Если экономически целесообразно, то руду необходимо обогащать. Процесс обогащения состоит в удалении из руды пустой породы, не содержащей металла. Но обогащение - дорогостоящий процесс. Вот почему необходимо перед принятием решения об обогащении провести технико-экономические расчеты (обоснования).
Руды цветных металлов отличаются от руд черных металлов (содержащих железо) по нескольким признакам:
1. руды цветных металлов распределены на планете крайне неравномерно и в основном в слабо развитых странах;
2. особенности руд цветных металлов заключаются в содержании множества компонентов металлов: золото, серебро, кобальт и др., которые с учетом их стоимости экономически выгодно извлекать;
3. низкий процент вещества в руде (5-10%)
Поскольку получение цветных металлов из руд связано с затратой большого количества электроэнергии, то добыча и обогащение руд осуществляется в слаборазвитых странах, а выплавка – в метрополиях, где есть энергетическая база.
Для получения 1 тонны черновой меди требуется 100 тонн руды, 800 квт. час электроэнергии, 2 тонны топлива, 500 м3 воды; 1 тонны алюминия - 2 тонны глинозема, 18000 квт, час электроэнергии, 120 м3 воды, 0,2 тонны топлива.
Обогащение руды возле добычи выгодно, потому что перевозить породу(80-90% в руде) на большие расстояния невыгодно.
Цветная металлургия - многоотраслевая. Она включает получение основных цветных металлов (алюминий, магний, цинк, олово, ртуть, свинец, сурьма и др.), легирующих (хром, титан, молибден, никель и др.), редких (кадмий, индий, галлий, талий, германий, цирконий и др.), благородных (золото, серебро, платина).
Рассмотрим основные принципы получения наиболее распространенных цветных металлов.
Алюминий. Это самый легкий и молодой металл - промышленное производство практически началось в начале 20 века, хотя гидролизный способ получения алюминия из глинозема был изобретен в 1886 году. В результате расщепления глинозема получалась кислота и технически чистый алюминий.
Раньше алюминий был одним из самых дорогих металлов и ценился дороже золота. Алюминиевые пуговицы были по карману только очень состоятельным людям, а столовую посуду могли позволить себе коронованные особы.
Запасы алюминия на земле огромны. Его в 4 раза больше железа и в 100 раз больше золота. Считается одним из самых распространенным металлов. Добывается из бокситов, залежи которых имеются в 40 странах. Наибольшие запасы бокситов - в Папуа Новой Гвинее. Алюминий широко применяется во многих отраслях промышленности: в авиастроении, легкой и пищевой промышленности, электротехнике и др.
Медь. Один из самых древних металлов (бронзовый век). Благодаря высокой электро - и теплопроводности широко применяется в электротехнической промышленности, металлургии (установки непрерывного литья) и многих других отраслях. Медь является основой сплавов с оловом (бронза) и цинком (латунь).
Известны 240 минералов содержащих медь, но только 18 из них имеют промышленное значение. Наибольшие запасы медных руд в России, Чили, Казахстане, США и др.
Последовательность получения меди следующая : добыча руды, обогащение, спекание концентрата, литье и бессемерование. Последние стадии требуют много тепла, поэтому, как отмечалось, эти производства располагаются возле топливно-энергетических баз.
Свинец и цинк. Температура плавления свинца - 327 градусов по Цельсию, цинка - 419.
Свинец - тяжелый и пластичный металл, а цинк - хрупкий металл. Они легко сплавляются с другими металлами.
Свинец применяется во многих отраслях. Примерное потребление свинца в процентах: аккумуляторные батареи - 30%, тетраэтилсвинец для бензина - 20%, кабели - 10%, специальные контейнеры для радиоактивных отходов - 30%, прочие - 10%.
Цинк, в основном применяется для получения латуни, антикоррозионных покрытий и высококачественных белил. На Украине производство цинка осуществляется на Константиновском цинковом комбинате.
Олово в основном применяется для получения белой жести, для припоев (производство автомобильных радиаторов, радиотехника и др.) и получения бронзы.
Запасы олова сосредоточены в Азии (Монголия, Дальний Восток, Китай, Вьетнам и др.).
Ртуть широко используется в медицине, электротехнике, военной технике. Ртутная руда - киноварь сосредоточена по полосе Европы, проходящей через Украину(Никитовка), Румынию, Италию, Испанию.
Серебро применяется в электротехнике, стоматологии, фотографии, легкой промышленности. Большие запасы серебряных руд в Канаде, Мексике, США, Перу, Австралии.
Золото - это первый металл, который начал использовать человек. Является одним из самых тяжелых металлов, который не окисляется, не разлагается в кислотах и щелочах, имеет очень высокую электро - и теплопроводность.
В мире имеется около 100 000 тонн золота, в том числе:
36 000 тонн - в центральных хранилищах, 20 000 тонн - слитки и монеты в частном владении,
44 000 тонн - ювелирные изделия. Техническое золото применяется в ракетной технике, атомной промышленности, военной технике и др. Наибольшие залежи золота – в ЮАР. На Украине найдено золото в 4 местах: в Карпатах, Луганщине, Днепропетровске, Кировограде.
Нерудное сырье, иначе называют минерально-химическим. Оно служит источником получения неметаллов (сера, фосфор и др.), солей минеральных удобрений, а также строительных материалов.
Важнейшими видами нерудного сырья являются самородная сера, апатиты, фосфориты, природные соли (калийные, сода, поваренная соль). К нерудному сырью относятся также алмазы и графит.
Разведанные запасы алмазов на планете составляют около 300 млн. карат(1 карат равен 0,2 грамма). Наибольшие месторождения алмазов обнаружены в Намибии, России, Заире (провинция Катанга) и Австралии.
Источником получения строительных материалов являются горные породы, которые подразделяются на изверженные, осадочные и метаморфические.
Изверженные горные породы: гранит, диабаз, базальт, туф, пемза и др.
Осадочные: гипс, известняк, мел, глина, песок, гравий.
Метаморфические: мрамор, гнейс, кварцит.
Большинство горных пород состоит из кремнезема (SiO2) и глинозема (Al 2O2).
3. Горючее сырье, топливо.
Топливо - горючие минеральные и органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической, металлургической и других отраслей промышленности. Различают твердое, жидкое и газообразное топливо.
Основным показателем топлива является удельная теплота сгорания (дж/кг). Наиболее высокая удельная теплота сгорания имеет нефть- 42 000 кДж/кг. Древесина занимает одно из последних мест (8…15 000 кдж/кг).
4. Растительное и животное сырье.
Растительное и животное сырье (древесина, лен, хлопок, подсолнечник, молоко, шерсть, кожа, зерно, картофель и др.) перерабатываются или в продукты питания (пищевое сырье) или в продукты промышленного и бытового назначения.
Источником растительного и животного сырья являются ресурсы естественной среды обитания: земельные, лесные и водные.
Растительное и животное сырье имеет большое значение для многих отраслей народного хозяйства. Особенность многих видов этого сырья - сезонность и возобновляемость.
Кроме того, это сырье нуждается в надлежащем хранении при определенной температуре и влажности, и упаковке. При переработке этого сырья получается много отходов, которые затем перерабатываются и используются в строительстве (древесностружечные плиты), животноводстве (отходы овощеводства), химической промышленности (например, при получении древесного спирта).
5. Вода в промышленности.
В мире идет стремительное сокращение запасов пресной воды. Промышленность за многие десятилетия практически выбрала основные запасы пресной воды и превратила их в сточные воды, загрязняющие Мировой океан.
Потребности промышленности в пресной воде огромны. Например, для производства одной тонны стали, требуется 600м3 воды, одной тонны синтетических волокон – 5000м3 воды. В подавляющем большинстве предприятия-потребители воды не используют оборотные циклы, а производят заборы воды из водоемов (рек, водохранилищ), сбрасывая туда же отходы. Таким образом, реки превращены комплексами, расположенными на их берегах предприятий, в своеобразный оборотный цикл: забор чистой воды и сброс отработанной.
Строительство внутренних водоемов для замкнутого оборотного цикла требует дополнительно мощных очистных сооружений, что неприемлемо для предприятий.
Самые большие потребители пресной воды - это энергетика (АЭС), сельское хозяйство (орошение), металлургия, химическая промышленность и др.
Доля населения в общем потреблении пресной воды невелико и составляет 10…15% от общего потребления. По нормам в среднем на одного человека необходимо в сутки 50 литров (сельская местность) и 500…700 литров (город) пресной воды.
6. Роль энергетики в промышленности.
Все технологические процессы в промышленности связаны с затратой или выделением энергии или со взаимным превращением одного вида энергии в другой. Наиболее широкое применение в промышленности имеют электрическая, тепловая, ядерная, химическая энергии. Электроэнергия потребляется наиболее широко. Источниками электроэнергии являются: энергия воды (ГРЭС, ГЭС), превращение тепловой энергии в механическую и затем в электрическую (ТЭЦ), превращение тепловой энергии ядерных реакций в механическую, затем в электрическую (АЭС), превращение энергии ветра в механическую и электрическую (ВЭС).
Удельный вес электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями составляет 20%. В последние годы наблюдается тенденция к снижению доли ГЭС.
Самые мощные ГЭС находятся в США, Бразилии, России и Венесуэле. Мощность одной гидроэлектростанции Итайку (Бразилия) составляет 12,6 млн. квт. В России мощность ГЭС Ангаро-Енисейского каскада (ГЭС) составляет 21,2 млн. квт.
Атомные электростанции занимают все большее место в получении электроэнергии. Общая мощность 445 ядерных реакторов, установленных в 33 странах, составляет 2200 млн. квт., в настоящее время ведется строительство еще 80 реакторов (Япония, Франция, Германия, Корея). По прогнозам, к 2000 году доля электроэнергии, вырабатываемой АЭС, будет равна электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями. В Украине функционирует 5 АЭС, на которых установлено 14 энергоблоков: Запорожская (5 млн. квт.), Чернобыльская (4 млн.квт.), Хмельницкая и Южно-украинская (по 2 млн.квт.) и Ровенская(0,818 млн.квт.). Общая установленная мощность составляет около 14 млн.квт.(45% общей мощности).
Ветроэнергетика получила широкое распространение в мире. Некоторые государства успешно используют исключительно ветроэлектроэнергию (Израиль). Разработанные конструкции ветротурбин обладают большой мощностью (от 100 до 1000 квт.), эффективно работают при скоростях ветра от 5 до 25м/сек. При этом обеспечивается постоянство скорости вращения лопастей (за счет автоматического изменения их угла разворота к ветру). Такие ветростанции успешно работают в Крыму в районе Евпатории, на юге Донбасса и в других местах.
Разработанная и утвержденная правительством программа развития ветроэнергетики позволит успешно решить энергетические проблемы Украины.
Тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, применяется для отопления, а также выполнения некоторых технологических процессов (выпарка, сушка, перегонка и т.д.)
Химическая энергия, выделяющаяся в процессе некоторых химических реакций, служит ценным источником теплоты и применяется в ряде случаев для преобразования в электрическую энергию (например, в гальванических элементах аккумуляторов).
Тема 6. Металлургия
План
1.Общие сведения о металлах.
2. Производство черных металлов.
2.1. Производство чугуна, его свойства и область применения.
2.2. Производство стали, её свойства, общая схема производства и применение.
2.2.1. Производство стали в мартеновских печах: сырье, технологический процесс, экологические и энергетические особенности.
2.2.2. Конверторный способ производства стали: технологический процесс, преимущества и недостатки, качество стали
2.2.3. Производство стали в электропечах.
3. Классификация стали по химическому составу, назначению и качеству.
1. Общие сведения о металлах.
Металлы и их сплавы находят самое широкое применение во всех сферах жизнедеятельности человека. На производстве, в быту, в медицине, в сельскохозяйственном производстве металлы встречаются повсеместно.
Наиболее широко применяются черные металлы, т.е. сплавы железа с углеродом и другими элементами (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). Черные металлы делятся в зависимости от содержания в них углерода на два больших класса.
Если содержание углерода в сплаве не превышает 2,14 процента, то такой сплав обладает достаточной пластичностью и называется сталью. Практически же предельное содержание углерода в стали составляет 1,3%. Большее содержание углерода ухудшает пластические свойства стали и делает ее непригодной для ковки.
При увеличении содержания углерода выше 2,14% последний не полностью растворяется в железе и находится между зернами в свободном (пластинчатом или шаровидном) состоянии. При этом сплав теряет пластические свойства - его называют чугун.
2. Производство черных металлов.
2.1. Производство чугуна, его свойства и область применения.
Железоуглеродистые сплавы делятся на стали(с содержанием углерода менее 2,14%) и чугуны(более 2,14% углерода).
Чугуны отличаются большей твердостью, хрупкостью, хорошо льются, плохо обрабатываются резанием, не поддаются обработке давлением. Чугуны выплавляются из железных руд(оксидов железа) в доменных печах - домнах. С этой целью руду после магнитного обогащения, агломерации(спекания) и окатывания(окускования), смешивают с флюсом(известняком, служащим для вывода примесей при плавке) и коксом и подают в домну.
Сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа из оксидов руды, науглероживании железа, соединения пустой породы с флюсом и слива её в виде шлака, получения слива чугуна.
Чугуны подразделяются на: передельные(около 80% выхода) - идут на переплавку в сталь; литейные(20%) - используются для производства отливок; и специальные.
По назначению:
1. серые - с высокими механическими свойствами, применяются для производства станин станков и другого оборудования, зубчатых колёс, корпусов и т.п. Маркируются СЧ - число, показывающее предел прочности на разрыв;