Плавка — это процесс применения тепла и химического восстановителя к руде для извлечения желаемого основного металлического продукта. [1] Это форма извлекаемой металлургии , которая используется для получения многих металлов, таких как железо , медь , серебро , олово , свинец и цинк . Плавка использует тепло и химический восстановитель для разложения руды, удаляя другие элементы в виде газов или шлака и оставляя металл. Восстановителем обычно является ископаемое топливо, источник углерода , такое как оксид углерода от неполного сгорания кокса — или, в более ранние времена, древесного угля . [1] Кислород в руде связывается с углеродом при высоких температурах, так как химическая потенциальная энергия связей в диоксиде углерода (CO 2 ) ниже, чем у связей в руде.
Сульфидные руды, такие как те, которые обычно используются для получения меди, цинка или свинца, обжигаются перед плавкой, чтобы преобразовать сульфиды в оксиды, которые легче восстанавливаются до металла. Обжиг нагревает руду в присутствии кислорода из воздуха, окисляя руду и высвобождая серу в виде сернистого газа.
Плавка чаще всего происходит в доменной печи для производства чугуна , который затем преобразуется в сталь .
Заводы по электролитическому восстановлению алюминия называются алюминиевыми заводами .
Плавка включает в себя больше, чем просто плавление металла из руды. Большинство руд представляют собой химическое соединение металла и других элементов, таких как кислород (в виде оксида ) , сера (в виде сульфида ) или углерод и кислород вместе (в виде карбоната ). Чтобы извлечь металл, рабочие должны заставить эти соединения пройти химическую реакцию . Таким образом, плавка заключается в использовании подходящих восстанавливающих веществ , которые соединяются с этими окисляющими элементами, чтобы освободить металл.
В случае сульфидов и карбонатов процесс, называемый « обжигом », удаляет нежелательный углерод или серу, оставляя оксид, который можно напрямую восстановить. Обжиг обычно проводится в окислительной среде. Несколько практических примеров:
Восстановление — это конечный высокотемпературный этап плавки, на котором оксид становится элементарным металлом. Восстановительная среда (часто создаваемая оксидом углерода, полученным в результате неполного сгорания в печи с недостаточным доступом воздуха) вытягивает последние атомы кислорода из сырого металла. Источник углерода действует как химический реагент для удаления кислорода из руды, в результате чего получается очищенный металлический элемент в качестве продукта. Источник углерода окисляется в два этапа. Сначала углерод (C) сгорает с кислородом (O 2 ) на воздухе, образуя оксид углерода (CO). Затем оксид углерода реагирует с рудой (например, Fe 2 O 3 ) и удаляет один из ее атомов кислорода, выделяя диоксид углерода (CO 2 ). После последовательных взаимодействий с оксидом углерода весь кислород в руде будет удален, оставив элемент сырого металла (например, Fe). [4] Поскольку большинство руд нечистые, часто необходимо использовать флюс , такой как известняк (или доломит ), чтобы удалить сопутствующую породу в виде шлака. Эта реакция прокаливания выделяет углекислый газ.
Требуемая температура варьируется как в абсолютном выражении, так и в зависимости от температуры плавления основного металла. Примеры:
Флюсы — это материалы, добавляемые к руде во время плавки для катализа желаемых реакций и химического связывания нежелательных примесей или продуктов реакции. Для этой цели часто используют карбонат кальция или оксид кальция в форме извести , поскольку они реагируют с примесями серы, фосфора и кремния, что позволяет легко отделить их и выбросить в виде шлака. Флюсы также могут служить для контроля вязкости и нейтрализации нежелательных кислот.
Флюс и шлак могут выполнять вторичную функцию после завершения этапа восстановления; они обеспечивают расплавленное покрытие на очищенном металле, предотвращая контакт с кислородом, оставаясь при этом достаточно горячими для легкого окисления. Это предотвращает образование примесей в металле.
Руды цветных металлов часто являются сульфидами. В последние столетия отражательные печи использовались для того, чтобы плавить шихту отдельно от топлива. Традиционно они использовались для первого этапа плавки: формирования двух жидкостей, одной из которых является оксидный шлак, содержащий большую часть примесей, а другой — сульфидный штейн, содержащий ценный сульфид металла и некоторые примеси. Такие «отражательные» печи сегодня имеют длину около 40 метров, высоту 3 метра и ширину 10 метров. Топливо сжигается на одном конце для плавления сухих сульфидных концентратов (обычно после частичного обжига), которые подаются через отверстия в своде печи. Шлак плавает над более тяжелым штейном и удаляется и выбрасывается или перерабатывается. Затем сульфидный штейн отправляется в конвертер . Точные детали процесса различаются от одной печи к другой в зависимости от минералогии рудного тела.
В то время как отражательные печи производили шлаки, содержащие очень мало меди, они были относительно энергетически неэффективны и выделяли газы с низкой концентрацией диоксида серы , который было трудно уловить; новое поколение технологий плавки меди вытеснило их. [8] Более поздние печи используют плавку в ванне, плавку с верхней струей и копьем, взвешенную плавку и доменные печи. Некоторые примеры плавильных печей включают печь Noranda, печь Isasmelt , реактор Teniente, плавильный завод Vunyukov и технологию SKS. Плавильные печи с верхней струей и копьем включают плавильный реактор Mitsubishi. Взвешенные плавильные печи составляют более 50% мировых медеплавильных заводов. Существует множество других разновидностей плавильных процессов, включая Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF и BF.
Из семи металлов, известных в древности , только золото регулярно встречается в природе как самородный металл . Остальные — медь , свинец , серебро , олово , железо и ртуть — встречаются в основном в виде минералов, хотя самородная медь иногда встречается в коммерчески значимых количествах. Эти минералы в основном представляют собой карбонаты , сульфиды или оксиды металла, смешанные с другими компонентами, такими как кремний и глинозем . Обжиг карбонатных и сульфидных минералов на воздухе превращает их в оксиды. Оксиды, в свою очередь, плавятся в металл. Окись углерода была (и остается) предпочтительным восстановителем для плавки. Она легко образуется в процессе нагревания, а также по мере того, как газ вступает в тесный контакт с рудой.
В Старом Свете люди научились выплавлять металлы еще в доисторические времена, более 8000 лет назад. Открытие и использование «полезных» металлов — сначала меди и бронзы, а затем, несколько тысячелетий спустя, железа — оказало огромное влияние на человеческое общество. Влияние было настолько всеобъемлющим, что ученые традиционно делят древнюю историю на каменный век , бронзовый век и железный век .
В Америке доинкские цивилизации центральных Анд в Перу освоили выплавку меди и серебра по крайней мере за шесть столетий до прибытия первых европейцев в XVI веке, но так и не освоили выплавку металлов, таких как железо, для использования в оружейном деле. [ 9]
Медь была первым выплавленным металлом. [10] То, как произошло это открытие, является предметом споров. Температура костров примерно на 200 °C ниже необходимой, поэтому некоторые предполагают, что первая выплавка меди могла происходить в гончарных печах . [11] (Развитие выплавки меди в Андах, которое, как полагают, произошло независимо от Старого Света , могло происходить таким же образом. [9] )
Самые ранние современные свидетельства выплавки меди, датируемые периодом между 5500 и 5000 годами до н. э., были найдены в Плочнике и Беловоде, Сербия. [12] [13] Наконечник булавы, найденный в Турции и датируемый 5000 годом до н. э., когда-то считавшийся самым древним свидетельством, теперь, по-видимому, представляет собой кованую самородную медь. [14]
Сочетание меди с оловом и/или мышьяком в правильных пропорциях дает бронзу , сплав , который значительно тверже меди. Первые медно-мышьяковые бронзы датируются 4200 г. до н. э. из Малой Азии . Бронзовые сплавы инков также были этого типа. Мышьяк часто является примесью в медных рудах, поэтому открытие могло быть сделано случайно. В конце концов, содержащие мышьяк минералы были намеренно добавлены во время плавки. [ необходима цитата ]
Медно-оловянные бронзы, более твердые и долговечные, были разработаны около 3500 г. до н.э. также в Малой Азии. [15]
Неизвестно, как кузнецы научились производить медно-оловянные бронзы. Первые такие бронзы могли быть счастливой случайностью из загрязненных оловом медных руд. Однако к 2000 году до нашей эры люди добывали олово специально для производства бронзы — что примечательно, поскольку олово является полуредким металлом, и даже богатая касситеритовая руда содержит всего 5% олова. [ необходима цитата ]
Открытие производства меди и бронзы оказало значительное влияние на историю Старого Света . Металлы были достаточно твердыми, чтобы делать оружие, которое было тяжелее, прочнее и более устойчивым к ударам, чем эквиваленты из дерева, кости или камня. В течение нескольких тысячелетий бронза была материалом выбора для такого оружия, как мечи , кинжалы , боевые топоры , наконечники копий и стрел , а также защитного снаряжения, такого как щиты , шлемы , поножи (металлические щитки для голени) и другие доспехи . Бронза также вытеснила камень, дерево и органические материалы в инструментах и домашней утвари, таких как долота , пилы , тесла , гвозди , ножницы с лезвиями , ножи , швейные иглы и булавки , кувшины , кастрюли и котлы , зеркала и конская сбруя . [ необходима цитата ] Олово и медь также способствовали созданию торговых сетей, которые охватывали большие территории Европы и Азии и оказали большое влияние на распределение богатства между отдельными людьми и странами. [ необходима цитата ]
Самые ранние известные литые свинцовые бусины, как полагают, были найдены в Чатал- Хююке в Анатолии ( Турция ) и датируются примерно 6500 годом до нашей эры. [16] Однако недавние исследования показали, что это был не свинец, а церуссит и галенит — минералы, богатые свинцом, но отличающиеся от него. [17]
Поскольку открытие произошло за несколько тысячелетий до изобретения письменности, нет никаких письменных свидетельств того, как это было сделано. Однако олово и свинец можно выплавить, поместив руду в дровяной огонь, что оставляет возможность того, что открытие могло произойти случайно. [ необходима цитата ] Однако недавние исследования поставили эту находку под сомнение. [18]
Свинец — распространенный металл, но его открытие оказало относительно небольшое влияние на древний мир. Он слишком мягок для использования в качестве структурных элементов или оружия, хотя его высокая плотность по сравнению с другими металлами делает его идеальным для изготовления снарядов для пращи . Однако, поскольку его было легко отливать и формовать, рабочие в классическом мире Древней Греции и Древнего Рима широко использовали его для прокладки труб и хранения воды. Они также использовали его в качестве раствора в каменных зданиях. [19] [20]
Олово было гораздо менее распространено, чем свинец, оно лишь немного тверже и само по себе оказывало еще меньшее воздействие.
Самым ранним свидетельством производства железа является небольшое количество фрагментов железа с соответствующим количеством примеси углерода, найденных в протохеттских слоях в Каман-Калехёюке и датируемых 2200–2000 гг. до н. э. [21] Соуцкова-Сиеголова (2001) показывает, что железные орудия изготавливались в Центральной Анатолии в очень ограниченных количествах около 1800 г. до н. э. и широко использовались элитой, хотя и не простолюдинами, во времена Новой Хеттской империи (~1400–1200 гг. до н. э.) [22]
Археологи обнаружили следы обработки железа в Древнем Египте , где-то между Третьим промежуточным периодом и 23-й династией (ок. 1100–750 гг. до н. э.). Однако, что примечательно, они не нашли никаких доказательств выплавки железной руды в какой-либо (досовременный) период. Кроме того, очень ранние образцы углеродистой стали производились около 2000 лет назад (около первого века н. э .) на северо-западе Танзании , на основе сложных принципов предварительного нагрева. Эти открытия имеют важное значение для истории металлургии. [23]
Большинство ранних процессов в Европе и Африке включали плавку железной руды в кричном горне , где температура поддерживалась достаточно низкой, чтобы железо не плавилось. Это производило губчатую массу железа, называемую криной, которую затем нужно было уплотнить молотом, чтобы получить кованое железо . Некоторые из самых ранних на сегодняшний день свидетельств плавки железа в кричном горне были найдены в Телль-Хамме , Иордания, и датированы радиоуглеродным методом примерно 930 г. до н. э . [ 24]
Со времен Средневековья на смену прямому восстановлению в кричах пришел косвенный процесс. Он использовал доменную печь для производства чугуна в чушках , который затем должен был пройти дальнейшую обработку для получения кованого пруткового железа. Процессы для второго этапа включают очистку в кузнице для чистовой обработки . В 13 веке в эпоху Высокого Средневековья доменная печь была введена Китаем, который использовал ее еще с 200 г. до н. э. во времена династии Цинь . [1] Пудлингование также было введено во время промышленной революции .
Оба процесса теперь устарели, и кованое железо теперь производится редко. Вместо этого мягкая сталь производится в конвертере Бессемера или другими способами, включая процессы восстановительной плавки, такие как процесс Corex .
Плавка оказывает серьезное воздействие на окружающую среду , производя сточные воды и шлак , а также выбрасывая в атмосферу такие токсичные металлы, как медь , серебро, железо, кобальт и селен . [25] Плавильные печи также выбрасывают газообразный диоксид серы , способствуя образованию кислотных дождей , которые подкисляют почву и воду. [26]
Плавильный завод в Флин-Флоне, Канада, был одним из крупнейших точечных источников ртути в Северной Америке в 20 веке. [27] [28] Даже после того, как выбросы плавильного завода были резко сокращены, повторные выбросы ландшафта продолжали оставаться основным региональным источником ртути. Озера, вероятно, будут получать ртутное загрязнение от плавильного завода в течение десятилетий, как из-за повторных выбросов, возвращающихся в виде дождевой воды, так и из -за выщелачивания металлов из почвы. [27]
Загрязнители воздуха, образующиеся на алюминиевых заводах, включают карбонилсульфид , фтористый водород , полициклические соединения , свинец, никель , марганец , полихлорированные бифенилы и ртуть . [29] Выбросы медеплавильных заводов включают мышьяк, бериллий , кадмий , хром , свинец, марганец и никель. [30] Свинцовые заводы обычно выбрасывают мышьяк, сурьму , кадмий и различные соединения свинца. [31] [32] [33]
Загрязнители сточных вод, сбрасываемые металлургическими заводами, включают продукты газификации, такие как бензол , нафталин , антрацен , цианид , аммиак , фенолы и крезолы , а также ряд более сложных органических соединений, известных под общим названием полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). [34] Технологии очистки включают переработку сточных вод; отстойники , осветлители и системы фильтрации для удаления твердых частиц; скиммеры и фильтрация нефти ; химическое осаждение и фильтрация для растворенных металлов; адсорбция углерода и биологическое окисление для органических загрязнителей; и испарение. [35]
Загрязнители, образующиеся на других типах плавильных печей, различаются в зависимости от руды основного металла. Например, алюминиевые плавильные печи обычно вырабатывают фторид , бензо(а)пирен , сурьму и никель, а также алюминий. Медеплавильные печи обычно выбрасывают кадмий, свинец, цинк , мышьяк и никель, в дополнение к меди. [36] Свинцовые плавильные печи могут выбрасывать сурьму , асбест, кадмий, медь и цинк, в дополнение к свинцу. [37]
Рабочие, работающие в металлургической промышленности, сообщают о респираторных заболеваниях , которые мешают им выполнять физические задачи, требуемые их работой. [38]
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды опубликовало правила контроля загрязнения для металлургических заводов.
