Металлургией называется область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд и др

Экономическое значение комплексной переработки руд цветных металлов.

Тип руды	Компонент
	Cu	Zn	Pb	Ni	Co	Fe	S	благор. металлы
Медная (пиритная)	2.58/17.3	1.09/5.2	-	-	-	40/ 20.4	46/ 20.4	-/15.0
Медно-цинковая	2..5/15.4	2.5/ 11	0.5/2. 5	-	-	37/ 17.3	40/ 33.8	-/ 20
Медно-никелевая	2.5/ 14.7	-	-	1.5/ 32.6	0.05/ 0. 6	27/ 12	25/ 20.1	-/ 20
Никелевая окисленная	0.01/ 0.14	-	-	1.2/ 60.2	0.1/ 2 .81	35/ 36.8	-	-
Полиметаллическая	0.5/ 1.9	13/ 34.6	9/ 27	-	-	8.5/ 2. 4	18/ 9.1	-/25
Примечания. 1. В числителе – содержание компонента в руде, %, в знаменателе – относительная стоимость компонента, %. 2. Относительные стоимости благородных металлов приняты условно. 3. Относительные стоимости компонентов руд рассчитаны в ценах 1981г.

При переработке сложных по составу полиметаллических руд необходимо добиваться полного комплексного использования всех её компонентов, включая пустую породу, т.е. необходимо стремится к применению безотходных технологий. Об уровней развития горно-металлургического производства и применяемой технологии в первую очередь судят по фактическому коэффициенту комплексности использования перерабатываемого сырья, который определяется как отношение стоимости извлечённых в товарную продукцию компонентов к их стоимости в исходной руде (правильнее к полной стоимости руды).
Рентабельный минимум, т.е. то минимальное содержание основного металла, которое определяют возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды, постоянно снижается. Так, если в конце XIX в. к категории медных руд относили горные породы с содержанием меди не менее 1,5%, то сейчас это величина снизилась до 0,4 – 0,5%.
Снижению рентабельного минимума способствует развитие и совершенствование обогатительной и металлургической техники и повышении коэффициента комплексности использования сырья, т.е. чем больше извлекается ценных компонентов, тем с меньшим содержанием основного компонента экономически и технически выгодно добывать и перерабатывать руду.
Руды, как и другие полезные ископаемые, образуют в земной коре естественные скопления, которые называются месторождениями. Содержание ценных компонентов в месторождениях значительно выше их среднего содержания в земной коре, называемого кларком. Самым распространённым металлом в природе является алюминий.
Более распространённым элементом по сравнению с ним являются лишь кислород (47,0%) и кремний (29,5%).
Распространенность в земной коре некоторых металлов характеризируется следующими данными, %:
Таблица 4.

Алюминий	8,05	Вольфрам	7*10^-2
Железо	4,65	Молибден	1*10^-3
Кальций	2,96	Свинец	8*10^-4
Натрий	2,50	Олово	6*10^-4
Калий	2,50	Уран	5*10^-4
Магний	1,87	Селен	8*10^-5
Титан	0,45	Платина	2*10^-5
Медь	0,01	Серебро	4*10^-6
Цинк	0,02	Золото	5*10^-7
Никель	0,018	Рений	1*10^-7

Наиболее редко встречаются в природе полоний и актиний, кларки которых близки к 10^-15%.
Ряд металлов, например, рассеянных, собственных месторождений не образует. Эти металлы обычно в очень небольших концентрациях присутствуют в виде изоморфных примесей в минералах основных металлов. Запасы цветных металлов в доступных для человека участках земной коры неуклонно истощается вследствие непрерывной интенсификации металлургического производства и связанной с ним добычи руд. Однако природные запасы их в настоящее время могут быть значительно расширены за счёт морей и океанов, содержащих цветные металлы в виде растворённых солей.
Помимо рудных источников для получения многих цветных металлов используют вторичное сырьё. К вторичному сырью относят отходы металлообрабатывающей промышленности, бракованные и отслужившиеся свой срок металлические детали и изделия, различный металлический лом, бытовой утиль и т.д.
В наибольших количествах в настоящее время из вторичного сырья производят алюминий и основные тяжёлые металлы. Исключительно большое значение для современной экономики имеет производство вторичных драгоценных металлов. Вовлечение вторичного сырья в цикл металлургического производства позволяет экономнее расходовать природные рудные ресурсы, получать металлы более простыми и дешёвыми металлургическими приёмами, дополнительно увеличивать выпуск металлической продукции.
В перспективе вторичное сырьё должно стать основным источником получения некоторых цветных металлов, а за счёт переработки рудного сырья будет покрываться лишь дефицит баланса между потребителем и производством данного металла.

Лекция №5. ПРОДУКТЫ И ПОЛУПРОДУКТЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

ПЛАН.

1. Основные продукты металлургической переработки.
2. Попутное извлечение неметаллургической продукции.

Цветная металлургия является комплексной отраслью промышленного производства. Ассортимент товарной продукции предприятий цветной металлургии очень широк и разнообразен. Металлургические заводы, помимо металлической продукции, выпускают в больших количествах дополнительную продукцию, в том числе не относящуюся непосредственно к металлическим материалам.

Продукцией отдельных предприятий цветной металлургии могут быть:
1) цветные металлы и сплавы в виде слитков, катодов, проката и т.д.;
2) химическая продукция: серная кислота, элементарная сера, медный и никелевый купорос, кальцинированная сода, различные химические реактивы;
3) минеральные удобрения: суперфосфат, аммофос и др.;
4) строительные материалы: цемент, шлаковатные изделия и т.д.;
5) тепловая и электрическая энергия; 6) кислород и аргон;
Нормы и требования к качеству и размерным характеристикам сырья, материалов и изделий металлургического производства устанавливаются Государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ).
Кроме товарной продукции, получающейся при переработки цветных металлов, на предприятиях цветной металлургии получают многочисленные отходы и полупродукты металлургического производства. К ним относятся шлаки, штейны, пыли, газы, кеки, шламы, растворы и т.д.
Металлы. Металлы являются основным видом продукции металлургического производства. В цветной металлургии в зависимости от применяемой технологии и состава получающихся металлов различают черновые и рафинированные металлы. Товарной продукцией, поступающей к потребителю для дальнейшего использования по прямому назначению, как правило являются рафинированные металлы.
Черновыми металлами называют металлы, загрязненными примесями. В число примесей входят вредные и ценные элементы – спутники основного металла. Вредные примеси ухудшают характерные для данного металла свойства (электропроводность, пластичность, коррозионную стойкость и т. п.) и делают их непригодными для непосредственного использования. Ценные спутники – благородные металлы, селен, галлий, индий, висмут и др. – необходимо попутно извлекать. Черновые металлы обязательно подвергают очистке от примесей – рафинированию.
В небольших количествах некоторые предприятия цветной металлургии выпускают металлы повышенной чистоты. Получение таких металлов связано с большими дополнительными затратами труда, времени и средств. Поэтому их выпуск ограничен. Цветные металлы относятся к категории дорогостоящих материалов. По этой причине рациональное и экономное использование их имеет огромное значение.
Штейны. Штейном называется сплав сульфидов тяжёлых цветных металлов с сульфидом железа, в котором растворены примеси. Штейны являются промежуточными металлосодержащими продуктами, получение которых характерно для пирометаллургии меди, никеля и частично свинца.
В практике цветной металлургии получают медные, медно-никелевые, никелевые и полиметаллические штейны (табл.5.).
Таблица 5.
Состав штейнов

Вид штейна	Содержание, %
	Cu	Ni	Pb	Zn	Fe	S
Медный	10-60	До 0,5	До 1	1-6	30-50	23-26
Медно-никелевый	5-10	5-13	-	-	40-60	24-27
Никелевый	0,1-0,3	12-20	-	-	55-60	15-22
Полиметаллический	10-30	-	10-20	5-10	20-40	13-22

Они образуются в жидком состоянии и практически не смешиваются с жидкими шлаками, что позволяет отделять их друг от друга путём отстаивания. Для успешного разделения штейнов и шлаков необходимо, чтобы разность их плотностей составляла не менее 1т/м³.

Основными компонентами медных штейнов являются сульфиды меди и железа. В медно-никелевых штейнах преобладают Ni₃S₂, Cu₂S, FeS.
Характерными особенностями медных и медно-никелевых штейнов являются примерное постоянство в них содержания серы (23-27%) и обязательное присутствие кислорода в форме растворённых оксидов железа (Fe₃O₄). При выполнении металлургических расчётов содержание серы в таких штейнах принимают равным 25%. Концентрация кислорода уменьшается с увеличением в штейнах содержания основного металла, т.е. чем беднее штейн, тем больше будет содержаться в нём кислорода.
Медные и медно-никелевые штейны являются хорошими растворителями (коллекторами) всех благородных металлов. Кроме того, они обязательно содержат селен, теллур, висмут, кадмий и т.д.
В никелевых штейнах содержание серы переменно. Оно зависит от количества образовавшегося при плавке ферроникеля. Кислорода в никелевых штейнах практически нет.
Вязкость штейнов снижается при увеличении температуры, а также содержания серы и железа.
Шлаки. Шлаки являются вторым обязательным продуктом большинства металлургических плавок. Они образуются за счёт окисления пустой породы и флюсов и состоят в основном из оксидов. Кроме шлакообразующих компонентов, реальные заводские шлаки обязательно содержат некоторое количество извлекаемых металлов.
При относительно низком содержании ценных компонентов получающиеся шлаки являются отвальным продуктом, т.е. отходами металлургического производства. Однако шлаки можно считать отвальными лишь условно. С развитием металлургической техники и технологии они могут вновь стать ценным сырьём для получения ряда цветных металлов, а также железа и других ценных составляющих.
В отдельных видах металлургических плавок и особенно рафинировочных процессах шлаки получаются очень богатыми. Такие шлаки требуют обязательного обеднения. Их часто используют в качестве оборотных материалов одного из основных металлургических процессов или подвергают специальной переработке.
Выход шлаков при плавке руд или концентратов цветных металлов обычно велик и составляет 60-120% от массы рудной фракции шихты. Повышенный выход шлаков, близкий к 100% или превышающий эту величину, имеет место при плавке очень бедных руд с добавкой больших количеств флюсов.
Шлаки являются той средой, в которой протекают основные физико – химические превращения и реакции получения металлосодержащего продукта и шлака конечного состава, а также происходит разделение жидких продуктов плавки. Масса и свойства шлаков определяют расход теплоты при плавке и оказывают большое влияние на конечные показатели плавки. От выхода и свойств получаемых шлаков полностью зависят потери ценных металлов.
Потери ценных металлов со шлаками обусловлены ошлакованием их оксидов и частичным растворением в шлаковом расплаве штейна (электрохимические потери), а также запутыванием мельчайших, взвешенных в шлаках сульфидных или металлических частиц (механические потери).
Для каждого металлургического процесса и применяемого для его осуществления плавильного агрегата подбирают оптимальный состав шлаков, который должен удовлетворять строго определённым технологическим и экономическим требованиям. В большинстве случаев состав получающихся шлаков приходится корректировать. Корректировку состава шлака с целью приближения его к оптимальному проводят введением в исходную шихту соответствующих флюсов – минеральных добавок. Добавка большого количества флюсов далеко не всегда целесообразна, так как ведёт к снижению производительности печей по проплаву рудных материалов, увеличению выхода шлаков, повышению расхода топлива и других расходов на плавку.
Для получения шлаков оптимального состава в качестве флюсов в цветной металлургии чаще всего используют кварциты и известняки. Вместо обычной кварцитовой породы часто применяют золотосодержащие кварцевые руды. Так как при плавке из них в штейн или черновой металл попутно извлекаются благородные металлы.
Газы и пыли. Большинство металлургических процессов характеризуется образованием значительных количеств газов и пылей. Эти два продукта удаляются из печей совместно.
Отходящие металлургические газы можно классифицировать на технологические, образующиеся за счёт протекания химических реакций, и топочные, являющиеся продуктами сжигания топлива. Состав и количество отходящих газов полностью определяются типом перерабатываемого сырья и видом применяемого металлургического процесса.
Основными компонентами технологических газов являются сернистый ангидрит (SO₂), углекислый газ (СО₂), оксид углерода (СО) и пары воды (Н₂О). При сжигании топлива преимущественно образуются СО₂, СО и Н₂О. Кроме того, в газах обязательно будут присутствовать азот и свободный кислород, поступающий в избытке с дутьём за счёт подсосов воздуха.
Комплексная переработка отходящих газов предусматривает:
• использование ценных компонентов;
• использование физической теплоты газов для получения пара, горячей воды и т.д.;
• использование горючих составляющих в качестве подсобного топлива;
• обезвреживание отходящих газов с целью охраны окружающей среды.
Пыли, образующиеся в металлургических процессах, условно можно классифицировать на грубые и тонкие. Образование грубых пылей связано с воздействием газового потока на мелкие частицы перерабатываемой шихты или продукта металлургической переработки. Крупность частиц пыли и её количество определяются скоростью газового потока и крупностью перерабатываемого материала. Размеры частиц этих пылей составляют от 3-10 до нескольких сотен микрометров. Химический состав грубых пылей обычно идентичен составу исходного материала, из которого они образовались. Грубые пыли возвращают в оборот.
Тонкие пыли образуются преимущественно за счёт возгонки легколетучих компонентов. Пары, получающиеся при этом, уносятся газовым потоком и при последующем охлаждении газов конденсируются с образованием твёрдых частиц или жидких капель. По химическому составу возгоны (тонкие пыли) резко отличаются от исходного материала – они обогащены летучими компонентами, например, цинком, кадмием, свинцом, германием, индием и другими рассеянными и редкими металлами. Возгоны являются ценным сырьём для извлечения этих компонентов, поэтому должны обязательно подвергаться дальнейшей переработке.
Все пыли, образующиеся в металлургических процессах, подлежат обязательному улавливанию. При этом преследуются две основные цели: 1. использование ценных компонентов перешедших в пыли; 2. предотвращения загрязнения окружающей природы.