МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Институт металлургии, экологии и качества Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов Курс лекций на тему: «Рынок сырья и металлов» к. т. н. , доц. Подгородецкий Г. С.

Преподаватели • Доцент, к. т. н. Подгородецкий Геннадий Станиславович – А 425, тел. +7 - 495 - 955 -00 -22 • Ассистент Сажин Антон Юрьевич – А 402, тел. +7 – 495 – 955 -00 -94 • Аспирантка Краснянская Ирина Алексеевна – А 402, тел. +7 – 495 – 955 -00 -94

Часть 1 • Металлы в природе. Роль металлургии в развитие цивилизации. Классификация металлов. Металлы в современной жизни.

Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева

Определение металлов • Металлы – простые вещества, имеющие в обычных условиях кристаллическое строение, с характерным «металлическим» блеском в изломе образца, обладающие повышенными механическими свойствами, высокими тепло- и электропроводностью, активно участвующие в химических реакциях с неметаллами.

Классификация металлов • 1. Черные металлы – Fe, Mn, V, Cr. • 2. Цветные металлы : - тяжелые – Cu, Ni, Pb, Sn, Zn, Cd, Co, As, Sb; - легкие – Al, Mg, Na, K, Ti, Zr; - благородные – Au, Ag, Pt, Os, Ir, Ro, Ru, Pd; - редкие: тугоплавкие – Gf, Nb, Ta, Mo, W, Re; рассеянные – Ga, Ta, Ge, Se, Te, In, Ru, Cs; редкоземельные – Sc, Y, La, лантаноиды (14 эл. ); радиоактивные – Ra, Ac, To, Po, U, заурановые эл.

Средний химический состав земной коры по А. П. Виноградову (16 км), вес. % (осноовные элементы, без океана и атмосферы) Элемент % Элемент % O 47, 2 Ti 0, 60 Sc 0, 040 Ni 0, 008 La 0, 0018 Mo 0, 0003. . Si 27, 6 H 0, 15 Rb 0, 031 Li 0, 006 Pb 0, 0016 W 0, 0001. . Al 8, 80 C 0, 10 F 0, 027 Zn 0, 005 Ga 0, 0015. . Cd 0, 00005 Fe 5, 10 Mn 0, 09 Zr 0, 020 Ce 0, 005 Cd 0, 0010. . I 0, 00003 Ca 3, 60 P 0, 08 Cr 0, 020 Sn 0, 004 Cs 0, 0007. . Ag 0, 00001 Na 2, 64 S 0, 05 V 0, 015 Co 0, 003 Ge 0, 0007 Hg 0, 000 007 K 2, 60 Ba 0, 05 Cu 0, 010 Y 0, 0028 Be 0, 0006. . Pt 0, 0005 Mg 2, 10 Cl 0, 05 N 0, 010 Nd 0, 0025 As 0, 0005. . Au 0, 0005

История металлургического производства • «Когда варвар, продвигаясь вперед шаг за шагом, открыл самородные металлы и научился плавить их в тигле и отливать в формы, когда он создал бронзу, и, наконец, когда еще большим напряжением мысли он изобрел горн и добыл из руды железо – девять десятых борьбы за цивилизацию было выиграно» . Льюис Генри Морган

Некоторые важнейшие события в истории цивилизации и металлургии Основные металлы и сплавы Сталь Чугун В ек Железный Исторические эпохи Время, лет Важнейшие достижения Новейшая история 1900 Броненосный флот, железнодорожный транспорт Революция в естествознании Начало промышленной революции Огнестр. Оружие Алхимия Новая история 1800 Ковкое железо Бронза Медь Золото и медь Средневековье РХ -500 Бронзовый Каменный 1600 1350 Хальколит Неолит Мезолит Палеолит -1200 -3000 -6500 4000 00 Развитие металлургии Электросталеплавильная печь Мартеновские печи и ковертера Открытие металлов Каменноугольный кокс Доменная печь Специализированн ые производства в Монетное обращение металлургии Синтетический Письменность, чугун(Индия, КНР) колесные повозки Сыродутный горн Патриархат Литейное Матриархат Использование минер. производство Ковка металлов красок

Объемы мирового годового производства металлов Металл Млн. т Железо (сталь) >1 500 Свинец 4 -5 Ванадий 0, 070 40 Никель 0, 8 -1, 0 Вольфрам 0, 050 Алюминий Марганец 10 -12 Магний 0, 4 Серебро 0, 020 0, 003 Медь 8 - 10 Олово 0, 3 Золото Хром 5 -7 Титан 0, 3 Платина 0, 0003 Цинк 5 -6 Молибден 0, 2 Скандий Ок. 200 кг

Часть 2 • Металлургия железа : - применение сплавов на основе Fe - сырьевые источники; - подготовка руд к плавке; - металлургия чугуна; - производство стали; - литье; - получение проката.

Применение железа и его сплавов • Материальный фундамент цивилизации • Более 95% от общего производства металлов. • Основной конструкционный материал в машиностроении, строительстве, транспорте, электрической, химической, оборонной и др. видах промышленности

Мировое производство стали в 2008, 2009 , 2010 и 2011 годах, млн. т/год (данные World Steel Assotiation (WSA)) Страны, континенты 2008 2009 2010 2011 Россия 68, 5 59, 9 67, 0 68, 7 Украина 37, 1 29, 8 35, 3 Европа 343, 8 265, 8 177, 4 Сев. Америка 125, 4 82, 3 118, 9 (США) Южн. Америка 47, 6 37, 8 Азия 770, 5 795, 4 Китай 502, 0 567, 8 Африка 17, 4 15, 2 Ближний Восток 16, 6 17, 2 Океания 8, 4 6, 0 1 329, 7 1219, 7 Мир 988, 2 626, 7 695, 5 1414, 0 1527, 0

Мировое производство чугуна и стали 14

Отношение чугун - сталь 15

Прогноз производства чугуна и стали 16

Подготовка железных руд к плавке • • Добыча. Дробление. Измельчение. Грохочение. Классификация. Обогащение. Усреднение. Окускование.

Классификация основных минералов железорудного сырья • Гематит (Fe 2 O 3) – 70% Fe. • Маггемит «магнитный гематит» (Fe 2 O 3). • Магнетит (Fe 3 O 4) – 72% Fe, разновидности – мартит и мушкетовит. • Бурые железняки (смесь гидрооксидов Fe): - гетит (Fe. OOH) – 62, 9 % Fe; - лепидокрокит (Fe. OOH); - лимонит (Fe 2 O 3*n. H 2 O), n < 4%. • Сидерит «железный шпат» (Fe. CO 3) – 62% Fe. • Титаномагнетиты (рутил, ильменит). • Сульфиды железа: - пирит (Fe. S 2) – 46, 6% Fe; - марказит (Fe. S 2); - пирротин (Fe 1 -x. S).

Гематит

Магнетит

Гетит

Лепидокрокит

Лимонит

Сидерит

Рутил

Ильменит

Пирит

Марказит

Пирротин

Категории запасов полезных ископаемых • А – наиболее детально изученные запасы. Выявлены: размеры, формы залегания тел, участки безрудные и некондиционные. • В – близко удовлетворяют кондиции категории А. В отличие от категории А допускается экстраполяция рудного тела. • С 1 – более низкие требования, чем к категории В. Изучены в достаточной степени для обоснования их промышленной ценности. • С 2 – предварительно оцененные запасы. Контуры определяются на основании единичных скважин.

Экономическая классификация запасов полезных ископаемых • Балансовые: • - разработка экономически эффективна в условиях конкурентного рынка; • - разработка возможна при спец. поддержке со стороны государства (налоговые льготы, дотации и т. д. ). • Забалансовые: • - разработка невозможна по горнотехническим, технологическим, правовым , экологическим аспектам; • - разработка на момент оценки экономически нецелесообразна, но может стать эффективной при благоприятной конъюнктуре рынка.

Щековая и конусная дробилки

Валковая дробилка

Молотковая дробилка

Грохочение

Шаровая мельница

Обогащение (магнитная сепарация)

Обогащение (флотомашина)

Обогащение (коронный сепаратор)

Сгущение

Сгущение (вакуум – фильтр)

Химичеcкие составы железной руды и концентрата Оленегорского месторождения, вес. % Мате Fe риал Fe. O Fe 2 O Si. O 2 3 Ca. O Mg. O Al 2 O 3 P S ппп Руда 33, 2 13, 5 32, 4 44, 2 2, 4 1, 5 0, 9 0, 04 3, 8 Кон цен трат 24, 9 65, 3 8, 2 0, 5 0, 6 0, 2 0, 01 0, 7 65, 1

Схема фабрики окатышей

Агломерация (история развития) • Способ агломерации изобретен англичанами Ф. Геберлейном и Т. Хантингтоном в 1887 г. применительно к сульфидным рудам. Спекание проводилось в чашевых установках. • В 1906 г. А. Дуайтом и Р. Ллойдом изобретена ленточная агломерационная машина. Первая установка введена в эксплуатацию в 1911 г. в Бедборо (США). • В России в 1906 г. пущены в эксплуатацию 6 «агломерационных котлов» в Таганроге. • Первый агломерационный цех на базе ленточных машин построен в СССР в 1925 -1928 гг. (Нижний Тагил). • В настоящее время в мире действует более 1000 аглолент. • Крупнейшие агломашины – 500 м 2 (Япония, Китай).

Агломерация (состав шихты) • Рудная часть: - пылеватые железные руды (фракция – 6 мм); - колошниковая пыль; - концентраты от обогащения руд; - шламы; - возврат ( мелкий, часто недопеченный агломерат фракции – 5 мм) • Топливо ( 3 – 5%): - коксовая мелочь (фракция – 3 мм); - антрацитовый штыб; - угольная пыль.

Процесс агломерации • • • Первым на колосниковую решетку укладывают слой возврата (фракция 5 -15 мм). Высота слоя шихты колеблется от 200 до 400 мм. Процесс начинают с зажигания шихты продуктами горения природного газа с температурой 1200 – 1400 о. С. Длительность зажигания ~ 1 минута. Эксгаустер создает разрежение под колосниковой решеткой (500 – 1500 мм вод. ст. ). В верхней зоне слоя шихты загорается углерод коксика (угля). Под действием разрежения горячие газы поступают в слой влажной шихты. Все тепло газов аккумулируется нижележащим слоем 15 – 25 мм. При достижении 700 о. С начинается горение коксовой мелочи. По мере выгорания углерода зона горения опускается в нижние слои шихты. Скорость перемещения зоны горения (мм/мин) называется вертикальной скоростью спекания. Весь путь от верхнего слоя шихты до постели зона горения проходит за 10 – 20 мин.

Процесс агломерации

Агломерация (схема агломашины)

Схема интегрированного завода (с полным металлургическим циклом) Бедная руда Богатая руда Обогащение мелочь Окомкование Агломерация Доменное производство Коксохимическое производство Сталеплавильное производство Уголь Природный газ Прокатное производство кусок О Т Х О Д Ы

Мини-завод без доменных печей Бедная руда Обогащение Окомкование Природный газ Прямое получение железа СТАЛЬ ПРОКАТ

Мини-завод без доменных печей Бедная руда Богатая руда Обогащение Окомкование УГОЛЬ + КОКС Выплавка чугуна COREX СТАЛЬ ПРОКАТ кусок

Мини-завод без доменных печей (МИСи. С) Бедная руда Обогащение Уголь энергет. Выплавка чугуна РОМЕЛТ СТАЛЬ ПРОКАТ Отходы, шламы, пыли

Процесс «Ромелт»

Мини-завод на вторичном сырье СКРАП СТАЛЬ ПРОКАТ

Часть 3 • Металлургия цветных металлов: - металлургия тяжелых металлов (на примере меди), - металлургия легких металлов (на примере алюминия),

Металлургия тяжелых цветных металлов • Применение. Cu – главный металл электротехники, используется для производства кабелей, токопроводящих шин, теплотехнических изделий, нагревателей, холодильников. Широко применяются сплавы меди с цинком (латуни) и сплавы с оловом (бронзы). Ni – используется в производстве жаропрочных и нержавеющих сплавов. Совместно с другими металлами входит в состав сверхтвердых сплавов. Используется более 3000 сплавов. Zn – используется для производства антикоррозионных покрытий, в качестве химического реагента, в лакокрасочной промышленности. Pb – около 30% свинца используется в аккумуляторах, для защиты от рентгеновских лучей, как защита химических реакторов.

Особенности рудной базы меди • В основном концентрируется в сульфидных соединениях (Cu. Fe. S 2, Cu. S, Cu 2 S). • В небольших количествах встречаются оксидные руды (Cu. O b Cu 2 O). • Комплексность руд, помимо меди присутствуют промышленные концентрации Zn, Ni, Pb, Ag, Au, Pt.

Обогащение руд • Сульфидные рудные минералы плохо смачиваются , оксидные минералы – хорошо. • Хорошо обогащаются методами флотации. • При обогащении образуются попутные цинковые, свинцовые или молибденовые концентраты.

Химический состав медных концентратов, вес. % Концентрат Cu Богатый сульфидный Fe S Al 2 O 3 Ca. O Mg. O 25 -30 32 -36 28 -40 3 -5 1 -2 0, 71, 2 Бедный сульфидный 12 -18 26 -38 36 -42 6 -15 4 -8 0, 5 -1 Богатый малосернистый 25 -40 10 -14 15 -21 16 -25 2 -9 1 -2 Бедный малосернистый 10 -15 15 -20 20 -25 20 -32 5 -10 2 -3 Окисленный 10 -20 2, 5 -5 1 -3, 5 1, 5 Si. O 2 40 -50 1320

Схема получения меди • • 1. Окислительный обжиг концентрата. 2. Плавка на штейн. 3. Получение черновой меди. 4. Получение чистой меди.

Окислительный обжиг • • Cu. S + 2 O 2 = Cu. SO 4; Fe. S 2 + 3 O 2 = Fe. SO 4 + SO 2; 2 Cu. S = Cu 2 S + 0, 5 S 2; 2 Fe. S 2 = 2 Fe. S + S 2; Cu. S + 1, 5 O 2 = Cu. O + SO 2; 2 Fe. S + 3, 5 O 2 = Fe 2 O 3 + 2 SO 2; S + O 2 = SO 2.

Плавка на штейн • • 6(Cu. O) + Fe. S = 3(Cu 2 O) + (Fe. O) + SO 2; (Cu 2 O) + Fe. S = Cu 2 S + (Fe. O); Образуются два расплава: - шлак, плотность 2, 8 - 3, 2 г/см 3, - штейн, плотность 4, 8 – 5, 3 г/см 3. Медь на 99% переходит в штейн. Железо в основном переходит в шлак.

Печь Ванюкова

Получение черновой меди • Конвертирование штейна: 1 - расплавленный штейн продувают воздухом с переводом железа в шлак 2 Fe. S + 3 O 2 = 2(Fe. O) + 2 SO 2. 2 – сливают железосиликатный шлак. 3 – продувают оставшийся белый штейн Cu 2 S + 1, 5 O 2 = Cu 2 O + SO 2; 2 Cu 2 O + Cu 2 S = 6 Cu + SO 2.

Получение чистой меди • Черновая медь содержит 96, 0 – 99, 5% Cu. • Стадии рафинирования: - огневое рафинирование, - «дразнение» , Cu = 99, 2 – 99, 8%, - разливка «красной» меди в катоды, - электролитическая очистка меди с переходом благородных элементов в шлам.

Металлургия легких металлов (на примере алюминия)

Схема производства алюминия