций - 10-12% Si, зеркальный - 12 - 20% Мn и ферромарганец - 60-80% Мn), перерабатывае­мые в сталь; доменный шлак, из которого производят различные строительные материалы: шлакопортландцемент, шлакобетон, шла­ковату, ситаллы для дорожного строительства; доменный газ (до 30% СО) отделяют от колошниковой пыли и используют как топли­во в воздухонагревателях, коксовых печах, для нагрева металла перед прокатом.

ПРЯМОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЖЕЛЕЗА ИЗ РУД

Это такой металлургический процесс, когда восстановление руды идет в твердом состоянии, минуя стадию получения чугуна. Полученное методом прямого восстановления губчатое железо перерабатывается в сталь в электродуговых печах. Прямое вос­становление железа осуществляется в шахтных и вращающихся печах, в реакторах с кипящим слоем. Сырьем служат окатыши с высоким содержанием железа, рудная мелочь, восстановителем - природный газ, жидкое и пылевидное твердое топливо. В России на базе Лебединского месторождения действует Оскольский электрометаллургический комбинат с прямым получением железа из руды по следующей схеме. Из рудника мелкораздроб­ленную и обогащенную руду по трубопроводу с водой подают на комбинат. Здесь руда отделяется от воды, смешивается со связую­щими веществами и небольшим количеством извести, во вращаю­щихся барабанах окусковывается в окатыши определенного раз­мера. Окатыши непрерывно загружают в верхнюю часть шахтного реактора (высота - 50 м, диаметр -8 м), в котором при 1000 - 1100 °С осуществляется противотоком восстановление предварительно нагретым и конвертированным природным газом (сме­сью водорода и оксида углерода). Из нижней части реактора не­прерывно отводятся восстановленные окатыши с 90-95% содер­жанием железа. Они поступают в дуговую электропечь для выплавки стали.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Передел чугуна в сталь заключается в уменьшении в нем угле­рода (окислением), в понижении в металле содержания крем­ния, марганца и других элементов, в возможно полном удалении серы и фосфора. В качестве окислителей используют кислород и оксиды железа. В настоящее время сталь выплавляют в марте­новских печах, кислородных конвертерах и электрических печах периодического действия.

Выплавка стали в мартеновских печах . Мартеновская печь (рис. 3) представляет собой ванную отражательную печь, в ко­торой используют регенерацию теплоты отходящих газов. Она состоит из свода 3, передних, задних и боковых стен, пода 4 и ре­генераторов 5 -8. В передней стенке расположены окна для за­грузки шихты, в задней - отверстие для выпуска стали и шла­ков, боковые отверстия служат для ввода газового топлива и воздуха и вывода продуктов горения с температурой 1600 °С. Для регенерации теплоты печь снабжена четырьмя камерами с насад­кой из огнеупорного кирпича. Через одну пару нагретых насадок 7, 8 в печь направляют газ и воздух, а через вторую проходят продукты горения, нагревающие насадку 5, 6. Затем потоки ме­няются. Исходными материалами для мартеновского процесса служат жидкий или твердый передельный чугун, металлолом (скрап), высококачественная железная руда и флюсы. Отапливается печь газообразным топливом. По окончании плавки в сильно разогретую печь загружают жидкий чугун, скрап, флюсы и руды. При высокой температуре металлолом плавится, кислород воздуха окисляет железо до оксида железа, одновременно высшие оксиды железа восстанавливаются железом:

2Fe + O 2 = 2FeO + 556 кДж

Fe 2 O 3 + Fe = 3FeO

Оксид железа (II), хорошо растворяясь в чугуне, окисляет растворенные в нем другие компоненты:

Si + 2FeO = SiO 2 + 2Fe + 264 кДж

Mn + FeO = MnO + Fe + 100 кДж

2P + 5FeO = P 2 O 5 + 5Fe + 199 кДж

Частично эти элементы окисляются и кислородом воздуха. Образующиеся оксиды SiO 2 , MnO, P 2 O 6 взаимодействуют с флюсами и превращаются в шлак. В шлак частично переходит сера, так как сульфид кальция нерастворим в металле:

СаО + FeS = FeO + CaS

С появлением над поверхностью металла шлака жидкий ме­талл изолируется от непосредственного действия кислорода, но процесс окисления не прекращается, а лишь замедляется. Со­держащийся в шлаке оксид FeO на поверхности окисляется в Fe 2 O 3 , который диффундирует через шлак к металлу, окисляя его. С рос­том температуры до 1600 °С и выше начинает интенсивно окислять­ся углерод:

FeO + С =± Fe + СО - 153 кДж

Процесс выделения из жидкого металла оксида углерода (II) называют «кипением» стали. После достижения в расплаве ус­тановленного содержания углерода шлак удаляют и вводят в сталь раскислители - ферросилиций или ферромарганец для восста­новления растворенной в стали FeO:

2FeO + Si = 2Fe + SiO 2

FeO + Mn = Fe + MnO

При необходимости в конце плавки вводят легирующие элементы. В связи с высокими технико-экономическими показателями переделки чугуна в сталь кислородно-конверторным способом, строительство новых мартеновских печей прекращено.

Выплавка стали в кислородных конвертерах . Применяемый ранее бессемеровский и томассовский конверторные способы пере­делки чугуна в сталь имели существенные недостатки - невоз­можность использования металлолома и низкое качество стали вследствие растворения в ней азота воздуха по сравнению с марте­новским методом. Замена воздуха на кислород дала возможность устранить эти недостатки, и в настоящее время прирост производ­ства стали происходит преимущественно за счет строительства высокопроизводительных и экономичных кислородных конвер­теров с основной футеровкой.

В России действуют глуходонные конвертеры с вве­дением технически чистого кислорода (99,5%) вертикально сверху через водоохлаждаемые фурмы. Кислородные струи под давлением 0,9-1,4 МПа пронизывают металл, вызывая его цир­куляцию и перемешивание со шлаком. При кислородно-конвер­торном способе передела чугуна в сталь протекают те же реакции, что и при мартеновском, но более интенсивно, что дает возможность вводить в конвертер металлолом, руду, флюсы. Плавка в конвер­тере длится 35-40 мин, а скоростная мартеновская плавка 6-8 ч. При равной производительности капитальные затраты на строи­тельство кислородно-конверторного цеха на 25-35% ниже, а себе­стоимость стали на 5-7% меньше, чем при мартеновском способе.

Выплавка стали в электропечах относится к электротермическим производствам. В электрических печах можно выплавлять стали практически любого состава, с добавлением легирующих элементов, с низким содержанием серы, в восстановительной, окислительной или нейтральной атмосфере, а также в вакууме. Электросталь от­личается низким содержанием газов и неметаллических примесей.

Качество стали, полученной любым из трех рассмотренных методов, может быть улучшено путем внепечного рафинирования. Наиболее широко распространены в производстве все три метода рафинирования: аргонно-кислородная продувка металла для вы­плавки нержавеющих сталей, вакуумная обработка жидкой стали для ее очистки от неметаллических включений и водорода, об­работка стали жидкими синтетическими шлаками (53% СаО, 40% А1 2 О 3 , до 3% SiO и до 1 % FeO).

Основная часть стали перерабатывается в изделия путем меха­нической обработки. Традиционная схема: разлив стали в чугун­ные формы - изложницы, кристаллизация в виде слитка, обрезка и зачистка слитка, превращение слитка в обжимных станах (блю­минг, слябинг) в заготовку, далее заготовка перерабатывается в изделия прокатом, штамповкой или ковкой. В настоящее время в металлургии все шире внедряется непрерывная разливка стали в специальных установках с превращением металла непосредственно в заготовку, а также точное (корковое) литье. Перспективным направлением развития металлургии стала порошковая металлургия, открывающая большие возможности для создания но­вых материалов, экономии металлов, энергии и повышения произ­водительности труда.

Машиностроение, строительство, электротехника - все эти и многие другие сферы невозможно представить без металлургии. Что представляет собой эта отрасль? Как добывают металлы? Какими они бывают? Ответы на эти вопросы можно найти в статье.

Определение

Металлургия - это направление в промышленности, которое занимается добычей сырья, производством сплавов, утилизацией отходов и производством продукции из полученных сплавов.

Металлургия, в зависимости от сырья, делится на чёрную и цветную. К первой группе относятся металлы, содержащие железо, хром и марганец. Ко второй - все остальные.

Процесс производства продукции из металлов включает такие этапы, как:

добыча и подготовка руды;

• утилизация.

Металлургическая промышленность включает процессы получения многих элементов периодической таблицы, кроме газов и галоидов.

Черная

Черная металлургия - это отрасль металлургии, которая занимается производством сплавов из железа, марганца и хрома.

В природе железо встречается в руде в форме карбонатов, гидроксида и оксида. Поэтому первый этап производства в чёрной металлургии - это освобождение железа из руды при помощи доменной печи при температуре более +1000 С. При необходимости на данном этапе производится изменение свойств металла.

Черная металлургия включает такие направления, как:

• добычу и обогащение нерудного сырья;
• производство чёрных металлов;
• производство труб из стали и чугуна;
• коксохимическую промышленность;
• вторичную обработку сырья.

Производимая на металлургических комбинатах продукция бывает:

основной, то есть конечным продуктом, готовым для эксплуатации;

побочной, то есть продуктом, который получается при производстве основной продукции;

попутной, то есть продукцией, оставшейся после производства основной и побочной, которая используется либо как вторсырье, либо как есть.

Добыча

Металлы получают путем извлечения из руд или вторсырья. Вся руда, содержащая ценные элементы, делится на богатую (более 55% ценных элементов), бедную (менее 50 %) и убогую (менее 25 %).

При добыче руды используются три основных метода:

открытый;

подземный;

комбинированный.

Открытый метод - самый распространенный и экономичный. При таком методе предприятием организуется необходимая инфраструктура и разрабатывается месторождение карьерами.

Подземный метод используется в том случае, если породы лежат глубоко под землей. По сравнению с открытым, этот метод дороже из-за необходимости специального технического оснащения. Кроме этого, он актуальнее, чем другие методы, так как запасы железной руды, залегающей близко к поверхности, практически истощены. Таким способом добывается более 70% железной руды.

Комбинированный способ, как понятно из названия, сочетает в себе два вышеуказанных метода.

Производство

В металлургии под производством черных металлов понимают сложный технологический процесс, который можно разделить на два этапа:

производство чугуна;

переработка чугуна в сталь.

Необходимыми материалами для производства чугуна являются железная руда, топливо (кокс) и флюс. Именно в таком порядке их загружают в доменные печи, где под тяжестью собственной массы они опускаются в низ печи. В нижней части печи находятся отверстия - фирмы, через которые подается нагретый воздух для поддержания процесса горения. В результате плавления из руды восстанавливается железо и другие элементы, а полученные в процессе шлак и чугун выливаются через специальные отверстия - шлаковую и чугунную летки.

Процесс передела чугуна в сталь подразумевает снижение уровня углерода и примесей способом избирательного окисления и перевода их в шлак при выплавке. Для этого в расплавленный чугун вводят ферросплавы с содержанием Al, Mn и Si. Они образуют в стали труднорастворимые оксиды, которые частично всплывают в шлак.

Продукция

Продукция черной металлургии широко используется в машиностроении, строительстве, коммунальном хозяйстве, военно-промышленном комплексе и сельском хозяйстве.

К основной продукции черной металлургии можно отнести:

металлопрокат (листовой, фасонный, сортовой) ;

готовый прокат;

• чугун передельный и литейный;

  огнеупоры;

  химическую продукцию.

Цветная

К цветной металлургии относятся все виды металлов, кроме железосодержащих. Сама отрасль делится на металлургию легких и тяжелых металлов, которые основываются на таких свойствах металла, как плотность и вес. Все виды металлов, используемых в цветной металлургии, можно разделить на:

легкие, к которым относятся магний, алюминий, титан;

тяжелые, к которым относятся олово, цинк, свинец, никель, медь;

редкоземельные, к которым относятся эрбий, тербий, самарий, празеодим, неодим, лантан, диспрозий, церий, иттрий;

искусственные, к которым принадлежат америций, технеций;

малые, к которым относятся ртуть, кобальт, мышьяк, сурьма, кадмий, висмут;

рассеянные, к которым принадлежат селен, германий, таллий, индий, галлий, цирконий;

легирующие, к которым относятся ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам;

благородные, к которым относятся платина, золото, серебро.

По сравнению с черной, цветная металлургия более энергозатратная. Это объясняется низким содержанием полезных веществ в цветных металлах и, как следствие, большим количеством отходов, требующих особенной утилизации и переработки химическими способами.

Добыча сырья и его обогащение

Цветные металлы получают из рудного концентрата, то есть из обогащенной руды. Под обогащением понимают разделение руды на металлы и минералы, что позволяет искусственно увеличить содержание металлов в сырье. При разделении используются такие технологии, как дробление, измельчение, сортировка и переработка путём обезвоживания. После получения металла из руды он проходит обработку и шлифовку.

После всех этих процессов металл отправляют в цеха или предприятия, где будет изготовлена необходимая продукция - станки, трубы, машины и т.д.

Рафинирование

Черновые металлы содержат различные примеси, которые влияют на физико-химические свойства металлов, а также содержат важные дорогостоящие элементы, например золото или серебро. Поэтому одним из важнейших этапов обработки металла является рафинирование, то есть очистка. Рафинирование проводится тремя способами:

электролитическим - используется для глубокой очистки цветных металлов;

химическим, который который также называется аффинажем, применяется при глубокой очистке золота;

пирометаллургическим - используется при производстве металлов высокой чистоты и делится на фракционное, ликвационное, окислительное рафинирование.

Получение сплавов

Сплав - это вещество, состоящее из двух и более металлов и неметаллов, например, углерод, фосфор, мышьяк.

Сплавы не получаются из двух похожих металлов. Например, цинка и свинца.

Самыми ценными сплавами являются:

бронза - соединение меди и олова;

латунь - соединение меди и цинка;

дуралюмин - соединение алюминия, меди, железа,кремния, магния и марганца;

карбид вольфрама - соединение вольфрама с углеродом и кобальтом;

нихром - соединение из никеля, хрома и железа;

ални - соединение немагнитного алюминия, никеля и кобальта.

Продукция отрасли

Человеку, незнакомому близко с металлургией, при упоминании о цветных металлах первыми на ум приходят золото и серебро. Выше было рассмотрено все многообразие цветной металлургии. Здесь же рассмотрим продукцию, которая производится в данной сфере. Это:

• сортовой прокат - шестигранник, пруток, проволока;
• листовой прокат - полоса, лента, лист.

Кроме профильной, на металлургических заводах и комбинатах производится химическая продукция - хлор, поташ, серная кислота, элементарная сера, цинковый и медный купорос.



Типы баз и факторы их размещения

Прежде чем рассмотреть основные металлургические базы в мире и в России, стоит кратко описать типы баз и факторы их размещения.

В металлургической промышленности выделяют 3 типа баз.

База, работающая с собственными рудой и углем.

База, работающая либо с собственной рудой и привозным углем, либо с привозной рудой и собственным углем.

Работающая недалеко от угольных бассейнов или недалеко от потребителя.

Факторам, влияющими на расположение металлургических центров, можно назвать:

потребительский , к которому относится близость крупных машиностроительных комплексов - основных потребителей стали;

экологический , к которому относятся устаревшие предприятия, использующие один из самых “грязных” способов производства - доменный процесс;

транспортный , к которому относятся предприятия, использующие привозные руду и уголь, так как находятся вдали от их источников;

топливный , к которому относятся предприятия, находящиеся недалеко от угольных бассейнов;

сырьевой , к которому относятся предприятия, расположенные поблизости к местонахождениям руды.

Металлургия в мире

Мировая металлургия сосредоточена в 98 странах мира, из которых руда добывается только в 50. Лидерами являются пять стран - это Китай, Бразилия, Россия, Австралия и Индия, который поставляют на мировой рынок пости 80 % сырья. Большая часть мировых запасов руд - это материал среднего и низкого качества, требующий обогащения в процессе производства. Руд высокого качества в мире очень мало. Например, запасы России как одного из лидеров металлургической промышленности составляют всего 12 % от мировых запасов.

Больше всего руды добывается в Китае, а полезного железа - в России.

Лидирующими компаниями, которые регулируют мировой процесс добычи и производства руды и металлов, являются компании Arcelor Mittal, Hebei Iron & Steel, Nippon Steel.

Arcelor Mittal - это компания, образованная благодаря слиянию предприятий Индии и Люксембурга. Ей принадлежат предприятия в 60 странах мира, в том числе российское "Северсталь-Ресурс" и украинское "Криворожсталь".

Hebei Iron & Steel Group - еще одна компания, образованная в результате слияния нескольких компаний. Но вляется не частным, а государственным предприятием, зарегистрированным в Китае. Здесь производится уникальный продукт - ультратонкий холоднокатанный лист и стальные плиты. Кроме добычи и производства, компания занимается исследовательской деятельность и инвестициями.

Nippon Steel и Sumitomo Metal Industries - японский лидер по производству стали. Доменные печи этой компании были установлены еще в 1857 году.

Металлургия России

В российской экономике металлургия занимает второе место после нефтегазовой промышленности. В данной сфере трудятся более 2 % работающих граждан в стране на 1,5 тыс. предприятий.

В РФ три есть основные базы черной металлургии, размещение которых объясняется близостью источников руды и бассейнов угля:

Уральская;

Сибирская;

Центральная.

Самое старое и крупное предприятие металлургии - Уральское, где производится половина всей продукции черной металлургии в России. Центрами Уральской металлургии являются Екатеринбург, Нижний Тагил, Челябинск и Магнитогорск. Крупнейшие предприятия - Чусовский металлургический завод и Челябинский металлургический комбинат.

Сибирская металлургическая база - самая молодая из трех и строится на смену Уральской, где исчерпаны запасы металлов практически исчерпаны. Здесь расположены всего два крупных металлургический комбината - Кузнецкий и Западно-Сибирский.

Центральная металлургическая база находится в Белгородской и Курской областях. Крупнейшим металлургическим комбинатом и заводами является Новолипецкий металлургический комбинат и заводы в Старом Осколе и Туле.

93% процента выпускаемой продукции приходится на долю шести крупных центров металлургии. Это:

ПАО “Северсталь”;

ОАО “Мечел”;

“Евраз”;

ОАО “Металлоинвест”;

ОАО “Новолипецкий металлургический комбинат”;

ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”.

Металлургия - промышленность, которая играет важную роль в жизни каждого человека.

Позволяющая получать качественные и чистые элементы в соответствии с потребностями промышленности. Поскольку в природе эта группа в чистом виде практически не встречается, то требуется применение химических или физических методов для их получения.

Производство в современных условиях

Цветные металлы образуют большую группу веществ. Сюда входят все металлы, за исключение только железа и его соединений, которое входит в число черных. Несмотря на большое количество элементов, в природе цветные разновидности встречаются намного реже, поэтому производство цветных металлов и сплавов является важной отраслью промышленности.

Разновидности сырья

Самое название «цветной» означает цвет металла. Некоторые виды, например, имеют ярко выраженный цветовой оттенок. Подобные вещества важны из-за своих свойств и качеств, намного отличающихся от обычного железа.

Поэтому производство цветных металлов и сплавов необходимо для получения качественно новых соединений, применяемых во всех отраслях промышленности.

Сплав – это смешанные металлы. При соединении двух или более металлов, находящихся в расплавленном состоянии, образуется новый материал, имеющий практически полный спектр свойств, которым обладают составляющие сплава.

Цветные металлы распределяются на несколько крупных групп:

• Тяжелые – в эту группу входят медь, цинк, свинец, олово.
• Легкие – эта группа представлена магнием, титаном, бериллием, кальцием, стронцием, алюминием, натрием, калием, цезием.
• Благородные – находятся самые дорогие из цветных металлов, которых мало в природе: платина, золото, серебро, осмий, рутений, родий, .
• Малые – группа веществ, которых также немного в природе. Сюда относятся кобальт, кадмий, сурьма, висмут, .
• Тугоплавкие: марганец, вольфрам, хром, ванадий, тантал.
• Редкоземельные.
• Рассеянные.
• Радиоактивные.

Особенности процесса

В промышленности практически не применяются цветные металлы в чистом виде, а больше используются именно сплавы, что позволяет достигать требуемых свойств. При производстве цветных металлов происходит видоизменение их химических, физических и механических свойств, что очень важно для изготовления как бытовых, так и промышленных предметов.

Особенностью цветных металлов является простота обработки. Практически все они подвергаются шлифовке, ковке, прессования, резке, сварке или пайке.

При производстве из этих веществ удается получать не только готовые изделия, но также разнообразные полуфабрикаты:

• прутки;
• проволока;
• порошок;
• фольга.

Производство проволоки из цветного металла

Для производства цветных металлов и сплавов применяется разнообразные методы, основанные на химических свойствах основы, из которой будет получен металл или сплав и реагента.

Пирометаллургия – метод получения цветного металла путем проведения избирательной плавки, которая может быть окислительной или восстановительной. Источником тепла и главным реагентом чаще всего выступает присутствующая в руде .

Электролиз – метод, основанный на химической реакции электролиза. Применяется катод и анод. На катоде, которым выступает ванна из огнеупорного материала, происходит осаждение ионов металла в результате диссоциации. Реакция, в отличие от традиционной, описанной в учебниках химии, проводится не в водной среде, а в расплаве. Это обуславливается необходимостью избежать осаждения на катоде ионов водорода, что не позволяет выделять чистый металл.

Металлотермия – метод восстановления хлоридов или оксидов металла под воздействием другого вещества. Преимущественно технология применяется при производстве титана. Параллельно добывается магний, поскольку хлорид магния выступает побочным продуктом.

Сплавление – этот способ заключается в прямом смешивании двух металлов. Дополнительно в жидком состоянии поставляется шихта или легирующий материал. Этот способ относится к наиболее производительным, менее затратным и позволяет получать незагрязненные металлы., имеющие заданные физико-химические свойства.

Литье металла

Производство отдельных видов

Производство меди

Получение подобного цветного металла происходит из медных руд. Его содержание в составе этих соединении составляет от 1 до 6%. При составе меди менее 1% ее извлечение при современном уровне развития технологии не представляется рентабельным.

Получение меди осуществляется двумя способами:

• гидрометаллургический;
• пирометаллургический.

Первый способ является менее распространенным, поскольку при его использовании не удается извлекать из руды иные элементы.

Пирометаллургический метод добычи меди состоит из нескольких последовательных этапов:

• Подготовка руды к плавке посредством обогащения и дальнейшего обжига. Это позволяет получить концентрат меди.
• Последующий обжиг требуется для сокращения количества серы.
• Плавка на штейн. Путем удается получить штейн или сульфиды меди и железа.

А также проводится конвертирование штейна. Этот этап заключается путем продувки воздухом внутри специального медеплавильного конвертера полученного штейна, что позволяет выделить железо в шлак и получить черновую медь.

И в заключение – рафинирование. Черновая медь подвергается действию огневого плавления и электролитического рафинирования, что позволяет в итоге получить продукт, чистота которого составляет 99,97–99,99%.

Производство алюминия

Получение алюминия происходит методом электролиза глинозема. Процесс включает несколько этапов.

Получение чистого глинозема или оксида алюминия. Этот процесс заключается в обработке бокситов (руд, содержащих металл) щелочными растворами. Результатом является выпадение в виде осадка гидроксида алюминия.

Получение криолита – его производство заключается в обработке плавикового шпата для получения плавиковой кислоты и дальнейшего выделения фторалюминиевой кислоты. Посредством соды криолит выделяется в виде осадка.

Электролиз глинозема – результатом этого процесса является получения алюминия-сырца.

Рафинирование – посредством продувки расплавленного сырца хлором добывается чистый алюминий.

Магний добывается посредством реакции электролиза. Сырьем служат расплавленные соли металла (карналлит, магнезит, доломит, бишофит). Основу электролита составляет хлористый магний. Дополнительно применяется хлористый натрий, кальций и калий.

После проведения реакции на аноде оседает черновой металл, имеющий до 5% примесей. Их удаление происходит посредство процесса рафинирования с использованием флюсов. Все неметаллические компоненты преобразуются в шлак, а чистый металл разливается в изложницы.

Производство титана

По своим качествам титан и его сплавы во многом превосходят . Процесс производства титана затрудняется его повышенной активностью, особенно при повышении температуры.

Его особенностью является способность вступать в реакцию со множеством металлов, что требует соблюдения определенных условий для получения чистого титана.

Метод, применяемый для получения титана, называется магниетермия. Он состоит из следующих операций.

Выделение титанового концентрата путем обогащения руды, содержащей подобный металл.

Изготовление шлака – на этом этапе происходит отделение оксидов железа от оксидов титана.

Получение четыреххлористого титана – чтобы получить металлический титан, требуется применение хлорида титана, получаемый при хлорировании шлака.

Восстановление посредством магния – процесс восстановления протекает при очень высоких температурах – близких к 1 тыс. градусов. Реактор, где расплавляется магний, подается парообразный титан. При металлизации он оседает на стенках, а расплавленный магний удаляется через летку.

Сепарация массы в вакууме – полученный в результате предыдущего шага титан в виде губчатой массы требуется нагреть с использованием вакуума, что позволит выделить чистый металл.

Все цветные металлы обладают рядом особенностей, что должно учитываться при или их использовании.

Ряд элементов имеют повышенную теплопроводность и удельную теплоемкость:

• медь;
• магний;
• алюминий.

При сварке место соединения быстро охлаждается, что потребует использования мощных источников, особенно тепла при сварочных работах.

Некоторые элементы при резком нагреве изменяют свои механические свойства. Наблюдается их снижение. При этом сам металл становится легко разрушаемым от ударов или иного механического воздействия.

Все цветные металлы легко вступают во взаимодействие с газами, кроме инертных. Эта особенность характерна для тугоплавких цветных металлов.

Цветные металлы разделяют на четыре группы:

1) тяжелые металлы (Cu,Ni,Zn,Pb,Sn);

2) легкие металлы (Al,Mg,Be,Li);

3) благородные металлы (Au,Ag,Ptи ее природные спутникиRo,Ir,Os);

4) редкие металлы:

Тугоплавкие (Mo,W,V,Ti,Nb,Ta,Zr,Cr);

Легкие (Sc,St,Ru);

Радиоактивные (U,Th,Ra);

Редкоземельные

Наиболее широко в машиностроении применяют Cu, Al, Mg, Ti, Zn, Ni, Pb и Sn, которые используют в чистом виде и в составе многих сплавов. Цветные металлы имеют решающее значение для развития современного машиностроения и обеспечивают прогресс в развитии новой техники. Однако они весьма дороги, и когда это возможно, их заменяют на черные или неметаллические материалы. Из всех рассмотренных цветных металлов по объемам производства в металлургии важнейшими считаются Cu, Al, Mg и Ti.

Методы производства цветных металлов очень разнообразны. Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Кроме того, используют электролиз .Этот способ основан на диссоциации содержащего металл сырья в электролите и последующем осаждении металла на катоде. Электролиз ведут не из водного раствора, а из расплава. Это обусловлено тем, что в растворе на катоде осаждается водород, как более положительный ион, а чистый металл выделить невозможно, образуются лишь его соединения (гидраты окислов). Оборудование – электролизер, имеющий катодное и анодное устройство. Катодное устройство – ванна из огнеупорного материала, в которой находится расплавленный металл и электролит (криолитNa 3 AlF 6 для производства алюминия, хлористый магнийMgClдля производства магния и т.п.). Катодом служит либо расплавленный металл, как в случае получения алюминия, либо стальные пластины, как при получении магния. Анодом служит, как правило, угольный стержень или пластина. В процессе электролиза происходит разряжение ионов металла на катоде и осаждение. Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду.

Металлотермия – восстановление соединений металла (хлоридов или окислов) другими металлами. Используется при производстве титана. Титановый шлак (продукт доменного производства) хлорируют:TiO 2 +2C+2Cl 2 =TiCl 4 +2CO. Хлорид титана очищается от остальных побочных продуктов за счет различной температуры кипения в конденсационных и фильтрационных установках, затем восстанавливается в реакторах: 2Mg+TiCl 4 =Ti= 2MgCl 2 .

Титан и магний обычно производят на одном заводе, т.к. MgCl 2 – побочный продукт при получении титана служит сырьем для получения магния, а магний и хлор используют при производстве титана.

Также используются такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.

6.1 Последовательность получения меди

Для производства меди используют пирометаллургический способ, так как он позволяет извлекать из руд попутно с медью другие металлы, в том числе и драгоценные. Производство меди осуществляется в следующей последовательности (рис. 7):

1. Для плавки применяют медные руды, содержащие 1 – 6 % Cu, в виде, главным образом, сернистых соединений (CuFeS 2 ,Cu 2 S,CuS), а также отходы меди.

2. Для обогащения применяют метод флотации, позволяющий получить концентрат с содержанием Cu ~ 10 – 35 %.

Флотация – процесс обогащения, основанный на избирательном прилипании частиц минералов, дисперсированных в жидкой среде, к поверхности раздела двух фаз (жидкость – газ, жидкость – жидкость и др.).

3. Для уменьшения содержания серы в руде (концентрате) проводят окислительный обжиг при Т = 750 – 800 0 С. В присутствии кислорода сульфиды окисляются и содержание серы уменьшается почти в 2 раза. Отходящие газы в виде SO 2 (сернистый газ) идут на производство H 2 SO 4 . Для бедных руд, с содержанием Cu 8 – 25 %, обжиг проводят. Богатые руды, с содержанием Cu25 – 35 %, плавят без обжига.

4. В специальных печах при Т = 1250 – 1300 0 С происходит плавка концентрата, при которой расплавленная масса за счет соответствующих химических реакций разделяется на две части: штейн, состоящий из сульфидов Cu 2 SиFeS, и шлак, состоящий из окислов и силикатов.

Штейн – промежуточный продукт производства цветных металлов (Cu,Ni,Pbи др.), представляет сплав сульфидов этих элементов с FeS.

5. Продукт плавки выпускают из печи в виде сплава – штейна, который содержит 20 – 60 % Fe и 20 – 25 % S. В расплавленном состоянии (Т пл = 950 – 1050 0 С) штейн поступает в конвертеры.

6. В конвертерах расплавленный медный штейн продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов Cu и Fe с образованием оксидов Cu и Fe. Оксиды железа выводятся в шлак и на первом этапе продувки образуется штейн, содержащий в основном, только сульфиды меди (белый штейн).

7. На втором этапе продувки в конвертере образуется черновая медь за счет окисления сульфида меди и перевода серы в SO 2 . Черновая медь содержит 98,4 – 99,4% Cu (МК1), 0,01 – 0,04% Fe и 0,02 – 0,1% S и др. примеси (Ni,Sn,Sb,Au,Ag). Эту медь через ковш разливают в изложницы на чушки или плиты. Для удаления вредных примесей черновую медь рафинируют.

8. Для очистки черновой меди от примесей применяют двойное рафинирование огневым и электролитическим способом.

9. Огневое рафинирование применяют для удаления примесей с большим сродством к кислороду за счет продувки воздухом расплавленной черновой меди. Окисляют S, Fe, Ni, As, Sb, Zn и переводят их в шлак. Затем с использованием технологии сухой перегонки древесины, погруженной в расплав меди, удаляют газы и восстанавливают остатки Cu 2 O. В результате получают медь чистотой 99,0 – 99,5%. Эта медь в виде чушек идет на производство сплавов меди (латуней, бронз), а в виде плит на электролитическое рафинирование.

10. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (не менее 99,95% Cu). Электролиз ведут в ваннах, где электролитом служит водный раствор CuSO 4 (10 – 16%) иH 2 SO 4 (10 – 16%). Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды – из листов чистой (электролитической) меди. Анод при постоянном токе растворяется и ионы меди через раствор переходят и осаждаются на катоде. Примеси (Sb,As,Bi,Au,Ag) осаждаются на дно ванны и после выгрузки перерабатываются для извлечения этих металлов. Катоды переплавляют в электропечах.