Производство металлов
Свойства и классификация металлов, их значение как важнейших материалов современной техники. Металлические руды как сырье в производстве металлов. Металлургические процессы, технологические процессы извлечения металлов из руд и отходов производства.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | реферат |
Язык | русский |
Дата добавления | 02.02.2020 |
Размер файла | 25,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Металлы
Свойства и классификация металлов
Металлы наряду с древесиной и керамикой относятся к числу наиболее распространенных «традиционных» конструкционных материалов и известны человечеству с глубокой древности. Производство металлов по масштабам соизмеримо с производством таких промышленных продуктов, как цемент, целлюлоза, полимерные материалы.
Значение металлов как важнейших материалов современной техники и, как следствие, возрастающая роль их в народном хозяйстве, несмотря на внедрение полимерных материалов и композитов, обусловлены рядом их специфических качеств. К ним относятся:
- способность к взаимному растворению и образование многочисленных сплавов разнообразного состава, что позволяет в широких пределах изменять в заданном направлении физико-механические и физико-химические свойства металлических материалов;
- комплекс ценных механических, физических и химических свойств, в том числе тепловых (высокие теплопроводность и коэффициент термического расширения, низкая теплоемкость), электрических и магнитных (низкое удельное сопротивление, способность к термоэлектронной эмиссии, ферро- и парамагнетизм), механических (упругость, пластичность, прочность), химических (окисляемость);
- возможность фазовых превращений при изменении температуры и существование в нескольких полиморфных модификациях с различными структурой и свойствами;
- способность деформироваться в холодном и горячем состояниях без нарушения сплошности материала.
Существенную роль имеет также широкое распространение металлов в литосфере и гидросфере Земли. Металлы составляют 86 % известных химических элементов. К металлам относятся: s-элементы, кроме водорода и гелия, все d-элементы, все f-элементы, часть p-элементов (алюминий, галлий, индий, таллий).
Значение того или иного металла в народном хозяйстве страны принято оценивать долей его производства в общем производстве металлов или в производстве железа и его сплавов. Удельный вес различных металлов существенно меняется со временем.
Появление новых отраслей техники (ракетостроение, атомная энергетика, электроника и др.) вызывает потребность в материалах с новыми свойствами и стимулирует развитие новых направлений в металлургии. Так, уже после 1945 г. промышленное значение приобрели такие металлы, как титан, молибден, цирконий, ниобий.
В настоящее время в цветной металлургии производятся более 30 металлов, являющихся редкими элементами, и сотни их сплавов. Поэтому доля производства различных металлов со временем меняется.
Например, за последние годы существенно возросла доля производства алюминия, но практически не изменилась доля производства меди. Научно обоснованной классификации металлов не существует.
В основу классификации положен промышленный принцип, учитывающий сложившуюся структуру металлургической промышленности, распространение в природе и свойства металлов.
Классификация металлов
Металлы составляют большую часть всех элементов в таблице Д. И. Менделеева. Следует отметить, что до настоящего времени не разработана строго научно обоснованная классификация металлов. В соответствии с промышленной классификацией металлы делятся на черные, к которым относятся железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых связано с производством чугуна и стали, и цветные. Термин «цветные металлы» достаточно условен, так как из всех металлов этой группы только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Так, например, отнесенный к черным металлам хром представляет собой белый металл, а марганец имеет серовато-серебристый цвет. Железо также не имеет черного цвета. Из цветных металлов только медь имеет зеленовато-красный цвет, а золото - желтый. Все остальные металлы, отнесенные к цветным, отличаются друг от друга лишь оттенками серебристо-серого или красноватого цвета.
Из цветных металлов основные тяжелые металлы получили название из-за больших («тяжелых») масштабов производства и потребления. Малые тяжелые металлы являются природными спутниками основных тяжелых металлов, их получают попутно и в меньших количествах.
Цветные металлы делятся на 4 группы:
тяжелые: медь, свинец, олово, цинк и никель;
легкие: алюминий, магний, кальций, калий и натрий; часто к этой группе относят также барий, бериллий, литий и другие щелочные и щелочноземельные металлы;
драгоценные, или благородные: платина, иридий, осмий, палладий, рутений, родий, золото и серебро;
редкие - все металлы, не включенные в предыдущие группы. К ним относятся:
- тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден, ванадий, тантал, титан, цирконий и ниобий, к ним же иногда относят кобальт;
- легкие металлы - бериллий, литий, рубидий и др.;
- рассеянные металлы - германий, галлий, таллий, индий и рений, к ним причисляют также селен и теллур, которые являются более металлоидами, чем металлами;
- редкоземельные металлы - лантан, иттрий, гафний, церий, скандий
- и др.;
- подгруппа радиоактивных металлов - торий, радий, актиний, протактиний, полоний, уран и заурановые элементы.
Из группы редких металлов часто выделяют в качестве отдельной группы так называемые малые металлы - сурьму, ртуть, висмут.
Металлы в твердом состоянии представляют собой кристаллические вещества, атомы которых расположены в строго определенном порядке, образуя пространственную решетку.
Металлы способны образовывать сплавы, имеющие большое значение в технике. Сплавами называются твердые вещества, получаемые сплавлением простых веществ (элементов) и разнообразных соединений.
Металлические руды
Сырье в производстве металлов - металлические руды. За исключением небольшого числа (платина, золото, серебро, иногда ртуть и медь), металлы находятся в природе в виде химических соединений, входящих в состав металлических руд.
Металлической рудой называется горная порода, содержащая в своем составе один или несколько металлов в таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых возможно и целесообразно их извлечение при современном уровне обогатительной и металлургической техники.
Понятие «руда» имеет геологический, технический и экономический смысл. Так, например, с появлением ртутного и цианидного методов извлечения золота ранее неиспользуемые старые отвалы приобрели промышленное значение и стали рассматриваться как золотоносные руды. Металлические руды классифицируются по следующим признакам:
1. По качеству и количеству металла руды делят напромышленные и непромышленные. К промышленным относят те руды, в которых содержание металла превышает его рентабельный минимум,то есть то минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды. По мере развития производства рентабельный минимум снижается. В конце XIX столетия к промышленным рудам относили горные породы с содержанием меди выше 1,5 %. В настоящее время эта величина снижена до 0,4 %. Снижению рентабельного минимума способствуют совершенствование обогатительной и металлургической техники и повышение комплексности использования металлических руд.
2. По числу содержащихся в руде металлов их делят намонометаллические (простые) и полиметаллические (комплексные). К полиметаллическим относится большинство руд цветных металлов (медные, медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды), содержащие до 10-15 различных металлов. Полиметалличность большинства руд делает экономически необходимым их комплексное использование, то есть организацию безотходных или малоотходных производств.
3. По содержанию металла руды подразделяют на богатые, средние и бедные. Руды цветных металлов, как правило, относятся к очень бедным, однако сопутствующие основному металлу в них другие элементы по ценности могут значительно превосходить основной компонент руды (табл. 1.1).
Таблица 1.1 - Ценностная структура медно-цинковой руды
Компонент руды |
Содержание, % |
Ценность, % |
|
Медь |
2,5 |
26,0 |
|
Цинк |
2,5 |
15,6 |
|
Сера |
40,0 |
41,7 |
|
Золото |
2 10-4 |
10,4 |
|
Серебро |
3 10-3 |
6,3 |
4. По форме нахождения металла руды делятся на:
- cамородные, содержащие металлы в свободном состоянии (Me);
- окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородных соединений (оксидов МеОn, гидроксидов Ме(ОН)n, солей многоосновных кислородных кислот МеМеnOn, МеЭОn);
- сульфидные, содержащие сульфиды (MeS) и полисульфиды (MeSn) металлов;
- галогенидные, в которых содержатся соли галогеноводородных кислот (МеГn).
Использование металлов в народном хозяйстве зависит не только от их специфических свойств, но и от разведанных запасов и доступности руд, а также возможности промышленного выделения металлов из их соединений в этих рудах. В земной коре содержание металлов весьма неравномерно. Наиболее распространены элементы, имеющие нечетные и малые номера в периодической таблице. В табл. 1.2 приведено содержание металлов в земной коре в порядке его убывания.
Доступность металлических руд как сырья для производства металлов зависит от их состава (бедные, богатые), географического положения региона их нахождения и распределения в земной коре.
Руды или образуют в земле естественные скопления (месторождения), или содержатся в очень небольших концентрациях в виде изоморфных примесей в основных минералах (рассеянные металлы).
Таблица 1.2 - Распространение металлов в земной коре
Металл |
Содержание, % |
Металл |
Содержание, % |
|
Алюминий |
7,50 |
Вольфрам |
710-3 |
|
Железо |
4,70 |
Молибден |
110-3 |
|
Кальций |
3,40 |
Свинец |
810-4 |
|
Натрий |
2,64 |
Олово |
610-4 |
|
Калий |
2,40 |
Уран |
510-4 |
|
Магний |
1,94 |
Селен |
810-5 |
|
Титан |
0,58 |
Платина |
210-5 |
|
Цинк |
0,02 |
Серебро |
410-6 |
|
Никель |
0,018 |
Золото |
510-7 |
|
Медь |
0,01 |
Рений |
110-7 |
Месторождением металлов называется скопление металлических руд, пригодное для их промышленного использования. Естественно, что концентрация металлов в месторождениях значительно выше их средней концентрации в земной коре. Богатство месторождения оценивают его металлоносностью (М), представляющей отношение М = кларк месторождения/кларк планеты.
Для металлических руд различают также:
- запасы, то есть выявленные количества руды, для которых известны метод и стоимость извлечения из них металла, и
- потенциальные ресурсы, то есть количества руды, расположение и метод добычи которых неизвестны.
В табл. 1.3 приведено содержание важнейших металлов в земной коре и их рудах.
Основную массу металлов извлекают из руд, содержащихся в земной коре (литосфере). Потенциальным источником металлов можно считать и воды Мирового океана, содержащие до 3,5 % растворенных солей, а также залежи металлсодержащих конкреций на дне океана.
Таблица 1.3 - Содержание металлов в земной коре и рудах
Металл |
Содержание металла, т |
Кларк металла, г/т |
||
в земной коре |
в рудах |
|||
Алюминий Железо Цинк Медь |
1,5.1016 8,8.1015 2.4.1013 1,8.1013 |
5108 11011 8,2107 1,8108 |
81000 46000 80 70 |
металл руда сырье
Металлургические процессы
В основе производства металлов лежат металлургические процессы, то есть технологические процессы извлечения металлов из руд и отходов производства. В общем случае металлургический процесс включает три последовательных стадии:
- подготовку руды - превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металла;
- восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла;
- вторичную обработку полученного металла.
Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификацию и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления. Необходимость последней операции связана с тем, что восстановлению подвергаются преимущественно оксиды, реже - галогениды металлов, поэтому все остальные соединения (сульфиды, гидроксиды) должны быть переведены в них. Это достигается воздействием на обогащенную руду высокой температуры или соответствующих реагентов.
В соответствии с методом технологические процессы подготовки руды подразделяют напирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением руды. К ним относят:
- обжиг - процесс, проводимый при высокой (500-1200 °С) температуре в твердой фазе с целью изменения химического состава руды. Условия обжига зависят от состава руды и назначения процесса. Руды, содержащие сульфиды металлов, подвергаются окислительному обжигу до их оксидов; руды для последующего магнитного обогащения подвергаются восстановительному обжигу;
- восстановительную плавку - процесс восстановления оксидов металлов при температурах, обеспечивающих полное расплавление руды;
- дистилляцию - процесс испарения перерабатываемого вещества с целью разделения его компонентов на основе их различной летучести.
Гидрометаллургические процессы проводятся в водных средах при температурах до 300 °С на границе раздела твердой и жидкой фаз.
Наиболее распространенным гидрометаллургическим процессом является выщелачивание - процесс перевода в жидкую фазу (раствор) извлекаемых из руды соединений металлов при воздействии на нее растворителей. Выщелачивание может быть физическим процессом (растворитель вода) или химическим процессом (растворитель - реагент, взаимодействующий с извлекаемым компонентом).
Вторичнаяобработкавосстановленного металла проводится для его очистки, а также с целью перестройки кристаллической структуры металла, изменения его состава и свойств. К операциям вторичной обработки относят очистку металла методами дистилляции, электролиза, электрошлакового переплава и зонной плавки; получение сплавов, закалка, отжиг, отпуск, цементирование и др. Некоторые из них рассматриваются ниже.
Физико-химические основы восстановления металлов из руд
Процессы восстановления металлов из руд различаются по природе восстановителя и по условиям восстановления. В качестве восстановителей применяют химические вещества (водород, оксид углерода (II), углерод, металлы) или электрический ток, а процесс восстановления можно проводить в растворе, в расплаве или в твердой фазе. В зависимости от этого различают следующие методы восстановления:
1. Гидрометаллургическое восстановление - восстановление химическими восстановителями из водных растворов, например:
CuSO4 + Zn = Сu + ZnSO4.
2. Пирометаллургическое восстановление - восстановление химическими восстановителями при высокой температуре из расплавов или твердой фазы, например:
FeO + СО = Fe + СO2.
3. Электрогидрометаллургическое восстановление - восстановление электрическим током из водных растворов, например:
CuSО4 + 2з = Сu + SO4-2.
4. Электропирометаллургическое восстановление - восстановление электрическим током при высокой температуре из расплавов, например:
Аl2O3 + 6з = 2Аl + 3О-2.
Оба случая восстановления электрическим током представляют собой процессы электролиза в водных растворах или расплавах электролитов, при которых восстанавливаемый металл выделяется на катоде.
При восстановлении металлов из их соединений необходимо учитывать как принципиальную осуществимость этого процесса, так и полноту его протекания, от которой зависит экономичность процесса.
Принципиальная возможность процесса восстановления определяется условием ДG < 0, где ДG- изобарно-изотермический потенциал, равный
.
Скорость самопроизвольно протекающей реакции восстановления тем выше, чем больше по абсолютному значению величина ДG. Следовательно, соблюдению неравенства ДG < 0 способствуют уменьшение энтальпии (ДН < 0), увеличение энтропии (ДS > 0) и проведение процесса при максимально осуществимой в данных условиях температуре Т. Использование температурного фактора позволяет в ряде случаев применять для восстановления слабые восстановители, которые не «работают» при обычных температурах.
Наиболее распространенный процесс восстановления оксидов металлов описывается общим уравнением:
МеО + В ЖMe + ВО,
где В - восстановитель; ВО - продукт окисления восстановителя.
Изобарно-изотермический потенциал этого процесса равен
ДG = ДGB0 - (ДGMeo + ДGB) < 0.
Очевидно, что для восстановителей - простых веществ (металлы, углерод, водород) ДGb= 0, и уравнение превращается в
ДG= ДGBO - ДGMeO.
Таким образом, в основе любого металлургического процесса восстановления металла из его соединений лежит принцип перевода обрабатываемого сырья в гетерогенную систему, состоящую из двух, трех и более фаз, отличающихся друг от друга составом и физическими свойствами. При этом одна из фаз обогащается извлекаемым металлом, в то время как другие фазы им обедняются и, наоборот, обогащаются примесями и побочными продуктами восстановления.
Контрольные вопросы
1. На каких свойствах металлов основано их широкое применение?
2. Приведите промышленную классификацию металлов.
3. Какие виды природного ископаемого сырья относятся к металлическим рудам?
4. Что такое металлоносность рудного месторождения?
5. Укажите особенности методов восстановления металлов из их соединений.
6. Чем определяются принципиальная возможность и полнота протекания процесса восстановления металлов из руд?
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Промышленное значение цветных металлов: алюминий, медь, магний, свинец, цинк, олово, титан. Технологические процессы производства и обработки металлов, механизация и автоматизация процессов. Производство меди, алюминия, магния, титана и их сплавов.
реферат [40,4 K], добавлен 25.12.2009Электрохимические процессы – основа электрохимических технологий. Образование моноатомных слоев металлов при потенциалах положительнее равновесных. Влияние различных факторов на процессы катодного выделения металлов. Природа металлического перенапряжения.
курсовая работа [376,6 K], добавлен 06.03.2009Классификация и применение процессов объемного деформирования материалов. Металлургические и машиностроительные процессы обработки металлов давлением. Методы нагрева металла при выполнении операций ОМД. Технология холодной штамповки металлов и сплавов.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 20.08.2015Понятие металла, электронное строение и физико-химические свойства цветных и черных металлов. Характеристика железных, тугоплавких и урановых металлов. Описание редкоземельных, щелочных, легких, благородных и легкоплавких металлов, их использование.
реферат [25,4 K], добавлен 25.10.2014Сущность технологий извлечения металлов из лома карбидов металлов, полученных путем спекания. Анализ достоинств и недостатков твердых металлокерамических сплавов. Описание основных способов извлечения вольфрама из отходов промышленного производства.
курсовая работа [744,6 K], добавлен 11.10.2010Распространенность металлов в природе. Содержание металлов в земной коре в свободном состоянии и в виде сплавов. Классификация областей современной металлургии в зависимости от методов выделения металлов. Характеристика металлургических процессов.
презентация [2,4 M], добавлен 19.02.2015Методика производства стали в конвейерах, разновидности конвейеров и особенности их применения. Кристаллическое строение металлов и её влияние на свойства металлов. Порядок химико-термической обработки металлов. Материалы, применяющиеся в тепловых сетях.
контрольная работа [333,8 K], добавлен 18.01.2010Описание технологии производства чугуна и стали: характеристика исходных материалов, обогащение руд, выплавка и способы получения. Медь, медные руды и пути их переработки. Технология производства алюминия, титана, магния и их сплавов. Обработка металлов.
реферат [101,6 K], добавлен 17.01.2011Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".
курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013Назначение и виды термической обработки металлов и сплавов. Технология и назначение отжига и нормализации стали. Получение сварных соединений способами холодной и диффузионной сварки. Обработка металлов и сплавов давлением, ее значение в машиностроении.
контрольная работа [2,6 M], добавлен 24.08.2011Структура машиностроительного комплекса, технологические процессы, используемые на его предприятиях. Станкостроение как отрасль машиностроения. Обработка металлов давлением и резанием. Сварка, резка и пайка металлов, литейное и сборочное производство.
реферат [517,0 K], добавлен 27.11.2012Физические свойства металлов. Способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Плотность металла и температура плавления. Значение теплопроводности металлов при выборе материала для деталей. Характеристика магнитных свойств.
курс лекций [282,5 K], добавлен 06.12.2008Перемещение дислокаций при любых температурах и скоростях деформирования в основе пластического деформирования металлов. Свойства пластически деформированных металлов, повышение прочности, рекристаллизация. Структура холоднодеформированных металлов.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 12.08.2009Понятие, классификация и механизм проявления деформации материалов. Современные представления про теорию разрушения материалов. Факторы, которые влияют на деформацию. Упругопластические деформации металлов и их износ. Особенности разрушения металлов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.12.2010Процесс получения титана из руды. Свойства титана и область его применения. Несовершенства кристаллического строения реальных металлов, как это отражается на их свойствах. Термическая обработка металлов и сплавов - основной упрочняющий вид обработки.
контрольная работа [2,3 M], добавлен 19.01.2011Свойства металлов и сплавов. Коррозионная стойкость, холодостойкость, жаростойкость, антифринционность. Механические свойства металлов. Диаграмма растяжения образца. Испытание на удар. Физический смысл упругости. Виды изнашивания и прочность конструкции.
контрольная работа [1006,5 K], добавлен 06.08.2009Направления и этапы исследований в сфере строения и свойств металлов, их отражение в трудах отечественных и зарубежных ученых разных эпох. Типы кристаллических решеток металлов, принципы их формирования. Основные физические и химические свойства сплавов.
презентация [1,3 M], добавлен 29.09.2013Современные способы повышения качества металлов и сплавов. Подготовка руд к доменной плавке. Устройство и работа доменной печи. Сущность технологического процесса изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией. Производство цветных металлов.
дипломная работа [6,3 M], добавлен 16.11.2011Товароведная характеристика цветных металлов и изделий из них. Требования к цветным металлам и сплавам в соответствии с ГОСТом. Физические свойства основных (медь, свинец, цинк, олово, никель, титан, магний), легирующих, благородных и рассеянных металлов.
курсовая работа [47,5 K], добавлен 21.04.2011Технологическая система производства черных металлов. Мероприятия, связанные с экономией кокса, как топлива и восстановителя. Технологические основы производства стали. Кислородно-конверторный метод передела. Электро-индукционный метод.
реферат [33,8 K], добавлен 15.05.2005