Экологическая безопасность технологий

1. Экологическая безопасность технологий. Малоотходные, безотходные и замкнутые по реагентам технологии

2. Технологии производства цветных металлов

2.1 Цветные металлы, сплавы и основы их производства

2.2 Легкие металлы

2.3 Тяжелые металлы

2.4 Тугоплавкие металлы

2.5 Драгоценные металлы

2.6 Вторичная металлургия цветных металлов

1. Экологическая безопасность технологий. Малоотходные, безотходные и замкнутые по реагентам технологии

В наши дни необходимость защиты окружающей среды является по-прежнему актуальной. Это обусловлено чрезмерно возросшим потреблением природных ресурсов и гигантскими масштабами выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Загрязнение окружающей среды, — символ эффективности любого производства: предотвращение образования отходов (в том числе и энергетических) либо их использование в качестве дополнительного источника сырья и энергии означает и прекращение загрязнения окружающей среды. Поэтому концепция современного производства базируется на малоотходных (в идеале безотходных) технологиях, обеспечивающих эффективное использование материальных и энергетических ресурсов при отвечающих государственным стандартам ПДВ (предельно-допустимых выбросов) и ПДС (предельно-допустимых сбросов) вредных веществ в окружающую среду (либо при полном отсутствии выбросов). В этой связи возникает объективная необходимость разработки и осуществления комплекса мероприятий по внедрению малоотходных (МОП) и безотходных технологических процессов (БОП). В этот комплекс входят вопросы как технологического, так и организационного характера: обеспеченность предприятий сырьем, энергией, средствами контроля и т. п. Коробкин В. И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. -6-е изд., доп. И перераб.- Ростон н/Д: Феникс, 2007

При разработке МОП и БОП возникает комплекс технических проблем и ряд организационных вопросов. Так, к числу технических проблем относятся:

* разработка принципиально новых МОП и БОП;

* совершенствование существующих технологических процессов (оба эти направления имеют целью получение продуктов высокого качества, сокращение стадий процессов, использование малотоксичного исходного сырья);

* регенерация исходных соединений (мономеров, растворителей и т. д.);

* утилизация отходов;

* очистка стоков и водооборотных систем и т. п. (для осуществления БОП и МОП должна использоваться такая техника контактирования фаз, которая обеспечивает оптимальные условия их осуществления);

* необходимая температурная последовательность по длине рабочей зоны;

* интенсивный теплои массообмен;

* максимально возможная селективность;

* минимальные потери энергии;

* внедрение непрерывных процессов и т. д.

Для осуществления БОП требуется разрабатывать принципиально новые аппараты (например, позволяющие совмещать в одном аппарате несколько технологических процессов), оптимизировать размеры реакторов и их производительность, использовать новые конструкционные материалы и т. д.

Таким образом, наиболее рациональные пути уменьшения промышленных отходов и загрязнения окружающей среды следующие:

Первый из них является, по сути дела, приспособлением к новым требованиям по охране окружающей среды, которое сводится к установке специального оборудования для очистки отходов всех видов.

Второй путь предусматривает изменение самих технологических процессов с тем, чтобы комплексно и полнее перерабатывать исходные материалы в целевые продукты и тем самым сокращать объемы отходов, сделать их менее вредными для окружающей среды или перевести в формы, легко поддающиеся вторичной переработке или специальному хранению.

Второй путь невозможен без создания безотходных производств, в которых осуществляются замкнутые материальные и энергетические потоки, не соприкасающиеся с окружающей средой.

Понятие «безотходное производство» условно, т. к. практически полностью избавиться от отходов и избежать влияния производства на окружающую среду нельзя. Тем не менее современный уровень науки и техники, основанный на энергои ресурсосберегающих технологиях, позволяет сводить их к минимуму.

Термин «безотходная технология» получил широкое распространение в мире. Наиболее полная трактовка термина следующая:

Безотходная технология — это такой способ производства продукции (процесс, цех, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы — производство — потребление — вторичные сырьевые ресурсы» таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.

В определении прежде всего подчеркивается необходимость использования сырьевых ресурсов в цикле, включающем также и сферу потребления, а это означает, что замкнутым такой цикл может быть только на уровне территориально-производственного комплекса (ТПК). Следовательно, безотходное производство (БОП) должно быть практически замкнутой системой, организованной по аналогии с природными экологическими системами. Так, в природных системах продукты жизнедеятельности одних организмов используются другими организмами и в целом осуществляют саморегулирующийся биогеохимический круговорот веществ. Основу же БОП составляет сознательно организованный и регулируемый человеком техногенный круговорот сырья, продукции и отходов.

Вторым основным положением БОП является обязательное включение в производство и потребление всех компонентов сырья. При этом должно быть обеспечено максимально возможное использование потенциала энергетических ресурсов, естественно, ограниченное вторым законом термодинамики. Здесь также проводится прямая аналогия с природными экосистемами, которые, будучи практически замкнутыми, не являются изолированными, т. к. через них проходит поток энергии, которую экосистемы получают от Солнца, поглощают, трансформируют и излучают в космическое пространство. Таким образом, и БОП является практически замкнутым, но не изолированным.

И, наконец, третьей составной частью концепции БОП является сохранение (с учетом возможного теплового загрязнения) сложившегося экологического равновесия, т. е. ущерб окружающей среде, наносимый производством, не должен быть выше допустимого уровня. Под ущербом понимают фактические и возможные потери в результате отрицательных изменений окружающей среды, которые обусловлены антропическими факторами.

По мнению В. А. Радкевича, антропогенные факторы управляют процессами формирования человека и не имеют никакого отношения к воздействию на другие организмы и к изменению, а тем более загрязнению окружающей среды. Последнее обусловливается антропическими факторами.

Создание БОП — длительный процесс, требующий решения взаимосвязанных технологических, экономических, организационных и других задач. Поэтому в качестве промежуточного этапа для практических целей допустимо использование малоотходного производства (МОП).

Под малоотходным понимается такой способ производства продукции (процесс, предприятие, ТПК), при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами. При этом по техническим, организационным, экономическим и другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение.

Экологическая проблема создания безотходных технологий имеет по крайней мере четыре аспекта:

1) экологический в узком смысле этого слова, т. е. связанный с биологическим соотношением человеческого общества с природой при глобальном загрязнении окружающей среды;

2) ресурсный аспект, связанный с угрозой истощения природных ресурсов;

3) технологический и технический, предусматривающие при переработке многокомпонентного сырья комбинации процессов, которые обеспечивают наиболее комплексное (по числу извлеченных компонентов) и полное (по степени извлечения и использования компонентов) использование природного ресурса;

4) экономический и организационный.

Рассмотрим эти аспекты в перечисленной последовательности.

Природа является первоисточником удовлетворения материальных и духовных потребностей людей. Одновременно она является и средой обитания человека и всех живых организмов, жизнедеятельность которых сопровождается постоянным потреблением воздуха, воды и пищи. От наличия и качества последних зависит протекание естественных физиологических процессов обмена веществ в любом живом организме.

Осознание обществом необходимости предотвращения разрушения природной среды привело к возникновению в середине XX столетия новой формы во взаимодействии общества и природы в виде охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Охрана природы (или охрана окружающей природной среды) базируется на объективной необходимости гармоничного взаимоотношения общества и среды его обитания — природы и вытекает из неотвратимости вредных последствий экологически необоснованной хозяйственной деятельности.

Необходимость охраны окружающей среды приводит к существенным изменениям в общих подходах к обеспечению экологической эффективности производства. Под экологической эффективностью понимают минимизацию воздействия на окружающую среду при заданных производительности и качестве выпускаемой продукции соответствующим производством. Вместо мер временного характера, направленных на борьбу с последствиями загрязнений, теперь все чаще и чаще на стадии проектирования и строительства предприятий принимают меры долговременного характера, в основе которых заложен принцип: не борьба с последствиями загрязнений, а ликвидация причин этого неблагоприятного явления. В этой связи необходимо изменять и совершенствовать сами технологические процессы, с тем, чтобы комплексно и наиболее полно перерабатывать в процессе производства исходные материалы, сокращать тем самым объем отходов, перевести их формы, наименее вредные для окружающей среды или легко поддающиеся вторичной переработке, — другими словами, необходимо создавать малоотходные и безотходные технологии Бродский А. К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2006.

Требование сохранения окружающей среды отражает новую ступень осмысливания отношения между человеком и природой. Еще совсем недавно оно отражалось в образах человека — неутомимого работника в мастерской природы, человека — покорителя природы. Сегодня эти образы существенно трансформируются: мы подчеркиваем, что человек должен стать гражданином, сознающим свою ответственность за природу, садовником, ухаживающим любовно за газонами, деревьями, растениями.

Материальное производство базируется на использовании природных ресурсов:

1) невозобновляющихся (минерального сырья, нефти, газа и др.);

2) возобновляющихся (воздух, вода, почва, растительный и животный мир).

Например, стоимость минерального сырья составляет примерно 70% стоимости всех природных ресурсов, не используемых обществом. По мере увеличения объемов добычи происходит истощение запасов минеральных ресурсов, ухудшается их качество, повышается себестоимость минерального сырья. В этих условиях извлечение из недр попутных полезных компонентов, утилизация отходов и снижение потерь при добыче и переработке позволяют увеличить сырьевой потенциал. Ограниченность доступных минеральных ресурсов выдвигает проблему их рациональной добычи и использования. Так, балансовый расчет современного состояния накопления и утилизации отходов горных отраслей промышленности показал, что существующий уровень производства может быть обеспечен при снижении объема добычи горной массы на 20−25% главным образом в результате производства 80% стройматериалов из отходов (снижение общей стоимости продукции на 10−15%), оздоровления экологической обстановки в районах горно-перерабатывающих предприятий.

Поликомпонентный состав сырья практически любого месторождения при переработке требует использования такой комбинации процессов, которая обеспечивает наиболее комплексную (по числу извлеченных компонентов) и полную (по степени извлечения и использования компонентов) переработку руды. Следует заметить, что до недавнего времени из 33 элементов, которые содержатся в апатите, использовали только один — фосфор, а все остальные перемещали в отвалы Коробкин В. И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. -6-е изд., доп. И перераб.- Ростон н/Д: Феникс, 2007.

Комплексное использование минеральных ресурсов заключается в переходе на безотходные технологические процессы. Образующиеся в одном производстве отходы служат сырьем для другого производства. В этом случае сокращается потребность в сырье и исключаются (или значительно сокращаются) загрязняющие окружающую среду отходы.

Исследование в области создания безотходных технологий, методов утилизации отходов, комплексного использования сырья, экономической оценки схем, оптимизации режимов переработки полезных ископаемых показывает, что в настоящее время на большинстве предприятий имеется возможность довести определенную часть образующихся отходов до товарной продукции или вторичного сырья для других отраслей промышленности. Безотходное производство должно предусматривать более рациональное использование не только сырья, но и других материалов, в первую очередь газа и воды Воронков Н. А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006.

Практика показывает, что постепенный переход промышленности на БОП требует последовательного осуществления ряда мероприятий организационного и экономического характера. Например, традиционно сложившаяся система техники и технологии добычи и обогащения полезных ископаемых не соответствует идее безотходных технологий. Современная методология оценки технологии, принятия проектных и плановых решений по развитию комплексности переработки полезных и иных ископаемых базируется в основном на экономическом расчете. В ней не всегда учитываются факторы долговременного и перспективного характера: расход полезного ископаемого как природного ресурса, экологические последствия принятой технологии, стратегическое использование некоторых компонентов, возможность местной утилизации отходов и т. д. Положение усугубляется и тем, что некоторые из этих параметров не имеют количественного выражения, а учет факторов на интуитивном уровне производится субъективно и недостаточно полно. Наиболее важным обстоятельством является то, что проблема комплексной и безотходной технологии имеет межотраслевой характер.

Вследствие относительной новизны проблемы БОП еще отсутствуют не только организационные формы, позволяющие решать эту проблему, но даже достаточно полная информация о количестве, качестве и технологических свойствах как накопленных, так и ежегодно образующихся отходов. В сравнении с обычными производствами БОП по своим параметрам может рассматриваться как более прогрессивный, предусматривающий комплексное использование сырья, и более благоприятный по своим экологическим последствиям. В этом смысле обычно рассматриваемые экономические оценки производств не учитывают всех преимуществ БОП, которое требует большей трудоемкости на единицу перерабатываемого сырья, более развитой схемы и большего разнообразия процессов. Кроме того, безотходная технология более сложна в управлении и организации в результате производства многоотраслевой продукции. В связи с этим организация такой технологии требует больших капитальных вложений и текущих затрат, что, несмотря на возможность получения большего количества продукции, прибыли, лучшего использования сырья, вызывает определенные трудности.

Чтобы создать готовую продукцию и получить энергию, человек находит и добывает природные ресурсы, привозит их к месту переработки, производит из них предметы, которые использует в виде средств производства или в виде готовых изделий, то есть человек вовлекает природные ресурсы в ресурсный цикл Бродский А. К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2006.

Под ресурсным циклом замкнутой по реагентам технологией принято понимать совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества (или группы веществ) на всех этапах использования человеком (рис. 1).

Рис. 1 Схема ресурсного цикла замкнутой по реагентам технологией

Слово «цикл» предполагает замкнутость процесса. Но в большинстве антропогенных круговоротов ресурсный цикл фактически не замкнут в отличие от природного. На каждом этапе ресурсного цикла замкнутой по реагентам технологией неизбежны потери природного ресурса либо вследствие особенностей технологии, либо по объективным причинам. Более 90% сырья поступает в природную среду в виде различных отходов.

Каждый этап замкнутой по реагентам технологии по принципу «сырье — готовый продукт — сырье» требует дополнительных затрат энергии, а ее производство (на современном этапе) связано с потреблением природных ресурсов вне замкнутой системы. Вторым принципиальным препятствием к созданию замкнутого цикла является износ материалов. Таким образом, признавая прогрессивность «замкнутой по реагентам технологии», следует учитывать ее ограниченность. Она позволяет сократить загрязнение ОС, но не исключает его полностью.

Главное условие экологизации производства — рециркуляция, за счет которой увеличивается количество возвращенной в цикл воды и сокращается потребление потока В (воды и воздуха).

В случае замкнутой по реагентам технологии процессы являются малоотходными, так как и вода, и реагенты (в виде солей или чистых металлов) возвращаются в технологический цикл на данном производстве или могут использоваться в металлургии. Однако, выбор технологической схемы зависит от конкретных условий, экономической рентабельности и может быть произведен после анализа всех химико-технологических и экологических факторов Коробкин В. И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. -6-е изд., доп. И перераб.- Ростон н/Д: Феникс, 2007.

Химические (реагентные) методы замкнутой по реагентам технологии, включающие окисление, восстановление, нейтрализацию, наиболее широко используется сегодня на практике. Механизм действия этих методов заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%. При физико-химических методах обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. Чаще всего из физико-химических методов применяются электрокоагуляция, сорбция, экстракция, ионный обмен, электрофлотация, гальванокоагуляция и др.

2. Технологии производства цветных металлов

2.1 Цветные металлы, сплавы и основы их производства

Значение цветных металлов в развитии всех отраслей народного хозяйства очень велико. Цветные металлы являются важнейшим конструкционным материалом. Несмотря на большие успехи органической химии и быстрое развитие полимерных материалов выпуск цветных металлов не только не снижается, но и растет опережающими темпами. Это объясняется их уникальными свойствами — жаропрочностью, тугоплавкостью, высокой электропроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным весом, твердостью, способностью образовывать многочисленные сплавы и др Металловедение (металлообработка): А. М. Адаскин, В. М. Зуев — Москва, Академия, 2007 г.

Создание мощной материально-технической базы тесно связано с развитием производства новых материалов со специальными свойствами для прогрессивных технологических процессов, характеризующихся высокими температурами, давлением, скоростями, работой в среде плазмы, в условиях ядерного излучения, в агрессивных средах. В получении таких материалов ведущую роль играют цветные металлы и сплавы на их основе.

Цветные металлы применяются в машиностроении, электротехнике, приборостроении, радиотехнике, электронике, промышленности, строительстве, в быту, в атомной и ракетной технике.

Области применения цветных металлов и сплавов исключительно широки, поэтому ассортимент их производства чрезвычайно разнообразен. Обычно цветные металлы и сплавы используются в виде полуфабрикатов (листов, лент, фольги, труб, прутков, профилей, проволоки) или отливок и поковок.

Развитие новых отраслей промышленности потребовало освоения производства цветных металлов высокой степени чистоты. Чистые и сверхчистые цветные металлы обладают свойствами, отличными от так называемых технически чистых металлов, т. е. повышенной коррозионной стойкостью, электрои теплопроводностью, высокой пластичностью и др.

Сырьем для производства цветных металлов являются руды, горючие полезные ископаемые, флюсовые материалы. Производство многих цветных металлов связано с потреблением большого количества электроэнергии.

Содержание ценных компонентов в рудах цветных металлов чрезвычайно низкое: от 1% (никель, медь, свинец) до десятых и даже сотых долей процента (олово, вольфрам, молибден). Поэтому производство цветных металлов сопряжено с добычей и переработкой огромных масс руд.

Металлургия цветных металлов характеризуется разнообразием технологических процессов и большим количеством (свыше 70 наименований) выплавляемых металлов. При этом развиваются и совершенствуются как традиционные методы, так и новые, в числе которых обжиг руд в кипящем слое, плавка при помощи электроэнергии, природного газа и кислорода, автоклавные процессы, гидрометаллургия и др.

2.2 Легкие металлы

безотходный технология драгоценный лом

К легким относятся металлы, плотность которых менее 4500 кг/м3. К наиболее широко применяемым легким металлам относятся алюминий, магний и титан.

Алюминий — серебристо-белый с несколько тусклой, покрытой пленкой окиси поверхностью металл. Его плотность 2700 кг/м3, температура плавления 660 °C. Основными свойствами алюминия является легкость, пластичность, высокая электрои теплопроводность, морозостойкость, коррозионная и химическая стойкость (устойчив против действия органических и азотной кислоты), хорошая свариваемость и обработка прокаткой, ковкой и волочением.

Алюминий — самый распространенный в земной коре металл. Однако из-за высокой химической активности в свободном состоянии в природе не встречается, а сосредоточен в бокситах, нефелинах, каолинах, алунитах и др. Наиболее ценная руда, содержащая до 50% окиси алюминия, — бокситы. Полупродукт химической переработки алюминиевых руд — глинозем. Из него посредством электролиза получают металл.

Технический алюминий выпускается в чушках. В зависимости от химической чистоты различают следующие марки алюминия:

особой чистоты — А999 (примесей не более 0,001%);

высокой чистоты — А995, А99, А97, А95 (примесей 0,005—0,05%);

технической чистоты — А85, А8, А7, А6, А5, АО, AE (примесей 0,15—1,0%).

Алюминий особой чистоты применяется в полупроводниковой и ядерной технике, высокой чистоты — для изготовления электрических конденсаторов, химической аппаратуры, технической чистоты — для изготовления кабельных изделий, проката, посуды, алюминиевого порошка и пудры, а также сплавов.

Как конструкционный материал алюминий в основном используется в виде сплавов. Это объясняется его невысокими механическими свойствами, труднообрабатываемостью резаньем, а также значительной линейной усадкой. Основными компонентами алюминиевых сплавов являются марганец, медь, кремний, магний, цинк, титан, хром и др.

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые (для изготовления листов, лент, труб, профилей и др.), литейные (для получения отливок), припои (для пайки алюминиевых сплавов) и подшипниковые.

Деформируемые алюминиевые сплавы обладают высокой пластичностью, вследствие чего легко поддаются обработке давлением, хорошо свариваются, устойчивы против коррозии. В зависимости от способности упрочняться термической обработкой они подразделяются на сплавы не упрочняемые и упрочняемые термообработкой (закалкой, старением, отжигом).

К сплавам, не упрочняемым термообработкой, относятся технический алюминий (АД0 и АД1), а также сплавы алюминия с магнием (магналии) или марганцем (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6, АМц). Они упрочняются только холодным деформированием и применяются для сварных и клепаных деталей конструкций, эксплуатируемых при сравнительно небольших нагрузках и в коррозионно-активных средах. К сплавам, упрочняемым термообработкой, относятся дуралюмины, авиали, высокопрочные, ковочные и жаропрочные.

Дуралюмины — это сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем Они выпускаются марок Д1, Д16п; Д18п, ВД17, Д19, В65 и применяются для изготовления деталей средней и повышенной прочности, подвергающихся переменным нагрузкам (детали самолетов, автомобилей, строительные конструкции и др.).

Авиали — сплавы алюминия с магнием и кремнием Они выпускаются марок AB, АД31, АД33, АД35 и применяются для изготовления деталей средней прочности, а также деталей, подвергающихся гибкой деформации как в холодном, так и в горячем состоянии (лопастей, винтов вертолетов, деталей двигателей, переборок судов, корпусов электромоторов, трубопроводов и др.).

Высокопрочные — это сплавы, состоящие из алюминия, цинка, магния, меди, марганца и хрома. Они выпускаются марок В92, В93, В94, В95, В96, ВАД23. Их недостаток — пониженная коррозионная стойкость.

Ковочные сплавы отличаются высокой пластичностью при температурах 380—450°C и поэтому применяются для изготовления штамповок и поковок сложной формы, средней и повышенной прочности, невысокой коррозионной стойкости. К ним относятся сплавы марок АК6, АК8.

Жаропрочные сплавы применяются для изготовления деталей, работающих при температуре до 300 °C (головки блока цилиндров, поршни, детали компрессоров и турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов и др.). К ним относятся сплавы марок АК2, АК4, АК4−1, Д20 и Д21.

Литейные алюминиевые сплавы обладают высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, хорошими механическими свойствами и сопротивляемостью коррозии, что достигается введением в их состав большего, по сравнению с деформируемыми сплавами, количества легирующих элементов.

В зависимости от основных компонентов литейные алюминиевые сплавы выпускаются пяти групп, в том числе сплавы на основе алюминия и магния (АЛ8, АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ27, АЛ29), алюминия и кремния (АЛ2, АЛ4, АЛ4 В, АЛ7, АЛ78, АЛ9, АЛ9В), алюминия и меди (АЛ7, АЛ7 В, АЛ 19), алюминия, кремния и меди (АЛ3, АЛ5, АЛ6, АЛ10 В, АЛ4М, АЛ32 и др.) и многокомпонентные (АЛ1, АЛ 16 В, АЛ17 В, АЛ18 В, АЛ20, АЛ21, АЛ24, АЛ25, АЛ26, АЛ30).

Наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины (сплавы на основе алюминия и кремния).

Для улучшения характеристик литейных алюминиевых сплавов производят их рафинирование (обработку смесью хлористых и фтористых солей калия и натрия или нейтральными газами (азотом, хлором, аргоном) с целью снижения содержания газов и неметаллических примесей) или модифицирование (обработку смесью фтористых и хлористых солей натрия с целью улучшения структуры силуминов и повышения их механических и литейных свойств) Металловедение (металлообработка): А. М. Адаскин, В. М. Зуев — Москва, Академия, 2007 г.

Подшипниковые алюминиевые сплавы выпускаются марок А03—1, А09—2, А020—1 и др.

В маркировке алюминиевых сплавов буквами обозначаются компоненты (А — алюминий, К — кремний, Мц — марганец, Mг — магний), назначение (Д — деформируемые, Л — литейные) или свойства (В — высокопрочный, M — мягкий отожженный, Р — полунагартованный, H — нагартованный). Буквой Д обозначаются также дуралюмины. Цифры, следующие за буквами маркировки, обозначают или порядковый номер сплава, или процентное содержание соответствующего элемента. У высокопрочных сплавов на первом месте цифровой маркировки проставляется цифра 9.

Магний — серебристо-белый, покрытый окисной пленкой, металл плотностью 1740 кг/м3, температурой плавления 651 °C. Основными свойствами магния являются малая плотность (один из самых легких металлов), хорошая обрабатываемость резаньем, стойкость к действию керосина, бензина и минеральных масел, однако он не стоек в водных растворах солей, кроме фтористых, и растворяется во многих кислотах. Магний немагнитен, имеет невысокие литейные и упругие свойства, корродирует во влажном воздухе. Порошкообразный магний или магниевая лента легко загорается от спички и горит белым пламенем.

В природе магний встречается в виде карбонатов, силикатов, хлоридов и сульфатов. Для его получения используют магнезит, доломит, карналлит, бишофит и отходы некоторых производств.

Магний выпускается марок Мг96 (не менее 99,96% Mg), Мг95 (не менее 99,95% Mg) и Мг90 (не менее 99,90% Mg) в виде чушек массой до 8 кг. Он примениется в качестве компонента сверхлегких и жаропрочных сплавов, высокопрочного чугуна, в химической промышленности и пиротехнике.

Магниевые сплавы представляют собой соединения магния с алюминием, цинком, марганцем и другими металлами. Они выпускаются литейные (МЛ2, МЛ15, МЛ19) и деформируемые (MAl, МА2, МА8 и др.). Цифра в маркировке обозначает порядковый номер, зависящий от химического состава.

Титан — металл серебристого цвета с голубоватым отливом плотностью 4505 кг/м3, температурой плавления 1668 °C. Он отличается высокими прочностными свойствами (при температурах до 400°C), коррозионной устойчивостью, в том числе и во многих агрессивных средах, малой теплои электропроводностью, немагнитен. Механические свойства титана снижаются при нагреве до температур свыше 400 °C, а при температуре 540 °C он становится хрупким.

Исходным сырьем для производства титана является ильменит, рутил, сфен или титанит, перовскит и др.

Технический титан выпускается марок BT1−00 (99,53% Ti), BT1−0 (99,48% Ti) i BT1−1 (99,44% Ti). Чем меньше примесей, тем ниже прочность, но выше пластичность Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается (в среде аргона), однако его обработка резаньем затруднена.

Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости титан легируют алюминием, молибденом, ванадием, марганцем, хромом, оловом, ниобием и др. Получаемые сплавы по прочности подразделяются на повышенной пластичности, невысокой и средней прочности и высокопрочные, а по назначению — на литейные (BT1Л, ВТ5Л, ВТ6Л и др.) и деформируемые (от 4—0, ВТ5—1, ВТ8, ВТ9, ВТ22 и др.) Цифры в маркировке показывают среднее процентное содержание компонентов сплава.

Титановые сплавы применяются в химическом машиностроении (колонны, башни, адсорберы, фильтры, насосы, теплообменники, работающие в среде хлора и его растворов, в азотной кислоте), самолетостроении (обшивка самолетов, детали двигателя), ракетной технике, судостроении, тяжелом и энергетическом машиностроении, для изготовления бытовых приборов и др.

2.3 Тяжелые металлы

К тяжелым металлам относятся медь, никель, свинец, цинк и олово.

Медь — это металл красного цвета плотностью 8960 кг/м3, с температурой плавления 1083 °C. Обладает высокой электрои теплопроводностью (по этим свойствам уступает только серебру), пластичностью, коррозионной стойкостью в обычных условиях и в агрессивных средах (кроме аммиачных и сернистых газовых). Медь хорошо обрабатывается давлением и плохо резаньем из-за высокой вязкости, имеет невысокие литейные свойства, так как обладает большой усадкой. По объему производства и потребления занимает первое место среди цветных металлов.

Наиболее распространенными минералами для производства меди являются медный колчедан, куприт, азурит, малахит и др.

В зависимости от методов выплавки и повышения качества медь выпускается катодная (МВЧк, МО0к, МОку, МОк, М1к), бескислородная (МООб, МОб, МЛб), катодная переплавленная (M1д, МЛ), раскисленная (с пониженным содержанием кислорода, марок M1p, М1ф, М2р, М3р) и огневого рафинирования (очищенная от примесей марок М2, М3).

Около половины выплавляемой меди расходуется в электротехнической промышленности (для производства кабельных изделий, контактов, электрогенераторов, электромоторов, распределительных устройств) и приборостроении. Медь используется для изготовления химической аппаратуры, приготовления пигментов, препаратов сельского хозяйства, нанесения покрытий и др.

Значительная часть меди используется для производства сплавов. Сплавы меди в зависимости от свойств подразделяются на высокопрочные, антифрикционные, химически стойкие и др., по химическому составу — на латуни, бронзы, медно-никелевые и специальные, а по способу обработки — на литейные и деформируемые.

Латуни — это сплавы меди с цинком (с содержанием последнего до 40%). По сравнению с медью они более прочны и коррозионностойки. Отличаются высокой пластичностью, свариваемостью, поддаются пайке, лужению, обработке резаньем и давлением в холодном и горячем состоянии.

Латуни выпускаются двойные (Cu+Zn) и специальные или многокомпонентные (легированные алюминием, железом, никелем, оловом, марганцем, свинцом и другими элементами), в том числе литейные и деформируемые.

Двойные латуни выпускаются марок Л96 (томпак), Л90, Л85, Л80 (полутомпак), Л70, Л68, Л63 и Л60, где цифра — содержание меди, %.

Легированные латуни выпускаются оловянис-тые (ЛО70—1), свинцовистые (ЛС74—3), алюминиевые (ЛА77—2), кремнистые (ЛК72—1), марганцовистые (ЛМц76—2) и более сложного состава (ЛАЖ60—1—1, ЛЖМц59— 1—1, ЛАЖМц66—3—2, ЛКС80— 3—3, ЛМцЖ52—4—1 и др.). В их маркировке первая буква Л — латунь, последующие буквы обозначают компоненты сплава (О — олово, С — свинец, А — алюминий, К — кремний, Мц — марганец, Ж — железо, H — никель и т. д.). Цифры показывают процентное содержание меди (первая) и соответствующих компонентов (в порядке их записи в буквенной части маркировки). В литейных латунях (ЛС, ЛК, ЛКС, ЛАЖМц и др.) содержание меди и других компонентов не указывается.

Бронзы — это сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием, бериллием или другими компонентами. В отличие от латуней цинк здесь отсутствует или вводится в незначительных количествах. По сравнению с медью они отличаются более высокими литейными, антифрикционными и антикоррозионными характеристиками, а также твердостью. Бронзы выпускаются оловянные и безоловянные, литейные и деформируемые. Бронзы обозначаются знаком «Бр», а также буквами и цифрами, указывающими легирующие элементы и их процентное содержание. Оловянные бронзы (содержащие до 12% олова) применяются для изготовления антифрикционных деталей (БрОЦС4—4—2,5, БрОЦС5—5—5, БрОЦС4—4—17), пружин (БрОЦ4—3), арматуры, работающей в условиях пара, пресной и морской воды (Бр03Ц7С5Н1, Бр03Ц12С5).

К медно-никелевым сплавам относятся копель (МНМц 43—0,5), константан (МНМц 40—45), мельхиор (МНЖМц 30—1—1), нейзильбер (МНЦ 15—20), куниаль (MHA 13—3), монель (МНЖМц 28—2,5—1,5) и хромель (МНХ9). Эти сплавы используются для изготовления монет, хирургических инструментов, деталей электрических машин и приборов, посуды, украшений и др.

Никель — блестящий металл ярко-белого цвета плотностью 8900 кг/м3, температурой плавления 1453 °C. Это пластичный, высокопрочный и коррозионно-устойчивый материал. По прочности и коррозионной стойкости превосходит другие цветные металлы, обладает магнитными свойствами, хорошо обрабатывается и сваривается.

Большая часть никеля производится из сульфидных никелевых руд. Марки никеля отличаются степенью чистоты. Так, в никеле марок H-0, H-1y, H-1, Н-2, Н-3 и Н-4 содержание примесей соответственно 0,01—2,4%.

Свойства никеля больше проявляются в присутствии некоторых других компонентов, поэтому он чаще всего применяется для производства сплавов, используемых в машиностроении, авиационной и ракетной технике, автомобилестроении, электротехнике, химической, текстильной, пищевой и приборостроительной промышленности.

Свинец — металл синевато-серого оттенка плотностью 11 340 кг/м3, температурой плавления 327 °C. Он чрезвычайно мягок, поэтому легко поддается деформации, отличается высокой плотностью и коррозионной устойчивостью, однако недостаточно стоек в соляной и азотной кислотах.

В зависимости от степени чистоты свинец выпускается марок C0000, C000, C00, С0, C1, С2 и С3, где примесей соответственно от 0,0001 до 0,1%.

Свинец используется как основной материал для получения легкоплавких и антифрикционных сплавов, в производстве аккумуляторов (свинцовые пластины), тетраэтилена свинца (антидетонатора бензинов), ультразвуковых генераторов, стекол, для защиты от излучения в атомной энергетике и др.

Основными видами сплавов на основе свинца являются свинцовистые и свинцово-оловянистые баббиты (подшипниковые сплавы марок БС, БК, Б16, БН, БТ, Б6), типографские (для изготовления типографского шрифта марок МШ, МП1, ЛМ1) и кабельные (для изготовления оболочек кабелей).

Цинк — металл голубовато-белого цвета плотностью 7140 кг/м3, температурой плавления 419 °C. Он отличается коррозионной стойкостью в воде и воздухе, хорошими защитными и механическими свойствами, легко обрабатывается давлением. Однако у него низкий предел ползучести.

В зависимости от степени чистоты цинк выпускается марок ЦВ00, ЦВ1, ЦВ, Ц0А, Ц0, Ц1, Ц2 и Ц3, где содержание примесей соответственно от 0,003 до 2,5%.

Около половины производимого цинка используется для оцинкования металла (железа и его сплавов с целью защиты от окисления), а также лакокрасочной и резиновой промышленности (окись цинка), для отливки под давлением ответственных деталей приборов, изготовления гальванических батарей, предохранения древесины от гниения (хлористый цинк) и др.

Олово — металл серебристо-белого цвета со светло-желтым оттенком, плотностью 7310 кг/м3, температурой плавления 232 °C. Обладает высокой коррозионной стойкостью в обычных условиях, пластичностью и легкоплавкостью, способно образовывать высококачественные сплавы

В зависимости от степени чистоты олово выпускается марок ОВ4−000, О1пч, О1, О2, О3 и О4, где содержание примесей соответственно 0,001—3,57%.

Олово применяется для изготовления белой жести (пищевой), создания защитных покрытий, баббитов (Б83, Б89), бронз, припоев (ПОС 90, ПОС 30, ПОС 18) и др.

2.4 Тугоплавкие металлы

К тугоплавким цветным металлам относятся вольфрам, молибден и такие редкие металлы, как цирконий, тантал, ниобий, рений, ванадий, и др.

Вольфрам — белый металл плотностью 19 300 кг/м3, температурой плавления 3387 °C. Среди металлов является самым тугоплавким. Его получают из солей вольфрамовой кислоты в виде порошка. Применяется в металлургии качественных сталей, а также для производства сплавов с никелем, хромом, медью, кобальтом, титаном и др Бродский А. К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2006.

Вольфрам и его сплавы используют для изготовления нитей накаливания электрических ламп, арматуры электронных ламп (нагревателей, анодов, катодов, сеток), термокомпенсаторов полупроводниковых приборов, электронагревателей высокотемпературных печей, электрических контактов и др.

Молибден — светло-серый металл плотностью 10 200 кг/м3, температурой плавления 2617 °C. Его получают из медно-молибденовых руд и применяют для легирования стали и производства жаропрочных, тугоплавких и кислотоупорных сплавов.

Молибден и его сплавы — важнейшие конструкционные материалы в производстве электрических и электронных ламп, электродов дуговых печей, нагревателей. Его также используют для напыления на детали, подвергающиеся действию высоких температур, используемые в ракетной и космической технике.

Цирконий — серебристо-белый металл плотностью 6450 кг/м3, температурой плавления 1852 °C. Он отличается высокой химической стойкостью, поэтому широко используется для изготовления химической аппаратуры, медицинских инструментов, в ядерной технике. Кроме того, цирконий и его сплавы применяются в пиротехнике, для изготовления жаростойкой керамики (борид и нитрид циркония) и в качестве сверхпроводников.

Тантал представляет собой металл светло-серого цвета с синеватым отливом плотностью 16 600 кг/м3, температурой плавления 2996 °C. Он отличается высокой коррозионной стойкостью, хорошей прочностью, пластичностью и свариваемостью. Применяется в производстве электрических конденсаторов большой емкости, отличающихся малыми габаритами, широким интервалом рабочих температур и напряжений, надежностью и долговечностью оборудования для химической промышленности, ювелирных изделий и др.

Ниобий — светло-серый металл плотностью 8570 кг/м3, температурой плавления 2500 °C. Отличается высокой химической стойкостью, сверхпроводимостью, благодаря чему используется в производстве жарои химически стойких сталей, сверхпроводящих соленоидов и др.

Рений — светло-серый металл плотностью 21 030 кг/м3, температурой плавления 3180 °C. Его используют для изготовления жаропрочных сплавов, нитей накаливания, термопар, коррозионнои износостойких покрытий.

Ванадий — серо-стальной металл плотностью 6110 кг/м3, температурой плавления 1900 °C. Отличается твердостью и химической стойкостью. Он применяется главным образом для повышения прочности и вязкости стали, а также в ядерной энергетике, электронных приборах, текстильной, стекольной и лакокрасочной промышленности.

2.5 Драгоценные металлы

К драгоценным (благородным) металлам относится золото, серебро, платина и платиноиды.

Золото — металл желтоватого цвета плотностью 19 320 кг/м3, температурой плавления 1064,43°C. Обладает высокой электрои теплопроводностью, химической, стойкостью, не окисляется и не образует сернистых пленок, легко обрабатывается давлением в холодном состоянии. Растворителями золота могут служить насыщенная хлором соляная кислота, а также «царская водка» (смесь концентрированной азотной и соляной кислоты в соотношении 1:3). В природе встречается главным образом самородное золото Воронков Н. А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006.

Золото является очень мягким металлом, поэтому в технике используется в основном в виде сплавов с платиной, цирконием, серебром, медью, никелем и палладием. Оно широко применяется в ювелирном производстве. В зависимости от процентного содержания лигатурных металлов (компонентов, входящих в сплав с драгоценными металлами) получают золото желтого, зеленого, красного и белого цветов. Выпускается также сусальное золото. Оно представляет собой листы толщиной 0,13— 0,67 мкм и применяется для золочения металлов, гипса, дерева, мрамора и других материалов.

Серебро — металл белого цвета плотностью 10 500 кг/м3, температурой плавления 960,8°C. Среди металлов серебро имеет наивысшую электрои теплопроводность. Оно отличается также пластичностью, удельной теплоемкостью, отражательными и бактерицидными свойствами. Серебро химически малоактивно, однако в присутствии кислорода и влаги взаимодействует с сероводородом и чернеет. Его добывают из комплексных руд или как самородное.

Серебро применяется как контактный материал в электротехнике, кинои фотопромышленности, для производства ювелирных изделий, очистки воды, изготовления сплавов с золотом, медью, платиной, палладием, кадмием, никелем и кремнием.

Платина — серебристо-белый металл плотностью 21 450 кг/м3, температурой плавления 1769 °C. По сравнению с другими благородными металлами она имеет наибольшее удельное электрическое сопротивление, низкую теплопроводность, незначительную летучесть и химическую стойкость (растворяется только в «царской водке»).

Благодаря своим свойствам платина используется в химической промышленности, электротехнике, автоматике, радиотехнике, электрохимических процессах и др.

Платина в чистом виде обладает невысокой твердостью, поэтому ее применяют в виде сплавов с иридием, родием, никелем, рутением, осмием, молибденом, вольфрамом и серебром.

Драгоценные металлы и сплавы на их основе, поставляемые для технических целей, характеризуются маркой, а использумые в ювелирной промышленности — пробой.

2.6 Вторичная металлургия цветных металлов

Рост производства и потребления вторичных цветных металлов определяется в первую очередь экономической целесообразностью повторного использования дорогостоящего первичного сырья.

За счет сокращения технологического цикла производства цветных металлов из отходов и ломов достигаются основные преимущества в сохранении окружающей среды и экономии энергоносителей, которые достигают 50% издержек производства.

Создание в Российской вторичной цветной металлургии большого числа малых предприятий, к сожалению, не сопровождалось одновременным повышением технологического и технического уровней производства оборудования, в том числе плавильно-литейного. Использование морально устаревших агрегатов с низким КПД и высоким энергопотреблением и потерями металла в процессе передела по упрощенным схемам переработки определяет кустарный уровень большинства мелких производств. По этой причине их продукция некондиционна, низкого качества и используется только в качестве вспомогательных материалов и дешевого сырья при получении сплавов или, в лучшем случае, лигатур и раскислителей в черной металлургии.

Глубокая и безотходная переработка вторичного цветного сырья в условиях малых предприятий возможна лишь при наличии для каждой номенклатуры отходов оптимального технологического регламента, реализуемого на основе использования новейших машин и механизмов по шихтоподготовке и металлургических комплексов плавильно-литейного передела, позволяющих экономически наиболее эффективно производить качественную продукцию высокой степени готовности.

Получение кондиционных сплавов на основе цветных металлов по мировой практике надежным образом достигается только при использовании в шихте не более 50% отходов после их металлургической обработке и аттестации. Поэтому в технологическом регламенте переработки отходов цветных металлов важное значение приобретает сортировка ломов по физическим, химическим, технологическим, потребительским и пр. признакам. Дальнейшая разделка отходов по технологическим размерам и термическая обработка поверхности в активных газовых и солевых средах позволяет достигать для каждого вида отходов предельно возможной чистоты от вредных примесей и нежелательных элементов. Этот передел наименее технологически отработан и механизирован с высокой составляющей трудозатрат. Для каждой группы металлов практически реализуется собственная технологическая схема с учетом физических, физико-химических и технологических свойств отходов и ломов.

В первом приближении отходы и лома цветных металлов можно разделить на 4 неравные группы:

1) алюминий и его сплавы

2) медь и ее сплавы

3) отходы тяжелых цветных металлов

4) отходы содержащие тугоплавкие и редкие элементы

В свою очередь каждую группу металлов следует разделять на подгруппы по чистоте и элементному составу с последующей химико-термической подработкой в активных газовых и солевых средах и сплавлением на опробирование.

Несмотря на явное увеличение затрат на подработку сырья, эта схема остается экономически эффективна за счет количественного сокращения и технологического наполнения всего спектра режимов переработки сырья по классической схеме от исходной руды Воронков Н. А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006.

Потребление металла на душу населения является одним из важнейших показателей уровня развития страны. Чем выше этот показатель, тем лучше работает промышленность, тем больше нужных и полезных товаров она выпускает, и тем выше, в конечном счете, уровень жизни населения, качество жизни и ее комфортность.

Однако не следует забывать, что запасы сырья для металлургии невосполнимы. И в последние десятилетия эти запасы истощаются с пугающей быстротой.

Конечно, в глубоких недрах земли руды еще много, но ее труднее добывать. Значит, она будет дороже, а вследствие этого подорожает и металл. А с ним — и вся продукция, изготовленная с прямым или косвенным использованием металла. То есть, по сути, вообще любая продукция — поскольку без металла невозможно сделать ничего на свете.

Чтобы этого не случилось, природное сырье необходимо экономить. И к счастью, металлы дают такую возможность.

Пришедшее в негодность металлическое изделие можно переплавить и тем самым подарить металлу новую жизнь.

Сегодня компании, которые занимаются сбором и переработкой отходов черных и цветных металлов (например, Кольская горно-металлургическая компания), готовы платить за металлолом реальные деньги. Интерес у этих компаний вызывают самые разные металлы, но в первую очередь — никель, титан, молибден, вольфрам, цинк и ферросплавы.

Вторичная переработка отходов черных и цветных металлов создает своеобразный круговорот, позволяя экономить невосполнимые природные ресурсы. Вместо того, чтобы ржаветь и гнить, непригодные для использования по прямому назначению металлические изделия и конструкции после переплавки снова служат людям.

В 2010 г. по инициативе Кольской горно-металлургической компании проведены исследования и разработаны технологии по очистке отработанного электролита от цветных металлов и разделения меди и никеля. Проведено промышленное опробование технологии и выдан технологический регламент на проектирование опытного участка.

Продолжены исследования по переработке электронного лома в Кольской горно-металлургической компании. Разработана математическая модель себестоимости золота при переработке по различным технологическим схемам и в различном сочетании.