1. Этапы металлургического процесса

Ме­тал­лур­ги­ей на­зы­ва­ют тех­но­ло­гию про­из­вод­ства ме­тал­лов и их спла­вов. Сы­рьем для по­лу­че­ния ме­тал­лов слу­жат руды.

Как пра­ви­ло, про­из­вод­ство ме­тал­ла про­ис­хо­дит в два ос­нов­ных этапа. Пер­вый – пред­ва­ри­тель­ная под­го­тов­ка сырья. Вто­рой – вос­ста­нов­ле­ние са­мо­го ме­тал­ла из сырья.

Рас­смот­рим по­дроб­нее эти этапы. В про­цес­се пред­ва­ри­тель­ной под­го­тов­ки сырья важ­ной ста­ди­ей яв­ля­ет­ся обо­га­ще­ние руды - уда­ле­ние при­ме­си пу­стой по­ро­ды (на­при­мер, квар­ца, по­ле­во­го шпата и др.). После обо­га­ще­ния в руде уве­ли­чи­ва­ет­ся со­дер­жа­ние по­лез­но­го ком­по­нен­та.

Чтобы очи­стить руду от пу­стой по­ро­ды, ис­поль­зу­ют фи­зи­че­ские ме­то­ды раз­де­ле­ния сме­сей ве­ществ, ос­но­ван­ные на раз­ли­чии свойств ком­по­нен­тов смеси. При обо­га­ще­нии же­лез­ной руды маг­не­тит (Fe₃O₄) от­де­ля­ют от пу­стой по­ро­ды с по­мо­щью маг­ни­та.

Неко­то­рые руды можно обо­га­щать с по­мо­щью ме­то­да фло­та­ции, ос­но­ван­но­го на раз­ли­чии в сма­чи­ва­е­мо­сти по­лез­но­го ком­по­нен­та руды и пу­стой по­ро­ды.

Мно­гие ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в при­ро­де в виде суль­фид­ных руд. Тогда на пер­вом этапе такое сырье под­вер­га­ют об­жи­гу. На­при­мер, при об­жи­ге же­лез­но­го кол­че­да­на об­ра­зу­ют­ся оксид же­ле­за (II), ко­то­рый по­сту­па­ет на сле­ду­ю­щий этап про­из­вод­ства, и ди­ок­сид серы:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

На вто­ром этапе про­во­дят окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ную ре­ак­цию, в ре­зуль­та­те ко­то­рой об­ра­зу­ет­ся ме­талл. В ка­че­стве вос­ста­но­ви­те­ля ис­поль­зу­ют уголь (кокс), мо­но­ок­сид уг­ле­ро­да (СО) и во­до­род. В неко­то­рых слу­ча­ях вос­ста­нов­ле­ние про­во­дят путем элек­тро­ли­за.

Рас­смот­рим несколь­ко при­ме­ров ме­тал­лур­ги­че­ских про­из­водств. Ме­тал­лур­гию под­раз­де­ля­ют на чер­ную – про­из­вод­ство же­ле­за и его спла­вов – и цвет­ную – про­из­вод­ство осталь­ных ме­тал­лов.

2. Черная металлургия

Чер­ная ме­тал­лур­гия дол­гое время со­дер­жа­ла в себе два по­сле­до­ва­тель­ных про­из­вод­ства. Сна­ча­ла из же­лез­ной руды по­лу­ча­ли чугун, а затем из чу­гу­на – сталь. Чугун про­из­во­дят в до­мен­ных печах. Вос­ста­нов­ле­ние же­ле­за осу­ществ­ля­ет­ся уг­ле­ро­дом и мо­но­ок­си­дом уг­ле­ро­да. Суть этих пре­вра­ще­ний можно вы­ра­зить сле­ду­ю­щи­ми урав­не­ни­я­ми ре­ак­ций:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Вы­плав­ля­е­мый ме­талл на­сы­ща­ет­ся уг­ле­ро­дом и об­ра­зу­ет­ся сплав же­ле­за с уг­ле­ро­дом – чугун. Боль­шая часть про­из­ве­ден­но­го чу­гу­на ис­поль­зу­ет­ся на по­лу­че­ние стали. Сталь со­дер­жит менее 2% уг­ле­ро­да и су­ще­ствен­но мень­ше, чем в чу­гуне, при­ме­сей серы, азота и фос­фо­ра. По­это­му необ­хо­ди­мо вы­жечь уг­ле­род и при­ме­си, а окис­лен­ное же­ле­зо вос­ста­но­вить.

Дол­гое время сталь ва­ри­ли в мар­те­нов­ских печах. В на­сто­я­щее время они прак­ти­че­ски не ис­поль­зу­ют­ся из-за низ­кой про­из­во­ди­тель­но­сти. Боль­шую про­из­во­ди­тель­ность имеют кис­ло­род­ные кон­вер­те­ры и элек­тро­пе­чи.

Рис. 1. Про­из­вод­ство стали в кис­ло­род­ном кон­вер­то­ре

В на­сто­я­щее время при­ме­ня­ют тех­но­ло­гию пря­мо­го вос­ста­нов­ле­ния же­ле­за из руды, минуя ста­дию по­лу­че­ния чу­гу­на. Под­го­тов­лен­ное сырье на­гре­ва­ет­ся в ат­мо­сфе­ре смеси во­до­ро­да и мо­но­ок­си­да уг­ле­ро­да. В ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся же­лез­ный по­ро­шок, из ко­то­ро­го можно по­лу­чать любой необ­хо­ди­мый сплав.

 3. Цветная металлургия

Про­из­вод­ство алю­ми­ния от­но­сит­ся к цвет­ной ме­тал­лур­гии. На одном из преды­ду­щих уро­ков вы узна­ли, что со­вре­мен­ный спо­соб вос­ста­нов­ле­ния алю­ми­ния, ко­то­рый поз­во­лил по­лу­чать его в боль­ших объ­е­мах, был от­крыт в конце 19 века. До этого вре­ме­ни алю­ми­ний це­нил­ся выше, чем се­реб­ро и зо­ло­то. Этот метод за­клю­ча­ет­ся в по­лу­че­нии алю­ми­ния путем элек­тро­ли­за рас­пла­ва ок­си­да алю­ми­ния в крио­ли­те.

На пер­вом этапе дан­но­го про­из­вод­ства из руды по­лу­ча­ют чи­стый оксид алю­ми­ния. На вто­ром этапе про­во­дят вос­ста­нов­ле­ние алю­ми­ния путем элек­тро­ли­за рас­плав оксид алю­ми­ния в крио­ли­те (ко­то­рый зна­чи­тель­но по­ни­жа­ет его тем­пе­ра­ту­ру плав­ле­ния). В рас­пла­ве про­ис­хо­дит дис­со­ци­а­ция ок­си­да алю­ми­ния:

Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 3O^2-

Ионы алю­ми­ния под­хо­дят к ка­то­ду, на ко­то­ром алю­ми­ний вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся:

Al³⁺ + 3е = Al

А на аноде об­ра­зу­ет­ся кис­ло­род.

Про­из­вод­ство ме­тал­лов вы­зы­ва­ет много эко­ло­ги­че­ских про­блем. В ат­мо­сфе­ру при несо­блю­де­нии опре­де­лен­ных норм вы­де­ля­ют­ся ок­си­ды серы, пыль и дру­гие вред­ные при­ме­си. В на­сто­я­щее время ста­ра­ют­ся све­сти к ми­ни­му­му от­ри­ца­тель­ное вли­я­ние про­из­вод­ства на окру­жа­ю­щую среду.