Виробництво кольорових металів

На сучасному етапі розвитку науково-технічного прогресу неможливо обійтися без кольорових металів, які є незамінними в машинобудуванні й особливо широко використовуються в та­ких його галузях, як електронна, електротехнічна, радіотеле­візійна, приладобудівна та ін.

В Україні кольорова металургія почала швидко розвиватися в радянський період у зв’язку з інтенсивним розвитком енер­гетики й машинобудування.

У повоєнні роки були розвідані й почалося промислове освоєння родовищ руд важливих кольорових і рідкісних металів та їх виробництво. Разом із тим Україна залишалась масштаб­ним імпортером кольорових металів.

В Україні відкриті й розробляються родовища сировинних ресурсів – алюмінію, магнію, руд титану, цирконію, нікелю, ртуті тощо.

Головними родовищами калійно-магнієвих солей в Україні є Стебниківське й Калуське в Прикарпатті та сполук магнію – Сиваське в Криму.

В Україні відкрито цілий ряд родовищ нікелю, але всі вони дрібні за величиною запасів. Найбільшими з них, які мають промислове значення, є Побузьке й Придніпровське. Найбільші родовища титанових руд знаходяться в Житомирській (Іршан­ське й Стремигородське) областях і Дніпропетровській (Само­тканське). Основні родовища хромітів на Україні відкриті в Кіровоградській і Дніпропетровській областях, але вони ще не експлуатуються. Потреба України в хромі задовольняється його імпортом з Уралу та Казахстану. Руди цирконію в Україні відкриті в Самотканському родовищі титанових руд, також вони є в Приазов’ї. В Україні є значні запаси ртуті. Основне її родо­вище – Микитівське, яке розташоване в межах м. Горлівки. Родовища ртуті є також у Закарпатті та Криму. Родовища з промисловими запасами молібдену, свинцю і цинку в Україні відсутні, а підвищені концентрації ванадію є тільки в Керчен­ських залізних рудах, які можуть бути основною сировиною для його отримання. У Дніпропетровській, Кіровоградській, До­нецькій і Закарпатській областях відкриті родовища золота й ведеться підготовка до їх експлуатації. Самостійні родовища ніобію і гафнію відсутні. Ці метали зустрічаються тільки в комплексних рудах з іншими металами.

Розвиток кольорової металургії як галузі металургійного комплексу почався з уведенням у дію в 1933 р. алюмінієвого, а в 1936 р. – магнієвого заводу в Запоріжжі, а також з організації виробництва цинку в м. Костянтинівці (Донецька обл.). За ви­пуском продукції кольорової металургії Україна займала третє місце в колишньому Радянському Союзі після Російської Феде­рації і Казахстану.

Комплекс підприємств цієї галузі в Україні здійснює видо­буток, збагачення і металургійну переробку руд кольорових і рідкісних металів. До його складу входить виробництво сплавів, прокат кольорових металів і переробка вторинної сировини.

Розміщення підприємств кольорової металургії зумовлене переважно двома основними факторами – сировинним і енерге­тичним. Підприємства, які переробляють руди з незначним уміс­том основного металу, тяжіють до джерел сировини (виплавка ртуті, нікелю, рідкісних металів та ін.) Енергомісткі вироб­ництва (титано-магнієве, цинкове, алюмінієве) розміщуються в місцях дешевої електроенергії, як правило, поблизу потужних електростанцій.

У розміщенні підприємств кольорової металургії в Україні виділяються два основні райони: Донецький і Придніпровський.

На території Донецького району знаходиться Микитівський ртутний комбінат, який включає завод, рудники й збагачувальну фабрику. Це підприємство дає понад 90 % продукції СНД. У цьому районі знаходяться Костянтинівський цинковий завод «Укрцинк», який працює на імпортній сировині з Північної Осетії та Західного Сибіру. Розміщено цей завод з орієнтацією на енергетичну базу Донбасу. В Артемівську працює завод з обробки кольорових металів, який випускає латунь, латунний і мідний прокат. Мідь і свинець імпортується з Російської Феде­рації. У м. Свердловську знаходиться завод алюмінієвого прока­ту. Придніпровський район кольорової металургії спирається на потужну енергетичну базу, яку утворюють Дніпрогес, теплові й атомні електростанції. У Запоріжжі зосереджені титано-маг­нієвий і алюмінієвий заводи. Титано-магнієвий завод одержує магнієву сировину з Калуша, Стебника й Сиваша, а титанову – з Іршанського й Самотканського родовищ. Алюмінієвий завод працює на імпортних бокситах з Уралу та інших територій зарубіжних країн. Для виробництва глинозему, яким забезпе­чується Запорізький алюмінієвий завод, біля Миколаєва побудо­вано великий глиноземний завод.

У Вольногорську поблизу Дніпродзержинської ГЕС знахо­диться Верхньодніпровський гірничо-металургійний комбінат, який працює на титано-цирконієвих рудах Самотканського родовища, а в місті Світловодську, біля Кременчуцької ГЕС, діють завод чистих металів і завод твердих сплавів.

У Кіровоградській області на базі нещодавно відкритого родовища нікелевої руди діє Побузький нікелевий завод. Для забезпечення заводу паливом використовується донецьке кок­сівне вугілля і електроенергія Південно-Української атомної електростанції. Виробництво магнію здійснюється також Ка­луським ВО «Хлорвініл».

Україна має тісні економічні зв’язки з іншими країнами СНД із забезпечення її потреб у кольорових металах. Так, з Російської Федерації надходять мідь та її сплави, цинкові концентрати, олово, дорогоцінні метали, з Узбекистану – мідь, з Казахстану – свинець і мідь, з Киргизії – сурма.

Алюміній – легкий, порівняно міцний метал, що має значне поширення. У зв’язку із широким використанням його назвали «крилатим металом». Він застосовується в усіх галузях народ­ного господарства й має велике майбутнє.

Як сировину для виробництва алюмінію можна використо­вувати боксити, алуніти, сієніти, нефеліни, а також каолін, запа­си якого на території України дуже великі. Основною алюмі­нієвою рудою, на якій базується майже вся світова алюмінієва промисловість, є боксити. Запаси бокситів на території України незначні. Промислове значення мають родовища Смілянське (Черкаська обл.) і Високопільське (Дніпропетровська обл.). Во­ни в змозі забезпечити сировиною Запорізький алюмінієвий за­вод протягом певного часу, але їхніх запасів недостатньо для збільшення виробництва алюмінію в Україні. Родовища бокси­тів відкриті, але до кінця не розвідані на півдні Дніпро­петровської області, у Приазов’ї, Карпатах. Цінною сировиною для виробництва алюмінію є алуніти. Значні запаси їх відкриті в Закарпатській області (родовища Берегівське, Беганське). Нефе­лінові сієніти як сировина для виробництва алюмінію є в При­азов’ї і Дніпропетровській області. Дуже важливою сировиною для виробництва алюмінію є каолін. Його родовища є в багатьох областях України, а видобувається він переважно у Вінницькій, Хмельницькій, Дніпропетровській і Запорізькій областях.

Алюміній (Al) (рос. алюминий, англ. aluminium, нім. Aluminium) – хімічний елемент III групи періодичної системи, його атомний номер 13, відносна атомна маса – 26,9815. У природі існує єдиний стабільний ізотоп ²⁷Al. Третій за вмістом елемент (і найпоширеніший метал) земної кори, що становить приблизно 8 % від її маси.

Назва алюміній походить від слова alumen (галун), яке у свою чергу виникло за Ісідором (VII ст. до н. е.), у зв’язку із застосу­ванням цієї речовини як протрави для фарбування: «Alumen vocatur a lumin e, quod lumen coloribus praestat tingendis». Пліній описує галуни та їхнє затосування і знаходить згадку про них ще в Геродота (V ст. до н. е.) під назвою σττπτηρία. Однак у той час галуни (тобто KAl(SO₄)₂·12H₂O) не відрізняли від сполук, дію­чих аналогічно до них наприклад залізного купоросу. У чистому вигляді галуни були отримані, очевидно, алхіміками. Земля, яка була в основі галунів, тобто оксид алюмінію, була вперше отри­мана в 1754 р. Маргграфом, і пізніше отримала назву глинозем.

Гемфрі Деві в 1808 р. визначив існування металу основи галунів, і назвав його алюміум, а пізніше алюмінум. Протягом 1808–1810 рр. він намагався електролітично виділити цей метал із глинозему, проте це йому не вдалось.

Уперше отримати металевий алюміній вдалося датському фізику Гансу Крістіану Ерстеду в 1825 р., термічним віднов­ленням безводного хлориду алюмінію амальгамою калію.

Цей спосіб був удосконалений Фрідріхом Велером, який за­мість амальгами застосував чистий калій у 1827 р. Веллеру також належить перший приблизно точний опис властивостей металу.

У 1854 р. Анрі Сент-Клер Девіль удосконалив метод Веллера й налагодив промислове виробництво алюмінію. Девіль у про­цесі отримання алюмінію замінив калій дешевшим натрієм, а також хлорид алюмінію сумішшю AlCl₃ з NaCl, за рахунок чого компоненти суміші перебували в розплавленому стані. Досліди на заводі Жавеля завершились успішно і 18 липня 1855 р. були отримані перші злитки металу масою 6–8 кг, які й були показані на Всесвітній виставці в Парижі [3]. У той час алюміній був настільки дорогим, що на виставці він був виставлений поряд зі скарбами з державної скарбниці, а імператор Наполеон III використовував посуд з алюмінію на державних прийомах.

У 1865 р. російський учений Микола Бекетов застосував реакцію взаємодії між кріолітом і магнієм для отримання алюмі­нію. Його спосіб мало чим відрізнявся від способу Девілля, але був простішим. У німецькому місті Гмелінгемі в 1885 р. був збудований завод, який працював за методом Бекетова, де за п’ять років було отримано 58 т алюмінію – більше 1/4 всього світового виробництва алюмінію протягом 1854–1890 рр.

Добування алюмінію хімічним способом не могло забезпе­чити промисловість дешевим металом, тому дослідникам дове­лось шукати інших способів виробництва алюмінію.

Ще в 1854 р. Бунзену вдалось отримати алюміній електро­літичним шляхом, а саме електролізом подвійного хлориду натрію і алюмінію.

У 1886 р. Пауль Еру у Франції і Чарльз Холл у США майже одночасно, незалежно один від одного запропонували добувати алюміній електролізом глинозему, розплавленного в кріоліті, чим започаткували сучасний спосіб добування алюмінію. Світо­ве виробництво алюмінію швидко зростало й у 1893 р. переви­щило 1 тис. тон в рік. Подальші зміни цін на нього показано в таблиці.

Алюміній – сріблясто-білий легкий метал, добрий провідник тепла і електрики, пластичний, легко піддається механічній обробці.

Кристалічна структура і атомний радіус

Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну решітку (просторова група Fm3m). Найближча відстань між двома ато­мами становить 2,863Å. Прийнятий період кристалічної решітки алюмінію a = 4,0414 Å при кімнатній температурі. Кристалічна решітка стабільна при температурах від 4 К і до температури плавлення 933 К. Параметр решітки дуже слабо змінюється від наявності домішок.

Атомний радіус алюмінію визначений як половина між най­ближчими атомами-сусідами в кристалічній структурі й дорів­нює 1,43Å. У кристалічній структурі алюмінію металічний зв’язок.

Густина

Теоретична густина алюмінію обрахована за параметрами його кристалічної решітки й становить 2,69872 г/см³. Експе­риментальні дані густини для полікристалічного алюмінію 99,996 % чистоти становлять 2,6989 (при 20 °C) г/см³, а для монокристалів – на 0,34 % вище.

Так, густина розплавленого алюмінію чистотою 99,996 % на 6,6 % менша, ніж у твердого металу, і при температурі 973 К становить 2 357 кг/м³ і майже лінійно знижується до 2 304 кг/м³ при температурі 1173 К.

Термічне розширення

Коефіцієнт термічного розширення α відпаленого алюмінію чистотою 99,99 % при температурі 293 К становить 23 · 10⁻⁶ і практично лінійно зростає до 37,3·10⁻⁶ К⁻¹ при температурі 900 К.

Теплопровідність

Теплопровідність повністю відпаленого алюмінію у твердому стані знижується з ростом температури від 2,37 (298 К) до 2,08 Вт·см⁻¹ · К⁻¹ (933,5 К) і при температурах вище 100 К вона малочутлива до чистоти металу.

При нагріванні алюмінію і переході його з твердого стану в рідкий у нього різко зменшується теплопровідність: з 2,08 до 0,907 Вт · см⁻¹ · К⁻¹, а далі з ростом температури вона збільшується і при температурі 1 000 °C становить уже 1,01 Вт · см⁻¹ · К⁻¹.

Електропровідність

Питомий опір алюмінію високої чистоти (99,99 %) при тем­пературі 20 °C становить 2,6548·10⁻⁸. Провідність алюмінію сильно залежить від його чистоти, причому вплив різних домішок залежить не тільки від концентрації цієї домішки, а й від того, чи вона перебуває у твердому розчині чи поза ним. Найбільш сильно підвищують опір алюмінію домішки хрому, літію, мангану, магнію, титану й ванадію. Питомий опір ρ (мкОм·м) відпаленого алюмінієвого дротика залежно від вмісту домішок (%) можна приблизно визначити за такою формулою:

ρ = 0,0264 + 0,007Si + 0,0007Fe + 0,04(Ti + V + Cr +Mn).

При температурі 1,175 ± 0,001 К алюміній переходить в над­провідний стан.

Питомий опір алюмінію при переході з твердого стану в рідкий стрибком зростає з 11 до 24 МкОм · см.

Плавлення і кристалізація

Температура плавлення алюмінію дуже чутлива до чистоти металу й для високочистого алюмінію (99,996 %) становить 933,4 К (660,3 °C), а температура початку кристалізації алю­мінію за Міжнародною шкалою температур (1968 р.) вважається рівною 660,37 °C і використовується протягом десятків років для калібрування термопар. Підвищення зовнішнього тиску збільшує температуру плавлення алюмінію, і вона досягає 700 °C при тиску близько 100 МПа.

Температура кипіння алюмінію становить приблизно 2 452 °C, прихована теплота плавлення чистого алюмінію – 397 Дж · г⁻¹, а прихована теплота випаровування – 9 462 Дж·г⁻¹.

Питома теплоємність С_р алюмінію при 0 °C становить 0,90 Дж·г⁻¹ · К⁻¹, зі збільшенням температури вона зростає і визначається рівнянням:

С_р = С ₀ + bT,

де С ₀ – теплоємість при температурі 0 °C; b = 2,96 · 10⁻³;

T – температура, К.

Поверхневий натяг

Поверхневий натяг σ має максимальне значення при темпе­ратурі плавлення й із ростом температури він знижується:

де σ – поверхневий натяг, Н/м;

t – температура, °C;

t_п – температура плавлення алюмінію, °C.

В’язкість

В’язкість алюмінію при температурі плавлення становить 0,012 Па · с і збільшується за наявності навіть невеликого вмісту твердих включень, наприклад оксиду алюмінію і нерозчинних домішок. З ростом температури в’язкість знижується. Легуючі добавки Ti, Fe, Cu збільшують, а Si і Mg знижують в’язкість сплаву.

Термодинамічні властивості

Основні термодинамічні властивості алюмінію в рідкому й твердому станах наведені в табл. 11.5 (температура в Кельвінах, теплоємність, ентропія і ентальпія в Дж · моль⁻¹ · К⁻¹).

Таблиця 11.5

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: