Плавка — это процесс применения тепла и химического восстановителя к руде для извлечения желаемого продукта из цветного металла . [1] Это форма добывающей металлургии , которая используется для получения многих металлов, таких как железо , медь , серебро , олово , свинец и цинк . При плавке используется тепло и химический восстановитель для разложения руды, вытесняя другие элементы в виде газов или шлака и оставляя металл. Восстановителем обычно является источник углерода из ископаемого топлива , такой как окись углерода от неполного сгорания кокса или, в прежние времена, древесного угля . [2] Кислород в руде связывается с углеродом при высоких температурах, поскольку 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, перед плавкой обжигаются , чтобы превратить сульфиды в оксиды, которые легче восстанавливаются до металла. При обжиге руда нагревается в присутствии кислорода воздуха, окисляя руду и высвобождая серу в виде сернистого газа.
Плавка чаще всего происходит в доменной печи для производства чугуна , который перерабатывается в сталь .
Установки электролитического восстановления алюминия называются алюминиевыми заводами .
Плавка — это нечто большее, чем просто выплавка 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 подвергнуть эти соединения химической реакции . Таким образом, плавка заключается в использовании подходящих восстановителей , которые в сочетании с этими окислителями высвобождают металл.
В случае сульфидов и карбонатов процесс, называемый « обжигом », удаляет нежелательный углерод или серу, оставляя оксид, который можно напрямую восстановить. Обжиг обычно проводят в окислительной среде. Несколько практических примеров:
Восстановление — это заключительный высокотемпературный этап плавки, на котором оксид становится элементарным металлом. Восстановительная среда (часто окись углерода, образующаяся в результате неполного сгорания в печи с недостатком воздуха) вытягивает конечные атомы кислорода из необработанного металла. Источник углерода действует как химический реагент для удаления кислорода из руды, в результате чего в качестве продукта получается очищенный металлический элемент . Источник углерода окисляется в две стадии. Во-первых, углерод (C) сгорает с кислородом (O 2 ) воздуха с образованием оксида углерода (CO). Во-вторых, окись углерода реагирует с рудой (например, Fe 2 O 3 ) и удаляет один из ее атомов кислорода, выделяя углекислый газ (CO 2 ). После последовательных взаимодействий с окисью углерода весь кислород в руде будет удален, оставив необработанный металлический элемент (например, Fe). [5] Поскольку большинство руд являются нечистыми, часто необходимо использовать флюс , такой как известняк (или доломит ), чтобы удалить сопутствующую пустую 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 в руду во время плавки для катализа желаемых реакций и химического связывания нежелательных примесей или продуктов реакции. Для этой цели часто используют карбонат или оксид кальция в виде извести , поскольку они вступают в реакцию с примесями серы, фосфора и кремния, что позволяет легко их отделить 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 создают расплавленное покрытие на очищенном металле, предотвращая контакт с кислородом, пока он еще достаточно горячий, чтобы легко окислиться. Это предотвращает образование примесей в металле.
Руды цветных металлов часто представляют собой сульфиды. В последние столетия для выплавки шихты отдельно от топлива использовались отражательные печи . Традиционно их использовали на первом этапе плавки: получали две жидкости: одну — оксидный шлак, содержащий большую часть примесей, а другую — сульфидный штейн , содержащий сульфид ценного металла и некоторые примеси. Такие «реверберационные» 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, его удаляют и выбрасывают или перерабатывают. Затем сульфидный штейн направляется в конвертер . Точные детали процесса варьируются от одной печи к другой в зависимости от минералогии рудного тела.
Хотя отражательные печи производили шлаки, содержащие очень мало меди, они были относительно неэффективными с точки зрения энергии и выделяли низкую концентрацию диоксида серы , которую было трудно уловить; их вытеснило новое поколение технологий выплавки меди. [9] В более поздних печах используются плавка в ванне, плавка с струйной фурмой, взвешенная плавка и доменные печи. Некоторые примеры банных плавильных заводов включают печь Noranda, печь Isasmelt , реактор Teniente, плавильный завод Вунюкова и технологию SKS. В состав фурмовых печей с верхним нагнетанием входит плавильный реактор Mitsubishi. На долю взвешенных плавильных предприятий приходится более 50% мировых медеплавильных заводов. Существует еще много разновидностей процессов плавки, включая Кивсет, Аусмелт, Тамано, ЭДП и ДП.
Из семи металлов, известных в древности , только золото регулярно встречается в естественной форме в природной среде. Остальные – медь , свинец , серебро , олово , железо и ртуть – встречаются в основном в виде минералов, хотя медь иногда встречается в самородном состоянии в коммерчески значимых количествах. Эти минералы представляют собой в основном карбонаты , сульфиды или оксиды металлов, смешанные с другими компонентами, такими как кремнезем и оксид алюминия . Обжиг карбонатных и сульфидных минералов на воздухе превращает их в оксиды. Оксиды, в свою очередь, вплавляются в металл. Оксид углерода был (и остается) предпочтительным восстановителем для плавки. Его легко получить в процессе нагрева, а также когда 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 несколько тысячелетий спустя железа – оказало огромное влияние на человеческое общество. Воздействие 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 16 веке, но так и не освоили выплавку металлов, таких как железо, для использования в оружии . ремесло. [10]
В Старом Свете первыми выплавленными металлами были олово и свинец. Самые ранние известные литые свинцовые бусины были найдены на стоянке Чатал-Хююк в Анатолии ( Турция ) и датированы примерно 6500 годом до нашей эры [11] , но этот металл мог быть известен и раньше. [ нужна цитата ]
Поскольку это открытие произошло за несколько тысячелетий до изобретения письменности, письменных свидетельств того, как оно было сделано, не существует. Однако олово и свинец можно выплавить, поместив руду в дровяной костер, что оставляет возможность того, что открытие могло произойти случайно. [ нужна цитата ] Однако недавние исследования поставили эту находку под сомнение. [12]
Свинец — распространенный металл, но его открытие оказало относительно небольшое влияние на древний мир. Он слишком мягок, чтобы его можно было использовать для изготовления конструкционных элементов или оружия, хотя его высокая плотность по сравнению с другими металлами делает его идеальным для пращных снарядов. Однако, поскольку его было легко отливать и придавать ему форму, рабочие классической эпохи Древней Греции и Древнего Рима широко использовали его для прокладки труб и хранения воды. Они также использовали его в качестве раствора для каменных построек. [13] [14]
Олово было гораздо менее распространено, чем свинец, лишь немногим тверже и само по себе оказывало еще меньше воздействия.
После олова и свинца следующим выплавленным металлом, по-видимому, была медь. О том, как произошло это открытие, ведутся споры. Температура костров примерно на 200 °C ниже необходимой, поэтому некоторые предполагают, что первая выплавка меди могла произойти в гончарных печах . [15] (Развитие выплавки меди в Андах, которое, как полагают, произошло независимо от Старого Света , возможно, произошло таким же образом. [10] )
Самые ранние свидетельства выплавки меди, датируемые периодом между 5500 и 5000 годами до нашей эры, были найдены в Плочнике и Беловоде, Сербия. [16] [17] Головка булавы, найденная в Турции и датированная 5000 г. до н.э., когда-то считавшаяся самым старым свидетельством, теперь кажется отчеканенной из самородной меди. [18]
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 относились к этому типу. Мышьяк часто является примесью в медных рудах, поэтому открытие могло быть сделано случайно. Со временем при плавке намеренно добавляли мышьяксодержащие минералы. [ нужна цитата ]
Медно-оловянные бронзы, более твердые и прочные, были изобретены около 3500 г. до н.э., также в Малой Азии. [19]
Как кузнецы научились производить медно-оловянную бронзу, неизвестно. Первые такие бронзы, возможно, возникли по счастливой случайности из медных руд, загрязненных оловом. Однако к 2000 году до нашей эры люди специально добывали олово для производства бронзы, что примечательно, поскольку олово является полуредким металлом, и даже богатая касситеритовая руда содержит только 5% олова. Однако первые люди узнали об олове, но к 2000 году до нашей эры они поняли, как использовать его для изготовления бронзы. [ нужна цитата ]
Открытие производства меди и бронзы оказало значительное влияние на историю Старого Света . Металлы были достаточно твердыми, чтобы создавать оружие, которое было тяжелее, прочнее и устойчивее к ударам, чем его эквиваленты из дерева, кости или камня. В течение нескольких тысячелетий бронза была предпочтительным материалом для изготовления оружия, такого как мечи , кинжалы , боевые топоры , наконечники копий и стрел , а также защитного снаряжения, такого как щиты , шлемы , поножи (металлические щитки на голени) и другие бронежилеты . Бронза также вытеснила камень, дерево и органические материалы в инструментах и домашней утвари — таких как долота , пилы , тесла , гвозди , ножницы , ножи , швейные иглы и булавки , кувшины , кастрюли и котлы , зеркала и конские упряжи . [ нужна цитация ] Олово и медь также способствовали созданию торговых сетей, которые охватывали большие территории Европы и Азии и оказали большое влияние на распределение богатства между людьми и народами. [ нужна цитата ]
Самым ранним свидетельством производства железа является небольшое количество фрагментов железа с соответствующим количеством примеси углерода, обнаруженных в протохеттских слоях в Каман-Калехойюке и датированных 2200–2000 годами до нашей эры . [20] Соукова-Сьеголова (2001) показывает, что железные орудия производились в Центральной Анатолии в очень ограниченных количествах около 1800 г. до н.э. и широко использовались элитой, но не простыми людьми, во времена Новой Хеттской империи (~ 1400–1200 гг. до н.э.) . [21]
Археологи нашли следы обработки железа в Древнем Египте , где-то между Третьим промежуточным периодом и 23-й династией (ок. 1100–750 гг. до н.э.). Примечательно, однако, что они не нашли никаких свидетельств выплавки железной руды в какой-либо (досовременный) период. Кроме того, около 2000 лет назад (около первого века нашей эры) на северо-западе Танзании производились очень ранние экземпляры углеродистой стали , основанные на сложных принципах предварительного нагрева. Эти открытия имеют важное значение для истории металлургии. [22]
Самые ранние процессы в Европе и Африке включали плавку железной руды на цветном заводе , где температура поддерживалась достаточно низкой, чтобы железо не плавилось. В результате образуется губчатая масса железа, называемая блюмом, которую затем необходимо скрепить молотком, чтобы получить кованое железо . Самые ранние на сегодняшний день свидетельства цветной выплавки железа найдены в Телль-Хамме , Иордания ([1]), и датируются 930 годом до нашей эры ( датировка C14 ).
Начиная со средневекового периода, косвенный процесс начал заменять прямое сокращение цветения. При этом использовалась доменная печь для производства чугуна , который затем должен был пройти дальнейший процесс для получения ковочного пруткового железа. Процессы второго этапа включают оклейку в ювелирной кузнице . В 13 веке , в эпоху высокого средневековья, в Китае была введена доменная печь, которая использовала ее еще с 200 г. до н. э., во времена династии Цинь . [2] Пудлинг также появился во время промышленной революции .
Оба процесса сейчас устарели, и кованое железо сейчас производится редко. Вместо этого мягкая сталь производится в бессемеровском конвертере или другими способами, включая процессы восстановления плавки, такие как процесс Corex .
Плавка металлов оказывает серьезное воздействие на окружающую среду , образуя сточные воды и шлак , а также выбрасывая в атмосферу такие токсичные металлы, как медь , серебро, железо, кобальт и селен . [23] Металлургические заводы также выделяют газообразный диоксид серы , способствуя образованию кислотных дождей , которые окисляют почву и воду. [24]
Металлургический завод во Флин-Флоне, Канада, был одним из крупнейших точечных источников ртути в Северной Америке в 20 веке. [25] [26] Даже после того, как выбросы металлургических заводов были резко сокращены, повторные выбросы ландшафта продолжали оставаться основным региональным источником ртути. Озера, вероятно, будут получать ртутное загрязнение от металлургического завода в течение десятилетий, как в результате повторных выбросов, возвращающихся в виде дождевой воды, так и в результате выщелачивания металлов из почвы. [25]
Загрязнители воздуха, образующиеся на алюминиевых заводах , включают сульфид карбонила , фторид водорода , полициклические соединения , свинец, никель, марганец , полихлорированные бифенилы и ртуть . [27] Выбросы медеплавильных заводов включают мышьяк, бериллий , кадмий , хром , свинец, марганец и никель. [28] Свинцовые заводы обычно выбрасывают в атмосферу мышьяк, сурьму , кадмий и различные соединения свинца. [29] [30] [31]
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). [32] Технологии очистки включают переработку сточных вод; отстойники , осветлители и системы фильтрации для удаления твердых частиц; нефтесборщики и фильтрация; химическое осаждение и фильтрация растворенных металлов; адсорбция углерода и биологическое окисление органических загрязнителей; и испарение. [33]
Загрязняющие вещества, образующиеся на других типах плавильных заводов, различаются в зависимости от руды цветных металлов. Например, алюминиевые заводы обычно производят фторид , бензо(а)пирен , сурьму и никель, а также алюминий. Помимо меди, медеплавильные заводы обычно выбрасывают кадмий, свинец, цинк , мышьяк и никель. [34] Помимо свинца, заводы по выплавке свинца могут выбрасывать сурьму , асбест, кадмий, медь и цинк. [35]
Работники металлургической промышленности сообщали о респираторных заболеваниях, которые мешали им выполнять физические задачи, необходимые для их работы. [36]
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды опубликовало правила контроля загрязнения для металлургических заводов.
Программа плавильных заводов, соответствующих требованиям RMI
По мере роста использования конфликтных полезных ископаемых были предприняты многочисленные инициативы по противодействию этой проблеме. Они поощряют ответственную практику поиска полезных ископаемых в регионах в условиях конфликтов, нарушений прав человека или трудовой эксплуатации.
Инициатива по ответственной добыче полезных ископаемых (RMI) разработала ряд идеалов и руководящих принципов для металлургических предприятий, включая Программу соответствующих металлургических предприятий. Эта программа представляет собой программу независимого аудита и сертификации, которая оценивает эффективность металлургических заводов в области ответственного поиска полезных ископаемых. [40] Эта программа соответствует руководящим принципам Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР). Опубликовано в Руководстве ОЭСР по комплексной проверке для ответственных цепочек поставок полезных ископаемых из зон, затронутых конфликтом, и зон высокого риска. ОЭСР – это организация, занимающаяся политикой улучшения мировой практики. [41]
Основное внимание в программе уделяется оценке металлургических предприятий по следующим критериям:
Металлургические предприятия, соответствующие стандартам RMI, получают признание в списках металлургических и аффинажных предприятий, соответствующих требованиям RMI.
Это не единственная программа, регулирующая металлургическую отрасль, дополнительные программы аудита включают в себя:
Аналогично программе металлургических предприятий, соответствующих требованиям RMI, эти организации соблюдают руководящие принципы ОЭСР и продвигают этическое и экологическое управление цепочкой поставок. Однако у названных организаций есть различные дополнительные рекомендации, поэтому единственными перекрестными аудитами, проводимыми RMI, являются:
