Добыча металлов: прошлое, настоящее, будущее
Все металлы состоят из частиц и делятся на черные и цветные. Они различаются не только по цвету, но и по составу частиц, которые определяют их химические свойства. Например, черные металлы являются более прочными и твердыми, цветные, напротив, более пластичны и податливы. Отличаются металлы и по тому, как их добывают и обрабатывают, и как их в дальнейшем используют.
Черные и цветные
Черные металлы – это железо и его сплавы. Черные металлы используются в промышленности гораздо больше, чем цветные. Из них изготавливают чугун и сталь, причем, для производства используются различные составы сплавов железа и углерода.
Цветные металлы – медь, алюминий, никель, свинец, и др., то есть все нежелезные металлы. Они более трудоемки по добыче, их меньше в целом в природе, используются они также более точечно. К примеру, добавляются к некоторым железным сплавам, для повышения стойкости производимой из них продукции.
Цветные металлы, в свою очередь, делятся на легкие и тяжелые. При этом производство тяжелых металлов требует больше затрат энергии, чем легких.
Легкие металлы – это, например, титан, алюминий, магний. Металлы очень ценные, к примеру, легкий алюминий – один из ключевых материалов для проводников, а из тугоплавких титановых сплавов производят детали и двигатели самых современных самолетов и химическое оборудование. Тяжелые металлы – медь, олово, никель, свинец, цинк. Стойкий к действию воздуха и воды никель позволяет увеличить прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, повышает тепло- и электропроводность, улучшает магнитные и каталитические свойства, его используют практически во всех отраслях промышленности. А, скажем, из долговечного и прочного свинца изготавливают батареи и аккумуляторы. Есть также так называемые малые тяжелые металлы – ртуть, кадмий, кобальт – и легирующие – молибден, вольфрам, кремний. Легирование — это их введение в состав сталей и сплавов для придания сплавам необходимых физических, химических или механических свойств. Например, молибден повышает прокаливаемость стали.
Россия является лидером по запасам железной руды, в нашей стране огромное количество месторождений руды – например, Курская аномалия, Карельское и Костомукшское месторождения, гора Магнитная (Челябинская область), Кузбасс, Красноярский край, и др. На этих территориях, в основном, добывают ископаемые для развития черной металлургии, в данных регионах базируются металлургические предприятия черных металлургов.
Ископаемые для цветной металлургии добывают преимущественно на Урале, Северном Кавказе, в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке. Базы по переработке «цветных» ископаемых находятся чаще всего рядом с каждым месторождением.
Ранее руды добывались исключительно путем проведения подземных горных работ, сегодня для того, чтобы их найти, используются несколько способов добычи, в том числе, шахтовый, его еще называют подземным, и открытый, или так называемый карьерный. Некоторые предприятия используют комбинированный подход.
Карьерные работы ведутся прямо на поверхности земли – с помощью экскаваторов, то есть под открытым небом. Сначала горные породы готовят к выемке – проводят вскрышные работы, отделяют эти породы от массивов, рыхлят, затем происходит непосредственно процесс добычи. Если руды надо получить из скал, производят бурильно-взрывные работы. После того, как руда получена, ее транспортируют, а «отработанную» землю рекультивируют.
Подземные работы проводятся в недрах земли, в шахтах. При применении подземного подхода месторождение сначала вскрывают, затем готовят ископаемые к выемке, затем добывают их – валовым или селективным методом (когда ископаемые сразу отделяют друг от друга).
Безусловно, сегодня, помимо людских ресурсов и тяжелой бурильной техники, для добычи руд используется современное оборудование и компьютерные технологии, которые позволяют максимально эффективно планировать и проектировать все работы по добыче ископаемых.
Как получается металл
Чтобы получился тот или иной металл, нужен различный тип руды. Можно выделить, например, руды:
• медная. Руда, позволяющая произвести черновую и рафинированную медь, а также редкие металлы, если в руде есть их примеси, серную кислоту, и др.;
• оловянная;
• медно-никелевая;
• железная. Из это руды сегодня добывается не только железо, но и другие металлы, так как в ней могут содержатся их примеси;
• свинцово-цинковая;
• вольфрамо-молибденовая – очень ценная руда, дающая возможность создавать вольфрамовые и молибденовые концентраты;
• сурьмяно-ртутная;
• золотосодержащая. Из такой руды можно получать редкие металлов и полупроводниковые материалы, а также интерметаллические соединения из них.
Это далеко не все виды руд в природе.
При этом, цветные металлы получают из обогащенной руды – так называемого рудного концентрата. В цветной металлургии есть термин «обогащение», который означает искусственное повышение содержания металлов в сырье. По сути, это способ разделения образований на металлы и минералы. Именно обогащение и позволяет повысить содержание нужного, ценного металла в разы! Для этого используются различные технологии – руду дробят, измельчают, сортируют, перерабатывают путем обезвоживания, и др. Когда металл получен из руды, далее он обрабатывается и шлифуется.
Все процессы с ископаемыми и металлами производятся на металлургических комбинатах, как правило, в различных по специализации цехах. Например, есть основные заводы, а также филиалы, которые непосредственно занимаются обработкой металлов или их прессованием. Есть также цеха, которые проверяют металл на прочность, испытывают его характеристики – растяжение, пластичность, и др.
После всех этих действий и проверок металл отправляется в другие цеха или на другие предприятия для того, чтобы из него изготавливалась продукция – трубы, станки, машины, и многое другое.
Прошлое vs настоящее
Несмотря на то, что сегодня технологии шагнули вперед, шахтовый способ руды по-прежнему остается ключевым способом нахождения ископаемых. В то же время, на металлургических предприятиях все большее распространение получают ИТ-решения, позволяющие спроектировать процесс перед тем, как провести непосредственно добывающую работу.
Карьерный способ чаще всего применяется при разработке золотых, платиновых, оловянных, вольфрамовых и других месторождений, а подземный используют для добычи глубоко залегающих руд – вплоть до глубины 1700 м. Причем для разработки небольших месторождения иногда достаточно одной шахты, в крупных же функционирует целая система шахт (до 100-150).
При этом сегодня признано, что открытый способ имеет преимущества — лучшие санитарно-гигиенические условия труда, применение более технологичного оборудования, а в результате – более эффективный бизнес-результат. По подсчетам экспертов, при открытом способе добычи ископаемых производительность труда рабочих в 5 раз выше, чем в шахте, а себестоимость добытой руды в 3 раза ниже.
Также российские предприятия часто применяют смешанный способ, в котором проводятся и подземные (шахтовые) работы, и карьерные. ИТ-технологии позволяют просчитать, где лучше применить то или иное оборудование, что позволяет металлургам экономить там, где можно обойтись без шахтовой добычи ископаемых.
Источник
Цветная металлургия
Цветная металлургия – это не только комплекс мероприятий по получению цветных металлов (добыча, обогащение, металлургический передел, получение отливок чистых металов и сплавов на их основе), но и переработка лома цветных металлов.
Научно-технический прогресс не стоит на месте, и цветные металлы на сегодняшний день широко используются для разработки инновационных конструкционных материалов. Только отечественная металлургическая промышленность выпускает порядка 70 видов сплавов, используя разнообразное сырье.
В связи с низким содержанием необходимого компонента в руде и примесей других элементов, цветная металлургия является энергозатратным производством и имеет сложную структуру. Так, меди в руде содержится не более 5%, а цинка и свинца не более 5,5%. Колчеданы, добываемые на Урале, многокомпонентные, и в их составе находится порядка 30 химических элементов.
Цветные металлы подразделяются на шесть категорий, согласно своим физическим свойствам и предназначению:
- Тяжелые. Имеют высокую плотность, соответственно, и вес. К ним относятся Cu, Ni, Pb, Zn, Sn.
- Легкие. Имеют малый вес из-за незначительной удельной плотности. К ним относятся: Al, Mg, Ti, Na, Ka, Li.
- Малые: Hg, Co, Bi, Cd, As, Sb.
- Легирующие. В основном используются для получения сталей и сплавов с необходимыми качествами. Это W, Mo, Ta, Nb, V.
- Благородные. Широко известны и используются для изготовления ювелирных украшений. Среди них Au, Ag, Pt.
- Редкоземельные, рассеянные: Se, Zr, Ga, In, Tl, Ge.
Специфика отрасли
Руды цветных металлов, как было выше сказано, содержат малое количество добываемого элемента. Поэтому на тонну той же меди необходимо до 100 т руды. Из-за большой потребности в сырье цветная металлургия, по большей части, располагается вблизи своей сырьевой базы.
Цветные руды для своей переработки требуют большого количества топлива или электроэнергии. Энергетические затраты достигают половины общих затрат, связанных с выплавкой 1 т металла. В связи с этим металлургические предприятия располагаются в непосредственной близости от производителей электроэнергии.
Производство редких металлов в основном основано на восстановлении из соединений. Сырье поступает с промежуточных этапов обогащения руд. Из-за небольших объемов и трудности производства получением редких металлов занимаются лаборатории.
Состав отрасли
Виды цветной металлургии включают в себя отрасли, связанные с получением определенных видов металлов. Так, укрупнено можно выделить следующие отрасли:
- производство меди;
- производство алюминия;
- производство никеля и кобальта;
- производство олова;
- производство свинца и цинка;
- добыча золота.
Получение никеля тесно связано с местом добычи никелевых руд, которые расположены на Кольском полуострове и в Норильском районе Сибири. Многие отрасли цветной металлургии отличаются многоступенчатым металлургическим переделом промежуточных продуктов.
На этом основании эффективен комплексный подход. Это сырье для получения других сопутствующих металлов. Утилизация отходов сопровождается получением материалов, использующихся не только в других отраслях тяжелого машиностроения, но и в химической и строительной отраслях.
Металлургия тяжелых металлов
Получение меди
Основными этапами получения чистой меди являются выплавка черновой меди и ее дальнейшее рафинирование. Черновая медь добывается из руд, а низкая концентрация меди в уральских медных колчеданах и большие ее объемы не позволяют перенести производственные мощности с Урала. В качестве резерва выступают: медистые песчаники, медь-молибденовые, медь-никелевые руды.
Рафинирование меди и переплавка вторичного сырья производится на предприятиях, которые удалены от источников добычи и первичной плавки. Благоприятствует им низкая стоимость электричества, так как для получения тонны меди расходуется до 5 кВт энергии в час.
Утилизация сернистых газов с последующей переработкой послужила стартом для получения серной кислоты в химической промышленности. Из остатков апатитов производит фосфатные минеральные удобрения.
Получение свинца и цинка
Металлургия цветных металлов, таких как свинец и цинк, имеет сложную территориальную разобщенность. Добычу руды ведут на Северном Кавказе, в Забайкалье, Кузбассе и на Дальнем Востоке. А обогащение и металлургический передел проводится не только возле мест выемки руды, но и на других территориях с развитой металлургией.
Свинцовые и цинковые концентраты богаты на химическую элементную базу. Однако сырье имеет разное процентное содержание элементов, из-за чего не всегда цинк и свинец можно получить в чистом виде. Поэтому технологические процессы в районах различны:
- В Забайкалье получают только концентраты.
- На Дальнем Востоке получают свинец и цинковый концентрат.
- На Кузбассе получают цинк и свинцовый концентрат.
- На Северном Кавказе ведут передел.
- На Урале производят цинк.
Металлургия легких металлов
Наиболее распространенным легким металлом является алюминий. Сплавы на его основе обладают свойствами, присущими конструкционным и специальным сталям.
Для получения алюминия сырьем являются бокситы, алуниты, нефелины. Производство разделено на две стадии:
- На первой стадии получают глинозем и необходим большой объем сырья.
- На второй стадии электролитическим методом производят алюминий, на что требуется недорогая энергия. Поэтому этапы производства находятся на разных территориях.
Получение алюминия и сплавов сосредоточено в промышленных центрах. Сюда же поставляется лом на вторичную переработку, что в итоге снижает себестоимость готовой продукции.
Источник
—> Детская Энциклопедия —>
Добыча и обогащение руд цветных металлов
Цветными металлами занято большинство клеток менделеевской таблицы — три четверти. Правда, на их долю приходится только одна пятая вещества земной коры, но и это, впрочем, означает миллиарды миллиардов тонн. Однако человека в первую очередь интересуют доступные сокровища. Всего лишь одну тысячную процента земной коры по весу составляют скопления сульфидных руд, в которых металлы соединены с серой. А это и есть главные поставщики большинства цветных металлов. Но не всех. Алюминий скрывается в бокситах и в некоторых других горных породах. Торий предпочитает обычно так называемые монацитовые пески.
Месторождения бывают всякими. Иногда это самая обычная на вид гора. В Армении именно так выглядят залежи алюминиевого сырья — нефелиновых сиенитов. Иногда месторождение — это толстый, длинный и широкий массив, пласт руды, например медной, как в Джезказгане (Казахстан). А в рудоносных породах Алтая, как в огромном плоде граната, на глубине от нескольких метров до сотен и даже тысяч метров щедро посажены драгоценные зерна, отделенные прослойками пустой породы. В каждом из них — тысячи тонн полиметаллической руды, в которой и серебро, и свинец, и цинк, и многое другое. 
Золото, вольфрам, торий, редкоземельные металлы часто прячутся в песках. А есть среди цветных металлов и такие, о залежах которых вообще нельзя говорить. Вот, например, рений, один из самых стойких в химическом отношении элементов. У него нет «своей» руды. Приходится получать его из отходов молибденового производства. А германий считают выгодным добывать из. золы тепловых электростанций. Этот сверхрассеянный металл был когда-то собран из почвы растениями, превратившимися потом в каменный уголь.
Каждый вид залежи разрабатывают по-своему. С горой дело решается просто: взрывай камень да увози на переработку. Но чаще всего руды прячутся за щитом пустой породы. Приходится этот щит разбивать, конечно, если он не слишком толст. Это открытый способ разработки месторождений. Часто щит разбивают мощными взрывами. Обломки после взрыва убирают экскаваторы, транспортеры, автомашины, электровозы — в зависимости от условий разработки. А иногда и с уборкой справляется тот же взрыв — когда его удается сделать направленным. Тогда он не только разрыхляет породу, но и выкидывает ее в заранее назначенное место. Порой, когда породы на пути к сокровищам мягкие, наоборот, экскаваторы сами вгрызаются в щит, а затем убирают пустую породу.
Совсем по-другому добывают металлы из песков. Возьмем, к примеру, золотоносные пески. Они лежат, как правило, в руслах рек. Поэтому за золотом отправляют «в плавание» своеобразные корабли — драги, захватывающие со дна драгоценные пески черпаками вместимостью в двести — триста с лишним литров. Для того чтобы запустить драгу, иногда специально строят плотины, повышающие уровень воды в районе разработки россыпи. Драга — сложное Сооружение, плавающее на большом понтоне. На носу у нее установлены черпаки, захватывающие песок, на корме — конвейер, по которому песок после промывки перебрасывается «за борт», в отвал. Иногда выгодно использовать сплошную струю воды непосредственно в россыпи. В этом случае струя воды захватывает порцию ценных песков, переносит ее к месту переработки и промывает пески на специальных промывных устройствах.
Нельзя не сказать еще об одном способе добычи цветных металлов — из воды. Легчайший металл литий, например, добывают из озерной воды, в которой растворены его соединения. На Дегтярском руднике на Урале медь добывают из грунтовых вод. Раствориться в воде ей помогли триллионы бактерий, окисливших нерастворимые соединения меди с серой в растворимую сернокислую медь — медный купорос. Грунтовые воды, проходя через месторождение, растворяют медный купорос и уносят его на поверхность. Теперь надо только заменить в растворе медь на железо и выделить чистую медь.
Словом, немало на свете способов добычи руд цветных металлов. Однако многие руды сразу не отправишь в плавильные печи. Сначала они должны пройти процесс обогащения на специальных фабриках.
С обогащением железной руды вы уже познакомились. Начало процесса обогащения руд цветных металлов такое же: прежде всего их надо раздробить на куски и размолоть. Но дальше приходится поступать по-другому: медь не притягивается магнитом. Наиболее распространенный способ обогащения цветных металлов — флотация. 
Хотите узнать, что это такое? Бросьте в стакан с водой виноградину. Удельный вес виноградины больше удельного веса воды, поэтому она сначала утонет. Но вскоре всплывет вся покрытая мелкими пузырьками газа, превратившимися в «поплавки». На этом же свойстве основана и работа флотационной машины, так как пузырьки газа прилипают и к зернам многих ценных минералов. В специальных чанах через смесь руды с водой, в которую добавлены особые вещества — пенообразователи, прогоняют воздух. Образуется огромное количество пены. Она делает плавучими тяжелые серебро, медь, свинец и оставляет на дне более легкие, но «не умеющие» плавать примеси.
Любой метод обогащения основан на использовании каких-то свойств, которыми обладает руда и не обладает пустая порода. В струе воды или более тяжелой жидкости частицы разделяются по весу. Обогатители научились отделять руду цветных металлов от пустой породы по разнице в способности сохранять электростатический заряд, по различию в форме частиц, в коэффициенте трения их при движении и т. д.
Теперь, после того как мы обогатили руду, ее можно отправить на выплавку. О том, как это делается, какими способами металлурги получают сейчас цветные металлы, вы узнаете, прочитав статью «Получение цветных металлов».
Источник
