Общие сведения о металлургии и металлах Исполнитель

Общие сведения о металлургии и металлах. Значение металлургии в народном хозяйстве нашего государства.

План:

1. Общие сведения о металлургии и металлах.

2. Значение металлургии в народном хозяйстве нашего государства.

3. Применение металлов в народном хозяйстве.

Цель занятия: рассказать студентам об общих сведениях  металлургии и металлах. Значения металлургии в народном хозяйстве нашего государства.

{spoiler=Подробнее} 

Основная часть:

Слово «металлургия» происходит от греческого:

metalleuo – выкапываю, добываю из земли;

metallurgeo – добываю руду, обрабатываю металлы;

metallon – рудник, металл.

Металлургия, как ремесло, как способ получения некоторых металлов, известна с древних времен. Металлургия, как наука, начала складываться в средине XVIII веке на основе успехов химии, после открытия М.В. Ломоносовым в 1748 г. закона сохранения массы при химических реакциях, последовавшие за тем фундаментальные химии сделали возможным не только расширение ассортимента металлов, получаемых и применяемых в технике, но и разработку физико-химических основ целого ряда принципиально новых металлургических процессов, позволяющие получать практически все металлы периодической системы Д.И. Менделеева.

В настоящее время металлургия – область науки в технике, а также отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или других материалов, процессы сообщающие металлургическим сплавам определения свойства путем изменения их химического состава и структуры, а также процессы придания металлу определенной формы. Современный технологический процесс, развитие в последних десятилетия машиностроения, авиации, энергетики, электроники, химии, атомной, ракетной и космической техники невозможны без расширения областей применения металлов, особенно цветных, совершенствования существующих и создания новых металлургических сплавов, обладающие более высокими свойствами. Цветная металлургия – это отрасль металлургии, охватывающая производство цветных металлов и их сплавов, начиная от добычи и переработки сырья и кончая получением готовой продукции (металлов, сплавов, а также полупроводниковых материалов).

К металлургии вообще и цветной, в частности, относятся: процессы обработки руд с целью их подготовки к извлечению металлов (дробление, обогащение, окускование и др.), процессы извлечения металлов из руд и других материалов; очистка металлов от нежелательных примесей (рафинирование); производство металлов и сплавов в виде заготовок; термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка металлов; обработка металлов давлением и литьем; покрытия в декоративных или защитных целях поверхности изделий из металлов слоями другого металла и диффузионное внедрение в поверхностные слои металлических изделий других металлов и неметаллов. Металлургия включает в себя также металловедение. Металловедение – наука, изучающая строения и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Что же такое металл? В химии под металлами понимают определенную группу элементов, расположенную в левой части периодической таблицы Д.И. Менделеева. Атомы элементов этой группы характеризуется наличием внешних, так называемых валентных электронов, непрочно связанных с ядром и обладающих большой свободной движения. Теория металлического состояния рассматривается металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов Меⁿ⁺, окруженных отрицательно зараженными частицами – электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются и принадлежат не одному какому-то ядру, а всей совокупности атомов. Таким образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является следующее. В определенных местах кристаллической решетки располагаются положительно заряженные ионы, а наружные свободные электроны создают внутри металла «электронной газ», который беспорядочно движется во всех направлениях. Легкое перемешивание электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловливают наличие у металлов типичных металлических свойств. При химическом взаимодействии между металлами и неметаллами внешние электроны от атомов металла переходят к атомам неметалла. Атом металла превращается к атомам неметалла. Атом металла превращается при этом в положительный ион, а атом неметалла – в отрицательный.

В технике под металлами понимают вещества, обладающие высокими значениями электро- и теплопроводности, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать световые волны (что обусловливает их характерный «металлический» блеск и непрозрачность), пластичностью. Определение, данное М.В. Ломоносовым: «Металлы – суть светлые тела, которые ковать можно», не потеряло своего значения и теперь, через 250 лет.

Из 107 элементов периодической системы 86 – металлы, из них 83 – цветные. Общее количество металлов в земной коре, составляет около ¼ ее массы, в том числе некоторые из них содержатся в следующих количествах, % ( по массе ) (табл. 1): алюминий 8,8; железо 5,1; кальций 3,6; натрий 2,6; магний 2,1; титан 0,6; медь 0,01; никель 0,008; цинк 0,005; олово 0,004; кобальт 0,003; свинец 0,0016; ниобий 0,001; молибден 3×10^-4; вольфрам 1×10^-5; серебро 5×10^-7; золото 5×10^-7.

Как видно из табл. 1, металлы в земной коре распространенны по-разному. Некоторые металлы одной группы значительно более распространены, однако некоторые из них характеризуется малым содержанием в земной коре. Например, титан стоит десятым в ряду распространенности, а редкие металлы литий, церий, бериллий, цирконий, ванадий содержится в земной коре в больших количествах, чем таких давно применяемых в технике металлы, как серебро, ртуть, олово, свинец.

На возможность промышленного освоения того или иного элемента влияет не только его распространенность в земной коре, но и степень его рассеянности, способность образовывать собственные минералы и накапливаться в рудах. Кроме того, объем производства металлов зависит и от потребности этого металла в рынке. Некоторые металлы (железо, алюминий, марганец, медь, хром, цинк, свинец) производится миллионами тоннами, а некоторые (скандий) килограммами (табл. 2).

Масштабы производства металлов не совпадают с их распространенностью в природе и составляют (приводится порядок чисел), т/год (табл. 2): железо (6-7)×10⁸; алюминий, медь (1-1,5 )×10⁷; цинк, свинец, олово (35)×10⁶; никель, магний (2-6)×10⁵; титан, молибден, вольфрам, сурьма, кадмий, литий, уран, кобальт, ванадий (1-7)×10⁴; серебро, золото, ртуть, бериллий, висмут (1-10)×10³; тантал, цирконий, германий (1-10)×10²; галлий, рений, платина, палладий, индий (1-10)×10; иридий, родий (1-10)×10^-1. Алюминий, медь, цинк, свинец, олово, никель, магний, титан, молибден, вольфрам, кобальт составляют по стоимости более 80 %, а по массе – 99 % выпускаемой в мире продукции цветных металлов. Необходимо отметить, что цветная металлургия, как отрасль промышленности, производит не только цветные металлы и сплавы, но и серную кислоту, элементарную серу, соду, минеральные удобрения, строй - материалы и другую важную продукцию.

Таблица 1. Средний химический состав земной коры по А.П. Виноградову

(мощность 16 км без океана и атмосфера), % мас.

Содержание каждого из остальных элементов не превышает 10^-7 %, в том числе: Au (золото) - 5·10^-7, Rh (родий) - 1·10^-7, Re (рений) - 1·10^-7, Ir (иридий) - 1·10^-7, Ас (актиний) - 6·10^-10, Ra (радий) - 1·10^-10, Pa (протактиний) - 1·10^-10, Po (полоний) - 2·10^-14, Pu (плутоний) - 1·10^-15, Rn (радон) - 7·10^-16

Таблица 2. Примерные объемы мирового годового производства некоторых металлов

Бурной рост за последние десятилетия производства цветных металлов значительно обеднил сырьевую базу  отрасли. Улучшается качество руд, снижается содержание в них  ценных компонентов, горные работы приходится вести на все больших глубинах. Новые месторождения расположены как правило, в отдаленных, труднодоступных районах и для их освоения требуется огромные капитальные затраты. В этих условиях важное значение приобретает вторичная металлургия цветных металлов – под – отрасль цветной металлургии, производящая заготовку, первичную обработку вторичного сырья – лома и отходов цветных металлов и сплавов. Для металлов, полученных из вторичного сырья, в общем, объеме производства алюминия, меди, цинка, свинца и олова составляет порядка 30 %. Термин «вторичный» указывает лишь на происхождение, а не на качество металла, то есть первичные и вторичные металлы следует различать не по их качеству, а по источникам сырья.

В современном мире минерально-сырьевые проблемы из национальных и региональных превратились в глобальные. Экономика каждой отрасли отдельно взятой страны, особенно черная металлургия, развивается в зависимости от состояния и тенденций мирового хозяйства. В связи с этим, разрабатывая стратегию развития сырьевой базы металлургии, важно учитывать динамику, тенденций, современное состояние и перспективы развития рудных баз и в зарубежных странах (главных производителях и основных потребителях рудного сырья и продуктов его переработки), знать современную конъюнктуру на мировом рынке.

Металлургия - одна из старейших горнодобывающих отраслей промышленности, во второй половине XХ в. изменялась не только количественно, но и качественно. С 1950 по 1990 гг. мировое производство товарных железных руд увеличилось в 3,5 раза, чугуна и стали - в 4 раза (табл. 3 и 4).

Таблица 3. Динамика развития черной металлургии в мире во второй половине ХХ века

Таблица 4. Динамика мирового производство сырой стали, млн. т.

По состоянию на 1 января 1999 г. выявленные общие мировые ресурсы железных руд (А+В+С₂+С₂) составляют 707,107 млрд. т, из них подтвержденных запасов (А+В+С₁) с учетом поправок на потери и разубоживание при добыче-157,257 млрд. т. Их основу составляют месторождения железистых кварцитов, на долю которых приходится более 70% мировых разведанных запасов, а в отдельных странах и регионах значительно больше, например, на Украине-95%.

Австралия, ЮАР и Швеция представлены богатыми рудами с содержанием железа 60-62%, США, страны ЕЭС и Канада - в основном рядовыми и бедными рудами.

В большинстве развивающихся стран месторождения представлены богатыми рудами и характеризуются благоприятными горнотехническими условиями разработки, что обеспечивает низкие издержки добыче и переработки и высокую конкурентоспособность на мировом рынке.

Бразилия, Индия, Австралия, Канада и некоторые другие страны обладают большими потенциальными ресурсами железных руд и возможностями увеличения торговли ими.

Вес металлургический комплекс СНГ тесно связанны между собой.  Часть добытого сырья и произведенных металлов находится во внутри торговом обороте стран СНГ. Узбекистан поставляет медь, свинец, цинк. Украина имеет устойчивой рынок сбыта глинозема в России и Таджикистане. Казахстан обеспечивает свинцово-цинковом концентратом российские предприятия. Киргизия поставляет рудное олова, сурьма, ртуть. Россия торгует с другими странами СНГ алюминием, никелем, прокатом цветных металлов (рис. 1.).

Начиная с 70-х годов XX столетия, в промышленности применяется практически все металлы, встречающиеся в природе.

Основными поставщиками платиновых металлов на мировой рынок является ЮАР (1994 году платина 101,6 т, палладий 48,2 т, родий 10,6 т; 1995 году платина 108,3 т, палладий 51 т, родий 11,1 т) и Россия (1994 году платина 32 т, палладий 106, 1 т, родий 2,6 т; 1995 году платина 41,1 т, палладий 135 т, родий 2,6 т).

Рис. 1. Примерная схема движения цветных металлов и их руд во внутри торговом обороте СНГ.

Таблица 5. Цена металлов

Мировое производство цветных металлов, млн.т

Контрольные вопросы:

1. Дайте общие сведения о металлургии и металлах.

2. Значение металлургии в народном хозяйстве нашего государства.

3. Где применяются металлы в народном хозяйстве.

{/spoilers}