Экономические основы технологического развития цветных металлов

       В группу редких металлов входят свыше 50 элементов. Это металлы, относительно новые в технике или еще мало используемые и освоенные. Масштабы производства и области применения еще не стабилизировались и продолжают быстро развиваться. Большинство редких металлов мало распространены, а часто и рассеяны в земной коре, их извлечение из сырья и получение в чистом виде связаны с большими техническими трудностями. В этом причина относительно позднего открытия, изучения  и технического освоения редких металлов. Редкие металлы необходимы для таких новых отраслей техники, как скоростная авиация, ракетостроение, электроника, атомная энергетика. На основании близости физико-химических свойств, сходства технологии производства и по некоторым другим признакам редкие металлы классифицируются на: легкие – рубидий, цезий; тугоплавкие – титан, цирконий, гафний; рассеянные – вольфрам, галлий, индий, таллий; радиоактивные – франций, уран, радий.

       В рудном сырье редкие металлы обычно содержатся в небольших концентрациях, и сырье часто является сложным, комплексным. Поэтому большое значение в технологии извлечения редких металлов имеет большое значение обогащение руд и химические процессы выделения, разделения и очистки соединений редких металлов. В металлургии редкие металлы широко используют разные методы: восстановления окислов и солей газами, углеродом или металлами, термическую диссоциацию соединений. Электролиз в водных и расплавленных средах, вакуумную, дуговую, электроннолучевуюпарку. 

       3. Анализ и экономическая  оценка легкого цветного металла – алюминия 

       3.1. Введение

       Алюминий  сегодня входит в число важнейших технических материалов. По своему содержанию в земной коре (7,5%) он также является одним из самых распространенных металлов. По объему мирового производства алюминий занимает 2 место после железа.

       3.2. Основное сырье  и способ изготовления  алюминия

       Алюминий  получают электролическим методом. Основное исходное вещество для производства. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы. Содержащие 32 – 60 % глинозема Al2O3. Он не проводит электрический ток и имеет температуру плавления около 2050 ^oG. На глиноземном заводе из боксита сначала химическим путем выделяют примеси, а затем в больших печах для обжига удаляют воду. Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 ^oG, тогда глинозем растворяют в расплавленном криолите (минерале состава Na3AlF6). Этот расплав подвергается электролизу при температуре 950 ^oG на алюминиевых производствах. Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно, собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это алюминиевые каркасы, заполненные угольными  брикетами. В результате электролиза на катоде выделяется алюминий, а на аноде – кислород. Первичный алюминий, получаемый в электролизерах, имеет чистоту 99,3 – 99,9%. Основными примесями в нем является кремний и железо, меньших количествах содержатся  также титан, медь и цинк. Путем повторного электролизера в расплаве получают алюминий высокой чистоты (99,99%).

       3.3. Свойства алюминия

       Алюминий  представляет собой блестящий серебристо-белый  металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660 ^oG, который хорошо проводит тепло и электрический ток. Металл характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, хорошей пластичностью, механической прочностью, антикоррозийностью. Значительная особенность алюминия  состоит в том, что на воздухе его поверхность быстро покрывается тонкой, но очень плотной , прочной и твердой пленкой окиси, чем и объясняется его высокая коррозийная стойкость. Эти свойства алюминия, особенно прочность можно значительно повысить путем легирования различными элементами, важнейшими из которых являются кремний, медь, цинк и марганец. Существенно различаются между собой деформируемые и литейные алюминиевые сплавы. Деформируемые сплавы легко поддаются обработке давлением и предназначены для прокатки, ковки, прессования. Литейные сплавы отличаются жидкотекучестью, хорошо заполняют форму, мало чувствительны к литейным трещинам; их используют для фасонного литья. Способность алюминия образовывать твердые растворы с легирующими элементами невелика, т.е. другие металлы слабо растворяются в алюминии в твердом состоянии. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы алюминий – кремний. Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на сплавы с естественной твердостью и термически упрочняемые сплавы. Первая группа сплавов содержит меньше легирующих элементов и применяется вместо чистого алюминия в тех случаях, когда его прочность недостаточна. Другой путь повышения прочности алюминиевых сплавов составит в термической обработке, при которой прочность возрастает в результате дисперсионного твердения после закалки.

       3.4. Применение алюминия

       В основном из алюминиевых сплавов  сделаны самолеты ИЛ-18, ТУ-134, ИЛ-62. Из сплавов алюминия изготавливают  корпуса ракет. Алюминий завоевывает  признание как строительный материал: конструкции из алюминиевых сплавов, крыши и оконные рамы в зданиях, внутренняя отделка станций метро. Алюминий и его сплавы применяются в автомобильной промышленности, в производстве железнодорожных вагонов, вагонов метро, автоцистерн, речных и морских судов, при сооружении мостов, для изготовления нефтяных и буровых вышек, ЛЭП, трубопроводов, газопроводов, в электропромышленности.

       3.5. Новейшие технологии  в производстве  алюминия

       Чтобы овладеть собственной технологией  производства, необходимо создать собственную, уникальную технологию получения. Сегодня в мире только 5 компаний обладают этой технологией. Для решения этой задачи в 2002 году в Красноярске создан Инженерно-технологических центр (ИТЦ). Основным достижением ИТЦ стали разработка и запуск в эксплуатацию электролизера РА-300, отличительная особенность которого состоит в уменьшении потребления электроэнергии и увеличение срока эксплуатации. В 2004 году ИТЦ приступил к разработке электролизера РА-400 – у него сокращен удельный расход по металлоемкости, применен спаренный анод, повышена герметизация створчатых укрытий, уменьшены габариты ванны по высоте за счет усовершенствованной компоновки механизмов подъема одного устройства. В настоящее время ИТЦ работает над созданием следующего поколения электролизеров – РА-500, разрабатывая технологию электролизера на высокую плотность тока. Новые электролизеры работают по технологии обожженных анодов и отвечают самым высоким экологическим стандартам.

       3.6. Заключение

       За  сто лет алюминий прошел большой путь – от редкого ювелирного металла до современного широко распространенного и необходимого в технике материала, второго по значению после железа. Во всем мире ученые и инженеры продолжают работать и совершенствовать алюминиевые сплавы, и перед этим «серебром из глины» открываются все новые области применения.  
 
 
 
 

       4. Анализ и экономическая  оценка тяжелого  цветного металла  – меди. 

       4.1. Введение

       Медь  – один из семи металлов, известных  с глубокой древности. Переходный период от каменного к бронзовому веку (4 – 3 тысячелетие до н.э.) назывался медным веком. В этот период появляются медные орудия. Медь – это один из первых металлов, которые человек начал использовать для практических целей вместо камня.

       4.2. Основное сырье  и способ изготовления  меди

       Медь добывают из оксидных и сульфидных руд. Из сульфидных руд выплавляют 80% всей добываемой меди. Как правило, медные руды содержат много пустой породы. Поэтому для получения меди используется процесс обогащения. Медь получают методом ее выплавки из сульфидных руд. Процесс состоит из ряда операций: обжига, плавки, конвертирования, огневого и электролитического рафинирования. В процессе обжига большая часть примесных сульфидов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинства медных руд пирит FeS₂ превращается в Fe₂O₃. Газы, образующиеся при обжиге, содержат CO₂, который используется для получения серной кислоты. Получающиеся в процессе обжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Жидкий медный штейн (Cu₂S с примесью FeS) поступает в конвертор, где через него продувают воздух. В ходе конвертирования выделяется диоксид серы и получается черновая или сырая медь. Для извлечения ценных металлов (Au, Ag, Te) и для удаления вредных примесей черновая медь подвергается сначала огневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом примеси железа, цинка и кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. А медь разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.

       4.3. Свойства меди

       Чистая  медь - ковкий и мягкий металл красноватого, в изломе розового цвета, местами  с бурой и пестрой побежалостью, тяжелый (плотность 8,93 г/см³) , отличный проводник тепла и электричества, уступая в этом отношении только серебру (температура плавления 1083 ^oC). Медь легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы, но сравнительно мало активна. В сухом вохдухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Но она достаточно легко вступает в реакции: уже при комнатной температуре с галогенами, например с влажным хлором образует хлорид CuCl₂, при нагревании с серой образует сульфид Cu₂S, с селеном. Но с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют, например, соляная и разбавленная серная кислоты. Но в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей. В атмосфере, содержащей CO₂, пары H₂O и др., покрывается патиной - зеленоватой пленкой основного карбоната (Cu ₂ (OH) ₂ CO ₃)), ядовитого вещества.

       Сплавы, повышающие прочность и другие свойства меди, получают введением в нее добавок, таких, как цинк, олово, кремний, свинец, алюминий, марганец, никель. На сплавы идет более 30% меди.

       Латуни - сплавы меди с цинком (меди от 60 до 90% и цинка от 40 до 10%) - прочнее меди и менее подвержены окислению. При присадке к латуни кремния и свинца повышаются ее антифрикционные качества, при присадке олова, алюминия, марганца и никеля возрастает антикоррозийная стойкость. Листы, литые изделия используются в машиностроении, особенно в химическом, в оптике и приборостроении, в производстве сеток для целлюлозно-бумажной промышленности.

       Раньше  бронзами называли сплавы меди (80-94%) и  олова (20-6%). В настоящее время  производят безоловянные бронзы, именуемые по главному вслед за медью компоненту.

Алюминиевые бронзы содержат 5-11% алюминия, обладают высокими механическими свойствами в сочетании с антикоррозийной стойкостью.

Свинцовые бронзы, содержащие 25-33% свинца, используют главным образом для изготовления подшипников, работающих при высоких давлениях и больших скоростях скольжения.

Кремниевые  бронзы, содержащие 4-5% кремния, применяют как дешевые заменители оловянных бронз.

Бериллиевые бронзы, содержащие 1,8-2,3% бериллия, отличаются твердостью после закалки и высокой упругостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих изделий.

Кадмиевые бронзы - сплавы меди с небольшим количества кадмия (до1%) - используют при производстве троллейных проводов, для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий и в машиностроении.

       Припои - сплавы цветных металлов, применяемые при пайке для получения монолитного паяного шва. Среди твердых припоев известен медно-серебряный сплав (44,5-45,5% Ag; 29-31%Cu; остальное - цинк).

       4.4. Применение меди

       Медь, ее соединения и сплавы находят широкое  применение в различных отраслях промышленности.

       В электротехнике медь используется в  чистом виде: в производстве кабельных  изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры.

       Высокая вязкость и пластичность металла позволяют применять медь для изготовления разнообразных изделий с очень сложным узором. Проволока из красной меди в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается скатным серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий.

       Коэффициент линейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же, как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании эмаль хорошо держится на медном изделии, не трескается , не отскакивает. Благодаря этому мастера для производства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам.

       Как и некоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO₄^.5H₂O. В большом количестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь необходима всему живому.

       4. 5. Новейшие технологии  в производстве  меди

       Чилийская компания планирует использовать бактерии при производстве меди с помощью  бактерий. Компания планирует использовать бактерий при производстве меди на экстремальном заводе для того, чтобы найти более дешевые пути обогащения низкокачественной руды на своих рудниках. Планирует внедрить технологию обогащения сырья с низким содержанием меди с помощью генетически модифицированных бактерий, способных накапливать металл. Это позволит дополнительно получать более 100 тыс. тонн меди в год.

       4.6. Заключение 

       В технике медные сплавы и поныне занимают важное место, однако в машиностроении их «лучшие времена» прошли. В настоящее время дефицитные медные сплавы стремятся использовать только в тех случаях, когда их особые свойства помогают достичь существенных технических и экономических преимуществ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       5. Анализ и экономическая  оценка благородного  цветного металла – золота