Виды производства металлов, их особенности, влияние на экономику и окружающую среду

О чем речь? Пирометаллургия, гидрометаллургия, электрометаллургия – виды производства металла, представляющие собой процесс с использованием высокой температуры, растворов или электролиза.

Какой предпочесть? Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, зависящие от типа руды и требуемой чистоты металла. Выбор того или иного варианта определяется экономическими, экологическими факторами и доступностью технологий.

Металлургическое производство

Металлургическое производство включает в себя науку, технику и промышленность, регламентирует различные процессы получения металлов из руды или других материалов, а также процессы, которые помогают улучшить характеристики сплавов.

В металлургическое производство входят:

• шахты и карьеры, в которых происходит добыча руды и каменного угля;
• горно-обогатительные комбинаты, на которых руду обогащают и готовят к дальнейшей обработке – плавке;
• коксохимические предприятия, на которых уголь подготавливают к обработке, коксуют и извлекают из него полезные химические элементы;
• энергетические цеха, в которых получают сжатый воздух, кислород, предназначенные для очистки металлургических газов;
• доменные цеха, в которых плавят чугун и железосодержащие сплавы, а также подразделения, где производят железорудные металлизованные окатыши;
• предприятия по производству железосодержащих сплавов;
• сталеплавильные цеха, в которых изготавливают сталь;
• прокатные цеха для переработки стальных слитков в сортовой металлопрокат (балки, рельсы, прутки, проволоку, лист).

Черная металлургия выпускает следующие виды продукции:

• чугун, который делят на два вида: передельный (из него изготавливают сталь) и литейный (делают фасонные отливки);
• железорудные металлизованные окатыши, из которых выплавляют сталь;
• сплавы железа с марганцем, кремнием, ванадием, титаном и др., из которых производят легированную сталь;
• стальные (кузнечные) слитки, из которых изготавливают сортовой прокат, листы, трубы, а также крупные кованые валы, роторы, турбины, диски и пр.

Цветная металлургия выпускает следующие виды продукции:

• слитки цветных металлов (из них изготавливают сортовой прокат: уголки, полосы, прутки, а также отливки на машиностроительных предприятиях);
• лигатуры, т. е. сплавы цветных металлов с легирующими элементами (из них производят сложные легированные сплавы для отливок);
• слитки чистых и особо чистых металлов (они используются в сферах приборостроения, электронной техники, в различных областях машиностроения).

Далее в статье расскажем о таких видах производства металлов, как:

• пирометаллургия;
• гидрометаллургия;
• электрометаллургия.

Пирометаллургия

Пирометаллургия – это один из видов производства металлов, в процессе которого сплавы восстанавливают из руд при помощи углерода, его оксида, водорода, а также алюминия и магния.

Так, олово получают из касситерита SnО₂, медь – из куприта Cu₂O путем прокаливания с углем (коксом):

SnО₂ + 2С = Sn + 2СО ↑; Cu₂O + С = 2Cu + СО ↑.

Сульфидные руды сначала обжигают при доступе кислорода, после чего полученный оксид восстанавливают углем:

2ZnS + 30₂ = 2ZnО + 2SO₂ ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑, сфалерит (цинковая обманка).

В процессе нагрева карбонатные руды разлагаются на оксиды, которые затем восстанавливают углем, поэтому для их получения также используется прокаливание:

FeСO₃ = FеО + СO₂ ↑; FеО + С = Fе + СО ↑, сидерит (шпатовый железняк).

Пирометаллургия, как один из видов производства металлов с восстановлением углем, подходит для получения железа, меди, цинка, кадмия, германия, олова, свинца и других металлов, которые в процессе распада не образуют прочных карбидов (соединений с углеродом).

Этот вид производства металлов в качестве восстанавливающего элемента использует также водород или активные вещества:

1. МоO₃ + ЗН₂ = Мо + ЗН₂O (водородотермия).

   Полученный в результате металл отличается значительной чистотой.

2. TiO₂+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия).
3. ЗМnO₂ + 4Аl = ЗМn + 2Аl₂O₃ (алюминотермия).

Для производства металлов оптимально подходит алюминий с высокой теплотой образования оксида (2Аl + 1,5O₂ = Аl₂O₃ + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений таких веществ не подходит для определения возможных восстановительных реакций из их окислов. Вероятность этих процессов можно определить, рассчитав тепловой эффект реакции (Q), если знать, при какой теплоте образуется оксид:

Q= Σ Q1 – Σ Q 2,

где Q1 – теплота, при которой образуется оксид;

Q2 – теплота, при которой образуется исходный элемент.

Доменный процесс (производство чугуна):

C + O₂ = CO₂, CO₂ + C ↔ 2CO;

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄+ CO_2;

Fe₃O₄+ CO= Fe + CO_2;

FeO + CO= Fe + CO₂.

В составе чугуна присутствует до 6,67 % углерода в виде графитовых включений, а также цементит Fe₃C.

Для выплавки стали (с содержанием углерода от 0,2 до 2,06 %) используют специальные печи (конвертерные, мартеновские, электрические) с особым способом нагрева. В печи нагнетается насыщенный кислородом воздух, который способствует выгоранию из чугуна лишнего углерода, серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом последние преобразуются в отходящие газы (CO₂, SO₂) либо в легко отделяемый шлак (соединение Ca₃(PO₄)₂ и CaSiO₃). Чтобы получить сталь с особыми свойствами, в печи добавляют другие легирующие компоненты.

Гидрометаллургия

Еще одним видом производства металлов является гидрометаллургия, в процессе которой для извлечения сплавов из сырья (руды, химических концентратов, отходов производства металлов и пр.) используются химические реакции, протекающие в водных растворах. Способ подходит для сырья с низким содержанием металла, не поддающегося переработке классическими методами.

К достоинствам этого вида производства металлов относятся:

• возможность разделения схожих по свойствам элементов и более простой способ переработки;
• нет негативного воздействия на окружающую среду из-за отсутствия вредных отходов в процессе производства металлов.

До начала гидрометаллургических процессов сырье механически обрабатывают (дробят, измельчают, обогащают и т. д.) для удаления из него пустой породы.

Гидрометаллургия включает в себя несколько этапов производства металлов:

• электролиз;
• восстановление;
• ионный обмен;
• извлечение из растворов;
• выщелачивание;
• очистку.

Кроме того, в гидрометаллургии часто применяются механические (гидроциклонирование, фильтрация, декантация, центрифугирование и пр.) и термические (сушка, прокаливание осадков, обжиг концентратов и т. п.) процессы. Современные металлургические предприятия используют комбинированные типы обработки, к примеру, выщелачивание и измельчение.

Сегодня в гидрометаллургическом виде производства металлов применяются следующие процессы:

• Выщелачивание – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из твердых тел (руды, концентратов, промышленных продуктов) в водном щелочном или кислотном растворе.
• Агитационное выщелачивание – перемешивание (агитация) смеси тонко измельченной руды и выщелачивающего раствора.
• Перколяционное выщелачивание – пропускание раствора сквозь твердый пористый материал.
• Кучное выщелачивание – выполняется обработка рудного сырья, расположенного на водонепроницаемом основании.
• Подземное выщелачивание – выщелачивающий раствор подается под землю для извлечения металлов из руд, а затем выкачивается на поверхность.
• Экстракция – процесс извлечения вещества из водного раствора в жидкую органическую форму, которая не смешивается с водой.
• Ионно-обменные процессы – твердые вещества, вступая в реакцию с растворами, поглощают ионы смеси, отдавая электрически заряженные частицы того же элемента.

Электрометаллургия

Еще один вид производства металлов – электрометаллургия, когда металлы получают при помощи электролиза расплавленных солей, оксидов или других соединений, в которых они содержатся.

Этот способ подходит для производства активных металлов (щелочных, щелочноземельных и алюминия). Электролиз при этом используется для обработки хлоридов, гидроксидов или оксидов.

Алюминий получают из бокситов, которые в процессе прокаливания преобразуются в оксид данного вещества. Затем его помещают в расплавленный криолит и подвергают электролизу. Минерал уменьшает температуру плавления оксида алюминия, существенно увеличивая электропроводность расплава.

Для малоактивных металлов (к примеру, меди) используют электролиз водных растворов их солей.

Электролиз позволяет не только получать, но и очищать металлы. Процесс очистки получил название электролитического рафинирования. Для этого металлические пластины помещают в качестве анодов в электролизер. Ток подвергает вещество анодному растворению, переводя его в катионы, которые разряжаются на катоде и оседают на нем в виде осадка чистого металлического вещества. Анодные примеси остаются нерастворимыми или переходят в электролит, а затем удаляются.

Электрометаллургический вид производства металлов безопасен для окружающей среды, поскольку в процессе не происходит вредных выбросов, следовательно, такие предприятия можно размещать в черте города.

Что касается недостатков этого вида производства металлов, то они следующие:

• высокие энергозатраты, повышающие себестоимость продукции;
• сложное и дорогостоящее оборудование, использование которого экономически обосновано только на крупных предприятиях.

Сегодня этот вид производства развивается, что позволяет получать новые металлы и сплавы, обладающие уникальными характеристиками. Именно электрометаллургия поставляет высокочистые вещества для производства полупроводников и высокотехнологичных отраслей промышленности.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.