Введение

Металлургия, как ремесло, как способ получения некоторых металлов, известна с древних времен. Металлургия, как наука, начала складываться в середине XVIII века на основе успехов химии, после открытия М.В.Ломоносовым в 1748 г. закона сохранения массы при химических реакциях. Последовавшие за тем фундаментальные работы в области собственно металлургии и физической химии сделали возможным не только расширение ассортимента металлов, получаемых и применяемых в технике, но и разработку физико-химических основ целого ряда принципиально новых металлургических процессов, позволяющих получать практически все металлы периодической системы Д.И.Менделеева.

В настоящее время металлургия - это область науки и техники, а также отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или других материалов, процессы, сообщающие металлическим сплавам определенные свойства путем изменения их химического состава и структуры, а также процессы придания металлу определенной формы. Современный технический прогресс, развитие в последние десятилетия машиностроения, авиации, энергетики, электроники, химии, атомной, ракетной и космической техники невозможны без расширения областей применения металлов, особенно цветных, совершенствования существующих и создания новых металлических сплавов, обладающих более высокими свойствами. Цветная металлургия - это отрасль металлургии, охватывающая производство цветных металлов и их сплавов, начиная от добычи и переработки сырья и кончая получением готовой продукции (металлов, сплавов, а также полупроводниковых материалов).

К металлургии вообще и цветной, в частности, относятся: процессы обработки руд с целью их подготовки к извлечению металлов (дробление, обогащение, окускование и др.), процессы извлечения металлов из руд и других материалов; очистка металлов от нежелательных примесей (рафинирование); производство металлов и сплавов в виде заготовок; термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка металлов; обработка металлов давлением и литьем; покрытие в декоративных или защитных целях поверхности изделий из металлов слоями другого металла и диффузионное внедрение в поверхностные слои металлических изделий других металлов и неметаллов. Металлургия включает в себя также металловедение. Металловедение - наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Что же такое металл? В химии под металлами понимают определенную группу элементов, расположенную в левой части периодической таблицы Д.И.Менделеева. Атомы элементов этой группы характеризуются наличием внешних, так называемых валентных электронов, непрочно связанных с ядром и обладающих большой свободой движения. Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов Meⁿ⁺, окруженных отрицательно заряженными частицами -электро­на­ми, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются и принадлежат не одному какому-то ядру, а всей совокупности атомов. Таким образом, характерной осо­бен­ностью атомно-кристаллического строения металлов явля­ется следующее. В определенных местах кристаллической решетки располагаются положительно заряженные ионы, а наружные свободные электроны создают внутри металла “электронный газ”, который беспорядочно движется во всех направлениях. Легкое перемещение электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловливают наличие у металлов типичных металлических свойств. При химическом взаимодействии между металлами и неметаллами внешние электроны от атомов металла переходят к атомам неметалла. Атом металла превращается при этом в положительный ион, а атом неметалла - в отрицательный.

В технике под металлами понимают вещества, обладающие высокими значениями электро- и теплопроводности, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать световые волны (что обусловливает их характерный “металлический” блеск и непрозрачность), пластичностью. Определение, данное М.В.Ломоносовым: “Металлы - суть светлые тела, которые ковать можно”, не потеряло своего значения и теперь, через 250 лет.

Из 107 элементов периодической системы 86 - металлы, из них 83 - цветные. Общее количество металлов в земной коре, составляет около 1/4 ее массы, в том числе некоторые из них содержатся в следующих количествах, % (по массе): алюминий 8,8; железо 5,1; кальций 3,6; натрий 2,6; магний 2,1; титан 0,6; медь 0,01; никель 0,008; цинк 0,005; олово 0,004; кобальт 0,003; свинец 0,0016; ниобий 0,001; молибден 310^-4; вольфрам 110^-5; серебро 510^-7; золото 510^-7. Масштабы производства металлов не совпадают с их распространенностью в природе и составляют (приводится порядок чисел), т/год: железо (6-7)10⁸; алюминий, медь (1-1,5)10⁷; цинк, сви­нец, олово (3-5)10⁶; никель, магний (2-6)10⁵; титан, молибден, вольфрам, сурьма, кадмий, литий, уран, кобальт, ванадий (1-7)10⁴; серебро, золото, ртуть, бериллий, висмут (1-10)10³; тантал, цирконий, германий (1-10)10²; галлий, рений, платина, палладий, индий (1-10)10; иридий, родий (1-10)10^-1. Алюминий, медь, цинк, свинец, олово, никель, магний, титан, молибден, вольфрам, кобальт составляют по стоимости более 80 %, а по массе - 99 % выпускаемой в мире продукции цветных металлов. Необходимо отметить, что цветная металлургия, как отрасль промышленности, производит не только цветные металлы и сплавы, но и серную кислоту, элементарную серу, соду, минеральные удобрения, стройматериалы и другую важную продукцию.

Бурный рост за последние десятилетия производства цветных металлов значительно обеднил сырьевую базу отрасли. Ухудшается качество руд, снижается содержание в них ценных компонентов, горные работы приходится вести на все больших глубинах. Новые месторождения расположены, как правило, в отдаленных, труднодоступных районах и для их освоения требуются огромные капитальные затраты. В этих условиях важное значение приобретает вторичная металлургия цветных металлов - подотрасль цветной металлургии, производящая заготовку, первичную обработку и металлургическую переработку вторичного сырья - лома и отходов цветных металлов и сплавов. Доля металлов, полученных из вторичного сырья, в общем объеме производства алюминия, меди, цинка, свинца и олова составляет порядка 30%. Термин “вторичный” указывает лишь на происхождение, а не на качество металла, то есть первичные и вторичные металлы следует различать не по их качеству, а по источникам сырья.

Обозначения величин, приведенных в книге, даны в соответствии с международными стандартами и рекомендациями (приводятся в порядке упоминания в тексте):

металл - Me

число степеней свободы - c

число компонентов - k

число параметров - n

число фаз - m

внутренняя энергия - U

энтропия - S

энтальпия - H

энергия Гиббса - G

энергия Гельмгольца - A

термодинамическая (абсолютная) температура - T

объем - V

давление - p

теплота, тепловой эффект реакции - Q

работа - W

теплоемкость - c

температура в градусах Цельсия - t

константа равновесия - K, K_p, K_c

концентрация - C, с

универсальная газовая постоянная - R

константа скорости реакции - k

энергия активации - Е

мольно-объемная концентрация, молярность - M

эквивалентная концентрация, нормальность - н

мольно-массовая концентрация, моляльность - м

водородный показатель - рН

активность - a

коэффициент активности - 

ионное произведение воды - K_B

мольная доля - N

химический потенциал - 

постоянная Генри - г

степень диссоциации - 

электродный потенциал - Е

число Фарадея - F

напряжение разложения - Е_р

сила тока - J

электрическое сопротивление - r

коэффициент распределения (при зонной плавке) - K

произведение растворимости - L

коэффициент распределения (при экстракции, ионном обмене) - D

извлечение (степень экстракции) - 

полнота извлечения (при ионном обмене) - 

коэффициент разделения (при экстракции) - 

коэффициент разделения (селективности) при ионном обмене - T

критерий Рейнольдса - Re

число Архимеда - Ar

продолжительность - 

электрохимический эквивалент - k

количество электричества - q

химический эквивалент - k F

выход по току - B_T

выход по энергии - B_Э

электрическая энергия - W

плотность тока - D

степень дробления - i

магнитная восприимчивость - 

Текст книги набран двумя шрифтами. Основной текст, напечатанный корпусом, обязателен для усвоения. Чтение и изучение только материала, напечатанного корпусом, не нарушает связности изложения. Петитом набрана часть текста, содержащая развитие и дополнение некоторых положений основного текста, а также материалы справочного характера.