История человечества насчитывает не одну тысячу лет. На протяжении всего периода существования нашей расы отмечается стабильный технический прогресс, немаловажную роль в котором сыграло умение человека обращаться с металлом, создавать и добывать его. Поэтому вполне логично, что металлургия - это то, без чего невозможно представить наш быт, нормальное выполнение рабочих обязанностей и многое другое.

Определение

Прежде всего стоит разобраться с тем, как по-научному, с технической точки зрения, называют современную сферу производства.

Итак, металлургия - это раздел науки, техники, который охватывает процесс получения различных металлов из руды или иных материалов, а также все процессы, имеющие связь с трансформацией химического состава, свойств и структуры сплавов.

Структура

На сегодняшний день металлургия - это мощнейшая отрасль промышленности. Кроме того, она - обширное понятие, которое включает в себя:

• Непосредственное производство металлов.
• Обработку металлических изделий как в горячем, так и холодном виде.
• Сварку.
• Нанесение различных металлических покрытий.
• Раздел науки - материаловедение. Данное направление в теоретическом изучении физико-химических процессов ориентируется на познание поведения металлов, сплавов и интерметаллидов.

Разновидности

Во всем мире существует две основные отрасли металлургии - черная и цветная. Такая градация сложилась исторически.

Черная металлургия заключается в обработке железа и всех сплавов, в котором оно присутствует. Также эта отрасль подразумевает извлечение из недр земли и последующее обогащение руд , сталелитейное и чугунолитейное производство, прокат заготовок, производство ферросплавов.

К цветной металлургии причисляют работу с рудой любого металла, кроме железа. Кстати, условно делят на две большие группы:

Тяжелые (никель, олово, свинец, медь).

Легкие (титан, магний, алюминий).

Научные решения

Несомненно, что металлургия - это деятельность, требующая внедрения инновационных технологий. В связи с этим многие страны нашей планеты активно ведут исследовательские работы, целью которых является изучение и применение на практике самых разнообразных микроорганизмов, которые помогли бы решить, например, такой злободневный вопрос, как очистка сточных вод, являющихся обязательной составляющей металлургического производства. Помимо этого, уже стали реальностью такие процессы, как биологическое окисление, осаждение, сорбция и прочие.

Разделение по технологическому процессу

Заводы металлургии можно условно причислить к двум основным группам:

Пирометаллургии, где процессы протекают при очень высоких температурах (плавка, обжиг);

Гидрометаллургии, которая заключается в извлечении металлов из руд при помощи воды и прочих водных растворов с использованием химических реактивов.

Принцип выбора места постройки металлургического завода

Для того чтобы понять, на основе каких выводов принимается решение о возведении предприятия в том или ином месте, стоит рассмотреть основные факторы размещения металлургии.

В частности, если вопрос касается дислокации завода цветной металлургии, то здесь на первый план выходят такие критерии, как:

• Наличие энергоресурсов. Производство, связанное с обработкой легких цветных металлов, требует колоссального количества электрической энергии. Поэтому подобные предприятия возводят максимально близко к гидроэлектростанциям.
• Требуемое количество сырья. Разумеется, что чем ближе находятся залежи руды, тем, соответственно, лучше.
• Экологический фактор. К сожалению, страны постсоветского пространства не могут быть отнесены в категорию, где предприятия металлургии являются экологически безопасными.

Таким образом, размещение металлургии - сложнейший вопрос, решению которого следует уделять самое пристальное внимание с учетом всевозможных требований и нюансов.

Для формирования максимально подробной картины в описании обработки металлов важно указать на ключевые участки данного производства.

Предприятия черной металлургииимеют в своем составе несколько так называемых переделов. Среди них: аглодоменный, сталеплавильный, прокатный. Рассмотрим каждый из них детальнее.

Доменное производство

Именно на этом этапе осуществляют освобождение железа непосредственно из руды. Происходит это в доменной печи и при температуре свыше 1000 градусов Цельсия. Таким образом происходит выплавка чугуна. Свойства его будут напрямую зависеть от протекания процесса плавки. Регулируя плавление руды, можно в конечном счете получить один из двух передельный (используют в дальнейшем для производства стали) и литейный (из него отливают чугунные заготовки).

Производство стали

Соединяя железо с углеродом и, при необходимости, с различными легирующими элементами, в итоге получают сталь. Методов ее выплавки достаточно количество. Особо отметим кислородно-конверторный и электроплавильный, которые являются самыми современными и высокопродуктивными.

Конверторная плавка характеризуется своей скоротечностью и получением в итоге стали с требуемым химическим составом. Основу процесса составляет продувка кислородом через фурму, в результате чего чугун окисляется и трансформируется в сталь.

Электросталеплавильный способ - самый эффективный. Именно благодаря использованию дуговых печей можно выплавить самые качественные легированные марки стали. В подобных агрегатах нагрев загруженного в них металла происходит очень быстро, при этом есть возможность добавлять необходимое количество легирующих элементов. Кроме того, получаемая таким методом сталь имеет низкое содержание неметаллических включений, серы и фосфора.

Легирование

Этот процесс заключается в изменении состава стали посредством внедрения в нее рассчитанных концентраций вспомогательных элементов для последующего придания ей определенных свойств. В числе наиболее часто применяемых легирующих компонентов значатся: марганец, титан, кобальт, вольфрам, алюминий.

Прокат

Многие заводы металлургииимеют в своем составе прокатную группу цехов. В них производят как полуфабрикаты, так и уже полностью готовую продукцию. Сущность процесса заключается в пропуске металла в зазоре между вращающимися в противоположных направлениях стана. Причем ключевым моментом является то, что расстояние между валками должно быть меньше, чем толщина пропускаемой заготовки. За счет этого металл втягивается в просвет, перемещается и в итоге деформируется до заданных параметров.

После каждого пропуска зазор между валками делают меньше. Важный момент - зачастую металл недостаточно пластичен в холодном состоянии. И потому для обработки его заранее подогревают до требуемой температуры.

Потребление вторичного сырья

В современных условиях рынок потребления вторсырья как черных, так и цветных металлов неуклонно развивается. Во многом это обусловлено тем, что ресурсы руды, к огромному сожалению, не являются возобновляемыми. Каждый год их добычи существенно снижает запасы. Учитывая тот факт, что потребности в металлопродукции в машиностроении, строительстве, авиастроении, судостроении и прочих отраслях народного хозяйства неуклонно растут, вполне разумным выглядит решение развивать переработку уже отработавших свой ресурс деталей и изделий.

Можно с уверенностью утверждать, что развитие металлургии в некоторой степени объясняется и позитивной динамикой сегмента отрасли - использованием вторичного сырья. При этом переработкой металлолома занимаются и крупные, и мелкие компании.

Мировые тенденции развития металлургии

В последние годы наблюдается чёткое повышение объемов выпуска металлопроката, стали и чугуна. Во многом это объясняется настоящей экспансией Китая, который стал одним из ведущих планетарных игроков на рынке металлургического производства.

При этом различные факторы металлургии позволили Поднебесной отвоевать себе практически 60% всего мирового рынка. Остальную десятку основных производителей составили: Япония (8%), Индия и Соединенные Штаты Америки (6%), Россия и Южная Корея (5%), Германия (3%), Турция, Тайвань, Бразилия (2%).

Если же рассматривать отдельно 2015 год, то наблюдается тенденция снижения активности производителей металлопродукции. Причем самый большой спад отмечен в Украине, где был зафиксирован результат, который на 29,8% ниже прошлогоднего.

Новые технологии в металлургии

Как и любая другая промышленность, металлургия просто немыслима без разработки и внедрения на практике инновационных разработок.

Так, сотрудники Нижегородского государственного университета разработали и начали внедрять в практику новые наноструктурированные износостойкие твердые сплавы, в основе которых лежит карбид вольфрама. Основное направление применения новшества - производство современного металлообрабатывающего инструмента.

Кроме того, в России был модернизирован колосниковый барабан со специальной шаровой насадкой с целью создания новой технологии переработки жидкого шлака. Это мероприятие было выполнено на основе государственного заказа Министерства образования и науки. Такой шаг полностью себя оправдал, поскольку его результаты в итоге превзошли все ожидания.

Крупнейшие предприятия металлургии в мире

• Arcelor Mittal - компания с главным офисом в Люксембурге. Ее доля составляет 10% всего мирового производства стали. В России компании принадлежат шахты Березовская, Первомайская, Анжерская, а также "Северсталь-групп".
• Hebei Iron & Steel - гигант из Китая. Он полностью принадлежит государству. Помимо производства, компания занимается добычей сырья, его транспортировкой и проведением научно-исследовательских работ. На заводах компании используются исключительно новые разработки, и самые современые технологические линии что позволило китайцам научиться производить ультратонкие стальные плиты и сверхтонкий холоднокатанный лист.
• Nippon Steel - представитель Японии. Менеджмент компании, которая начала свою работу еще в 1957 году, стремится к объединению с другим предприятием, именуемым Sumitomo Metal Industries. По мнению экспертов, такое слияние позволит достаточно быстро выйти японцам на первое место в мире, обогнав всех своих конкурентов.

Цветными называются металлы, которые не содержат железо в значительных количествах. Это сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка. Медь обеспечивает высокую тепло- и электропроводность, сплав меди и цинка (латунь) применяется как недорогой коррозионностойкий материал, сплав меди с оловом (бронза) обеспечивает прочность конструкций.

Сплавы никеля с медью обладают высокой коррозионной стойкостью, сплавы никеля с хромом имеют высокое тепловое сопротивление, сплавы никеля с молибденом отличаются стойкостью к соляной кислоте. Алюминиевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью. Сплавы на основе магния очень легкие, но не очень прочные, сплавы на основе титана обладают прочностью и легкостью. Все эти разновидности цветных металлов и сплавов широко применяются в промышленности, самолетостроении, приборостроении, для производства предметов, необходимых в быту.

Цветная металлургия – это отрасль тяжелой промышленности, которая занимается добычей, обогащением и переработкой руды цветных металлов. Руды цветных металлов обладают очень сложным составом, который различен не только в разных месторождениях, но даже в пределах одного месторождения на разных участках добычи руды. Часто встречающиеся полиметаллические руды состоят из свинца, цинка, меди, золота, серебра, селения, кадмия, висмута и других редких металлов.

Главная задача предприятий цветной металлургии – выявить и разделить металлы, при этом руда может проходить несколько десятков стадий переработки. Основные компоненты могут перерабатываться на месте добычи, другие – на специализированных предприятиях, благородные, редкие и рассеянные металлы извлекаются из руды на специализированных заводах путем рафинирования цветных металлов.

В Российской Федерации встречаются месторождения руд практически всех цветных металлов. Медные руды добывают, в основном, в Красноярском крае и на Урале. Алюминий добывают на Урале, в Западной Сибири (Новокузнецк), Восточной Сибири (Красноярск, Братск, Саянский). Свинцово-цинковые месторождения разрабатываются на Северном Кавказе (Садон), в (Нерчинск), на Дальнем Востоке (Дальнегорск). Магниевые руды широко встречаются на Урале и в Восточной Сибири. Месторождения титановых руд имеются на Урале, в Западной Сибири. Месторождения медно-никелевых и окисленных никелевых руд сосредоточены на Кольском полуострове (Мончегорск, Печенга-никель), в Восточной Сибири (Норильск), на Урале (Режское, Уфалейское, Орское).

В настоящее время лидирует по запасам железной руды и никеля, обладает значительными запасами титана, платиноидов, меди, свинца, цинка, серебра и других цветных металлов. Крупнейшими предприятиями цветной металлургии являются ГМК «Норильский никель», АО «Уралэлектромедь», Уральская горно-маталлургическая компания, Новгородский металлургический завод.

По данным аналитиков ИА «INFOLine», в 2007-2011 годах производственные мощности российских металлургических предприятий значительно возрастут: по выпуску глинозема – более чем на 30%, первичного алюминия – более чем на 25%, рафинированной меди – более чем на 35%, цинка – более чем на 50%.

Цветные металлы обладают рядом характерных только для них свойств, определяющих применение их в машино- и приборостроении, несмотря на то, что встречаются они в природе гораздо реже, чем железо. Это и высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозионная стойкость, малый или наоборот большой удельный вес, низкая или высокая температура плавления, высокая пластичность или наоборот прочность.

Основной продукцией цветной металлургии являются слитки цветных металлов для производства проката и отливок, лигатуры (сплавы с легирующими элементами для изготовления легированных сплавов), чистые и особо чистые металлы для электроники и приборостроения.

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

За год в мире производится 3 … 5 млн. тонн меди. Она обладает важными для современной техники свойствами, такими как высокие электро- и теплопроводность, пластичность, хорошая коррозионная стойкость. Около половины всего годового производства чистой металлической меди идёт на изготовление проводов, кабелей, шин и прочих токопроводящих изделий электротехнической промышленности. Вместе с тем с давних пор широко применяются сплавы меди с цинком (латуни) и с оловом (бронзы).

В настоящее время главнейшим источником для получения меди служат сульфидные руды, содержащие халькопирит (медный колчедан) CuFeS 2 , халькозин CuS, пирит FeS 2 и сульфиды цинка, свинца, никеля, а нередко серебро и золото. Другим источником для получения меди являются окисленные медные руды, содержащие куприт Cu 2 O или азурит 2CuCO 3 ×Cu(OH) 2 .

Указанные руды бедные. Содержание меди в них незначительно – 1 … 5%, поэтому руды перед плавкой подвергают обогащению. Обогащение флотацией позволяет выделить из руды отдельно медный концентрат, содержащий 11 … 35% меди, а также цинковый или пиритный концентраты.

Природные запасы меди постоянно сокращаются. Поэтому в настоящее время существенным становится использование металлолома и других отходов промышленности, содержащих медь. Крупнейшие промышленно развитые страны из отходов получают меди больше, чем выплавляют её из руд.

Для получения меди из руд обычно используют пирометаллургический способ, состоящий из плавки на штейн и восстановительной плавки, но некоторые руды успешно перерабатывают и гидрометаллургическим способом, например выщелачиванием серной кислотой.

Процесс производства меди наиболее распространенным, пирометаллургическим способом можно разделить на следующие этапы: измельчение медных руд, их обогащение, обжиг концентрата, получение медного штейна, переработка медного штейна, рафинирование меди (рис. 1.16).

Обогащение медных руд осуществляют методом флотации, основанном на различном смачивании водой соединений меди и пустой породы. Для обогащения образуют пульпу, состоящую из измельченной руды, воды и флотационного реагента (пихтового масла). Последний адсорбируется на частицах руды в виде пленок, не смачиваемых водой. При продувке пульпы пузырьки воздуха собираются на поверхности этих частиц и увлекают их вверх, образуя на поверхности слой пены. Смачиваемая водой пустая порода оседает на дно ванны. Пену с поверхности ванны собирают, сушат и получают концентрат с необходимым содержанием меди.

Обжиг концентрата производят при 750 … 850 °С в воздушной среде для окисления сульфидов и уменьшения содержания серы. Наиболее производительным является обжиг в кипящем слое. Измельченный концентрат загружается в окно в средней ее части, а снизу в печь через поддон подается воздух. Давление воздуха устанавливается таким, чтобы частицы концентрата находились во взвешенном (кипящем) состоянии. Обожженный концентрат «переливается» через порог печи в виде огарка. Отходящие сернистые газы очищаются в циклоне от твердых частиц и направляются в сернокислотное производство.

Получение медного штейна. Штейн в застывшем виде – это сплав сульфидов меди и железа и сульфидов цинка, свинца, никеля, содержащий 20 … 60% меди, 10 … 60% железа и до 25% серы. Жидкие штейны хорошо растворяют в себе золото и серебро, и, если эти металлы есть в руде, они почти полностью концентрируются в штейне. Цель плавки на штейн – отделение сернистых соединений меди и железа от содержащихся в руде примесей, присутствующих в ней в виде окисных соединений.

В зависимости от химического состава руды и ее физического состояния штейн получают либо в шахтных печах, если сырьем служит кусковая медная руда, содержащая много серы, либо в отражательных или дуговых электропечах, если исходным продуктом служат порошкообразные флотационные концентраты.

В качестве огнеупоров отражательных печей используют динасовые или магнезитовые кирпичи. Огнеупор выбирают в зависимости от преобладания в шихте основных или кислотных оксидов, так как соответствие состава шихты и огнеупорных материалов удлиняет срок их службы. Отражательные печи отапливают мазутом, угольной пылью или газом, вдувая топливо форсунками. Максимальная температура в головной части печи 1550 °С, в хвостовой – 1250 … 1300 °С. Шихту в эти печи загружают через отверстия в своде, расположенные вдоль печи у боковых стенок. При загрузке шихта ложится откосами вдоль стен, предохраняя кладку от прямого воздействия шлаков и газов. По мере нагрева шихты начинаются реакции частичного восстановления высших оксидов железа и меди, окисления серы и шлакообразования:

FeS + 3Fe 3 O 4 + 5SiO 2 = 5(2FeO*SiO 2) + SO 2 ;

2Cu 2 S + 3O 2 = 2Cu 2 O + 2SO 2 .

Сульфиды меди и железа, сплавляясь, дают первичный штейн, который, стекая по откосам, изменяет свой состав, обедняясь железом и обогащаясь медью:

2FeS + 2Cu 2 O + SiO 2 = 2FeO*SiO 2 + 2Cu 2 S.

При этом 2FeO*SiO 2 поступает в шлак, а 2Cu 2 S – в штейн. Штейн, имеющий плотность около 5000 кг/м 3 , собирается на поду печи, а шлак (плотность около 3500 кг/м 3) образует второй верхний жидкий слой. Его выпускают по мере накопления через шлаковое окно, расположенное в хвостовой части печи. Выпуск штейна производят по мере его образования и потребности в нем последующего конвертерного передела.

Переработка медного штейна. Расплавленный штейн перерабатывают на черновую медь продувкой его воздухом в конвертере – горизонтально расположенном цилиндрическом сосуде из листовой стали длиной 5 … 10 и диаметром 3 … 4 м, футерованном магнезитовым кирпичом.

Переработка штейна протекает в два периода. В конвертер загружают кусковой кварц, заливают расплавленный штейн и продувают его воздухом. Воздух, энергично перемешивая штейн, окисляет сульфиды меди и железа:

2FeS + 3O 2 = 2FeO + 2SO 2 + 940 кДж;

2Cu 2 S + 3O 2 = 2Cu 2 O + 2SO 2 + 775 кДж,

при этом закись меди благодаря обменному взаимодействию вновь превращается в сульфид:

Cu 2 O + FeS = Cu 2 S + FeO.

Поэтому в первом периоде идет практически окисление только железа, а закись железа шлакуется кварцем:

2FeO + SiO 2 = 2FeO*SiO 2 .

Образующийся шлак периодически сливают и в конвертер добавляют свежие порции медного штейна и кускового кварца. Температура заливаемого штейна составляет около 1200 °С, но за время продувки, за счет большого выделения тепла при окислении сульфидов температура повышается до 1350 °С. Продолжительность первого периода зависит от количества меди в штейне и составляет 6 … 10 ч. Добавка в воздушное дутье кислорода повышает температуру в конвертере и позволяет загружать в него холодный концентрат, заменив им некоторую часть расплавленного штейна.

Первый период закончится, когда в продуваемом штейне окислится сернистое железо. После этого тщательно удаляют шлак и продолжают продувку без добавки штейна и кварца. Воздух окисляет теперь только Cu 2 S, и образовавшаяся закись меди способствует появлению в конвертере металлической меди по реакции

Cu 2 S + 2Cu 2 O = 6Cu + SO 2 .

Второй период заканчивается, когда в конвертере весь штейн превращается в медь, на что обычно уходит 2 … 3 ч. В конвертере и во втором периоде образуется небольшое количество богатого медью шлака, который остается в нем после выливания черновой меди и перерабатывается в следующем цикле.

Черновую медь по окончании процесса, наклоняя конвертер, выпускают в ковш и разливают в изложницы. Полученную медь называют черновой, так как она содержит до 1,5% примесей железа, цинка, никеля, мышьяка, сурьмы, кислорода, серы.

Рафинирование меди. Черновая медь подвергается рафинированию для удаления примесей, ухудшающих ее качество, а также для извлечения из нее золота и серебра. В современной практике применяют огневое и электролитическое рафинирование.

Огневое (пирометаллургическое) рафинирование заключается в окислении примесей в отражательных печах при продувке черновой меди воздухом. Кислород воздуха соединяется с медью и образует оксид Cu 2 O, который затем реагирует с примесями металлов (Me) по реакции

Me + Cu 2 O = MeO + 2Cu.

Одновременно окисляется и сера:

Cu 2 S + 2Cu 2 O = 6Cu + SO 2.

После этого приступают к раскислению меди – восстановлению Cu 2 O. Для этого медь перемешивают деревянными жердями. Бурное выделение паров воды и углеводородов способствует удалению газов и восстановлению меди:

4Cu 2 O + CH 4 = 8Cu + 2H 2 O + CO 2 .

После огневого рафинирования чистота меди достигает 99 … 99,5%.

Электролитическое рафинирование меди проводят в ваннах, наполненных раствором сернокислой меди, подкисленным серной кислотой. Анодами служат пластины из черновой меди размером 1х1 м и толщиной 50 мм, катодами – листы толщиной 0,5 мм из чистой меди.

При прохождении тока напряжением 2 … 3 В и плотностью 100 … 400 А/м 2 анод растворяется, медь переходит в раствор в виде катионов, которые затем разряжаются на катодах и откладываются слоем чистой меди.

Примеси, имеющие более отрицательный потенциал (Zn, Fe, Ni, Bi, Sb, As и др.) переходят в раствор, но не могут выделиться на катоде при наличии в нем большого количества ионов меди. Золото и серебро не переходят в раствор и оседают на дно ванны вместе с не успевшими раствориться на аноде отдельными кусочками меди, образуя шлам. В шлам переходят также соединения серы, селена и теллура. Иногда в шламе содержатся до 35% Ag, 6% Se, 3% Fe, 1% Au и другие ценные элементы. Поэтому шламы обычно перерабатывают и извлекают эти элементы.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Алюминий является достаточно распространенным в природе металлом. Насчитывается 250 минералов, содержащих алюминий. Основные алюминиевые руды – это бокситы, нефелины, алуниты, каолины. В них он встречается в виде гидроокисей (АlООН, Аl(OH) 3), каолинита (Al 2 O 3 ×2SiO 2 ×2H 2 O), корунда (Al 2 O 3).

Основной рудой, используемой для производства алюминия, являются бокситы. Алюминий в них содержится в виде гидрооксидов Al 2 O 3 ×Н 2 О и Al 2 O 3 ×3Н 2 О. В руде много примесей, однако, производство экономически целесообразно при содержании глинозёма в ней не менее 12 … 14%. В нашей стране главные месторождения бокситов находятся в Ленинградской области, на Урале и в Красноярском крае.

Технологический процесс производства алюминия состоит из трех этапов: извлечение глинозема из руд, его электролиз с целью получения алюминия и рафинирование. Последовательность технологических операций приведена на рис. 1.17.

Наиболее распространённым в мировой практике способом получения глинозёма из бокситов является мокрый щелочной способ.

Существует определенная последовательность технологических операций.

Подготовка боксита, заключающаяся в прокаливании его в проходных трубчатых печах, дроблении и измельчении на дробилках, разделении по крупности на грохотах, последующем измельчении в мельницах и отделении фракции тонкого помола при помощи классификаторов.

Выщелачивание боксита, состоящее в его химическом разложении при взаимодействии с водным раствором щёлочи. Для этого измельчённый боксит загружают в автоклав и смешивают с раствором щелочи при температуре 200 … 250 °С и давлении 3 МПа. Для этого через автоклав внизу пропускают струю пара, которая перемешивает и подогревает полученную пульпу.

В результате в пульпе происходят следующие реакции

Al 2 O 3 ×Н 2 О + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O.

Достаточная концентрация алюмината натрия (NaAlO 2) получается в растворе примерно через 4 часа Другие компоненты боксита (SiO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 и др.) образуют осадок (красный шлам). Пульпа вытесняется из автоклава и по трубе транспортируется для дальнейшей переработки.

Отделение алюминатного раствора от красного шлама. Пульпу разбавляют водным раствором, полученным от промывки красного шлама предыдущей партии, и подвергают обработке в сгустителях (температура пульпы 90 … 100 °С). В результате этой обработки красный шлам оседает, после чего алюминатный раствор сливают и отфильтровывают (осветляют).

Разложение алюминатного раствора происходит по реакции

NaAlO 3 + 2H 2 O = NaOH + Al(OH) 3 .

Процесс разложения называется выкручиванием или декомпозицией. Его производят путём медленного перемешивания (96 … 120 ч) алюминатного раствора в присутствии кристаллической гидроокиси алюминия Al(OH) 3 . Процесс протекает в камерах (декомпозёрах) при температуре 30 … 60 °С. В результате из алюминатного раствора выделяется кристаллическая гидроокись алюминия. Полученную пульпу подвергают сгущению. Часть сгущённой пульпы употребляют для выкручивания в следующем цикле, а основную часть пульпы фильтруют и промывают. В результате получают кристаллическую гидроокись алюминия с 3 … 4% влаги.

Обезвоживание гидроокиси алюминия (кальцинация) - завершающая стадия производства глинозема. Её проводят в трубчатых вращающихся печах длиной 50 … 70 м и диаметром около 4 м. Печь расположена с наклоном. С высокой стороны в печь поступает сырье и, проходя по всей её длине, обезвоживается топочными газами, идущими навстречу. При 40 … 200 °С материал высушивается. При 200 … 1250 °С из него удаляется гидратная вода и образуется безводная окись алюминия.

2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O.

В конце печи (зоне охлаждения) температура полученного глинозёма снижается до 60 … 70 °С, и его выгружают из печи (через 1,5 часа после начала процесса кальцинации). Глинозём по трубопроводу передаётся для хранения в цех электролиза.

Вышеописанная технология позволяет получить чистый глинозём (примеси составляют не более 0,4 … 0,66%).

Следующий этап технологического процесса производства алюминия заключается в электролизе глинозема.

Электролиз глинозёма производят в жидком криолите (3NaF×AlF 3 или Na 3 AlF 6) в электролизере (рис. 1.17). Катодное устройство электролизёра 1 представляет собой ванну в стальном кожухе, футерованную изнутри угольными блоками. К угольной подине ванны подключены медные шины для подвода электрического тока.

Анодное устройство 2 представляет собой вертикально установленный угольный блок. Нижняя его часть погружена в электролит. К электролизеру подводится постоянный электрический ток силой 70 …75 кА и напряжением 4 … 4,5 В. Ток используется как в процессе электролиза, так и для разогрева электролита до температуры 1000 ºС.

Электролит состоит из расплава криолита, в котором содержится 8 … 10% глинозёма.

В процессе работы в результате разложения глинозема на подине ванны под электролитом собирается жидкий алюминий. Его называют сырцом из-за большого содержания примесей.

Завершающий этап процесса – рафинирование алюминия. Операция заключается в продувке расплава алюминия хлором. При этом образуется парообразный хлористый алюминий. Пузырьки образующихся газов адсорбируют на своей поверхности атомы примесей и выносят их на поверхность ванны металла.

После рафинирования жидкий алюминий отстаивают – выдерживают в ковше или электропечи в течении 30 … 45 мин. В результате чистота алюминия достигает 99,5 … 99,85%. Полученный алюминий разливают в изложницы и получают в итоге слитки.

Описанная выше технология требует большого количества электроэнергии. Расход энергии на 1 т металла составляет 10000 … 12000 квт-ч.

ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ

Магний широко используется в металлургии при производстве чугуна, стали и цветных металлов. В технике магний применяется в виде сплавов в авиационной и автомобильной промышленности.

Магний как металл достаточно широко распространен в природе. Его содержание в земной коре составляет около 2,3%. Встречается магний в виде следующих минералов, которые и являются сырьем для его производства: магнезит – природный карбонат магния (МaСО 3), содержащий 28,8% Mg; доломит – двойной карбонат магния и кальция (MgCO 3 ×СаСО 3), содержащий 13,2% Mg; карналлит – двойной хлорид магния и калия (MgCl 2 ×KCl ×6H 2 O), содержащий 8,8% Mg, и бишофит – шестиводный хлорид магния (MgCl 2 × 6Н 2 О), растворенный в морской воде и воде соленых озер.

Независимо от вида исходного сырья процесс получения магния можно разбить на три периода: подготовка сырья, получение из него магния и рафинирование. В зависимости от типа сырья магний получают термическим и электролитическим способами. Последний применяется наиболее часто.

Основным сырьем для получения магния в нашей стране является карналлит. Последовательность процесса получения магния следующая (рис. 1.18).

Обогащение карналлита. Руду измельчают, после чего обрабатывают горячей водой (T = 110 … 120 °С). При этом MgCl 2 и KCl переходят в раствор, а нерастворимые примеси после выпадения в осадок удаляются. Далее раствор охлаждают в вакуум-кристаллизаторах до нормальной температуры, в результате чего из него выпадают кристаллы так называемого искусственного карналлита MgCl 2 ×KCl×6H 2 O, которые при фильтровании отделяют. Полученный карналлит имеет примерно следующий состав: 32% MgCl 2 ; 26% KCl, 5% NaCl и 37% H 2 O.

Обезвоживание карналлита осуществляют в две стадии. Первая стадия процесса – в кипящем слое печи. Процесс осуществляют в наклонной печи шахтного типа. Обезвоживание карналлита происходит горячим газом, поступающим в печь через большое количество отверстий в подине. Давлением газа порошкообразный карналлит интенсивно перемешивается и переносится вдоль пода вплоть до выходного окна. Такое движение создает впечатление кипения. Карналлит при этом нагревается до температуры 200 … 210 °С, обезвоживается до 3 … 4% остаточной влаги, а затем направляется на вторую стадию обезвоживания.

На этой стадии получение безводного карналлита осуществляют расплавлением его в камерной электрической плавильной печи, а затем и в подогреваемом миксере. Камерная электрическая печь и миксер представляют собой электрические печи сопротивления, в которых нагревательными элементами служит расплавленный карналлит. В плавильной печи температура карналлита достигает 520 … 550 °С. В миксере температуру расплава поднимают до 840 … 860 °С. В результате происходит полное обезвоживание карналлита, при этом часть примесей выпадает в осадок.

Электролитическое получение магния осуществляют в электролизере. Он представляет собой стальную ванну, футерованную огнеупорным кирпичом. Ванну электролизёра заполняют расплавленным электролитом (расплав обезвоженного карналлита и возвратный хлористый магний). Температуру электролита поддерживают в пределах 720 °С. Электролизёр оснащен графитовым анодом, установленным между двумя стальными катодами. Сверху ванна закрыта хлороулавливателем и полностью изолирована от сообщения с атмосферой. Так как электролит содержит соли MgCl 2 , KCl, NaCl и примеси других солей и окислов, то электролитическое разложение хлористого магния обеспечивается пропусканием через электролит электрического ток требуемого напряжения (2,7 … 2,8 В), ток 30 … 70 кА. Напряжение, при котором происходит разложение других соединений, содержащихся в электролите, выше, чем для хлористого магния.

В результате работы установки на аноде образуются пузырьки хлора, которые выделяются из электролита и тут же отсасываются из электролизёра. На рабочей поверхности катодов выделяются капельки металлического магния. Магний легче электролита, поэтому он всплывает на поверхность, откуда периодически удаляется вакуумными ковшами. На дно ванны осаждается шлам, содержащий окись магния и частично восстановленное железо. Шлам и отработанный электролит удаляют вакуумными насосами. В результате электролиза получают магний-сырец, содержащий до 2 … 3% примесей (окись магния, нитрид и силицид магния и т.п.)

Рафинирование магния-сырца, извлечённого из электролизёра, проводят с целью удаления примесей электролита. Рафинирование заключается в переплавке полученного магния с флюсом. Для этого магний заливают в стальной тигель и перемешивают с флюсом (борной кислотой и др.). Тигель устанавливают в электропечь и нагревают до 710 … 720 °С в течение 0,5 … 1 ч. В процессе отстаивания примеси растворяются во флюсе, всплывают и образуют шлак. После этого магний разливают в изложницы и получают слитки, чистотой 99,9%. Более глубокую очистку магния можно осуществить путем его сублимации (возгонки) в вакууме.

ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА

Титан считается широко распространенным в природе металлом, так как содержание его в земной коре составляет 0,6%. Уникальное сочетание свойств титана и его сплавов, таких как высокая прочность, коррозионная и химическая стойкость, малый удельный вес, высокая температура плавления используется в авиа- и судостроении, космической технике, химической промышленности и т.д.

Рудами, служащими сырьем для получения титана, в настоящее время являются ильменит FeO × TiO 2 и рутил TiO 2 .

Известно несколько способов получения титана из руд. Схема одного из наиболее распространенных технологических процессов, исходным продуктом в которой является ильменит, приведена на рис. 1.19. Технологическая схема процесса включает следующие этапы: выделение концентрата из руды, получение двуокиси титана, получение четыреххлористого титана, восстановление титана с получением губчатого металла, рафинирование его и переплавка титановой губки в слитки.

Перед выделением концентрата из руд их дробят, и в связи с низким содержанием нужного компонента, обогащают. Титановые руды легко обогащаются флотацией, гравитацией и т.д. В результате получают ильменитовый концентрат, с содержанием двуокиси титана до 40 … 45%.

Получение концентрированной двуокиси титана достигается отделением окислов железа и пустой породы, содержание которых в ильменитовом концентрате составляет более 40%. Для этого концентрат смешивают с углем, загружают в пламенные отражательные или электрические печи и нагревают до температуры плавления чугуна (~1200 °С). В результате железо из оксидов восстанавливается, а после его науглероживания углем на подине печи образуется чугун.

FeO×TiO 2 + С = Fe + TiO 2 + СО.

Оксиды титана переходят в шлак, всплывающий на поверхность ванны расплавленного чугуна. Чугун и шлак выпускают из печи и раздельно разливают в изложницы. Титановый шлак, имеющий характерный белый цвет, содержит до 90% двуокиси титана, а также примеси- окислы железа, кремния, алюминия и др. Побочным продуктом процесса является чугун.

Четыреххлористый титан получают хлорированием титанового шлака. Для этого его измельчают, смешивают с углем, каменноугольной смолой (связующее) и прессуют в брикеты. Брикеты прокаливают при температуре 800 °С без доступа воздуха, а затем подвергают хлорированию в специальных печах – шахтных хлораторах. Процесс осуществляют при высокой температуре (800 … 1250 °С). В присутствии углерода хлор вступает в реакцию с двуокисью титана по реакции:

TiO 2 + 2Cl 2 + C = TiCl 4 + CO 2 .

Четыреххлористый титан, представляет собой бурую жидкость с температурой кипения 1300 °С. Вместе с ним образуются хлористые соединения элементов, входящих в состав шлака в виде примесей (FeCl 4 , AlCl 3 и др.). Разделение хлоридов осуществляют по принципу ректификации. Для этого пары смеси хлоридов пропускают через систему конденсационных установок, в которых поддерживается температура более низкая, чем температура кипения соответствующего хлорида.

Восстановление титана из хлористого соединения осуществляется чаще всего магнийтермическим методом. Процесс осуществляют в реакторах при температуре 950 … 1000 °С в атмосфере аргона. Реактор представляет собой стальную реторту диаметром и высотой несколько метров. В реактор загружают магний и подают четыреххлористый титан. В результате их взаимодействия образуется металлический титан, твердые частицы которого спекаются в пористую массу- губку.

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .

Побочный продукт процесса – хлористый магний периодически сливается из реактора через летку и направляется на переработку (электролиз). Полученная губка титана в своих порах содержит в качестве примесей до 35 … 40% магния и хлористого магния.

Рафинирование титана с целью очистки его от примесей осуществляют методом вакуумной дистиляции – выдержкой при температуре 900 … 950 °С в вакууме (при остаточном давлении воздуха 0,1 Па). При этом примеси либо расплавляются, либо испаряются.

Переплавка титановой губки в слитки осуществляется методом вакуумно-дугового переплава. Для этого из губки прессованием изготавливают расходуемый электрод и осуществляют переплав его в вакууме на установке, аналогичной рассмотренной ранее в разделе рафинирования стали. Чистота полученных слитков титана составляет 99,6 … 99,7%.

Вопросы для текущего контроля знаний по разделу

1. Какие материалы, применяемые в машино- и приборостроении вы знаете?

2. Что представляют собой черные сплавы, какие черные сплавы вы знаете?

3. Что такое цветные сплавы, какие цветные сплавы вы знаете?

4. Какие неметаллические материалы вы знаете?

5. Что такое металлургическое производство, каковы его задачи?

6. Какие виды продукции выпускает черная металлургия?

7. Какие материалы являются исходными при производстве чугуна?

8. Что в металлургии называют шихтой?

9. Как устроена и работает доменная печь?

10. Какие недостатки способа получения железоуглеродистых сплавов в доменной печи вы знаете?

11. Что является сырьем при производстве стали?

12. Какова последовательность протекания физико-химических реакций в сталеплавильной печи?

13. Какие этапы технологического процесса выплавки стали в металлургической печи вы знаете?

14. Какова сущность способа производства стали в кислородном конвертере, как устроен и работает кислородный конвертер?

15. Перечислите достоинства и недостатки способа производства стали в кислородном конвертере?

16. Как осуществляют выплавку стали в мартеновской печи?

17. Расскажите, как устроена и работает мартеновская печь?

18. На какие периоды делится процесса плавки в мартеновской печи?

19. Каковы достоинства и недостатки мартеновской печи?

20. Какие электропечи, предназначенные для выплавки стали вы знаете?

21. Что является источником тепла в дуговой электрической печи?

22. Как устроена и работает дуговая электропечь для выплавки стали?

23. Каковы достоинства и недостатки дуговой электрической печи?

24. Что является источником тепла в индукционной электрической печи?

25. На каком принципе построена работа индукционных электрических печей для выплавки стали?

26. Как устроена и работает индукционная электрическая печь?

27. Назовите преимущества и недостатки индукционной печи?

28. Какие способы прямого восстановления железа из руд вы знаете?

29. Расскажите о методе внедоменного получения железа, реализованном на Оскольском металлургическом комбинате?

30. Каким образом в сталь попадают примеси?

31. Какие методы повышения качества стали вы знаете?

32. В чем заключается метод рафинирующей обработки стали синтетическими шлаками?

33. В чем заключается метод вакуумной дегазации стали при рафинирующей ее обработке?

34. Как осуществляется электрошлаковый переплав при рафинировании стали?

35. В чем состоит сущность способа вакуумно-дугового переплава и как он влияет на качество стали?

36. Какие методы разливки стали вы знаете?

37. Какая оснастка используется для разливки стали?

38. Как осуществляется разливка стали при заполнении изложниц сверху, какие преимущества и недостатки имеет этот метод?

39. Что представляет собой метод разливки стали сифоном, какие преимущества и недостатки он имеет?

40. Каким образом разливают сталь на машинах для непрерывной разливки, какие преимущества и недостатки он имеет?

41. Какие основные виды продукции цветной металлургии вы знаете?

42. Как в настоящее время осуществляют производство меди?

43. Расскажите о технологическом процессе производства алюминия?

44. В какой последовательности выполняют операции при производстве магния?

45. Как выглядит наиболее распространная в настоящее время схема технологического процесса производства титана?

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.

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

Металлургия подразделяется на чёрную и цветную.

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

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

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

Добывающая металлургия

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

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

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

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

Чёрная металлургия

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

В состав чёрной металлургии входят следующие основные подотрасли:

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

Металлургический цикл

Собственно металлургическим циклом является производство

1) чугунно-доменное производство,

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

3) проката (прокатное производство).

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

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

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

Цветная металлургия

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

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

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

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

Тяжёлые металлы

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

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

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

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

Лёгкие металлы

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

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

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

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

Сплавы

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

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

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

Виды сплавов

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

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

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

Свойства сплавов

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

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

Стали
чугуны
дюралюминий

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

Бронзы
латуни

Для заливки подшипников:

Баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

Манганин
нихром

Для изготовления режущих инструментов:

Победит

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