Получение металлов

Лекция 8

Свойства и классификация металлов

Металлы, наряду с древесиной и керамикой, относятся к числу наиболее распространенных «традиционных» конструкционных материалов и известны человечеству с глубокой древности. Производство металлов по масштабам соизмеримо с производством таких промышленных продуктов как цемент, целлюлоза, полимерные материалы.

Значение металлов как важнейших материалов современной техники и, как следствие, возрастающая роль их в народном хозяйстве, несмотря на внедрение полимерных материалов и композитов, обусловлены рядом их специфических качеств. К качествам относятся:

- способность к взаимному растворению и образование многочисленных сплавов разнообразного состава, что позволяет в широких пределах изменять в заданном направлении физико-механические и физико-химические свойства металлических материалов

- комплекс ценных механических, физических и химических свойств, в том числе тепловых (высокие теплопроводность и коэффициент термического расширения, низкая теплоемкость), электрических и магнитных (низкое удельное сопротивоение, способность к к термоэлектронной эмиссии, ферро- и параманетизм), механических (упругость, пластичность, прочность), химических (окисляемость);

- возможность фазовых превращений при изменении температуры и существование в нескольких полиморфных модификаций с различными структурой и свойствами;

- способность деформироваться в холодном и горячем состоянии без разрушения сплошности материала.

Существенную роль имеет также широкое распространение металлов в литосфере и гидросфере Земли. Металлы составляют 86% известных химических элементов. К металлам относятся: s-элементы, кроме водорода и гелия, все d-элементы, все f-элементы, часть р-элементов (алюминий, галлий, индий, таллий).

Значение того или иного металла в народном хозяйстве страны принято оценивать долей его производства в общем производстве металлов или в производстве железа и его сплавов. Удельный вес различных металлов существенно меняется со временем. Появление новых отраслей техники (ракетостроение, атомная энергетика, электроника и др.) вызывает потребность в материалах с новыми свойствами и стимулирует развитие новых направлений в металлургии. Так уже после 1945 года промышленное значение приобрели такие металлы как титан, молибден, цирконий, ниобий. В настоящее время в цветной металлургии производятся более 30 металлов, являющихся редкими элементами, и сотни их сплавов. Поэтому доля производства различных металлов со временем меняется. Например, за последние годы существенно возросла доля производства алюминия, но практически не изменилась доля производства меди.

Научно обоснованной классификации металлов не существует. В основу классификации положен промышленный принцип, учитывающий сложившуюся структуру металлургической промышленности, распространение в природе и свойства металлов. На рис. 1.1 представлена промышленная классификация металлов.

В соответствии с промышленной классификацией металлы делятся на черные, к которым относятся железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых связано с производством чугуна и стали, и цветные. Термин «цветные металлы» достаточно условен, так как из всех металлов этой группы только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Из цветных металлов основные тяжелые металлы получили название из-за больших («тяжелых») масштабов производства и потребления. Малые тяжелые металлы являются природными спутниками основных тяжелых металлов, их получают попутно и в меньших количествах.

Промышленная классификация металлов

Сырье в производстве металлов– металлические руды

За исключением небольшого числа (платина, золото, серебро, иногда ртуть и медь) металлы находятся в природе в виде химических соединений, входящих в состав металлических руд.

Металлической рудой называется горная порода, содержащий в своем составе один или несколько металлов в таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых возможно и целесообразно их извлечение при современном уровне обогатительной и металлургической техники.

Классификация металлических руд:

1. По качеству и количеству металла руды делят на промышленные и непромышленные. К промышленным относят те руды, в которых содержание металла превышает его рентабельный минимум, то есть то минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды. По мере развития производства рентабельный минимум снижается. Снижению рентабельного минимума способствуют совершенствование обогатительной и металлургической техники и повышение комплексности использования металлических руд.

2. По числу содержащихся в руде металлов их делят на монометаллические (простые) и полиметаллические (комплексные). К полиметаллическим относится большинство руд цветных металлов (медные, медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды), содержащие до 10—15 различных металлов. Полиметалличность большинства руд делает экономически не обходимым их комплексное использование, то есть организацию безотходных или малоотходных производств.

3. По содержанию металла руды подразделяют на богатые, средние и бедные. Руды цветных металлов, как правило, относятся к очень бедным, однако сопутствующие основному металлу в них другие элементы по ценности могут значительно превосходить основной компонент руды (табл. 1.1).

4. По форме нахождения металла руды делятся на:

— самородные, содержащие металлы в свободном состоянии (Me);

— окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородных соединений (оксидов Ме_nО_m, гидроксидов Ме(ОН)_m, солей многоосновных кислородных кислот МеМе_nО_m МеЭО_n);

— сульфидные, содержащие сульфиды (MeS) и полисульфиды (MeS_n) металлов;

— галогенидные, в которых содержатся соли галогенводородных кислот (МеГ_n).

Использование металлов в народном хозяйстве зависит не только от их специфических свойств, но и от разведанных запасов и доступности руд и возможности промышленного выделения металлов из их соединений в этих рудах. В земной коре содержание металлов весьма неравномерно. Наиболее распространены элементы, имеющие нечетные и малые номера в периодической таблице.

Доступность металлических руд как сырья для производства металлов зависит от их состава (бедные, богатые), географического положения региона их нахождения и распределения в земной коре.

Руды или образуют в земле естественные скопления (месторождения), или содержатся в очень небольших концентрациях в виде изоморфных примесей в основных минералах (рассеянные металлы).

Руды или образуют в земле естественные скопления (месторождения), или содержатся в очень небольших концентрациях в виде изоморфных примесей в основных минералах (рассеянные металлы).

Месторождением металлов называется скопление металлических руд, пригодное для их промышленного использования. Естественно, что концентрация металлов в месторождениях значительно выше их средней концентрации в земной коре.

Основную массу металлов извлекают из руд, содержащихся в земной коре (литосфере). Потенциальным источником металлов можно считать и воды Мирового океана, содержащие до 3,5% растворенных солей, а также залежи металлсодержащих конкреций на дне океана.