Современные способы производства металлов

Методы добычи и получения металлов

Металлы применяются практически во всех сферах. Сейчас известно большое количество однородных материалов и сплавов, которые обладают разными техническими характеристиками. Получение металлов — особый процесс, от правильности проведения, которого зависит качество готового материала.

Загрузка руды

Что такое металл?

Металлы — группа элементов, которые являются простыми веществами и обладают рядом характерных металлических свойств:

• электро- и теплопроводностью;
• высокой прочностью;
• большой удельной массой;
• высоким температурным коэффициентом сопротивления;
• ковкостью;
• характерным металлическим блеском;
• высокой пластичностью.

Для изменения свойств материала при производстве к его составу добавляются сторонние компоненты, которые называют легирующими добавками. С помощью этого способа можно получить материал с нужными техническими характеристиками.

Серьезной разницы между металлами, сплавами нет. Абсолютно чистых материалов не существует. Каждый из них содержит несколько компонентов. Металлы с наименьшим содержанием сторонних включений редко применяются в промышленных масштабах, поскольку не имеют требуемых технических характеристик.

Металлы можно разделить на благородные, цветные, черные.

Медное украшение (Фото: Instagram / sweetviolet_handmade)

Способы получения и добычи

Добыча и обработка проводится на природных рудниках. Потом расходное сырье доставляется до литейного предприятия, где происходит его переработка в конечный материал. Способы получения:

1. Порошковый. При изготовлении сплавов используются порошки — смесь основных компонентов сплава по ГОСТу. С помощью специального оборудования порошок спрессовывается, ему придают определенную форму. После этого расходный материал спекают в промышленной печи.
2. Литейный способ. Все компоненты будущего сплава сначала расплавляются, а потом перемешиваются. Смесь должна застыть.

Природные источники

Самое большое количество металлов содержится в земной коре. Их соединения можно найти в разных продуктах питания, воде, воздухе, химических веществах.

Природные соединения

• сульфиды — киноварь, цинковая обманка, серный колчедан;
• хлориды — каменная соль, сильвинит;
• сульфаты — гипс, глауберова соль;
• карбонаты — магнезит, доломит, известняк, мрамор, мел;
• оксиды — красный, магнитный, бурый железняк;
• нитраты — чилийская селитра.

Основные природные соединения — руды, которые встречаются в разных областях земного шара.

Способы добычи

Существует два способа добычи металлических руд:

1. Открытый. Подразумевает разработку огромного карьера, который углубляется к центру. С его глубины на карьерных самосвалах руда вывозится наверх, где проходит дальнейшую переработку. Средняя глубина карьеров — 300 метров. Для разработки применяются крупные экскаваторы, земснаряды, карьерная техника. Карьерный метод добычи металлической руды применяется только, если после проверки почвы в ней было обнаружено более 57% руды. Главный недостаток карьера — малая глубина разработки.
2. Закрытый. Подразумевает разработку шахт, которые могут уходить вниз на глубину нескольких сотен метров. Применяется, когда на поверхности после проверки было обнаружено менее 57% полезных руд. Внешне шахта напоминает колодец, который разветвляется в стороны на большой глубине. Главный недостаток — опасность для рабочих (частые обвалы, взрывы газов, большая вредность для здоровья).

Один из современных способов добычи металлической руды — СГД. Представляет собой гидромеханических метод добычи руды, который подразумевает создание глубокой шахты, снабженной трубопроводом с гидромонитором. Струя воды под большим напором подается в трубопровод. С ее помощью откалываются горные породы, которые всплывают наверх шахты. Эффективность данного способа небольшая, но он полностью безопасен для людей.

Шахта (Фото: Instagram / subcities)

Богатые рудники

Богатые железные рудники:

1. Бакчарское железорудное месторождение.
2. Абаканское железорудное месторождение.
3. Абагасское железорудное месторождение.
4. Курская магнитная аномалия.

Курская магнитная аномалия является самым большим месторождением железной руды в мире. По примерным расчетам здесь находится около 210 миллиардов тонн полезной руды, что составляет 50% от общего количества запасов на планете.

Самые богатые месторождения алюминиевых руд находятся в

• Венгрии;
• Франции;
• Индии;
• Южной Африке;
• Казахстане;
• России;
• Югославии;
• Кольском полуострове;
• Сибири.

Богатые месторождения медной руды расположены в США, Швеции, Канаде, России, Финляндии, ЮАР.

Медная руда (Фото: Instagram / alex_tango1910)

Гидрометаллургия

Методика, которая основана на проведении химических реакциях. Они протекают в различных растворах. Наиболее распространенные материалы, которые получаются подобным способом — никель, цинк, золото.

Пирометаллургия

Из расходного сырья металл извлекается под воздействием высоких температур. Для проведения данного способа применяются печи, плавильни. Этим методом получают чугун, свинец, сталь, никель, медь, хром. Для изготовления активных металлов важно использовать восстановители.

Электрометаллургия

Подразумевает обработку расходного сырья электрическим током. Сила тока изменяется зависимо от преобладающих в составе руды компонентов. С помощью электрометаллургии получаются разные металлы — щелочноземельные, щелочные. Основные из них — алюминий, магний.

Восстановление

1. С помощью металлов. Этот процесс называют металлотермией.
2. С помощью водорода. С помощью этой методики можно получить материал с наименьшим количеством посторонних вкраплений.
3. С помощью углерода или оксида углерода. Эта методика называется карботермией.

Оборудование

Для получения и обработки применяется разное оборудование:

1. Для термической обработки — печи, плавильни, горны.
2. Для изменения шероховатостей поверхностей — шлифовальные станки, пескоструи.
3. Для создания углублений, обработки кромок, торцов — долбежные, сверлильные, фрезеровальные станки.
4. Для придания простой или сложной цилиндрической формы — токарные станки.
5. Для разрезания заготовок — пилы, лазерные или гидроабразивные резаки.

Современное оборудование оснащается автоматическими системами управления, что ускоряет производство, минимизирует физические затраты со стороны человека.

Самодельный горн (Фото: Instagram / vetal7070)

Коррозия

Коррозия — процесс самопроизвольного разрушения сплавов, металлов, который происходит под воздействием окружающей среды. Ржавчина начинает появляться при воздействии кислорода, воды, оксидов серы, углерода.

• атмосферная.
• электролитическая;
• газовая;
• подъемная;
• биологическая.

Для удаления ржавчины могут применяться абразивы, химические вещества. Для защиты от ее появления — покрытия, краски, добавки к составу сплава (например, хром).

Без металлов невозможно представить жизнь человека. Они применяются в разных сферах деятельности. Процесс добычи металлической руды для изготовления однородных материалов или сплавов практически не изменился с сотнями лет. Появилось новое оборудование, техника, но суть процесса осталась прежней.

Источник

Новейшие технологии в металлургии

Как и в любой другой производственной области, в металлургии постоянно разрабатываются и внедряются новейшие технологии. Они позволяют снижать финансовые затраты, наращивать объемы производства и улучшать качество. Компании, занимающие лидирующие позиции на рынке, стараются быть в курсе всех инноваций и по возможности используют их.

Добыча золота

Среди новейших технологий в цветной металлургии важное место занимает добыча золота. Для получения золотой руды ученые разработали следующие современные способы:

1. Скважинная гидродобыча золота. В основе метода лежит подача жидкости по скважинам, которая размывает породу. Далее происходит откачка жидкого раствора с частичками металла на поверхность уже по другим скважинам.
2. Золото можно извлекать из россыпей и руд микробиологическим способом с применением специальных бактерий Thiobacillus ferroxidans. Они делают возможным процесс выщелачивания драгоценного металла из концентратов. Эта методика значительно экономит бюджет, так как не требуется дорогостоящий обжиг. Кроме того, она экологична, потому что не происходит загрязнения воздуха токсическими испарениями.

Производство стали

Новейшие технологии добычи металлов позволяют получать сталь. Она образуется путем соединения углерода с железом и разными гелирующими элементами (если есть такая необходимость). Способов ее выплавки существует несколько. Вот самые высокопродуктивные и современные:

1. Электроплавильный. Суть метода ─ выплавление качественной легированной стали с помощью дуговых печей. Подобные агрегаты характеризуются тем, что металл в них плавится очень быстро. Кроме того, возможно получение стали и сплавов любого состава. Неметаллические включения, сера и фосфор содержатся в них в небольшом количестве. Использование данного способа пока ограничено из-за высокой стоимости электроэнергии.
2. Конверторный. Основа процесса – это продувка кислородом жидкого металла, окисление чугуна и трансформирование его в сталь. Из преимуществ метода следует отметить высокую производительность, низкую себестоимость стали, компактность и простоту устройства конвертера.

Доменное производство

В доменных печах осуществляется освобождение из руды железа и выплавление чугуна. Он бывает двух видов:

• литейный (для отливки чугунных заготовок);
• предельный (применяется для изготовления стали).

Усовершенствование доменного производства направлено на увеличение мощности печей и улучшение подготовки сырых материалов к плавке. Кроме того, большое внимание уделяется прогрессивным технологиям, направленным на автоматическое управление за ходом работы печей.

Обработка металла

Новые технологии в металлургии и металлообработке позволяют повысить производительность труда, улучшить качество изделий и уменьшить количество отходов.

Среди научных достижений в сфере обработки металла можно выделить следующие:

1. Гидроабразивная резка. При данном способе на материал воздействует тонкая водяная струя, насыщенная абразивными веществами. Она подается в рабочую зону под высоким давлением. Такая технология с успехом используется на производствах, где не допускается искрообразование и чрезмерное нагревание металла. Подобные установки позволяют эффективно очистить ржавчину с поверхности, снять микронеровности.
2. Электрохимическая обработка. Она используется для любых металлов и сплавов, в независимости от их механических свойств и химического состава. В основе метода ─ растворение материала в электролитическом составе под действием тока определенной величины. Как результат – поверхностные слои металлов насыщаются сульфидами, нитридами, карбидами. Такие соединения обычно образуются только при высоких температурах. Технология востребована для производства радиаторов, пластин и других биметаллических деталей.
3. Лазерная резка. Это способ появился недавно, но уже приобрел большую популярность. Он имеет неоспоримые преимущества: качественные результаты, невысокую цену, эффективность. Для такой резки характерно испарение металла под воздействием лазерного луча. Благодаря данной методике можно получить на заготовках даже минимальные отверстия. Лазером производится размерная прошивка тугоплавких химических элементов (молибдена, вольфрама) и изготовляются детали самых сложных форм без потери качества.
4. Магнитноимпульсная обработка. Обрабатываемые изделия подвергаются действию мощных импульсов магнитных полей, вследствие чего возникают характерные вихревые потоки в заготовках. Методика подходит для получения из стали листовых заготовок, формовки малопластичных сплавов (бериллия, титана).

Вторичное сырье. Переработка

Ресурсы черной и цветной руды истощаются ежегодно, а рынок ее потребления имеет тенденцию к неуклонному росту. Металлопродукция всегда необходима во многих областях: судостроении, производстве сантехники, строительной индустрии, машиностроении. Поэтому вполне разумно заниматься переработкой изделий и деталей, которые уже отработали свой ресурс. Это неплохая и прибыльная идея для развития частного бизнеса.

Наиболее просто перерабатывать однотипные металлы, со сплавами же дело обстоит сложнее. Металлический лом отделяют от других отходов, прессуют, запаковывают и отправляют на литейные предприятия. Там он подвергается дальнейшей обработке и переплавке в электрических индукционных печах.

В качестве сырья для повторной переработки чаще используются:

Использование вторичного сырья не только экономически оправдано, но и положительным образом сказывается на экологии. В отличии от первичного литья, здесь не происходит выделения тяжелых металлов и других вредных соединений в окружающую среду.

Металлургия — это та отрасль, в которую постоянно происходят финансовые вливания для разработки инновационных технологий. Поэтому в ближайшие годы появится еще немало интересных новинок, которые прочно войдут в повседневные производственные процессы.

Источник

Современные технологии и мировые тенденции в металлургии

Тенденции в мировой металлургии

Металлургия на самом деле не такая уж и консервативная отрасль, как принято считать, и она не отстает от других отраслей в следовании основным мировым тенденциям.

Главный упор сегодня делается на «зеленое производство стали». Это позволит отрасли выстоять перед лицом экологических проблем и давлением со стороны регулирующих органов.

Растущий спрос на высококачественные марки стали потребует особого внимания к оборудованию как на новых, так и на модернизированных предприятиях, а диджитализация будет неотъемлемой частью всех этапов производственной деятельности.

Если говорить общими словами, то будущее производства металлов будет устойчивым, безуглеродным, безопасным, интеллектуальным, модернизированным, и оно, вероятно, приведет к созданию материалов с такими свойствами, в которые сегодня сложно поверить. Но обо всем по порядку.

Водород против углерода

Уже не нужно никому доказывать необходимость перехода на «зеленое производство стали», которое призвано сделать процесс производства более экологичным. В этом ключе есть несколько направлений. Первое из них сейчас считается наиболее перспективным — это отказ от углерода в пользу водорода. Углеродный восстановитель различными способами заменяется водородом.

Основанное на водороде решение для прямого восстановления, которое позволяет напрямую использовать любые виды железой руды, может практически исключить углеродный след при производстве железа. Выбросы углекислого газа будут близки к нулю. Побочные продукты будут переработаны, а процессы будут выполнены с максимальной энергоэффективностью.

Активно развивать эту технологию уже начали такие металлургические гиганты, как ArcelorMittal, voestAlpine, SSAB, Dillinger и ряд других производителей. Японский Nippon Steel заявлял о своих намерениях к 2025 отказаться от технологии использования углерода в пользу водорода. На данный момент промышленной установки такой нет, а когда она будет запущена, то какое-то время будет работать в малых масштабах. Тем не менее, эти разработки обнадеживают. Пилотные производственные агрегаты обещают ввести в эксплуатацию уже в 2021 году.

Прямое восстановление железа

Второе «зеленое» направление, которое уже давно применяется в металлургии — это бездоменное получение полупродукта для последующего изготовления стали путем прямого восстановления железа из высокожелезистого сырья специальными технологиями (Midrex, Arex, Hyl и т.д.). На выходе получается так называемое металлизированное сырье – горячебрикетированное железо (HBI), металлизированные окатыши DRI (Direct Reduced Iron), губчатое железо. Это металлический продукт с высоким содержанием железа, вплоть до 99%, который может сразу же использоваться в сталеплавильном переделе для получения стали. На сегодняшний день такое железо прямого восстановления является основным при производстве электростали, как замещение лома и других железосодержащих ингредиентов. Эта технология развивается уже более 30 лет. В той или иной степени ее эффективность доказана, но такая технология требует либо изначально высокочистого рудного материала – железорудного сырья с высоким содержанием железа и низким содержанием примесей, либо наличия больших энергетических мощностей.

Именно поэтому такие линии размещаются в Бразилии, Австралии в районе горнодобывающих предприятий, где имеется в наличии очень хорошая руда, а также на Ближнем Востоке, где в избытке — дешевый газ, который используется для восстановления железа из железосодержащего сырья.

Сегодня технология прямого восстановления уже достигла своего пика и является одной из самых передовых и широко используемых.

Кислородно-конвертерный и электросталеплавильный процессы

Если говорить о современных сталеплавильных технологиях, ключевыми являются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный процессы. Мартеновский способ выплавки стали в мировой металлургии используется все меньше. И это в большей степени связано снова же с «зеленой экологией». Как известно, мартеновская плавка длится 9 часов, а конвертерная и электросталеплавильная — 50 минут. Да, конвертер и электропечь требуют дополнительного оборудования, в то время как в мартене, по большому счету, можно сделать все в одном месте, но тем не менее – мартеновское производство более затратно с точки зрения энергоресурсов и экологии. Для него используется природный газ, в результате чего в атмосферу идут серьезные выбросы. Уже сегодня около 70% стали выплавляется в конвертерах, 29% выплавляется в электропечах и совсем немного — в мартеновских печах.

Совмещенные процессы выплавки и прокатки металла

Говоря о выплавке металла, стоит отметить, что все большее распространение получают совмещенные процессы выплавки и прокатки.

В одном цехе устанавливается плавильный агрегат – конвертер либо электропечь, происходит непрерывная разливка на МНЛЗ (машине непрерывного литья заготовок), из которой только застывшие горячие слябы, блюмы или заготовки поступают сразу же в прокатку. Эти агрегаты называются литейно-прокатными модулями или литейно-прокатными агрегатами.

Сегодня во всем мире большинство новых технологических линий стараются строить в том или ином модульном виде. Это позволяет экономить площади, сокращает логистические издержки и время выполнения заказа.

Особенностью такой технологии является наличие очень высокой культуры производства и высококвалифицированного персонала. В противном случае высок риск получения брака конечной продукции (здесь не получится «перехватить» брак на каком-то определенном этапе производства, а только лишь в финале). Все агрегаты должны работать слаженно, и персонал должен быть максимально компетентным, чтобы минимизировать риски получения брака в готовой продукции.

Сейчас уже есть такие модули, которые совмещают не только плавление, разливку и горячую прокатку, но еще и дополнительно к этому — холодную прокатку рулонов или длинномерного проката, вытяжку проволоки и пр. То есть на выходе из цеха получается не только горячекатаный прокат, но и продукция более высоких переделов.

Отдельным направлением совмещенного производства при изготовлении рулонов является так называемая валковая прокатка, при которой сталь из сталеплавильного агрегата разливается не на машине непрерывного литья, а через небольшой кристаллизатор на специальные водоохлаждаемые валки, и застывает непосредственно на них. Затем сталь смыкается в полосу и идет в горячую прокатку. Такие технологии больше развиты в цветной металлургии, особенно в алюминиевом производстве полосы и рулонов.

В черной металлургии самый популярный подобный агрегат находится в США, на заводе компании Nucor, и позволяет получать уникальные структуры, которые невозможно получить какими-либо альтернативными способами. Преимущественно такая продукция используется в автомобильной и аэрокосмической отрасли.

Упрочненные марки стали

Важной тенденцией в металлургии на сегодняшний день является переход от рядовых марок стали к высокопрочным (термомеханически упрочненным, закаленным, двухфазным, упрочняемых при сушке покрытия и др.). Особенно это заметно в автомобилестроении, где постоянно растущие нормы безопасности и экономии топлива вынуждают производителей разрабатывать более легкие, экологичные и надежные машины. Обычные высокопрочные (HSS) и прогрессивные высокопрочные (AHSS) стали в течение последних десяти лет все в большей степени заменяют мягкие аналоги в кузовах автомобилей. Типичный современный автомобиль содержит около 30% HSS и 30% AHSS с дальнейшей тенденцией к снижению доли «мягких» низкоуглеродистых низколегированных сталей. Развитие стального проката для автомобилестроения осуществляется под эгидой Международного института чугуна и стали и других профильных ассоциаций.

Цифровые технологии в металлопроизводстве

Диджитализация – еще одно важное направление в современной металлургии. Она полностью автоматизирует все установки и предполагает использование роботов в опасных рабочих зонах, что значительно повысит безопасность на рабочем месте. Системы мониторинга состояния (CMS) и дополненная реальность (AR), среди прочего, облегчат техническое обслуживание. Процессы будут оптимизированы с помощью искусственного интеллекта. Дефекты конечных продуктов станут незначительными.

Реновации наравне с инновациями

Помимо того, что имеет место определенное развитие новых технологий, традиционные тоже нельзя списывать со счетов, они модернизируются и усовершенствуются с целью повысить качество выпускаемого продукта и обеспечить его конкурентоспособность на перенасыщенном рынке.

Так, например, Метинвест с этой целью развивает несколько направлений: реконструкция существующих агрегатов и строительство новых инновационных агрегатов.

Если говорить о реконструкции — она происходит непрерывно в той или иной степени. На доменных печах предприятий компании появляются системы очистки, на аглофабриках внедряется система аспирации, модернизируются существующие прокатные станы. Значительно снизить затраты компании и улучшить качество готовой продукции помогает строительство новых агрегатов на имеющихся предприятиях.

Так, например, в 2018 году на Мариупольском металлургическом комбинате имени Ильича была установлена машина непрерывного литья №4, появилась новая печь-ковш, в 2018-2019 гг. поэтапно был модернизирован стан 1700. Благодаря этому уже сейчас производится горячекатаный рулон толщиной от 1,2 мм до 8 мм и массой до 27 тонн в соответствии с самыми современными Европейскими стандартами качества. В 2020 году на стане будет установлена еще одна моталка, которая позволит увеличить вес рулона до 32 тонн. При этом максимальная толщина сматываемой полосы достигнет 16 мм.

Если говорить о подобных проектах на других предприятиях Группы Метинвест, важно отметить запуск новой домны на «Запорожстали», реконструкцию домны на «Азовстали» и на комбинате имени Ильича. Благодаря новой степени автоматизации на предприятиях в Мариуполе и Запорожье улучшается контроль за технологическими параметрами и за выпуском чугуна из печей. Работы ведутся и по конвертерам.

В планах — установить на комбинате «Запорожсталь» современный литейно-прокатный модуль, который совместит в себе кислородно-конвертерный цех, непрерывную разливку стали и производство рулонов. Реновации затронули и зарубежные предприятия Группы «Метинвест». На Metinvest Trametal (Италия) появилась линия по дробеструйной обработке и окрашиванию толстого листа, которая помогает устранить проблему коррозии и обеспечит сохранность металла до момента его переработки в готовое изделие. И это лишь малая часть тех изменений, которые постоянно происходят на предприятиях группы.

Стремление передовых металлургических компаний удовлетворять запросы как рынка в целом, так и отдельных клиентов, разработка новых продуктов, диджитализация процессов, усовершенствование имеющихся технологий и имплементация новых «зеленых» проектов являются движущими силами в развитии как отечественной, так и мировой металлургии на сегодняшний день.

Источник