4.5 Загрязнение окружающей среды

Высокотемпературные методы окускования являются одним из крупнейших источников загрязнения окружающей среды. Например, доля аглофабрик в выделении пыли составляет – 17%, оксидов серы – 46%, оксидов азота – 20%, оксидов углерода – 55% от общих выбросов черной металлургии.

Запыленность газов агломерационного производства равна 1–7 г/м³. Выход пылей составляет 2,5–3,0% от массы шихты. Объем газов равен 2500 м³/т шихты.

Очистка газов осуществляется преимущественно в электрофильтрах (степень пылеулавливания 98,0–99,6%). В России преобладает очистка в батарейных циклонах (степень улавливания 71–83%).

Системы очистки аглогазов от газовых примесей находятся в основном на стадии разработки и внедрения. В нашей стране предлагается производить очистку газов от сернистого ангидрида в скрубберах, орошаемых известняковой суспензией. Продукты сероочистки предлагается использовать как удобрение для кислых почв.

Вопросы для самопроверки

1. Чем вызвана необходимость предварительной подготовки природного и техногенного сырья?

2. По каким признакам оценивается качество природного и техногенного сырья?

3. Назовите основные стадии подготовки сырья к процессам производства различных металлов. Почему их необходимо рассматривать во взаимосвязи между собой?

4. От каких факторов зависит выбор способа обогащения и окомкования сырья?

5. Какие продукты образуются в результате обогащения? Дайте их краткую характеристику.

6. Какими показателями оценивается процесс обогащения?

7. Чем обусловливается выбор места обогащения и окускования природного сырья – в месте добычи или переработки его?

8. Чем диктуется необходимость дробления и измельчения сырья?

9. В чем состоит основной принцип дробления и каким образом он выполняется?

10. Укажите основные стадии и способы дробления.

11. Какие агрегаты используются для дробления.

12. На каких принципах основываются процессы грохочения и классификации?

13. Назовите основные способы обогащения сырья.

14. Обоснуйте необходимость усреднения сырья и каким путем оно обеспечивается?

15. Объясните причины упрочнения измельченных материалов в процессе окомкования.

16. Чем обусловлен переход в процессах окускования от агломерации к окомкованию (окатыванию)?

17. Укажите на достоинства процесса окомкования в сравнении с агломерацией.

18. Почему процессы окускования руд различных металлов являются крупнейшими загрязнителями окружающей среды?

5 Металлургия

5.1 Общие сведения

Значение металлов и металлургии трудно переоценить. В истории человеческого общества известны периоды его развития: «золотой» и «бронзовый» века. С заменой каменных, деревянных и костяных орудий труда изменилась материальная культура древних народов.

В Древнем мире было известно восемь металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма), к концу XVI в. число их увеличилось до 20, через сто лет – до 50, а в настоящее время промышленная номенклатура включает 75 – 80 наименований.

Долгое время металлургия была ремеслом, опиравшимся на искусное мастерство немногих умельцев, и развивалась на основе традиций и навыков, передававшихся из поколения в поколение. В наше время металлургия – это промышленность и наука, опирающиеся, прежде всего на знания в области химии и физической химии.

Металлургия – крупное и энергоемкое производство, по объему вовлекаемого в переработку сырья превосходящее другие отрасли перерабатывающей промышленности. Примерно 95% вовлекаемого в переработку металла составляют железо и его сплавы, мировой выпуск которых достиг 800 млн. т.

Современная техника, связанная с атомной энергией и электроникой, использует металлы высокой чистоты, содержащие миллионные доли примесей. Многообразие номенклатуры выпускаемой продукции, повышенные требования к ее качеству, масштабность производства обусловили сложность и широкий спектр применяемых в металлургии схем и процессов.

Понятие «металлы» является в достаточной степени неопределенным. К металлам относят тела, обладающие ковкостью (пластичностью), а также имеющие физические свойства, блеск, высокие электро- и теплопроводность, прочность. В ряде случаев этой совокупности свойств недостаточно для четкого разделения простых тел на металлы и неметаллы. Признание получила достаточно условная техническая классификация металлов, которая делит все металлы на черные и цветные.

К черным относят железо и его сплавы (чугуны, стали, ферросплавы), а также к этой группе принято причислять хром и марганец, которые обычно используют в виде добавок к железу (феррохром, ферромарганец).

Все остальные металлы объединяют общим названием «цветные», которые в зависимости от физико-химических свойств, масштабов производства и потребления делят на пять групп:

• тяжелые (медь, никель, свинец, цинк, олово);

• легкие (алюминий, магний, титан, кальций, калий);

• малые (мышьяк, сурьма, кобальт, молибден, вольфрам, ртуть);

• благородные (золото, серебро и металлы платиновой группы – платина, палладий, родий, осмий, иридий);

• редкие, к которым относится около 60 элементов, обладающих разнообразными физическими и химическими свойствами. Общим для них следует считать относительную новизну применения в технике, следовое содержание в земной коре, весьма незначительный тоннаж производства.

Доминирующая роль черных металлов в общем объеме их производства составляет основу конструкционных материалов. Все отрасли прямо или косвенно связаны с их потреблением. Важна роль цветных металлов в самолетостроении, машиностроении, электронике, приборостроении. Потребительские свойства черных и цветных металлов существенно расширяются при использовании их в виде сплавов двух или нескольких элементов. Наиболее масштабно применение сплавов железа.

Из сплавов железа простейшими являются его сплавы с углеродом, где присутствуют также марганец, кремний, сера и фосфор. По содержанию углерода сплавы разделяют на сталь (0,01–1,7%) и чугун (1,7– 4,5%).

Сталь сохраняет пластичность и ковкость железа, но имеет более высокие упругость, твердость и прочность.

Чугун непластичен, хрупок, является продуктом первоначальной переработки железных руд и служит исходным продуктом для производства стали.

Чугун и сталь часто легируют, т.е. вводят в них добавки с целью придания дополнительных нужных свойств. Легирующими компонентами служат другие металлы: марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий и т.д. Их добавление позволяет получить высокую прочность, особые физические и технические характеристики: коррозионную стойкость, вязкость, жаростойкость, износостойкость, упругость, немагнитность и т.п.

Сплавы железа с другими элементами называются ферросплавами. Из них наиболее распространены сплавы с 60–65% хрома (феррохром), 70–80% марганца (ферромарганец) и кремния (ферросилиций), которые используют для легирования, обессеривания и раскисления (удаление кислорода) сталей.

Важнейшими сплавами цветных металлов являются латуни, бронзы, силумины, дюралюмины, твердые сплавы.

Латуни – сплавы меди (60–90%) с цинком. Они хорошо отливаются, прокатываются, штампуются, легко обрабатываются, прочнее меди, меньше окисляются. Изделия из латуни широко применяются в химическом машиностроении, автотракторостроении, судостроении и других отраслях промышленности.

Бронзы – сплавы меди с оловом, или алюминием (5–11%), кремнием (45%), свинцом (23–33%) и др. Их применяют для изготовления подшипников, пружин, троллейных проводов, антиквариата и т. п.

Силумин – сплав алюминия с кремнием, по прочности не уступающий стали, обладающий высокими литейными свойствами, предназначенный для отливки моторов, поршней, коробок скоростей автомобилей.

Дюралюминий – сплав алюминия с медью (3,5–5,5%). Широко используется для обшивки самолетов, автобусов и т.д.

Твердые сплавы – очень твердые и износостойкие материалы, сохраняющие эти свойства при нагревании до 900–1000С, которые готовят на основе карбидов вольфрама и титана при различном содержании кобальта (3–15%) методами порошковой металлургии и массово применяют при наплавке бурового и режущего инструмента.

Основное назначение (получение металла или сплава) металлургии реализуется через ряд технологических процессов, в которых рудные минералы, а затем и металлы последовательно отделяются от химически связанных с ними пустой породы и вредных примесей.

Металлургические процессы проводят при высоких температурах, с участием расплавов или в расплавах (пирометаллургия), в водных растворах кислот, щелочей, солей (гидрометаллургия).

Доминирующими являются пирометаллургические процессы, обеспечивающие высокую производительность технологических агрегатов. Пирометаллургия служит одним из основных источников загрязнения окружающей среды. На долю черной металлургии приходится 15–20% российских промышленных выбросов в атмосферу (1,6 млн. т/год пыли, 7,3 млн. т/год газообразных веществ), в водоемы (около 4,0 млрд. т/год, загрязненных механическими и химическими примесями).