Металлургия

Принципиальные схемы производства металлов

Металлургическим процессом называется получение металлов, сплавов, химических соединений металлов, а также металлосодержащих промежуточных продуктов.

Исходным сырьем для производства большинства металлов являются руды, для переработки которых разрабатывают технологическую схему металлургического передела, т.е. последовательность и оптимальные условия процессов, при которых достигаются наиболее высокие технико-экономические показатели по себестоимости и качеству металла.

Существуют сотни разнообразных технологических схем получения металлов, но принципиальная сущность всех схем одна – отделение металла от пустой породы и сопутствующих элементов. Весь комплекс операций, входящих в технологические схемы, целесообразно разделить на четыре стадии, в каждой из которых решается определенная задача:

• первая стадия – получение рудного концентрата механическими способами (дробление, измельчение, обогащение);
• вторая стадия – получение “химического” концентрата (обжиг, спекание-разложение, растворение, осаждение, плавка и пр.);
• третья стадия – получение “чернового” металла или его химического соединения (хлорирование, ректификация, экстракция, возгонка);
• четвертая стадия – получение чистого металла (химические и физические методы очистки).

На первой стадии процесса происходит отделение рудного минерала от пустой породы методами обогащения, в результате которых руда разделяется на две части: концентрат, куда переходит основное количество рудного минерала, и хвосты, состоящие главным образом из пустой породы.

На второй стадии схемы производят удаление оставшегося количества пустой породы химико-металлургическими методами. Итогом этой стадии является получение либо химического соединения данного металла, либо металлического сплава.

На третьей стадии в одних схемах получают «черновой металл (загрязненный примесями), в других – чистое химическое соединение металла, которое является исходным материалом для получения чистого металла на последней стадии.

На четвертой стадии получают чистый металл восстановлением соответствующего химического соединения или путем очистки «чернового» металла.

Получение металлов – задача трудная, и она существенно усложняется при переработке бедного или полиметаллического сырья. Наиболее сложные технологические схемы характерны для получения цветных металлов.

Уральская металлургическая база

Именно она является основной и, пожалуй, самой мощной по европейским и мировым показателям. Отличается большой концентрацией производства.

Наиглавнейшее значение в её истории имеет город Магнитогорск. Там находится известнейший металлургический комбинат. Это – старейшее и самое горячее «сердце» чёрной металлургии.

На нём добывается:

• 53% всего чугуна;
• 57% всей стали;
• 53% чёрных металлов от всех показателей, которые производились в бывшем СССР.

Такие производства размещают рядом с сырьём (Урал, Норильск) и энергетикой (Кузбасс, Восточная Сибирь). Сейчас Уральская металлургия находится в процессе модернизации и дальнейшего развития.

Ведущая отрасль тяжелой промышленности

Основу функционирования обрабатывающего производства по изготовлению разных машин составляет черная металлургия. Эта отрасль включает в себя получение сырья, подготовку топлива и дополнительные элементы для выпуска проката с продукцией последующей переработки металлов. К основной деятельности относятся:

• добыча, обогащение и агломерация железных, хромовых и марганцевых руд;
• выпуск стали, чугуна и прокатов;
• создание электроферросплавов;
• процесс переработки сплавов;
• коксование угля;
• производство огнеупорных компонентов;
• получение второстепенных элементов (магнезит, известняк и т. д. );
• выпуск промышленных изделий.

Главную деятельность предприятий составляют передельные работы, а остальные относятся к второстепенным, но имеющим не менее важное значение. Сегодня Россия занимает ведущую позицию в мире по степени насыщенности производства черных металлов

Металлургические заводы России выпускают большую часть мирового проката, стали и чугуна.

Основная масса крупных предприятий на географической карте находится в Сибирском и Уральском регионах. На этой территории насчитывается 7 комбинатов, которые производят 4/5 всей стали, 9/10 чугуна и более 4/5 проката. Ежегодно на этих предприятиях перерабатывается 2/5 металлолома и 9/10 железной руды.

На многих предприятиях применяется комбинированный метод производства, например, совместно с переделом осуществляется коксование угля.

В России практически весь кокс (95%) производится на металлургических предприятиях. Сегодня по своим характеристикам практически все крупные заводы представляют собой комбинаты металлургической и энергохимической деятельности.

В некоторых городах России расположены небольшие заводы, которые занимаются передельной деятельностью без производства чугуна. Существуют и небольшие цеха, которые выпускают сталь и прокат непосредственно на машиностроительных заводах. Если рассматривать все виды индустрии, то черная металлургия с полным циклом производства является главным фактором для районообразования.

Центры чёрной металлургии в России

Прежде всего, следует помнить, что Россия по уровню плотности производства чёрного металла всегда являлась и сегодня является абсолютным лидером. И это первенство без права передачи другим государствам. Наша страна здесь уверенно удерживает свои позиции.

Ведущие заводы представляют собой, по сути, металлургическо-энергохимические комбинаты. Назовём самые главные центры чёрной металлургии в России:

• Урал с добычей железа и руды;
• Кузбасс с добычей угля;
• Новокузнецк;
• Местонахождения КМА;
• Череповец.

Металлургическая карта страны структурно делится на три основные группы. Они изучаются в школе и являются базовыми знаниями современного культурного человека. Это:

Цветные металлы

К основной деятельности предприятий относятся получение сырья, обогащение, передел руд цветных, благородных и редких металлов, добыча алмазов. Все функционирование индустрии направлено на выпуск качественных и высокотехнологичных материалов.

Достигается это за счет применения на производстве современных разработок науки и техники. Список металлов, выпускаемых в цветной индустрии, разделяется на классы:

1. Основные — тяжелые (олово, свинец, медь и т. д. ); легкие (натрий, калий, алюминий и др.); малые (кадмий, мышьяк).
2. Легирующие — вольфрам, молибден, тантал.
3. Благородные — золото, серебро, платина с платиноидами.
4. Редкие — цирконий, галлий, таллий и др.

В Российской Федерации находится самая разнообразная структура цветной индустрии. К ней относятся основные отрасли, которые выпускают медь, алюминий и редкие металлы. В перспективе развития деятельности предприятий основной упор ставится на создание безотходного производства.

Поэтому сейчас уделяется большое внимание расширению комбинированной технологии. Так, многие компании, помимо основной продукции, стали выпускать сопутствующие строительные и химические материалы

В отличие от черной, цветная промышленность обладает большой материалоемкостью, поэтому она в основном располагается на сырьевой базе.

Эффективность комбинирования процесса производства достигается не только благодаря безотходной деятельности, но и тщательной переработки руды. В отличие от черной, цветная металлургия имеет больше вариантов по размещению производства, поэтому у нее не существует явной зависимости от сырьевой базы и топливно-энергетической отрасли. Например, предприятия медной промышленности располагаются рядом с сырьевыми ресурсами, так как в них очень низкое количество полезных элементов.

Центры цветной металлургии в России

Центрами алюминиевой промышленности являются Братск, Красноярск, Саянск и Новокузнецк. Расположенные в этих городах крупные алюминиевые заводы развиваются на основе собственного сырья из Урала, Северо-Западного региона и Сибири, а так же привозного. Данное производство достаточно энергоемкое, поэтому предприятия размещены недалеко от ГЭС и ТЭС.

Главным центром медной промышленности нашей страны является Урал. Предприятия используют местное сырье из Гайского, Красноуральского, Ревдинского и Сибайского месторождений.

Свинцово-цинковая промышленность станы зависит от добычи полиметаллических руд, поэтому и расположена рядом с местами их добычи – Приморье, Северный Кавказ, Кузбасс и Забайкалье.

Рис. 3 Добыча золота на Чукотке

Роль черной металлургии в промышленности

Как уже говорилось, продукция черной металлургии является основой для тяжелой промышленности.

Предприятия черной металлургии основную массу готовой продукции выпускают в виде литого и передельного чугуна, мартеновской и конвертерной стали, а также готового проката, стальных и чугунных труб.

Передельный чугун в дальнейшем подвергается плавке и обезуглероживанию для получения сталей с различным содержанием углерода.

Большая часть стали производится в виде слитков, которые, в дальнейшем, подвергают ковке и прокатке для получения профиля различного сечения:

• заготовки;
• листовой прокат;
• сортовой прокат;
• бесшовные трубы;
• специальные виды.

Стальной профиль сортового проката используют непосредственно в конструкциях (мосты, перекрытия зданий, железнодорожные рельсы). Наиболее распространен сортовой прокат для непосредственного использования:

Все перечисленные наименования сортового проката выпускаются в широком диапазоне стандартизированных размеров.

Классические стальные трубы сварной конструкции получают из листового проката.

К специальным видам проката относят такие сложные элементы, как:

• оси и колеса железнодорожной техники;
• зубчатые колеса различного назначения.

Фасонное литье чугуна применяется для станин машин самого различного назначения (метало- и деревообрабатывающие станки).

Передельные предприятия занимаются переработкой передельного чугуна, металлического лома, отходов металлургического производства. В настоящее время более половины продукции металлургического процесса составляет передельный металл, полученный переплавкой и очисткой металлического лома.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Главные страны в добыче железной руды

Месторождения разрабатывают разные страны, лидеры по производству, тем не менее, далеко не все. До 40-х годов прошлого столетия основные разработки железорудных месторождений проводились Германией, Францией, США, Великобританией и Швецией. В послевоенные годы эти страны уступили свое первенство ЮАР, Австралии, Канаде и СССР. Сегодня ситуация несколько поменялась, и в этой области лидируют следующие страны:

• Китай;
• Бразилия;
• Индия;
• СНГ;
• Австралия.

Больше 40 государств в мире занимаются разработкой месторождений руды, а общее количество добытого полезного ископаемого составляет почти 1 млрд т. Примерно 70% от общей добытой руды приходится на такие государства, как Китай (23%), Бразилия (17%), Австралия (13%), Россия (9%), Индия (8%).

Несмотря на внушительные объемы, далеко не все из этих стран экспортируют данный вид сырья. Австралия и Бразилия — важнейшие экспортеры, которые обеспечивают больше половины мирового экспорта.

Некоторые государства, экспортирующие железорудные ресурсы, занимаются и ее импортом. К таким странам относятся Китай, США, Италия и Великобритания, поскольку на их территории находятся полноцикличные предприятия, отличающиеся повышенной производственной материалоемкостью.

В этом случае расход используемого сырья и топлива превосходит количество полученного чугуна в 4–5 раз по массе. Особенно значительны затраты на железную руды по сравнению с коксующимся углем.

По этой причине самым экономически выгодным местом расположения полноцикличных комбинатов являются территории, богатые сырьем и топливом одновременно. Представителями таких государств являются Украина, Индия, Китай, Австралия. В остальных случаях центры черной металлургии возникли рядом с железорудными или каменноугольными месторождениями.

Локализация металлургических центров в приморских зонах дает альтернативу в качестве морских поставок угля и железной руды. Порой эксплуатация импортного сырья и топлива является более прибыльной, чем разработка собственных месторождений.

В частности, Индия и Латинская Америка перевозят по морю железорудное сырье на прибрежные заводы Японии, а Австралия и КНР — энергетическое сырье. В государства ЕС уголь поставляется таким же образом из США, а руда поставляется Бразилией и ЮАР.

Производство чугуна

Основной промежуточный продукт в процессе производства черных металлов — чугун, посредством которого получают 50% общей стали в мире. В последнее время объемы чугунной промышленности медленно снижаются, поскольку это экономически невыгодно и загрязняет атмосферу. С начала 90-х годов прошлого столетия лидирующую позицию в чугунном производстве занимает Китай, до этого первенство было у СССР.

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 2021 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

Цветная металлургия отличается большим разнообразием. Самые богатые залежи цветных руд расположены в ЮАР, Австралии, Чили, Индии, Гвинее, Венесуэле, Перу. Для повышения эффективности разработок в цветной металлургии многие страны активно сотрудничают друг с другом.

ТОП-2 статьикоторые читают вместе с этой

• 1. Черная металлургия
• 2. Материалы химической промышленности

Рис. 3. Месторождение алюминия.

Ведущую роль в мировой цветной металлургии играет алюминиевая промышленность. Основная часть запасов руды с этим ценным металлом сосредоточена в приэкваториальной зоне. Однако успешное производство алюминия возможно только в странах, которые располагают крупными источниками недорогой энергии:

• Канада, Норвегия, Россия, Бразилия и США обладают весомыми гидрологическими ресурсами и мощными ГЭС.
• Нидерланды, ОАЭ, Ирак, Великобритания богаты природным газом.
• Китай, Индия, Австралия располагают большими запасами каменного угля.

В странах с дорогой энергией (Австрия, Венгрия, Франция), где выплавка алюминия считалась традиционным видом промышленности, производство этого цветного металла постепенно сходит на нет.

Металлургия юга России

На юге страны центр металлургии находится в Таганроге и Красном Сулиме. В Поволжье – Волгоград – завод «Красный Октябрь» занимается трубопрокатом.

Месторождения железной руды:

• На юге Кемеровской области – Казская и Кондомская группы.
• Качканарское, Гусевогорское – 17%, но легко поддаётся расщеплению.
• На Кольском полуострове находятся месторождения Оленегорское, Ковдорское.
• В Карелии – Костомукша.
• Ангаро-Илимский бассейн, Абаканский район.
• Железорудный бассейн Курская магнитная аномалия является самым мощным на планете. Содержание железа в руде здесь – 60%.

Марганцевая руда преимущественно находится в Кемеровской области на Усинском месторождении.

Общий обзор состояния черной металлургии в России

Российская Федерация является одним из крупнейших мировых производителей чугуна, стали и металлопроката. Во многом это обусловлено тем, что в стране имеются богатые залежи железных руд и коксующегося угля, используемого в качестве топливного ресурса. Металлургическая промышленность в России является системообразующей и высокоэффективной отраслью.

История развития металлургической промышленности

Человечество научилось обрабатывать железную руду еще на заре своей истории. Археологи даже выделяют такую историческую эпоху, как «железный век», под которой понимается временной период, когда основными орудиями производства являлись изделия из железа.

В России до времен Петра I металлургия носила кустарный и локальный характер. И только после соответствующих реформ в стране началась промышленная переработка металлов. Выплавка чугуна началась на Урале, где знаменитые промышленники Демидовы основали ряд железоделательных заводов.

После революции, особенно во времена сталинской индустриализации, начали разрабатываться месторождения железных руд на Украине и в районе Курской магнитной аномалии. Во время Великой Отечественной войны основные промышленные мощности были развернуты на Урале и в Сибири.

90-е годы XX века сказались крайне негативно на развитии черной металлургии, однако в последнее время наблюдается планомерный рост производства стали и проката, который, впрочем, еще не достиг докризисного уровня.

Проблемы отрасли

Черная металлургия является одной из наиболее устойчивых отраслей промышленности в нашей стране. Основной ее проблемой является общий спад промышленного производства, особенно ярко наблюдающийся в 90-е годы прошлого столетия. Здесь встает вопрос сбыта продукции, который приводит к снижению объемов выплавки.

Кроме этого, на развитие отрасли во многом влияют цены на железную руду, сталь и прокат на международных рынках, которые отличаются значительной волатильностью.

Перспективы развития отрасли

Основными перспективными направлениями развития черной металлургии являются:

• развитие бездоменных технологий выплавки;
• увеличение доли предельной металлургии за счет использования вторсырья;
• широкое использование изделий из сплавов.

История

История металлургического производства на территории нашей страны насчитывает пять тысячелетий. Именно такой возраст насчитывают первые бронзовые предметы, найденные в Европейской части России. Ближе к началу V века нашей эры у славянских племён начинают появляться железные ножи, топоры, плуги, серпы и другие предметы труда и обихода.

Основой металлургии Московского государства вплоть до XVII века был лимонит, так называемое «болотное железо». Разведанных запасов, залегающих на глубине несколько сот метров под землёй, тогда не было, а болота располагались повсеместно. Так же, как и лес, играющий в те времена роль металлургического топлива.

Центрами производства железа того времени были города:

• Новгород.
• Устюг Железный.
• Римов.
• Тула.
• Тихвин.
• Олонец.
• Орешек.

Тем не менее, значительное количество металла закупалось в Швеции и Германии. А добыча и производство цветных металлов до XVII века практически отсутствовала (небольшие медные источники на Печоре и в Олонецком крае не удовлетворяли потребности страны).

Коренным образом ситуация изменилась при Петре Первом, решившим отдать разведку, добычу и переработку руд в частные руки. Хотя первые попытки создания отечественной металлургии Иваном III и Иваном IVГрозным предпринимались и ранее. В этой связи следует упомянуть голландца Виниуса и целую плеяду известных русских промышленников:

• Демидовых.
• Баташевых.
• Ареховых.
• Красильниковых.
• Мосоловых.

Во многом благодаря им возникли Тульские доменные и железоделательные заводы, открылись предприятия на Урале. С развитием металлургического производства, Россия не только избавилась от импорта, но и сама стала крупнейшим производителем, а также экспортёром железа и чугуна.

О чём свидетельствуют следующие показатели:

• 1725 год. Выплавлено 1165 тыс. пудов чугуна, что соответствует показателю более 19 тыс. тонн.
• 1740 год. Россия производит чугуна на 30 тыс. тонн больше, чем Великобритания.
• В 1750 году в Российской империи работают 72 завода по производству железа и 29 медеплавильных заводов.
• 1767 год. 83 тыс. т чугуна.
• 1793 год. 134 тыс. т чугуна, 89760 железа и стали.
• Конец XVIIIвека. Страна добывает и перерабатывает: 2900 т меди, 1300 т свинца, 28,7 т серебра, 0,4 т золота.

В начале и середине XIXвеке темпы роста российской металлургии значительно снизились, что объясняется: установлением государственной собственности на крупнейшие предприятия, и как следствие: нежеланием обновлять и совершенствовать оборудование, устанавливать новые капиталистические отношения.

Производство чугуна и стали на территории Российской Империи в XIX– начале XX веках

Годы	Сталь (тыс. т)	Чугун (тыс. т)
1830	178,72	108,8
1850	222,24	328,0
1870	350,40	221,20
1900	2865,60	2643,20
1913	4884,80	4803,20

Крупные политические события начала XXвека привели к ликвидации добывающей отрасли и остановке предприятий металлургии. Однако, к началу Второй Мировой войны, СССР сумел не только восстановить, но и значительно приумножить, а также модернизировать отрасль. Внутриполитические и общемировые экономические проблемы конца XX – начала XXI столетия существенно повлияли на производство металла. Тем не менее, и сегодня Российская Федерация удерживает высокие показатели, оставаясь одним из крупнейших мировых экспортёров данного вида продукции.

Черная металлургия

Черная металлургия основывается на переработки железа, а именно руд, в которых оно содержится. Большинство железных руд являются природными оксидами. Именно поэтому первым этапом производства является выделение железа из оксида. Для этого используют большие доменные печи. Данный способ производства чугуна проводится при температуре свыше 1000 градусов.

Черная металлургия

При этом свойства полученного сырья напрямую зависят от температуры доменной печи и времени плавления. При дальнейшей обработке чугуна получают сталь или литейный чугун, с помощью которого выполняют отлив заготовок и изделий.

Для производства стали используют железо и углерод, добавление которого придает полученному сплаву желаемые свойства. Также могут применяться различные легирующие компоненты, необходимые для получений определенных особенностей стали.

Существует несколько способов производства стали, которые основываются на выплавке металла в жидком состоянии. Следует выделить следующие: мартеновский, кислородно-конверторный и электроплавильный.

Каждый вид стали называется маркой, которая указывает на ее состав и свойства. Для изменения свойств стали используют метод легирования, то есть добавления в сплав дополнительных компонентов. Наиболее часто для подобных целей используют такие элементы, как хром, марганец, бор, никель, вольфрам, титан кобальт, медь и алюминий. Обычно такие компоненты добавляют в расплавленную сталь.

Но существует иной способ, который заключается в прессовании мелкозернистого порошка компонентов с последующим запеканием при высоких температурах.

Подотрасли

Цветная металлургия включает в себя подотрасли, в рамках которых осуществляется выпуск различных металлов:

Производство алюминия.

На его долю приходится более 45% объема выплавки всех цветных металлов. Сырьем являются бокситы, которые перерабатываются в глинозем. Основные месторождения находятся в Австралии, Бразилии, экваториальной Африке, Китае и России.

Ведущими производителями алюминия в мире признаны Россия, США, Италия, Китай, Германия.

Производство меди.

Более четверти от всего объема выплавки приходится на медь. Она добывается из медной руды, где концентрация металла может достигать порядка 30-35%. Кроме этого, значительную роль играет переработка вторичного сырья.

Основные месторождения медных руд находятся в России, Казахстане, Чили, США, Канаде, экваториальной Африке, Китае.

Ведущими производителями являются Россия, Китай, США, страны Европы.

Производство свинца и цинка.

Эти металлы выпускаются из полиметаллических руд. Основные залежи находятся в США, Мексике, Канаде, Китае, Австралии. Производство сконцентрировано в Китае, США, Японии, Австралии, странах ЕС. На долю выплавки цинка и свинца приходится более 22% от всего объема.

Производство никеля.

Крупнейшие месторождения находятся в России, она же и является главным мировым производителем. На долю производства данного металла приходится менее 7% от мировой выплавки. Основным сырьем выступают никелевые руды. 

Производство олова.

Данный металл получают из оловянных руд. Большая часть мировых запасов приходится на Боливию и Юго-Восточную Азию. Ведущими центрами выплавки являются Боливия, Малайзия, Китай, Россия.

Производство остальных цветных металлов менее развито и имеет локальные масштабы.

Производство

В металлургии под производством черных металлов понимают сложный технологический процесс, который можно разделить на два этапа:

• производство чугуна;

• переработка чугуна в сталь.

Необходимыми материалами для производства чугуна являются железная руда, топливо (кокс) и флюс. Именно в таком порядке их загружают в доменные печи, где под тяжестью собственной массы они опускаются в низ печи. В нижней части печи находятся отверстия – фирмы, через которые подается нагретый воздух для поддержания процесса горения. В результате плавления из руды восстанавливается железо и другие элементы, а полученные в процессе шлак и чугун выливаются через специальные отверстия – шлаковую и чугунную летки.

Процесс передела чугуна в сталь подразумевает снижение уровня углерода и примесей способом избирательного окисления и перевода их в шлак при выплавке. Для этого в расплавленный чугун вводят ферросплавы с содержанием Al, Mn и Si. Они образуют в стали труднорастворимые оксиды, которые частично всплывают в шлак.