С электрохимической точки зрения металлами называются элементы, имеющие в процессе реакций преимущест
венную тенденцию к отдаче электронов, в отличие от металлоидов, стремящихся к их присоединению.
Характерной особенностью для металлического состояния, как уже отмечалось выше, является их кристаллическая структура. Большинство металлов кристаллизуется в трех типах кристаллической решетки: кубической объемно- центрированной, кубической гранецентрированной и гекса- ' ч тональной плотной. Этим типам решеток свойственны компактность и высокая плотность упаковки. Прочностью металлической связи объясняются многие физические и механические свойства металлов (табл. 2).
Важную роль в производстве и потреблении металлов играет их химическая активность, которую можно охарактеризовать положением металлов в электрохимическом ряду напряжений (табл. 3).
В ряду напряжений любой более электроотрицательный металл способен вытеснять из соединений электроположительные металлы. Металлы с отрицательными электродными потенциалами отличаются большей химической активностью и легче подвержены окислению, чем более электроположительные. Наоборот, по мере увеличения электродного потенциала устойчивость металла возрастает.
Большинство металлов хорошо сплавляются друг с другом в любых соотношениях, образуя двухкомпонентные и многокомпонентные сплавы.
Металлический компонент, вводимый в основной металл в небольших количествах, называется легирующим.
Возможности взаимного сплавления металлов позволяют в исключительно широких пределах менять физико-механические и физико-химические свойства металлических материалов в заданном направлении.
Практически неограниченные возможности создания сплавов различных составов позволяют придавать им легкоплавкость или тугоплавкость, повышенную механическую прочность и твердость или, наоборот, пластичность, высокую коррозионную стойкость и жаростойкость, высокую магнитную восприимчивость и многие другие специфические или улучшенные качества, несвойственные чистым металлам.
Многочисленность металлов, различия их свойств, методов получения и областей потребления определяют необходимость их классификации по отдельным группам. К сожалению, научно обоснованная классификация металлов до сих пор не разработана.
Таблица 3. Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов в водных растворах при 25 °С
|
В современных условиях используют промышленную классификацию металлов, которая отражает исторически сложившуюся структуру металлургической промышленности и, как следствие этого, структуру подготовки инженерно-технических кадров в вузах и техникумах нашей страны.
Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: черные и цветные*.
К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец, и хром,.производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали. Все остальные металлы относятся к цветным. Название «цветные металлы» довольно условно, так как фактически только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Все остальные металлы, включая черные, имеют серый цвет с различными оттенками — от светло-серого до темно-серого.
Цветные металлы условно делятся на пять групп:
1. Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. Свое название они получили из-за больших масштабов производства и потребления, большого («тяжелого») удельного веса в народном хозяйстве.
2. Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт. Они являются природными спутниками основных тяжелых металлов. Обычно их получают попутно, но производят в значительно меньших количествах.
1 За рубежом металлы обычно делятся на железные и нежелезные.
3. Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди других металлов плотность (удельную массу).
4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий). Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред.
5. Редкие металлы. По промышленной классификации редкие металлы подразделяются на следующие подгруппы:
а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и ванадий;
б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий и цезий;
в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен и теллур;
г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды;
д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы.
Приведенная выше промышленная классификация металлов не может быть в настоящее время признана однозначной. В ней нет даже единого принципа в выборе названий групп металлов. По мере роста производства и потребления того или иного металла его положение в соответствующей группе вступает в противоречие с принципами построения промышленной классификации. Так, еще в конце прошлого столетия алюминий считался редким металлом, а сейчас по производству и потреблению он занимает первое место среди цветных металлов. По этой причине многие авторы металлургической литературы по вопросу распределения металлов по группам промышленной классификации придерживаются различных точек зрения.
§ 2. Руды цветных металлов
В металлургической промышленности используют почти все виды полезных ископаемых. Основным сырьем для получения металлов являются руды, но применяются также горючие полезные ископаемые, огнеупорные и флюсовые материалы.
2 Н. И. Упшн
Как следует из данного определения, понятие «руда» имеет геологический, технический и экономический смысл. Минимальное содержание основного металла в руде, позволяющее подвергать руду металлургической переработке, называется рентабельным минимумом.
К горным породам относят все природные образования, составляющие месторождения того или иного полезного ископаемого.
Руда состоит из минералов — природных химических соединений. Минералы подразделяют на рудные (денные) и. пустую породу. К пустой породе относят минералы, не содержащие извлекаемых элементов. Чаще всего породообразующими минералами являются кварц, карбонаты, силикаты и алюмосиликаты.
Понятие «пустая порода» весьма условно. По мере развития металлургической технологии, направленной на создание безотходных металлургических процессов, уже созданы предпосылки для полного использования компонентов пустой породы при получении ряда строительных материалов (цемента, шлаковатных изделий, ситаллов, шлаковой брусчатки и т.д.).
Состав руды обычно определяют химическим анализом. Однако для практических целей знание химического состава часто бывает недостаточным. Нужно знать еще вид присутствующих в сырье минералов (минералогический состав) и распределение между минералами всех компонентов перерабатываемого сырья (фазовый состав). Знание минералогического и фазового составов позволяет предсказать поведение всех компонентов данного сырья при металлургической переработке, выбрать наиболее рациональную технологию и наиболее правильно выполнить металлургические расчеты в целом.
Ниже приведен расчет фазового состава медной руды:
Пример 1. Химический состав руды,!% *: 4Cu, 36Fe; 5Zn; 43,7 S; 7Si02; 2CaO; 2,3 — прочие.
В руде присутствуют минералы: халькопирит (CuFeS2), пирит,(FeS2), сфалерит (ZnS), кварц. (Si02) и известняк (СаС03).
Расчет фазового состава, как и другие металлургические расчеты, удобно вести на 100 единиц, массы исходного материала (100 г, 100 кг или 100 т). Следует отметить, что все расчеты проводят обычно по законам стехиометрии, т. е. по химическим формулам и уравнениям химических реакций.
В даииом случае расчет можио начинать с любого минерала, кроме пирита, так как железо содержится в двух минералах, а его распреде-
* Здесь и далее процент без дополнительных указаний означает процент по массе.
)в
леиие между иим'и пока неизвестно. Начнем расчет с определения количеств халькопирита и содержащихся в ием элементов.
Количество халькопирита определяем по атомным и молекулярным массам компонентов, входящих в состав данного минерала: 63,6Cu входит в^ 183,4 CuFeS2, тогда 4 кг Си в руде входят в х кг CuFeSj:
х = (183,4-4)/63,6 = 11,53 кг.
В 11,53 кг халькопирита содержится железа и серы:
(55,8-11,53)/183,4 = 3,51 кг;
(64-11,63)/183,4 = 4,02 кг.
Определяем количество железа, связанного в пирите:
36 — 3,51 = 32,49 кг.
Количество серы в пирите:
(32,49-64)/55,8 = 37,2 кг.
Количество пирита;
32,49 + 37,2 = 69,69 кг.
Количество серы в сфалерите определяем по разности между исходным содержанием в руде и ее суммарным содержанием в халькопирите и пирите:
43,7—(37,2 + 4,02) = 2,48 кг.
Для проверки правильности заданных исходных данных определяем потребное количество серы, теоретически необходимое для связывания присутствующего в руде циика в сфалерите:
(32-5)/65,4 = 2,45 кг.
Теоретическое содержание серы отличается от рассчитанного на
0, 03 кг, что составляет всего 0,03 °/о от 100 кг исходной руды. Такая ' точность расчета вполне допустима. Отклонение можно объяснить ошибками исходного химического анализа или неточностью выполненных расчетов. При больших отклонениях (более 2 %) следует уточнить химический и минералогический составы руды или проверить расчеты.
- Шлакообразующие оксиды при расчете фазового состава обычно на элементы не разлагают. Тогда количество кремнезема в 100 кг руды будет численно равно его процентному содержанию по химическому анализу, т. е. составит 7 кг.
В заключение расчета нужно определить количество известняка и оксида углерода (С02) в ием.
Количество С02 в СаС03 равно:,
(44,2-2)/56 = 1,57 кг.
а количество СаС03:
2+ 1,57 = 3,57 кг.
Количество остальных составляющих руды (прочих), не определенных при химическом анализе, находим по разности
2,3— 1,57= 0,73 кг.
Результаты расчета сведены в табл. 4.
Таблица 4. Фазовый состав медной руды, %
|
В зависимости от вида присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных металлов делятся на следующие группы:
1) сульфидные, в которых металлы находятся в форме сернистых соединений. Примером таких руд могут служить медные, медноникелевые и свинцово-цинковые руды;
2) окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородсодержащих соединений (оксидов, карбонатов, гидроксидов и т. д.). К этой группе относятся алюминиевые, окисленные никелевые, оловянные руды, руды ряда редких металлов;
3) смешанные, в которых металлы могут находиться как в сульфидной, так и в окисленной форме (медные руды);
4) самородные, содержащие металлы в свободном состоянии. В самородном состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь и платина.
Сульфидные руды по форме размещения в земной коре делятся на сплошные, состоящие почти полностью из сульфидных минералов, и вкрапленные, когда сульфиды в виде мелких включений присутствуют в пустой породе. Вкрапленные руды, как правило, беднее сплошных.
По числу присутствующих металлов руды классифицируются на монометаллические и полиметаллические (комплексные). Большинство руд цветных металлов являются полиметаллическими и содержат минимум два ценных компонента. Наиболее сложными по составу являются медные, медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды. Они содержат до, 10—15 ценных металлов.
Руды цветных металлов, как правило, очень бедные и содержат всего несколько процентов, а часто и доли процента основного металла. Концентрация ценных элементов- спутников обычно во много раз меньше. Однако многие сопутствующие элементы по ценности значительно превосходят основные компоненты руды. Примерная стоимостная оценка двух видов руд приведена в табл. 5.
Таблица 5. Ценностная структура медной и окисленной никелевой РУД
|
При переработке сложных по составу руд необходимо добиваться полного комплексного использования всех ее ценных составляющих, т. е. безотходной технологии. Об уровне технического развития металлургического предприятия и его технологии в первую очередь судят по коэффициенту комплексности использования сырья, который определяется как отношение стоимости извлеченных в товарную продукцию компонентов к их стоимости в исходной руде.
Рентабельный минимум, т. е. то минимальное содержание" основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды, постоянно снижается. Так, если в конце XIX в. к категории медных руд относили горные породы с содержанием меди не менее 1,5 %, то сейчас эта величина снизилась до 0,4—0,5%.
Снижению рентабельного минимума способствуют развитие и совершенствование обогатительной и металлургической техники и повышение коэффициента комплексности использования сырья, т. е. чем больше извлекается ценных компонентов, тем < меньшим содержанием основного компонента экономически и технически выгодно перерабатывать руду.
Руды, как и другие полезные ископаемые, образуют в земле естественные скопления, которые называются месторождениями. Содержание ценных элементов в месторождениях значительно выше их среднего содержания в земной коре[1]. Самым распространенным металлом в природе является алюминий. Более распространенными элементами по сравнению с ним являются лишь кислород (49,5 %) и кремний (25,75 %).
Распространенность в земной коре некоторых металлов характеризуется следующими величинами, %:
Алюминий.. | . 7,5 | Вольфрам. | . 7-10-? |
Железо.. | . 4,7 | Молибден. | . 1 • 10—® |
Кальций.. | . 3,4 | Свинец.. | . 8-10-* |
Натрий.. | . 2,64 | Олово... | . 6-10-‘ |
Калий... | . 2,4 | Уран... | . 5-10—4 |
Магний.. | . 1,94 | Селен... | . 8-10—6 |
Титан... | . 0,58 | Платина.. | , 2-10—6 |
Медь... | . 0,01 | Серебро., | . 4-10-е |
Цинк... | . 0,02 | Золото... | . 5-10—7 |
Никель.. | . 0,018 | Рений... | . МО-7 |
Наиболее редко встречаются в природе полоний и актиний, кларк которых близок к 10-15.
Из приведенных выше данных видно, что на долю первых девяти элементов приходится 98,4 % общего состава земной коры, а на долю остальных всего 1,6 %.
Ряд металлов, например рассеянных, собственных месторождений не образует. Эти металлы обычно в очень небольших концентрациях присутствуют в виде изоморфных примесей в минералах основных цветных металлов.
Запасы цветных металлов в доступных для человека участках земной коры неуклонно истощаются. Однако их природные ресурсы могут быть значительно расширены. Неисчерпаемыми запасами цветных металлов обладают моря и океаны. Морская и океаническая вода содержит до 3,5 % растворенных солей. В наибольших концентрациях в ней присутствуют натрий, магний, калий и стронций. В мбрской воде содержатся также медь, алюминий, никель, золото, серебро, редкие и рассеянные элементы. И хотя их концентрация ничтожно мала, запасы их неисчерпаемы н человек может и должен научиться их извлекать. Дно морей и океанов устилают залежи металлсодержащих конкреций— минеральных образований округлой формы, возникших вокруг постороннего тела в результате концентрации минеральных веществ из водных растворов. Вследствие непрерывного образования и роста конкреций запасы металлов в них неистощимы.
§ 3. Разведка месторождений и добыча руд
Поиском и разведкой месторождений занимаются геологи. По результатам геологоразведочных работ с учетом количественных и качественных характеристик месторождения классифицируют по категориям А, В а С.
К категории А относят месторождения, пригодные для непосредственной эксплуатации или для составления технических проектов на строительство горных предприятий. Категория В характеризует месторождения, требующие детальных разведочных работ, или месторождения, данные о которых могут быть использованы при разработке проектных заданий. К категории С относятся месторождения, запасы которых имеют перспективное народнохозяйственное значение н требуют дополнительных геологоразведочных работ.
Металлы в рудных месторождениях концентрируются в результате геологических процессов образования горных пород. Эти процессы подразделяются на эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние).
Эндогенные процессы протекают на значительной глубине от поверхности земли при высоких давлениях и высоких температурах и дают изверженные и метаморфические горные породы. К экзогенным относят процессы, происходящие на земной поверхности и в верхних слоях земной коры за счет солнечной энергии, выветривания, деятельности микроорганизмов, воды и других внешних воздействий. Породы экзогенных процессов называются осадочными. Схематически основные формы рудных тел показаны на рис. 1.
Рис. 1. Основные формы рудных тел: а — шток; б — пласт; в — линза |
Особое место занимают россыпные месторождения (россыпи), образовавшиеся за счет разрушения коренных пород и представляющие собой скопление обломков горных пород. Россыпи бывают золотоносные, платиновые, оловянные и алмазные.
Разработкой рудных месторождений и поставкой сырья для обогатительных фабрик и металлургических предприятий занимается горнорудная промышленность. При разработке рудных месторождений применяют три способа: открытый, подземный и комбинированный.
Открытый снособ имеет ряд преимуществ: лучшие санитарно-гигие-
нвческие условия труда, возможность применения высокопроизводительного горно-транспортного оборудования и, как следствие этого, — возможность достижения высоких техннко-экономических показателей.
Прн открытом способе производительность труда рабочих в 4—5 раз выше производительности труда при подземной разработке, а себестоимость добытой руды в 2—3 раза ниже.
Подземный способ применяют при глубоком залегаини рудного тела, когда открытая разработка экономически нецелесообразна. Ряд рудных месторождений в Советском Союзе разрабатывают на глубинах до 1700 м.
Открытые разработки коренных месторождений ведут в карьерах с помощью экскаваторов.
Схема карьерного способа разработки показана на рис. 2.
Рнс-. 2. Карьерный способ разработки (поперечный разрез карьера): 1 — рабочий уступ с отбитой горной массой; 2 — рабочий борт карьера; 3 — предохранительный уступ; 4 — нерабочий борт; а — угол наклона рудного пласта; — угол откоса рабочего и нерабочего бортов |
Эксплуатация карьера начинается с вскрышных работ, обеспечивающих открытый доступ к рудному пласту. Непосредственная разработка рудного пласта включает буровзрывные работы, экскавацию отбитой массы н ее транспортировку иа поверхность. Транспортные пути располагаются на уступах карьера и имеют конфигурацию восходящей спирали. На открытых разработках применяют рельсовый или автомобиль-, ный транспорт. В первом случае используют вагоны с опрокндиым кузовом (думпкары) с электровозной тягой, во втором — большегрузные самосвалы.
Открытыми карьерами для добычи руд цветных металлов в СССР являются Коунрадский, Сибаевский, Алмалыкский, Блявииский, Норяль- ский медно-никелевый, Кургашннканский свинцово-цинковый и др.
Открытый способ является основным при разработке золотых, платиновых, оловянных, вольфрамовых и других россыпных месторожде,- ний. Россыпи разрабатывают главным образом драгами и гидравлическим способом. Дражный способ наиболее эффективен.
Драга представляет собой плавучий землечерпательный снаряд, предназначенный для добычи песков из россыпей и промывки их для отделения металлов или минералов (рис. 3). В основе работы драг лежит принцип гравитационного обогащения (см. гл. 2).
Длн осуществления добычи драгами необходимы следующие условия: соответствие глубины черпания драгя глубине залегания россыпи, возможность устройства или использования водного бассейиа, обеспе-
Рис. 3. Схема устройства и работы драги: 1 — россыпь; 2 — черпаковое устройство; 3 — кабниа драгера; 4 — электродвигатель черпанной цепи; 5 — промывочная бочка; б —конвейер; 7 — свая; 8 — понтон; 9 — отвал крупных отбросов! 10 — отвал, мелких отбросов |
чеиность запасами песков на срок работы не менее 10 лет, отсутствие ' большого количества крупных валунов.
При гидравлическом способе разработки россыпей горную породу отделяют от общего массива сильной струей воды и перемещают потоком воды до места переработки нлн складироваиня. Воду при данном способе разработки подводят к особому аппарату — водобою (монитору), который направляет струю воды под большим давлением на рудную массу, размывая ее.
Разработку глубоко залегающих рудных месторождений производят подземным способом. Небольшие месторождения обычно разрабатывают одной шахтой. Большие месторождения разделяют на отдельные поля, которые разрабатывзют самостоятельно.
Методы вскрытия и разработки месторождения подземным способом! многообразны н сложны. Число применяемых систем разработки превышает 150. В основу классификации систем разработки положены способы поддержания очистного пространства (места выемки рудного массива).
Рис. 4. Принципиальная схема устройства шахты: |
Основными технологическими операциями при подземной разработке месторождений являются:
а) отбойка руды (отделение ее от рудного тела);
1 — рудное тело; 2 — вмещающие поро-. ды; 3 —ствол шахты (вертикальный); 4 — штольня; 5 — квершлаги; 6 — рудоспуск |
в) транспортировка руды на 'поверхность;
г) поддержание выработанного пространства.
Для предотвращения обрушения выработанных участков подземных разработок очень часто их заполняют отвальными шлаками металлургических заводов или хвостами обогатительных фабрик.
Горнорудное дело и металлургическое производство связаиы непосредственно. Многие вопросы их взаимодействия должны быть взаимно увязаны. Примером взаимодействия является:
1) обеспечение потребным количеством рудного сырья установленных коидиций;
2) расположение зданий и сооружений на поверхности рудника и транспортных коммуникаций в зависимости от размещения обогатительных фабрик и металлургических заводов;
3) использование хвостов и шлаков в качестве закладочного материала;
4) использование рудничных вод для нужд обогатительных фабрик;
5) организация общих ремонтно-механических служб;
6) общее использование силового оборудования.
В большинстве случаев горно-обогатительиые и металлургические предприятия настолько тесно связаиы, что, по существу, не отделимы друг от друга в производственном отношении и являются единым промышленным комплексом. Это в значительной степени относится к практике организации большинства предприятий отечественной цветной металлургии, для которой характерны горно-металлургические комбинаты.
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 36 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
