Суть производства цветных металлов

Цветная металлургия – это не только комплекс мероприятий по получению цветных металлов (добыча, обогащение, металлургический передел, получение отливок чистых металов и сплавов на их основе), но и переработка лома цветных металлов.

Научно-технический прогресс не стоит на месте, и цветные металлы на сегодняшний день широко используются для разработки инновационных конструкционных материалов. Только отечественная металлургическая промышленность выпускает порядка 70 видов сплавов, используя разнообразное сырье.

В связи с низким содержанием необходимого компонента в руде и примесей других элементов, цветная металлургия является энергозатратным производством и имеет сложную структуру. Так, меди в руде содержится не более 5%, а цинка и свинца не более 5,5%. Колчеданы, добываемые на Урале, многокомпонентные, и в их составе находится порядка 30 химических элементов.

Цветная металлургия

Цветные металлы подразделяются на шесть категорий, согласно своим физическим свойствам и предназначению:

1. Тяжелые. Имеют высокую плотность, соответственно, и вес. К ним относятся Cu, Ni, Pb, Zn, Sn.
2. Легкие. Имеют малый вес из-за незначительной удельной плотности. К ним относятся: Al, Mg, Ti, Na, Ka, Li.
3. Малые: Hg, Co, Bi, Cd, As, Sb.
4. Легирующие. В основном используются для получения сталей и сплавов с необходимыми качествами. Это W, Mo, Ta, Nb, V.
5. Благородные. Широко известны и используются для изготовления ювелирных украшений. Среди них Au, Ag, Pt.
6. Редкоземельные, рассеянные: Se, Zr, Ga, In, Tl, Ge.

Специфика отрасли

Руды цветных металлов, как было выше сказано, содержат малое количество добываемого элемента. Поэтому на тонну той же меди необходимо до 100 т руды. Из-за большой потребности в сырье цветная металлургия, по большей части, располагается вблизи своей сырьевой базы.

Цветные руды для своей переработки требуют большого количества топлива или электроэнергии. Энергетические затраты достигают половины общих затрат, связанных с выплавкой 1 т металла. В связи с этим металлургические предприятия располагаются в непосредственной близости от производителей электроэнергии.

Производство редких металлов в основном основано на восстановлении из соединений. Сырье поступает с промежуточных этапов обогащения руд. Из-за небольших объемов и трудности производства получением редких металлов занимаются лаборатории.

Состав отрасли

Виды цветной металлургии включают в себя отрасли, связанные с получением определенных видов металлов. Так, укрупнено можно выделить следующие отрасли:

• производство меди;
• производство алюминия;
• производство никеля и кобальта;
• производство олова;
• производство свинца и цинка;
• добыча золота.

Получение никеля тесно связано с местом добычи никелевых руд, которые расположены на Кольском полуострове и в Норильском районе Сибири. Многие отрасли цветной металлургии отличаются многоступенчатым металлургическим переделом промежуточных продуктов.

Цветные металлы

На этом основании эффективен комплексный подход. Это сырье для получения других сопутствующих металлов. Утилизация отходов сопровождается получением материалов, использующихся не только в других отраслях тяжелого машиностроения, но и в химической и строительной отраслях.

Металлургия тяжелых металлов

Получение меди

Основными этапами получения чистой меди являются выплавка черновой меди и ее дальнейшее рафинирование. Черновая медь добывается из руд, а низкая концентрация меди в уральских медных колчеданах и большие ее объемы не позволяют перенести производственные мощности с Урала. В качестве резерва выступают: медистые песчаники, медь-молибденовые, медь-никелевые руды.

Рафинирование меди и переплавка вторичного сырья производится на предприятиях, которые удалены от источников добычи и первичной плавки. Благоприятствует им низкая стоимость электричества, так как для получения тонны меди расходуется до 5 кВт энергии в час.

Металлургический завод

Утилизация сернистых газов с последующей переработкой послужила стартом для получения серной кислоты в химической промышленности. Из остатков апатитов производит фосфатные минеральные удобрения.

Получение свинца и цинка

Металлургия цветных металлов, таких как свинец и цинк, имеет сложную территориальную разобщенность. Добычу руды ведут на Северном Кавказе, в Забайкалье, Кузбассе и на Дальнем Востоке. А обогащение и металлургический передел проводится не только возле мест выемки руды, но и на других территориях с развитой металлургией.

Свинцовые и цинковые концентраты богаты на химическую элементную базу. Однако сырье имеет разное процентное содержание элементов, из-за чего не всегда цинк и свинец можно получить в чистом виде. Поэтому технологические процессы в районах различны:

1. В Забайкалье получают только концентраты.
2. На Дальнем Востоке получают свинец и цинковый концентрат.
3. На Кузбассе получают цинк и свинцовый концентрат.
4. На Северном Кавказе ведут передел.
5. На Урале производят цинк.

Металлургия легких металлов

Наиболее распространенным легким металлом является алюминий. Сплавы на его основе обладают свойствами, присущими конструкционным и специальным сталям.

Для получения алюминия сырьем являются бокситы, алуниты, нефелины. Производство разделено на две стадии:

1. На первой стадии получают глинозем и необходим большой объем сырья.
2. На второй стадии электролитическим методом производят алюминий, на что требуется недорогая энергия. Поэтому этапы производства находятся на разных территориях.

Получение алюминия и сплавов сосредоточено в промышленных центрах. Сюда же поставляется лом на вторичную переработку, что в итоге снижает себестоимость готовой продукции.

Цветная металлургия

Цветная металлургия – это отрасль, которая включает в себя добычу, обогащение и создание сплавов из цветных металлов. Ее состояние является определяющим для развития и функционирования всего промышленного комплекса в целом.

Под цветными металлами следует подразумевать такие вещества и сплавы, в которых отсутствует железо. Это является главным отличием рассматриваемой отрасли от черной металлургии, основа которой – добыча железной руды и выработка чугуна и стали.

Классификация цветных металлов

В современной промышленности выделяют несколько групп цветных металлов, которые различаются между собой по их эксплуатационным свойствам и качествам. Рассмотрим некоторые из них:

• Тяжелые. Относят никель, цинк, свинец, медь. Они имеют высокую плотность и вес.
• Легкие. В первую очередь это алюминий, который имеет низкую плотность и, как следствие, небольшой вес. Кроме этого, к данной группе относятся магний, титан, литий.
• Малые. Входят кобальт, ртуть, сурьма, мышьяк, висмут. Используются в различных отраслях. Из-за того, что месторождения соседствуют с залежами тяжелых металлов, их добывают попутно.
• Легирующие (или тугоплавкие). Это ванадий, вольфрам, хром, молибден. Они обладают высокой степенью износостойкости. Их промышленное применение заключается в выплавке сплавов для улучшения эксплуатационных свойств готовых изделий.
• Благородные. К этой группе относятся золото, платина, серебро. Встречаются крайне редко, обладают высокой степенью устойчивости к окислению, благодаря чему их использование не ограничивается только лишь ювелирным делом. Также к данному виду причисляют осмий, иридий, рутений, палладий.
• Редкоземельные. Это скандий, тулий, лютеций, европий и т. д. Применение ограничено, поскольку месторождения небольшие и находятся на разных континентах, что в значительной мере усложняет добычу.

Подотрасли

Цветная металлургия включает в себя подотрасли, в рамках которых осуществляется выпуск различных металлов:

На его долю приходится более 45% объема выплавки всех цветных металлов. Сырьем являются бокситы, которые перерабатываются в глинозем. Основные месторождения находятся в Австралии, Бразилии, экваториальной Африке, Китае и России.

Ведущими производителями алюминия в мире признаны Россия, США, Италия, Китай, Германия.

Более четверти от всего объема выплавки приходится на медь. Она добывается из медной руды, где концентрация металла может достигать порядка 30-35%. Кроме этого, значительную роль играет переработка вторичного сырья.

Основные месторождения медных руд находятся в России, Казахстане, Чили, США, Канаде, экваториальной Африке, Китае.

Ведущими производителями являются Россия, Китай, США, страны Европы.

• Производство свинца и цинка.

Эти металлы выпускаются из полиметаллических руд. Основные залежи находятся в США, Мексике, Канаде, Китае, Австралии. Производство сконцентрировано в Китае, США, Японии, Австралии, странах ЕС. На долю выплавки цинка и свинца приходится более 22% от всего объема.

Крупнейшие месторождения находятся в России, она же и является главным мировым производителем. На долю производства данного металла приходится менее 7% от мировой выплавки. Основным сырьем выступают никелевые руды. 

Данный металл получают из оловянных руд. Большая часть мировых запасов приходится на Боливию и Юго-Восточную Азию. Ведущими центрами выплавки являются Боливия, Малайзия, Китай, Россия.

Производство остальных цветных металлов менее развито и имеет локальные масштабы.

Этапы производственного процесса

• В цветной металлургии задействован ряд производственных процессов, включающий в себя как добычу сырья, так и выплавку.
• Схемы изготовления цветных металлов хоть в целом и схожи, однако в силу особенностей того или иного ресурса имеют некоторые отличия.
• В этой связи для примера следует упомянуть цикл получения алюминия, выпуск которого имеет наибольшие масштабы и значимость.
• Он состоит из следующих этапов:

• добыча бокситов;
• обогащение алюминиевой руды (промывка, грохочение);
• производство глинозема;
• выплавка металлического материала;
• выпуск алюминиевых заготовок и полуфабрикатов.

Также из глинозема производят фтористые соли и электроды.

Общий обзор состояния цветной металлургии в России

Данная отрасль промышленного производства является одной из наиболее развитых в России. Это объясняется большими запасами сырья и природных ископаемых, а также развитой производственной базой, оставшейся после распада СССР.

История развития отрасли

Человечество начало выплавлять металл и использовать сплавы достаточно давно, что подтверждается археологическими находками.

В России производство цветных металлов и развитие горного дела в целом во многом связано с именем Петра I. Именно по его указам на Урале строятся первые плавильные заводы.

К началу XX века страна становится одним из мировых лидеров металлургического производства, но события 1917 года надолго остановили его развитие. Однако в 30-е годы, во времена первых пятилеток, страна смогла восстановить и преумножить свою индустриальную мощь.

После ВОВ в СССР возводятся крупнейшие ГОКи и металлургические заводы, многие из которых продолжают работать и сейчас. Кризис 90-х годов негативно отразился на состоянии данной отрасли, однако уже в 2000 г. производство цветных металлов в стране значительно выросло.

Размещение промышленных производств

В силу экономической целесообразности большинство предприятий цветной металлургии расположено в районе мест добычи соответствующих руд. По этой причине в России выделяется несколько основных производственных баз. Стоит отметить, что для выплавки легких металлов требуется большое количество энергии, в этой связи заводы построены вблизи ее источников (преимущественно ГЭС).

1. Размещение основных производственных центров:
2. Крупные комплексы находятся в районах с развитой энергетикой (Иркутская область, Красноярский край).
3. Преимущественно Урал, где находится большая часть разведанных месторождений.

Запасы полиметаллических руд в стране не очень высоки. Производственные центры есть в Сибири и на Дальнем Востоке.

Предприятия размещены возле месторождений. Наиболее крупные из них – на Кольском полуострове, а также севере Сибири.

Крупнейшие игроки отрасли

Предприятия-лидеры цветной металлургии в России:

Другие компании, работающие в данной отрасли, представлены в разделе Заводы цветных металлов.

Проблемы и перспективы развития 

Значительной трудностью цветной металлургии в стране является зависимость от источников электрической и тепловой энергии.

К примеру, выработка более 75% энергии на Братской ГЭС направлена на обслуживание алюминиевого комбината. Это удорожает производство и в ряде случаев (при неблагоприятной мировой конъюнктуре) может лишить его рентабельности. Выходом из ситуации является внедрение более энергоемких технологий.

Кроме этого, предприятия цветной металлургии являются одними из основных причин экологического загрязнения. Модернизация производств требует многомиллиардных вложений, однако, несмотря на расходы, проводимые меры снижают нагрузку на окружающую среду.

Производство цветных металлов

Разделение металлов на черные и цветные является условным. Обычно к черным металлам относят железо, марганец и хром, а остальные металлы — к цветным. Термин “цветные металлы” не следует понимать буквально.

Фактически существуют лишь два цветных металла: розовая медь и желтое золото, в отношении же остальных металлов можно говорить не об их цвете, а об их различных оттенках, чаще всего серебристо-серого или красноватого тонов.

Также условно цветные металлы можно разделить на четыре группы:

1. тяжелые металлы — медь, никель, свинец, цинк, олово;
2. легкие металлы — алюминий, магний, кальций, калий, натрий, барий, бериллий, литий;
3. благородные металлы — золото, серебро, платина и ее природные спутники (родий, иридий, палладий, осмий);
4. редкие металлы; к этой группе относятся:
   1. тугоплавкие металлы — молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, тантал и цирконий;
   2. легкие — стронций, скандий, рубидий и цезий;
   3. радиоактивные — уран, радий, торий, актиний и протактиний;
   4. рассеянные и редкоземельные — германий, галлий, гафний, индий, лантан, таллий, церий и рений.

Промышленное значение цветных металлов очень велико и особенно возросло с развитием новой техники, в том числе связанной с реактивной и атомной энергетикой, освоением космического пространства и расцветом радиоэлектроники. Наиболее массовыми металлами являются медь, цинк, свинец, олово, никель, алюминий, магний и титан.

В последние годы все более важное значение начинают приобретать металлы, отнесенные к группе редких.

Развитие современной авиации с широким использованием реактивных двигателей потребовало все большего применения не только никеля и хрома, но и молибдена и вольфрама.

Расширяется область применения радиоактивных металлов, открывающих огромные энергетические ресурсы атомного распада и позволяющих получать новые элементы.

Сильно возросла роль многих металлов и металлоидов, в том числе полупроводниковых материалов (бора, германия, селена, теллура, кремния), в развитии приборостроения, радиоэлектроники, радиолокации и вычислительной техники.

В связи с развитием квантовой техники и других отраслей промышленности большое значение начинают приобретать металлы, переходящие при температуре 0,5—8 К в сверхпроводящее состояние. К ним относятся алюминий, галлий, ванадий, титан, олово и др.

Выпуск цветных металлов, в том числе высокой чистоты, возрастает из года в год. Совершенствуются прежние и создаются новые способы их производства.

Методы производства цветных металлов очень разнообразны.

Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Ряд металлов с успехом получают так называемым гидрометаллургическим способом с переводом их в растворимые соединения и последующим выщелачиванием.

Часто оказывается наиболее приемлемым электролитический процесс водных растворов или расплавленных сред.

Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду. Можно указать еще на такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.

Хлор обладает большим химическим сродством к металлам и при определенных условиях может вытеснить кислород из оксидов с образованием хлоридов. Процесс значительно облегчается в присутствии углерода, так как в этом случае кислород соединяется с углеродом. Например, применительно к двухвалентному металлу возможны следующие процессы:

1. МеО + Cl2 = MeCl2 + 1/2O2 — Q1
2. МеО + Cl2 + С = MeCl2 + СО — Q2.

При этом Q2 1 (по абсолютному значению), и даже в некоторых случаях процесс, протекающий по второй реакции, экзотермичен. Следует подчеркнуть, что и реакции первого типа протекают при более низких температурах, чем анало­гичные реакции восстановления оксидов углеродом.

Важным обстоятельством является то, что хлориды обычно образуют­ся в газообразном состоянии, легко уводятся из процесса, а процесс производства карбидообразующих металлов хлоридным методом в отличие от восстановления углеродом обеспечивает получение малоуглеродистого продукта. В некоторых случаях хлориды находятся в недрах земли или в соленых водоемах.

Из хлоридов металлы получают восстановлением или же электролизом из расплавов.

Особенности производства цветных металлов и сплавов

• Цветные металлы разделяют на четыре группы:
• 1) тяжелые металлы (Cu, Ni, Zn, Pb, Sn);
• 2) легкие металлы (Al, Mg, Be, Li);
• 3) благородные металлы (Au, Ag, Pt и ее природные спутники Ro, Ir, Os);
• 4) редкие металлы:
• — тугоплавкие (Mo, W, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr);
• — легкие (Sc, St, Ru);
• — радиоактивные (U, Th, Ra);
• — редкоземельные

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

Методы производства цветных металлов очень разнообразны. Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Кроме того, используют электролиз.

Этот способ основан на диссоциации содержащего металл сырья в электролите и последующем осаждении металла на катоде. Электролиз ведут не из водного раствора, а из расплава.

Это обусловлено тем, что в растворе на катоде осаждается водород, как более положительный ион, а чистый металл выделить невозможно, образуются лишь его соединения (гидраты окислов). Оборудование – электролизер, имеющий катодное и анодное устройство.

Катодное устройство – ванна из огнеупорного материала, в которой находится расплавленный металл и электролит (криолит Na3AlF6 для производства алюминия, хлористый магний MgCl для производства магния и т.п.). Катодом служит либо расплавленный металл, как в случае получения алюминия, либо стальные пластины, как при получении магния.

Анодом служит, как правило, угольный стержень или пластина. В процессе электролиза происходит разряжение ионов металла на катоде и осаждение. Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду.

Металлотермия– восстановление соединений металла (хлоридов или окислов) другими металлами. Используется при производстве титана.

Титановый шлак (продукт доменного производства) хлорируют: TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO.

Хлорид титана очищается от остальных побочных продуктов за счет различной температуры кипения в конденсационных и фильтрационных установках, затем восстанавливается в реакторах: 2Mg + TiCl4= Ti = 2MgCl2.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, т.к. MgCl2 – побочный продукт при получении титана служит сырьем для получения магния, а магний и хлор используют при производстве титана.

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

Производство цветных металлов

В условиях современного прогресса, с ростом интереса к радиоэлектронике и другим сложным направлениям производство цветных металлов приобретает совершенно особую значимость.

При этом наиболее активно производится медь, алюминий, свинец, цинк, титан, никель и некоторые другие металлы – они пользуются наибольшим спросом.

Технологии производства цветных металлов

При производстве цветных металлов применяются самые разные технологии:

• Пирометаллургические методы при избирательной плавке восстановительного или окислительного характера,
• Гидрометаллургические методы при создании растворимых соединений с их дальнейшим выщелачиванием,
• Металлотермические процессы при использовании других металлов в качестве восстановителей.

Таким образом, производство цветных металлов – это весьма многосторонний процесс, и к тому же данная сфера сегодня активно прогрессирует.

Причин для прогресса имеется немало, и это не только возрастающий спрос на цветные металлы, но и высокие требования к экологичности производства, желание получить в распоряжение более дешевые методы выполнения таких работ и многое другое.

Технологии литья цветных металлов

На сегодняшний день литье цветных металлов оказывается востребованным, потому как и сами изделия из такого материала становятся объектом особого внимания и закупаются массово – для нужд технического назначения и множества других направлений.

На практике такой процесс, как литье цветных металлов, оказывается весьма специфичным, и технологии могут сильно разниться в зависимости от конкретики металлов, с которыми идет работа, потому как такие материалы могут иметь:

• Разную температуру плавления,
• Различные физические и химические свойства,
• Различную специфику обработки.

Таким образом, многие из них требуют особого внимания и создания строго определенных условий при выполнении всех специфических работ.

Новые технологии и оборудование для литья цветных металлов на выставке

На сегодняшний день существует немало новых технологий для работы с такими материалами, и прогресс в этом направлении не останавливается.

Все это оказывается вполне закономерным, потому как именно новые технологии могут обеспечить максимальную экономию электроэнергии и материала в процессе обработки, а кроме того, обеспечить безопасность, и в том числе экологическую.

Переход на новые технологии оказывается целесообразным в первую очередь именно с экономической стороны, но при этом он предполагает немало вполне типичных для узкопрофессиональной отрасли проблем.

И в первую очередь это проблема ознакомления с новыми технологиями и оборудованием, ведь такая информация обычно остается в профессиональных кругах, и ознакомление с ней требует приобщения к таковым.

• Прекрасной возможностью присоединения к современным техническим достижениям оказывается посещение профильных событий, таких как выставки, которые реализуются в ЦВК «Экспоцентр» и предоставляют шанс рассмотрения значительного количества интересных вещей.
• Такие события, как «Металлообработка», проводятся по плотному графику и привлекают немалое количество сведущих людей из данной и смежных областей.
• Готовые к производительной работе профессионалы открыты для общения и действий, и использование тех возможностей, что предоставляются данными выставками, обеспечивает все возможности для поиска новых полезных знакомств, для изучения самых новых открытий, а также технологий, для демонстрации личных открытий и проектов.
• Иначе говоря, от посещения подобных выставок отказываться и в самом деле не стоит, так как шансов они открывают массу.
• Выставка становится удобным и целесообразным вариантом формирования прогресса и раскрытия кардинально новых вариантов, и при этом добиться весомого результата в рамках данного события можно с малыми затратами сил и вложениями времени.
• Это выгодный и актуальный подход, имеющий значительные возможности как для малого, так и для солидного бизнеса, а также и для предпринимателей, еще только задумавших создание бизнеса в данном направлении и рассматривающих оптимальные возможности для организации дела, и в том числе в деле технического оснащения и в вопросах задействования необходимых технологий.

В рамках столь активного прогресса уследить за всем происходящим просто не удается, и порой производители упускают интереснейшие новинки, которые могли бы произвести настоящую революцию в производстве и позволить достичь целого ряда необходимых целей. Это вполне закономерно, потому как любая узкопрофессиональная сфера имеет проблемы с распространением полезной информации.

1. Идеальным шансом присоединения к нынешним техническим достижениям бывает посещение профильных событий, таких как выставки, которые реализуются в ЦВК «Экспоцентр» и дают шанс рассмотрения множества актуальных вещей.
2. Такие события проводятся по плотному графику и привлекают огромное количество специалистов из данной и смежных областей.
3. Подготовленные к сотрудничеству и общению специалисты открыты для активного взаимодействия, и использование тех шансов, что предоставляются данными мероприятиями, дает все возможности для нахождения новых партнеров и клиентов, для рассмотрения новейших достижений и технологий, для представления общественности собственных новинок и задумок.
4. Иначе говоря, от посещения таких событий отказываться не стоит, поскольку возможностей они предполагают немалое количество.
5. Выставка, например, как «Металлообработка», оказывается вполне закономерным вариантом формирования новых достижений и рассмотрения новых горизонтов, и при этом получить нужный результат в рамках данного события можно с малыми трудозатратами и тратой времени.
6. Это удобный и выгодный подход, предоставляющий большие перспективы как для начинающегося, так и для солидного бизнеса, а также и для предпринимателей, еще только планирующих создание бизнеса в рамках данной сферы.
7. При этом достигнуть максимального объема целей и получить достойный результат от участия в таком мероприятии оказывается совсем не сложно: для этого достаточно бывает уделить должное внимание процессу подготовки.
8. Производство металлических изделий

Производство цветных металлов

Укажем наиболее распространенные способы получения из руд четырех широко используемых в машиностроении цветных металлов.

Медь — температура плавления 1083 °С, плотность 8,9 г / см3; из руды получают в основном пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Медные руды содержат 1-5 % меди; медь в них находится в виде сернистых соединений CuS, C112S, CuFeS2, оксидов CuO, С112О, карбонатов. Наряду с медью эти руды часто содержат никель, свинец, цинк, золото, серебро и другие металлы.

Упрощенная схема пирометаллургического способа производства меди:

• а) подготовка руды к плавке (обогащение, обжиг руды);
• б) плавка руды на медный штейн (штейн — сплав, содержащий 20- 60 % Си, 10-60 % Fe, до 25 % S);
• в) конвертирование штейна (продувка расплава воздухом в конвертере), в результате чего получают черновую медь (содержит до 1,5 % примесей);
• г) огневое рафинирование (окисление примесей в отражательных печах, после чего чистота меди возрастает до 99-99,5 %);
• д) электролитическое рафинирование (применяют для получения меди чистотой до 99,95 %).

Алюминий — температура плавления 660 °С, плотность 2,7 г / см3; из руды получают электролитическим способом. Алюминиевыми рудами служат бокситы, нефелины, апатиты, алуниты. Алюминий входит в них в виде глинозема AI2O3 или гидроксидов А1(ОН)з и АЮ(ОН).

Производство алюминия электролитическим способом состоит из двух этапов.

1. Выделение глинозема из руды. Глинозем А120з чаще получают из руды щелочным способом. Для этого измельченный боксит подвергают выщелачиванию — химическому разложению концентрированным раствором щелочи NaOH:

При этом хорошо растворяющийся алюминат натрия NaA102 переходит в раствор, а примеси (оксиды железа, титана и др.) выпадают в осадок. Затем алюминат натрия NaA102 разлагают, получая гидроксид алюминия А1(ОН)з.

При прокаливании гидроксида образуется глинозем:

2. Электролиз глинозема. Полученный глинозем растворяют в криолите Na3AlF6 и подвергают электролизу. Последний осуществляют в электролизерах, состоящих из корпуса 1 (рис. 2.7), футерованного внутри угольными блоками 6, в подовую часть которого подведены катодные шины 5. Над ванной на шинах 2 подвешены угольные аноды 3.

Рис. 2.7. Схема электролизера для получения алюминия

В рабочем состоянии нижняя часть анодов 3 находится в электролите 8 (Na3AlF6+ А120з). При прохождении тока (4,0-4,5 В, 75- 150 кА) электролит нагревается до температуры 950 °С. При этом часть электролита настывает на стенках электролизера и вокруг анодов, образуя твердую корку 4, на которую сверху насыпают очередную порцию глинозема 9.

Катион А13+ разряжается на катоде, которым является дно ванны, и образуется жидкий алюминий, а анион 02~ — на аноде, окисляя углерод анода до СО и С02. Жидкий алюминий 7 через 1-2 суток сливают.

На получение 1 т алюминия электролизом расходуется примерно 16 тыс. кВт • ч электроэнергии и до 0,6 т угольных анодов.

Полученный алюминий содержит примеси железа, кремния, меди, глинозема. Поэтому его подвергают рафинированию.

Рафинирование алюминия заключается в продувке жидкого металла хлором в течение 10-15 минут. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий А1С1з адсорбируется на поверхности мелких неметаллических примесей, и они всплывают в виде шлака. Хлор также способствует удалению растворенных газов (кислорода, окиси углерода).

После рафинирования и отстаивания в течение 30—45 минут чистота алюминия достигает 99,5-99,85 %.

Если к алюминию предъявляются более высокие требования по чистоте, его подвергают еще и электролитическому рафинированию. Такой алюминий обладает чистотой до 99,99 %.

Магний — температура плавления 651 °С, плотность 1,74 г / см3; из руды получают электролитическим способом. Основным сырьем для получения магния являются карналлит, магнезит, доломит, би- шофит. Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2KCl) используют для приготовления электролита.

Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами — стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава: 10 % MgCl2, 45 % СаС12, 30 % NaCl, 15 % КС1 с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления ((720 ± 10) °С).

Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния.

Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность ванны, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом.

Черновой магний содержит до 5 % примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl, КС1 ,ВаС12, CaF2, NaCl, СаС12, нагревают в электропечи до температуры 700-750 °С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. После этого печь охлаждают до температуры 670 °С и магний разливают в изложницы на чушки.

Титан — температура плавления 1665 °С, плотность 4,5 г / см3; из руды получают магниетермическим способом. Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45 % ТЮ2, ~30 % FeO, 20 % Fe203 и 5-7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO-Ti02.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.

Образующееся железо науглероживается, и получается чугун (побочный продукт процесса), а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы.

Основной продукт этого процесса — титановый шлак, содержащий 80-90 % ТЮ2, 2-5 % FeO и примеси — Si02, А120з, СаО И др.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи — хлор. При температуре 800-1250 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС12, MgCl2 и др.:

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950-1000 °С. В реактор загружают чушковой магний. После откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция:

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу-губку, а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35-40 % магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки примесей ее нагревают до температуры 900-950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят способом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6-99,7 %. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.

Производство цветных металлов

Цветные металлы в современной технике играют существенную и непрерывно возрастающую роль. В машиностроительном производстве наиболее широкое применение находят медь, алюминий, магний, титан цинк, никель, свинец, олово и их сплавы.

Руды цветных металлов обычно отличаются небольшим содержанием ценного компонента и комплексным характером залегания. Это определяет сложность технологического процесса извлечения ценных компонентов и более высокую себестоимость их получения.

2.3.1. Производство меди

Исходным материалом для производства меди служат руды, содержание меди в которых обычно составляет 1…3%. Более богатые руды встречаются редко. Медь находится в рудах большей частью в виде сернистых соединений. Окисные соединения меди встречаются реже, и еще реже медь встречается в виде карбонатов.

Переработка медных руд может осуществляться пирометаллургическим способом, протекающим при высоких температурах, или гидрометаллургическим, основанным на переводе в раствор выделяемого металла. Пирометаллургическим способом можно перерабатывать как сульфидные, так и окисленные руды, тогда как гидрометаллургическим -только окисленные руды.

Основным методом получения меди является пирометаллургический способ, который является многоступенчатым процессом и складывается из следующих этапов: обогащение, обжиг, плавка на штейн, получение черновой меди, рафинирование меди.

Общая схема технологического процесса производства меди приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Технологический процесс производства меди: а — измельчение руды; б — обогащение флотацией; в — обжиг руды;

г — плавка огарка; д — конвертирование штейна; е — огневое рафинирование; ж — электролитическое рафинирование

2.3.2. Производство алюминия

По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди конструкционных металлов (около 8,8% по массе).

Алюминий очень активный металл, поэтому встречается в природе только в связанном виде — в виде оксидов и гидроокисей. Алюминий получают из бокситов, каолинов, нефелинов, алунита.

Основное сырье для получения алюминия — бокситы, в которых алюминий содержится в виде гидроокисей. Богатые бокситы содержат до 60% А12О3. Качество бокситов определяется количеством оксидов алюминия и содержанием вредной примеси (кремнезема), затрудняющей получение алюминия.

Для производства алюминия используется нефелин (Na(K)20*Al203*2SiO2).

Современное получение алюминия складывается из четырех самостоятельных процессов: получения глинозема, получения криолита, электродного производства и электролитического получения алюминия.

Общая схема технологического процесса производства алюминия приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Технологический процесс производства алюминия: а — прокалка руды; б — измельчение руды; в — выщелачивание; г — охлаждение раствора; д — осаждение гидрооксида;

е — обезвоживание глинозема; ж — электролизная ванна;

з — электрическое рафинирование; и — рафинирование хлором

Алюминий, полученный в электролизной ванне, загрязнен примесями кремния, железа, неметаллическими включениями и газами, в основном водородом, и нуждается в рафинировании. Для очистки от газов и неметаллических включений расплав алюминия продувают хлором.

Пузырьки хлора и А1С13 (парообразного при температуре жидкого алюминия) растворяют водород и адсорбируют на своей поверхности включения, вынося их в верхние слои расплава и атмосферу. Более чистый алюминий можно получить повторным электролизом через расплав хлористых и фтористых солей 6.

В рафинируемый алюминий для увеличения плотности добавляют медь 7. При этом анодом 8 является угольная ванна, а катодом 9 — угольный электрод. В расплавленном электролите алюминий подвергается анодному растворению и электролизу, скапливаясь в верхней части ванны.

В ходе электролиза он очищается не только от неметаллических включений, растворяющихся в электролите, но и от металлических примесей.

2.3.3. Производство магния

Магний в свободном виде в природе не встречается, а является составляющей многих пород, в которых содержится в виде хлоридов или карбонатов, образуя магниевые руды: карналлит, магнезит, доломит, бишофит.

Независимо от вида исходного сырья процесс получения магния можно разбить на три этапа: подготовку сырья, получение из него магния и рафинирование. Магний можно получать термическим и электролитическим способами.

Основным методом получения магния является электролиз расплавленных солей магния.

Общая схема технологического процесса производства магния из карналлита приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Производство магния: а — обезвоживание карналлита; б — электролиз; в — рафинирование возгонкой; г — рафинирование переплавом

Карналлит обезвоживают и плавят в печах, после чего подают на электролиз, который протекает при температуре выше 700°С, поддерживаемой пропусканием электрического тока.

Электролизер представляет собой сварную стальную ванну, футерованную внутри огнеупорным кирпичом 1. В расплав карналлита 3 опускают стальные катоды 4, облицованные с внутренней стороны огнеупором.

Графитовый анод 5 устанавливается между двумя катодами и сверху закрывается хлороуловителем 6.

Очистку магния можно осуществлять возгонкой, используя сравнительно низкую температуру его кипения, или за счет повторного плавления смеси магниевых чушек и специально подобранного флюса 9, растворяющего неметаллические включения чернового магния.

2.3.4. Производство титана

В природе титан встречается в составе более семидесяти минералов, из которых наибольшее промышленное значение получили ильменит и рутил.

Основным методом переработки титановых руд является магнийтермический способ.

Технологический процесс получения титана из ильменита включает следующие этапы: обогащение руды и получение двуокиси титана, получение четыреххлористого титана, восстановление титана и получение губки и, наконец, переплавка титановой губки в слитки. Технологический процесс получения титана из ильменита показан на рис. 2.10.

В герметически закрываемых ретортах (реакторах) расплавляют чушки магния и при температуре свыше 900°С к нему добавляют жидкий ТІСІ4 (рис. 2.10, г). В результате реакции образуется MgCl2, который периодически сливают из реактора, и хлопья титана, осаждающиеся в виде пористой массы (губки) на стенках реактора.

Губку, содержащую до 60% титана и магния, в виде примесей MgCl2 рафинируют при 9ОО…95О°С отгонкой магния и MgCl2 в водоохлаждаемые кристаллизаторы с помощью вакуума, после чего ее размалывают, брикетируют и переплавляют в слитки в вакуумных электрических дуговых печах с расходуемым электродом.

Качество металла улучшается, если переплавка производится дважды.

Готовые слитки титана поступают на прокатку или на производство титановых сплавов.

Рис. 2 10. Технологический процесс получения титана: а — получение титанового шлака; б — брикетирование; в — получение

ТіСІд; г — получение титановой губки; д — рафинирование губки; е — брикетирование губки; ж — электродуговой переплав

Контрольные вопросы

• 1. Что такое чугун и что такое сталь? Чем они отличаются?
• 2. Назовите исходные материалы для получения чугуна. Каково их назначение?
• 3. В чем сущность доменного процесса получения чугуна?
• 4. С какой целью получают передельный чугун?
• 5. Перечислите сталеплавильные печи, назовите их достоинства, недостатки, область применения.
• 6. Какова роль флюсов и шлаков в металлургическом производстве?
• 7. Что такое раскисление стали?
• 8. Опишите строение стального слитка из спокойной стали.