Главные особенности цветной металлургии

Как уже указывалось, в рамках данного курса основное внимание уделяется оборудованию и техническим решениям, применяемым в черной металлургии. В отношении цветной металлургии приводятся только некоторые наиболее важные положения и указываются основные особенности.

Сначала приведем некоторые самые общие данные.

Представляет интерес отметить, что в соответствии с периодической системой 80 из 109, то есть подавляющая часть элементов относится к категории металлов.

Металлы имеют следующие отличительные признаки: кристаллическая структура, металлический блеск, непрозрачность, высокая электро- и теплопроводность, пластичность. Интересно отметить, что в настоящее время технический прогресс ставит под сомнение многие незыблемые постулаты. Так, разработаны способы производства аморфной металлической ленты, где вследствие очень высокой скорости охлаждения в металле не успевает образоваться кристаллическая решетка. Такая аморфная лента обладает специфическими свойствами и широко применяется при производстве компьютеров, радио и телевизионной техники и некоторых других отраслях.

Выделяются следующие основные группы цветных металлов:

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

малые тяжелые (висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть, кобальт);

легкие (алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций);

благородные (золото, серебро, платина и платиноиды);

В свою очередь редкие металлы делятся на следующие группы:

тугоплавкие (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий);

легкие (литий, берилий, рубидий, цезий);

рассеяные (галий, индий, талий, германий, гафний, рений, селен, теллур);

редкоземельные (скандий, иттрий, лантан, лантаноиды);

радиоактивные (радий, уран, торий, актиний, трансурановые элементы).

Представляет интерес информация о распространенности некоторых наиболее широко применяемых в промышленности элементов в земной коре, %:

Наиболее широко распространен алюминий. Примерно вдвое меньше распространено железо, достаточно широко распространен магний. Значительно меньше распространены титан, медь, цинк, никель.

Цветная металлургия характеризуется очень низким содержанием металла в исходной руде, что делает необходимым обогащение руды с производством концентрата. Обращает на себя внимание высокая степень обогащения. Данные о содержании отдельных цветных металлов в исходной руде и в концентрате приведены в таблице 16.1.

Основные особенности цветной металлургии:

исключительно высокая материалоемкость;

комплексный характер сырья;

многоступенчатые технологические схемы переработки сырья;

большое разнообразие технологических процессов, схем и аппаратов (оборудования);

сочетание пиро- и гидрометаллургических процессов.

Низкое содержание металла в исходной руде предопределяет высокую материалоемкость производства и соответственно необходимость транспортировки большого количества исходного сырья. Для снижения транспортных затрат заводы цветной металлургии часто располагают как можно ближе к горнообогатительным комбинатам.

Руды цветных металлов как правило носят комплексный характер, то есть наряду с основным элементом в руде содержится большое количество других сопутствующих элементов. Это предопределяет сложные многоступенчатые технологические схемы переработки сырья.

В цветной металлургии применяется большое количество разнообразных технологических процессов, схем и аппаратов. В связи со своеобразием руд разных месторождений технологическая схема производства одного и того же металла на разных заводах существенно отличается.

В целом в цветной металлургии применяются следующие основные технологические стадии:

В отличие от черной металлургии, в которой применяются только пирометаллургические процессы, в цветной металлургии широко применяются гидрометаллургические процессы. Следует пояснить эти термины.

Пирометаллургические процессы осуществляются при высоких температурах с полным или частичным расплавлением перерабатываемых материалов.

Гидрометаллургические процессы осуществляются в водных средах при температуре не выше 300 °С. Гидрометаллургические процессы включают выщелачивание, очистку растворов от примесей, осаждение металлов из растворов. Из указанных трех технологических операций очевидно требует пояснения термин выщелачивание, то есть перевод извлекаемых компонентов в раствор (растворение) при воздействии на перерабатываемый материал растворителя.

Цветная металлургия в значительной мере определяет индустриальную мощь страны и как источник основных конструкционных материалов служит фундаментом для машиностроения, в первую очередь обеспечивающего научно-технический прогресс (НТП). Она производит разнообразные и уникальные по физическим и химическим свойствам конструкционные материалы, находящие самое широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. В ее состав входят медная, свинцово-цинковая, никель-кобальтовая, алюминиевая, титаномагниевая, вольфрамомолибденовая промышленность, производство благородных металлов, твердых сплавов, редких металлов и другие отрасли, обособленные в зависимости от вида выпускаемой продукции, а также добыча алмазов. По стадиям технологического процесса выделяются: добыча и обогащение исходного сырья, металлургический передел и обработка цветных металлов.

Для цветной металлургии характерна организация замкнутых технологических схем с многократной переработкой промежуточных продуктов и утилизацией отходов. Она объединяет большое число предприятий, занятых добычей соответствующих руд и их первичной обработкой, производством цветных металлов, их сплавов и соединений, а также переработкой этих металлов, их сплавов в изделия. Кроме металлов, отрасль производит серу, сернистые соединения и другие продукты. В связи с разнообразием используемого сырья и широким применением цветных металлов в народном хозяйстве цветная металлургия характеризуется сложным составом и структурой. По своим свойствам и назначению цветные металлы делятся на четыре группы:

основные, к которым относятся тяжелые (медь, цинк, олово, никель), легкие (алюминий, магний, титан, натрий, калий и др.), малые (висмут, кадмий, сурьма, мышьяк, кобальт, ртуть);

легирующие (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, ванадий);

благородные (золото, серебро, платина);

редкие и рассеянные (цирконий, галлий, индий, таллий, германий, селен и пр.).

Россия обладает мощной цветной металлургией, отличительная черта которой — развитие на основе собственных ресурсов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний). На основании этого деления различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов.

Особенности сырьевой базы цветной металлургии:

• — крайне низкое в количественном отношении содержание полезных компонентов в сырье (медные — от 1 до 5%, свинцово-цинковые — от 1,5 до 5,5%, никелевые — от 0,3 до 5,5%, оловянные — от 0,01 до 0,7%, молибденовые — от 0,005 до 0,04%). Практически для получения, например, 1т меди требуется переработать не менее 100т руды, никеля — до 200т, олова — до 300т. Расход сырья на 1 т готовой продукции в сотни раз превосходит объем готового изделия, а при производстве редких металлов — в десятки и даже сотни тысяч раз;
• — исключительная многокомпонентность сырья (например, уральские медные колчеданы содержат медь, железо, серу, золото, кадмий, серебро, селен, теллур, индий, галий и другие элементы, в общей сложности до 30, например, карабашские руды в Челябинской области);
• — огромная топливоемкость и электроемкость сырья в процессе его переработки (для производства никеля, например, до 55 т топлива на 1 т готовой продукции; для цинка — до 3 т; черновой меди — до 3,5 т; глинозема до 12 т и т.д.). Для производства 1 т алюминия требуется до 17тыс. кВт . ч. электроэнергии, 1 т титана — до 20-60 тыс. кВт . ч., магния — до 20 тыс. кВт . ч. и т.д.

Особенности сырьевой и топливно-энергетической баз оказывают сильное влияние на размещение цветной металлургии, которая является материало-энергоемкой отраслью промышленности. В связи с этим размещение цветной металлургии зависит главным образом от сырьевой базы. При этом обогащение непосредственно к местам добычи руд цветных металлов, за исключением тех случаев, когда вблизи отсутствуют достаточно надежные источники водоснабжения, так как обогащение требует большого количества воды (8-10 тыс. м 3 на 1 т медно-никелевых руд и т.д.).

Особенностью цветной металлургии, как уже было отмечено, является высокая энергоемкость сырья в процессе его подготовки к металлургическому переделу и переработке. В связи с этим в отрасли различают топливоемкие и электроемкие производства. Высокая топливоемкость (50-55% на 1 т готовой продукции) характерна, например, для производства никеля, гливозема из нефелинов (11,5 т на 1 т готовой продукции), черновой меди и др. Повышенной электроемкостью отличается производство алюминия (17-18 тыс. кВт . ч) на 1 т готовой продукции, магния (18-20 тыс. кВт . ч), кальция (30-50 тыс. кВт . ч), титана (20-60 тыс. кВт . ч) и др. В целом же по отрасли доля топливно-энергетических затрат составляет от 10 до 50-65% общих затрат на 1 т производимой продукции.

Эта особенность сырьевой базы обусловливает размещение цветной металлургии в регионах наиболее обеспеченных электроэнергией.

Урал является старейшим из регионов России по производству цветных металлов, особенно меди, алюминия, цинка, никеля, кобальта, свинца, золота и многих редких металлов. В настоящее время на Урале действует 11 предприятий медной промышленности, в состав которых входят 16 рудников, 8 обогатительных фабрик, 5 медеплавильных и 2 медеэлектролитных заводов. Из числа этих предприятий следует выделить наиболее крупные: Башкирский и Учалинский горнообогатительный комбинаты и Бурибаевское рудоуправление (Башкортостан), Карабашский медеплавильный и Кыштымский медеэлектролитный заводы (Челябинская область), Красноуральский и Кировоградский медеплавильные комбинаты, Дегтярское рудоуправление, Среднеуральский медеплавильный завод и комбинат "Уралэлектромедь" (Свердловская обл.), Гайский ГОК и Медногорский медносерный комбинат (Оренбургская обл.)

На Уральских предприятиях производится почти 43% рафинированной меди, около 65% цинка в концентрате от общего производства их в России, а также значительное количество золота, серебра, редких и рассеянных металлов.

Развита цветная металлургия в Северном и Северо-Западном районах, где ведется добыча и обогащение нефелинов, бокситов, титановых, медно-никелевых руд. Алюминиевые заводы размещаются в Кандалакше, Надвоицах, Бокситогорске, медеплавильный — в Мончегорске, никелевый — в г. Никель. В перспективе добыча алюминиевых руд может существенно возрасти за счет разработки новых месторождений: Северо-Онежского (Плесецк), Средне-Тиманского.

Восточная Сибирь и Дальний Восток отмечаются высоким уровнем развития цветной металлургии. Она является одной из важнейших отраслей промышленности Дальнего Востока, на его долю приходится основная часть общероссийской добычи оловянных руд, золота, свинцово — цинковых руд, вольфрама, ртути.

Особенно быстро развивается в восточных районах России алюминиевая промышленность. Целесообразность продвижения ее на восток и в первую очередь в Восточную Сибирь обусловлена относительно низкой трудоемкостью производства алюминия и небольшой долей в стоимости металла, транспортных затрат на перевозку глинозема из европейской части страны на Восток. В целом цветная металлургия, и алюминиевая промышленность, в частности, отличающиеся высокой энергоемкостью и ресурсоемкостью, опираются в своем развитии на крупнейшие энергетическую и минерально-сырьевую базы в регионе. Важнейшие центры их — Красноярский, Иркутский, Братский, Саянский, Шелеховский алюминиевые заводы, где осуществляется производство глинозема, металлического алюминия, цветного и легкого алюминиевого проката. Создается глиноземное производство в г. Ачинске.

Быстро развивается свинцово-цинковая промышленность с ориентацией на хорошую сырьевую и топливную базы (Кузбасс — Салаир, Забайкалье — Нерчинск, Дальний Восток — Дальнегорск и др.). В районе производится не только металл, но и более разнообразная продукция из него (экономичные профили проката, проволока, трубы, фольга, лента и т.п.).

Высокоразвитой отраслью цветной металлургии Сибири и Дальнего Востока является оловянная промышленность, имеющая некоторые особенности: во-первых, предприятия по обогащению и подготовке к переделу руд размещаются в местах добычи сырья, так как содержание полезного компонента в рудах очень малое, велик объем вскрышных пород при добыче сырья, содержание же олова в концентрате требуется весьма высоким (40-70%); во-вторых, предприятия металлургического передела размещаются в районах с большим потреблением готовой продукции, а также на пути транспортировки концентратов, что связано с их высокой транспортабельностью. Основные районы производства олова: Восточная Сибирь и Дальний Восток (Шерловогорский, Хрустальненский, Солнечный, Эсе-Хайский, Депутатский горно-обогатительные комбинаты).

Крупным центром металлургии является Норильский горно-металлургический комбинат, где не только наращиваются объемы производства, но и все полнее и комплекснее используется сырье. Здесь производятся никель, кобальт, платина, медь и другая продукция, получаемая в результате использования вторичного сырья.

Одной из острейших проблем на современном этапе развития металлургического комплекса России являются рациональное природопользование и охрана окружающей среды.

По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу и водоемы, образованию твердых отходов металлургия превосходит все сырьевые отрасли промышленности, создавая высокую экологическую опасность ее производства и повышенную напряженность в районах действия металлургических предприятий.

Защита окружающей среды в отраслях металлургического комплекса требует огромных затрат.

Различие их существенно влияет на выбор основного технологического процесса. Иногда более целесообразным оказывается применение технологического процесса, менее загрязняющего окружающую среду, чем контроль (с огромными затратами) уровня загрязненности и организация борьбы с этими загрязнениями при использовании традиционных технологий.

В настоящее время снижение социальной напряженности в районах действия металлургических предприятий может быть обеспечено прежде всего снижением экологической опасности, внедрением экологически чистых технологий и созданием безотходных производств.

Безотходная технологическая система — это сочетание организационно — технических мероприятий, технологических процессов и способов подготовки сырья и материалов, обеспечивающих комплексное использование сырья и энергии.

Переход к малоотходной и безотходной технологии, совершенствование способов утилизации вредных веществ, комплексное использование природных ресурсов — основные направления ликвидации вредного влияния металлургического производства на состояние окружающей среды.

В обозримой перспективе должны произойти существенные изменения в техническом состоянии металлургического комплекса, в процессах природопользования, что позволит в значительной степени решить многие экологические проблемы. Только в цветной металлургии, например, к 2000 г. ожидается снижение количества вредных загрязняющих выбросов на 12-15% и на подавляющем большинстве предприятий будут достигнуты нормативы предельно допустимых выбросов. Рост применения систем разработки с закладкой выработанного пространства в районах добычи сырья на 20%, предусмотренной программой, позволит наряду с улучшением технических и экономических показателей при добычи руд обеспечить сохранение земной поверхности в горном отводе, значительно снизить расход материалов на крепление, в том числе очень дорогостоящих металлов.

Огромнейшие резервы и возможности решения экологических проблем заключены в комплексности переработки сырья, в полном использовании полезных компонентов в его составе и в месторождениях.

В условиях становления и развития рыночных отношений Комитетом Российской Федерации по металлургии разработана концепция акционирования и приватизации предприятий металлургической промышленности, которая в качестве основы приватизации выдвинула решение следующих важнейших задач:

• 1. Сохранение оптимальных технологических связей, позволяющих эффективно использовать имеющийся в металлургическом комплексе производственный потенциал.
• 2. Создание и развитие конкурентной среды.
• 3. Привлечение финансовых средств для технического перевооружения предприятий.

В процессе реализации этих задач все предприятия металлургической промышленности (вне зависимости от масштабов производства и численности персонала) должны быть отнесены к федеральной собственности и преобразованы в акционерные общества как объекты федеральной собственности. Закрепленные в собственность федеральных органов пакеты акций будут использованы для проведения единой государственной политики, направленной на формирование сбалансированности рыночного металлургического комплекса, на стабилизацию производства и создание условий для ускоренной интеграции в мировую экономику.

цветная металлургия сырьевая база

Обязательное государственное регулирование и непосредственное участие государства в деятельности металлургической промышленности подтверждается опытом развитых промышленных стран, где третья часть выпускаемой в этих странах стали производится компаниями, находящимися в государственной собственности.

Необходимо решить проблему взаимодействия технологически связанных между собой предприятий, начиная от горно-добывающих и кончая четвертым переделом. Такое взаимодействие, соответствующее характеру рыночных отношений, может быть обеспечено созданием холдинговых структур и приобретением акций взаимозаинтересованными предприятиями, вне зависимости от доли федеральной собственности в их акционерном капитале.

В настоящее время созданы и формируются различные холдинговые структуры в металлургическом комплексе России. Так, по инициативе Свердловской области создана холдинговая компания "Уралалюминвест", объединившая акционерный капитал Уральского алюминиевого, Полевского криолитового, Каменск-Уральского металлургического заводов, Михайловского завода по обработке цветных металлов, объединения "Севуралбокситруда" и института "Уралгипромез". Инвестиционная холдинговая компания создается по согласованию с трудовыми коллективами предприятий, представляющих полный технологический цикл переработки алюминия — от добычи сырья до выпуска конечной продукции высокой переработки (прокат, фольга, товары народного потребления).

Другая форма акционирования металлургических предприятий — создание межгосударственных компаний (МК). В настоящее время МК создаются в алюминиевой, титано-магниевой и редкоземельной промышленности, а также по добыче хромовых и марганцевых руд и производству ферросплавов.

Создание межгосударственных компаний в металлургической промышленности должно способствовать выходу из кризиса и, помимо разрешения имеющихся проблем, позволит обеспечить общий внутренний рынок отдельными дефицитными видами металлопродукции и сократить импорт их из третьих стран, а также успешно конкурировать на внешних рынках металлопродукции.

Формирование межгосударственных компаний поможет решить проблему организационно-экономической интеграции предприятий и восстановления хозяйственных связей, причем вне зависимости от формы собственности.

Процесс изготовления технических средств сегодня не обходится без цветных металлов (ЦМ). Этот простой элемент имеет такие полезные свойства как электрическую и тепловую проводимость, ковкость. Различают металлы по разным свойствам, выделяя группы:

1. Черные – Fe и сплавы;
2. Цветные – металлы, кроме Fe;
3. Драгоценные – Au, Pt, Ag;
4. Легкие – с маленькой плотностью;
5. Тяжелые, которые имеют высокую плотность.

Название «цветные» получили все элементы с металлическими свойствами, включая сплавы. В других языках их именуют нежелезными.

С точки зрения ученых существует разделение по определенным признакам:

1. Легкие – Al, Mg, Ti;
2. Тяжелые – Cu, Zn, Ni;
3. Благородные – Pt;
4. Тугоплавкие;
5. Рассеянные;
6. Редкоземельные;
7. Радиоактивные.

Ученые используют разделение ЦМ по таким характеристикам, которые присущи определенным химическим элементам со свойствами металлических:

Благодаря ЦМ во всем мире, включая нашу страну, развита цветная металлургия (цветных металлов и тяжелых металлов). Это не только переработка, но и добыча, улучшение свойств, выплавка, производство сплавов.

В РФ работают базы ЦМ, отличающихся по географии: оловянная, медная, другие.

Характеристика базовых металлов

ЦМ много, но краткие характеристики наиболее часто используемых приведем далее.

Алюминий

Алюминий (Al) , клаасифицирующийся на первичный и вторичный, хорошо проводит ток, пластичен. Механические характеристики же низкие.

Медь (Cu) — часто встречающийся, имеющий высокие показатели пластичности, он отлично проводит тепло и ток. Cu легко образует сплавы с другими ЦМ, которые востребованы вмашиностроительной отрасли.

Цинк (Zn). Он хрупкий , но при нагревании (до 140 С0) становится пластичным и поддается влиянию вальцев для раскатки и проковке. Он не ржавеет, но под влиянием кислой и щелочной среды. Расплавляется при значении 419 С0.

Использование цветных металлов

Развитие авиационной, атомной техники, химической промышленности привело к увеличению спроса на многие ЦМ и их соединения (титан, цирконий, гафний, ниобий, прочие).

Сплавы Cu и простая медь необходимы для машиностроительной области. Из них производят трубы, различную тару, используют в криогенной технике.

Алюминий требуется для химической и пищевой отрасли, из него производят емкости. Самолетостроение, ракетостроение, строительство также используют его ввиду высокой прочности, устойчивости к появлению ржавчины и влиянию предельных температур.