Багров Н.М., Г.А. Трофимов, В.А. Андреев В.В. Основы отраслевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

По толлинговым схемам в России работало 11 алюминие-

вых заводов. В целом, толлинг также применялся и в других про-

изводствах цветной металлургии. В России с применением тол-

линга работало около половины производственных мощностей

легкой и химической промышленности, цинковой и медной отрас-

лей цветной металлургии.

Особенностью экспорта цветных металлов из России

является их неполная обработка, о чем свидетельствует резкое

снижение выпуска проката и структура экспорта – 80% прихо-

дится на первичные металлы и лишь 20% – на прокат и метал-

лоизделия. Это связано с тем, что качество отечественного про-

ката уступает требованиям международного рынка, а внутрен-

ние цены по мере обработки металла растут быстрее, чем при

аналогичной обработке за рубежом, т.е. технологическая себе-

стоимость в России выше зарубежной. Это объясняется высокой

долей амортизации оборудования и использованием устарев-

ших технологий.

Рассмотрим свойства и производство наиболее часто

применяемых металлов.

3.3.2. Медь и ее сплавы. Медь, свойства и примене-

ние. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее

применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны

человечеству с доисторических времен, когда они были единст-

венным металлом, из которого изготовлялись оружие и орудия

труда (бронзовый век).

Медь имеет красновато-розовый цвет, химически мало

активна, обладает высокой коррозионной стойкостью в атмо-

сферных условиях и в парах воды. Характерными физическими

свойствами меди являются ее высокие тепло- и электропровод-

ность. По электропроводности медь занимает первое место

среди других технических металлов. Медь – очень пластичный

металл, но имеет невысокую механическую прочность.

Основная часть меди идет на приготовление сплавов и

легирование других металлов. Значительная часть меди идет

на изготовление электропроводов и используется в электро-

энергетике, в радиоэлектронике и приборостроении, однако,

как показывает график (рис. 3.9), большая часть меди в на-

стоящее время поступает на экспорт в виде рафинированной,

т.е. чистой меди.

http://www.tolling.ru/

рис. 3.9 Динамика производства, внутреннего

потребления и экспорта меди в 1991–2007 г. По методике

ОКВЭД в расчет не вошли: производство электронного и электрооборудова-

ния (рост: 45–151%), производство транспортных средств (рост38,7-63,2%)

см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф

На графике видно, как по мере падения выпуска продук-

ции машиностроения снижается внутреннее потребление меди

и увеличивается ее экспорт.

Согласно ГОСТу 859-78 товарная медь выпускается с

содержанием меди от 99,0% (М4) до 99,99% (М00).

Сплавы меди. Структура сплавов, свойства, при-

менение. Обладая замечательными свойствами, медь, в то же

время, как конструкционный материал не удовлетворяет требо-

ваниям машиностроения, поэтому ее легируют, т.е. вводят в ее

состав такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и др.,

за счет чего улучшаются ее механические и технологические

свойства. Наиболее широко используются латуни, бронзы и

медно-никелевые сплавы.

Латунями называются сплавы меди с цинком. Разли-

чают двухкомпонентные латуни и специальные, в которые до-

полнительно введены другие легирующие элементы. Цинк по-

вышает прочность и пластичность меди, но в определенных

пределах содержания цинка.

Максимальной пластичностью обладает латунь, содер-

жащая 40% цинка. Основная масса латуни идет на изготовле-

ние катанного полуфабриката: полос, труб, проволоки и раз-

личных профилей. Латунь обрабатывается в холодном состоя-

нии. Она дешевле меди. В обозначении марок латуней приня-

та буквенно-цифровая система: первая буква "Л" – означает

«латунь», затем – перечень символов, входящих в сплав ком-

понентов, затем – их процентное содержание. Первая цифра

указывает на содержание меди, остальные – на содержание

других легирующих элементов. Содержание цинка в обозначе-

нии марки не указывается – для того чтобы его определить,

необходимо от 100% вычесть процентное содержание меди и

других химических элементов, входящих в данную латунь. На-

пример: томпак Л90 – это латунь, содержащая 90% меди, ос-

тальное – цинк; латунь алюминиевая ЛА77-2 содержит 77%

меди, 2% алюминия, остальное – цинк; латунь ЛАНКМц75-2-

2,5-0,5-0,5 содержит 75% меди, 2% алюминия, 2,5% никеля,

0,5% кремния, 0,5% марганца, остальное – цинк.

По сравнению с медью латуни обладают большей проч-

ностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабаты-

ваются литьем, давлением и резанием. По технологическому

назначению их подразделяют на обрабатываемые давлением и

литейные.

Бронзы (название произошло от королевства Бурунди

в Италии, откуда в древности поставлялась медь в Европу) –

сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием, свин-

цом, хромом и с другими элементами. Как и латуни, бронзы под-

разделяются на литейные и деформируемые. Марка бронзы со-

стоит из букв "Бр.", после них – символы компонентов, затем их

процентное содержание. Например, Бр. А7– бронза с содержани-

ем алюминия 7% (старые монеты), Бр.ОЦС4–4–2 содержит 4, 4

и 2% олова, цинка и свинца. Бронзы подразделяются на оловя-

нистые – на основе олова и безоловянистые – сплавы с други-

ми металлами. Некоторые типы бронз хорошо обрабатываются

давлением и резанием. Бронзы применяются при изготовлении

антифрикционных деталей (вкладышей подшипников скольже-

ния), арматуры, работающей в пресной воде, жидком топливе и

паре при температурах до 250°С; используются в химической и

пищевой промышленности. Оловянистые бронзы хорошо льются

и применяются в художественном литье.

Медно-никелевые сплавы маркируются буквой М,

затем – по легирующим элементам аналогично бронзам. Напри-

мер, мельхиор МНЖМц 30–08–1 содержит 30% никеля, 0,8%

железа, 1% марганца. Он имеет высокую коррозионную стой-

кость, применяется для теплообменных аппаратов, работающих

в морской воде, и для украшений.

Константан МНМц40–1,5 – имеет большое электриче-

ское сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в

реостатах, электроизмерительных приборах.

Монель-металл НМЖМц29–2,5–1,5 – сплав на основе

меди с высоким содержанием никеля, отличается высокой кор-

розионной стойкостью в агрессивных средах, широко применя-

ется в судостроении, электротехнике и других отраслях про-

мышленности.

Общая схема получения меди (рис. 3.10). Медные ру-

ды представляют собой различные сернистые соединения. На-

ряду с медью они содержат никель, цинк, свинец, золото, сереб-

ро и другие металлы. Медь из руды получают преимущественно

пирометаллургическим (с применением высоких температур)

способом.

Технологическая система получения меди состоит из

процессов:

1. Обогащение руды методом флотации, основанном на

различной смачиваемости соединений меди и пустой породы.

Размельченная руда помещается в суспензию с флотационным

агентом, например, пихтовым маслом, который создает пленку

на поверхности рудных частичек. При продувке воздухом обра-

зуемые пленкой пузырьки собираются на поверхности руды и

увлекают ее наверх в виде пены. Пустая порода, которая не

смачивается маслом, опускается на дно. Собранная и высушен-

ная пена – концентрат содержит до 30% меди.

2. Концентрат обжигается, в результате получается сер-

нистый газ, который идет на получение серной кислоты, и

обожженный медный концентрат. Обожженный концентрат пе-

реплавляется в отражательных печах с получением медного

штейна – продукта, состоящего из меди и сульфидов железа.

3. Штейн продувается в конвертерах кислородом с полу-

чением черновой меди, содержащей 1,5% примесей. При про-

дувке в присутствии кварцевого песка сульфиды железа пере-

ходят в окись железа и уходят в шлак, а получающийся серни-

стый газ также идет на приготовление серной кислоты.

4. Очистка (рафинирование) черновой меди осуществ-

ляется огневым или электролитическим методом. При огневом

методе в расплав меди кладутся деревянные (осиновые) жерди

и пропускается воздух. Кислород воздуха в присутствии жердей

окисляет и выводит примеси.

При электролитическом методе черновая медь устанав-

ливается в качестве анода, катодом служат медные листы. При

пропускании тока анод растворяется, и медь оседает на катоде

–

на дне. За 10 дней получается лист меди весом 60-90 кг. При

этом примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама. Иногда в

шламе содержится до 35% серебра, 6% селена, 1% золота. По-

этому шламы обычно перерабатывают для получения этих эле-

ментов.

Как видно из схемы получения меди, ее производство

сопряжено с высокими затратами энергии и экологически вред-

но.

3.3.3. Алюминий и его сплавы: свойства, производ-

ство и применение. Алюминий сравнительно молодой металл.

Название его происходит от латинского слова alumen – так 500

лет до н.э. называли алюминиевые квасцы, которые использо-

вались для протравливания при крашении тканей и дубления

кож.

Алюминий как элемент был открыт в 1825 г., когда были получены

первые небольшие комочки этого металла. Начало его промыш-

ленного освоения относится к концу XIX столетия – после откры-

тия технологии его получения путем электролиза глинозема, рас-

творенного в расплавленном криолите. Этот принцип лежит и в

основе современного промышленного извлечения алюминия из

глинозема во всех странах мира.

Рис. 3.10. Блок-схема технологического процесса

производства меди

В России над технологией получения алюминия во вто-

рой половине прошлого века работал известный ученый-химик

Н.Н. Бекетов, трудами которого воспользовались немцы, по-

строившие первый алюминиевый завод в Гмелингине. Первый

алюминиевый завод в нашей стране был пущен в эксплуата-

цию в 1932 г. на базе Волховской гидроэлектростанции. Строи-

тельство Днепрогэса позволило запустить в 1933 г. второй

Руда

Обогащение методом флотации

Плавка на штейн

Конвертирование

в заготовки на

Огневое рафинирование

Электролитическое ра-

финирование

Катодная медь

Переработка

на Ag и Au

Шлам

зы

Газы

зы

Конце

трат

Штейн

Черновая

медь

Шлак

Пустая по-

рода

Медь 99,0

99,5%

алюминиевый завод. Развитие электроэнергетического ком-

плекса в 60-70 гг. позволило построить большое количество

мощных алюминиевых заводов и занять ведущее место на ми-

ровом рыке алюминия.

Алюминий представляет собой серебристо-белый пла-

стичный металл. В воздушной среде он быстро покрывается

окисной пленкой, которая защищает его от коррозии. Алюминий

химически стоек против азотной и органических кислот, но раз-

рушается щелочами, а также соляной и серной кислотами. Важ-

нейшее свойство алюминия – небольшая плотность, он в три

раза легче железа. Механические свойства алюминия невысоки:

сопротивление на разрыв – 5–9 кгс/мм

, относительное удлине-

ние – 25–45%. Высокая пластичность (достигается отжигом при

температурах 350–410°С) этого металла позволяет прокатывать

его в очень тонкие листы, например, фольга может иметь тол-

щину до 0,005 мм. Алюминий хорошо сваривается, однако тру-

дно обрабатывается резанием. Для повышения прочности в

алюминий вводят кремний, марганец, медь и другие компонен-

ты. Значительные природные запасы алюминия, его небольшая

плотность, высокие антикоррозионные свойства и хорошая

электропроводность способствовали широкому распростране-

нию этого металла в различных отраслях техники. Алюминий и

его сплавы применяются в самолето- и машиностроении, при

строительстве зданий и линий электропередач, во многих от-

раслях промышленности. Из него изготовляют различные емко-

сти и арматуру для химической промышленности, в пищевой

промышленности применяется упаковочная фольга из алюми-

ния и его сплавов (для обертки кондитерских и молочных изде-

лий). Широкое признание получила алюминиевая посуда. Алю-

миний хорошо подвергается различным тонким покрытиям и ок-

раске, поэтому его используют и как декоративный материал.

Алюминий всех марок содержит более 99% чистого

алюминия. В зависимости от химического состава он подраз-

деляется на алюминий особой, высокой и технической чисто-

ты, обозначается буквой А и цифрой, показывающей десятые

и сотые доли процента после 99%, например, А85 – содержит

99,85% алюминия.

Алюминиевые сплавы. Так как прочность алюминия

очень незначительна, то в качестве конструкционных материа-

лов применяют его сплавы. Сплавы подразделяются на дефор-

мируемые – в основном, дюралюминий и литейные – главным

образом силумин.

Дюралюминий, дюраль (от нем. Düren – город, где

впервые было начато промышленное производство сплава) –

сплав алюминия с медью (2,2–5,2%), магнием (2–2,7%) и мар-

ганцем (0,2–1,0%). Его подвергают закалке в воде после нагре-

ва до температуры около 500 °С и упрочняющему старению. По

своим механическим свойствам он приближается к среднеугле-

родистым сталям. Применяется, главным образом, в виде раз-

личного проката – листы, уголок, трубы и т.д. Как конструкцион-

ный материал он используется для транспортного и авиационно-

го машиностроения.

Силуми н – сплав алюминия и кремния, обладает хо-

рошими литейными свойствами, мягкий, применяется для изго-

товления неответственных деталей методом литья и давления.

Кроме алюминия (основа) и кремния (10–13%) в этот сплав вхо-

дят: железо – 0,2–0,7%, марганец – 0,05–0,5%, кальций – 0,07–

0,2%, титан – 0,05–0,2%, медь – 0,03% и цинк – 0,08%. Могут

использоваться также сплавы алюминия с цинком, магнием и

т.д.

Производство алюминия. Производство алюминия –

сложный технологический процесс. В свободном виде алюми-

ний, вследствие своей активности, не встречается. Его получают

из минералов – бокситов, нефелинов и алунитов, при этом сна-

чала производят глинозем, а затем из глинозема путем электро-

лиза получают алюминий. Технологическая схема производства

алюминия состоит из процессов:

1. Получение глинозема Al

путем выщелачивания

концентрированным раствором щелочи измельченного боксита

и его последующего прокаливания.

2. Растворение глинозема в расплаве криолита (Na

AlF

)

и его электролиз в ванне с угольным анодом и покрытым уголь-

ными блоками катодом (рис. 3.11). Катионы алюминия нейтра-

лизуются на катоде и выпадают в расплав. На производство 1 т

алюминия уходит 17–18 тыс. кВт электроэнергии.

Рис. 3.11. Схема электролизера

для производства алюминия

1 – катодные угольные бло

ки;

2 –

огнеупорная футеровка;

3 – стальной кожух; 4 – уголь-

ные плиты; 5 – жидкий алюми-

ний; 6 –

металлические

стержни с шинами; 7 – уголь-

ный анод; 8 – глинозем; 9 –

жидкий элект

ролит (раствор

глинозема в расплаве криоли-

та); 10 –

корка затвердевшего

электролита; 11 –

катодная

токоподводящая шина; 12 –

фундамент

3. Электролитическое рафинирование, аналогичное ра-

финированию меди, где анодом являются алюминиевые блоки.

Алюминий всех марок содержит более 99% алюминия.

Состояние отрасли. Алюминиевая промышленность

является одной из немногих отраслей, которые восстановили и

перешагнули уровень дореформенного выпуска продукции

(рис. 3.12) – в 2007 г. выпуск алюминия превысил дореформен-

ный уровень более чем на 30%. Сдерживающим фактором уве-

личения выпуска алюминия можно считать недостаток освоен-

ных месторождений алюминиевых руд и получения высококаче-

ственных концентратов. Успешное развитие отрасли можно

объяснить двумя факторами – своевременной переориентацией

отрасли на внешний рынок и сложившимся дешевым относи-

тельно мировых цен уровнем стоимости электроэнергии. На экс-

порт поступает, в основном, первичный, не прошедший обработ-

ку алюминий – в 2007 г. экспорт необработанного алюминия со-

ставил 3352 тыс. т (более 90% выпуска).

3.3.4. Титан: свойства и применение. Титан – серебри-

сто-белый металл. Его коррозийная стойкость выше нержавею-

щей стали за счет оксидной пленки (аналогично алюминию). Аб-

солютно стоек в морской воде и атмосферных условиях, во мно-

гих кислотах, но реагирует с плавиковой кислотой. Легкий ме-

талл,

тугоплавкий, высоко пластичен, хорошо обрабатывается давле-

нием, плохо резанием, обладает высокой прочностью.

Рис. 3.12. Динамика производства, экспорта и внутреннего потребления

алюминия, тыс. т. в 1990-2007 гг.

см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф