ИСТОРИЯ МЕТАЛЛУРГИИ В расписании значится История процессов получения

ИСТОРИЯ МЕТАЛЛУРГИИ В расписании значится: «История процессов получения и обработки металлов и сплавов» Патриархальные названия дисциплины: «Введение в специальность» «Введение в металлургию цветных металлов» Занятия - 4 академически часа (2 пары) в неделю Четверг с 10. 00 до 13. 40 1

Преподаватель Серёгин Павел Сергеевич кандидат технических наук, доцент сайт кафедры: www. kafedra-cm. ru «Кафедра ЦМ» 2

СТРУКТУРА КУРСА ЛЕКЦИИ ПРАКТИКА 1. Основные определения, классификация металлов 2. Роль металлов в развитии человечества 3. История открытия, сферы использования и характеристики основных металлов 4. География металлургических предприятий мира 5. Основы производства цветных металлов и сплавов 6. Новые направления техники, основанные на металлургии цветных металлов 1. «Парад преподавателей кафедры» 2. Экскурсии на действующие металлургические предприятия, музеи и научные учреждения 3. Демонстрационные лабораторные работы 4. Конкурс рефератов студентов 5. Тесты по отдельным частям курса 3

«ПРАВИЛА ИГРЫ» • В конце курса – экзамен • Перед экзаменом – допуск к экзамену • К экзамену будут допущены студенты 1. Посетившие более 70% занятий (минимум 11 из 15); 2. Успешно сдавшие тесты (более 70% правильных ответов); 3. Выступившие с докладом (реферат) • Экзамен может проходить по двум формам: «классическая» или «модернизированная» 4

ПРИНЦИП ПАРЕТО «закон 80/20» Эмпирическое правило, названное в честь итальянского экономиста и социолога Вильфредо Парето «Закон» был сформулирован в 1897 году когда он исследовал распределение доходов в Италии и обнаружил, что значительная часть из них сосредоточена в руках небольшой части населения (приблизительно в соотношении 80 к 20) Может использоваться как базовая установка в анализе факторов эффективности какой-либо деятельности и оптимизации её результатов 5

Интерпретации и следствия закона Парето • • • 80% прибыли компании приносит реализация 20% товаров; 80% потерь происходит в результате 20% ошибок; значимых факторов немного, факторов второстепенных – множество; 80% результата дают 20% усилий; бо льшая часть усилий не даёт желаемых результатов; то, что мы видим, не всегда соответствует действительности – всегда имеются скрытые факторы. 6

ИСТОРИЯ МЕТАЛЛУРГИИ История (ἱστορία - расспрашивание, исследование) • гуманитарная наука, занимающаяся изучением человека (его деятельности, состояния, мировоззрения, социальных связей и организаций и т. д. ) в прошлом; • в более узком смысле – наука, изучающая всевозможные источники о прошлом для того, чтобы установить последовательность событий, исторический процесс, объективность описанных фактов и сделать выводы о причинах событий • Historia est magistra vitae - «История - наставница жизни» 7

ИСТОРИЯ МЕТАЛЛУРГИИ Металлургия • metalleuo – выкапываю, добываю из земли; • metallurgeo – добываю руду, обрабатываю металлы; • metallon – рудник, металл. • Металлургия – отрасль промышленности, охватывающая процессы обработки добытых из недр руд, получение металлов и сплавов, придание им определенных свойств • Металлургия – область науки о способах получения и очистки металлов, возникшая на основе физики, химии и ряда других технических дисциплин (теплотехника, физическая химия и другие) 8

АРХЕОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭПОХ • • Каменный век: преобладание орудий труда из камня (металл крайне редок) Медный век (энеолит): появляются орудия из меди Бронзовый век: получают применение орудия из сплава меди с оловом Железный век: гальштадтская культура и латенская культура • Общие представления о трех «веках» - каменном, бронзовом и железном - возникло еще в античном мире (Тит Лукреций Кар); • Термин «железный век» был введен в археологическую науку в середине XIX в. датским археологом Томсеном; • Термин «медный век» предложил в 1876 году венгерский археолог Пульский 9

МЕТАЛЛУРГИЯ ДРЕВНЕГО МИРА • Оловянная бронза - древнейший сплав, выплавленный человеком • Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тысячи лет до новой эры восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углем • Уже в эпоху Древнего царства в Египте получила распространение медь Биа, залежи которой имелись на подвластных египетским правителям землях Синайского полуострова • Египетская медь была сравнительно мягкой, но, с другой стороны — легко поддающейся холодной ковке, которой с древности владели кузнецы Кеми • Вторым известным египтянам способом обработки меди было литье в формы 10

ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК • Человек впервые познакомился с метеоритным железом ( «небесное тело» , «звезда» , «упавший с неба» , «небесная медь» ) • Железные руды (например, бурые железняки) встречаются на Земле почти всюду • Выделяют ранний железный век (РЖВ) и поздний железный век (ПЖВ) • От кельтского названия железа «изарнон» произошли немецкое название «айзен» и английское - «айрон» • В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна массой 6 тонн, высотой 7, 5 м и диаметром 40 см (380 - 330 гг. до н. э. ) 11

ПРЕДШЕСТВЕННИК МЕТАЛЛУРГИИ - АЛХИМИЯ • В древности и в средние века, вплоть до времен М. В. Ломоносова, считалось, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть) • У алхимиков металлы носили название планет: Золото называлось Солнцем, Серебро - Луной, Медь - Венерой, Олово - Юпитером, Свинец - Сатурном, Железо - Марсом, Ртуть – Меркурием • Химики древнего мира и средних веков применяли для обозначения веществ символические изображения. 12

ПОИСКИ «ФИЛОСОФСКОГО КАМНЯ» • Философский камень (lapis philosophorum), он же магистерий, ребис, эликсир философов, жизненный эликсир, красная тинктура, великий эликсир - в представлениях средневековых алхимиков некий «реактив» , позволяющий осуществлять превращения различных металлов в золото, а также для создания эликсира жизни • В алхимических трактатах символом философского камня часто выступает дракон УРОБОРОС, пожирающий свой хвост • Теофиль Рогерус (7 век, Германия) • Николас Фламель (14 век, Франция) • Джордж Рипли (15 век, Англия) 13

«СЛЕДУЮЩИЕ ЧЕТЫРЕ» • Во время расцвета алхимии стали известны: Мышьяк; Сурьма; Цинк; Висмут • Планет для них не оставалось, поэтому их считали «полуметаллами» • Сурьма Была известна в Древней Греции как stími и stíbi, отсюда латинский stibium. В 12 -14 веках появилось название antimonium • Легенда происхождения названия, описанная Ярославом Гашеком в рассказе «Камень Жизни» 14

ФЛОГИСТОН • Флогисто н (φλογιστός — горючий, воспламеняемый) – гипотетическая «сверхтонкая материя» – «огненная субстанция» , якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении • Термин введён Иоганном Бехером в 1703 году для объяснения процессов горения • Флогистон представляли как невесомую жидкость, улетучивавшуюся из вещества при сжигании; • Металл представляли как «сложное тело» , состоящее из «земли» (оксида металла) и флогистона 15

Михаил Васильевич Ломоносов (1711 - 1765) • До 18 века металлургия была ремеслом, предаваемым от поколения к поколению • Основы металлургии как науки заложил М. В. Ломоносов в своем труде: «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 год) • Он установил связь производства металлов с успехами физики и химии того времени • Развил и дополнил атомистические представления древних греков • Доказал опытами и сформулировал закон сохранения массы (1741 год) 16

Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) • По праву считается основателем современной химии • Опроверг существовавшую до него теорию флогистона, понял и описал истинную природу окисления и горения • Металлы были признаны элементами, а оксиды и сульфиды – их соединениями с кислородом и серой • Установил химическую природу алмаза • Путём анализа и синтеза он показал, что воздух есть смесь двух газов. • Впервые получил синтезом из водорода и кислорода воду • Ввел в химию понятия окись, кислота и соль (в современном их понимании) • Казнен по приговору Революционного трибунала 17

Йёнс Якоб Берцелиус (1779 – 1848) • В 1814 году опубликовал таблицу атомных масс 41 -го простого вещества, выбрав в качестве единицы сравнения кислород, атомную массу которого он принял за 100 • Вывел формулы уксусной, винной, янтарной и других кислот • Предложил использовать для обозначения элементов чисто буквенные знаки, которыми по сей день пользуется весь мир, за редкими исключениями: • Так, например, во Франции вместо знака азота N, бериллия Be и вольфрама W часто используют знаки Az (Azote), Gl (Glucinium) и Tu (Tungstene); • в США вместо знака ниобия Nb нередко употребляют Cb (Columbium). 18

Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907) • Автор фундаментальных исследований по химии, физике, метрологии, метеорологии и экономике, основополагающих трудов по воздухоплаванию, сельскому хозяйству, химической технологии и народному просвещению Примеры научных достижений: • Исследовал явления изоморфизма и связь свойств элементов с их атомным объемом; • Открыл критическую температуру жидкости; • Написал первый русский учебник по органической химии; • Сконструировал пикнометр - прибор для определения плотности жидкости; • Создал гидратную теорию растворов; • Развил идеи о существовании соединений переменного состава; • Нашёл общее уравнение состояния идеального газа; • Выдвинул идею подземной газификации углей. 19

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ • Работая над трудом «Основы химии» , Д. И. Менделеев открыл в феврале 1869 года один из фундаментальных законов природы - периодический закон химических элементов • 6 марта 1869 года знаменитый доклад Д. И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был прочтён Н. А. Меншуткиным на заседании Русского химического общества • Соавторство Лотара Мейера в создании периодического закона • Развивая идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов 20

«НОБЕЛЕВКА» И ЛЕГЕНДЫ О МЕНДЕЛЕЕВЕ • Иностранные учёные выдвигали Дмитрия Ивановича Менделеева на Нобелевскую премию три раза в 1905, 1906 и 1907 годах (соотечественники — никогда) • 1905 - немецкий химиком-органиком Адольф Байер • 1906 - первоначально Менделеев, но Шведская королевская академия отказалась утвердить кандидатуру (под влиянием Аррениуса) • 1906 - французский учёный Муассан за открытие фтора • 1907 - совместно с итальянцем С. Канниццаро. . . но • Скрытая причина: конфликт с братьями Нобелями в основе которого лежала объективная оценка Менделеевым запасов Бакинской нефти ЛЕГЕНДЫ • «Приснившаяся таблица» ; «Чемоданных дел мастер» ; «Изобретение водки» 21

РАЗВИТИЕ ХИМИИ МЕТАЛЛОВ В 18 -20 ВЕКАХ • В 18 веке, подвергая химическому анализу множество горных пород и минералов, химики открыли такие элементы как: Хром; Магний; Марганец; Молибден; Никель; Платина • В 19 веке (начиная с 1859 года) благодаря разработке Бунзеном и Кирхгофом спектрального анализа, обнаружили многие другие металлы, встречаемые в недрах земли • В 20 веке были открыты и синтезированы такие металлы как: Гафний; Европий; Лютеций; Неодим; Самарий; Плутоний • Поискам новых элементов способствовала периодическая система элементов Д. И. Менделеева, заранее определившая ожидаемые свойства новых элементов 22

ВКЛАД РОССИЙСКИХ УЧЕНЫХ В РАЗВИТИЕ МЕТАЛЛУРГИИ • Академик В. В. Петров (1803 г. ) открыл электрическую дугу и дал направление в развитии электрометаллургии • Академик Б. С. Якоби (1834 г. ) впервые применил электролиз для осаждения металлов из растворов, заложив основы гидроэлектрометаллургии • Академик Г. Гесс (1848 г. ) сформулировал закон постоянства сумм тепла и этим заложил основы современной термохимии • Н. Н. Бекетов (1865 г. ) разработал теорию металлотермии • П. Г. Соболевский и В. В. Любарский нашли способ превращения порошкообразных металлов в компактное состояние (порошковая металлургия) • П. Р. Багратион (1843 г. ) открыл способ извлечения золота из руд – цианистый процесс • Профессор В. Е. Грум-Гржимайло создал гидравлическую теорию металлургических печей 23

ВЫДАЮЩИЕСЯ РОССИЙСКИЕ МЕТАЛЛУРГИ • Великий русский металлург П. П. Аносов заложил основы учения о стали, впервые применил микроскоп, нашел связь между структурой металла и его свойствами (основатель металлографии), получил литую булатную сталь • Томский губернатор АНОСОВ Павел Петрович (1797– 1851) • Профессор Д. К. Чернов является отцом металловедения, установил зависимость структуры и свойств стали от ее термической обработки, создал первый набросок диаграммы состояния Fe-C, исследовал процесс зарождения и роста кристаллов • Менделеев (в химии)= Чернов (в металлургии) ЧЕРНОВ Дмитрий Константинович (1839– 1921) 24

Выдающиеся Металлурги Петербургского Политехнического Института БАЙКОВ Александрович КУРНАКОВ Николай Семенович ФЕДОТЬЕВ Павел Павлович (1870 -1946) (1860 -1941) (1864 -1934) 25

КАФЕДРА «ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ» 80 -е ГОДЫ 26

ПРЕПОДАВАТЕЛИ КАФЕДРЫ «ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ» www. kafedra-cm. ru 27

ПОНЯТИЕ «МЕТАЛЛ» • Ломоносов называл металлом «…светлое тело, которое ковать можно» • Металлы - химические элементы, обладающие характерными металлическими свойствами, такими как: – высокая теплопроводность; – высокая электропроводность; – положительный температурный коэффициент сопротивления; – высокая пластичность; – металлический блеск. • Химический элементы, образующие оксиды основного характера можно отнести к металлам 28

Металлы в таблице Менделеева Из 118 химических элементов, открытых на данный момент, к металлам относят: • 6 элементов в группе щелочных металлов; • 6 в группе щелочноземельных металлов; • 38 в группе переходных металлов; • 7 в группе легких металлов; • 7 в группе полуметаллов (металлоидов); • 14 в группе лантаноиды + лантан; • 14 в группе актиноиды + актиний; 29

Щелочные металлы • При растворении щелочных металлов в воде образуются растворимые гидроксиды, называемые щелочами • Все металлы этой подгруппы имеют серебристобелый цвет (кроме серебристо-жёлтого цезия) • Металлы очень мягкие, их можно резать ножом • Литий, натрий и калий легче воды и плавают на её поверхности, реагируя с ней • Щелочные металлы встречаются в природе в форме соединений, содержащих однозарядные катионы 30

Щелочноземельные металлы • Соли щёлочноземельных металлов, кроме радия, широко распространены в природе в виде минералов • Все щёлочноземельные металлы - серые, твёрдые при комнатной температуре вещества 31

Переходные металлы Химические элементы побочных подгрупп Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, в атомах которых появляются электроны на d- и f- орбиталях 32

Лантаноиды и Актиноиды • Лантаниоды - семейство из 14 химических элементов III группы 6 -го периода периодической таблицы • Лантан часто рассматривается вместе с этими элементами для удобства сравнения, хотя к лантаноидам он не относится • Термин «лантаноиды» , предложил в 1948 году профессором ЛГУ С. А. Щукарев • Актиноиды - семейство из 14 химических элементов III группы 7 -го периода периодической таблицы • Термин «актиноиды» был предложен Виктором Гольдшмидтом в 1937 году • Плутониевый заряд (атомная бомба, сброшенная на Нагасаки) 33

«ЛЕГКИЕ» И ПОСТПЕРЕХОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ • Термин «лёгкие металлы» не утверждён Металлы входящие в p-блок номенклатурой ИЮПАК. • В данную группу принято включать алюминий, галлий, индий, олово, таллий, свинец и висмут. • Иногда сюда включают германий, сурьму и полоний, хоть они и считаются металлоидами или «полуметаллами» . • Элементам под номерами 113, 114, 115 и 116 даны временные названия • Унунтрий, Унунквадий, Унунпентий, Унунгексий • Синтезировать данные химические элементы в весовых количествах для изучения их химических свойств пока не представляется возможным 34

Промышленная классификация металлов • В периодической системе все металлы классифицированы по их химическим свойствам • Промышленная классификация металлов не имеет строго научных обоснований • Черные металлы: Железо (Хром и Марганец) • Основные сплавы на основе железа: - Сталь и Чугун (основное отличие по содержанию углерода; 2, 14% С) - Ферросплавы (ферромарганец, феррохром, ферросилиций, ферроникель) • Железо производят и потребляют больше, чем любой другой металл • Цветные металлы – ВСЕ ОСТАЛЬНЫЕ 35

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ • Среди цветных металлов ПКМ выделяет: • Тяжелые ЦМ (медь, никель, свинец, цинк, олово) – 7, 14 -11, 3 т/м 3 • Легкие ЦМ (алюминий, магний, калий, натрий, барий, бериллий и литий) от 0, 53 до 3, 5 т/м 3 • Благородные ЦМ (золото, серебро, платина, палладий, осмий, родий, рутений, иридий) характеризуются малым сродством к кислороду • Малые (или младшие) ЦМ (висмут, сурьма, мышьяк, кобальт и ртуть) • Остальные – редкие ЦМ (малое содержание в земной коре и трудности выделения в свободное состояние) • Кроме того, можно выделить группу тугоплавких ЦМ, к которым относятся (вольфрам, молибден) температуры плавления 3410 °С и 2620 °С 36

Металл с точки зрения кристаллохимии • Металлы – химические элементы, кристаллические решетки которых состоят из атомов и ионов, а в пространстве между ядрами свободно перемещаются электроны • Связь между атомами ковалентная, между ионами и электронами – металлическая • Металлическая связь по своей природе занимает промежуточное положение между ионной и ковалентной • Представление о кристаллической решетке — «погруженной в облако свободно блуждающих электронов» хорошо объясняют такие свойства металлов, как - электропроводность - теплопроводность • Механические свойства металлов во многом зависят от типа плотноупакованных пространственных решеток 37

Изменение кристаллической решетки под действием температуры • С увеличением температуры происходит разупорядочивание кристаллической решетки • Увеличивается тепловое колебание атомов • Жидкие металлы отличаются от твердых сравнительно малой связью между атомами и ионами • Современная теория расплавов говорит о наличии в них ближнего порядка кристаллической решетки • Один и тот же металл при разных температурах может иметь разные кристаллические решетки • Пример белого и серого олова 38

Относительная стоимость различных металлов ЛБМ: Al – 2080 USD/т Cu – 8180 USD/т Ni – 17975 USD/т Au – 1757 USD/т. у. Тройская унция – единица измерения массы равная 31, 10 г. 39

Масштаб мирового производства различных металлов • Железо (сталь и чугун) n 100 000 т • • n 1 000 000 т n 100 000 т • • Алюминий Медь, Цинк, Свинец Олово, Никель Ртуть, Сурьма, Вольфрам, Молибден, Магний Кобальт, Калий, Серебро, Золото, Висмут Тантал, Ниобий, Церий Платина, Палладий, Рений, Иридий Германий, Таллий, Галлий, Индий n 10 000 т n 100 т n 1 т 40

ПОНЯТИЕ «РУДА» И «МИНЕРАЛ» • Руда – полезное ископаемое, содержащее ценные металлы в количествах, допускающих их извлечение при современных технологических и экономических возможностях • Условия, считать горную породу рудой: - потребность в металле - процентное содержание компонента - запасы руды - вредные примеси • Минералы – химические соединения металлов, образовавшиеся результате длительного воздействия высоких температур, давления и других геологических факторов • Твердые кристаллические вещества, несущие в себе ценный компонент – минерал, остальная часть – пустая порода • Руды различаются по составу, структуре, цвету, блеску, плотности, твердости и иным признакам 41

Понятие литосферы • Литосфе ра (от λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли • Литосфера состоит из разных горных пород, сложенных минералами, возникшими в результате различных природных геохимических процессов • Основа литосферы: базальты и граниты • Магма – жидкий расплав, проникающий в литосферу из мантии, и из которой возникают минералы 42

БАЗАЛЬТ И ГРАНИТ • Базальты - самые распространённые магматические породы на поверхности Земли, и на других планетах • Содержание кремнезема (Si. O 2) колеблется от 45 до 53%, Ti. O 2=1. 8 -2. 3%; Al 2 O 3=14. 5 -17. 9%; Fe 2 O 3=2. 8 -5. 1%; Fe. O=7. 3 -8. 1%; Mg. O=7. 1 -9. 3%; Ca. O=9. 1 -10. 1% • Грани т – кислая магматическая горная порода, состоящая из кварца, полевого шпата и слюды; очень широко распространены в континетальной земной коре плотность гранита — 2600 кг/м³ 43

РАЗЛИЧНЫЕ ЦЕННЫЕ МИНЕРАЛЫ • В зависимости от состава руды и минералы могут быть: - оксидными; - сульфидными; - самородными 1 3 Примеры: 1. Сульфиды - халькопирит Cu. Fe. S 2 2. Окислы - гематит Fe 2 O 3 3. Карбонаты - смитсонит Zn. CО 3 4. Алюмосиликаты - каолинит Al 2 O 3∙ 2 Si. O 2∙ 2 H 2 O 5. Самородные минералы – свободные элементы или их сплавы (Cu, Ag, Au, Pt) 2 4 5 44

Содержание минералов в литосфере: % 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Силикаты и алюмосиликаты Окислы и гидроокиси Карбонаты Фосфаты, арсенаты, ванадаты Галогениды Сульфиды и сульфаты Самородные элементы 75, 0 17, 0 1, 7 0, 5 3, 5 0, 1 • Многие минералы имеют переменный состав из-за образования твердых растворов и изоморфных включений примесей; • Помимо кристаллических минералов, в породе широко представлены золи и гели — дисперсные системы и продукты их коагуляции. 45

РУДЫ И ИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ • Руды называют по извлекаемым из них металлам, например медная, свинцовая, никелевая и по преобладающему типу минералов: сульфидная или окисленная • Комплексная руда – это руда, являющаяся сырьем для получения нескольких металлов, например свинцово-цинковая, медноникелевая, медно-свинцово-цинковая, полиметаллическая. • Минералы, содержащие ценные элементы, извлекаемые при комплексной переработке, считают рудными, а остальные - пустой породой. • Месторождение (полезного ископаемого) – скопление минерального вещества на поверхности или в недрах Земли, которое по количеству, качеству и горно-техническим условиям разработки пригодно для промышленного освоения, с положительным экономическим эффектом 46

Руды цветных металлов бывают: - Сульфидные (3/4 минералов – сульфиды); - Окисленные (<1/4 минералов – сульфиды); - Смешанные. Сульфидам сопутствуют благородные металлы: Ag, аргентит Ag 2 S, Au – характерны для Cu, Pb, Zn руд; Pt и платиноиды – для Cu-Ni, Ni руд. В сульфидных рудах много пирита Fe. S 2 и пирротина Fe 7 S 8, кварца Si. O 2 Окисленные руды состоят главным образом из окислов, карбонатов и силикатов 47

Средний состав земной коры (%) • Кла рковое число (или кларк элемента) — число, выражающие среднее содержание химического элемента в земной коре; • Обобщение данных по химическому составу различных горных пород впервые сделано учёным Ф. У. Кларком • Уточнено А. Е. Ферсманом и по его предложению названо «кларком) 48

Распространенность элемента в земной коре 49

Кривая логарифмов кларков химических элементов земной коры (по академику Ферсману, 1934 год) 50

ПРАВИЛО ОДДО-ГАРКИНСА • В 1914 г. итальянский физик Дж. Оддо обратил внимание на то, что в земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и четной атомной массой. • Более подробно это явление было изучено американским ученым У. Гаркинсом. • Оно получило название правила Оддо–Гаркинса и формулируется так: из двух соседних элементов таблицы Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше. • Это можно легко заметить на примере восьми главных элементов, образующих 99 % массы земной коры. • Из них четные элементы составляют 86 %, а нечетные – всего 13 %. 51

СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ Этапы производства металла из рудного сырья: 1. Разведка запасов 2. Добыча руды 3. Обогащение руды (получение концентрата) Геология Горное дело Обогащение 4. Металлургическая переработка концентрата (получение чернового металла) 5. Рафинирование металла 6. Получение сплава Металлургия 7. Изготовление металлических изделия Металлообработка 52

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ 1. 2. 3. 4. Добыча руды Обогащение руды (получение концентрата) Металлургическая переработка концентрата Рафинирование металла 45 -55% 15 -20% 5% • Продолжительность реализации проекта от разведки до запуска завода (ГОК или ГМК) от 10 лет • Срок окупаемости проектов в металлургической отрасли от 10 лет • Срок эксплуатации проектов 30 -50 лет и более 53

Виды разработки рудных месторождений 1. Открытым способом (карьер), если руда залегает неглубоко способом 2. Подземным способом (шахта), если руда залегает глубоко способом 3. Комбинированным способом (при сложных рудных телах) способом 54

ОБОГАЩЕНИЕ РУДЫ Обогащение - предварительная подготовка сырья, основанная на различии физических свойств минералов. Обогащенную часть называют концентратом, отходы - хвостами. 55

ОСНОВЫ ОБОГАЩЕНИЯ • Обогащение возможно только после дробления и измельчения руд до крупности, позволяющей обособить отдельные зерна и расколоть сростки минералов и пустой пород • Обогащение упрощает и удешевляет металлургическую переработку руд, способствует расширению ресурсов минерального сырья 56

ДРОБЛЕНИЕ РУДЫ • Куски руды поступающие с рудника, могут быть в поперечном сечении 1200 -1500 мм, для последующих стадий обогащения и металлургической переработки требуется материал меньшей крупности (вплоть до 0, 05 мм и менее), поэтому руду необходимо подвергнуть дроблению и измельчению • Различают следующие стадии дробления и измельчения: - крупное дробление 1500 -300 300 -100 - среднее дробление 300 -100 50 -10 - мелкое дробление 50 -10 10 -2 - тонкое измельчение 2 0, 05…… 57

Классификация машин для дробления (проф. Л. Б. Левенсон) 1. 2. 3. 4. 5. 6. Щековые дробилки Конусные дробилки Валковые дробилки Ударные (или молотковые) дробилки Бегуны Барабанные дробилки (или мельницы) 58

ЩЕКОВАЯ ДРОБИЛКА Для крупного дробления пользуются щековыми дробилками, производительность которых достигает 500 т/час 1 – подвижная щека 2 – неподвижная щека 59

КОНУСНАЯ ДРОБИЛКА • Непрерывно раздавливают материал между конусами, один из которых перекатывается по внутренней поверхности другого • Производительность до 200 т/час 3 – неподвижный конус 4 – подвижный конус 5 – вал 60

ВАЛКОВАЯ ДРОБИЛКА • Среднее и мелкое дробление выгоднее осуществлять в валковых дробилках • Валки покрыты твердой сталью и могут быть: - гладкими, - рифлеными - зубчатыми • Производительность до 100 т/час 61

МЕЛЬНИЦЫ Барабанно-шаровая мельница 1 -барабан 2 -дробящие тела (шары) 3 -загрузка исходного материала 4 -подшипники 5 -разгрузка исходного материала • Применяются для исходных кусков менее 50 мм; • По виду дробящих тел мельницы подразделяются на: стержневые, шаровые и галечные; • Диаметр дробящих тел 20 -150 мм; • Скорость вращения барабана 12 -40 об/мин; • Часто используют мокрое измельчение (в воде) 62

ПУЛЬПА • Смесь твердых частиц с водой называют пульпой • Консистенция пульпы характеризуется весовым соотношением твердого к жидкому (т : ж) или весовым процентом твердого в пульпе • При измельчении в мельницах пульпа обычно содержит 40 -75% твердого • Мокрое измельчение предупреждает окомкование частиц и пыление материалов при разрушении 63

ГРОХОЧЕНИЕ • Минералы измельчаются различно в зависимости от твердости, хрупкости, вязкости и формы кусков • Часть руды может оказаться мельче/крупнее чем нужно, поэтому после каждой стадии руду классифицируют по крупности грохочением, процессом подобным проссеиванию • Виды грохотов: 1 -колосниковый; 2 -вибрационный; 3 -барабанный; 64

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО КРУПНОСТИ • После мокрого измельчения применяют гидравлическую классификацию, основанную на различии скоростей оседания из пульпы крупных и мелких частиц либо действии на них центробежной силы • Применяют: 1 - спиральные классификаторы; 2 - гидроциклоны. 65

Стандартная схема дробления, измельчения и классификации • Схема должна удовлетворять следующим требованиям: 1) не дробить лишнего; 2) выдавать материал не крупнее заданного размера. 66

СПОСОБЫ ОБОГАЩЕНИЯ РУДЫ 1. Разборка по цвету, блеску и форме кусков минералов 2. Обогащение по твердости, хрупкости и форме кусков 3. Электрическое обогащение 4. Магнитное обогащение 5. Гравитационное обогащение 6. Обогащение в тяжелых средах 7. Флотационное обогащение Талнахская обогатительная фабрика ГМК «Норильский никель» 67

ФЛОТАЦИОННОЕ ОБОГАЩЕНИЕ • Флотационное обогащение основано на различной смачиваемости минералов водой после обработки руд особыми флотационными реагентами (ПАВ) • Применяя флотационные реагенты отделяют рудные минералы от пустой породы, при этом получают коллективный рудный концентрат и хвосты • При повторной флотации с другими реагентами последовательно отделяют рудные минералы по одному, получая селективный концентрат 68

Схема пневмо-механической флотационной машины Работа флотационной машины требует энергичного перемешивания пульпы с пузырьками воздуха, при этом должны быть созданы условия для спокойного всплывания пузырьков, нагруженных частицами минералов, и удаления минеральной пены с поверхности жидкости 69

Внешний вид флотационной машины 70

ГРАВИТАЦИОННОЕ ОБОГАЩЕНИЕ • Гравитационное обогащение основано на различии в удельных весах и скоростях падения зерен минералов в воде или воздухе • Способы гравитационного обогащения: - отсадка; - обогащение на концентрационных столах. • Отсадка - послойное расположение на дне сосуда частиц выпавших из пульпы нескольких минералов, основана на различии скоростей падения минералов в вертикальной струе воды или воздуха. • Виды отсадочных машин: - поршневая; - пульсирующая; - высокочастотная. 71

Поршневая отсадочная машина 1 -поршень, 2 -эксцентрик, 3 -перегородка, 4 -камера, 5 -решето, 6 -ящик, 7 -желоб, 8 -порги 72

Пульсирующая отсадочная машина 1 -постель, 2 -сито, 3 -труба, 4 -диафрагма, 5 -пружина, 6 -клапан 73

Концентрационный стол 1 -дека, 2 -загрузочный ящик, 3 -нарифление, 4 -сотрясающий механизм 74

Винтовой сепаратор для гравитационного обогащения • Принцип действия основан на разделении материала, различающегося по плотности, в безнапорном наклонном потоке малой толщины, текущем по неподвижному, гладкому, винтообразному желобу постоянного сечения • Винтообразный желоб для нисходящего движения пульпы • Центробежные силы в большей степени действуют на тяжелые частицы, отбрасывая их к периферии потока • Слив сепаратора обогащен легкими частицами 75

Обогащение в тяжелых средах • Основано на разделении компонентов сырья по плотности в среде, которая занимает промежуточное положение между легкими и тяжелыми частицами • Более плотные частицы тонут, а более легкие всплывают на поверхность среды и удаляются специальными гребками • В качестве тяжелых сред применяют суспензии, растворы неорганических солей (хлориды Са и Zn), а также органические жидкости • Суспензия – взвесь тонкоизмельченных твердых частиц в воде 76

МАГНИТНОЕ ОБОГАЩЕНИЕ • Минералы имеющие достаточную магнитную восприимчивость, могут быть отделены от других с помощью магнита или электромагнита • Материалы разделяются на магнитную и немагнитную фракции (слабомагнитную) • Магнитная сепарация может быть сухой или мокрой Барабанный магнитный сепаратор для сухого магнитного обогащения 77

Внешний вид магнитных сепараторов Барабанный Барьерный 78

КОНДИЦИИ КОНЦЕНТРАТОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Примерные содержания ценных компонентов в рудных концентратах цветных металлов: Медный сульфидный конц. Медно-никелевый конц. Оловянный конц. Свинцовый конц. Цинковый конц. Титановый конц. Золотой конц. Cu 11 -20%, S 30 -43% Cu 4 -10%, Ni 4 -6% Sn 40 -55% Pb 30 -78%, Zn 3 -14% Zn 25 -50%, Cu 2 -5% Ti. O 2 42 -63%, Fe 35 -55% Au 10 -250 г/т и более 79

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ПУЛЬП • Обогащение чаще всего ведут в водной среде (пульпе) • На плавку необходимо подавать твердый и сухой материал, поэтому требуется проводить обезвоживание пульпы • Обезвоживание пульпы проводят последовательно тремя способами: 1 – сгущение (отстаивание); 2 – фильтрование; 80 3 – сушка.

СГУЩЕНИЕ • Для сгущения пульпу отстаивают в чанах-сгустителях. Получают осветленный верхний слив и сгущенный продукт – нижний слив. • Крупные частицы оседают из пульпы быстрее мелких • Для укрупнения мелких частиц применяют флокулянты и коагулянты. Чан-сгуститель (схема и фото) 81

ФИЛЬТРОВАНИЕ • Фильтрование пульп основано на продавливании жидкости через пористую перегородку, не пропускающую твердых частиц • Фильтрующими материалами служат х/б и синтетического ткани • Различают две основные разновидности фильтров: 1) вакуум-фильтры, в которых разность давлений создается за счет вакуума в приемнике фильтрата (барабанный, дисковый) 2) фильтр-прессы, работающие под внешним давлением. 82

Фильтр - прессы Движущей силой процесса фильтрации является напор подаваемой в аппарат суспензии. Пульпа под давлением поступает внутрь пакета плотно сжатых фильтровальных плит. Плиты обтягиваются фильтровальной тканью. Частицы твердой фаза задерживаются на поверхности фильтровального полотна, а жидкая фаза свободно проникает через мелкие 83 поры и далее через систему каналов выводится из фильтра

СУШКА КОНЦЕНТРАТА • Окончательное обезвоживание достигается высушиванием (нагревом до температуры испарения воды) • Скорость сушки пропорциональна разности давления паров воды над материалом и в окружающей его газовой среде • Для сушки используются: 1 – барабанные сушилки (горизонтальные); 2 – сушилки с вертикальной трубой (печи кипящего слоя) 84

МЕДЬ 85

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕДНЫХ РУД • Из 170 известных медьсодержащих минералов 17 используются в промышленных масштабах • Руды меди подразделяются на следующие природные типы: сульфидные, окисленные и смешанные • Главное значение имеют сульфидные руды, дающие 90 % мирового производства меди • Сульфидные руды Халькопирит (медный колчедан) Cu. Fe. S 2; Халькозин (медный блеск) Cu 2 S; Ковелин Cu. S • Оксидные руды Куприт Cu 2 O; Тенорит Cu. O; Малахит Cu 2[CO 3](OH)2 86

МАЛАХИТ • Минерал, основной карбонат меди, состав которого почти точно выражен химической формулой Cu. CO 3·Cu(ОН)2 • Первоначально медь добывали из малахитовой руды, а не из сульфидной, так как она не требует предварительного обжига • В России на Гумешевском руднике (Урал) была добыта огромная глыба малахита весом почти в полторы тонны, находящаяся в настоящее время в музее Горного Института 87

ЭСКОНДИДА • Крупнейший в мире открытый рудник состоящий из двух карьеров • Расположен на сервер Чили (пустыня Атакама) • Карьер начал работу в 1990 году на высоте более 3000 метров над уровнем моря • На 2012 год там добывается больше всего меди, чем где бы то ни было в мире • В 2007 году там было добыто 1, 5 миллиона тонн меди, что составляет примерно десятую часть от всей годовой добычи меди в мире • В карьере работает примерно 6000 человек 88

Бингем-Каньон • Горнопромышленный пункт в штате Юта (США), к юго-западу от города Солт-Лейк-Сити • Один из крупнейших карьеров в мире, где ведётся разработка гигантского медно-порфирового месторождения в открытым способом • Медная руда здесь была впервые обнаружена в 1850 году, и с 1863 года началась разработка карьера, которая продолжается по сей день. 89

СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ МЕДИ • В соединениях медь бывает двух степеней окисления: - менее стабильную степень Cu + - намного более стабильную Cu ++, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета • В необычных условиях можно получить соединения со степенью окисления +3 и даже +5 • Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B 11 H 11)2 − 3, полученных в 1994 году • Ионы меди окрашивают пламя в зеленый цвет 90

СОЕДИНЕНИЯ МЕДИ • Карбонат меди (II) имеет зелёную окраску, что является причиной «позеленения» элементов зданий, памятников и изделий из меди и ее сплавов. • Сульфат меди (II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса Cu. SO 4∙ 5 H 2 O. Также существует нестабильный сульфат меди (I) • Существует два стабильных оксида меди — оксид меди (I) Cu 2 O и оксид меди (II) Cu. O • Хлорид меди(I) — бесцветные кристаллы (в массе белый порошок) плотностью 4, 11 г/см³. В сухом состоянии устойчив. В присутствии влаги легко окисляется кислородом воздуха, приобретая сине-зелёную окраску. 91

Медь как проводник тока • Является отличным проводником электрического тока и теплоты; • Электрическая проводимость меди в 1, 7 раза выше, чем алюминия, и в 6 раз выше железа; • Уступает по электропроводимости только серебру 92

Технология производства меди из сульфидной руды 1) Обогащение Получение из руды концентрата 2) Окислительный обжиг концентрата Удаление около 50% серы в газы, получение огарка 3) Плавка на штейн Получение двух несмешивающихся расплавов шлака и штейна 4) Конвертирование Перевод железа в шлак, а серы в газовую фазу; Получение черновой меди 5) Огневое рафинирование Перевод в шлак примесей; Получение анодной меди 6) Электролитическое рафинирование Получение катодной меди (марок М 1 и М 0) 93

ПЕРВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА 94

Обогащение медной сульфидной руды • Для получения меди применяют медные руды, содержащие от 1 до 6% меди • В рудах медь находится в виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит Cu. Fe. S 2, халькозин Cu 2 S, ковелин Cu. S) • Кроме того, в сульфидную часть руды входит пирит Fe. S 2 (или пирротин Fe 0, 875 S) • Пустая порода состоит из кварца Si. O 2, карбонатов магния и кальция, силикатов, содержащих Al 2 O 3, Ca. O, Mg. O и оксиды железа • Обогащение производится методом флотации • Получаемые концентраты содержат: 8 -35% Cu, 40 -50% S, 30 -35% Fe • Выход концентрата от руды составляет (2 -3): (20 -25)% • Пустая порода, главными составляющими которой являются Si. O 2, Al 2 O 3 и Ca. O 95

Окислительный обжиг концентрата • В основе процесса лежат реакции окисления сульфидов концентрата кислородом воздуха: Cu 2 S + 1, 5 O 2 = Cu 2 O + SO 2 2 Fe. S 2 + 5, 5 O 2 = Fe 2 O 3 + 4 SO 2 • Технологические параметры процесса: - Температура обжига 700 -800°С - Расход воздуха 600 -700 м 3/т шихты - Производительность по шихте 15 -20 т/(м 2·сут) - Степень десульфуризации 45 -55% - Выход огарка 70 -85% • Обжиг производится в печах кипящего слоя (КС) 96

Продукты окислительного обжига • Огарок (обожженный концентрат) Частично или полностью ( «намертво» ) обожженный полупродукт металлы в котором находятся в основном в виде оксидов • Серосодержащие газы, которые направляются на переработку: - производство серной кислоты - производство элементной серы - нейтрализация известковым молоком (взвесь Ca(OH)2 в воде) 97

Плавка на штейн • Цель процесса перевод меди в штейн, а оставшейся пустой породы в шлак • Штейн Расплав, состоящий из сульфидов цветных металлов и железа (Cu 2 S+Fe. S=80 -90%); содержит также некоторое количество оксидов железа, кремния, алюминия и кальция • Шлак Расплав на основе оксидов пустой породы (Si, Al, Ca, Mg) и железа; содержит ценный металл в растворенной форме и в виде корольков • Операция производится с расплавами при температурах 1200 -1350°С • Штейн и шлак – два несмешивающихся расплава, что позволяет слить их раздельно 98

Руднотермическая электропечь • Плавку на штейн медной руды, концентрата или огарка ведут в электропечах • Технологические показатели процесса: - Удельный расход электроэнергии 330 -400 к. Вт·ч/т огарка - Удельный проплав 6 -12 т/м 2·сут - Содержание меди в штейне 25 -40% - Содержание меди в шлаке 0, 4 -0, 8% - Извлечение меди в штейн 95 -98% • Рабочая мощность РТП обычно составляет 12 -15 МВт (но может доходить и до 40 МВт) 99

Конвертирование • Целью операции является перевод железа штейна в шлак, а серы в газы за счет окислительной продувки расплава в специальном оборудовании – конвертере (конверторе) • Целевым продуктом операции является черновая медь, содержащая 97 -98, 5% Cu (остальное примеси) • Конвертерный шлак: Cu 12 -22%; Zn 6 -12%; Sn 2 -5%; Fe 20 -30%; Si. O 2 10 -15% Al 2 O 3 8 -10% • Продувка расплава производится воздухом через фурменный пояс агрегата • Наиболее широко распространены горизонтальные конвертора 100

Огневое рафинирование меди • Целью операции является получение плотных медных анодов и вывода вредных для электролиза примесей, таких как кислород и сера • Кроме того, при окислительном рафинировании в анодный шлак переходят Ni, As, Sb, Bi, Pb, Zn, Fe, Se, Te • Рафинирование проводят чередованием окислительной продувки расплава и раскисления расплава (удаления из него кислорода) при снятии образующихся шлаков (съемов) • Операцию осуществляют в отражательных или качающихся печах, отапливаемых жидким или газообразным топливом • Анодная медь содержит от 99, 2 до 99, 7% Cu • Анод – это массивная пластина из меди 800× 80 мм масса медных анодов 170 -350 кг 101

Карусельная машина для разливки анодов 102

Электролитическое рафинирование меди • Цель процесса получение катодной меди марок М 0 (99, 95% Cu) и М 1 (99, 90% Cu) • В процессе электролиза образуются также: скрап и шлам 103

НИКЕЛЬ 104

Сульфидные руды никеля • Основными источниками получения никеля служат сульфидные и окисленные руды • В сульфидных рудах никель представлен минералом пентландитом – изоморфная смесь сульфидов железа и никеля (Ni, Fe)S • Никелю в этих рудах сопутствуют Cu, Co, металлы платиновой группы – Pt, Os, Ir, Rh, Ru, Pd • Содержание Ni – 0, 3 -5, 5%, Cu до 2, 5%. • Руды обогащают флотацией 105

Окисленные никелевые руды • В окисленных никелевых рудах (ОНР) Ni представлен в виде изоморфной смеси силикатов никеля и магния. • Пустая порода – окислы железа, алюмосиликаты, кварц. • ОНР – пористые, рыхлые, гигроскопичные, • Способы обогащения не разработаны • Содержание Ni 1 -3%, Co – до 0, 15%. 106

107

Распределение мировых запасов никеля по регионам 108

109

Переработка сульфидных медно-никелевых руд • Никель из сульфидных медно-никелевых руд получают по технологии, сходной с технологией пирометаллургического производства меди из медных сульфидных руд. • При этом после получения медно-никелевого штейна производят его разделение для раздельного извлечения никеля и меди • Технология включает стадии: - Подготовка руды (дробление, измельчение) - Флотационное обогащение - Агломерационный обжиг - Плавка концентрата на штейн в электропечах - Конвертирование штейна с получением медно-никелевого файнштейна - Разделение файнштейна на медный и никелевый концентраты 110

КОНВЕРТИРОВАНИЕ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ШТЕЙНА • Цели конвертирования: - вывод железа штейна в конвертерный шлак - удаление части серы в конвертерные газы - перевод кобальта в кобальтовую массу • Производится процесс в горизонтальных конверторах при подаче в них воздушного дутья через фурменный пояс • В результате конвертирования получают файнштейн – сплав на основе сульфидов меди и никеля, содержащий 3, 0 -3, 5% Fe • Конвертирование идет в несколько периодов, на каждом из которых решается одна из указанных выше задач • Конвертерный шлак содержит(% масс): 65% Fe. O; 15 -25% Si. O 2; 2 -5% (Cu+Ni) • Файнштейн разливается в специальные изложницы для медленного охлаждения, необходимого для образования крупных обособленных зерен сульфидов меди и никеля 111

ПЕРЕРАБОТКА МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ФАЙНШТЕЙНА 1) Медленное охлаждение слитков файнштейна 2) Дробление и измельчение файнштейна 3) Флотационное разделение на медный и никелевый концентраты 4) Окислительный обжиг никелевого концентрата 5) Твердофазное предварительное восстановление никелевого огарка 6) Электроплавка на анодный металл 7) Электролитическое рафинирование с получением катодного никеля 112

Розлив и охлаждение файнштейна • Файнштейн после получения в конверторах ковшами транспортируется в остывочный пролет • Отливается в специальные изложницы (объемом 7 м 3) • Охлаждается в них в естественных условиях в течении нескольких суток (от 72 до 120 часов, обычно 4 суток) • Цель: получить сформировавшиеся отдельные зерна (кристаллы) сульфида меди и сульфида никеля 113

Флотационное разделение файнштейна • Крупное дробление – щековые дробилки • Среднее дробление – конусные дробилки • Измельчение (мокрое) в шаровых мельницах • Пульпа измельченного файнштейна поступает на флотацию • Медный концентрат (1, 5 -2, 0 т/м 3) Cu 67 -69%, Ni 4, 2 -4, 8% • Никелевый концентрат (1, 1 -1, 25 т/м 3) Cu 4, 3 -5, 3%, Ni 63 -66% 114

Окислительный обжиг никелевого концентрата • Осуществляется в печах кипящего слоя при подаче в них воздуха или дутья обогащенного кислородом • Цель процесса полный перевод никеля из сульфида в оксид • Продуктом обжига является никелевый огарок (Ni. O) и серосодержащие газы • Температура обжига составляет 1100 -1200°С • Процессы происходят в твердом виде (без расплавления компонентов шихты) • Огарок в горячем виде подается на предварительное восстановление 115

Предварительное восстановление огарка • Осуществляется в трубчатых вращающихся печах, отапливаемых мазутом или природным газом • В горячий огарок, поступающий из печей КС, подается твердый восстановитель (например, уголь) • Цель: произвести восстановление оксида никеля в твердой фазе • Продукт: никелевый порошок со степенью металлизации 95 -98% • Принцип работы – прямоток • Длина печи 20 -25 метров • Температура 1000 -1150°С • Время пребывания материала в печи 2 -3 часа • Расход угля 15 -20% от массы огарка • Порошок резко охлаждается в бутаре печи водой 116 (до 200 -250°С)

Анодная Никелевая Электроплавка • Цели процесса: - окончательное восстановление никеля до металлического состояния в расплаве - получение плотных и прочных никелевых анодов • Производится в дуговых электропечах постоянного или переменного тока • Кроме анодного металла продуктом является шлак, в который переходят: - зола восстановителя - футеровка печи - оксиды железа (частично) • Основные затраты на: - электроэнергию - угольные электроды - твердый восстановитель 117

Разливка анодного никеля • После проведения технологических операций (науглероживание ванны, доводка металла, снятие шлака) готовый металл разливается в изложницы для получения анодов • Розлив ведется либо непосредственно из печи (Норильск), либо через специальный индукционный миксер (Мончегорск) • Розлив в отличии от медного не автоматизированный • Никелевый анод имеет форму плиты с закладными ушками (подвесками) • Масса анодов около 350 кг 118

Электролиз с растворимым анодом • Цель процесса получение более чистого по сравнению с анодным металлом никеля (электрорафинирование) • С анода в раствор переходят катионы Ni, Cu, Fe, Co • Анолит непрерывно забирается из электролизной ванны, очищается от примесей гидрометаллургическими методами • Католит подается в прикатодное пространство (диафрагму) • Важно поддерживать циркуляцию электролита! 119

Способы переработки ОНР ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ 1. Процесс Карона Аммиачное атмосферное выщелачивание после предварительного восстановления ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ 1. Плавка на штейн Никель из окисленной формы переводится в сульфидную и далее перерабатывается по классической технологической схеме, характерной для сульфидных руд и концентратов 2. Автоклавное выщелачивание Сернокислотное 2. Получение ферроникеля выщелачивание в Никель из оксида специальном оборудовании, восстанавливается работающем под давлением непосредственно до выше атмосферного металлического состояния – сплава с железом, который и называется ферроникель 120

Плавка на штейн • • Основная трудность извлечения никеля из ОНР связана с отделением от железа; Способ переработки на штейн основан на различии сродства железа и никеля к кислороду и сере; Никель путем сульфидирования переводится в штейн, представляющий собой сплав Ni 3 S 2 и Fe. S, основная масса железа удаляется со шлаком; Сульфидизатор (источник серы) – пирит или гипс, вводится специально; Плавку проводят в шахтных печах, руду с сульфидизатором предварительно брикетируют; Сущность процесса может быть представлена реакциями: 3 Fe. S + 3 Ni. O = 3 Fe. O + Ni 3 S 2 + 1/2 S 2 2 Fe. O + Si. O 2 = 2 Fe. O • Si. O 2 Никелевый штейн с содержанием Ni до 30% подвергают дальнейшей переработке для получения Ni металлического 121

Классическая схема переработки ОНР с плавкой на штейн 122

Переработка ОНР на ферроникель • Крупнейшей областью потребления никеля является производство нержавеющей стали • Ферроникель - сплав никеля с железом в различной пропорции. Производится в виде чушек, гранул, дроби, конусов и т. д. Содержание никеля может колебаться от 10 до 40% • В производстве стали может быть использован ферроникель, себестоимость производства которого, ниже чем чистого металла 123

Флюс Руда Уголь Дробление, Шихтовка, Сушка Обжиг и прокалка в трубчатых печах Плавка в электропечах Ферроникель Шлак Рафинирование Шлак В отвал Товарный рафинированный ферроникель Технологическая схема переработки ОНР 124

Обжиг в трубчатых печах • Длина трубчатой печи 50 -100 м. • Трубчатую печь можно условно разделить на зоны: 1. Зона предварительного нагрева (300 -600˚С), здесь происходит обезвоживание шихты. 2. Зона прокаливания (до 900˚С), здесь происходит удаление связанной воды, разложение карбонатов. 3. Зона предварительного восстановления (до 1100˚С), здесь частично восстанавливаются высшие оксиды железа до низших оксидов, до металлического Fe, оксиды Ni до металлического Ni. 125

Обжиг в трубчатых печах 126

Электроплавка на ферроникель • Выплавку чернового сплава ведут обычно в прямоугольных или круглых руднотермических электропечах с самоспекающимися электродами • Температуры продуктов плавки: - Шлака 1450 -1600˚С - Ферроникеля 1300 -1350˚С - Газов 300 -400˚С. Состав чернового ферроникеля: 5 -15% Ni, 80 -90% Fe Содержание Ni в шлаках до 0, 1%Ni 127

Трехмерное изображение корпуса печи с водоохлаждаемыми панелями 128

Рафинирование ферроникеля • Рафинирование чернового ферроникеля включает в себя: - Десульфурация содой в ковше; - Двухстадийное конвертирование в вертикальных кислородных конверторах • На международном рынке состав товарного ферроникеля должен соответствовать определенным стандартам. Стандарт предусматривает 5 марок с 20, 30, 40, 50 и 70% никеля. 129

НОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОНР Схема «КС + ППТ» : 1) Сушка, прокалка и восстановительный обжиг в печах кипящего слоя - позволяет интенсифицировать процессы - дает селективное восстановление никеля и железа руды - эффективно использует тепло отходящих газов 2) Плавка восстановленного огарка в электропечах постоянного тока - позволяет получить богатый черновой ферроникель - улучшает управляемость процесса плавки - экономит энергоресурсы Процесс находится в стадии промышленного освоения 130

Аппаратурная схема завода Koniambo (Новая Каледония) 131

Электропечь постоянного тока MINTEK (ЮАР) 132

Гидрометаллургические способы переработки ОНР 1. Процесс Карона используется на заводах Никаро (Куба) и Джабулу (Австралия) 2. Процесс Автоклавного Сернокислотного Выщелачивания используется на заводе Моа (Куба) Выщелачивание - перевод в раствор (обычно водный) компонентов твёрдого вещества с помощью растворителя, часто при участии газов (окислителей или восстановителей) 133

Процесс Карона завод Никаро (Куба) 1) Селективное газовое восстановление металлического никеля из подсушенной руды при температуре около 700˚С в многоподовых печах генераторным газом 2) Охлаждение огарка в нейтральной среде 3) Извлечение металлов выщелачиванием из огарка в аммиачно-карбонатном растворе 4) Выделения никеля из раствора в виде основного карбоната, отгонкой аммиака 5) Прокаливание карбоната никеля с получением закиси никеля (синтер) Недостатки: - низкое извлечение никеля ~70% - большие энергозатраты 134

Автоклавное выщелачивание • Процесс, в котором никель и кобальт из ОНР выщелачиваются серной кислотой при высоких давлении и температуре в специальных агрегатах – автоклавах • Избыточное давление ~40 ат, температура 250°С • Выщелачивание проходит в 4 последовательно расположенных автоклавах за 1 -2 часа • Из раствора после его очистки от примесей осаждают сульфиды никеля и кобальта Недостатки: • Невозможность переработки руды с высоким содержанием Mg. O, вследствие увеличения расхода серной кислоты на процесс. • Дорогостоящее оборудование для автоклавного выщелачивания 135

МАТЕРИАЛЫ НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 1. Энергоресурсы для создания и поддержания требуемой процессом температуры материалов (штейн, шлак, огарок и т. п. ) 2. Реагенты для создания условий протекания необходимых химических реакций (например, окислительных или восстановительных) 3. Огнеупорные материалы для ограничения объема, в котором создана и поддерживается необходимая температура 4. Металлоконструкции для основного и вспомогательного оборудования (печи, ковши, грузоподъемное обор-е, механизация и т. п. ) 136

Металлургическое топливо • Пирометаллургические процессы относятся к энергоемким процессам (требующим значительного подвода энергии к месту проведения реакций) • Высокие температуры достигаются либо сжиганием топлива , либо нагреванием за счет электроэнергии • Металлургическим топливом служат различные горючие вещества: - твердые вещества (каменный уголь, бурый уголь, кокс), - жидкие вещества (нефть, мазут, дизельное топливо, бензин) - газообразные вещества (природный газ, ПБС и др. горючие газы). 137

Основы теория горения топлива • В состав топлива входят горючие составляющие: углерод, водород, углеводороды (Сn. Hm) и негорючие – минеральные вещества (зола) и влага (Н 2 О) • Углерод, водород и углеводороды сгорают по реакциям: С + O 2 = СO 2 + 94 ккал 2 С +O 2=2 СО + 53 ккал 2 Н 2 + O 2 = 2 Н 2 О(пар) + 115 ккал СН 4 + 2 O 2 = СO 2 + 2 Н 2 О + 213 ккал • Скорость горения топлива увеличивается: - с ростом поверхности контакта его частиц с кислородом - парциальным давлением O 2 вблизи поверхности 138

Технические характеристики твердого топлива • Количество тепла, получаемое при сгорании одного килограмма твердого или жидкого топлива, либо одного кубического метра газа, называют Теплотворной Способностью топлива (теплотой сгорания, Q) единицы измерения: к. Дж (ккал) / кг (м 3) • Зольностью называют содержание в твердом топливе минеральных составляющих, обычно остающихся после сжигания (А, %) • Влажность твердого топлива – содержание в материале несвязанной влаги, удаляемой при сушке или сжигании топлива в виде водяных паров (W, %) • Выход Летучих компонентов (V, %) – содержание в топливе компонентов, способных образовать газ без подачи окислителя (N, S, O, Сn. Hm и др. ) 139

Формирование биосферы и жизни на Земле • Источником образования углей, нефти и природного газа является биомасса (или биопродукция) • Биосфера появилась 2 млрд. лет назад • Суммарная масса биопродукции (за время существования биосферы) в 500 раз превышает массу всех осадочных пород • Если бы биопродукция не разлагалась органическое вещество составило бы геосферу мощностью 80 км!!! • Ко времени появления живого вещества на Земле существовала иная атмосфера: - давление 70 атмосфер; - около 99% двуокись углерода (СО 2) остальное азот; - свободного кислорода не было вообще • Биосфера (как саморегулирующаяся система) развиваясь создала условия для жизни иных живых организмов 140

Естественное и искусственное твердое топливо • Естественное твердое топливо (торф, бурый и каменный уголь, антрацит) • Искусственное – кокс или полукокс (каменноугольный, буроугольный, нефтяной) • Коксование – процесс термической обработки углей без доступа кислорода, при котором снижается влажность материала и содержание летучих веществ, образуется прочный спек • Осуществляется в коксовых батареях • Основной потребитель – черная металлургия 141

ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ • Материалы стойкие при температурах выше 1500°С – «огнеупоры» • Служат для кладки стен, устройства сводов, кладки и наварки пода металлургических печей • Сырье для производства огнеупоров - оксиды, силикаты, карбиды и иные соединения, которые не плавятся и не разлагаются при температурах пирометаллургических процессов • Температуры плавления (°С): Al 2 O 3— 2050, Si. O 2— 1713, Ca. O — 2580, Mg. O — 2800; Сr 2 O 3— 2275, Zr. O 2— 2700, Si. C — 2600, Zr. C — 3500, Hf. C — 3900, Ti. B 2— 2980 и др. 142

Требования к огнеупорным материалам При выборе огнеупоров необходимо учитывать: - механическую прочность в рабочем состоянии (при нагревании и под нагрузкой); - термическую стойкость; - коэффициент объемного расширения; - пористость; - химическую инертность к кислороду, углекислоте, действию жидких шлаков или солевых расплавов; - плотность; - теплопроводность; - электропроводность; - стоимость. 143

Некоторые виды огнеупорных материалов • • Шамотные (каолин) изделия (до 1600˚С) Динасовый (Si. O 2) кирпич (до 1750˚С) Магнезитовые (Mg. O) огнеупоры (>2000 ˚С) Доломитовые (Ca. O+Mg. O) изделия и порошки (до 2000 ˚С) • Хромомагнезитовые огнеупоры (>2000 ˚С) • Карборундовые (Si. C) огнеупоры (>2000 ˚С) Доломитовый порошок Магнезитовый кирпич Динасовый кирпич Шамотный кирпич 144

КЕССОНЫ • Водоохлаждаемый элемент конструкции печи, позволяющий удерживать расплав без применения огнеупорного кирпича • Кессон изготовляется из меди в виде короба с патрубками подачи и вывода воды (змеевик) • На внутренней огневой поверхности кессона образуется защитный слой застывшего шлака – гарниссаж • Необходимо контролировать температуру отходящей воды, так как нарушение ее циркуляции будет приводить к прогару кессона 145

Понятие теплового баланса агрегата • Статьи прихода тепла: 1. Физическое тепло исходных материалов 2. Тепло от экзотермических реакций 3. Тепло за счет подвода энергоресурсов (топливо, эл. эн. ) • Статьи расхода тепла: 1. 2. 3. 4. Тепло, уносимое конденсированными продуктами процесса Тепло, уносимое отходящими газами Тепло на эндотермические процессы Тепловые потери агрегата • Агрегат может работать только если соблюдается его тепловой баланс (равенство приходящего, вносимого и потребляемого, уносимого тепла) • Тепловой к. п. д. агрегата - доля тепла идущего на основной процесс (от всего тепла) 146

АВТОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ • Процесс окисления сульфидов металлов сопровождается выделением тепла (экзотермический) Me. S + O 2 = Me. O + SO 2 +Q • Для проведения пирометаллургических процессов требуется подвод тепла в виде электроэнергии или сжигания топлива • Вопрос: почему бы не использовать тепло от экзотермических реакций окисления сульфидов? • Если тепла от реакции окисления хватает для того, чтобы провести все необходимые составляющие технологического процесса (другие реакция, нагрев шихты, плавление) и компенсировать тепловые потери агрегата – такой процесс называется автогенным • Существует точка автогенности – такое содержание серы в шихте, которое обеспечивает автогенность процесса 147

Автогенные агрегаты 1) Печь окислительного обжига никелевого концентрата от разделения файнштейна в кипящем слое 2) Конвертирование штейнов (медных, медно-никелевых и др. ) 3) Плавка сульфидной руды в жидкой ванне (ПЖВ) или печь Ванюкова 4) Печь взвешенной плавки (ПВП) или «финская» плавка 5) Плавка в вертикальном агрегате с погруженной фурмой (процесс Ausmelt или Isasmelt) 6) КИВЦЭТ – кислородная взвешенная циклонная электротермическая 7) Процесс Норанда 8) Процесс Мицубиси 148

Плавка в жидкой ванне (ПЖВ или ПВ) • Метод переработки сульфидной шихты, заключающийся ее загрузке непосредственно в барботируемый расплав, создаваемый подачей окислительного дутья через боковые погружные фурмы • Процессы плавления, окисления и формирования штейна происходят в надфурменной зоне (зоне шлако-штейновой эмульсии), там же образуются отходящие газы (SO 2) • Ниже уровня фурм имеется зона отстаивания (седиментации), в которой происходит разделение фаз • Штейн и шлак непрерывно выпускаются через сифоны • Печь непрерывного действия! 149

150

Печь взвешенной плавки (ПВП) • Процесс плавки производится во взвешенном состоянии • Сухая мелкая сульфидная шихта подается в реакционную зону 2 через специальную горелку 1 (кислородно-шихтовую) • Окисление сульфидов, образование капелек шлака и штейна происходит в полете (до достижения ими ванны расплава) • В отстойнике печи 3 происходит разделение фаз • Образовавшиеся серосодержащие газы удаляются через аптейк 4 в котел-утилизатор 5 • При недостатке тепла в горелку подается природный газ 151

AUSMELT • Агрегат цилиндрического типа с вертикальной погружной фурмой, через которую в расплав подаются кислород, воздух и топливо (ПГ) • Концентрат подается непосредственно в газо-шлаковую эмульсию • Растворение шихты, перенос энергии, химические реакции и сгорание топлива происходят в слое шлака • Фурма не водоохлаждаемая (отвод тепла за счет подачи воздуха) • Удельная производительность печи доходит до 250 т/м 2·сут • Требуется отстойник для разделения фаз и высокое помещение 152

Динамика продвижения плавки с погружной фурмой в мировой промышленности • Процесс и агрегат разработаны австралийскими металлургами • Автор - доктор Флойд • Агрессивный менеджмент продвигает технологию по миру • Агрегат имеет высокий уровень автоматизации и контроля • Из-за экономических разногласий произошло разделение фирмы на Ausmelt и Isasmelt 153

154