Лекция 1
В металлургической промышленности используют почти все виды полезных ископаемых. Основным сырьем для получения металлов являются руды. Кроме того, применяют горючие полезные ископаемые, огнеупоры и флюсовые материалы.
Рудой называют горную породу, содержащую в своем составе металл или металлы в таких количествах, которые могут быть экономически выгодно извлечены в товарную продукцию. Минимальное количество основного металла в руде, позволяющее подвергать руду металлургической переработке, называется рентабельным минимумом. Он зависит от многих факторов: глубины залегания месторождения, содержания ценных спутников, географического расположения района месторождения и степени его освоенности, характера минеральных включений, обогатимости руды и т.д. В настоящее время в промышленную эксплуатацию вовлекаются руды, содержащие всего 0,3-0,5 % металла.
Руды, как и любая горная порода, состоят из минералов – природных химических соединений. Минералы подразделяют на рудные и минералы пустой породы. К пустой породе обычно относят минералы, не содержащие извлекаемых элементов. Чаще всего такими минералами являются кварц, карбонаты, силикаты, алюмосиликаты. Так же к пустой породе относят природные соединения железа, которые при производстве цветных металлов нужно извлекать.
Понятие пустая порода весьма условно. По мере развития металлургических технологий, направленной на создание безотходных металлургических процессов, уже созданы предпосылки для полного использования компонентов пустой породы с целью выпуска ряда строительных материалов (цемента, шлаковых изделий, брусчатки и т.д.).
Состав руды определяется химическим анализом. Однако, для практических целей знание химического состава часто бывает недостаточным, нужно знать еще вид присутствующих минералов (минералогический состав) и распределение между минералами всех химических элементов перерабатываемого сырья (фазовый состав). Знание минералогического и фазового состава позволяет предсказать поведение всех компонентов данного сырья при металлургической переработке, выбрать наиболее рациональную технологию и наиболее правильно выполнить металлургические расчеты.
В зависимости от вида присутствующих минералов, руды цветных металлов делятся на 4 типа:
1)сульфидные, в которых металлы находятся в виде сульфидов
2)окисленные, в которых металлы находятся в вформе кислородных соединений – оксидов, гидроксидов, карбонатов и т.д.
3)смешанные, в которых металлы могут находится в как в сульфидной, так и в окисленной форме
4)самородные, содержащие металл в свободном состоянии (золото, серебро, платина, медь)
Сульфидные руды делятся на сплошные и вкрапленные (порфировые). Как следует из самого названия, в сплошных рудах основную массу составляют сульфиды, содержание же в них элементов пустой породы (оксид кремния, кальция, алюминия) незначительно (20-30%). Во вкрапленных рудах картина обратная – основную массу руды составляет пустая порода, а содержание сульфидов в них невелико.
По числу присутствующих в рудах металлов их классифицируют на монометаллические и полиметаллические (комплексные). Большинство руд цветных металлов являются полиметаллическими и содержат до 10 и более ценных компонентов.
При оценке рудного сырья необходимо учитывать характер присутствующих соединений пустой породы. По этому признаку их подразделяют на кислые и основные. В кислых рудах пустая порода представлена кремнеземом, в основных рудах преобладает оксид кальция.
Кроме рудного сырья, в настоящее время в переработку активно вовлекается и вторичное сырье.
Объясняется это тем, что, с одной стороны, с каждым годом все больше истощаются недра земли, а с другой стороны, в огромных количествах накапливаются отходы производства и бытовые отходы, содержащие ценные компоненты, и при этом загрязняющие окружающую среду.
По экспертным оценкам, объемы накопленных отходов в промышленности составляют около 80 млрд. тонн. Объемы образования отходов – 207 млн. тонн в год, при годовом потреблении ресурсов 1 млрд. тонн.
Из всех видов отходов примерно 95 % составляют промышленные отходы (около 2,6 млрд. тонн). Осадки и шламы очистных сооружений составляют 30 млн. тонн в год. Более 90% объема промышленных отходов составляют отходы добычи и обогащения полезных ископаемых и являются твердыми металлсодержащими отходами металлургического производства, они образуются на всех металлургических предприятиях.
Твердые техногенные отходы металлургических производств отличаются большим разнообразием химического состава, в них содержаться тяжелые цветные металлы, драгоценные и редкие металлы, а так же токсичные элементы, представляющие серьезную экологическую опасность (мышьяк, сурьма, ртуть, свинец, кадмий).
Утилизация и переработка вторичного сырья позволит не только извлечь ценные компоненты из него, но и снизить затраты на его хранение. Кроме того, из-за образования огромного количества отвалов заняты сотни гектаров ценных земель, которые возможно рекультивировать и вернуть в хозяйственное использование.
Кроме рудного и вторичного сырья, в металлургии цветных металлов широко используются многие другие полезные ископаемые и огнеупоры.
Флюсами называют минеральные добавки, используемые в пирометаллургии для корректировки получаемых продуктов. В качестве флюсующих добавок используют, как правило, кварц и известняк.
Кварц является кислым флюсом, состоящим в основном из кремнезема SiO2. Кроме SiO2 в кварце могут присутствовать в небольшом количестве другие оксиды, например, CaO, Al2O3, Fe2O3, и др. Содержание кремнезема в кварце содержится от 60 до 95 %. Кварцевый флюс можно применять только при переработке сырья с повышенным (избыточным) содержанием основных оксидов (FeO, CaO и др.).
Известняк, состоящий в основном из СаСО3, относится к основным флюсам. При нагревании до температуре выше 900-100 0С он разлагается по реакции
СаСО3→СаО + СО2
Образующийся при термическом разложении СаО и является флюсующим реагентом. На практике используют известняк с содержанием 45-520% СаО. Известняк применяют при переработке руды с повышенным содержанием кремнезема.
Использование в цветной металлургии большого количества топлива связано с широким применением пирометаллургических технологий. Применяют все виды топлива – твердое, жидкое, газообразное. Основные разновидности топлива имеют органическое происхождение и состоят из различных соединений углерода, водорода и часто серы, образующих горючую массу. Кроме того, в топливе содержатся компоненты негорючей массы – азот и вода, а в твердом топливе – зола, состоящая из Al2O3, CaO, SiO2 и др. При сжигании топлива выделяется теплота, количество которой тесно связано с химическим составом топлива и условиями его сжигания. Количество выделяющейся теплоты называется теплотой сгорания или теплотворной способностью.
В настоящее время в металлургии широко использовать внутренние ресурсы самого сырья. Сульфиды сырья окисляются (сгорают) с выделение большого количества тепла, которого достаточно для проведения пирометаллургического процесса. Такие процессы называются автогенными.
Использование огнеупорных материалов связано с проведением металлургических процессов при температуре более 1000 0С в условиях сильно агрессивных сред (металлургических расплавов). Огнеупоры используют для сооружения плавильных печей и ряда других металлургических агрегатов, а так же для создания в них внутренней защитной облицовки – футеровки.
Огнеупорными называют материалы, выдерживающие без расплавления температуру до 1000 0С и более. По своему составу они представляют в основном оксидные системы. Огнеупоры классифицируют по огнеупорности, химико-минералогическому составу, сложности формы изделия, химической активности (стойкости) и т.д.