Добыча цветных металлов. Производство стали – технология, этапы, оборудование

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

Расплавление породы

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием - оксидом кальция (CaO) - распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Раскисление металла

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

• спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
• полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

• системы обеспечения аргоном;
• сосуды конверторов и их несущие кольца;
• оборудование для фильтрации пыли;
• система для удаления конверторного газа.

Участок электропечей:

• печи индукционного типа;
• дуговые печи;
• емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
• участок складирования металлического лома;
• преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

• очищение стали от серы;
• гомогенизация стали;
• электрошлаковый переплав;
• создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

• LF-оборудование;
• SL-оборудование.

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

• крышки ковшей;
• ковши литейного и разливочного типа;
• шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

• поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
• оборудование для осуществления непрерывной разливки;
• вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
• лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
• промежуточные ковши и площадки для складирования;
• пробочный механизм;
• мобильные мешалки для чугуна;
• оборудование для обеспечения охлаждения;
• участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
• внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

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.

Металлургический комплекс включает в себя промышленные виды экономической деятельности, продукцией которых являются разнообразные металлы. Металлургия занимается не только выплавкой металлов и производством различных видов металлопроката, но также добычей и подготовкой руд, производством вспомогательных материалов – огнеупоров, кислорода и др. То есть в состав металлургического комплекса входят как добывающие, так и обрабатывающие виды экономической деятельности.

Используемые в настоящее время металлы делятся на черные (железо, марганец, хром) и цветные (все остальные металлы) – соответственно, различают черную и цветную металлургию. Металлургический комплекс играет большую роль в экономике Российской Федерации в целом и ее отдельных субъектов. На него приходится около 12% промышленных основных фондов страны, около 10% производства промышленной продукции, 6% занятых в промышленности. Комплекс играет значимую роль во внешней торговле России – металлы составляют около 20% объема экспорта страны в денежном выражении. То есть черная и цветная металлургия – это важная отрасль специализации экономики России в мировом хозяйстве, вторая по значению после топливной промышленности.

Металлургия включает ряд процессов, основные из которых образуют главную технологическую цепочку: 1) добыча руд металлов; 2) обогащение руд; 3) производство (выплавка) чернового металла – обычно с помощью кокса, т.е. специально переработанного каменного угля; 4) производство чистого металла (рафинирование); 5) производство металлического проката разных видов (листы, проволока и т.д.). Кроме этого к металлургии относится изготовление изделий из металлических порошков, производство различных сплавов металлов и получение слитков, изготовление простых металлических изделий для конечных потребителей и другие процессы. При этом основная часть продукции металлургии потребляется не населением, а другими видами экономической деятельности, прежде всего машиностроительным комплексом и строительством.

Главными факторами, определяющими территориальную организацию металлургии, являются следующие:

• высокая степень сырье- и топливоемкости. Для изготовления 1 т стали расходуется до 7 т сырья и топлива. Еще больше расход сырья и топлива в цветной металлургии. Для производства 1 т свинца или цинка требуется 16 т руды и 3 т топлива; для производства 1 т олова нужно более 300 т руды и 1 т топлива и т.д. Поэтому подавляющее большинство крупных металлургических предприятий располагаются вблизи месторождений руды, источников топлива или между ними;
• высокая трудоемкость производства – обычно на крупном металлургическом заводе работают 20–40 тыс. человек, что при среднем коэффициенте семейности даст численность населения города не менее 90 тыс. человек. Черная металлургия – более трудоемкая отрасль, чем цветная металлургия. Поэтому поддерживать функционирование крупных металлургических предприятий можно только в больших городах;
• значительная энергоемкость производства. Доля затрат на электроэнергию в себестоимости стального проката составляет 30–40%. Большинство производств цветной металлургии являются еще более энергоемкими, особенно выплавка алюминия, титана, магния. Поэтому для металлургических предприятий важна близость мощных источников дешевой электроэнергии;
• значительное негативное воздействие на окружающую среду. Металлургия – один из самых главных загрязнителей атмосферного воздуха и поверхностных вод. Отходы металлургических предприятий могут занимать огромные площади. В итоге почти все города – крупные центры металлургии России имеют очень загрязненную атмосферу и нарушенные природные системы в своих окрестностях;
• высокий уровень комбинирования и концентрации производства – основная часть продукции производится па крупных предприятиях-комбинатах. Руды металлов часто содержат, кроме основного, большое количество сопутствующих элементов. При этом на одном предприятии производятся разные виды продукции, отходы металлургических предприятий используются для производства химических продуктов и строительных материалов. В итоге металлургические предприятия, как правило, производят большой набор продукции, и не только металлургической.

Снизить значение этих факторов может повсеместное внедрение технологических новаций. Применение современных технологий (конверторного способа получения стали, непрерывной разливки и др.) позволяет значительно сократить потребление сырья и энергии, снизить загрязнение окружающей среды, увеличить качество продукции, сократить трудоемкость производства. В конечном итоге инновации могут резко повысить экономическую эффективность металлургического производства, обеспечить рост его конкурентоспособности на международных рынках металлов. Но для этого необходимы очень значительные инвестиции, которые окупятся в лучшем случае только через 15–20 лет.

Черная металлургия включает в себя:

• – добычу руд черных металлов (железа, марганца, хрома);
• – их обогащение;
• – производство огнеупоров;
• – добычу нерудного сырья для черной металлургии;
• – производство чугуна, стали, проката черных металлов, а также ферросплавов, вторичную переработку черных металлов.

Динамика производства основных видов продукции за последние 50 лет показана в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Динамика производства продукции черной металлургии в России за период 1970–2010 гг., млн т

Технологическим стержнем черной металлургии является металлургический передел, т.е. последовательная цепочка; руда – концентрат – чугун – сталь – прокат. Остальные производства являются смежным, сопутствующими; одни из них необходимы или способствуют основному технологическому процессу (производство огнеупоров и др.), другие имеют самостоятельное хозяйственное значение, функционируя на базе побочных результатов основного технологического процесса, отходов сырья и топлива (производство строительных материалов и др.). Особенно важно для России производство стальных труб, так как по трубопроводам транспортируется основная часть российского экспорта – нефть и природный газ. На территории России черная металлургия получила значительное развитие с начала XVIII в., когда реформы Петра I потребовали для оснащения армии, развития экономики большое количество чугуна и стали. Первые относительно крупные предприятия возникли в Туле и на Урале, они работали на местных рудах и древесном угле. В советский период были построены новые мощные комбинаты на Урале (около месторождений руды), в Кузнецком угольном бассейне, вблизи месторождений железной руды Курской магнитной аномалии (КМА), на севере европейской части России.

Самыми большими объемы производства черных металлов в стране были в 1980-х гг., но это определялось в основном чрезмерно высокой металлоемкостью отечественного машиностроения. В развитых странах еще с 1950-х гг. использование стали как конструкционного материала стало сокращаться. Другим недостатком развития черной металлургии в России в советский период было широкое использование отсталых технологий. До 1990-х гг. главным был мартеновский метод производства стали, от которого уже в 1970-е гг. отказались США, Япония и страны Западной Европы из-за низкого качества получавшейся продукции. Чрезмерно большими были потери металла на стадии передела "сталь – прокат". Во время кризиса начала 1990-х гг. объемы производства в отрасли сократились примерно в 2 раза, но с 1995 г. объемы производства в черной металлургии стали расти, в значительной степени за счет экспортных поставок. В последние годы на экспорт поступает около половины продукции российской черной металлургии. В настоящее время Россия на мировом рынке стали и проката занимает второе место (после Японии), а по общему производству черных металлов – четвертое место в мире (после Китая, Японии и США).

Существует три основных типа предприятий черной металлургии:

• 1) комбинат полного цикла, где осуществляется полная цепочка технологических процессов, в результате получают чугун, затем – сталь, затем – прокат;
• 2) заводы неполного цикла: доменные заводы (на которых выплавляют чугун), сталелитейные заводы (выплавляют сталь), сталепрокатные заводы (выпускают прокат), в том числе трубопрокатные заводы, заводы по производству ферросплавов (сплавов чугуна с легирующими металлами – марганцем, хромом и др.), электрометаллургические заводы (производство стали и проката из железорудного концентрата без стадии чугуна);
• 3) "малая металлургия" – металлургические цеха в составе машиностроительных заводов. При этом в России производство сильно сконцентрировано на крупных комбинатах полного цикла – на 30 предприятиях производится более 3/4 всей продукции отрасли.

Территориальная концентрация производства черных металлов в России также высока. В наибольшей степени она проявляется в добыче железной руды – 2/3 приходится на месторождения КМ А в Белгородской (Лебединское, Стойленское, Яковлевское) и Курской (Михайловское) областях. По 10–15% железной руды добывается в Северо-Западном (Костомукша и др.) и Уральском (Качканарское и др. месторождения) федеральных округах. Остальная часть железной руды добывается в Сибирском федеральном округе (области Кемеровская, Иркутская и др. регионы). Производство стали, проката и стальных труб по федеральным округам представлено в табл. 4.4. По всем главным видам продукции лидирует Уральский федеральный округ. Слабо развито производство на Северном Кавказе и Дальнем Востоке, хотя последний обладает большими запасами металлургического сырья, позволяющими организовать мощное эффективное производство металлов.

Таблица 4.4

Производство основных видов продукции черной металлургии по федеральным округам Российской Федерации в 2010 г., млн т

Территориально в России можно выделить три основные металлургические базы – группы предприятий, которые используют общие рудные или топливные ресурсы и обеспечивают главные потребности страны в черных металлах.

• 1. Уральская металлургическая база (Свердловская и Челябинская области Уральского федерального округа, прилегающие районы Оренбургской области, Республики Башкортостан, Пермского края) – самая старая в России, на нее приходится около 1/2 производства стали, проката и труб. Мощнейшие комбинаты полного цикла расположены в Магнитогорске, Челябинске, Нижнем Тагиле, Новотроицкс. Самые крупные в стране трубные заводы находятся в Челябинске, Первоуральске, Полевском, Каменск-Уральском. Имеются собственные месторождения железных руд, но основную массу сырья приходится завозить с месторождений КМА и из Казахстана. Есть небольшие месторождения марганцевых и хромовых руд, но их также не хватает. Коксующийся уголь в основном поступает из Сибири (Кузнецкий бассейн). В итоге базу можно считать неперспективной, так как предприятия не обеспечены ни сырьем, ни топливом, которые являются главными факторами производства в черной металлургии.
• 2. Сибирская металлургическая база сформировалась в 1930-е гг. около месторождений коксующегося угля Кузнецкого бассейна. Главный центр – Новокузнецк. База наиболее обеспечена сырьем, так как располагает необходимыми месторождениями железной и марганцевой руды. Не хватает только хрома (завозится из Казахстана). Недостатком базы является се территориальная удаленность от основных потребителей продукции в России и зарубежных странах, что значительно удорожает стоимость продукции для конечных потребителей из-за транспортировки сравнительно дорогим железнодорожным транспортом.
• 3. Центральная металлургическая база сформировалась в 1960-е гг. в европейской части страны. Главные комбинаты полного цикла расположены в Череповце ("Северсталь") и Липецке (НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат). В Старом Осколе действует мощный электрометаллургический завод, производящий сталь сразу из железорудного концентрата. На территории этой базы находятся крупнейшие в стране месторождения железных руд. Но уголь приходится завозить из Кузнецкого и Печорского бассейнов, а марганец и хром – из других государств. Тем не менее, эта база является наиболее перспективной, так как здесь расположены самые современные предприятия вблизи основной сырьевой базы, а также сравнительно близко от экспортных портов и основных потребителей продукции внутри страны.

Цветная металлургия включает добычу руд цветных металлов, их обогащение, выплавку черновых металлов, рафинирование (очистка черновых металлов), производство сплавов и проката, а также добычу алмазов и других драгоценных камней. Технологическая цепочка в цветной металлургии, как правило, выглядит следующим образом: добыча руд – обогащение руд (получение концентрата руд) – плавка в печах обогащенной руды (получение чернового металла) – рафинирование (очищение от вредных примесей, получение рафинированного (очищенного) металла) – изготовление различных сплавов и видов проката.

В состав цветной металлургии входят производства, связанные с получением отдельных металлов и их групп: промышленность медная, свинцово-цинковая, никелькобальтовая, алюминиевая, титано-магниевая, вольфрам- молибденовая, а также производство благородных, редких металлов, алмазов и драгоценных камней. Распределение цветных металлов по группам показано на рис. 4.1.

Российская цветная металлургия развивается, в основном, на собственной сырьевой базе, но обеспеченность отрасли разными видами сырья неодинаковая, особенно при перспективной оценке. Например, разведанных запасов медных руд при современных масштабах добычи хватит на 85 лет, руд олова – на 55 лет, молибденовых руд – примерно на 130 лет. Не хватает в России высококачественных бокситов.

За последние 20 лет состояние сырьевой базы цветной металлургии ухудшалось, так как:

• выбытие мощностей по добыче руды не компенсировалось вводом новых;
• наблюдается истощение запасов руд во многих крупных месторождениях из-за их чрезмерной длительной эксплуатации;
• сократились масштабы геологоразведочных работ;
• ужесточились экологические нормативы, что сделало экономически невыгодным освоение некоторых месторождений.

Рис. 4.1.

Руды тяжелых металлов, как правило, имеют низкий процент содержания металла в руде, поэтому их обогащение обязательно. Например, медные руды содержат 5% и менее процентов меди, а в концентрате содержание меди увеличивается до 35%. Содержание металла в свинцово-цинковых рудах максимум 5–6%, а в концентрате – 78%. Содержание олова в оловянных рудах – менее 1%, а в концентрате – 65%. Получение концентратов руд цветных металлов позволяет транспортировать их на большие расстояния и тем самым территориально разобщить процессы добычи руды и производства металлов.

Производство многих цветных металлов требует большого количества электроэнергии. Особенно высокая энергоемкость характерна для выплавки легких металлов. Так, для выплавки 1 т титана требуется 30–60 тыс. кВт ч электроэнергии, магния и алюминия – 17–20 тыс. кВт-ч. Поэтому размещение предприятий по выплавке легких металлов определяется, в первую очередь, электроэнергетическим фактором. Крупнейшие заводы размещаются около мощных ГЭС, которые вырабатывают самую дешевую электроэнергию.

Производство цветных металлов и драгоценных камней в Российской Федерации сильно монополизировано. На долю 8 компаний, составляющих менее 1% от количества организаций, действующих в цветной металлургии, приходится почти половина всего объема выпускаемой продукции. Компании "Русал" и "Алроса" обеспечивают до 99% российского производства алюминия и алмазов соответственно. Компания "Норильский никель" выпускает более 40% российских металлов платиновой группы, свыше 70% меди, около 90% никеля. "Русал" и "Норильский никель" являются крупнейшими в мире производителями алюминия и никеля соответственно. На внешние рынки они поставляют до 90% производимой продукции. В советский период эти металлы (как и большая часть других цветных металлов) потреблялись внутри страны в основном предприятиями военно-промышленного комплекса. В настоящее время спрос на цветные металлы внутри России невелик, что и обуславливает большую зависимость производства от конъюнктуры мирового рынка металлов.

Максимальными объемами производства в российской цветной металлургии отличается алюминиевая промышленность – около 3 млн т металла в год. По объемам производства Россия занимает второе место в мире (после Китая). Сырьем для получения алюминия в России являются: а) бокситы (месторождения в Северо-Западном и Уральском федеральных округах); б) нефелины (в Северо-Западном и Сибирском федеральных округах). При этом российским сырьем отечественные предприятия обеспечены лишь на 40%. По этой причине в России используются такие бедные алюминием руды, как нефелины, которые в других странах мира не добываются. Большую часть сырья (бокситов и глинозема) приходится импортировать, в основном из Австралии. Из алюминиевых руд вначале выделяют окись алюминия – глинозем (Бокситогорск, Ачинск и др. центры). Размещение предприятий по производству глинозема определяется преимущественно сырьевым фактором, но некоторые российские предприятия расположены возле уже исчерпанных месторождений. Затем глинозем доставляют в районы, где вырабатывается большое количество дешевой электроэнергии.

Производство металлического алюминия – очень энергоемкое производство. Поэтому большинство алюминиевых заводов функционируют около мощных ГЭС. Почти 90% выплавки алюминия в России приходится на Сибирский федеральный округ (Красноярск, Братск, Саяногорск, Шелехов, Новокузнецк). В Красноярском крас строятся новые алюминиевые заводы – в Тайшете и около Богучанской ГЭС. Важные алюминиевые заводы расположены также в Волгограде, Волхове (Ленинградская область), Надвоицах (Республика Карелия), Кандалакше (Мурманская область), Краснотурьинске и Каменск-Уральском (Свердловская область). В последнем регионе, испытывающем дефицит электроэнергии, производство алюминия наименее эффективно с экономической точки зрения – оно возникло в годы Великой Отечественной войны, когда резко возросла потребность в алюминии для авиационной промышленности, а экономические факторы были несущественны.

Медная промышленность использует небогатые руды, поэтому основные предприятия расположены около месторождений медесодержащих руд. В настоящее время самые крупные месторождения по объемам добычи находятся в районе Норильска (Красноярский край). Большое количество месторождений, но небольших, в значительной степени уже выработанных, находится на Урале – около городов Медногорск, Гай, Сибай, Карабаш, Красноуральск, Ревда, Кировград. В Забайкальском крае находятся крупнейшие по запасам, по пока не разрабатываемые месторождения медных руд (Удоканское и др.), так как они расположены в транспортно неосвоенных районах.

В настоящее время уральские заводы – Медногорский в Оренбургской области, Карабашский в Челябинской области, Ревдинский, Красноуральский и Кировградский в Свердловской области – не обеспечиваются местной рудой и частично работают на концентратах из Казахстана. Производят черновую медь также в Норильске (Красноярский край) и, в основном из норильского концентрата, в Мончегорске (Мурманская область). Рафинирование меди размещается вблизи производств чернового металла – в городах Норильск, Мончегорск, Кыштым (Челябинская область) и Верхняя Пышма (Свердловская область).

Производство никеля размещено на территории России в тех же регионах, что и медная промышленность. Самые крупные заводы около крупных месторождений находятся в Норильске. Руды здесь добывается больше, чем имеется мощностей по производству металла, кроме никеля из руды извлекают кобальт, платину и другие металлы. Избыточные медно-никелевые концентраты направляются в Мончегорск (Мурманская область), где имеется и собственная небольшая добыча руды (Псченга). На третьем месте находится Урал с никелевыми заводами в городах Орск (Оренбургская область), Верхний Уфалей (Челябинская область) и Реж (Свердловская область), расположенных возле небольших месторождений. Перспективной сырьевой базой для никелевой промышленности являются Восточная Сибирь и Дальний Восток.

Свинцово-цинковая промышленность использует полиметаллические руды, месторождения которых находятся в горных районах. В России это Кавказ (Садон), предгорья Алтая (Салаирское и Орловское месторождения), Сихотэ- Алинь (Дальнегорск) и хребты Забайкалья (Нерчинский Завод и др.). Производство металлов, как правило, привязано к месторождениям, но одновременно свинец и цинк производят лишь во Владикавказе (Республика Северная Осетия – Алания). В Забайкальском крае производят только свинцовые и цинковые концентраты, которые поступают в другие районы страны. В Приморском крае (Дальнегорск) производят свинец и цинковые концентраты, а в Кемеровской области (Белово) – цинк и свинцовые концентраты. Цинк из привозных концентратов (российских, казахстанских и среднеазиатских) производят в Челябинске. Российские свинец и цинк, в отличие от алюминия, меди и никеля, не пользуются спросом на мировом рынке, так как используемые месторождения истощены, применяются устаревшие технологии производства.

Оловянная промышленность в России сконцентрирована на Дальнем Востоке, где расположены основные месторождения – Депутатское и Эсэ-Хайя в Республике Саха (Якутия), Солнечное в Хабаровском крае, Перевальное и Хрустальненское (Кавалерово) в Приморском крае. Самое западное месторождение олова Шерловая Гора находится уже в Забайкальском крае. Производство металлического олова расположено в Новосибирске по пути следования концентратов из районов добычи (восточных) в районы потребления (западные). Российское олово также не пользуется спросом на мировом рынке, поэтому объемы его производства за последние 20 лет сильно сократились вместе с сокращением внутреннего потребления.

Производство легирующих металлов вольфрама и молибдена привязано к месторождениям, так как содержание металлов в руде составляет десятые доли процента. И вольфрам, и молибден одновременно добываются на Джидинском (Республика Бурятия) месторождении. Кроме этого молибден добывается в Забайкальском крае и Республике Хакасия, а вольфрам – в Приморском крае. Российские легирующие металлы также не пользуются спросом на мировом рынке, поэтому объемы производства за последние 20 лет сократились почти в 10 раз, многие предприятия (Тырныаузский вольфрамо-молибденовый комбинат в Кабардино-Балкарской Республике и др.) в настоящее время не действуют.

Добыча и производство золота также территориально совпадают из-за низкого содержания металла в руде. Основные запасы золота на территории России сосредоточены в коренных месторождениях, но их освоение требует значительных затрат. Поэтому разрабатываются в основном россыпные месторождения, на освоение которых требуется значительно меньше средств и времени. Около 2/3 добычи золота в России дает Дальневосточный федеральный округ, в котором больше всего производится этого металла в Республике Саха (Якутия), Магаданской области и Чукотском автономном округе. В основном это небольшие прииски, многие из которых разрабатываются еще с 1930-х гг. Но открыты и крупные коренные месторождения – Нежданинское и др. На втором месте по производству золота находится Сибирский округ, в котором выделяются Иркутская область (с крупными месторождениями около города Бодайбо) и Красноярский край. На третьем месте – Уральский округ с Кочкареким (Челябинская область) и Березовским (Свердловская область) месторождениями, самыми старыми в России, где золото добывают еще с XVIII в.

К цветной металлургии относится также добыча алмазов и других драгоценных камней. В настоящее время 99% добычи алмазов приходится на западную часть Республики Саха (Якутия), где расположены месторождения Айхал, Эбеляхское и др. Кроме этого имеется добыча алмазов на севере Пермского края. Крупные, но пока не разрабатываемые, месторождения открыты в Архангельской области (Ломоносовское и др.) – их освоение замедлилось из-за снижения мирового спроса на алмазы после глобального кризиса 2008 г., который во многих странах еще не преодолен.

Значительная часть алмазов и золота, добываемых в России, поступает на внешние рынки. Но эти рынки очень неустойчивые, так как драгоценные металлы и камни имеют не только промышленное, но и большое инвестиционное значение – цены на них могут колебаться в широких пределах в течение коротких промежутков времени. Большая волотильность (неустойчивость) мирового рынка является серьезным препятствием для стабильного развития российских металлургических компаний.

• Российский статистический ежегодник. 2001. М.: Госкомстат, 2001; Российский статистический ежегодник. 2011. М.: Росстат, 2011.
• Регионы России. 2011. М.: Росстат, 2011. С. 506–508.

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.