Практическая работа №8.

Цветная металлургия

Цель: Рассмотреть технико-экономические особенности отрасли и технологические особенности производства различных видов цветных металлов.

Основные понятия: Цветные металлы, пластичность, прочность, твердость, обогащение руды, пульпа, пульпо­провод, метод тяжелых суспензий, рафинированная медь, штейн, черновой металл, электролиз, гидрометаллургия, глинозем, бокситы, электролит, благородный металл, редкоземельный металл, легкий металл.

Задание 1.Определите основные технико-экономические особенности, влияющие на развитие и размещение отраслей цветной металлургии.

Цветная металлургия имеет очень сложную структуру. Эта отрасль промышленности включает добычу и обогащение руд цветных, благородных и редких металлов, выплавку металлов, их рафинирование, производство сплавов и проката. Россия - страна, обладающая мощной цветной металлургией. Главная отличительная черта отрасли в нашей стране - развитие ее на основе использования собственных больших и разнообразных ресурсов. Россия имеет огромные запасы сырья для производства цветных металлов. Созданы все отрасли цветной металлургии. Большой объем цветных металлов идет на экспорт. В отличие от черной металлургии, стоимость производимой в цветной металлургии продукции весьма высока, что влияет на размещение отрасли. Высокая стоимость цветных металлов и изделий из них позволяет получать их далеко за пределами главных районов-потребителей с развитой машиностроительной промышленностью. Транспортные расходы увеличивают стоимость продукции цветной металлургии у потребителей в гораздо меньшей степени, чем при перевозке черных металлов. На размещение производства цветных металлов велико воздействие технического прогресса в отрасли. В результате использования новейших методов обогащения удается получать концентраты с содержанием металла в 40-60% и выше. Так, медные руды имеют содержание меди не свыше 5%; содержание ее в концентрате повышается до 35%. В свинцово-цинковых рудах имеется не более 6% свинца, в концентрате - до 78% , поэтому добыча и обогащение руд, составляющие не менее 3/4 всех затрат на получение цветных металлов, все в большей степени превращаются в самостоятельный производственный процесс. Значение влияния технического прогресса усиливается по мере вовлечения в производство более бедных руд. Большой объем работ, связанный с добычей руд цветных металлов и их обогащением, фондоемкость этих процессов, в результате которых получают дорогостоящий концентрат, допускает вести его вне районов выработки полупродукта. Возможность территориального разрыва процессов получения концентратов и выплавки самих цветных металлов обусловлена также высокой энергоемкостью получения многих из них. Производство никеля, глинозема из нефелинов, меди черновой, цинка дистилляционным методом требуют большого расхода технологического топлива (иногда до 50 т условного топлива на 1 т готовой продукции). Рафинирование и выплавка цветных металлов связаны с затратами электрической энергии (от нескольких тысяч до десятков тысяч киловатт-часов на 1 т готовой продукции), поэтому не всегда выгодно создавать энергоемкие производства выплавки цветных металлов в районах и центрах добычи руды и получения концентратов. Сравнительно неэнергоемкое производство цинка может создаваться в местах выработки концентрата, а его рафинирование и выплавка большинства других цветных металлов - в районах дешевой энергии и топлива. Особенность руд цветных металлов - их сложный состав, который может быть различен не только в разных месторождениях, но даже в пределах одного месторождения на разных участках добычи руды. Полиметаллические руды, кроме основных компонентов - свинца и цинка, содержат также другие цветные металлы (медь), благородные металлы (золото, серебро), редкие и рассеянные (селен, кадмий, висмут и др.). То же самое имеет место в медных, никелевых и других рудах. Содержание ряда компонентов бывает невелико, что делает выгодным дальнейшую переработку на месте лишь одного из основных компонентов, а других - на специализированных предприятиях в иных районах. Извлечение благородных, редких и рассеянных металлов ведется, как правило, в процессе рафинирования цветных металлов на специализированных заводах, находящихся нередко вне районов не только добычи руды, но и выплавки металла. В отдельных случаях экономически эффективным является совмещение процессов добычи и обогащения руд, выплавки ряда сопутствующих металлов и их рафинирования в одном пункте. Это ведет к внутриотраслевому комбинированию в цветной металлургии. По этому принципу организован ряд предприятий (горно-металлургические комбинаты). Большое значение приобрело в цветной металлургии и межотраслевое комбинирование ее с химической промышленностью. Основой для него чаще всего является использование сернистых соединений цветных металлов, в процессе обжига которых выделяется значительное количество соединений серы. Это определяет профиль предприятий (Медногорский медно-серный комбинат), которые кроме металла вырабатывают серную кислоту и серу. Избытки дешевой серной кислоты на заводах цветной металлургии делают выгодным создание там на базе привозного сырья (апатитового концентрата или фосфоритов) производства фосфорных удобрений (Красноуральский и Среднеуральский медеплавильные заводы, Волховский алюминиевый и др.). Ряд заводов цветной металлургии, использующих руды, содержащие калий (карналлит и др.), для получения металлического магния (Березниковский титано-магниевые комбинаты, Калушский и Соликамский магниевые заводы), в отходе дают хлористый калий-высококонцентрированное удобрение. Все чаще при переработке таких руд утилизируется также попутно отходящий хлор - один из важнейших видов сырья для разных отраслей химической промышленности. В процессе переработки нефелинов в отходе получают содопродукты - кальцинированную соду, поташ. Возможность и необходимость комплексной переработки руд цветных металлов, организации внутриотраслевого и межотраслевого комбинирования приводят к большому увеличению размеров предприятий цветной металлургии. Сами процессы добычи и обогащения руды, а также выплавки некоторых металлов являются водоемкими. Между тем большинство предприятий цветной металлургии находятся в дефицитных водой районах. Это сильно влияет на размеры и состав предприятий отрасли.

Задание 2. Составьте таблицу: «Группы цветных металлов» по образцу:

Группы металлов	Виды цветных металлов	Сырьевая база	Использование в народном хозяйстве

В таблицу включить следующие группы металлов: тяжелые, малые, легкие, редкие, леги­рующие цветные металлы.

Группы металлов	Виды цветных металлов	Сырьевая база	Использование в народном хозяйстве
1.Основные тяжелые металлы 2. Малые тяжелые металлы 3. Легкие металлы 4. Благородные металлы 5. Редкие металлы	медь, никель, свинец, цинк и олово висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий, иридий) вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий, литий, бериллий, рубидий, цезий.	Таймырский АО, Читинская обл., Оренбургская обл., Республика Башкирия. Республика Саха, Республика Хакассия. Республика Коми, Архангельская обл., Свердловская обл. Республика Алтай, Республика Саха, Курильские о-ва. Республика Бурятия, Приморский край, Республика Саха.	Использование в оборонной промышленности, электронике. Медицина, производство стекол, деревообрабатывающие процессы. Авиастроительная промышленность, медицина, пищевая промышленность. Ювелирная промышленность, медицина, электроника. Электроника, медицина, производственная химия.

Плавка рафинированного металла

Задание 3. Изобразите графически технологическую цепочку обогащения руд цветных металлов. В соответствующей цепочке следует отобразить технологию трех основных методов обогащения – флотационного, химического, мето­да тяжелых суспензий.

Плавка чернового металла

Химическое обогащение -технология первичной переработки руд, коллективных и низкосортных концентратов, промпродуктов и хвостов обогащения химическими методами с целью получения очищенных от нежелательных примесей минеральных концентратов (обезжелезненный кварц; очищенный от фосфора, серы и кальцита шеелит и т.п.) либо химических концентратов (соли, оксиды, сульфиды металлов, фосфаты). Химическое обогащение также получило развитие в связи с вовлечением в переработку бедных забалансовых, труднообогатимых руд и накапливающихся в отвалах промпродуктов обогащения, отходов металлургического и химического производства.

Обогащение в тяжелых суспензиях — один из методов гравитационного обогащения, изобретеных немецким инженером Г. Бессемером. Зерна минерала плотностью ниже плотности тяжелых суспензий поднимающих на поверхность, зерна минерала плотностью выше, чем у тяжелых суспензий, опускаются на дно сепаратора, откуда и выдается концентрат

Флота́ция (фр.  flottation, от flotter — плавать) — один из методов обогащения полезных ископаемых, который основан на различии способности минералов удерживаться на межфазовой поверхности, обусловленный различием в удельных поверхностных энергиях. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы минералов избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.

Прокат

Обогащение руды

Добыча руды

Задание 4. Охарактеризуйте основной спектр экологических проблем, возникающих при производстве различных видов цветных металлов. Возможно ли безотходная технология получения цветных металлов?

Предприятия цветной металлургии при извлечении металлов вынуждены использовать руду с очень низким содержанием «полезных» компонентов. Таким образом, на обогащение и плавку поступает огромный объем руды, что обуславливает образование большого количества «отходящих» газов из неиспользуемых компонентов. Состав выбросов определяется доминирующими компонентами руд. Чаще всего такими компонентами являются: сера (образуется диоксид серы), азот (нитрозные газы), углерод (углекислый и угарный газы), а также сами металлы (Cu, Fe, Al, Ni, Co и др.).

Цветная металлургия находится на втором месте среди всех отраслей промышленности по атмосферным выбросам. Таким образом, именно загрязнение атмосферы является главной причиной экологических проблем, возникающих в результате деятельности цветной металлургии. Столь значительное количество выбросов и их состав приводят к образованию значительных геохимических аномалий (загрязнение почв) и техногенных пустошей (уничтожение растительности) вокруг крупных предприятий цветной металлургии.

Также необходимо отдельно отметить «вклад» предприятий Группы «Норильский никель» в загрязнение атмосферы. Как видно из диаграммы №, доля выбросов предприятий Норильского никеля в суммарных отраслевых выбросах составляет 68%. Таким образом, предприятия Группы «Норильский никель» выбрасывают больше загрязняющих веществ, чем вся черная металлургия или отрасли топливного комплекса России.

Предприятия цветной металлургии, помимо значительного использования вышеупомянутых ресурсов, потребляют большое количество водных ресурсов, что обуславливает образование достаточно большого количества сточных вод. Но, в сравнении с другими отраслями промышленности (см. диаграмму 3.4), сбросы предприятий цветной металлургии не являются доминирующими в суммарном их количестве по всем отраслям, но все же имеют довольно значимую долю — 6,2%. Прежде всего это связано с тем, что на многих предприятиях цветной металлургии часть используемой воды попадает в системы замкнутого водоснабжения.

Особенностью загрязнения водных объектов предприятиями цветной металлургии является их состав, а именно большое количество тяжелых металлов, которые имеют большую способность накапливаться в донных отложениях и аккумулироваться в трофических цепях. Данная особенность сбросов предприятий цветной металлургии определяет их опасность для водных экосистем, что уже привело и приводит к значительной деградации многих рек и озер.

Трансграничного аспекта сброс загрязняющих веществ в водные объекты предприятиями цветной металлургии практически не имеет в силу вышеуказанных особенностей состава сточных вод (большая часть загрязнителей оседает на дне в пределах территории России); а также в силу географических особенностей — у России почти не имеется «пограничных» водных объектов, подверженных загрязнению предприятиями цветной металлургии. Исключение составляет система реки Паз (граница с Норвегией), в которую попадает незначительная часть водных загрязнителей из сточных вод ГМК «Печенганикель» (ОАО «Кольская ГМК»).

Итак, сочетание большой социально-экономической значимости цветной металлургии с большой опасностью данных предприятий для окружающей среды вызывает необходимость сбалансированного подхода к решению экологических проблем отрасли. Одним из наиболее эффективных инструментов для осуществления такого подхода на конкретном предприятии является внедрения систем экологического менеджмента.

В цветной металлургии при создании новых предприя­тий и реконструкции действующих производств необходимо вне­дрение безотходных и малоотходных технологических процессов, обеспечивающих экономное, рациональное использование руд­ного сырья: вовлечение в переработку газообразных, жидких и твердых отходов производства, снижение выбросов и сбросов вредных веществ с отходящими газами и сточными водами; при добыче и переработке руд цветных металлов — широкое внедрение использования много тоннажных отвальных твердых отходов горного и обогатительного производства в качестве строительных материалов, закладки выработанного пространства шахт, дорожных покрытий, стеновых блоков и т. д. вместо специально добываемых минеральных ресурсов; переработка в полном объеме всех доменных и ферросплавных шлаков, а также существенное увеличение масштабов переработки сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии; резкое сокращение расходов свежей воды и уменьшение сто­чных вод путем дальнейшего развития и внедрения безводных технологических процессов и бессточных систем водоснабжения; повышение эффективности существующих и вновь создавае­мых процессов улавливания побочных компонентов из отходя­щих газов и сточных вод; широкое внедрение сухих способов очистки газов от пыли для всех видов металлургических производств и изыскание более совершенных способов очистки отходящих газов; утилизация слабых (менее 3,5% серы) серосодержащих газов переменного состава путем внедрения на предприятиях цветной металлургии эффективного способа — окисления сернистого ан­гидрида в нестационарном режиме двойного контактирования; на предприятиях цветной металлургии ускорение внедрения ресурсосберегающих автогенных процессов и в том числе плавки в жидкой ванне, что позволит не только интенсифицировать процесс переработки сырья, уменьшить расход энергоресурсов, но и значи­тельно оздоровить воздушный бассейн в районе действия предпри­ятий за счет резкого сокращения объема отходящих газов и получ­ить высококонцентрированные серосодержащие газы, используе­мые в производстве серной кислоты и элементарной серы; разработка и широкое внедрение на металлургических пред­приятиях высокоэффективного очистного оборудования, а также аппаратов контроля разных параметров загрязненности окру­жающей среды; быстрейшая разработка и внедрение новых прогрессивных малоотходных и безотходных процессов, имея в виду бездомен­ный и бескоксовый процессы получения стали, порошковую ме­таллургию, автогенные процессы в цветной металлургии и дру­гие перспективные технологические процессы, направленные на уменьшение выбросов в окружающую среду; расширение применения микроэлектроники, АСУ, АСУ ТП в металлургии в целях экономии энергии и материалов, а также контроля образования отходов и их сокращения.