С электрохимической точки зрения металлами называются элементы, имеющие в процессе реакций преимущественную тенденцию к отдаче электронов, в отличие от металлоидов, стремящихся к их присоединению.

Многочисленность металлов, различия в их свойствах, методах получения и областей потребления определяет необходимость их классификации по отдельным группам.

В современных условиях используют промышленную классификацию металлов, которая отражает исторически сложившуюся структуру металлургической промышленности и, как следствие этого, структуру подготовки инженерно-технических кадров нашей страны.

Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: черные и цветные (в зарубежной практике металлы обычно делят на железные и нежелезные).

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. Своё 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.

3. Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди всех металлов плотность (удельную массу).

4. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий, иридий). Эта группа металлов обладает высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред.

5. Редкие металлы. В свою очередь подразделяются на подгруппы:

а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий;

б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий, цезий;

в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен, теллур;

г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды;

д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элементы.

В металлургической промышленности используют почти все виды полезных ископаемых.

Основным сырьем для получения металлов являются руды - горные породы, содержащие в своем составе металл или металлы в количествах, которые при современном уровне развития обогатительной и металлургической техники могут быть экономически выгодно извлечены в товарную продукцию.

Руды состоят из минералов - природных химических соединений, подразделяющихся на рудные (ценные) и пустую породу. К пустой породе относят минералы, не содержащие извлекаемых элементов; эти породы чаще всего представлены кварцем, карбонатами, силикатами, алюмосиликатами.

Хотя с металлургической точки зрения пустая порода не представляет ценности, безотходные технологии должны полностью использовать все сырьевые ресурсы. Пустая порода может с успехом применяться при получении ряда строительных материалов (цемент, шлаковата, шлаковая брусчатка и пр.)

Состав руды определяют химическим анализом. Кроме химического состава для практических целей необходимо знать и вид присутствующих в сырье минералов (минералогический состав), и распределение всех компонентов сырья между минералами (фазовый состав).

В зависимости от вида присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных металлов делятся на группы:

1) сульфидные, в которых металлы находятся в форме сернистых соединений. Примером таких руд могут служить медные, медно-никелевые 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 находитьсякаквсульфидной, 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 таблице 1.

Таблица 1 - 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 с меньшим содержанием основного компонента экономически и технически выгодно перерабатывать руду.

Руды, как и другие полезные ископаемые, образуют естественные скопления, которые называются месторождениями. Содержание ценных элементов в месторождениях значительно выше их среднего содержания в земной коре. Самый распространенный металл в природе - алюминий (7,5%), наиболее редкие - полоний и актиний (их кларк близок к 10 -15).

Распространенность в земной коре некоторых металлов характеризуется следующими величинами, %:

Ряд металлов, например рассеянных, собственных месторождений не образует. Обычно в очень небольших концентрациях они присутствуют в виде примесей в минералах основных цветных металлов.

Так как большинство руд цветных металлов бедны, руды обычно обогащают, т.е. повышают содержание металлов в сырье, поступающем на металлургическую переработку. Основной метод обогащения, применяемый в цветной металлургии - флотация. Перед обогащением сырье проходит механическую подготовку: дробление, измельчение, грохочение.

Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяются на две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов, гидрометаллургические процессы - в водных средах при температурах максимально до 300 0 С.

Выделяемые иногда в отдельную группу электрометаллургические процессы могут быть как пиро-, так и гидрометаллургическими. Отличительной особенностью этих процессов является использование электроэнергии в качестве движущей энергетической силы для их протекания.

Пирометаллургические процессы

Пирометаллургические процессы по характеру поведения участвующих в процессе компонентов иих конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка и дистилляция.

Обжиг - металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500-1200°С) с целью изменения химического состава перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными. В цветной металлургии применяют следующие виды обжига: кальцинирующий, окислительный, восстановительный, хлорирующий и фторирующий.

Плавка - пирометаллургический процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала.

Различают две разновидности плавок - рудные и рафинировочные. По характеру протекания химических реакций рудные плавки подразделяют на виды: восстановительная, плавка на штейн, электролиз расплавленных солей, металлотермическая, реакционная. Некоторые металлы получают проведением восстановительной или окислительной плавки. В случае переработки сульфидного сырья содержащуюся в рудах серу часто используют в качестве топлива и химического реагента.

Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных металлов от примесей. В их основе лежат различия в физико-химических свойствах основного металла и металлов-примесей. Различают разновидности рафинировочных плавок: окислительное (огневое) рафинирование, ликвационное, сульфидирующее рафинирование, хлорное рафинирование. Могут использоваться дистилляционные процессы - процессы испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения. Дистилляция с целью рафинирования называется ректификацией.

При получении металлов высокой степени чистоты также используют различные специальные методы: зонная плавка (в металлургии алюминия, вольфрама), иодидное рафинирование титана и др.

Гидрометаллургические процессы

Эта группа процессов проводится при низких температурах на границе раздела чаще всего твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.

Применяющиеся на действующих предприятиях цветной металлургии технологические процессы в большинстве случаев далеко не полностью удовлетворяют современным требованиям. Ряд процессов и их аппаратурное оформление устарели и нуждаются в замене новыми, более совершенными.

9) обеспечение возможности создания непрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линий получения металлов;

10) обеспечение безопасных и безвредных условий труда и охраны окружающей природы.

Значение цветных металлов в развитии всех отраслей народного хозяйства очень велико. Цветные металлы являются важнейшим конструкционным материалом. Несмотря на большие успехи органической химии и быстрое развитие полимерных материалов выпуск цветных металлов не только не снижается, но и растет опережающими темпами. Это объясняется их уникальными свойствами -- жаропрочностью, тугоплавкостью, высокой электропроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным весом, твердостью, способностью образовывать многочисленные сплавы и др Металловедение (металлообработка): А. М. Адаскин, В. М. Зуев -- Москва, Академия, 2007 г..

Создание мощной материально-технической базы тесно связано с развитием производства новых материалов со специальными свойствами для прогрессивных технологических процессов, характеризующихся высокими температурами, давлением, скоростями, работой в среде плазмы, в условиях ядерного излучения, в агрессивных средах. В получении таких материалов ведущую роль играют цветные металлы и сплавы на их основе.

Цветные металлы применяются в машиностроении, электротехнике, приборостроении, радиотехнике, электронике, промышленности, строительстве, в быту, в атомной и ракетной технике.

Области применения цветных металлов и сплавов исключительно широки, поэтому ассортимент их производства чрезвычайно разнообразен. Обычно цветные металлы и сплавы используются в виде полуфабрикатов (листов, лент, фольги, труб, прутков, профилей, проволоки) или отливок и поковок.

Развитие новых отраслей промышленности потребовало освоения производства цветных металлов высокой степени чистоты. Чистые и сверхчистые цветные металлы обладают свойствами, отличными от так называемых технически чистых металлов, т. е. повышенной коррозионной стойкостью, электро- и теплопроводностью, высокой пластичностью и др.

Сырьем для производства цветных металлов являются руды, горючие полезные ископаемые, флюсовые материалы. Производство многих цветных металлов связано с потреблением большого количества электроэнергии.

Металлургия цветных металлов характеризуется разнообразием технологических процессов и большим количеством (свыше 70 наименований) выплавляемых металлов. При этом развиваются и совершенствуются как традиционные методы, так и новые, в числе которых обжиг руд в кипящем слое, плавка при помощи электроэнергии, природного газа и кислорода, автоклавные процессы, гидрометаллургия и др.

Металлургический комплекс включает в себя промышленные виды экономической деятельности, продукцией которых являются разнообразные металлы. Металлургия занимается не только выплавкой металлов и производством различных видов металлопроката, но также добычей и подготовкой руд, производством вспомогательных материалов – огнеупоров, кислорода и др. То есть в состав металлургического комплекса входят как добывающие, так и обрабатывающие виды экономической деятельности.

Используемые в настоящее время металлы делятся на черные (железо, марганец, хром) и цветные (все остальные металлы) – соответственно, различают черную и цветную металлургию. Металлургический комплекс играет большую роль в экономике Российской Федерации в целом и ее отдельных субъектов. На него приходится около 12% промышленных основных фондов страны, около 10% производства промышленной продукции, 6% занятых в промышленности. Комплекс играет значимую роль во внешней торговле России – металлы составляют около 20% объема экспорта страны в денежном выражении. То есть черная и цветная металлургия – это важная отрасль специализации экономики России в мировом хозяйстве, вторая по значению после топливной промышленности.

Металлургия включает ряд процессов, основные из которых образуют главную технологическую цепочку: 1) добыча руд металлов; 2) обогащение руд; 3) производство (выплавка) чернового металла – обычно с помощью кокса, т.е. специально переработанного каменного угля; 4) производство чистого металла (рафинирование); 5) производство металлического проката разных видов (листы, проволока и т.д.). Кроме этого к металлургии относится изготовление изделий из металлических порошков, производство различных сплавов металлов и получение слитков, изготовление простых металлических изделий для конечных потребителей и другие процессы. При этом основная часть продукции металлургии потребляется не населением, а другими видами экономической деятельности, прежде всего машиностроительным комплексом и строительством.

Главными факторами, определяющими территориальную организацию металлургии, являются следующие:

• высокая степень сырье- и топливоемкости. Для изготовления 1 т стали расходуется до 7 т сырья и топлива. Еще больше расход сырья и топлива в цветной металлургии. Для производства 1 т свинца или цинка требуется 16 т руды и 3 т топлива; для производства 1 т олова нужно более 300 т руды и 1 т топлива и т.д. Поэтому подавляющее большинство крупных металлургических предприятий располагаются вблизи месторождений руды, источников топлива или между ними;
• высокая трудоемкость производства – обычно на крупном металлургическом заводе работают 20–40 тыс. человек, что при среднем коэффициенте семейности даст численность населения города не менее 90 тыс. человек. Черная металлургия – более трудоемкая отрасль, чем цветная металлургия. Поэтому поддерживать функционирование крупных металлургических предприятий можно только в больших городах;
• значительная энергоемкость производства. Доля затрат на электроэнергию в себестоимости стального проката составляет 30–40%. Большинство производств цветной металлургии являются еще более энергоемкими, особенно выплавка алюминия, титана, магния. Поэтому для металлургических предприятий важна близость мощных источников дешевой электроэнергии;
• значительное негативное воздействие на окружающую среду. Металлургия – один из самых главных загрязнителей атмосферного воздуха и поверхностных вод. Отходы металлургических предприятий могут занимать огромные площади. В итоге почти все города – крупные центры металлургии России имеют очень загрязненную атмосферу и нарушенные природные системы в своих окрестностях;
• высокий уровень комбинирования и концентрации производства – основная часть продукции производится па крупных предприятиях-комбинатах. Руды металлов часто содержат, кроме основного, большое количество сопутствующих элементов. При этом на одном предприятии производятся разные виды продукции, отходы металлургических предприятий используются для производства химических продуктов и строительных материалов. В итоге металлургические предприятия, как правило, производят большой набор продукции, и не только металлургической.

Снизить значение этих факторов может повсеместное внедрение технологических новаций. Применение современных технологий (конверторного способа получения стали, непрерывной разливки и др.) позволяет значительно сократить потребление сырья и энергии, снизить загрязнение окружающей среды, увеличить качество продукции, сократить трудоемкость производства. В конечном итоге инновации могут резко повысить экономическую эффективность металлургического производства, обеспечить рост его конкурентоспособности на международных рынках металлов. Но для этого необходимы очень значительные инвестиции, которые окупятся в лучшем случае только через 15–20 лет.

Черная металлургия включает в себя:

• – добычу руд черных металлов (железа, марганца, хрома);
• – их обогащение;
• – производство огнеупоров;
• – добычу нерудного сырья для черной металлургии;
• – производство чугуна, стали, проката черных металлов, а также ферросплавов, вторичную переработку черных металлов.

Динамика производства основных видов продукции за последние 50 лет показана в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Динамика производства продукции черной металлургии в России за период 1970–2010 гг., млн т

Технологическим стержнем черной металлургии является металлургический передел, т.е. последовательная цепочка; руда – концентрат – чугун – сталь – прокат. Остальные производства являются смежным, сопутствующими; одни из них необходимы или способствуют основному технологическому процессу (производство огнеупоров и др.), другие имеют самостоятельное хозяйственное значение, функционируя на базе побочных результатов основного технологического процесса, отходов сырья и топлива (производство строительных материалов и др.). Особенно важно для России производство стальных труб, так как по трубопроводам транспортируется основная часть российского экспорта – нефть и природный газ. На территории России черная металлургия получила значительное развитие с начала XVIII в., когда реформы Петра I потребовали для оснащения армии, развития экономики большое количество чугуна и стали. Первые относительно крупные предприятия возникли в Туле и на Урале, они работали на местных рудах и древесном угле. В советский период были построены новые мощные комбинаты на Урале (около месторождений руды), в Кузнецком угольном бассейне, вблизи месторождений железной руды Курской магнитной аномалии (КМА), на севере европейской части России.

Самыми большими объемы производства черных металлов в стране были в 1980-х гг., но это определялось в основном чрезмерно высокой металлоемкостью отечественного машиностроения. В развитых странах еще с 1950-х гг. использование стали как конструкционного материала стало сокращаться. Другим недостатком развития черной металлургии в России в советский период было широкое использование отсталых технологий. До 1990-х гг. главным был мартеновский метод производства стали, от которого уже в 1970-е гг. отказались США, Япония и страны Западной Европы из-за низкого качества получавшейся продукции. Чрезмерно большими были потери металла на стадии передела "сталь – прокат". Во время кризиса начала 1990-х гг. объемы производства в отрасли сократились примерно в 2 раза, но с 1995 г. объемы производства в черной металлургии стали расти, в значительной степени за счет экспортных поставок. В последние годы на экспорт поступает около половины продукции российской черной металлургии. В настоящее время Россия на мировом рынке стали и проката занимает второе место (после Японии), а по общему производству черных металлов – четвертое место в мире (после Китая, Японии и США).

Существует три основных типа предприятий черной металлургии:

• 1) комбинат полного цикла, где осуществляется полная цепочка технологических процессов, в результате получают чугун, затем – сталь, затем – прокат;
• 2) заводы неполного цикла: доменные заводы (на которых выплавляют чугун), сталелитейные заводы (выплавляют сталь), сталепрокатные заводы (выпускают прокат), в том числе трубопрокатные заводы, заводы по производству ферросплавов (сплавов чугуна с легирующими металлами – марганцем, хромом и др.), электрометаллургические заводы (производство стали и проката из железорудного концентрата без стадии чугуна);
• 3) "малая металлургия" – металлургические цеха в составе машиностроительных заводов. При этом в России производство сильно сконцентрировано на крупных комбинатах полного цикла – на 30 предприятиях производится более 3/4 всей продукции отрасли.

Территориальная концентрация производства черных металлов в России также высока. В наибольшей степени она проявляется в добыче железной руды – 2/3 приходится на месторождения КМ А в Белгородской (Лебединское, Стойленское, Яковлевское) и Курской (Михайловское) областях. По 10–15% железной руды добывается в Северо-Западном (Костомукша и др.) и Уральском (Качканарское и др. месторождения) федеральных округах. Остальная часть железной руды добывается в Сибирском федеральном округе (области Кемеровская, Иркутская и др. регионы). Производство стали, проката и стальных труб по федеральным округам представлено в табл. 4.4. По всем главным видам продукции лидирует Уральский федеральный округ. Слабо развито производство на Северном Кавказе и Дальнем Востоке, хотя последний обладает большими запасами металлургического сырья, позволяющими организовать мощное эффективное производство металлов.

Таблица 4.4

Производство основных видов продукции черной металлургии по федеральным округам Российской Федерации в 2010 г., млн т

Территориально в России можно выделить три основные металлургические базы – группы предприятий, которые используют общие рудные или топливные ресурсы и обеспечивают главные потребности страны в черных металлах.

• 1. Уральская металлургическая база (Свердловская и Челябинская области Уральского федерального округа, прилегающие районы Оренбургской области, Республики Башкортостан, Пермского края) – самая старая в России, на нее приходится около 1/2 производства стали, проката и труб. Мощнейшие комбинаты полного цикла расположены в Магнитогорске, Челябинске, Нижнем Тагиле, Новотроицкс. Самые крупные в стране трубные заводы находятся в Челябинске, Первоуральске, Полевском, Каменск-Уральском. Имеются собственные месторождения железных руд, но основную массу сырья приходится завозить с месторождений КМА и из Казахстана. Есть небольшие месторождения марганцевых и хромовых руд, но их также не хватает. Коксующийся уголь в основном поступает из Сибири (Кузнецкий бассейн). В итоге базу можно считать неперспективной, так как предприятия не обеспечены ни сырьем, ни топливом, которые являются главными факторами производства в черной металлургии.
• 2. Сибирская металлургическая база сформировалась в 1930-е гг. около месторождений коксующегося угля Кузнецкого бассейна. Главный центр – Новокузнецк. База наиболее обеспечена сырьем, так как располагает необходимыми месторождениями железной и марганцевой руды. Не хватает только хрома (завозится из Казахстана). Недостатком базы является се территориальная удаленность от основных потребителей продукции в России и зарубежных странах, что значительно удорожает стоимость продукции для конечных потребителей из-за транспортировки сравнительно дорогим железнодорожным транспортом.
• 3. Центральная металлургическая база сформировалась в 1960-е гг. в европейской части страны. Главные комбинаты полного цикла расположены в Череповце ("Северсталь") и Липецке (НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат). В Старом Осколе действует мощный электрометаллургический завод, производящий сталь сразу из железорудного концентрата. На территории этой базы находятся крупнейшие в стране месторождения железных руд. Но уголь приходится завозить из Кузнецкого и Печорского бассейнов, а марганец и хром – из других государств. Тем не менее, эта база является наиболее перспективной, так как здесь расположены самые современные предприятия вблизи основной сырьевой базы, а также сравнительно близко от экспортных портов и основных потребителей продукции внутри страны.

Цветная металлургия включает добычу руд цветных металлов, их обогащение, выплавку черновых металлов, рафинирование (очистка черновых металлов), производство сплавов и проката, а также добычу алмазов и других драгоценных камней. Технологическая цепочка в цветной металлургии, как правило, выглядит следующим образом: добыча руд – обогащение руд (получение концентрата руд) – плавка в печах обогащенной руды (получение чернового металла) – рафинирование (очищение от вредных примесей, получение рафинированного (очищенного) металла) – изготовление различных сплавов и видов проката.

В состав цветной металлургии входят производства, связанные с получением отдельных металлов и их групп: промышленность медная, свинцово-цинковая, никелькобальтовая, алюминиевая, титано-магниевая, вольфрам- молибденовая, а также производство благородных, редких металлов, алмазов и драгоценных камней. Распределение цветных металлов по группам показано на рис. 4.1.

Российская цветная металлургия развивается, в основном, на собственной сырьевой базе, но обеспеченность отрасли разными видами сырья неодинаковая, особенно при перспективной оценке. Например, разведанных запасов медных руд при современных масштабах добычи хватит на 85 лет, руд олова – на 55 лет, молибденовых руд – примерно на 130 лет. Не хватает в России высококачественных бокситов.

За последние 20 лет состояние сырьевой базы цветной металлургии ухудшалось, так как:

• выбытие мощностей по добыче руды не компенсировалось вводом новых;
• наблюдается истощение запасов руд во многих крупных месторождениях из-за их чрезмерной длительной эксплуатации;
• сократились масштабы геологоразведочных работ;
• ужесточились экологические нормативы, что сделало экономически невыгодным освоение некоторых месторождений.

Рис. 4.1.

Руды тяжелых металлов, как правило, имеют низкий процент содержания металла в руде, поэтому их обогащение обязательно. Например, медные руды содержат 5% и менее процентов меди, а в концентрате содержание меди увеличивается до 35%. Содержание металла в свинцово-цинковых рудах максимум 5–6%, а в концентрате – 78%. Содержание олова в оловянных рудах – менее 1%, а в концентрате – 65%. Получение концентратов руд цветных металлов позволяет транспортировать их на большие расстояния и тем самым территориально разобщить процессы добычи руды и производства металлов.

Производство многих цветных металлов требует большого количества электроэнергии. Особенно высокая энергоемкость характерна для выплавки легких металлов. Так, для выплавки 1 т титана требуется 30–60 тыс. кВт ч электроэнергии, магния и алюминия – 17–20 тыс. кВт-ч. Поэтому размещение предприятий по выплавке легких металлов определяется, в первую очередь, электроэнергетическим фактором. Крупнейшие заводы размещаются около мощных ГЭС, которые вырабатывают самую дешевую электроэнергию.

Производство цветных металлов и драгоценных камней в Российской Федерации сильно монополизировано. На долю 8 компаний, составляющих менее 1% от количества организаций, действующих в цветной металлургии, приходится почти половина всего объема выпускаемой продукции. Компании "Русал" и "Алроса" обеспечивают до 99% российского производства алюминия и алмазов соответственно. Компания "Норильский никель" выпускает более 40% российских металлов платиновой группы, свыше 70% меди, около 90% никеля. "Русал" и "Норильский никель" являются крупнейшими в мире производителями алюминия и никеля соответственно. На внешние рынки они поставляют до 90% производимой продукции. В советский период эти металлы (как и большая часть других цветных металлов) потреблялись внутри страны в основном предприятиями военно-промышленного комплекса. В настоящее время спрос на цветные металлы внутри России невелик, что и обуславливает большую зависимость производства от конъюнктуры мирового рынка металлов.

Максимальными объемами производства в российской цветной металлургии отличается алюминиевая промышленность – около 3 млн т металла в год. По объемам производства Россия занимает второе место в мире (после Китая). Сырьем для получения алюминия в России являются: а) бокситы (месторождения в Северо-Западном и Уральском федеральных округах); б) нефелины (в Северо-Западном и Сибирском федеральных округах). При этом российским сырьем отечественные предприятия обеспечены лишь на 40%. По этой причине в России используются такие бедные алюминием руды, как нефелины, которые в других странах мира не добываются. Большую часть сырья (бокситов и глинозема) приходится импортировать, в основном из Австралии. Из алюминиевых руд вначале выделяют окись алюминия – глинозем (Бокситогорск, Ачинск и др. центры). Размещение предприятий по производству глинозема определяется преимущественно сырьевым фактором, но некоторые российские предприятия расположены возле уже исчерпанных месторождений. Затем глинозем доставляют в районы, где вырабатывается большое количество дешевой электроэнергии.

Производство металлического алюминия – очень энергоемкое производство. Поэтому большинство алюминиевых заводов функционируют около мощных ГЭС. Почти 90% выплавки алюминия в России приходится на Сибирский федеральный округ (Красноярск, Братск, Саяногорск, Шелехов, Новокузнецк). В Красноярском крас строятся новые алюминиевые заводы – в Тайшете и около Богучанской ГЭС. Важные алюминиевые заводы расположены также в Волгограде, Волхове (Ленинградская область), Надвоицах (Республика Карелия), Кандалакше (Мурманская область), Краснотурьинске и Каменск-Уральском (Свердловская область). В последнем регионе, испытывающем дефицит электроэнергии, производство алюминия наименее эффективно с экономической точки зрения – оно возникло в годы Великой Отечественной войны, когда резко возросла потребность в алюминии для авиационной промышленности, а экономические факторы были несущественны.

Медная промышленность использует небогатые руды, поэтому основные предприятия расположены около месторождений медесодержащих руд. В настоящее время самые крупные месторождения по объемам добычи находятся в районе Норильска (Красноярский край). Большое количество месторождений, но небольших, в значительной степени уже выработанных, находится на Урале – около городов Медногорск, Гай, Сибай, Карабаш, Красноуральск, Ревда, Кировград. В Забайкальском крае находятся крупнейшие по запасам, по пока не разрабатываемые месторождения медных руд (Удоканское и др.), так как они расположены в транспортно неосвоенных районах.

В настоящее время уральские заводы – Медногорский в Оренбургской области, Карабашский в Челябинской области, Ревдинский, Красноуральский и Кировградский в Свердловской области – не обеспечиваются местной рудой и частично работают на концентратах из Казахстана. Производят черновую медь также в Норильске (Красноярский край) и, в основном из норильского концентрата, в Мончегорске (Мурманская область). Рафинирование меди размещается вблизи производств чернового металла – в городах Норильск, Мончегорск, Кыштым (Челябинская область) и Верхняя Пышма (Свердловская область).

Производство никеля размещено на территории России в тех же регионах, что и медная промышленность. Самые крупные заводы около крупных месторождений находятся в Норильске. Руды здесь добывается больше, чем имеется мощностей по производству металла, кроме никеля из руды извлекают кобальт, платину и другие металлы. Избыточные медно-никелевые концентраты направляются в Мончегорск (Мурманская область), где имеется и собственная небольшая добыча руды (Псченга). На третьем месте находится Урал с никелевыми заводами в городах Орск (Оренбургская область), Верхний Уфалей (Челябинская область) и Реж (Свердловская область), расположенных возле небольших месторождений. Перспективной сырьевой базой для никелевой промышленности являются Восточная Сибирь и Дальний Восток.

Свинцово-цинковая промышленность использует полиметаллические руды, месторождения которых находятся в горных районах. В России это Кавказ (Садон), предгорья Алтая (Салаирское и Орловское месторождения), Сихотэ- Алинь (Дальнегорск) и хребты Забайкалья (Нерчинский Завод и др.). Производство металлов, как правило, привязано к месторождениям, но одновременно свинец и цинк производят лишь во Владикавказе (Республика Северная Осетия – Алания). В Забайкальском крае производят только свинцовые и цинковые концентраты, которые поступают в другие районы страны. В Приморском крае (Дальнегорск) производят свинец и цинковые концентраты, а в Кемеровской области (Белово) – цинк и свинцовые концентраты. Цинк из привозных концентратов (российских, казахстанских и среднеазиатских) производят в Челябинске. Российские свинец и цинк, в отличие от алюминия, меди и никеля, не пользуются спросом на мировом рынке, так как используемые месторождения истощены, применяются устаревшие технологии производства.

Оловянная промышленность в России сконцентрирована на Дальнем Востоке, где расположены основные месторождения – Депутатское и Эсэ-Хайя в Республике Саха (Якутия), Солнечное в Хабаровском крае, Перевальное и Хрустальненское (Кавалерово) в Приморском крае. Самое западное месторождение олова Шерловая Гора находится уже в Забайкальском крае. Производство металлического олова расположено в Новосибирске по пути следования концентратов из районов добычи (восточных) в районы потребления (западные). Российское олово также не пользуется спросом на мировом рынке, поэтому объемы его производства за последние 20 лет сильно сократились вместе с сокращением внутреннего потребления.

Производство легирующих металлов вольфрама и молибдена привязано к месторождениям, так как содержание металлов в руде составляет десятые доли процента. И вольфрам, и молибден одновременно добываются на Джидинском (Республика Бурятия) месторождении. Кроме этого молибден добывается в Забайкальском крае и Республике Хакасия, а вольфрам – в Приморском крае. Российские легирующие металлы также не пользуются спросом на мировом рынке, поэтому объемы производства за последние 20 лет сократились почти в 10 раз, многие предприятия (Тырныаузский вольфрамо-молибденовый комбинат в Кабардино-Балкарской Республике и др.) в настоящее время не действуют.

Добыча и производство золота также территориально совпадают из-за низкого содержания металла в руде. Основные запасы золота на территории России сосредоточены в коренных месторождениях, но их освоение требует значительных затрат. Поэтому разрабатываются в основном россыпные месторождения, на освоение которых требуется значительно меньше средств и времени. Около 2/3 добычи золота в России дает Дальневосточный федеральный округ, в котором больше всего производится этого металла в Республике Саха (Якутия), Магаданской области и Чукотском автономном округе. В основном это небольшие прииски, многие из которых разрабатываются еще с 1930-х гг. Но открыты и крупные коренные месторождения – Нежданинское и др. На втором месте по производству золота находится Сибирский округ, в котором выделяются Иркутская область (с крупными месторождениями около города Бодайбо) и Красноярский край. На третьем месте – Уральский округ с Кочкареким (Челябинская область) и Березовским (Свердловская область) месторождениями, самыми старыми в России, где золото добывают еще с XVIII в.

К цветной металлургии относится также добыча алмазов и других драгоценных камней. В настоящее время 99% добычи алмазов приходится на западную часть Республики Саха (Якутия), где расположены месторождения Айхал, Эбеляхское и др. Кроме этого имеется добыча алмазов на севере Пермского края. Крупные, но пока не разрабатываемые, месторождения открыты в Архангельской области (Ломоносовское и др.) – их освоение замедлилось из-за снижения мирового спроса на алмазы после глобального кризиса 2008 г., который во многих странах еще не преодолен.

Значительная часть алмазов и золота, добываемых в России, поступает на внешние рынки. Но эти рынки очень неустойчивые, так как драгоценные металлы и камни имеют не только промышленное, но и большое инвестиционное значение – цены на них могут колебаться в широких пределах в течение коротких промежутков времени. Большая волотильность (неустойчивость) мирового рынка является серьезным препятствием для стабильного развития российских металлургических компаний.

• Российский статистический ежегодник. 2001. М.: Госкомстат, 2001; Российский статистический ежегодник. 2011. М.: Росстат, 2011.
• Регионы России. 2011. М.: Росстат, 2011. С. 506–508.

Машиностроение, строительство, электротехника - все эти и многие другие сферы невозможно представить без металлургии. Что представляет собой эта отрасль? Как добывают металлы? Какими они бывают? Ответы на эти вопросы можно найти в статье.

Определение

Металлургия - это направление в промышленности, которое занимается добычей сырья, производством сплавов, утилизацией отходов и производством продукции из полученных сплавов.

Металлургия, в зависимости от сырья, делится на чёрную и цветную. К первой группе относятся металлы, содержащие железо, хром и марганец. Ко второй - все остальные.

Процесс производства продукции из металлов включает такие этапы, как:

добыча и подготовка руды;

• утилизация.

Металлургическая промышленность включает процессы получения многих элементов периодической таблицы, кроме газов и галоидов.

Черная

Черная металлургия - это отрасль металлургии, которая занимается производством сплавов из железа, марганца и хрома.

В природе железо встречается в руде в форме карбонатов, гидроксида и оксида. Поэтому первый этап производства в чёрной металлургии - это освобождение железа из руды при помощи доменной печи при температуре более +1000 С. При необходимости на данном этапе производится изменение свойств металла.

Черная металлургия включает такие направления, как:

• добычу и обогащение нерудного сырья;
• производство чёрных металлов;
• производство труб из стали и чугуна;
• коксохимическую промышленность;
• вторичную обработку сырья.

Производимая на металлургических комбинатах продукция бывает:

основной, то есть конечным продуктом, готовым для эксплуатации;

побочной, то есть продуктом, который получается при производстве основной продукции;

попутной, то есть продукцией, оставшейся после производства основной и побочной, которая используется либо как вторсырье, либо как есть.

Добыча

Металлы получают путем извлечения из руд или вторсырья. Вся руда, содержащая ценные элементы, делится на богатую (более 55% ценных элементов), бедную (менее 50 %) и убогую (менее 25 %).

При добыче руды используются три основных метода:

открытый;

подземный;

комбинированный.

Открытый метод - самый распространенный и экономичный. При таком методе предприятием организуется необходимая инфраструктура и разрабатывается месторождение карьерами.

Подземный метод используется в том случае, если породы лежат глубоко под землей. По сравнению с открытым, этот метод дороже из-за необходимости специального технического оснащения. Кроме этого, он актуальнее, чем другие методы, так как запасы железной руды, залегающей близко к поверхности, практически истощены. Таким способом добывается более 70% железной руды.

Комбинированный способ, как понятно из названия, сочетает в себе два вышеуказанных метода.

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.

Продукция

Продукция черной металлургии широко используется в машиностроении, строительстве, коммунальном хозяйстве, военно-промышленном комплексе и сельском хозяйстве.

К основной продукции черной металлургии можно отнести:

металлопрокат (листовой, фасонный, сортовой) ;

готовый прокат;

• чугун передельный и литейный;

  огнеупоры;

  химическую продукцию.

Цветная

К цветной металлургии относятся все виды металлов, кроме железосодержащих. Сама отрасль делится на металлургию легких и тяжелых металлов, которые основываются на таких свойствах металла, как плотность и вес. Все виды металлов, используемых в цветной металлургии, можно разделить на:

легкие, к которым относятся магний, алюминий, титан;

тяжелые, к которым относятся олово, цинк, свинец, никель, медь;

редкоземельные, к которым относятся эрбий, тербий, самарий, празеодим, неодим, лантан, диспрозий, церий, иттрий;

искусственные, к которым принадлежат америций, технеций;

малые, к которым относятся ртуть, кобальт, мышьяк, сурьма, кадмий, висмут;

рассеянные, к которым принадлежат селен, германий, таллий, индий, галлий, цирконий;

легирующие, к которым относятся ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам;

благородные, к которым относятся платина, золото, серебро.

По сравнению с черной, цветная металлургия более энергозатратная. Это объясняется низким содержанием полезных веществ в цветных металлах и, как следствие, большим количеством отходов, требующих особенной утилизации и переработки химическими способами.

Добыча сырья и его обогащение

Цветные металлы получают из рудного концентрата, то есть из обогащенной руды. Под обогащением понимают разделение руды на металлы и минералы, что позволяет искусственно увеличить содержание металлов в сырье. При разделении используются такие технологии, как дробление, измельчение, сортировка и переработка путём обезвоживания. После получения металла из руды он проходит обработку и шлифовку.

После всех этих процессов металл отправляют в цеха или предприятия, где будет изготовлена необходимая продукция - станки, трубы, машины и т.д.

Рафинирование

Черновые металлы содержат различные примеси, которые влияют на физико-химические свойства металлов, а также содержат важные дорогостоящие элементы, например золото или серебро. Поэтому одним из важнейших этапов обработки металла является рафинирование, то есть очистка. Рафинирование проводится тремя способами:

электролитическим - используется для глубокой очистки цветных металлов;

химическим, который который также называется аффинажем, применяется при глубокой очистке золота;

пирометаллургическим - используется при производстве металлов высокой чистоты и делится на фракционное, ликвационное, окислительное рафинирование.

Получение сплавов

Сплав - это вещество, состоящее из двух и более металлов и неметаллов, например, углерод, фосфор, мышьяк.

Сплавы не получаются из двух похожих металлов. Например, цинка и свинца.

Самыми ценными сплавами являются:

бронза - соединение меди и олова;

латунь - соединение меди и цинка;

дуралюмин - соединение алюминия, меди, железа,кремния, магния и марганца;

карбид вольфрама - соединение вольфрама с углеродом и кобальтом;

нихром - соединение из никеля, хрома и железа;

ални - соединение немагнитного алюминия, никеля и кобальта.

Продукция отрасли

Человеку, незнакомому близко с металлургией, при упоминании о цветных металлах первыми на ум приходят золото и серебро. Выше было рассмотрено все многообразие цветной металлургии. Здесь же рассмотрим продукцию, которая производится в данной сфере. Это:

• сортовой прокат - шестигранник, пруток, проволока;
• листовой прокат - полоса, лента, лист.

Кроме профильной, на металлургических заводах и комбинатах производится химическая продукция - хлор, поташ, серная кислота, элементарная сера, цинковый и медный купорос.



Типы баз и факторы их размещения

Прежде чем рассмотреть основные металлургические базы в мире и в России, стоит кратко описать типы баз и факторы их размещения.

В металлургической промышленности выделяют 3 типа баз.

База, работающая с собственными рудой и углем.

База, работающая либо с собственной рудой и привозным углем, либо с привозной рудой и собственным углем.

Работающая недалеко от угольных бассейнов или недалеко от потребителя.

Факторам, влияющими на расположение металлургических центров, можно назвать:

потребительский , к которому относится близость крупных машиностроительных комплексов - основных потребителей стали;

экологический , к которому относятся устаревшие предприятия, использующие один из самых “грязных” способов производства - доменный процесс;

транспортный , к которому относятся предприятия, использующие привозные руду и уголь, так как находятся вдали от их источников;

топливный , к которому относятся предприятия, находящиеся недалеко от угольных бассейнов;

сырьевой , к которому относятся предприятия, расположенные поблизости к местонахождениям руды.

Металлургия в мире

Мировая металлургия сосредоточена в 98 странах мира, из которых руда добывается только в 50. Лидерами являются пять стран - это Китай, Бразилия, Россия, Австралия и Индия, который поставляют на мировой рынок пости 80 % сырья. Большая часть мировых запасов руд - это материал среднего и низкого качества, требующий обогащения в процессе производства. Руд высокого качества в мире очень мало. Например, запасы России как одного из лидеров металлургической промышленности составляют всего 12 % от мировых запасов.

Больше всего руды добывается в Китае, а полезного железа - в России.

Лидирующими компаниями, которые регулируют мировой процесс добычи и производства руды и металлов, являются компании Arcelor Mittal, Hebei Iron & Steel, Nippon Steel.

Arcelor Mittal - это компания, образованная благодаря слиянию предприятий Индии и Люксембурга. Ей принадлежат предприятия в 60 странах мира, в том числе российское "Северсталь-Ресурс" и украинское "Криворожсталь".

Hebei Iron & Steel Group - еще одна компания, образованная в результате слияния нескольких компаний. Но вляется не частным, а государственным предприятием, зарегистрированным в Китае. Здесь производится уникальный продукт - ультратонкий холоднокатанный лист и стальные плиты. Кроме добычи и производства, компания занимается исследовательской деятельность и инвестициями.

Nippon Steel и Sumitomo Metal Industries - японский лидер по производству стали. Доменные печи этой компании были установлены еще в 1857 году.

Металлургия России

В российской экономике металлургия занимает второе место после нефтегазовой промышленности. В данной сфере трудятся более 2 % работающих граждан в стране на 1,5 тыс. предприятий.

В РФ три есть основные базы черной металлургии, размещение которых объясняется близостью источников руды и бассейнов угля:

Уральская;

Сибирская;

Центральная.

Самое старое и крупное предприятие металлургии - Уральское, где производится половина всей продукции черной металлургии в России. Центрами Уральской металлургии являются Екатеринбург, Нижний Тагил, Челябинск и Магнитогорск. Крупнейшие предприятия - Чусовский металлургический завод и Челябинский металлургический комбинат.

Сибирская металлургическая база - самая молодая из трех и строится на смену Уральской, где исчерпаны запасы металлов практически исчерпаны. Здесь расположены всего два крупных металлургический комбината - Кузнецкий и Западно-Сибирский.

Центральная металлургическая база находится в Белгородской и Курской областях. Крупнейшим металлургическим комбинатом и заводами является Новолипецкий металлургический комбинат и заводы в Старом Осколе и Туле.

93% процента выпускаемой продукции приходится на долю шести крупных центров металлургии. Это:

ПАО “Северсталь”;

ОАО “Мечел”;

“Евраз”;

ОАО “Металлоинвест”;

ОАО “Новолипецкий металлургический комбинат”;

ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”.

Металлургия - промышленность, которая играет важную роль в жизни каждого человека.

Цветными называются металлы, которые не содержат железо в значительных количествах. Это сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка. Медь обеспечивает высокую тепло- и электропроводность, сплав меди и цинка (латунь) применяется как недорогой коррозионностойкий материал, сплав меди с оловом (бронза) обеспечивает прочность конструкций.

Сплавы никеля с медью обладают высокой коррозионной стойкостью, сплавы никеля с хромом имеют высокое тепловое сопротивление, сплавы никеля с молибденом отличаются стойкостью к соляной кислоте. Алюминиевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью. Сплавы на основе магния очень легкие, но не очень прочные, сплавы на основе титана обладают прочностью и легкостью. Все эти разновидности цветных металлов и сплавов широко применяются в промышленности, самолетостроении, приборостроении, для производства предметов, необходимых в быту.

Цветная металлургия – это отрасль тяжелой промышленности, которая занимается добычей, обогащением и переработкой руды цветных металлов. Руды цветных металлов обладают очень сложным составом, который различен не только в разных месторождениях, но даже в пределах одного месторождения на разных участках добычи руды. Часто встречающиеся полиметаллические руды состоят из свинца, цинка, меди, золота, серебра, селения, кадмия, висмута и других редких металлов.

Главная задача предприятий цветной металлургии – выявить и разделить металлы, при этом руда может проходить несколько десятков стадий переработки. Основные компоненты могут перерабатываться на месте добычи, другие – на специализированных предприятиях, благородные, редкие и рассеянные металлы извлекаются из руды на специализированных заводах путем рафинирования цветных металлов.

В Российской Федерации встречаются месторождения руд практически всех цветных металлов. Медные руды добывают, в основном, в Красноярском крае и на Урале. Алюминий добывают на Урале, в Западной Сибири (Новокузнецк), Восточной Сибири (Красноярск, Братск, Саянский). Свинцово-цинковые месторождения разрабатываются на Северном Кавказе (Садон), в (Нерчинск), на Дальнем Востоке (Дальнегорск). Магниевые руды широко встречаются на Урале и в Восточной Сибири. Месторождения титановых руд имеются на Урале, в Западной Сибири. Месторождения медно-никелевых и окисленных никелевых руд сосредоточены на Кольском полуострове (Мончегорск, Печенга-никель), в Восточной Сибири (Норильск), на Урале (Режское, Уфалейское, Орское).

В настоящее время лидирует по запасам железной руды и никеля, обладает значительными запасами титана, платиноидов, меди, свинца, цинка, серебра и других цветных металлов. Крупнейшими предприятиями цветной металлургии являются ГМК «Норильский никель», АО «Уралэлектромедь», Уральская горно-маталлургическая компания, Новгородский металлургический завод.

По данным аналитиков ИА «INFOLine», в 2007-2011 годах производственные мощности российских металлургических предприятий значительно возрастут: по выпуску глинозема – более чем на 30%, первичного алюминия – более чем на 25%, рафинированной меди – более чем на 35%, цинка – более чем на 50%.