Цветная металлургия

Чёрная металлургия

Одна из основных отраслей, обеспечивающих тяжёлое машиностроение и ряд других министерств:

• Сталью.
• Чугуном.
• Ферросплавами.
• Прокатом.

Чёрная металлургия обеспечивает до 10% промышленного производства страны, при занятости в 385,6 тыс. человек. При этом она является одной из крупнейших составляющих притока иностранной валюты. Так в 2020 году экспорт чёрных металлов принёс в бюджет страны 10,1 млрд. долл.

Особенности производства

Чёрные металлы – это железо, марганец, хром. Ископаемые руды этих металлов богаты содержанием нужного компонента и могут разрабатываться открытым и шахтным способом. Сам процессполучения конечного продукта включает ряд последовательных этапов:

• Добычу и обогащение железной, марганцевой и хромовой руды, а также используемого в производстве нерудного сырья: огнеупорных глин, флюсовых известняков, формовочных материалов.
• Окускование – формирование небольших объёмов сырья с необходимыми для доменной плавки свойствами.
• Выплавка или изготовление: углеродистой стали, чугуна.
• Производство: проката, порошков чёрных металлов.
• Выпуск чугунных или стальных труб.
• Переработка лома и отходов чёрных металлов с целью их вторичного использования.

Непосредственно технологический цикл состоит из таких производств, как:

• Чугунно-доменное.
• Электросталеплавильное.
• Кислородноконвертерное.
• Мартеновское.
• Непрерывная разливка.
• Прокатное.

Предприятия

Крупнейшие предприятия чёрной металлургии:

• АО «Объединенная металлургическая компания».
• ОАО «Трубная металлургическая компания».
• ОАО «Холдинговая .
• ПАО «Группа Мечел».
• ПАО «Северсталь».
• Публичная .

География цветной металлургии

География отрасли очень велика. Наиболее богатые месторождения находятся в Австралии, Перу, Венесуэле, Индии, Чили, ЮАР и Гвинее. Для увеличения эффективности добычи большинство государств сотрудничает между собой.

Ведущее место в мировой цветной металлургии занимает разработка месторождений алюминийсодержащих руд. Большая часть запасов этого металла находится в приэкваториальной зоне. Но успешное производство алюминия может быть налажено только в тех странах, у которых есть источники относительно дешевой энергии:

1. Россия, Норвегия, США и Канада имеют мощные ГЭС и большие гидрологические ресурсы.
2. Ирак, ОАЭ, Нидерланды и Великобритания обладают запасами природного газа.
3. Китай, Австралия и Индия имеют много каменного угля.

На географию размещения отрасли оказывает влияние и экологический фактор, так как производство металлов сильно вредит окружающей среде. Оно загрязняет поверхностные и подземные воды, атмосферу и почву. Например, во время производства выделяется сернистый газ, который затем в огромных количествах выпадает в виде кислотных дождей на поверхность Земли. При этом страдает все живое.

Загрязнение окружающей среды

Предприятия цветной металлургии являются источниками выбросов различных загрязняющих веществ в окружающую среду. Усиливает загрязнение то, что применяются устаревших технологий и почти нет очистного оборудования на заводах отрасли.

Как цветная промышленность влияет на окружающую среду?

1) При производстве металла в атмосферу выделяются различные парниковые газы.

На долю предприятий цветной металлургии приходится пятая часть выбросов в атмосферу и более половины выбросов диоксида серы.

Диоксид серы можно применять для получения серной кислоты. На некоторых заводах уже используют эту технологию. Однако на большей части предприятий он просто выбрасывается в атмосферу, что приводит к потеплению климата и выпадению кислотных дождей. 

2) Загрязнение сточных вод отработанной водой. Необходим внедрение новых технологий с замкнутым циклом использования воды.

3) Образование терриконов (огромных насыпей) пустой породы.

4) Токсичные отходы с предприятий

Общие сведения о металлургии в России

Российская металлургия включает в себя весь комплекс предприятий по добыче, обогащению руды, выпуску металлопроката, в том числе цветного.Вклад металлургической отрасли в общий объем промышленной продукции страны составляет порядка 12%.

Наиболее сильные позиции у черной металлургии, в состав которой входят более полутора тысяч крупных промышленных предприятий, причем более 65% из них являются градообразующими.

Металлургическая продукция получила заслуженное внимание на мировых рынках. По экспорту металлопрокат российской федерации устойчиво занимает третью позицию в мире, особенно высоко ценится нержавеющая сталь, листовой прокат с поверхностным покрытием

Доля продукции металлургической отрасли в общем объеме экспорта России составляет порядка 13,5%.

Сырьевая база России богата рудами не только черных, но и целого ряда цветных металлов. Это позволяет отрасли занимать лидирующие позиции в мире по экспорту металлопродукции из алюминия, титана, цинка, золота, серебра.Несмотря на экономический кризис 2008 года, темпы роста металлургической отрасли вполне удовлетворительны.Благоприятным фактором является то, что, за счет неисчерпаемых собственных природных богатств, рудных залежей, себестоимость металлургической продукции у нас самая низкая, поэтому металлургические предприятия обладают высоким уровнем рентабельности.

Конкурентоспособность отрасли

Формирование конкурентоспособности металлургического комплекса происходит в условиях сложившихся товарно-денежных отношений на международном рынке и внутри страны. Соответственно, на её показатели оказывают существенное влияние следующие факторы:

• Для всей отрасли страны в целом, как поставщика экспортируемой продукции:
• Общая экономическая и политическая ситуация в мире.
• Сложившаяся конъюнктура мирового металлургического рынка.
• Международное законодательство совместно с правовыми нормами стран-импортёров продукции.
• Для отдельной фирмы-производителя:
• Производственно-экономический потенциал.
• Уровень технической оснащённости.
• Место расположения предприятия по отношению к поставкам необходимых ресурсов и организации сбыта готовой продукции или изделий.

Степень интеграции.

Проведённые исследования показывают что отрасль, одной из первых в стране ставшая:

• Реструктуризировать производственные мощности.
• Ликвидировать неэффективное оборудование.
• Выстраивать отраслевые структуры, специализируюсь, а затем объединяясь в полные законченные циклы.
• Наращивать производство наиболее рентабельной и хорошо продаваемой продукции.
• Заниматься снижением издержек.
• Решать вопросы экологии.
• Улучшать социальные условия своих работников.

В целом достигла высокого уровня конкурентоспособности.

Хотя отдельные показатели: расход электроэнергии на единицу продукции (на 20-30% больше, чем в Германии и США); трудозатраты (выше, чем в Германии, США и Японии в 2,5 раза) остаются на очень низком уровне. Что требует дальнейшей работы по обновлению производственных мощностей и оптимизации структуры.

Основные подотрасли

В цветную металлургию входит несколько подотраслей. Основной является производство алюминия. На него приходится почти половина мирового объема выплавки цветных металлов. В качестве сырья используются бокситы, из которых в процессе переработки получают глинозем. Главные месторождения находятся в Китае, России, Австралии и Бразилии.

Производство меди занимает примерно 25% объема рынка. Для этого используют обогащенную медную руду

Также важное значение имеет переработка вторичного сырья. Основные месторождения медных руд находятся в Центральной Африке, Чили, России, Китае, Канаде и США

Свинец и цинк производятся из полиметаллических руд. Наибольшие объемы добываются в Мексике, США, Австралии, Китае и Канаде. Перерабатывают эти руды в Австралии, США, Японии, Китае и нескольких странах ЕС.

Самые крупные месторождения никеля расположены в России. Она же и выступает в качестве главного мирового производителя. Производство этого металла занимает 6% от общего объема мировой выплавки. Сырьем является никелевая руда.

Олово получают при переработке оловянных руд. Основные мировые месторождения находятся в Юго-Восточной Азии и в Боливии. Среди главных центров выплавки можно выделить Малайзию, Китай, Боливию и Россию. Остальные продукты отрасли изготавливаются в гораздо меньших масштабах. Чаще всего это локальные производства.

Схемы изготовления различных металлов схожи, но в зависимости от конкретного природного ресурса они имеют определенные различия, поэтому цикл лучше всего можно описать на примере получения алюминия. Он включает в себя такие стадии:

1. Добыча бокситов.
2. Обогащение при помощи грохочения или промывки. Так происходит увеличение концентрации алюминия в руде.
3. Изготовление глинозема.
4. Выплавка металла.
5. Производство алюминиевых болванок.

Металлургия в Южном регионе России

На Юге страны за счет реализации крупных строительных проектов просматривается тенденция наращивания мощностей металлургической отрасли, ее развитие более уверенно, чем в других регионах. Конечно, масштабы отрасли несравнимы с Уралом и Сибирью, но, несмотря на аграрную направленность экономики региона, в Краснодарском крае, Ростовской области почти на полную мощность работают металлургические комбинаты. Это вызвано, в первую очередь, растущей потребностью внутреннего рынка и жесткой конкуренцией с зарубежными производителями, особенно в сегментах арматурного проката.

В южных районах заметно активизировалось промышленное строительство за счет коммерческих инвестиций, вводятся новые мощности агропромышленного комплекса, растут заказы со стороны топливно-энергетического комплекса. Все это способствует росту спроса на металлоконструкции, подстегивает металлургическую отрасль к наращиванию объемов.

Стабильно работают металлургические предприятия в Нижнем Новгороде, Волгоградской области, маломощные сталелитейные заводы в Самарской, Саратовской областях. Ассортимент выпускаемой продукции разнообразен: листовой, многопрофильный фасонный прокат, трубное производство, порошковая металлургия.

Металлургические гиганты Волгоградской области, выпускающие трубную продукцию, обеспечивают четверть экспорта всех российских труб, а производители специального металлопроката около 30% нержавеющей стали разных марок во многие страны мира.

Близость морских портов Новороссийска открывает широкие возможности для экспорта металлургической продукции, в том числе вторично переработанного металла.

Характерные черты отрасли

Функциональные характеристики цветной металлургии обусловлены следующими ее отличительными чертами:

• Цветная металлургия имеет наибольшее потребление сырья и материалов среди прочих промышленных производств. Для обеспечения ее работы требуются значительные объемы сырья. В основном для переработки используется руда с низким содержанием ценных компонентов (от 0,3–0,5 до 2,1%). Исключение составляет обработка бокситов для создания алюминия.
• Эта отрасль имеет самые значительные показатели электро- и топливопотребления. Самыми энергопотребляемыми отраслями является индустрия свинца, меди, никеля и кобальта.
• Для обеспечения бесперебойной работы предприятия цветной металлургии требуется большое число трудовых ресурсов, т. е. эта отрасль, в том числе, трудоемкая.

Добыча цветной металлургии это тяжелый трудозатратный процесс

• Предприятия этой производственной сферы в основном занимаются переработкой полиметаллических руд.
• Эта отрасль промышленности состоит из нескольких обязательных стадий. К ним относят этапы добычи рудного сырья, его обогащению, металлургический передел, дальнейшую переработку полученного металла. Только прохождение всех перечисленных этапов составляет полный производственный процесс (цикл).
• Предприятия отрасли цветной металлургии располагаются по географическому принципу в зависимости от месторасположения полезных ископаемых. В этом случае природно-сырьевой фактор служит решающим.
• Цветная металлургия считается одной из самых опасных в индустрии для окружающей среды. Ее деятельность связана с постоянными выбросами больших объемов отравляющих веществ.

Цветная металлургия

Виды легких цветных металлов

Цветные металлы широко распространены в природе, отличаются прочностью, малой плотностью и высокой химической активностью. Добывать их начали еще в XIX в. Получают их посредством электролиза солей в расплавленном виде, электро- и металлотермии. Многие легкие цветные металлы применяют для производства сплавов.

Ниже рассмотрим виды легких цветных металлов.

Алюминий.

Металл серебристого цвета с низкой плотностью и высокой прочностью, точка плавления – около +700 °С. В промышленности его используют в составе сплавов. Его без труда можно резать, пилить, сверлить, варить и гнуть.

Обычно его используют для образования сплавов с металлами, имеющими различные свойства, например, с медью, никелем, магнием и кремнием. Такие соединения очень прочные и стойкие к неблагоприятным погодным условиям. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Рекомендовано к прочтению

• Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
• Виды резки металла: промышленное применение
• Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

Магний.

Цвет металла – серебристо-белый, на поверхности имеется окисная пленка. Магний отличается малой плотностью, но при этом хорошо поддается обработке, стоек к воздействию горючих веществ, таких как бензин, керосин, минеральные масла, но растворяется в кислотах. Не магнитен. Характеризуется малой упругостью и низкими литейными свойствами. Неустойчив к коррозии.

Титан.

Немагнитный легкий металл серебристого цвета с голубым отливом. Имеет высокую прочность и устойчивость к коррозии. Среди недостатков можно выделить маленькую тепло- и электропроводность. При температуре свыше +400 °С титан утрачивает свои механические свойства, а при достижении +540 °С становится хрупким.

При соединении с такими металлами, как алюминий, марганец, хром, молибден и др., механические свойства титана увеличиваются. Такие сплавы отличаются друг от друга прочностью, в зависимости от легирующего металла. Титановые соединения широко востребованы в судо-, машино-, самолетостроении. Их используют в производстве ракетной техники, бытовых приборов и т.д.

Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют:

• руду;
• флюсы;
• топливо;
• огнеупорные материалы.

Промышленная руда – это природное минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько металлов в концентрациях, при которых экономически целесообразно их извлечение.

Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования шлаков – легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентратом и золой топлива.

Топливо – это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод; они применяются с целью получения при их сжигании тепловой энергии. В металлургических печах используют: кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают из коксующихся сортов каменного угля путём сухой перегонки при Т= 1000С.

Огнеупорные материалы – это материалы и изделия преимущественно на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580С. Их применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.

§ 22. ГЕОГРАФИЯ МЕТАЛЛУРГИИ МИРА

География цветной металлургии мира. Эта подотрасль является второй по значимости в структуре металлургической промышленности. Отличительные особенности цветной металлургии — наличие особых технологических циклов (рис. 156); экологические проблемы на разных технологических стадиях; дороговизна цветных металлов по сравнению с чёрными.

Роль отрасли в мировом хозяйстве определяется широкими областями применения цветных металлов — от электроэнергетики, общего машиностроения и химической промышленности до авиастроения (реактивных двигателей), ядерных реакторов, уникальных сплавов военного назначения.

На размещение отраслей цветной металлургии влияет комплекс факторов: сырьевой, энергетический, водный, потребительский, экологический и пр. Каждый вид производства характеризуется своим набором факторов. Однако в МГРТ сложилась специализация между группами стран: развивающиеся страны занимаются сырьевыми стадиями и производством первичных металлов, развитые — рафинированием и вторичными, прокатными стадиями.

По объёмам производства в структуре цветной металлургии ведущее место принадлежит алюминиевой промышленности (58 %), далее следуют медная (21), цинковая (15) и свинцовая (6 %).

Поразмышляем. Почему начиная с 70-х гг. ХХ в. началось перемещение металлургических предприятий из Западной Европы и США в Азиатский регион? Почему некоторые цветные металлы называют металлами ХХI в.?

В мире интересного. Самые дорогие столовые приборы Наполеона III были изготовлены из алюминия — нового и необычного в то время металла. Они подавались на торжественных обедах только императору и самым почётным гостям. Другие гости пользовались приборами из обычных золота и серебра.

География алюминиевой промышленности — ведущей подотрасли цветной металлургии — складывается из нескольких стадий, которые характеризуются различным размещением и определяют специализацию в международном географическом разделении труда (рис. 157).

Добыча бокситов сконцентрирована в небольшом количестве стран преимущественно Австралии и Океании, Америки и Азии. Она приурочена к крупнейшим бокситоносным месторождениям мира. Объём добычи бокситов в мире составляет 300 млн т, из них 27 % приходится на Австралию, 23 — Китай и 15 % — Гвинею. Производство глинозёма (продукта переработки бокситов для последующей выплавки алюминия) составляет 130 млн т. География практически совпадает с добычей бокситов, но концентрация размещения более высокая. В Китае представлено 55 % мирового производства глинозёма, в Австралии — 9 %. Большими объёмами производства в мировом масштабе выделяются также Бразилия и Индия. География выплавки первичного алюминия представлена в развитых и в развивающихся странах. При этом, как и в чёрной металлургии, наблюдается перенос производства в развивающиеся страны. В мире выплавляется 60 млн т первичного алюминия, в том числе в Китае — 53 %. Остальные страны-лидеры — Россия, Индия — имеют большой отрыв от Китая по объёмам производства (рис. 158).

Второе место по значимости в структуре цветной металлургии занимает медная промышленность. В мире добывается 21 млн т медной руды. География добычи сконцентрирована в Центральной и Южной Америке (54 %) и Азии (21 %). Ведущей страной мира по добыче медных руд остаётся Чили, доля которой в мире составляет 32 % (5,8 млн т). Далее следуют Перу (2,4) и Китай (1,6 млн т). В географии производства рафинированной меди произошли существенные изменения, где исторически ведущие места занимали развитые страны. В начале ХХІ в. производство стало быстрыми темпами развиваться в Китае, который в настоящее время выплавляет 8,9 млн т рафинированной меди, или 38 % мирового производства. Второе и третье места занимают Чили и Япония.

Третье место в структуре цветной металлургии принадлежит цинково-свинцовой промышленности. В мире добывается 12 млн т цинковых руд, из которых 38 % приходится на Китай. В международном разделении труда на добыче медных руд специализируются также Перу, Австралия, США. География производства рафинированного цинка представлена преимущественно развивающимися странами (Китай, Республика Корея, Индия). Из 13,2 млн т мирового производства 45 % приходится на Китай. По добыче свинцовых руд в мире лидируют три страны — Китай, Австралия и США. При этом из 4,6 млн т мировой добычи 50 % сконцентрировано в Китае. В географии производства рафинированного свинца в ХХІ в. сложились равные позиции лидерства между развивающимися странами (Китай, Республика Корея, Индия) и развитыми (США, Германия, Великобритания).

Поработаем с атласом. Проанализируйте географию запасов руд и производства цветных металлов. Сделайте выводы.

Производство отдельных видов

Производство меди

Получение подобного цветного металла происходит из медных руд. Его содержание в составе этих соединении составляет от 1 до 6%. При составе меди менее 1% ее извлечение при современном уровне развития технологии не представляется рентабельным.

Получение меди осуществляется двумя способами:

• гидрометаллургический;
• пирометаллургический.

Пирометаллургический метод добычи меди состоит из нескольких последовательных этапов:

• Подготовка руды к плавке посредством обогащения и дальнейшего обжига. Это позволяет получить концентрат меди.
• Последующий обжиг требуется для сокращения количества серы.
• Плавка на штейн. Путем плавки концентратов меди удается получить штейн или сульфиды меди и железа.

А также проводится конвертирование штейна. Этот этап заключается путем продувки воздухом внутри специального медеплавильного конвертера полученного штейна, что позволяет выделить железо в шлак и получить черновую медь.

И в заключение – рафинирование. Черновая медь подвергается действию огневого плавления и электролитического рафинирования, что позволяет в итоге получить продукт, чистота которого составляет 99,97–99,99%.

Производство алюминия

Получение алюминия происходит методом электролиза глинозема. Процесс включает несколько этапов.

Получение чистого глинозема или оксида алюминия. Этот процесс заключается в обработке бокситов (руд, содержащих металл) щелочными растворами. Результатом является выпадение в виде осадка гидроксида алюминия.

Получение криолита – его производство заключается в обработке плавикового шпата для получения плавиковой кислоты и дальнейшего выделения фторалюминиевой кислоты. Посредством соды криолит выделяется в виде осадка.

Электролиз глинозема – результатом этого процесса является получения алюминия-сырца.

Рафинирование – посредством продувки расплавленного сырца хлором добывается чистый алюминий.

Производство магния

Магний добывается посредством реакции электролиза. Сырьем служат расплавленные соли металла (карналлит, магнезит, доломит, бишофит). Основу электролита составляет хлористый магний. Дополнительно применяется хлористый натрий, кальций и калий.

После проведения реакции на аноде оседает черновой металл, имеющий до 5% примесей. Их удаление происходит посредство процесса рафинирования с использованием флюсов. Все неметаллические компоненты преобразуются в шлак, а чистый металл разливается в изложницы.

Производство титана

По своим качествам титан и его сплавы во многом превосходят легированные стали. Процесс производства титана затрудняется его повышенной активностью, особенно при повышении температуры.

Его особенностью является способность вступать в реакцию со множеством металлов, что требует соблюдения определенных условий для получения чистого титана.

Метод, применяемый для получения титана, называется магниетермия. Он состоит из следующих операций.

Выделение титанового концентрата путем обогащения руды, содержащей подобный металл.

Изготовление шлака – на этом этапе происходит отделение оксидов железа от оксидов титана.

Получение четыреххлористого титана – чтобы получить металлический титан, требуется применение хлорида титана, получаемый при хлорировании шлака.

Восстановление посредством магния – процесс восстановления протекает при очень высоких температурах – близких к 1 тыс. градусов. Реактор, где расплавляется магний, подается парообразный титан. При металлизации он оседает на стенках, а расплавленный магний удаляется через летку.

Сепарация массы в вакууме – полученный в результате предыдущего шага титан в виде губчатой массы требуется нагреть с использованием вакуума, что позволит выделить чистый металл.

Особенности сырья

Все цветные металлы обладают рядом особенностей, что должно учитываться при обработке или их использовании.

Ряд элементов имеют повышенную теплопроводность и удельную теплоемкость:

• медь;
• магний;
• алюминий.

При сварке место соединения быстро охлаждается, что потребует использования мощных источников, особенно тепла при сварочных работах.

Некоторые элементы при резком нагреве изменяют свои механические свойства. Наблюдается их снижение. При этом сам металл становится легко разрушаемым от ударов или иного механического воздействия.

Все цветные металлы легко вступают во взаимодействие с газами, кроме инертных. Эта особенность характерна для тугоплавких цветных металлов.

Лидирующие в производстве цветных металлов страны

Цветная металлургия подразделяется на две крупные отрасли: тяжелую (производство Pb, Cu, Zn, Sn, Ni) и легкую (производство Al, Mg, Co, Ti, Li, Be и других металлов). По своим производственным масштабам металлургия черных металлов превосходит цветные приблизительно в 20 раз.

Другие факторы, влияющие на локализацию заводов цветной металлургии:

• энергетический;
• потребительский;
• транспортный.

Начальные производственные стадии меди, подразумевающие добычу и обогащение руды, локализованы в странах третьего мира. Государства, не обладающие большими медными запасами, ориентированы на окончательные продукты производственного цикла.

Лидирующие позиции в получении меди занимают следующие страны:

• Чили;
• США;
• Индонезия;
• Канада;
• Россия.

Перевозка алюминиевой руды более рентабельна, чем сырья для тяжелых металлов, поскольку содержание алюминия в бокситах составляет около 50%. Суммарное расстояние транспортировки бокситов по морю составляет больше 7 тыс. км, поскольку основные их месторождения расположены в регионах с тропическим и субтропическим климатом.

Государства, добывающие самые большие объемы алюминиевой руды:

• Австралия;
• Гвинея;
• Ямайка;
• Бразилия.

В алюминиевом производстве первенство занимают США, Германия, Япония, Норвегия, Россия, Канада.