Производство металлов
Среди факторов, определяющих возможность и целесообразность практического использования метало и их сплавов, важнейшим является стоимость. Стоимость, в свою очередь, зависит от распространенности металлов в природе, химической устойчивости, определяющей способ производства, масштаба производства, степени совершенства технологии производства, степени совершенства технологии производства, хозяйственной и политической ситуации.
Основным источником добычи металла является земная кора - литосфера.
В таблице 1 приведены данные о содержании в земной коре на глубине до 1 км металлов, которые являются основой сплавов, применяемых в художественном литье. Для сравнения укажем, что массовая доля кислорода в литосфере составляет 46,6 %, кремния - 27,7 %, платины - 5 * 10 -8%.
Таблица 1. Содержание металлов в земной коре.
| Металл | Массовая доля, % | Металл | Массовая доля, % | Металл | Массовая доля, % |
| Алюминий | 8,0 | Медь | 0,01 | Серебро | 0,00001 |
| Железо | 5,0 | Олово | 0,004 | Золото | 0,0000005 |
| Магний | 2,1 | Цинк | 0,004 | - | - |
| Титан | 0,6 | Свинец | 0,0016 | - | - |
Однако в таблице приведены усредненные по всей земной коры цифры, в то время как для практических целей важно знать степень рассеянности элементов. Она оценивается числом минералов, в которые входит металл. Чем меньше это число, тем выше степень рассеянности. Объем переработки пустой породы при добычи, а значит, и стоимость металла тем больше, чем меньше он распространен и локализован.
Существует зависимость между числом минералов и распространенностью всех элементов таблицы Менделеева. Зависимость имеет две области - локализованных (А) и рассеянных (Б) элементов. Стоимость получения химически чистого металла определяется его химической активностью и может быть оценена по энтальпии его наиболее устойчивого оксида. Энтальпия характеризует изменение внутренней энергии вещества при различных преобразованиях, и в том числе при образовании оксида металла, и соответствует энергозатратам, необходимым для его разрушения.
Можно выделить четыре группы способов производства металлов.
Физические свойства. Простейшим из них является прямое извлечение из природных источников. Примером может служить добыча самородного золота. Некоторые металлы (платину, мышьяк и др.) получают разложением природных соединений при нагревании. Физические способы - наиболее дешевые. Они приемлемы для металлов и соединений, имеющих очень низкую отрицательную энтальпию.
Восстановление неметаллами. Как правило, реакции восстановления идут при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют углерод или оксид углерода (для железа, олова и др.), сернистый газ или сульфиды (для меди, ниобия и др.) или водород (для вольфрама, молибдена, рения и др.). способ пригоден дл поучения металлов со сравнительно невысокой энтальпией оксидов и обходиться дороже, чем предыдущий.
Электролиз. Электролиз в водных растворах (меди, хрома, висмута и др.) или в расплавах солей (алюминия, магния и др.) применяется для получения химически активных металлов и стоит еще дороже.
Восстановление металлами (металлотермия). Это способ требует предварительного получения химически чистых метало - восстановителей. Металл восстанавливают из оксидов (титан, бериллий и др.). Это самый дорогой способ.
Общий объем производства металлов изменяется из года в год, но соотношение объемов производства разных металлов остается примерно одинаковым. Так, годовые объемы производства железа (точнее, его сплавов - стали и чугуна) в промышленно развитых странах изменяются миллиардами тонн, алюминия и меди - десятками миллионов, цинка, свинца и хрома - миллионами тонн, никеля, магния и олова - сотнями тысяч тонн, титана, кобальта и кадмия - десятками тысяч тонн, золота и ртути - тысячами тонн, платины - сотнями тонн, рения - десятками тонн.
Металлы, так или иначе используемый в художественном литье, можно разделить по стоимости следующим образом:
дешевые - алюминий, железо, магний, медь, свинец, цинк;
недорогие - (в 2-10 раз дороже дешевых) - титан, никель, хром, кадмий, сурьма;
дорогие - ( в 10 - 100 раз дороже дешевых) - вольфрам, ванадий, кобальт, молибден, ниобий, олово, ртуть, цирконий;
дорогостоящие - ( в 100- 1000 раз дороже дешевых) - серебро, бериллий, тантал;
драгоценные - ( в 1000 - 10 000 раз дороже дешевых) - золото, платина, рений, осмий, иридий.
С течением времени цены на металл меняются под влиянием двух противоположных тенденций - удешевления производства, связанного с техническим прогрессом, и удорожанием сырья и энергии вследствие исчерпания доступных запасов.
После распада Советского Союза нарушение экономических связей между регионами поставило ценообразование в прямую зависимость от политических и социально-экономических факторов.
Минеральные ресурсы
Минеральные ресурсы, созданные в недрах и на поверхности Земли, с древних времен широко использовались человечеством, поэтому получили название полезные ископаемые Первые мероприятия по охране полезных ископаемых начали в принимать еще в XVI в в Швейцарии, где в 1569 г. был создан первый заповедник по охране недр Промышленное использование каменного угля началось в 1800 г, нефти - в 1857 г, горючего газа - в 1881 г Кроме собственно ископаемых (твердых, жидких, газообразных), человечество использует химические и другие вещества из озер и заливов, океанов, поверхности Земли и с атмосфермосфери.
Итак, к минеральным ресурсам относятся природные вещества минерального происхождения, используемые для получения энергии и различных материалов путем их добычи и последующей переработки, а са аме
- строительные материалы и сырье для них, которые добываются из неживой природы;
- различные виды топлива (уголь, торф, нефть, природный газ, уран и т.д.);
- материалы для производства машин, орудий и предметов быта (металлы, глина, песок);
- сырье для химической промышленности;
- продукты питания (минеральная вода, пищевая соль) Подавляющее большинство полезных ископаемых образовалась в прошлые геологические эпохи, поэтому сейчас они не воспроизводятся Определенную способность к воспроизводству имеют то орф, отложения солей в озерах и морских заливах, современные донные отложения речного песка и гравия Из них только торф воспроизводится за счет фотосинтеза и минеральных веществ воды, а некоторые донные в идкладення - за счет трупов растительных и животных организмов Другие полезные ископаемые восстанавливаются за счет разрушения горных пород и переотложения образованного материала Скорость воспроизведения к орисних ископаемых небольшая, особенно с учетом интенсивности их использования Таким образом, полезные ископаемые не имеют способности к самовосстановлению, как это характерно для организмов, и относятся к типов их исчерпывающие ресурсесурсів.
Минеральные ресурсы включают чрезвычайно широкий круг природных веществ минерального происхождения С их добычей связаны различные экологические осложнения - от исчерпаемости отдельных месторождений и нарушений при иродних экосистем к серьезным загрязнениям окружающей среды Несмотря на многообразие химического состава, физического строения, происхождения, способов добычи и переработки, а также возможных направлений в иробничого использования, все минеральные ресурсы имеют следующие общие чертыи:
- невидновнисть практически всех видов полезных ископаемых (за исключением торфов, аллювиальных наносов, продуктов выветривания);
- неравномерность и ограниченность территориального распространения отдельных видов ресурсов - одни их виды могут быть размещены практически везде, другие (их большинство) - только в отдельных точках планеты;
- стабильность использования во времени Поскольку в каждом случае речь идет о добыче уже сформированных запасов того или иного минерального ресурса, общая естественная ситуация мало влияет на ритм разрабо ки, а годовые и сезонные колебания добычи сырья определяются почти исключительно экономическими факторами;
- однозначность использования Независимо от направления дальнейшей переработки и конечного потребления каждый вид минеральных ресурсов прежде всего должна быть добытым, т.е. удаленным из своего естественного окружат ния, и только тогда он становится предметом труда Все последующие этапы комплексного использования этих ресурсов находятся за пределами понятия \"минеральные ресурсы\" и составляют варианты утилизации полученной сыр овинної сировини.
При изучении минеральных ресурсов исследуют месторождения полезных ископаемых, которые понимают как участок земной коры, где по тем или иным геологических процессов произошло накопление минерального сырья ини, по количеству, качеству и условиям залегания пригодного для промышленного использования Важное место в оценке хозяйственного значения конкретных минеральных ресурсов занимает определение запасов кор исних ископаемых, т.е. количества минерального вещества в недрах на конкретной территории (например, в государстве, природном или административном регионе, хозяйстве, месторождении т.д.) Запасы оцениваются в кило граммах (благородные металлы), каратах (драгоценные камни), тоннах (руды металлов, химическое сырье) или кубометрах (строительные материалыи).
Минеральных ресурсов насчитывается более 200 видов Учитывая это разнообразие, их делят на следующие группы:
- горючие полезные ископаемые (топливные и энергохимические) - газообразные (природный газ); жидкие (нефть, конденсат) твердые вещества (уголь, торф, горючие сланцы);
- металлические полезные ископаемые (рудные) - это черные металлы (железо, марганец, хром); цветные металлы (алюминий, магний, мышьяк, медь, никель, свинец, титан, цинк); редкие металлы (бериллий, ванадий, Висма мут, вольфрам, цезий и др.); благородные металлы (золото, иридий, палладий, платина, серебро); рассеянные металлы (германий, селен, таллий, теллур) редкоземельные металлы (европий, иттрий, лантан) радиоактивных ни металлы (торий, уран);
- неметаллические полезные ископаемые (нерудные) - сырье для металлургии (огнеупорные глины, флюсовый каолин, песок); Горнохимическое сырье (йод, мел, самородная сера, апатит) горнорудное сырье (аз збест, графит, озокерит) сырье строительная (каолин, известняк, гипс, глина, облицовочный камень и др.)
- воды (гидротермальные) - подземные (минеральные, пресные, промышленные, термальные) и поверхностные воды (рапа);
- Инертные газы - это компоненты воздуха, которые имеют отдельную хозяйственную ценность (аргон, гелий, криптон, неон)
Минеральные ресурсы являются главным источником материального производства общества Так, основой энергетики ныне энергетические, или топливные, ресурсы: уголь, нефть, природный газ, сланцы и т.д. Очень активно л человечество начало использовать эти ресурсы во второй половине XX вст.
Запасы минерально-сырьевых ресурсов, особенно находящихся в недрах, как уже отмечалось, не безграничны и почти невозобновляемые Прогнозы на перспективу о возможных запасы минерального сырья оцинюют ться специалистами достаточно неоднозначно Например, для развитых и развивающихся стран, начиная с 2000 г, запасов угля, железной, марганцевой и хромовой руд, фосфатного сырья и калийных солей при потреблении на современном уровне должно хватить еще на 100-300 лет Запасов полиметаллических руд содержащих никель, кобальт, вольфрам, молибден, медь, свинец, цинк, олово, а также асбеста, Самора рекордного серы остается только на 30-60 лет Если учесть прогнозные запасы, то время полного исчерпания минеральных ресурсов отодвигается на более длительный терминатермін.
Месторождения полезных ископаемых, как и природные ресурсы вообще, размещенные на планете весьма неравномерно Так, США, Канада, Австралия, Китай, Россия обладают крупнейшими запасами металлических полезных ископаемых В В странах Ближнего и Среднего Востока сосредоточено более половины запасов нефти мира В недрах развивающихся, находится 90% кобальта, около 90% олова, 75% бокситов, 60% меди Многие к РАМН имеют запасы мирового значения одного или нескольких видов полезных копалиалин.
Размеры нашей планеты и, соответственно, конечный объем ископаемых ресурсов предусматривают их неизбежную полнота Сроки полного истощения ресурсов зависят от их запасов и темпов использования Настоящие за Апас многих невозобновимых ресурсов еще не установлены Современная геологоразведочная техника способна достигать относительно небольших глубин земной поверхности сих пор лишь в рамках эксперимента пробурены несколько а скважин до глубины 15 км, а вообще освоенным является слой земной коры, который в среднем не превышает 2-3 км О составе и строении глубоких зон литосферы нам известно лишь на основе косвенных методов (сейсмо- и электроразведка, гравиметрия т.д.) Также остаются неисследованными огромные участки дна Мирового океана, в несколько раз превышают поверхность суши; лишь в некоторых местах начали осваивать конт инентальний шель шельф.
Использование и переработка минеральных ресурсов приводят к образованию отходов Они загрязняют окружающую среду, снижают ценность еще не использованных ресурсов Рациональное использование орг них ресурсов предполагает их комплексное освоение, применение в производстве энерго-и ресурсосберегающих технологий, активное внедрение оборотного (или повторного) использования ресурсов Во многих е кономично развитых странах последовательно реализуется именно такая политика глубоком утилизации (вторичному использованию) подлежат промышленные и бытовые отходы в Японии, странах Западной Европы и С ША Производство с использованием повторных ресурсов черных и цветных металлов, бумажно-картонных изделий, строительных материалов, стекла и т.п. дает значительную экономию минеральных, биологических ресурсов и е нергиергії.
Дальнейшая разработка некоторых видов сырья представляет угрозу для окружающей среды и даже существования человека Таким образом, проблема не только и даже не столько в физическом истощении известных в видов ресурсов, сколько в экономической и экологической нецелесообразности их добычи Важным условием сохранения полезных ископаемых является геологическая разведка с целью дальнейшего рационального освоения запасов си сырьем и топлива, включающийє:
- полное использование всех полезных компонентов из месторождений на базе (например, контурная обводнение нефтяных пластов для поднятия нефти, переход от шахтного способа добычи к открытому - карьеров, р разрезов и т.д.)
- комплексное использование многокомпонентных руд (например, в пустой породе, которая остается на отвалах меднорудных бассейнов, есть золото, серебро, кобальт и другие компоненты, стоимость которых превышает стоимость меди)
- утилизация отходов обогащения и сжигания полезных ископаемых (например, пылевидный пепел и шлаки, отвалы которых занимают огромные территории, могут быть сырьем для строительных работ);
- использование вторичных продуктов переработки минерального сырья (например, 1 т чугунного и стального лома сохраняет 3,5 т минерального сырья);
- поиск и освоение новых источников полезных ископаемых (например, известно, что океаническое дно на глубине более 1-2 тыс м сохраняет большие залежи минерального сырья, сконцентрированной в так называемых железо-мар рганцевих конкрециях По ориентировочным оценкам, они содержат 358 млрд т марганца, 207 млрд т железа, 40 млрд т никеля, 25 млрд т магния и др.н.;
- освоение новых энергетических ресурсов
27. АТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ РАСПЛАВОВ
| Изыскание новых материалов, более эффективных в техническом и экономическом отношениях, обладающих высокими физико-механическими свойствами (кислотостойкостью, водонепроницаемостью, сопротивляемостью истиранию и декоративными качествами), является важнейшей задачей промышленности строительных материалов. Одним из таких видов являются материалы, получаемые из минеральных расплавов. • Для минеральных расплавов общим признаком является их силикатная природа, т. е. преобладание в их составе силикатов. Именно силикатным расплавам присуща способность переходить при быстром охлаждении в стеклообразное состояние. Для стекла характерный признак — наличие ближнего порядка, т. е. существование упорядоченных групп, размер которых лишь немного превышает размер элементарной ячейки. Поэтому свойства стекла изотропны, т. е. одинаковы во всех направлениях. Вещество в стеклообразном состоянии гомогенно и не имеет определенной температуры плавления; постепенно размягчаясь при нагревании, стеклообразные вещества переходят в жидкое состояние. Характерным признаком стеклообразного состояния является также его неравномерность (метастабильность). Получение изделий из минеральных расплавов также базируется на едином комплексе технологических операций — плавлении исходного сырья, формовании и термической обработки изделий с целью получения требуемой микроструктуры и физико-химических свойств. Минеральные расплавы в зависимости от вида исходного сырья можно разделить на следующие группы: стеклянные, каменные и шлаковые. |
Стройматериалы из минеральных расплавов классифицируют по различным признакам. В зависимости от сырья они бывают стеклянные, каменные, шлаковые. По назначению выделяют стекло и изделия их него, теплоизоляционные материалы, изделия высокой прочности, стойкости к агрессивным средам. От способа производства различают материалы, получаемые прессованием, прокаткой, центробежным формованием, вытягиванием, литьем, выдуванием и другими способами. Это наиболее энергоемкие производства промышленности строительных материалов. Изделия из минеральных расплавов применяют в качестве светопрозрачных конструкций, для облицовки, технологического оборудования, эксплуатации в агрессивных средах.
Стекло - твердый, прозрачный, хрупкий материал с аморфной структурой, получаемый при охлаждении расплава неметаллических окислов. Промышленность выпускает листовое, строительное, архитектурно-декоративное, пеностекло, тарное, оптическое, электротехническое, кварцевое и другие виды стекла. В стеклообразное состояние способны переходить окислы кремния (SiO2), фосфора (Р2О5), бора (В2О5). От основного стеклообразующего окисла происходит и название стекла - силикатное, фосфатное, боратное.
Преимущественно производят силикатное стекло. Для его изготовления используют кварцевый песок, горный хрусталь каолин, полевые шпаты, глинозем, кальцинированную соду, сульфат натрия, известь, мел, доломит и различные добавки. Основными сырьевыми веществами являются кислотные (кремнезем, глинозем, окись бора), щелочные (окись калия, натрий, лития) и щелочноземельные окислы (свинца, стронция и др.) (табл. 2). Для окраски стекла применяют добавки марганца, кобальта, хрома, железа, меди, урана, золота, серебра и др., обесцвечивания (осветления) - селитру, окислы мышьяка, сурьмы. Непрозрачное стекло получают с добавками фтора, фосфора, олова.
Первичный этап производства стекла - подготовка сырья (рис. 24). Известняк, мел и другие виды сырья измельчают. Песок при необходимости обогащают промывкой, флотацией, магнитной сепарацией и высушивают. Подготовленные материалы дозируют взвешиванием, перемешивают в смесителях и получают шихту, которую загружают в печь пламенного или электрического тина. В последних удельный расход энергии в 2-3 раза меньше, чем в пламенных печах. Печи эксплуатируют при 1550-1600° и футерованы огнеупорным кирпичом. Из-за износа огнеупоров через 2-4 года печь останавливают на ремонт. В печах надевают шихту с выделением летучих компонентов, расплавляют соль, образуются силикаты натрия, калия, в которых растворяются зерна кварца. Это составляли сущность стеклообразования. Стекломассу освобождают от пузырьков газов вводом осветителей и охлаждают до необходимой рабочей вязкости, позволяющей формовать изделия методом вытягивания, проката, выдувания, отливки, прессования. В результате стекломассе придают определенную форму, которую закрепляет отжигам, закалкой, упрочнением (15-20 мин) в печах с температурой на 20° меньше, чем температура стекла. Происходит медленный переход стекла из пластического состояния в хрупкое. Это не ведет к растрескиванию стекла. Перед закалкой могут проводить механическую обработку стекла (шлифовка, полировка, обточка краев) на специальных станках с помощью абразивных материалов (кварцевого песка, корунда и др.). Более совершенная полировка стекла на поверхности расплава олова. Стекло из прокатной машины пропускают по поверхности расплавленного металла. Благодаря высокой температуре олова (около 1000°) исчезают вес неровности, а лента стекла получает абсолютно одинаковую толщину. После полировки стекло отжигают и закаляют. Закалку осуществляют нагревом стекла до пластического состояния в электропечах и резким равномерным охлаждением всей поверхности воздухом. При этом прочность, термостойкость повышается в 2,5-4 раза. Такое стекло применяют для остекления транспортных средств, изготовления дверей, перегородок зданий.
Таблица 2.Основной состав некоторых видов стекол
| Вид стекла | Состав, % | |||||||
| SiO2 | Al2O3 | CaO | Na2O | MgO | K2O | B2O5 | PbO | |
| Листовое | 71-73 | 1-2 | 7-10 | 14,0-15,2 | 3-4 | - | - | - |
| Трубы повышенной термостойкости | 63,5-68,0 | 3-15 | До 13,0 | 2-4 | 4,0 | 5,0 | 20,0 | - |
| Стеклянные блоки | 74,3 | 0,98 | 5,61 | 14,53 | 3,6 | 0,93 | - | - |
| Стекловолокно | 48-73 | 2-18 | 5-22 | 0,5-16,0 | 3,0-5,5 | до 0,5 | до 6,0 | |
| Пеностекло теплоизоляционное | 72-73 | 0,5-1,0 | 6,0-6,5 | 15,5-16,5 | 3,5-4,0 | - | - | - |
| Хрусталь | 55-77 | - | - | - | - | 10-13 | - | 30-35 |
| Оптическое | 47-65 | - | - | - | - | 6-8 | - | 45,0 |
| Сортовое посудное | 73-75 | - | 6-10 | 8-10 | до | до 3,0 | до 1,0 | - |
| Химически стойкое | 68-70 | 3-5 | 6-8 | 8-10 | 5-6 | 2-3 | - |
Упрочнение проводят также химическими и термохимическими методами. При этом стекло обрабатывают парами плавиковой кислоты или в разогретом состоянии опускают в нагретую кремний-органическую жидкость. Бесплатные купоны на сайте http://icoupons.ru/inostrannie-magaziny/yoox/
Листовое стекло получают методом вытягивания и проката. Оно бывает оконным, многослойным, зеркальным, полированным, узорчатым, армированным, волнистым, цветным и других видов.
Таким образом, процесс производства стекла состоит из подготовки сырьевых материалов, варки, формования изделий, отжита, механической обработки и закалки.
Из минеральных расплавов получают стеклокристаллические материалы - технические ситаллы и шлакоситаллы. Они представляют материал с частичной кристаллизацией стекломассы, с равномерно распределенными кристаллами (до 1 мк), соединенными тонкими прослойками остаточного стекла. Для этого в стекломассу вводят добавки-кристаллизаторы - окислы и соли различных металлов. Они создают очаги кристаллизации, ускоряют этот процесс и способствуют образованию мелкокристаллической структуры. Ситаллы изготавливают из чистых окислов, а шлакоситаллы с добавлением к ним в шихту доменных шлаков (50-65% от массы шихты). Шлаки могут быть гранулированными и огненно-жидкими. Применение расплавленных шлаков непосредственно из домны без дополнительного нагрева упрощает производственный процесс, экономит топливо и снижает производственные затраты. Это обусловливает целесообразность комбинирования производства чугуна и стекла.
Производство ситаллов состоит из тех же стадий, что и изготовление стекла. Ситаллы бывают прозрачными и различной окраски. Формование изделий проводят прокатом (листовые ситаллы) и прессованием (плитка и др.) Ситаллы имеют большой предел прочности (до 1500 МПа), высокую термостойкость (до 1100°), сопротивляемость истиранию, повышенную химическую стойкость, хорошие диэлектрические свойства. Ситаллы применяют в приборостроении, электронике, ракетной технике и т.д. Шлакоситаллы дешевле чистых ситаллов и находят более широкое применение. Их используют для антикоррозийного покрытия аппаратов, эксплуатируемых в агрессивных средах, изготовления труб, транспортирующих горячие, химические агрессивные жидкости, изоляторов, в строительстве как материал покрытий для пола, облицовки помещений, сооружения панелей, кровли, лестничных маршей, санитарно-технических изделий.
28. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ