Литература

Глава 8. Металлургия цветных металлов

3.1. Металлургия титана

3.2. Металлургия алюминия

3.3. Металлургия меди

3.4. Металлургия магния

3.5. Предприятия цветной металлургии Украины

3.6. Обзор производства цветных металлов в мире и на Украине

Литература

Глава 9. Порошковая металлургия

Литература

Часть 10. Обработка металлов давлением

Литература

Часть 11. Неметаллические материалы

Литература

Введение

Со времен глубокой древности, за тысячелетия до нашей эры, людям были известны добыча руд, выплавка металлов и изготовление из них различных изделий. Древняя металлургия была совершенно непохожей на современную по техническому уровню и масштабам. Этот процесс развивался одновременно с общим подъемом производительных сил человеческого общества. В истории первобытного общества выделяют периоды соответственно смене материалов. Около 7-6 тысяч лет до н.э. человек впервые начал использовать самородные металлы: золото,серебро, медь. В V -1V тысячелетиях до н.э. началась выплавка из руд меди, олова, свинца. Наступил медный век – медные орудия труда и оружие постепенно вытесняли каменные изделия. Примерно в 111 тысячелетии до н.э. появление и применение бронзы - сплава меди с оловом, значительно более прочного и твердого, чем другие известные в то время металлы, ознаменовало начало бронзового века. Железо сначала, вероятно, метеоритное, а затем и восстанавливаемое из руды появилось в конце II - начале I тысячелетия до н. э. В первое время железо ценилось дороже золота. В древности, средние века, и сравнительно недавно, вплоть до времени М.В. Ломоносова, считалось, что существует только семь металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть).

В настоящее время периоди­ческая система Д. И. Менделеева (Приложение. Таблица 1) содержит 118 элементов, из них 92 известны в природе, другие получены искусственным путем.

Большинство элементов в той или иной степени связаны с отраслью техники называемой - МЕТАЛЛУРГИЯ.

Слово « металлургия» происходит от греческого:

Metalltuo - выкапываю, добываю из земли;

Metallurgeo – добываю руду, обрабатываю металлы;

Metallon – рудник, металл.

Таким образом, металлургия это область науки и техники, изучающая процессы добычи из недр руд, получения металлов и сплавов, придания им определенных свойств, с последующим использования их для нужд человечества.

Элементы подразделяются на металлы и неметаллы, табл.1.

В свою очередь они подразделяются на ряд групп и подгрупп.

В частности, неметаллы делятся на:

собственно неметаллы - водород, бор, углерод, азот, кислород, сера;

галогениды – фтор, хлор, бром, йод, астат;

инертные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон.

В мировой практике исторически сложилось деление металлов на следующие группы:

черные (железо, хром, марганец и сплавы на их основе) и

цветные (72 элемента – отмечены только реально существующие в природе – трансурановые не внесены).

Черные металлы находятся в VI – VIII группах Периодической таблицы, имеют много общих свойств и практически производятся однотипными процессами.

Цветные металлы находятся в восьми группах Периодической таблицы и, следовательно, обладают самыми разнообразными свойствами, иногда существенно отличающие их друг от друга, в частности, по температурам плавления и кипения, плотностям, кристаллическому строению, электропроводности, пластичности, твердости, радиоактивности, поверхностным натяжеиием на границе фаз, химической активности и другими свойствами.

Об­щими признаками металлического состояния являются: металлический блеск и непрозрачность, высокая электро- и теплопроводность, высокая пластичность (ковкость), кри­сталлическая структура (за исключением ртути), серый цвет с оттенками от светло­серого до темно - серого (исключение составляют только два металла - красная медь и желтое золото). Кроме того, для типичных металлов общим является ха­рактер зависимости электропроводности от температуры: с повышением температуры электропроводность их умень­шается, а электрическое сопротивление возрастает. Определенная часть металлов ( 30) обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля).

Многочисленность цветных металлов, различия их свойств, мето­дов получения и областей потребления определяют необхо­димость их классификации по отдельным группам. Научно обоснованной классификации металлов до сих пор не разработано.

Однако на основании общности физико-химических свойств, сход­ства методов извлечения из сырья и производства металлов, а также некоторых других признаков цветные металлы подраз­деляют на следующие группы, табл.1 и подгруппы.

Название «цветные металлы» довольно услов­но, так как фактически только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Все остальные металлы, включая черные, имеют серый цвет с различными оттенками - от светло – до темно - серого.

Отдельно от других элемнтов стоит кремний. Кремний (Si) – многоликий элемент. В настоящее время классифицируется как полупроводниковый элемент, фактически его можно отнести к самостоятельной группе, так как с точки зрения его использования он может быть отнесен к ферросплавам – используется для раскисления стали, образования различных сплавов, в том числе и цветных металлов (силумин - сплав алюминия и кремния), а также является материалом для получения неорганических и органических соединений (кремний органические соединения).

Цветные металлы условно делятся на пять групп:

1. Основные тяжелые металлы: медь, кобальт, никель, свинец, цинк и олово.

2. Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть.

3. Легкие металлы: алюминий, магний, натрий, калий, барий, кальций, стронций.

4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий).

5. Редкие металлы. По промышленной классификации редкие металлы подразделяются на следующие подгруппы:

5.1. тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, рений, титан, тантал, ниобий, цирконий, гафний и ванадий;

5.2. легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий, цезий, франций;

5.3. рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, герма­ний, селен и теллур;

5.4. редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды;

Лантаноиды – церий, празеодим, неодим, прометей, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий тулий, иттербий, лютеций.

5.5 радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы.

Тяжелые цветные металлы. Свое название они получили из-за более больших масштабов производства и потребления цветных металлов, несколько большего («тяже­лого») удельного веса, чем железо (плотность металлов составляет у олова 5, 8 г/см³, цинка – 7,1; кобальта 8,84; никеля – 8,9; меди – 8,96; свинца – 11,3; температура плавления находится в достаточно широком диапазоне: 231,9 ⁰ – олово; 327 – свинец; 419,5 – цинк; 1083- медь; 1453 – никель; 1493 –кобальт; металлы весьма пластичны- твердость по Бринелю составляет: свинец 2.5 – 4 НВ; олово 3,9 – 4,2; медь 35; цинк – 40 -50; никель 60-80; кобальт - 124.

Малые тяжелые металлы являются природными спут­никами основных тяжелых металлов. Обычно их получают попутно при производстве основных тяжелых металлов.

Легкие металлы имеют самую низкую среди других металлов плотность (удельную массу : калий – 0,86 г/см³; натрий – 0,97; кальций – 1,54; магний – 1,74; алюминий – 2,6; барий – 3,76.

Таблица 1 – Подразделение элементов периодической системы

Группа	Наименование группы	Элементы
Неметаллы	Неметаллы	H, B, C, N, P, O, S
	Галогениды	F, Cl, Br, I, At
	Инертные газы	He, Ne, Ar, Kr, Xt, Rn
Металлы	Черные	Fe, Mn, Cr
	Цветные
	Тяжелые цветные	Cu, Ni, Co, Zn, Pb, Sn
	Малые тяжелые цветные	Cd, Hg, As,Sb, Bi
	Легкие	Na, K, Mg, Ca, Ba, Al
	Благородные	Ag, Au, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt
	Редкие
	Тугоплавкие	W, Mo, Re, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf
	Легкие редкие	Li, Rb, Cs, Fr, Be, Sr
	Рассеянные (полупроводниковые)	Ga, In, Tl, Ge, Se, Te, (Si)
	Редкоземельные	Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu,Gd,Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
	Радиоактивные	Ra, U, Pa, Po, Ac и трансурановые
Кремний		Si

Благородные металлы обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред.

К группе «редкие» отнесены металлы, которые по ряду причин начали использовать в технике лишь в конце XIX или в XX столетии. Это обусловлено тем, что большинство редких металлов было открыто в конце XVIII и в XIX вв., а некоторые из них – XX веке. При этом малая распространенность и рассеянность в земной коре многих редких металлов, а также трудности извлечения и получения в чистом виде некоторых из них существенно препятствовали их освоению.

И все же, если взглянуть на табл. 2 среднего химического состава земной коры, то можно отметить, что не все «редкие» металлы так уж редки.

Из изложенного следует, что группа «редкие металлы» выделена не в результате какой-либо научной классификации элементов, а в большей степени исторически.

Легкие редкие металлы. В эту группу входят редкие металлы I и II групп периодической системы (кроме радия). Они имеют малую плотность (литий 0,53, цезий 1,87 г/см³) и отличаются высокой химической активностью. Подобно легким цветным металлам (алюминию, магнию, кальцию), легкие редкие металлы получают электролизом расплавленных солей или металлотермическими способами.

Тугоплавкие редкие металлы. Все металлы этой группы относятся к переходным элементам IV, V и VI групп перио­дической системы, у которых происходит достройка элек­тронного d-уровня. Эта особенность определяет ряд физиче­ских и химических свойств металлов рассматриваемой груп­пы: тугоплавкость (температура плавления составляет от 1660 для титана до 3400 °С для вольфрама), высокую прочность, коррозионную стойкость, переменную валентность, обусловливающую многообразие химических соединений. Все тугоплавкие металлы образуют тугоплавкие и твердые карби­ды, бориды, силициды.

В связи с высокими температурами плавления в техноло­гии производства тугоплавких металлов широко используют методы дуговой и электронно-лучевой плавки, а также метод порошковой металлургии.

Для тугоплавких металлов характерна общность многих областей применения. Так, их используют как легирующие элементы в сталях и компоненты жаропрочных и твердых сплавов. Многие из них применяют в электротехнике и элек­тровакуумной технике.

Рассеянные редкие металлы. Объединяющий признак группы - рассеянность элементов в земной коре. Большей частью рассеянные элементы находятся в форме изоморфной примеси в малых концентрациях в решетках других минералов и из­влекаются попутно из отходов металлургических и химичес­ких производств. Так, галлий содержится в минералах алю­миния; индий, таллий и германий встречаются в цинковых обманках и других сульфидных минералах; германий - в ка­менных углях

Редкоземельные металлы (лантаноиды). Близость физико-химических свойств лантаноидов (от церия до лютеция) объ­ясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе от одного элемента к дру­гому происходит заполнение глубоколежащего 4f-уровня. К лантаноидам примыкают по свойствам элементы третьей груп­пы - лантан, скандий и иттрий, которые вместе с лантаноидами составляют группу редкоземельных металлов.

Редкоземельные металлы (лантаноиды). Близость физико-химических свойств лантаноидов (от церия до лютеция) объ­ясняется одинаковым строением внешних электронных уровней их атомов, так как при переходе от одного элемента к дру­гому происходит заполнение глубоколежащего 4f-уровня. К лантаноидам примыкают по свойствам элементы третьей груп­пы - лантан, скандий и иттрий, которые вместе с лантаноидами составляют группу редкоземельных металлов.

.

В рудном сырье редкоземельные элементы сопутствуют друг другу и на первых стадиях технологии выделяю тся в виде смеси оксидов. Сложная задача разделения редкозе­мельных элементов успешно решена благодаря использованию методов жидкостной экстракции и ионообменной хроматографии.

Радиоактивные редкие металлы. В этой группе объединены естественные радиоактивные элементы: полоний, радий, то­рий, уран и искусственно полученные заурановые элементы -нептуний, плутоний и др.

Следует учитывать, что редкие металлы не обязательно (как иногда ошибочно представляют) относятся к элементам, мало распространенным в земной коре.

Однако в настоящее время многие из редких металлов получили широкое применение, причем без них невозможно существование ряда важных отраслей техники (производства легированных сталей, твердых и жаропрочных сплавов, изго­товления электронных приборов, атомной энергетики и мно­гих других).

На основе обобщения многочисленных анализов различных горных пород ученые - геохимики установили состав земной коры - верхней оболочки земли толщиной 16 - 20 км. Из табл. 2 видно, что для большинства металлов характерно низкое содержание в земной коре. Однако многие из них более распространены, чем давно известные человеку металлы. Например, титан стоит девятым в ряду распростра­ненности; цирконий, ванадий, литий, церий и др. более распространены, чем такие обычные металлы, как свинец, мышьяк, олово, ртуть, серебро, золото.

Следует, однако, учитывать, что некоторые металлы весьма рассеяны в земной коре, т.е. не способны или имеют очень ограниченную способность образовывать самостоятельные минералы и рудные месторождения. Например, содержание галлия в земной коре выше, чем олова, мышьяка и ртути. Однако галлий не обра­зует самостоятельных минералов и находится в рассеянном состоянии в решетках других минералов, тогда как олово, ртуть и мышьяк образуют минералы и месторождения. Поэтому они представляются более распространенными в земной коре.

Таблица 2 – Средний химический состав земной коры по А.П. Виноградову (мощность 16 км без океана и атмосферы)

Декада	Содержание химических элементов, % ( по массе)
I	0 47,2; Si 27,6
I I	Al 8,80; Fe 5,10; Ca 3,60; Na 2,64; К 2,60; Mg 2,10
I I I	Ti 0,60; H (0,15); С 0,10
I V	Mn 0,09; P 0,08; S 0,05; Ba 0,05; Cl 0,045; Sc 0,04; Rb 0,031; F 0,027; Zr 0,020; Сг 0,02; V 0,015; Сu 0,01; N 0,01
V	Ni 8 * 10 –3 ; Li 6,5 *10 -3; Zn 5 *10 –3 ; Се 4,5 * 10 –3 ; Sn 4 * 10 -3; Со 3 * 10 -3; Y 2,8 * 10 -3; Nd 2,5*10 -3; La 1,8*10 -3; Pb 1,6*10 -3; Ga 1,5*10 -3; Nb 1* 10-3; Cd 1* 10 –3
V I	Th 8*10 -3; Cs 7*10 -4; Pr 7*10 -4; Sm 7*10 -4: Ge 7*10 -4; Be 6*10 4; Sc 6*10 -4; As 5*10 -4; Dy 4,5*10-4; Ег 4* 10 -4; Yb 3*10 -4; V 3*10 -4; Т1 3* 10 -4; Мо 3* 10 -4; Hf 3,2* 10 –4; В 3*10 -4; Вг 1,8* 10 -4; Ho 1,3 * 10 -4; Eu 1,2*10 –4; W 1*10 -4; Lu 1*10 –4
V I I	Tm 8*10 –5; Se 6*10 -5; Cd 5*10 -5; Sb 4* 10 –5; I 3* 10 -5; Bi 2 *10 –5; Ag 1 * 10 -5; In 1 * 10 –5
V I I I	Hg 7*10 -6; Os 5*10 -6; Pd 1*10 –6; Те 1*10 –6
I X	Ru 5*10 -7; Pt 5 * 10 –7; Аu 5*10 -7; Rh 1*10 -7; Re 1* 10 -7; Ir 1*10 -7
X	Ас 6*10 –10; Ra 1*10 -10; Pa 1 * 10 -10; Ро 2*10 –14; Рu 1* 10 -15; Rn 7*10 –16

Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий (8,8%), железо (4,65%), магний (2,1%), титан (0,63%). Природные ресурсы ряда весьма важных металлов измеряются сотыми и даже тысячными долями процента. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.

К рудам черных металлов обычно относят месторождения железа, марганца, хрома.

К рудным месторождениям легких металлов обычно относят руды, содержащие алюминий; основной поставщик алюминия - бокситы, а также алуниты, нефелины и различные глины.

К рудным месторождениям цветных металлов относятся место­рождения меди, свинца и цинка, кобальта, никеля, сурьмы. Запасы металлов в наиболее крупных из них достигают от десятков до сотен млн. т, при обычном содержании металлов в руде - единицы процентов.

Характерными для рудных месторождений редких металлов являются месторождения олова, вольфрама, молибдена, ртути, бериллия, тантала и ниобия, титана, циркония. Наибольшие запасы в них достигают сотен тысяч тонн при содержании металла в руде обычно не выше 1%.

Таким образом, масса добываемых материалов во много раз превышает количество содержащихся в руде металлов и в по­давляющем большинстве случаев из природных руд экономиче­ски невыгодно (а часто и технически невозможно) непосред­ственно извлекать полезные компоненты. В этих случаях осуществляется обогащение руд.

Процесс обогащения обычно включает операции дробления, измельчения. Собственно обогащение осуществляется с ис­пользованием различных свойств материалов. Например, при разной плотности разделяемых минералов применяются методы гравитационного обогащения (различие в скорости движения частиц в воде или в воздухе). Различие в физико-химических свойствах поверхности лежит в основе флотаци­онных процессов. При различии магнитной восприимчивости используют метод магнитной сепарации. Иногда используют такой способ, как обжиг и т.д. В результате обогащения получают два продукта: концентрат и хвосты. Если в руде содержится ряд полезных компонентов, то из нее получают несколько концентратов (или комплексные концентраты, компоненты которых разделяются уже в металлургическом пере­деле).

Здесь же упомянем о содержании таких распространенных у металлургов терминов, как гидрометаллургия (от греческого: hydor - вода), пирометаллургия (от греческого: руг - огонь), биотехнологии (от греческого: Bios - жизнь).

Гидрометаллургия - это извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи воды и водных растворов химических реактивов (выщелачива­ние) с последующим выделением металлов из растворов (на­пример, цементацией, электролизом).

Пирометаллургия - это металлургические процессы, про­текающие при высоких температурах (обжиг, плавка и т.п.).

Биотехнологии - технологии, связанные с деятельностью живых организмов (в данном случае - микроорганизмов). Анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что во многих странах мира идет интенсивный научный поиск по применению различных микроорганизмов к конкретным метал­лургическим объектам (биовыщелачивание, биоокисление, биосорбция, биоосаждение и очистка растворов). В част­ности, железоокисляющие бактерии уже находят применение для выщелачивания металлов из сульфидных и смешанных руд, концентратов и отходов производства, обессеривания углей и т.п. Для получения желательных (более активных) мутантных штаммов используют методы генной инженерии. К настоящему времени наибольшее применение биотехнические процессы нашли для извлечения таких цветных металлов, как медь, золото, цинк, уран, никель из сульфидного сырья. Особое значение имеет реальная возможность использования методов биотехнологии для глубокой очистки сточных вод металлургических производств.

Масштабы переработки руд в мире огромны. Достаточно сказать, что несколько лет назад на территории СССР обо­гащению ежегодно подвергалось более 1 млрд. т руды!

Получаемые в результате обогащения концентраты посту­пают на металлургические предприятия для непосредственно­го получения из них тех или иных металлов и сплавов.

*Любознательным рекомендуется ряд книг по истории производства металлов (см. Список литературы).

Литература