Сущность и значение металлургического комплекса. Металлургия (Metallurgy) - это
Слово «металлургия» свои истоки берет из древнегреческого языка, там «μεταλλουργέω» означает в буквальном смысле «добывать руду» или «обрабатывать металлы». Это некая область науки и техники, которая описывает процессы получения металла из руд или различных материалов. Кроме этого, в процессе обработки изменяется химический состав веществ их структура и свойства. Сегодня этими словами называют отрасль промышленности, но раньше это было искусство по извлечению металла из руды.
Современное понятие металлургии обширное, к ней можно отнести:
Производство металлов на основе (руды) и других материалов;
производство сплавов;
горячая и холодная обработка металлов;
сварка;
область науки, которая занимается изучением физических и химических свойств металлов и сплавов;
производство оборудования и машин для металлургической промышленности.
Коксохимическая промышленность и производство являются отраслями металлургии.
Виды металлургии
Изначально металлургия, по сырьевому признаку, делится на: черную и . К первому виду относят железо и его сплавы, сюда входит: добыча черной руды, обогащение, производство и прокат , и .
Ко второму виду относят, соответственно, цветные металлы: их добычу, обогащение руд, производство металлов и сплавов. Цветные металлы бывают тяжелые (Cu, Zn, Pb, Ni, Sn) и легкие (Al, Ti, Mg).
Кроме сырьевого признака, металлургию можно разделить по технологическому процессу:
1. Пирометаллургия - это такие процессы как обжиг или плавка, которые протекают при высоких температурах. К подвиду подобной металлургии относят плазменную.
2. Гидрометаллургия – абсолютно противоположный процесс, при котором из руд извлекают металл с помощью воды или химических реактивов на ее основе, такой процесс называется «выщелачивание».
Научный прогресс не стоит на месте, в мировой практике в металлургии применяют даже микроорганизмы, биотехнологии. К таким процессам можно отнести: биовыщелачивание, биоокисление и другие. На сегодня таким способом извлекают некоторые цветные металлы (Cu, Au, Zn, Ni, U). Однако, наиболее важным применением биотехнологий является процесс очищения сточных вод на производстве.
Производство металлов и их потребление
Области применения
Немногие ценные металлы содержатся в земной коре в достаточном количестве. Например: Al – 8,9 %, Fe – 4,65 %, Mg – 2,1 %, Ti – 0,63 %. Можно заметить, что чем благороднее металл, тем его меньше содержится в природе.
Потребность и производство металлов с каждым годом растет. Если рассматривать период 20-ти прошедших лет, можно заметить, что потребление (около 0,8 млрд. тонн) и металлофонд (восемь млрд. тон) увеличились.
Конструкции из металла стали наиболее популярными, сферы потребления расширились потому, что данный материал обладает хорошими свойствами, а производство экономически выгодно. 72 – 74 % ВНП многих государств составляет производство, основанное на применение черных и цветных металлов.
750 млн. тонн из 800 млн. тонн, что соответствует 90 % ежегодного потребления металлов, приходится на сталь. Значительно меньше потребляется – 3 %, – 1,5 %, - около 5,5 тонн, - около 4,5 тонн.
США, Великобритания, Франция, Италия производят и потребляют львиную долю всех металлов.
Различные металлы обладают индивидуальным набором физических свойств, характерных только им. Благодаря таким свойствам, как твердость, плотность, электропроводность, температура плавления, внешний вид и другие, область их применения достаточно широка.
Высокой твердостью и прочностью обладает железо, в строительной сфере это незаменимые и ценные показатели.
Из алюминия легко сковать нужную вещь, он отлично проводит тепло и при низкой температуре сохраняет высокую прочность. Поэтому его широко применяют для производства посуды, фольги, даже в самолетостроении.
Пластичная медь обладает хорошей электропроводностью, в связи с этим из нее изготавливают электрические кабеля и применяют в энергетическом машиностроении.
Такой дорогой материал, как золото и серебро обладает хорошей тягучестью, вязкостью и инертностью, что помимо ювелирного дела, позволяет применять его при изготовлении неокисляемых электрических соединений.
Применение сплавов
Металлы редко применяют в чистом виде, чаще всего используют сплавы, которые обладают лучшими показателями и характерными свойствами. В производстве популярными являются следующие сплавы: , алюминиевые, железные, медные, магниевые, цинковые. Если необходимо использовать дешевый материал, с высоким показателем прочности, то применяют углеродистую сталь.
Кардинально отличается от предшествующих выше способов производства – порошковая металлурги. Основная идея заключается в том, что металл используют в виде порошка, размер частиц 0,1 – 0,5 мкм. Частицы черных металлов спрессовывают между собой, и после этого спекают. Таким образом, образуется плотная однородная масса.
Цветная металлургия
Для цветной металлургии характерны разнообразные способы производства. Основных два:
1. Пирометаллургический, он более распространенный в получении многих металлов. Проводится он за счет плавки металлов, восстановительной или окислительной. В данном процессе источник тепла – сера, которая содержится в самой руде. Ее же используют и как химический реактив.
2. Гидрометаллургический, основан на процессе выщелачивания, путем перевода их в растворимые соединения.
Кроме этих двух видов, применяют электролитические процессы. За основу берут водные растворы или расплавленные среды.
Реже применяется металлотермический процесс. В ходе данного способа используют другие металлы, которые в большей степени схожи с кислородом, и на их основе восстанавливают необходимый металл. Существует и ряд других способов, но они не столь распространены: химико-термические, цианирование, хлорид-возгонка.
Как производят медь
Существует 2 способа получения меди, ее получают из руды и концентратов:
1. Гидрометаллургический, малораспространенный способ. В исключительных случаях его применяют, например, если требуется переработать окисленные или самородные руды. Недостатком этого метода является отсутствие возможности попутно извлекать драгоценные металлы.
2. Пирометаллургический, наоборот, делает эту операцию доступной, поэтому его применение более целесообразно. 85-90 % меди производят именно этим способом, получая медь из сульфидной руды. Это довольно сложный процесс, он включает в себя несколько стадий. Основными являются следующие: подготовительный этап, плавка или выплавка медного штейна, получение черной меди за счет конвертирования штейна, рафинирование, производство металла. в первоначальный подготовительный этап входит: обогащение и если требуется обжиг металла. Рафинирование проходит в 2 этапа, первый – огневой, второй – электролитический.
Электролизные ванны на норвежском алюминиевом заводе в городе Мушёэн компании Алкоа
Алюминиевая промышленность
Электролитическим способом получает алюминий, есть и другие способы, но на сегодня он является более современным.
Состоит из двух этапов:
1. Получают глинозем (Аl 2 O 3), основным сырьем является ,
2. Получают жидкий алюминий. Полученный на первом этапе глинозем путем электролиза выдает в результате – жидкий алюминий.
В мире глинозем на основании способа Байера, получают из бокситов. Байер – австрийский инженер, работал в России. Кроме этого способа, есть и другой способ – получение глинозема из бокситов и нефелинов, то есть способ спекания. Это щелочные методы, за счет которых выделяют . Дальше растворяют его в электролите и путем электролиза получают алюминий. Электролит состоит из нескольких компонентов, основной – криолит. В идеале Na 3 AlF 6 (3NaF AlF 3) в соотношение с NaF: AlF 3 равно 3:1. На электроэнергии можно сэкономить, так как для данного процесса достаточно соотношения 2,6-2,8:1. Для получения такой пропорции, к криолиту добавляется алюминий. Можно также понизить температуру плавления, достаточно в электролит добавлять в небольших количествах CaF 2 , MgF 2 и NaCl. Для промышленного электролита основные компоненты должны быть следующими: Na 3 AlF 6 - 75-90 %; AlF 3 - 5-12 %; MgF 2 - 2-5 %; CaF 2 - 2-4 %; Al 2 O 3 - 2-10 %. При несоблюдении данного соотношения меняются свойства электролита, например, Аl 2 О 3 повысили на более 10 %, сразу же увеличится тугоплавкость. Если снизить содержание ниже 1,3 %, то автоматически режим электролиза нарушается.
Когда из электронной ванны извлекается алюминий, то его называют алюминием-сырцом. Такой элемент содержит в себе металлические и неметаллические примеси, газы. К последним относят: водород, азот, серный и прочие газы. Металлический состав алюминием-сырцом состоит из: Fe, Si, Cu, Zn и прочее. Глинозем, частички футеровок, электролиты, при увлечении их частиц механически, будут относиться к неметаллическим смесям. Могут подвергнуть алюминий и хлорированию, это необходимо для очистки. Очищать металл необходимо от газов Na, Ca, Mg, примесей.
После всех процедур алюминий заливается в электрические печи, которые так же выполняют функцию миксера. Возможно помещение в , алюминий отстаивается 30-45 минут. После данной процедуры, произойдет полная очистка металла от газовых, неметаллических составляющих. Разлитый в разные ванны алюминий соединяют. После этого его разольют на конвейер, получится чушка. На некоторых производствах стоят установки непрерывного литья, тогда алюминий сливают в слитки и получают прокатки. Чистота подобного алюминия выше 99,8 %.
Какими способами производят другие цветные металлы
К другим цветным металлам можно отнести: свинца, олова, цинка, вольфрама и молибдена. Для их производства используют некоторые вышеуказанные способы и методы производства. В целом суть процесса сохраняется, различны реагенты и агрегаты, существуют особенности производства.
К металлургии примыкает разработка,
произ-во, эксплуатация машин, аппаратуры, агрегатов, используемых в метал-лургич.
пром-сти.
Для изучения закономерностей
процессов концентриро-вания, извлечения, получения, и
, а также процессов, связанных с изменением состава, структуры и св-в
и материалов, полуфабрикатов и изделий из них в металлургии используют физ.,
хим., физ.-хим. и мат. методы исследования.
М
еталлургия подразделяют на черную
и цветную. Черная металлургия охватывает произ-во чугуна, стали и (см. ). С металлургией тесно связаны , произ-во . К черной металлургии относят также произ-во проката, стальных, чугунных
и др. изделий (на долю черных приходится ~ 95% всей производимой в
мире металлопродукции). В 70-е гг. определилась тенденция замены черных
и , а также композиционными, полимерными, керамич. материалами,
что вместе с высоким качеством выпускаемых и низкой металлоемкостью
продукции в промыш-ленно развитых капиталистич. странах привело к снижению объема
произ-ва черных в этих странах (табл. 1).
Табл.1.-ПРОИЗВОДСТВО
СТАЛИ И ЧУГУНА В РЯДЕ СТРАН, МЛН.Т
* Данные за 1985. ** Данные
за 1982.
Напр., в СССР в 1988 потребление
стали и составило соотв. 160 и 6 млн. т, в то время как в США-100
и 28 млн. т.
Ц в е т н а я металлургия включает
произ-во и обработку цветных и и их . Попутно пром-сть
цветной
металлургии производит
разл. хим. соед., материалы, минер. и др. Металлургии, процессы применяют
также для произ-ва (Si, Ge, Se, Те, As, Р и др.),
радиоактивных . Современная металлургия охватывает процессы получения мн. элементов
периодич. системы (кроме газообразных). Объемы произ-ва (1987) нек-рых (тыс. т): США-Аl 3200, Сu 1560, Zn 260, Pb 330 ( в добытой );
Япония-Аl 41, Сu 980, Zn 666, Pb 268; ФРГ-Аl 737,7, Сu 421,2 (1986), Zn 370,9
(1986), Pb 366,6 (1986).
Совр. металлургич. произ-во
включает след. технол. операции: подготовку и обогащение ; гидрометаллургич.
(см. ), пирометаллургич. (см. , ),
электротермич. и электролитич. процессы извлечения и ;
получение изделий (см. , );
хим. и физ. методы ; плавку и разливку и
; обработку (прокат, штамповка и т.д.); термич., термомех.,
химико-термич. и др. виды обработки для придания им требуемых св-в
и др.; процессы нанесения защитных и упрочняющих покрытий (на и
на изделия).
В обогатит. технологии
наиб. распространение получили флотац., гравитац., магн. и электростатич. методы
обогащения (см. , ). Флотац. процессы
применяют для обогащения более чем 90% цветных и . Полученные
после обогащения концентраты подвергают , усреднению состава,
и окускованию (агломерация, окатывание, брикетирование), для того чтобы повысить
их реакц. способность и производительность их послед. передела.
В результате пирометаллургич.
процессов (включают , и др.) происходит концентриро-вание
и удаление примесей в образующиеся фазы (парогазовая фаза, металлич.
и шлаковые , штейн и твердые в-ва). После разделения фазы направляются
на переработку для дальнейшего извлечения ценных составляющих. Для интенсификации
металлургич. процессов (в конвертерах и ) вводят газообразные О 2 ,
Сl 2 и др. . В качестве применяют С, СО,
Н 2 и активные . Распространенные восстановит. процессы-доменная
плавка, выплавка вторичной Сu, Sn и Pb в шахтных , произ-во
и титанового шлака в рудовосстановит. электропечах, магнийтер-мич.
TiCl 4 с получением металлич. Ti. Окислит. получило
развитие в мартеновском и конвертерном произ-вах стали, при получении анодной
Сu и в технологии Pb. Для извлечения и нашли применение
технол. процессы с использованием , и , а
также , вакуумная и и др. Получили
развитие внепечные методы стали, процессы в и среде Аr
в технологии высокореакционноспособных (Ti, Zr, Nb и др.).
Произ-во изделий с особыми
св-вами и высоким качеством осуществляют методами , что позволяет
достигать более высоких технико-экономич. показателей по сравнению с традиц.
способами. Для получения высокочистых и
применяют , вытягиванием из
и др. способы. Осн. направление техн. прогресса в области получения отливок
из расплавл.
и сплавов-это переход к непрерывной разливке стали и и к совмещению
процессов литья и обработки (бесслитковая прокатка Аl, Сu,
Zn и др.).
Обработка ,
кузнечно-штамповочное произ-во и прессование - важнейшие технол. процессы на
металлургич. и машиностроит. предприятиях. Прокатка-осн. способ обработки
и . Она осуществляется на прокатных станах - мощных высокоавтоматизир.
агрегатах производительностью неск. млн. т проката в год. Прокаткой производят
листовой и сортовой , биметаллы, трубы, гнутые и периодич. профили и др.
виды изделий. Проволоку получают волочением.
Термич. обработка включает
закалку, и отпуск . Кроме обработки готовых деталей на машиностроит.
предприятиях, термообработке подвергают мн. виды продукции на металлургич. заводах
- стальные рельсы (объемная закалка или закалка головки), толстые листы и арматурные
стали, тонкие листы из трансформаторной стали и др. Большое значение в металлургии имеют
процессы химико-термической обработки и нанесение на разл. защитных
покрытий, напр. оцинкование, лужение (см. ), нанесение
и др.
Современная металлургия характеризуется
значит. выбросами в (табл. 2,3), в СССР-также незначит. применением
непрерывной разливки стали, низким возвратом на повторное использование,
низким комплексным использованием сырья и абс. преобладанием в балансе
сталей (95%).
Табл. 2.-ВЫБРОСЫ (Т/СУТ
НА 1 МЛН. ВЫПЛАВЛЯЕМОЙ СТАЛИ В
ГОД) В ОСНОВНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОИЗВОДСТВ В СССР
В СССР в 50-е гг. впервые
в мире был разработан метод непрерывной разливки стали, резко снижающий потери
в процессе произ-ва. В 1986 этим способом разливали в СССР 14% выплавляемой
стали, в Японии-92,7, ФРГ-84,6, Юж. Корее-71,19, США-53,4%. Мн. страны, в т.
ч. Япония, ФРГ и др., полностью отказались от экологически вредного мартеновского
произ-ва стали; осн. методы получения стали в капиталистич. странах - кислородно-конвертерный
и электросталеплавильный. В СССР значит. кол-ва стали производят мартеновским
способом.
В СССР в 1986 произведено
161 млн. т стали, из них получено готового проката 112 млн. т; т. обр., потери
составляют 49 млн. т (30,4%). В США те же потери составляют 18,4%, ФРГ-9,4%,
Юж. Корее-1%. Возврат (%) на повторное использование (
) оценивается в среднем в мире: Аl 11,7, Сu 40,9, Аu 15,9, Fe 27,9,
Pb 40, Hg 20,6, Ni 19,1, Ag 47,2, Sn 20,4, Zn 27.
Осн. пути развития и совершенствования
металлургии-комплексное использование сырья, снижение расхода сырья, энергозатрат и металлоемкости
на единицу металлопродукции, обеспечение прироста проката черных без
увеличения их произ-ва, создание экологически чистых технол. процессов.
Сведение кол-ва отходов к минимуму ()не м. б. осуществлено в пределах только металлургич. отраслей, а требует межотраслевой кооперации (замкнутое произ-во) и новой концепции организации произ-ва-"процессы к сырью" (т.е. в места богатые разд и др. прир. ресурсами) в отличие от применяемой ныне в СССР практики - "сырье к процессам". Впервые экологии, концепция организации про-из-ва была высказана академиком А. Е. Ферсманом в 1932. Переход к такому произ-ву (процессы к сырью) позволит повысить комплексное использование сырья и отходов произ-ва (воспроизводство сырья), обеспечить , создавать металлич. материалы с учетом ресурсосбережения и распространенности в природе, организовать замкнутые технол. (химико-металлур-гич.) комплексы в регионах с большой месторождений различной технологической ориентации (напр., Кольский п-ов, Норильский регион). В пределах замкнутого производства м. б. решены задачи обеспечения производства сырьем, конструкционными материалами и обеспечена защита
Металлургическая промышленность - отрасль тяжелой промышленности, производящая разнообразные металлы. Она включает две отрасли: черную и цветную металлургию.
Черная металлургия
Черная металлургия - одна из главных базовых отраслей промышленности. Значение ее определяется прежде всего тем, что стальной прокат является главным конструкционным материалом.
Особенности размещения черной металлургии изменяются со временем. Так география черной металлургии исторически сложилась под влиянием двух типов ориентации: на каменноугольные бассейны (так возникли главные металлургические базы в США, Европе, России, Украине, Китае) и на железнорудные бассейны. Но в эпоху научно-технической революции происходит общее ослабление прежней топливно-сырьевой ориентации и усиление ориентации на грузопотоки коксующегося каменного угля и железной руды (в результате черная металлургия Японии, стран Западной Европы начали тяготеть к морским портам) и ориентации на потребителя. Поэтому наблюдается уменьшение размеров строящихся комбинатов и более свободное их размещение.
Оценка общегеологических запасов железной руды позволяет говорить о том, что наиболее богаты железной рудой страны СНГ, на втором месте Зарубежная Азия, где особенно выделяются ресурсы Китая и Индии, на третьем - Латинская Америка с огромными запасами Бразилии, на четвертом - Африка, где большими запасами обладают ЮАР, Алжир, Ливия, Мавритания, Либерия, на пятом - Северная Америка, на шестом - Австралия. Мировое производство железной руды в 1990 году впервые достигло уровня в 1 млрд т, но при этом суммарная добыча только стран СНГ, Китая, Бразилии, Австралии составляет 2/3 общемировой. Причем, если 30 - 40 лет назад почти вся добыча была сосредоточена в экономически развитых странах, то сейчас отрасль быстрее растет в развивающихся странах. Бразилия и Республика Корея, например, стали обгонять по выплавке стали Великобританию и Францию.
Главными странами - экспортерами железной руды являются Бразилия, Австралия, Индия, причем на первые две из них приходится 1/2 всего мирового экспорта.
Основные импортеры железной руды - страны ЕС, Япония, Республика Корея.
Главными странами-производителями стали в мире сейчас являются Япония, Россия, США, Китай, Украина, Германия.
Цветная металлургия
Цветная металлургия - по размерам производства уступает черной примерно в 20 раз. Она также относится к числу старых отраслей промышленности, и с началом научно-технической революции испытала большое обновление, прежде всего в структуре производства. Так, если до второй мировой войны преобладала выплавка тяжелых цветных металлов - меди, свинца, цинка, олова, то в 60-70-е годы на первое место выдвинулся алюминий, а также стало расширяться производство «металлов XX века» - кобальта, титана, лития, бериллия и др. Сейчас цветная металлургия обеспечивает потребности примерно в 70 различных металлах.
Размещение предприятий отрасли складывается из того, что металлургия тяжелых, цветных, легирующих и благородных металлов, в руде которых обычно низке содержание полезного компонента, обычно тяготеет к странам и районам их добычи. Этим, в частности, объясняется то, что в ряде стран Азии, Африки, Латинской Америки отрасль возникла еще в колониальный период. Правда в этих странах сложились, в основном, нижние стадии производственного процесса, а верхние - в США, Западной Европе, Японии.
В середине XX века все большая ориентация стран Запада на сырье из развивающихся стран привела к перемещению предприятий к морским побережьям. После кризисов 70-х годов выплавка цветных металлов в странах Запада стала сокращаться, и большую роль стало играть вторичное сырье. Усилилась потребительская ориентация отрасли. Новые производственные мощности в сфере этих экологически «грязных производств» в основном возникают в развивающихся странах. Между производством и потреблением конечной продукции сохраняется территориальный разрыв, т. к. основная часть тяжелых цветных металлов, производимых в странах Азии, Африки, Латинской Америки потребляется в странах Запада.
Для подтверждения сказанного можно отметить, например, соотношение развитых и развивающихся стран в запасах медной руды составляет 30:70, в производстве медных концентратов 40:60, а в потреблении рафинированной меди: 85:15. По размерам добычи меди выделяются США. Канада, Чили, Замбия, Перу, Австралия. Главные страны экспортеры - рафинированной меди - Чили, Замбия, Заир, Перу, Филиппины.
Первая 10 стран по выплавке рафинированной меди - США, Чили, Япония, Канада, Замбия, Германия, Бельгия, Австралия, Перу, Респубпика Корея.
В отличие от тяжелых, руды легких цветных металлов, прежде всего алюминия, по содержанию полезного компонента напоминают железную руду и вполне транспортабельны, поэтому вполне рентабельно перевозить их на далекие расстояния. На экспорт идет 1/3 бокситов, добываемых в мире, а среднее расстояние их морских перевозок превышает 7 тыс. км. Это объясняется тем, что около 85% мировых запасов бокситов связаны своим происхождением с распространенной в тропиках и субтропиках корой выветривания. Вот почему запасы бокситов очень невелики или вообще отсутствуют в большинстве стран Западной Европы, Японии, Канаде, а так же в США. Всем им приходится ориентироваться прежде всего на импортное сырье.
По добыче бокситов выделяются Австралия, Гвинея, Ямайка, Бразилия. Китай, Индия, Суринам, причем первая «тройка» дает 70% всей добычи.
По выплавке алюминия лидируют США, Япония, Россия, Германия, Канада, Норвегия, Франция, Италия, Великобритания, Австралия.
Как черная, так и цветная металлургия сильно загрязняют окружающую среду, поэтому в последние десятилетия наметилась тенденция к переносу предприятий в развивающиеся страны, в связи с усилением природоохранительной политики в экономически развитых странах Запада.
Базовой отраслью промышленности РФ, которая определяет жизнеспособность экономики, является металлургическая промышленность . Кроме этого это одна из ключевых направлений развития экономики страны, так как ее доля в ВВП составляет 5%.
Определение 1
Металлургическая промышленность – это отрасль тяжелой промышленности, которая включает в себя процессы изготовления металлов из руд или других материалов, а также металлических сплавов.
В структуру металлургической промышленности входят следующие процессы: непосредственное производство металлов; горячая и холодная обработка металлических изделий; сварка; нанесение металлических покрытий.
Сама процедура изготовления металлических изделий состоит из трех этапов: добыча и подготовка руды; переплавка; использование и утилизация.
В процессе производства металлов используется различное сырье. В зависимости от того, какое именно сырье применяется, выделяют черную и цветную металлургическую промышленность. К первой категории относятся металлы, в состав которых входят железо, марганец и хром. К другой группе – все остальные металлы.
Определение 2
Под черной металлургической промышленностью понимается извлечение из недр земли и последующая обработка руд черных металлов, а также сталелитейное и чугунолитейное производства, прокат заготовок и изготовление сплавов из железа.
Продукция, которая производится на металлургических комбинатах является: основной (или конечным продуктом); побочной (или той, что появляется при изготовлении основных изделий); попутной (или той продукцией, которая остается после производства основной и побочной продукции и может применяться как вторичное сырье).
Основной продукцией черной металлургической промышленности считается металлопрокат, чугун, метизы и др.
Если сравнивать черную с цветной металлургией, то при производстве цветных металлических изделий затрачивается много энергии. Это объясняется низким содержанием полезных веществ в цветных металлах и большими объемами отходов, которые требуют определенных способов утилизации.
Основными видами цветных изделий являются сортовый и листовой прокат.
Факторы размещения черной и цветной металлургии
Если рассматривать общие факторы размещения отраслей металлургиечкой промышленности, то выделяют три типа металлургических баз в России:
- база, которая работает с собственной рудой и углем;
- база, которая использует или собственную, или привозную руду, или работает одновременно с двумя видами;
- база, которая функционирует рядом с угольными месторождениями или недалеко от потенциального и реального потребителя
Основными факторами, которые влияют на расположение металлургических центров, являются:
- потребительский (близость крупных потребителей стали – машиностроительные комплексы);
- экологический (устаревшие предприятия, которые применяют «грязный» способ изготовления изделий – доменный процесс);
- транспортный (предприятия из-за отдаленности от топливных источников используют привозные руду и уголь)
- сырьевой (предприятия, которые располагаются непосредственно рядом с местонахождением руды).
Базой для развития машиностроения и металлообработки является именно отрасль черной металлургии. Ее продукция используется практически во всех сферах экономики. Россия входит в пятерку мировых производителей черных металлов вместе с США, Японией, Китаем и Германией.
Производственную базу черной металлургии составляют предприятия полного цикла: чугун - сталь - прокат, а также комбинаты, которые выпускают чугун - сталь, сталь - прокат и отдельно чугун, сталь, прокат.
Факторы размещения предприятий черной металлургии довольно разнообразны. Особыми факторами выделяют в производстве электросталей и ферросплавов. Россия достаточно обеспечена сырьем для черной металлургии, но размещены железные руды и топливо на территории страны неравномерно.
Рисунок 1. Основные факторы размещения предприятий черной металлургии. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Цветная металлургия в России развивается на основе применения собственных больших месторождений разнообразных руд цветных, благородных и редких металлов, а также на добыче алмазов. РФ занимает второе место после США по выпуску продукции цветной металлургической промышленности. В структуре промышленности 47 горнодобывающих предприятий, из которых 22 – это алюминиевая промышленность. В России производится более 70 разнообразных цветных металлов.
В территориальной организации предприятий цветной металлургии ярко выражена сырьевая ориентация. Это связано с большим разнообразием добываемых сырья и материалов для производства цветных изделий.
Рисунок 2. Основные факторы размещения предприятий цветной металлургической промышленности. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
География металлургического комплекса
Мировая металлургическая промышленность представлена в 98 странах. Из этих пятьдесят государств занимаются добычей руды. Лидерами считаются Китай, Россия, Бразилия, Индия и Австралия. Эти страны экспортируют до 80% всего добываемого сырья.
В настоящее время ежегодно добывается более 1 млрд т железной руды. Основные месторождения распределены следующим образом:
- зарубежная Азия - 310 млн. т;
- Латинская Америка – 235 млн. т;
- страны СНГ – 180 млн. т;
- Австралия и Океания – 170 млн. т;
- Северная Америка – 95 млн. т;
- Африка – 50 млн. т;
- зарубежная Европа -20 млн. т.
Замечание 1
Большая часть мировых запасов руд требует первичной обработки в процессе производства из-за среднего и низкого качество материала. Высокого качества руда практически отсутствует.
Огромные запасы руды находятся в Китае, а полезное железо добывается на территории РФ. Компаниями-лидерами, в чьих руках мировой процесс добычи и производства руды и материалов, являются: Arcelor Mittal; Hebei Iron & Steel; Nippon Steel.
Первая организация образовалась в результате слияния индийских и люксембургских компаний. В ее состав входят 60 предприятий, в том числе и российское «Северсталь-Ресурс» и украинское «Криворожсталь»
Hebei Iron & Steel Group – это государственное предприятие, зарегистрированное в Ките. Оно производи ультратонкий холоднокатанный лист и стальные плиты. Nippon Steel и Sumitomo Metal Industries - лидер по производству стали в Японии.
В России металлургическая промышленность находится на втором месте после нефтегазовой отрасли. На территории РФ размещены три базы черной металлургии, непосредственно вблизи источников руды и угля: на Урале, в Сибири и в центральной части страны.
Самым крупным и старым предприятием является Уральское, производящее половину всей продукции черной металлургии в России. Крупнейшие предприятия – Чусовский металлургический завод и Челябинский металлургический комбинат.
Самая молодое месторождение – Сибирская металлургическая база. Запасы сырья практически исчерпаны. Представлены два металлургических комбината – Западно-Сибирский и Кузнецкий.
Крупным металлургическим заводом Центральной базы считается Новолипецкий металлургический комбинат. На его долю и еще пяти крупных центров металлургии приходится 93% выпускаемой продукции. Это ПАО «Северсталь», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», «Евраз», ОАО «Мечел», ОАО «Металлоинвест».
Металлургия является комплексной отраслью производства и ассортимент ее товарной продукции широк и разнообразен. Помимо основной металлургической продукции выпускаются и другие виды продукции, которые часто не имеют никакого отношения к металлургическим материалам: серная кислота, элементарная сера, кальцинированная сода, поташ, минеральные удобрения, цемент, минеральная вата и многие другие.
Кроме того, в металлургическом производстве получают многочисленные полупродукты и отходы основного производства: шлаки, штейны, газы, агломераты и спеки, кеки, шламы и т.д. Рассмотрим основные виды продукции металлургического производства.
Металлы и штейны
Металлы и сплавы являются основными видами товарной продукции металлургического производства, которые получают переработкой всех видов металлосодержащего сырья. В черной металлургии основными видами продукции являются чугуны, стали и ферросплавы.
В цветной металлургии в зависимости от используемой технологии и состава полученной продукции различают черновые и рафинированные металлы, но товарной продукцией, как правило, являются рафинированные металлы.
Черновыми называют металлы, содержащие примеси, в числе которых могут быть вредные примеси и ценные элементы – спутники основного металла, содержащиеся в сырье. Вредные примеси ухудшают характерные для данного металла свойства (электропроводность, пластичность, коррозионную стойкость и т.д.) и ограничивают сферу их непосредственного применения. Ценные спутники, к которым относятся благородные металлы, редкие и рассеянные элементы, необходимо попутно обязательно извлекать. Для очистки от примесей черновые металлы подвергают рафинированию. Сортамент рафинированных металлов регламентируется ГОСТом и в зависимости от степени очистки нередко выпускается 6–10 марок каждого конкретного металла.
Штейном называют сплав сульфида железа с сульфидами тяжелых цветных металлов (меди, никеля, свинца, цинка и пр.), в котором растворены примеси. Штейны являются промежуточными продуктами, образование которых определяется технологическими соображениями, и это очень характерно для пирометаллургии меди, никеля и частично свинца. В практике цветной металлургии получают медные, медно— никелевые, никелевые и полиметаллические штейны. Они образуются при плавках в жидком состоянии и не смешиваются со шлаковыми расплавами, что облегчает их отделение отстаиванием. Наиболее успешно процесс отстаивания идет при разности плотностей шлака и штейна больше 1 г/см 3 .
Медные и медно-никелевые штейны являются хорошими коллекторами благородных металлов, что позволяет достаточно полно извлекать их в штейн при плавке рудного сырья. Полиметаллические штейны наряду с сульфидами меди и железа содержат заметные количества сульфидов свинца и цинка, что затрудняет их дальнейшую переработку, и поэтому в настоящее время их стараются не получать.
Плотность расплавленных штейнов возрастает с увеличением содержания в них меди и никеля в пределах 4,0–5,7 г/см 3 , а при высокой металлизации штейнов их плотность может достигать 7 г/см 3 .
Металлургические шлаки
Металлургические шлаки представляют собой сложный по составу сплав оксидов. По технологическим признакам и способу формирования их подразделяют на шлаки рудных плавок и рафинировочные шлаки.
Шлаки рудных плавок образуются из оксидов породы перерабатываемой руды и вводимых в шихту флюсов. Шлаки получаются в расплавленном состоянии и их роль в процессах плавки очень велика. Они являются той средой, в которой протекают основные физико-химические превращения и реакции, приводящие к образованию конечных продуктов – металла и шлака.
Шлаки содержат часть извлекаемого металла и поэтому нередко являются основной составляющей потерь металла. Количество образовавшегося шлака зависит в основном от состава рудного сырья и флюсов. Особенно высок выход шлака при плавках руд или концентратов цветных металлов – обычно составляет от 60 до 120 % от массы рудной составляющей. Количество образующихся шлаков и их свойства фактически определяют основные технико-экономические показатели металлургического производства: удельную производительность плавильных печей по рудному сырью, расход топлива, эксплуатационные затраты и в конечном итоге себестоимость передела.
При низком содержании извлекаемых металлов в шлаках они являются отходами металлургического производства, но считать их отвальными продуктами можно лишь условно, так как с развитием металлургической техники, они нередко подвергаются: дополнительной переработке.
Рафинировочные шлаки формируют из специально вводимых в плавильные печи флюсующих добавок, а также оксидов, рафинируемого металла и продуктов разрушения огнеупорной футеровки плавильного агрегата. Создание шлака над расплавом способствует очистке металла от вредных примесей и накопление их в шлаке, и, кроме того, шлаки защищают расплавленный металл от воздействия газовой среды в печи. Выход таких шлаков невелик, но они содержат значительное количество извлекаемого металла, и поэтому их используют в качестве оборотных материалов или подвергают специальной переработке.
Состав металлургических шлаков разнообразен и зависит от вида перерабатываемого сырья и особенностей металлургического процесса. Состав шлаков доменной плавки в черной металлургии (ДП) и основных разновидностей цветной металлургии (ПЦМ) приведен ниже (%):
Из приведенных данных видно, что шлаки различаются лишь содержанием оксидов железа, а в основе их лежат системы СаО-SiO 2 и CaО— FeO— SiO 2 .
Для каждого металлургического процесса и применяемого для этого аппарата установлен оптимальный состав шлаков, отвечающий определенным технологическим и экономическим требованиям. Прямой плавкой не всегда удается получить этот оптимальный состав и поэтому приходится добавлять флюсы.
Оксиды, образующие шлаки, по химической активности подразделяют на кислые (SiO 2 , Аl 2 О 3), основные (CaO, FeO, MgO и др.) и амфотерные (Fe 2 O 3 , ZnO и пр.). В зависимости от соотношения указанных оксидов шлаки подразделяют на кислые и основные. К кислым относятся шлаки, содержащие более 40 % (SiO 2 + Аl 2 О 3), а к основным – менее 40 % указанной суммы оксидов.
Однако эти критерии условны и дают представление лишь о промышленной классификации шлаков. Для правильного выбора параметров процесса необходимо знать важнейшие свойства шлаков: температуру плавления, вязкость, плотность, растворимость в шлаках извлекаемого продукта и поверхностные свойства.
Оксиды, образующие шлаки, имеют высокую температуру плавления, °С: 1713 – SiO 2 ; 1370 – FeO; 1540 – Fe 3 O 4 ; 2570 – CaO; 2800 – MgO; 2050 – Аl 2 О 3 . Однако температура плавления шлака значительно ниже температуры плавления чистых оксидов. Физико-химические свойства шлаков зависят от их химического состава и температуры, а также от их строения в расплавленном состоянии.
Вязкость шлаков характеризует жидкотекучесть, от величины которой зависит скорость отстаивания жидких продуктов плавки. Электропроводность шлаков имеет определяющее значение для работы электрических печей, которые широко применяются в черной и цветной металлургии. Плотность шлаков зависит от соотношения в них легких и тяжелых шлакообразующих компонентов. Плотность оксидов в твердом состоянии составляет (г/см 3): SiO 2 – (2,2–2,65); FeO – 5,7; CaO – 3,32; MgO – 3,65; Аl 2 O 3 – 3,99; Fe 3 O 4 – 5,2; BaO – 5,72; Na 2 O – 2,27.
Для получения шлаков оптимального состава часто в качестве флюсов используют кварциты и известняки. В цветной металлургии иногда в качестве флюса используют низкосортные золотые концентраты и кварцевые хвосты золотоизвлекательных фабрик, что позволяет без затрат извлекать при плавке в штейн или черновой металл благородные металлы. Для разжижения шлаковых расплавов в ряде случаев используют плавиковый шпат CaF 2 , соду Na 2 СОз и др.
Продукты гидрометаллургических производств
Продуктами гидрометаллургических процессов являются растворы, кеки и сточные воды.
Растворами в гидрометаллургии называют продукты процесса выщелачивания, в которых растворенное вещество находится в молекулярном состоянии, что делает их устойчивыми системами, не разделяющимися при сколь угодно длительной выдержке. В качестве растворителей при производстве цветных металлов используют воду и водные растворы кислот, солей, щелочей, органические реагенты.
Важнейшими технологическими характеристиками растворов являются концентрация в них растворенного вещества и водородный показатель (рН).
На практике концентрацию чаще всего выражают в виде отношения растворенного вещества к объему раствора в г/л или кг/м 3 .
Водородный показатель рН характеризует химическую активность среды и способность растворов к гидролитическому сложению. Водные растворы могут иметь величину рН от 1 до 14. Нейтральным растворам соответствует рН = 7, для кислых растворов рН меньше 7, а для щелочных – более 7. Гидролитическое разложение растворов происходит в строго определенных условиях, и для каждого гидроксида существует ограниченный интервал рН, в котором он осаждается. Ниже приведены рН начала выделения гидроксидов некоторых металлов:
Используя различия в значениях рН для осаждения гидроксидов, можно добиться селективного разделения металлов, находящихся в растворе.
Кеки представляют собой твердые порошкообразные материалы, которые в зависимости от образования разделяют на два вида Первый вид – это не растворившиеся остатки выщелачиваемого материала (пустая порода, нерастворимые соединения данного материала и другие ценные компоненты). К этому виду относятся, например, цинковые кеки от выщелачивания обожженных цинковых концентратов раствором серной кислоты. Ко второму виду относятся продукты (осадки) цементационного, химического или гидролитического осаждения растворенных металлов в свободном металлическом состоянии или в форме нерастворимых химических соединений. Примером этого вида кеков являются кадмиевые кеки цинкового производства, содержащие цинк, кадмий и медь в форме металлических порошков, и кобальтовые кеки никелевого производства, в которых кобальт находится в виде гидроксида Со(ОН) 3 .
Сточные воды являются отходами гидрометаллургических производств, и их состав отличается большим разнообразием ценных и загрязняющих компонентов. Состав сточных вод зависит от многих факторов, но определяющими являются состав перерабатываемого сырья, вид используемых растворителей, характер применяемого гидрометаллургического процесса и технология обработки сточных вод перед их выводом из производственного цикла
Таким образом, сточные воды гидрометаллургических процессов являются источниками потерь ценных компонентов и загрязнения окружающей среды. Основными компонентами сточных вод являются грубодисперсные взвеси частиц перерабатываемого материала или продуктов его переработки, а также растворенные в воде кислоты, соли, щелочи и другие химические соединения, включая органику. Самым эффективным путем предотвращения загрязнения окружающей среды сточными водами является организация на промышленных предприятиях систем оборотного водоснабжения.