Лекция: Цветные металлы, их свойства и сплавы. Технология производства цветных металлов

Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

Производство цветных металлов и сплавов

Железо и его сплавы - чугун и сталь - называют черными металлами. Все остальные металлы относятся к категории цветных, в том числе и благородные металлы - золото, серебро, платина.

Разнообразие цветных металлов и обусловило разные методы их получения.

Как и черные металлы, цветные получают из рудного концентрата - предварительно обогащенной руды. Но здесь процесс обогащения сложнее, поскольку многие руды являются полиметаллическими и содержат массу сопутствующих как ценных элементов, так и вредных примесей. Например, среднее содержание меди в рудах составляет всего 1-2%.

Сложность получения цветных металлов хорошо видна на примере меди.

Извлечение меди из руд производится двумя способами: гидрометаллургическим и пирометаллургическим. Более широкое применение получил пирометаллургический способ, включающий следующие операции:

• - обогащение руд с получением концентрата;
• - обжиг концентрата;
• - плавку на медный штейн-сплав;
• - получение черновой меди;
• - рафинирование.

После обогащения рудные концентраты подвергают обжигу для частичного удаления (до 50%) серы. Руда, прошедшая обжиг, направляется на дальнейшую переработку, а образовавшийся сернистый газ S0 2 используется для производства серной кислоты.

Плавка на штейн проводится в отражательных пламенных печах и электропечах. В их рабочем пространстве развивается температура до 1600 °С. На поддоне печи постепенно скапливаются жидкие продукты плавки: шлак и штейн-сплав, состоящий, в основном, из сульфидов меди и железа, а также небольшого количества примесей. Штейн по мере накопления выпускают в ковш. В расплавленном состоянии штейн подают в конвертер (рис. 29) для переработки в черновую медь. На поверхность штейна загружают кварцевый песок для шлакования при продувке воздухом оксидов железа. Образовавшийся шлак сливают и направляют на повторную переработку в отражательные печи для извлечения меди. Оставшийся штейн приобретает белый цвет и состоит в основном из сульфидов меди. Содержание меди в белом штейне составляет около 80%. После чего расплавленный белый штейн продувают воздухом и получают черновую медь, которая содержит до 2% примесей железа, серы, цинка, никеля, свинца и др. Ее разливают в слитки и отправляют на рафинирование.

Рис. 29.

• 1 - фурмы воздушного дутья; 2 - футерованный кожух; 3 - зубчатая передача;
• 4 - обод; 5 - горловина для заливки штейна; 6 - отверстие для загрузки флюса;
• 7 - воздухопровод; 8 - опорные ролики; 9 - электродвигатель с редуктором

Рафинирование черновой меди проводят огневым и электролитическим способами.

При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенные печи и после расплавления продувают воздухом с целью окисления меди и растворенных в ней примесей. Образовавшиеся оксиды примесей нерастворимы в меди и удаляются в шлак. Затем металл раскисляют и перемешивают природным газом для удаления растворенных в нем газов.

После огненного рафинирования расплав содержит 99,5-99,7% меди. Полученную медь разливают в слитки или анодные пластины для электролитического рафинирования.

Электролиз меди проводят в ваннах, футерованными кислотостойкими материалами, например, листовым свинцом, асфальтом, керамическими плитами. Электролитом служит 15%-ный раствор медного купороса в серной кислоте. В электролит погружают анодные пластины черновой меди и катоды, представляющие собой тонкие листы из чистой электролитической меди. При включении постоянного тока происходит растворение металла анодов, а на катоде происходит осаждение металлической меди. Электролитическая медь имеет более высокую чистоту от примесей и содержит до 99,98% Си.

Катодную медь переплавляют в плавильных печах, разливают в слитки и отправляют для проката на лист, трубы и проволоку, а также для выплавки сплавов меди - латуней и бронз.

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.

С электрохимической точки зрения металлами называются элементы, имеющие в процессе реакций преимущественную тенденцию к отдаче электронов, в отличие от металлоидов, стремящихся к их присоединению.

Многочисленность металлов, различия в их свойствах, методах получения и областей потребления определяет необходимость их классификации по отдельным группам.

В современных условиях используют промышленную классификацию металлов, которая отражает исторически сложившуюся структуру металлургической промышленности и, как следствие этого, структуру подготовки инженерно-технических кадров нашей страны.

Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: черные и цветные (в зарубежной практике металлы обычно делят на железные и нежелезные).

К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец, и хром, производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали. Все остальные металлы относятся к, цветным. Название «цветные металлы» довольно условно, так как фактически только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Все остальные металлы, включая черные, имеют серый цвет с различными оттенками - от светло-серого до темно-серого.

Цветные металлы условно делятся на пять групп:

1. Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. Своё название они получили из-за больших масштабов производства и потребления, большого («тяжелого») удельного веса в народном хозяйстве.

2. Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт. Они являются природными спутниками основных тяжелых металлов. Обычно их получают попутно, но производят в значительно меньших количествах.

3. Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди всех металлов плотность (удельную массу).

4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий, иридий). Эта группа металлов обладает высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред.

5. Редкие металлы. В свою очередь подразделяются на подгруппы:

а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий;

б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий, цезий;

в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен, теллур;

г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды;

д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы.

В металлургической промышленности используют почти все виды полезных ископаемых.

Основным сырьем для получения металлов являются руды - горные породы, содержащие в своем составе металл или металлы в количествах, которые при современном уровне развития обогатительной и металлургической техники могут быть экономически выгодно извлечены в товарную продукцию.

Руды состоят из минералов - природных химических соединений, подразделяющихся на рудные (ценные) и пустую породу. К пустой породе относят минералы, не содержащие извлекаемых элементов; эти породы чаще всего представлены кварцем, карбонатами, силикатами, алюмосиликатами.

Хотя с металлургической точки зрения пустая порода не представляет ценности, безотходные технологии должны полностью использовать все сырьевые ресурсы. Пустая порода может с успехом применяться при получении ряда строительных материалов (цемент, шлаковата, шлаковая брусчатка и пр.)

Состав руды определяют химическим анализом. Кроме химического состава для практических целей необходимо знать и вид присутствующих в сырье минералов (минералогический состав), и распределение всех компонентов сырья между минералами (фазовый состав).

В зависимости от вида присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных металлов делятся на группы:

1) сульфидные, в которых металлы находятся в форме сернистых соединений. Примером таких руд могут служить медные, медно-никелевые и свинцово-цинковые руды;

2) окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородсодержащих соединений (оксидов, карбонатов, гидроксидов и т. д.). К этой группе относятся алюминиевые, окисленные никелевые, оловянные руды, руды ряда редких металлов;

3) смешанные, в которых металлы могут находитьсякаквсульфидной, так и в окисленной форме (медные руды);

4) самородные, содержащие металлы в свободном состоянии. В самородном состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь и платина.

Сульфидные руды по форме размещения в земной коре делятся на сплошные, состоящие почти полностью из сульфидных минералов, и вкрапленные, когда сульфиды в виде мелких включений присутствуют в пустой породе. Вкрапленные руды, как правило, беднее сплошных.

По числу присутствующих металлов руды классифицируются на монометаллические и полиметаллические (комплексные). Большинство руд цветных металлов являются полиметаллическими и содержат минимум два ценных компонента. Наиболее сложными по составу являются медные, медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды. Они содержат до 10-15 ценных металлов.

Руды цветных металлов, как правило, очень бедные и содержат всего несколько процентов, а часто и доли процента основного металла. Концентрация ценных элементов-спутников обычно во много раз меньше. Однако многие сопутствующие элементы по ценности значительно превосходят основные компоненты руды. Примерная стоимостная оценка двух видов руд приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Ценностная структура медной и окисленной никелевой руд

При переработке сложных по составу руд необходимо добиваться полного комплексного использования всех ее ценных составляющих, т. е. безотходной технологии. Об уровне технического развития металлургического предприятия и его технологии в первую очередь судят по коэффициенту комплексности использования сырья, который определяется как отношение стоимости извлеченных в товарную продукцию компонентов к их стоимости в исходной руде.

Рентабельный минимум, т. е. то минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды, постоянно снижается. Так, если в конце XIX в. к категории медных руд относили горные породы с содержанием меди не менее 1,5%, то сейчас эта величина снизилась до 0,4-0,5%.

Снижению рентабельного минимума способствуют развитие и совершенствование обогатительной и металлургической техники и повышение коэффициента комплексности использования сырья, т. е. чем больше извлекается ценных компонентов, тем с меньшим содержанием основного компонента экономически и технически выгодно перерабатывать руду.

Руды, как и другие полезные ископаемые, образуют естественные скопления, которые называются месторождениями. Содержание ценных элементов в месторождениях значительно выше их среднего содержания в земной коре. Самый распространенный металл в природе - алюминий (7,5%), наиболее редкие - полоний и актиний (их кларк близок к 10 -15).

Распространенность в земной коре некоторых металлов характеризуется следующими величинами, %:

Ряд металлов, например рассеянных, собственных месторождений не образует. Обычно в очень небольших концентрациях они присутствуют в виде примесей в минералах основных цветных металлов.

Так как большинство руд цветных металлов бедны, руды обычно обогащают, т.е. повышают содержание металлов в сырье, поступающем на металлургическую переработку. Основной метод обогащения, применяемый в цветной металлургии - флотация. Перед обогащением сырье проходит механическую подготовку: дробление, измельчение, грохочение.

Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяются на две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов, гидрометаллургические процессы - в водных средах при температурах максимально до 300 0 С.

Выделяемые иногда в отдельную группу электрометаллургические процессы могут быть как пиро-, так и гидрометаллургическими. Отличительной особенностью этих процессов является использование электроэнергии в качестве движущей энергетической силы для их протекания.

Пирометаллургические процессы

Пирометаллургические процессы по характеру поведения участвующих в процессе компонентов иих конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка и дистилляция.

Обжиг - металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500-1200°С) с целью изменения химического состава перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными. В цветной металлургии применяют следующие виды обжига: кальцинирующий, окислительный, восстановительный, хлорирующий и фторирующий.

Плавка - пирометаллургический процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала.

Различают две разновидности плавок - рудные и рафинировочные. По характеру протекания химических реакций рудные плавки подразделяют на виды: восстановительная, плавка на штейн, электролиз расплавленных солей, металлотермическая, реакционная. Некоторые металлы получают проведением восстановительной или окислительной плавки. В случае переработки сульфидного сырья содержащуюся в рудах серу часто используют в качестве топлива и химического реагента.

Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных металлов от примесей. В их основе лежат различия в физико-химических свойствах основного металла и металлов-примесей. Различают разновидности рафинировочных плавок: окислительное (огневое) рафинирование, ликвационное, сульфидирующее рафинирование, хлорное рафинирование. Могут использоваться дистилляционные процессы - процессы испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения. Дистилляция с целью рафинирования называется ректификацией.

При получении металлов высокой степени чистоты также используют различные специальные методы: зонная плавка (в металлургии алюминия, вольфрама), иодидное рафинирование титана и др.

Гидрометаллургические процессы

Эта группа процессов проводится при низких температурах на границе раздела чаще всего твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.

Применяющиеся на действующих предприятиях цветной металлургии технологические процессы в большинстве случаев далеко не полностью удовлетворяют современным требованиям. Ряд процессов и их аппаратурное оформление устарели и нуждаются в замене новыми, более совершенными.

9) обеспечение возможности создания непрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линий получения металлов;

10) обеспечение безопасных и безвредных условий труда и охраны окружающей природы.

К металлургии относятся:
производство металлов из природного сырья и других металлсодержащих продуктов;
получение сплавов;
обработка металлов в горячем и холодном состоянии;
сварка;
нанесение покрытий из металлов.
К металлургии примыкает и эксплуатация машин, аппаратов, агрегатов, используемых в металлургической промышленности.
С металлургией тесно связаны коксохимия, производство огнеупорных материалов.

Металлургия подразделяется на чёрную и цветную.

Чёрная металлургия включает добычу и обогащение руд чёрных металлов (к чёрным металлам относят железо, все остальные - цветные), производство чугуна, стали и ферросплавов. К чёрной металлургии относят также производство проката чёрных металлов, стальных, чугунных и других изделий из чёрных металлов.

К цветной металлургии относят добычу, обогащение руд цветных металлов, производство цветных металлов и их сплавов.

По основному технологическому процессу подразделяется на пирометаллургию (плавка) и гидрометаллургию (извлечение металлов в химических растворах). Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия.

Добывающая металлургия

Добывающая металлургия заключается в извлечении ценных металлов из руды и переплавке извлечённого сырья в чистый металл. Для того, чтобы превратить оксид или сульфид металла в чистый металл, руда должна быть отделена физическим, химическим или электролитическим способом.

Металлурги работают с тремя основными составляющими: сырьём, концентратом (ценный оксид или сульфид металла) и отходами. После добычи большие куски руды измельчаются до такой степени, когда каждая частица является либо ценным концентратом либо отходом.

Горные работы не обязательны, если руда и окружающая среда позволяют провести выщелачивание. Таким путём можно растворить минерал и получить обогащённый минералом раствор.

Зачастую руда содержит несколько ценных металлов. В таком случае отходы одного процесса могут быть использованы в качестве сырья для другого процесса.

Чёрная металлургия

Чёрная металлургия служит основой развития машиностроения (одна треть отлитого металла из доменной печи идёт в машиностроение) и строительства (1/4 металла идёт в строительство). Основным исходным сырьем для получения черных металлов являются железная руда, марганец, коксующиеся угли и руды легирующих металлов.

В состав чёрной металлургии входят следующие основные подотрасли:

Добыча и обогащение руд чёрных металлов (железная, хромовая и марганцевая руда);
добыча и обогащение нерудного сырья для чёрной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин и т. п.);
производство чёрных металлов (чугуна, углеродистой стали, проката, металлических порошков чёрных металлов);
производство стальных и чугунных труб;
коксохимическая промышленность (производство кокса, коксового газа и пр.);
вторичная обработка чёрных металлов (разделка лома и отходов чёрных металлов).

Металлургический цикл

Собственно металлургическим циклом является производство

1) чугунно-доменное производство,

2) стали (мартеновское, кислородноконвертерное и электросталеплавильное), (непрерывная разливка, МНЛЗ),

3) проката (прокатное производство).

Предприятия, выпускающие чугун, углеродистую сталь и прокат, относятся к металлургическим предприятиям полного цикла.

Предприятия без выплавки чугуна относят к так называемой передельной металлургии. «Малая металлургия» представляет собой выпуск стали и проката на машиностроительных заводах. Основным типом предприятий чёрной металлургии являются комбинаты.

В размещении чёрной металлургии полного цикла большую роль играет сырьё и топливо, особенно велика роль сочетаний железных руд и коксующихся углей.

Цветная металлургия

Цветная металлургия - отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов.

По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на тяжёлые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и лёгкие (алюминий, титан, магний). На основании этого деления различают металлургию лёгких металлов и металлургию тяжёлых металлов.

Размещение предприятий цветной металлургии зависит от многих экономических и природных условий, особенно от сырьевого фактора. Заметную роль, помимо сырья, играет топливно-энергетический фактор.

На территории России сформировано несколько основных баз цветной металлургии. Различия их в специализации объясняются несхожестью географии лёгких металлов (алюминиевая, титано-магниевая промышленность) и тяжёлых металлов (медная, свинцово-цинковая, оловянная, никель-кобальтовая промышленности).

Тяжёлые металлы

Производство тяжёлых цветных металлов в связи с небольшой потребностью в энергии приурочено к районам добычи сырья.

По запасам, добыче и обогащению медных руд, а также по выплавке меди ведущее место в России занимает Уральский экономический район, на территории которого выделяются Красноуральский, Кировградский, Среднеуральский, Медногорский комбинаты.

Свинцово-цинковая промышленность в целом тяготеет к районам распространения полиметаллических руд. К таким месторождениям относятся Садонское (Северный Кавказ), Салаирское (Западная Сибирь), Нерченское (Восточная Сибирь) и Дальнегорское (Дальний Восток).

Центром никель-кобальтовой промышленности являются города Норильск (Восточная Сибирь) и Мончегорск (Северный экономический район), а также поселок городского типа Никель (Мурманская область).

Лёгкие металлы

Для получения лёгких металлов требуется большое количество энергии. Поэтому сосредоточение предприятий, выплавляющих легкие металлы, у источников дешёвой энергии - важнейший принцип их размещения.

Сырьём для производства алюминия являются бокситы Северо-Западного района (Бокситогорск), Урала (город Североуральск), нефелины

Кольского полуострова (Кировск) и юга Сибири (Горячегорск). Из этого алюминиевого сырья в районах добычи выделяют окись алюминия - глинозём. Получение из него металлического алюминия требует больших затрат электроэнергии. Поэтому алюминиевые заводы строят вблизи крупных электростанций, преимущественно ГЭС (Братской, Красноярской и др.)

Титано-магниевая промышленность размещается преимущественно на Урале, как в районах добычи сырья (Березниковский титано-магниевый завод,), так и в районах дешёвой энергии (Усть-Каменогорский титано-магниевый завод). Заключительная стадия титано-магниевой металлургии - обработка металлов и их сплавов - чаще всего размещается в районах потребления готовой продукции.

Сплавы

Наиболее часто используются сплавы алюминия, хрома, меди, железа, магния, никеля, титана и цинка. Много усилий было уделено изучению сплавов железа и углерода. Обычная углеродистая сталь используется для создания дешёвых, высокопрочных изделий, когда вес и коррозия не критичны.

Нержавеющая или оцинкованная сталь используется, когда важно сопротивление коррозии. Алюминиевые и магниевые сплавы используются, когда требуются прочность и легкость.

Медно-никелевые сплавы (такие, как монель-металл) используются в коррозионно-агрессивных средах и для изготовления ненамагничиваемых изделий. Суперсплавы на основе никеля (например, инконель) используются при высоких температурах (турбонагнетатели, теплообменники и т. п.). При очень высоких температурах используются монокристаллические сплавы.

Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые - прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным - состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений(в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды …) и кристаллиты простых веществ.

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

Стали
чугуны
дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

Бронзы
латуни

Для заливки подшипников:

Баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

Манганин
нихром

Для изготовления режущих инструментов:

Победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Металлургическая промышленность представлена черной и цветной отраслью. Эти две части составляют единый функционирующий организм и вместе являются базовой отраслью хозяйства страны, которые отличаются высокими показателями капиталоемкости и материалоемкости.

Цветная металлургия является одной из отраслей промышленной хозяйства страны, занимающаяся добычей недр, их обогащением и дальнейшей обработкой руд металлов (цветных, редких или благородных).

Характерные черты отрасли

Функциональные характеристики цветной металлургии обусловлены следующими ее отличительными чертами:

• Цветная металлургия имеет наибольшее потребление сырья и материалов среди прочих промышленных производств. Для обеспечения ее работы требуются значительные объемы сырья. В основном для переработки используется руда с низким содержанием ценных компонентов (от 0,3–0,5 до 2,1%). Исключение составляет обработка бокситов для создания алюминия.
• Эта отрасль имеет самые значительные показатели электро- и топливопотребления. Самыми энергопотребляемыми отраслями является индустрия свинца, никеля и кобальта.
• Для обеспечения бесперебойной работы предприятия цветной металлургии требуется большое число трудовых ресурсов, т. е. эта отрасль, в том числе, трудоемкая.

Добыча цветной металлургии это тяжелый трудозатратный процесс

• Предприятия этой производственной сферы в основном занимаются переработкой полиметаллических руд.
• Эта отрасль промышленности состоит из нескольких обязательных стадий. К ним относят этапы добычи рудного сырья, его обогащению, металлургический передел, дальнейшую переработку полученного металла. Только прохождение всех перечисленных этапов составляет полный производственный процесс (цикл).
• Предприятия отрасли цветной металлургии располагаются по географическому принципу в зависимости от месторасположения полезных ископаемых. В этом случае природно-сырьевой фактор служит решающим.
• Цветная металлургия считается одной из самых опасных в индустрии для окружающей среды. Ее деятельность связана с постоянными выбросами больших объемов отравляющих веществ.

Цветная металлургия

Отрасли цветной индустрии

Состав цветной металлургии, как сложноорганизованный производственный организм, включает 14 подотраслей.

Рассмотрим подробнее ее строение:

• Алюминиевая. Нуждается в высококачественном сырье в сравнении с другими ветками промышленности. Основой, обеспечивающей ее деятельность, служат бокситы. Эти сырьевые ресурсы в промышленных объемах распространены на Урале и Северо-Западе страны. На этих территориях и располагаются основные производственные мощности по их добыче и дальнейшей переработке.
• Медная. Заводы медной, как и алюминиевой, промышленности располагаются в непосредственной близости от месторождений полезных ископаемых. В нашей стране для производства меди добывают и используют сырье, называемое медным колчеданом. Основные залежи его находятся на территориях Урала. Вторым по величине месторождением принято считать Восточную Сибирь с ее медистыми песчаниками.
• Свинцово-цинковая. Предприятия этой отрасли находятся в непосредственной близости от месторождений полиметаллических руд. К таким территориям относят Кузбасс, Северный Кавказ, Дальневосточное Приморье и Забайкалье.
• Никель-кобальтовая. Эта подотрасль цветной индустрии занимается добычей и обогащением руд для дальнейшего производства кобальта и , драгоценных металлов, меди, строительных материалов и сопутствующей химической продукции. Территориально предприятия никель-кобальтовой промышленности находятся в Норильском районе, на Урале и низовьях Енисея.
• Золотодобывающая. Эта отрасль добычи и производства базируется на золотосодержащих рудах и песках. Основное ее назначение - создание драгоценных сплавов и металлов. А также в ведении золотодобывающей промышленности находится переработка драгметаллов.
• Титано-магниевая. Основное назначение этой подотрасли - добыча полезных ископаемых, их переработка и обогащение для создания титана, магния и прочих производных.
• Оловянная. Занимается добычей полезных ископаемых, дальнейшим обогащением руд с целью производства олова.
• Вольфрамо-молибденовая. Эта отрасль базируется на добыче и дальнейшем обогащении вольфрамо-молибденовых руд, их концентратов и производной продукции.
• Промышленность по добыче и производству редких металлов, материалов с полупроводниковыми свойствами.
• Сурьмяно-ртутная. Основное назначение этой отрасли - добыча руд (ртутных и сурьмяных) и их дальнейшее обогащение с целью создания ртути, сурьмы и производной продукции.
• Промышленность по обработке цветных металлов. Основное назначение этой составляющей - создание проката всех типов, труб из цветного металла и сплава.
• Промышленность по переработке вторичных цветных металлов. Основной вид деятельности этой индустрии заключается в сборе, переработке и изготовлению цветного металла из лома и различных отходов.
• Электродная. Основной род занятий электродной промышленности состоит в производстве электродной продукции из угля или графита.
• Промышленность жаропрочных, а также твердых и тугоплавких металлов.

Технологические этапы производства цветной металлургии

Цветная металлургия в процессе производства проходит несколько этапов, включаемых в единый цикл.

К технологии относят:

• Добыча производственного сырья.
• Подготовка сырья к его дальнейшей промышленной переработке, в том числе обогащение. Обогащение руд - необходимый процесс для изготовления концентрата. Обогащение предполагает дробление породы и дальнейшее ее разделение на пустую породу и ценные элементы. Полученный концентрированный продукт необходим для дальнейшего производства металла.
• Металлургический передел.Передел представляет собой такую обработку сырья, при которой на выходе получается полуфабрикат, используемый для дальнейшего использования. В процессе металлургического передела возможно изменить химический состав сырья, его физико-химические свойства, а также допустить переход из одного агрегатного состояния в необходимое другое. В цветной промышленности металлургический передел в основном связан с . Это плавка, его разливка, дальнейшее обжатие с целью создания проката.
• Обработка полученных сопутствующих отходов. Она подразумевает утилизацию или дальнейшую переработку. Из полученного шлака в дальнейшем можно получить продукцию или сырье для других видов промышленности.

Цветная металлургия находится в стадии своего развития. Основные направления, в которых ведется работа:

• улучшение качества выпускаемых изделий и сопутствующей продукции;
• снижение затрат, связанных с производством металлопродукции;
• соблюдение принципов экологической безопасности производства, совершенствование систем защиты окружающей среды;
• совершенствование ресурсосберегающей политики;
• повышение конкурентоспособности выпускаемой металлопродукции.