Металлургическое производство: основные этапы и технологии

Исходным сырьём для получения подавляющего большинства металлов служат руды – минеральные образования, извлекаемые из земной коры. На основе научных исследований разрабатывается технологическая схема металлургического передела, представляющая собой последовательность операций с оптимальными условиями. Эти операции включают физические и химические процессы, направленные на достижение высоких технико-экономических показателей. Критериями эффективности процесса являются себестоимость и качество конечного продукта – металла.

Хотя на практике применяются сотни разнообразных технологических схем, их принципиальная сущность остается единой. Она заключается в отделении целевого металла от пустой породы и сопутствующих элементов. Современное металлургическое производство является сложным комплексом взаимосвязанных производств, базирующимся на месторождениях руд и коксующихся углей. Этот комплекс включает в себя шахты, карьеры, горно-обогатительные и коксохимические комбинаты, а также разнообразные цехи.

Для системного анализа всю совокупность операций принято разделять на четыре последовательные стадии. На каждой стадии решается определенная технологическая задача, ведущая к получению чистого металла. Первая стадия предполагает максимальное отделение пустой породы от рудного минерала механическими способами. Для этого используются различия в таких свойствах, как плотность, магнитная восприимчивость, электрические характеристики и смачиваемость.

В результате механического обогащения руда разделяется на два основных продукта: концентрат и хвосты. В концентрат переходит основная масса ценного рудного минерала, а хвосты состоят преимущественно из пустой породы. Однако полностью отделить металл механическими методами невозможно, так как в концентрате остаются сростки минерала с породой. Содержание породы в концентратах варьируется от 10% для железных руд до 80-90% для руд цветных металлов.

Удаление оставшейся пустой породы осуществляется на второй стадии с помощью химико-металлургических методов. Эти процессы используют различия в растворимости компонентов в химических реагентах или в плотностях расплавленных фаз. Если эффективное разделение невозможно, рудный минерал химически преобразуют в другое соединение с иными физико-химическими свойствами. Итогом этой стадии является получение либо чистого химического соединения металла, либо металлического сплава.

Третья стадия технологической схемы направлена на получение так называемого «чернового» металла, загрязненного примесями. В альтернативных вариантах на этом этапе могут производить чистое химическое соединение, которое служит сырьем для финальной очистки. Четвертая, заключительная стадия, имеет целью получение чистого металла. Это достигается восстановлением его химического соединения или путем рафинирования (очистки) «чернового» металла от остаточных примесей.

Все разнообразные операции металлургического передела классифицируются на три основные группы в зависимости от условий их проведения. Пирометаллургические процессы протекают при высоких температурах (700-2000°С) и включают обжиг, плавки, возгонку и дистилляцию. Гидрометаллургические методы основаны на обработке сырья водными растворами кислот, щелочей или солей при температурах 20-300°С.

Электрометаллургические процессы используют электрический ток для проведения окислительно-восстановительных реакций в растворах или расплавах, что приводит к выделению целевого металла на электроде. Большинство реальных технологических схем представляют собой комбинации этих трех методов. Сложность схемы напрямую зависит от концентрации металла в руде, количества и природы примесей, а также требований к чистоте конечного продукта.

Для многих металлов разработано несколько вариантов технологических схем на отдельных стадиях передела. Выбор конкретного варианта зависит от формы нахождения металла в руде и поставленных целей, таких как экономическая эффективность, простота процесса или максимальная чистота продукта. Конечной продукцией могут быть чистые металлы, их сплавы или химические соединения, например, оксиды.

Большинство металлов и сплавов получают в виде расплава, который разливают в слитки различной формы и размеров. Тугоплавкие металлы часто производятся в виде порошков или пористой массы – губки. Для получения компактных образцов из таких материалов применяют дуговую плавку, электронно-лучевую плавку или методы порошковой металлургии.

Литейное производство является важнейшей отраслью машиностроения, специализирующейся на изготовлении заготовок (отливок) путем заливки расплавленного металла в литейную форму. После охлаждения и затвердевания расплав сохраняет конфигурацию полости формы. Данная технология позволяет производить изделия очень сложной конфигурации, недостижимой для ковки, штамповки или сварки.

Рис. 13. Схема современного металлургического производства

Номенклатура литых изделий чрезвычайно широка: от заготовок общего назначения до ответственных деталей, таких как блоки цилиндров двигателей или лопатки газовых турбин. Масса отливок может варьироваться от нескольких граммов до десятков тонн. В зависимости от задач производства используются разовые формы (из формовочных смесей) или многократные металлические формы, позволяющие получить от десятка до нескольких десятков тысяч отливок. Общая схема современного металлургического производства, иллюстрирующая взаимосвязь этих процессов, представлена на Рис. 3.1.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г., Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г., Третьякова Н.В., и др.

Источник: Основы производства металлов.

Данные публикации будут полезны студентам технических специальностей, начинающим специалистам в области металлургии и машиностроения, а также всем, кто интересуется основами промышленного производства.