Отрасль промышленности занимающаяся получением металлов и сплавов

Металлы находятся в природе как в свободном виде — самородные металлы, так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например, платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов — самородки. Так, из найденных самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра — 13,5 т, а золота — 112 кг.

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений — минералов. Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк, бурый железняк, магнитный железняк Fe3O4. Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск РbS, цинковая обманка, или галенит ZnS, киноварь НgS.

Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности.

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают — отделяют пустую породу, примеси и т. д., в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.

Металлургия — это наука о методах и процессах производства металлов из руд и других металлосодержащих продуктов, о получении сплавов и обработке металлов. Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов.

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургия — методы переработки руд, основанные на химических реакциях, происходящих при высоких температурах (греч. пирос — огонь).

Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводятся в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы(1V) SO2, например:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

и плавку, при этом происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода(П), более активного металла, например:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr

Если в качестве металла-восстановителя используется алюминий, то соответствующий процесс восстановления называется алюминотермией. Этот метод получения металлов был предложен русским ученым Н. Н. Бекетовым.

Николай Николаевич Бекетов

(1827—1911)

Русский физико-химик. Способствовал развитию физической химии как самостоятельной области науки. Открыл химический процесс вытеснения металлов из растворов их солей под действием других металлов и водорода.

Гидрометаллургия — методы получения металлов, основанные на химических реакциях, происходящих в растворах.

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы, например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой раствором соды — соединения молибдена и вольфрама с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Электрометаллургия — методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока. Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов — щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

(1778—1829)

Английский химик и физик. Один из основателей электрохимии. Путем электролиза солей и щелочей получил калий, натрий, барий, кальций, амальгаму (раствор металла в ртути) стронция и магния.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, такой бактериальный метод применяется для извлечения меди из ее сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Далее рабочий раствор, обогащенный сульфатом меди(II), подается на гидрометаллургическую переработку.

1. Самородные металлы.

4. Металлургия и ее виды: пиро-, гидро-, электрометаллургия.

6. Микробиологические методы получения металлов.

В работе немецкого ученого в области металлургии и врача Г. Агриколы (XVI в.) «12 книг о металлах» сказано: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу. » и далее «. плавка необходима, так как только посредством ее горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются и становятся во многих отношениях полезны человеку». О каких видах металлургии писал Агрикола? Проиллюстрируйте его высказывание примерами уравнений химических реакций.

Какой метод получения меди — с помощью серной кислоты или бактериальный — экологически более безопасен?

Почему щелочные и щелочноземельные металлы нельзя получить гидрометаллургическим методом?

Предложите технологическую цепочку производства свинца из минерала галенита РbS. Запишите уравнения реакций.

Как можно получить из пирита FеS2 железо и серную кислоту? Запишите уравнения реакций.

Сколько килограммов меди получается из 120 т обогащенной горной породы, содержащей 20% медного блеска Си28, если выход меди составляет 90% от теоретически возможного?

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.

Природные соединения металлов

Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах:

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов ( Fe ₃ O ₄ , FeS ₂ )

3. Благородные – в свободном виде ( Au , Pt , Ag )

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:

• хлоридов – сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;
• нитратов – чилийская селитра NaNO₃;
• сульфатов – глауберова соль Na₂SO₄ · 10 H₂O, гипс CaSO₄ • 2Н₂О;
• карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃ • MgCO₃;
• сульфидов – серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
• фосфатов – фосфориты, апатиты Ca ₃(PO₄)₂ ;
• оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк Fe₂O₃ • Н₂О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Ме + n + ne — → Me 0

I . П ирометаллургический способ

Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических — кокс, оксид углерода (II), водород; металлических — алюминий, магний, кальций и другие металлы.

1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия :

2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:

3Fe₂ O₃ + H₂ = 2Fe₃ O₄ + H₂O или 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

II . Гидрометаллургический способ

Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.

Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом

III . Электрометаллургический способ

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl эл.ток → 2Na + Cl₂

IV . Термическое разложение соединений

Например, получение железа:

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-200 0 , образуя пентакарбонил:

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250 0 карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.

Реакции, лежащие в основе получения металлов

1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением

3. Алюминотермия (восстановление более активным металлом)

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

Машиностроение, строительство, электротехника — все эти и многие другие сферы невозможно представить без металлургии. Что представляет собой эта отрасль? Как добывают металлы? Какими они бывают? Ответы на эти вопросы можно найти в статье.

Определение

Металлургия — это направление в промышленности, которое занимается добычей сырья, производством сплавов, утилизацией отходов и производством продукции из полученных сплавов.

Металлургия, в зависимости от сырья, делится на чёрную и цветную. К первой группе относятся металлы, содержащие железо, хром и марганец. Ко второй — все остальные.

Процесс производства продукции из металлов включает такие этапы, как:

добыча и подготовка руды;

Металлургическая промышленность включает процессы получения многих элементов периодической таблицы, кроме газов и галоидов.

Черная

Черная металлургия — это отрасль металлургии, которая занимается производством сплавов из железа, марганца и хрома.

В природе железо встречается в руде в форме карбонатов, гидроксида и оксида. Поэтому первый этап производства в чёрной металлургии — это освобождение железа из руды при помощи доменной печи при температуре более +1000 С. При необходимости на данном этапе производится изменение свойств металла.

Черная металлургия включает такие направления, как:

• добычу и обогащение нерудного сырья;
• производство чёрных металлов;
• производство труб из стали и чугуна;
• коксохимическую промышленность;
• вторичную обработку сырья.

Производимая на металлургических комбинатах продукция бывает:

основной, то есть конечным продуктом, готовым для эксплуатации;

побочной, то есть продуктом, который получается при производстве основной продукции;

попутной, то есть продукцией, оставшейся после производства основной и побочной, которая используется либо как вторсырье, либо как есть.

Добыча

Металлы получают путем извлечения из руд или вторсырья. Вся руда, содержащая ценные элементы, делится на богатую (более 55% ценных элементов), бедную (менее 50 %) и убогую (менее 25 %).

При добыче руды используются три основных метода:

Открытый метод — самый распространенный и экономичный. При таком методе предприятием организуется необходимая инфраструктура и разрабатывается месторождение карьерами.

Подземный метод используется в том случае, если породы лежат глубоко под землей. По сравнению с открытым, этот метод дороже из-за необходимости специального технического оснащения. Кроме этого, он актуальнее, чем другие методы, так как запасы железной руды, залегающей близко к поверхности, практически истощены. Таким способом добывается более 70% железной руды.

Комбинированный способ, как понятно из названия, сочетает в себе два вышеуказанных метода.

Производство

В металлургии под производством черных металлов понимают сложный технологический процесс, который можно разделить на два этапа:

переработка чугуна в сталь.

Необходимыми материалами для производства чугуна являются железная руда, топливо (кокс) и флюс. Именно в таком порядке их загружают в доменные печи, где под тяжестью собственной массы они опускаются в низ печи. В нижней части печи находятся отверстия — фирмы, через которые подается нагретый воздух для поддержания процесса горения. В результате плавления из руды восстанавливается железо и другие элементы, а полученные в процессе шлак и чугун выливаются через специальные отверстия — шлаковую и чугунную летки.

Процесс передела чугуна в сталь подразумевает снижение уровня углерода и примесей способом избирательного окисления и перевода их в шлак при выплавке. Для этого в расплавленный чугун вводят ферросплавы с содержанием Al, Mn и Si. Они образуют в стали труднорастворимые оксиды, которые частично всплывают в шлак.

Продукция

Продукция черной металлургии широко используется в машиностроении, строительстве, коммунальном хозяйстве, военно-промышленном комплексе и сельском хозяйстве.

К основной продукции черной металлургии можно отнести:

металлопрокат (листовой, фасонный, сортовой) ;

чугун передельный и литейный;

Цветная

К цветной металлургии относятся все виды металлов, кроме железосодержащих. Сама отрасль делится на металлургию легких и тяжелых металлов, которые основываются на таких свойствах металла, как плотность и вес. Все виды металлов, используемых в цветной металлургии, можно разделить на:

легкие, к которым относятся магний, алюминий, титан;

тяжелые, к которым относятся олово, цинк, свинец, никель, медь;

редкоземельные, к которым относятся эрбий, тербий, самарий, празеодим, неодим, лантан, диспрозий, церий, иттрий;

искусственные, к которым принадлежат америций, технеций;

малые, к которым относятся ртуть, кобальт, мышьяк, сурьма, кадмий, висмут;

рассеянные, к которым принадлежат селен, германий, таллий, индий, галлий, цирконий;

легирующие, к которым относятся ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам;

благородные, к которым относятся платина, золото, серебро.

По сравнению с черной, цветная металлургия более энергозатратная. Это объясняется низким содержанием полезных веществ в цветных металлах и, как следствие, большим количеством отходов, требующих особенной утилизации и переработки химическими способами.

Добыча сырья и его обогащение

Цветные металлы получают из рудного концентрата, то есть из обогащенной руды. Под обогащением понимают разделение руды на металлы и минералы, что позволяет искусственно увеличить содержание металлов в сырье. При разделении используются такие технологии, как дробление, измельчение, сортировка и переработка путём обезвоживания. После получения металла из руды он проходит обработку и шлифовку.

После всех этих процессов металл отправляют в цеха или предприятия, где будет изготовлена необходимая продукция — станки, трубы, машины и т.д.

Рафинирование

Черновые металлы содержат различные примеси, которые влияют на физико-химические свойства металлов, а также содержат важные дорогостоящие элементы, например золото или серебро. Поэтому одним из важнейших этапов обработки металла является рафинирование, то есть очистка. Рафинирование проводится тремя способами:

электролитическим — используется для глубокой очистки цветных металлов;

химическим, который который также называется аффинажем, применяется при глубокой очистке золота;

пирометаллургическим — используется при производстве металлов высокой чистоты и делится на фракционное, ликвационное, окислительное рафинирование.

Получение сплавов

Сплав — это вещество, состоящее из двух и более металлов и неметаллов, например, углерод, фосфор, мышьяк.

Сплавы не получаются из двух похожих металлов. Например, цинка и свинца.

Самыми ценными сплавами являются:

бронза — соединение меди и олова;

латунь — соединение меди и цинка;

дуралюмин — соединение алюминия, меди, железа,кремния, магния и марганца;

карбид вольфрама — соединение вольфрама с углеродом и кобальтом;

нихром — соединение из никеля, хрома и железа;

ални — соединение немагнитного алюминия, никеля и кобальта.

Продукция отрасли

Человеку, незнакомому близко с металлургией, при упоминании о цветных металлах первыми на ум приходят золото и серебро. Выше было рассмотрено все многообразие цветной металлургии. Здесь же рассмотрим продукцию, которая производится в данной сфере. Это:

• сортовой прокат — шестигранник, пруток, проволока;
• листовой прокат — полоса, лента, лист.

Кроме профильной, на металлургических заводах и комбинатах производится химическая продукция — хлор, поташ, серная кислота, элементарная сера, цинковый и медный купорос.

Типы баз и факторы их размещения

Прежде чем рассмотреть основные металлургические базы в мире и в России, стоит кратко описать типы баз и факторы их размещения.

В металлургической промышленности выделяют 3 типа баз.

База, работающая с собственными рудой и углем.

База, работающая либо с собственной рудой и привозным углем, либо с привозной рудой и собственным углем.

Работающая недалеко от угольных бассейнов или недалеко от потребителя.

Факторам, влияющими на расположение металлургических центров, можно назвать:

потребительский, к которому относится близость крупных машиностроительных комплексов — основных потребителей стали;

экологический, к которому относятся устаревшие предприятия, использующие один из самых “грязных” способов производства — доменный процесс;

транспортный, к которому относятся предприятия, использующие привозные руду и уголь, так как находятся вдали от их источников;

топливный, к которому относятся предприятия, находящиеся недалеко от угольных бассейнов;

сырьевой, к которому относятся предприятия, расположенные поблизости к местонахождениям руды.

Металлургия в мире

Мировая металлургия сосредоточена в 98 странах мира, из которых руда добывается только в 50. Лидерами являются пять стран — это Китай, Бразилия, Россия, Австралия и Индия, который поставляют на мировой рынок пости 80 % сырья. Большая часть мировых запасов руд — это материал среднего и низкого качества, требующий обогащения в процессе производства. Руд высокого качества в мире очень мало. Например, запасы России как одного из лидеров металлургической промышленности составляют всего 12 % от мировых запасов.

Больше всего руды добывается в Китае, а полезного железа — в России.

Лидирующими компаниями, которые регулируют мировой процесс добычи и производства руды и металлов, являются компании Arcelor Mittal, Hebei Iron & Steel, Nippon Steel.

Arcelor Mittal — это компания, образованная благодаря слиянию предприятий Индии и Люксембурга. Ей принадлежат предприятия в 60 странах мира, в том числе российское "Северсталь-Ресурс" и украинское "Криворожсталь".

Hebei Iron & Steel Group — еще одна компания, образованная в результате слияния нескольких компаний. Но вляется не частным, а государственным предприятием, зарегистрированным в Китае. Здесь производится уникальный продукт — ультратонкий холоднокатанный лист и стальные плиты. Кроме добычи и производства, компания занимается исследовательской деятельность и инвестициями.

Nippon Steel и Sumitomo Metal Industries — японский лидер по производству стали. Доменные печи этой компании были установлены еще в 1857 году.

Металлургия России

В российской экономике металлургия занимает второе место после нефтегазовой промышленности. В данной сфере трудятся более 2 % работающих граждан в стране на 1,5 тыс. предприятий.

В РФ три есть основные базы черной металлургии, размещение которых объясняется близостью источников руды и бассейнов угля:

Самое старое и крупное предприятие металлургии — Уральское, где производится половина всей продукции черной металлургии в России. Центрами Уральской металлургии являются Екатеринбург, Нижний Тагил, Челябинск и Магнитогорск. Крупнейшие предприятия — Чусовский металлургический завод и Челябинский металлургический комбинат.

Сибирская металлургическая база — самая молодая из трех и строится на смену Уральской, где исчерпаны запасы металлов практически исчерпаны. Здесь расположены всего два крупных металлургический комбината — Кузнецкий и Западно-Сибирский.

Центральная металлургическая база находится в Белгородской и Курской областях. Крупнейшим металлургическим комбинатом и заводами является Новолипецкий металлургический комбинат и заводы в Старом Осколе и Туле.

93% процента выпускаемой продукции приходится на долю шести крупных центров металлургии. Это:

ОАО “Новолипецкий металлургический комбинат”;

ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”.

Металлургия — промышленность, которая играет важную роль в жизни каждого человека.