История появления цветных металлов

Самородные металлы

Неолитической цивилизации предшествовали длительное формирование и медленное развитие использовавшихся человеком орудий труда и инструментов. История первобытного человеческого общества была неразрывно связана с камнем. Самые примитивные каменные изделия представляли собой обыкновенную речную гальку, оббитую с одного края. Возраст древнейших каменных орудий датируется периодом около 2,5 млн. лет. Важнейшим событием стало освоение кремневых орудий труда.

В кремне была впервые найдена и воплощена форма таких основополагающих для технического прогресса изделий, как топор, серп, нож, молоток. Использование самородных металлов началось, скорее всего, в эпоху мезолита (среднего каменного века), т.е. несколько десятков тысяч лет назад. К этому времени мастерство поиска, добычи камней и изготовления из них не только орудий труда, но и украшений для первобытного человека стало делом обыденным и превратилось в своеобразную индустрию.

Начало эры металлов

Настоящая эра металлов началась в Евразии в 5-м тысячелетии до н. э. Ее характеризуют раритеты, обнаруженные на севере Балканского полуострова и в Карпатском регионе. В археологии эти территории принято относить к важнейшей Балкано-Карпатской металлургической провинции меднокаменного века.

В начале 70-х годов прошлого столетия там были открыты невероятно богатые и выразительные памятники: Варненский «золотой» некрополь и громадный рудник Аибунар, где, по расчетам, было добыто не менее 30 тыс. т медной руды. В Варненских захоронениях найдено более 3 тыс. разнообразных золотых и около 100 медных изделий. Особое внимание привлекают золотые украшения и предметы, декорированные сложными орнаментами, однако не меньший интерес у специалистов вызывают массивные медные орудия, инструменты и оружие.

Золото и медь Балкано-Карпатской металлургической провинции поставили перед исследователями древнего металла неожиданную проблему: на что были нацелены генеральные усилия этого металлургического производства? На отливку и ковку металлических орудий труда в целях повышения производительности, как излагалось в большинстве известных учебников, или же на что-то иное? Расчеты археологов показали, что уже с первых шагов горнометаллургического производства подавляющая доля его энергии была направлена на создание тех изделий, которые обслуживали символические сферы общественной жизни, – украшения, атрибуты власти и ритуальные предметы. Гигантская часть металла служила своеобразным свидетельством социальной значимости умерших. Таким образом, в течение нескольких тысячелетий металлы выполняли главным образом социальную, а не производственную функцию.

В 5-м тысячелетии до н. э. на большей части территории Евразии активно разрабатывались окисленные медные руды, жилы которых выходили на поверхность. Горные выработки представляли собой узкие щели, которые формировались в результате выемки породы рудоносных жил. Если рудокоп наталкивался на мощную рудную линзу, на месте выработки щель превращалась в полость. Старейшие медные рудники обнаружены на территории Месопотамии, Испании и Балканского полуострова. В эпоху античности одним из крупнейших месторождений меди стал остров Кипр, от его позднелатинского названия «купрум» произошло современное название меди как химического элемента. Русское название металла происходит от древнеславянского слова «смида», обозначавшего металл вообще. Отметим, что термин «смида» восходит к тем древнейшим временам, когда предки славян и германцев были еще единым индоарийским народом. Впоследствии в германских языках термин «смида» стал употребляться для обозначения человека, работающего с металлом, и закрепился в форме «смит» (англ.) или «шмидт» (нем.) – «кузнец».

Разработка подземных рудных месторождений была освоена в 4-м тысячелетии до н. э. Глубина шахтных выработок достигала 30 м и более. Для раздробления горной породы применяли огонь, воду и деревянные клинья. Около разрабатываемого участка разводили костер, породу накаливали, а затем быстро охлаждали, обильно поливая водой. В образовавшиеся трещины вбивали деревянные клинья, которые также поливали водой. Разбухая, клинья раскалывали горную породу. Обломки рудной породы снова нагревали в пламени костра, резко охлаждали и дробили молотами и кирками непосредственно в шахтах. Раздробленную руду извлекали из шахт в кожаных мешках или плетеных корзинах. Затем ее толкли в больших каменных ступах до размера гороха. В качестве топлива для выплавки металла древние металлурги применяли древесный уголь, плотные породы дерева, кости.

Наиболее древним способом переработки медной руды является тигельная плавка: руду смешивали с топливом и помещали в тигли, изготовленные из глины, перемешанной с костной золой. Размеры тиглей были небольшими, их высота составляла 12–15 см, в крышке предусматривались отверстия для выхода газов. В описанных выше гончарных очагах времен неолита достигалась температура (до 1100 °С), достаточная для получения меди, содержащей до 2 % масс. естественных примесей мышьяка, никеля, сурьмы. Впоследствии для выплавки меди стали устраивать ямные печи. В этом случае глиняный тигель с рудой и углем помещали в неглубокую яму с насыпанным поверх него слоем древесного угля. Особое значение имел выбор места плавки, которое должно было обеспечивать интенсивный приток воздуха в агрегат для раздувания огня и достижения необходимой температуры.

Количество меди, производимое в тиглях, было небольшим и составляло, как правило, несколько десятков граммов, поэтому постепенно перешли к производству меди в ямах непосредственно из руды. Для этого медную руду, перемешанную с древесным углем, помещали в ямы глубиной до 30 см, дно которых было выложено камнями. Над слоем шихты насыпали еще некоторое количество древесного угля, а сверху укладывали ветви деревьев и небольшое количество земли таким образом, чтобы не препятствовать притоку воздуха внутрь кучи. Место плавки старались располагать на склонах холмов, чтобы использовать естественное движение воздуха. Таким был первый «промышленный» металлургический агрегат.

По завершении плавки несгоревшее топливо убирали, а полученный металл дробили на удобные для использования куски. Это делалось сразу после затвердевания металла, так как на этой стадии медь особенно хрупка и легко разбивается на куски молотком. Для придания сырцовой меди товарного вида ее подвергали холодной ковке. Очень рано было обнаружено, что медь представляет собой мягкий и ковкий металл, легко уплотняющийся и освобождающийся от грубых включений при простейшей механической обработке.

При многих преимуществах медь, даже природно-легированная, имела очень существенный недостаток: медные инструменты быстро затуплялись. Износостойкость и другие свойства меди были не настолько высоки, чтобы медные инструменты и орудия могли полностью заменить каменные. Поэтому на протяжении медно-каменного века (4-е тысячелетие до н. э.) камень успешно конкурировал с медью, что и нашло отражение в названии эпохи. Решающий шаг в переходе от камня к металлу был сделан после изобретения бронзы.

Мышьяковая бронза

Существует большое количество видов бронз: свинцовая, сурьмяная, мышьяковая, никелевая, висмутная, бериллиевая и пр. Наиболее известна оловянная бронза, и долгое время считалось, что именно она была первым медным сплавом, который научился производить человек. Однако в настоящее время достоверно установлено, что первые бронзы были мышьяковыми.

Минералы мышьяка (как правило, это сульфиды) часто присутствуют в медных месторождениях. Они обладают ярким цветом и были известны человеку еще в каменном веке. Реальгар (от арабского «рахьял-чхар» – рудный порох) из-за ярко-красного цвета считался магическим камнем, а аурипигмент (от латинских «аурум» – золото и «пигмент» – цвет) ассоциировался с солнцем. Сплав с некоторым содержанием мышьяка получался естественным путем уже при производстве меди. Вероятно, положительное влияние на качество металла присутствия в шихте минералов мышьяка было рано замечено древними металлургами. Возможно, их добавление в шихту носило ритуальный характер, но в отдельных регионах производство мышьяковых бронз началось еще в 5-м тысячелетии до н. э.

Предположение о применении древними металлургами реальгара и аурипигмента было подтверждено многочисленными опытными плавками. Мастер не мог не заметить, что добавка (присадка) этих минералов в шихту позволяет получить сплав лучшего качества. Изменяя доли используемых минералов, он получал сплавы различных цветов и с хорошими механическими свойствами. Присутствие мышьяка в бронзе в количестве до 6 % масс. существенно (более чем в 2 раза) повышает ее прочность и твердость, улучшает ковкость в холодном состоянии, дает возможность получить более плотные отливки, а также увеличивает жидкотекучесть сплава. Таким образом, использование мышьяковой бронзы облегчало получение плотных отливок в рельефных литейных формах.

Немаловажное значение в древности имел цвет сплава. При добавлении к меди 1–3 % масс. мышьяка получается металл красного цвета, 4–12 % – золотистого, более 12 % – серебристо-белых тонов. Следовательно, из мышьяковой бронзы можно было получать изделия похожие на золотые и серебряные. Особенно часто этим приемом пользовались при производстве украшений: археологами найдены литые бусы, подвески, кольца, содержащие до 30 % мышьяка. Древнее оружие из бронзы никогда не содержит более 6 % мышьяка.

Металлургия мышьяковой бронзы в 3-м тысячелетии до н. э.

В 3-м тысячелетии до н. э. бронзы производились в металлургических центрах Евразии и Северной Африки практически повсеместно. Поражает сходство технологии производства бронз, способов литья орудий и оружия, а также внешнего вида металлических изделий на всей этой огромной территории в условиях существования в ее пределах резко различающихся земледельческих и скотоводческих культур. Из-за неравномерного распределения по различным географическим регионам металлических руд выделяются народы – производители и народы – потребители металлов, зависевшие от их поставок. Таким образом, важнейшим следствием становления металлургии стало формирование международного разделения труда еще в доисторическую эпоху. А ведь ранее его возникновение относили к эпохе великих империй Древнего мира – Римской и Китайской.

Международное разделение труда в Европе при производстве металлов было развито столь сильно, что в раннем бронзовом веке около половины всего выплавленного земледельцами юга металла, как показали расчеты, экспортировалось на север степным скотоводам. При этом отливка и металлообработка тяжелых орудий и оружия на севере велась более совершенными методами. По этой причине именно степным кочевникам мир обязан изобретением колесной повозки, для изготовления которой требовались высококачественные металлические инструменты. О широком распространении в степной зоне древнейшего колесного транспорта теперь хорошо известно по многим десяткам курганных погребений знати.

В начале 3-го тысячелетия до н. э. на территориях, некогда занятых неолитическими культурами, быстро вошли в употребление бронза, колесный транспорт, получило развитие коневодство.

 

«ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ В РОССИИ»

4. Содержание дисциплины.

4.1. Краткий перечень основных разделов и тем (дидактических единиц) теоретической части дисциплины.

Введение. Социальная значимость профессии металлурга.

1. Добыча и производство цветных металлов в Древней Руси и Московском государстве.

2. Металлургическая промышленность XVIII в.

3. Указы Петра I. (кабинетная система).

4. Инженерное образование и практика.

5. Развитие цветной металлургии XIХ в.

6. Цветная металлургия XХ в.

6.1. Тяжелые цветные металлы.

6.2. Легкие цветные металлы.

6.3. Благородные металлы.

4.2. Перечень рекомендуемых лабораторных работ.

Основная литература:

1.Клѐц В.Э. История металлургии цветных металлов: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 228 с

Цветная металлургия

Цветная металлургия – это отрасль, которая включает в себя добычу, обогащение и создание сплавов из цветных металлов. Ее состояние является определяющим для развития и функционирования всего промышленного комплекса в целом.

Под цветными металлами следует подразумевать такие вещества и сплавы, в которых отсутствует железо. Это является главным отличием рассматриваемой отрасли от черной металлургии, основа которой – добыча железной руды и выработка чугуна и стали.

Подотрасли

Цветная металлургия включает в себя подотрасли, в рамках которых осуществляется выпуск различных металлов:

· Производство алюминия.

На его долю приходится более 45% объема выплавки всех цветных металлов. Сырьем являются бокситы, которые перерабатываются в глинозем. Основные месторождения находятся в Австралии, Бразилии, экваториальной Африке, Китае и России.

Ведущими производителями алюминия в мире признаны Россия, США, Италия, Китай, Германия.

· Производство меди.

Более четверти от всего объема выплавки приходится на медь. Она добывается из медной руды, где концентрация металла может достигать порядка 30-35%. Кроме этого, значительную роль играет переработка вторичного сырья.

Основные месторождения медных руд находятся в России, Казахстане, Чили, США, Канаде, экваториальной Африке, Китае.

Ведущими производителями являются Россия, Китай, США, страны Европы.

· Производство свинца и цинка.

Эти металлы выпускаются из полиметаллических руд. Основные залежи находятся в США, Мексике, Канаде, Китае, Австралии. Производство сконцентрировано в Китае, США, Японии, Австралии, странах ЕС. На долю выплавки цинка и свинца приходится более 22% от всего объема.

· Производство никеля.

Крупнейшие месторождения находятся в России, она же и является главным мировым производителем. На долю производства данного металла приходится менее 7% от мировой выплавки. Основным сырьем выступают никелевые руды.

· Производство олова.

Данный металл получают из оловянных руд. Большая часть мировых запасов приходится на Боливию и Юго-Восточную Азию. Ведущими центрами выплавки являются Боливия, Малайзия, Китай, Россия.

Производство остальных цветных металлов менее развито и имеет локальные масштабы.

История развития отрасли

Человечество начало выплавлять металл и использовать сплавы достаточно давно, что подтверждается археологическими находками.

В России производство цветных металлов и развитие горного дела в целом во многом связано с именем Петра I. Именно по его указам на Урале строятся первые плавильные заводы.

К началу XX века страна становится одним из мировых лидеров металлургического производства, но события 1917 года надолго остановили его развитие. Однако в 30-е годы, во времена первых пятилеток, страна смогла восстановить и преумножить свою индустриальную мощь.

После ВОВ в СССР возводятся крупнейшие ГОКи и металлургические заводы, многие из которых продолжают работать и сейчас. Кризис 90-х годов негативно отразился на состоянии данной отрасли, однако уже в 2000 г. производство цветных металлов в стране значительно выросло.

Крупнейшие игроки отрасли

Предприятия-лидеры цветной металлургии в России:

· ПАО «РУСАЛ Братский алюминиевый завод»;

· АО «РУСАЛ Красноярский алюминиевый завод»;

· ООО «Новоангарский обогатительный комбинат»;

· АО «РУСАЛ Саяногорский алюминиевый завод»;

· ПАО ГМК «Норильский никель»;

· ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод»;

· ПАО «Челябинский цинковый завод»;

· ООО «Медногорский медно-серный комбинат»;

· ОАО «Электроцинк»;

· ООО «Евраз ванадий Тула».

Другие компании, работающие в данной отрасли, представлены в разделе Заводы цветных металлов.

Немного теории

Цветные металлы – это металлы, которые не содержат какого-либо количества железа и, следовательно, не имеют двух наиболее заметных его свойств – магнетизма и коррозии.

Цветные металлы в отличие от железа не ржавеют при воздействии кислорода и влаги.

Существует еще одна их особенность: они могут подвергаться обработке и использоваться в качестве строительного материала, так как намного прочнее железа из-за стойкости к коррозии, поэтому стоимость цветных металлов немаленькая.

Категория цветных металлов имеет внушительный список. Давайте познакомимся с некоторыми из них.

Список цветных металлов

Хотя существует много естественных металлов и их сплавов, человечество создало приличное количество металлических соединений в попытке улучшить их качества. И действительно, в последние десятилетия металлургическая промышленность шагнула далеко вперед, создав альтернативу железу из-за своих более стойких качеств.

Обладая преимуществом перед железом, цветные металлы используются в качестве строительного, укрепляющего материала для зданий, приборов, транспортных судов и различных технических средств, в автомобильной и авиапромышленности. В зависимости от использования и стоимость цветных металлов разная.

Например, стоимость стали за тонну на Лондонской бирже составляет 310 $, алюминия 1901 $, меди 6001,5 $, свинца 2212 $, никеля 9560 $, олова 20325 $, цинка 2758 $.

Вот список цветных металлов, не подверженных коррозии и устойчивых к влаге и магнетизму: алюминий, цинк, медь, свинец, хром, литий, бериллий, титан, натрий, магний, калий, кальций, молибден, барий, кобальт, никель, цирконий, рубидий, цезий, сурьма, родий, палладий, серебро, золото, таллий, платина, вольфрам, иридий, рений, ртуть, олово.

Что мы знаем о цинке?

Цинк – недорогой материал с умеренной прочностью. По своему химическому составу напоминает магний. Однако механически цинк более пластичный, но не такой сильный. Цинк наиболее часто используется для того, чтобы продлить срок службы других материалов, таких как сталь (гальванизация), резина и пластмасса (как ингибитор старения), древесины (в лакокрасочных покрытиях).

Сплавы на основе цинка используются в качестве литого металла, поскольку он имеет низкую температуру плавления (419,5º C), которая не влияет на сталь, и обладает хорошими прочностными свойствами и стабильностью размеров.

Добыча руд цветных металлов

Наша страна обладает практически неограниченными запасами полезных ископаемых и является своего рода сырьевой базой промышленности цветных металлов. Руды цветных металлов делятся на два типа: геогенные и техногенные.

Геогенный – это месторождение минеральных ресурсов на поверхности земли или в глубине, которое может быть использовано в промышленности по количеству, качеству, условиям возникновения и технологичности. Геогенные отложения состоят из одного или нескольких месторождений. Основные же значительные запасы относят к техногенным месторождениям.

Область промышленного применения и переработка цветных металлов используется для распределения минеральных ресурсов в:

· топливно-энергетические ресурсы (нефть, природный газ, ископаемый уголь, горючие сланцы, торф, уран, руда);

· рудные ресурсы, которые являются сырьевой базой железа, стали и цветных металлов в промышленности (железо и марганцевая руда, хромит, боксит, полиметаллическая руда, медно-никелевый сплав, вольфрам, молибден, олово, руды драгоценных металлов и т. д.);

· горно-химическое сырье (фосфорит, апатит, калий и магнезия, соли, серы и соединения, барит, борная руда, бромистый раствор);

· натуральные строительные материалы и неметаллические камни (мрамор, гранит, яшма, агат, камень, кристалл, гранат, корунд, алмаз и т. п.);

· гидроминеральные ресурсы (подземная сладкая и минерализованная вода).

Рудный слой формируется в процессе эволюции земной коры. Вещества, необходимые для образования минеральных ресурсов, поступают из верхней мантии коры и с поверхности в магматических расплавах, жидких и газообразных растворах. В связи с этим руды цветных металлов наделены щелочными свойствами и часто представлены в виде отложений слюды, полевого шпата, драгоценных камней. Кроме этого, существуют руды горного хрусталя, графита, кварца, флюорита, асбеста и других пород.

Рудные породы накапливаются в прибрежных отложениях морей и океанов, в качестве осадочных пород с образованием слоистых слоев на дне болот, в речных или озерных отложениях и на склонах долин. Яркими представителями рудных месторождений цветных металлов являются железные руды бассейна Кривого Рога и Курская магнитная аномалия, золото и урановые руды Южной Африки.

Тяжелые цветные металлы

Термин «тяжелые металлы» появился в период индустриализации, когда в обиход вошло понятие «тяжелая промышленность». Данное название было придумано, опираясь на значение индустрии для развития народного хозяйства, однако в результате удачно отделило тяжелые металлы от легких.

Специалисты проводят грань между тяжелыми и легкими металлами, разделяя их по плотности. Интересно, что в иностранных источниках отсутствуют подобные наименования, которые могли бы обобщить две группы. Однако, в технике их значение все же признается первостепенным после железа.

Медь

Прежде всего, медь ценится за высокую теплопроводность и электропроводность – если говорить об этих показателях, то уступить она может только серебру. Еще одним достоинством является пластичность. Благодаря ей медь можно быстро обрабатывать, штамповать, перерабатывать.

После того, как в жизнь населения ворвался электротехнический прогресс, медь заняла место основного материала, применяемого для конструкции проводов, контактов, шин и многих других изделий, в которых требуется проводимость тока.

Теплопроводность меди позволяет применять ее в нагревателях и холодильниках, а химическая промышленность приспособила этот металл для изделий, охлаждающих растворы, варочных котлов и деталей лабораторных инструментов.

К недостаткам меди можно отнести неустойчивость к примесям. Даже при минимальном их количестве у материала значительно снижается электропроводность, стойкость к коррозии и другие свойства. Чтобы использовать этот металл с высокими показателями, в меди не должно содержаться более одного процента примесей.

Отсюда вытекает и второй недостаток – абсолютно чистая медь будет слишком мягкой для использования в машинных деталях, арматуре или строительных конструкциях. Благодаря сплавам с другими металлами медь достигает необходимой прочности.

Например, латунный сплав выходит намного дешевле чистой меди, а в результате получается прочнее и долговечнее. Он поддается обработке, обладает высокой устойчивостью к коррозии. Если добавить к этому марганец или железо, то латунь получит еще более высокую прочность. Латунь применяется в военной технике, строительстве судов, химической промышленности.

Стоит упомянуть и бронзу. Из-за дефицита олова, этот сплав научились изготавливать, смешивая медь с другими металлами. В результате, сегодня можно встретить несколько разновидностей этих сплавов:

· Оловянные бронзы.

· Алюминиевые бронзы.

· Свинцовистые бронзы.

· Кремниевые бронзы.

· Бериллиевые бронзы.

Помимо этого, существуют сплавы меди с никелем и цинком – мельхиор и нейзильбер, которые чаще всего применяются в агрессивной среде, взаимодействующей с химическими соединениями. Из сплавов делают медицинские инструменты, столовые приборы и другие изделия.

До середины 20 века медь считалась первой среди известных цветных металлов по масштабам производства, но сегодня она уступает это место алюминию. В некоторых областях он удачно заменил медь, несмотря на более низкую электропроводность. Зато он является более легким и доступным. В других случаях медь заменяется цинковыми сплавами, латунью.

Никель

Как и медь, никель является важным металлом для промышленности и производства. По сравнению с другими металлами, никель самый прочный и твердый, а также обладает высокой стойкостью к коррозии. В чистом виде никель легко поддается любой обработке.

К недостаткам никеля можно отнести его высокую стоимостью, поэтому чистый металл редко используется. Чтобы защитить материал, его покрывают железом, магнием и другими металлами. Зачастую никель используется для производства изделий, используемых в химической промышленности.

Наиболее востребован никель для создания железоникелевых аккумуляторов, которые отличаются легкостью и надежностью, превосходя по всем показателям изделия из свинца.

На сегодняшний день никель больше всего используется в сплавах с железом, так как в этом случае проявляются лучшие качества материала для постройки станков, машин, военной техники. Кроме того, сплавы никеля устойчивы к жару, благодаря способности не окисляться, и используются при создании турбинных двигателей и реакторов.

Никель был открыт еще в середине 18 века, однако только спустя столетие металл начали активно производить для продажи. Основные свойства никеля (жаростойкость, прочность, устойчивость к коррозии) были открыты только в 20 веке. С этого момента спрос на материал вырос в несколько раз.

Сегодня мировое сообщество старается учитывать расход никеля, применяя меры по экономии металла. Для этого его могут заменять хромом и покрывать сталью, чтобы уменьшить потребление.

Свинец

Свинец является одним из старейших известных материалов, он был открыт еще до нашей эры. Высокий спрос на металл объяснялся его высокой плотностью и хорошими показателями для обработки. Свинец входил в состав древних украшений, из него отливали монеты и создавали снаряды. После открытия пороха, свинец стал особенно востребован — из него создавали пули.

В 19 веке свинец стал главным материалом для развития химической промышленности, так как ученые открыли его стойкость к кислотам и реагентам. Кроме того, свинец может защитить изделия от коррозии. Сегодня из свинца делают обмотку кабелей, используемых во влажной среде.

Особенно важны по своим свойствам аккумуляторы из свинца. Они значительно дешевле никелевых, однако обладают похожими характеристиками. Больше половины мировых запасов свинца уходит на создание кабелей, аккумуляторов и других технических устройств. Сплавы свинца ценятся, благодаря их прочности и твердости. Они могут содержать олово, медь, кадмий или натрий и кальций.

На сегодняшний день спрос на свинец значительно превышает его производство, поэтому специалисты напоминают о необходимости экономить металл. Оболочки из свинца заменяются пластиком, а покрытия синтетикой. Часто на замену приходит цинк.

Цинк

Специалисты не могут точно сказать, когда именно началось производство цинка. Некоторые считают, что металл был открыт в пятом веке индийскими и китайскими учеными, однако широкое производство в промышленных масштабах развернулось только в 18 веке специалистами из Англии.

Сегодня больше половины добываемого цинка уходит, чтобы покрывать железо – это предупреждает появление коррозии на материале. Благодаря этому цинк расходуется достаточно экономно, а также предохраняет изделия от влаги и жара. Покрытие цинком стоит намного дешевле, чем использование в этих же целях олова.

Вторым способом использования цинка является добавление его в сплавы. Цинк может заменить бронзу, а при добавлении алюминия и магния становится прочным и твердым. Главным достоинством цинка является его низкая стоимость и доступность – месторождения очень распространены.

Цветная металлургия

Цветные металлы подразделяются на шесть категорий, согласно своим физическим свойствам и предназначению:

1. Тяжелые. Имеют высокую плотность, соответственно, и вес. К ним относятся Cu, Ni, Pb, Zn, Sn.

2. Легкие. Имеют малый вес из-за незначительной удельной плотности. К ним относятся: Al, Mg, Ti, Na, Ka, Li.

3. Малые: Hg, Co, Bi, Cd, As, Sb.

4. Легирующие. В основном используются для получения сталей и сплавов с необходимыми качествами. Это W, Mo, Ta, Nb, V.

5. Благородные. Широко известны и используются для изготовления ювелирных украшений. Среди них Au, Ag, Pt.

6. 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.

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.

Цветные металлы

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.

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.

Металлургический завод

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:

1. В Забайкалье получают только концентраты.

2. На Дальнем Востоке получают свинец и цинковый концентрат.

3. На Кузбассе получают цинк и свинцовый концентрат.

4. На Северном Кавказе ведут передел.

5. 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:

1. На первой стадии получают глинозем и необходим большой объем сырья.

2. 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.

История появления цветных металлов

 

Первое упоминание о металле, который по описанию был похож на алюминий, встречается в первом веке нашей эры у Плиния Старшего. Согласно изложенной им легенде, некий мастер преподнес императору Тиберию необычайно легкий и красивый кубок из серебристого металла. Даритель сообщил, что получил новый металл из обычной глины. Очевидно, он ожидал благодарности и покровительства, но вместо этого лишился жизни. Недальновидный правитель приказал обезглавить мастера и разрушить его мастерскую, чтобы предотвратить обесценивание золота и серебра.
Но это всего лишь предание. А факты? Первый шаг к получению алюминия сделал прославленный Парацельс в 16 веке. Он выделил из квасцов «квасцовую землю», содержавшую окись неведомого тогда металла. А в середине 18 века эксперимент повторил немецкий химик Андреас Маргграф (Andreas Marggraf). Он назвал окись алюминия словом «alumina» (от латинского «alumen» — вяжущий). С этого момента о существовании алюминия стало известно науке, однако, не будучи найденным в чистом виде, металл не получил настоящего признания.
В 1808 году англичанин Хэмфри Дэви (Humphry Davy) пытался выделить алюминий методом электролиза. Это ему не удалось, но ученый все же дал металлу его современное название. Успехом увенчались эксперименты датчанина Ханса-Кристиана Эрстеда (Hans Christian Orsted) в 1825 году. Пропустив хлор через раскаленную смесь глинозема с углем, он получил хлористый алюминий. Нагрев его с амальгамой калия, Эрстед выделил металл, по своим свойствам похожий на олово. Ученый сообщил об этом в малоизвестном журнале и прекратил эксперименты. Эстафету принял немец Фридрих Велер (Friedrich Wohler), который в итоге потратил 18 лет работы на то, чтобы получить алюминий в виде слитка.
В 1854 году французский химик и промышленник Сент-Клер Девиль (Henri Saint-Claire Deville) разработал более дешевый способ. Он использовал в качестве восстановителя натрий, заменив им дорогостоящий калий. На Всемирной выставке 1855 года в Париже «серебро из глины» произвело фурор. Император Наполеон III, за столом которого особо почетным гостям подавали приборы из алюминия, загорелся мечтой снабдить свою армию кирасами из легкого металла. Он оказал Девилю мощную поддержку, и тот построил несколько алюминиевых заводов. Но произведенный им металл по-прежнему оставался дорогим. Из него делали лишь ювелирные украшения и предметы роскоши.
История металла более дешевый способ производства крылатого металла появился лишь к концу 19-го века. Его одновременно и независимо друг от друга разработали американский студент Чарльз Холл (Charles Hall) и французский инженер Поль Эру (Paul Heroult). Предложенный ими электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии. При строительстве первого завода эту проблему решили, разместив предприятие рядом со знаменитым Рейнским водопадом в Швейцарии.
Работавший в России австрийский инженер Байер (Carl Josef Bayer) создал технологию пол