Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электроплавка фосфата на химическом заводе ТВА (1942 г.)

Плавка - это процесс нагревания руды с целью извлечения основного металла . [1] Это разновидность добывающей металлургии . Он используется для извлечения многих металлов из руд, включая серебро , железо , медь и другие неблагородные металлы . Плавка использует тепло и химический восстановитель для разложения руды, отгоняя другие элементы в виде газов или шлака и оставляя металлическую основу позади. Восстановитель обычно представляет собой источник углерода из ископаемого топлива , такой как кокс - или, в прежние времена,древесный уголь . [2] кислород в рудном связывается с углеродом при высоких температурах из - за более низкую потенциальную энергию связей в двуокиси углерода ( СО
2). Плавка чаще всего происходит в доменной печи для производства чугуна , который превращается в сталь .

Источник углерода действует как химический реагент для удаления кислорода из руды, давая очищенный металлический элемент в качестве продукта. Источник углерода окисляется в две стадии. Во-первых, углерод (C) сгорает с кислородом (O 2 ) в воздухе с образованием монооксида углерода (CO). Во-вторых, монооксид углерода реагирует с рудой (например, Fe 2 O 3 ) и удаляет один из атомов кислорода, выделяя диоксид углерода ( CO
2), заметный парниковый газ . После последовательных взаимодействий с монооксидом углерода весь кислород из руды будет удален, оставив неочищенный металлический элемент (например, Fe). [3] Поскольку большинство руд загрязнены, часто необходимо использовать флюс , такой как известняк , для удаления сопутствующей пустой породы в виде шлака. Эта реакция прокаливания также часто приводит к выделению диоксида углерода.

В результате как окисления углерода, так и прокаливания флюса промышленная плавка вносит свой вклад в изменение климата . [4] Установки для электролитического восстановления алюминия также обычно называют алюминиевыми заводами .

Процесс [ править ]

Плавка - это больше, 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 заставить эти соединения пройти химическую реакцию. Следовательно, плавка заключается в использовании подходящих восстанавливающих веществ, которые объединяются с этими окисляющими элементами, чтобы освободить металл.

Обжарка [ править ]

В случае сульфидов и карбонатов процесс, называемый « обжигом », удаляет нежелательный углерод или серу, оставляя оксид, который можно непосредственно восстановить. Обжарка обычно проводится в окислительной среде. Несколько практических примеров:

  • Малахит , обычная руда меди , в основном представляет собой гидроксид карбоната меди Cu 2 (CO 3 ) (OH) 2 . [5] Этот минерал подвергается термическому разложению до 2CuO, CO 2 и H 2 O [6] в несколько стадий между 250 ° C и 350 ° C. Двуокись углерода и вода выбрасываются в атмосферу, оставляя оксид меди (II) , который может быть непосредственно восстановлен до меди, как описано в следующем разделе, озаглавленном « Восстановление» .
  • Галенит , наиболее распространенный минерал свинца , в основном представляет собой сульфид свинца (PbS). Сульфид окисляется до сульфита (PbSO 3 ), который термически разлагается на оксид свинца и газообразный диоксид серы. (PbO и SO 2 ) Диоксид серы удаляется (как диоксид углерода в предыдущем примере), а оксид свинца восстанавливается, как показано ниже.

Сокращение [ править ]

Восстановление - это заключительный высокотемпературный этап плавки, на котором оксид становится элементарным металлом. Восстановительная среда (часто обеспечиваемая оксидом углерода, образовавшимся в результате неполного сгорания в печи с недостатком воздуха) вытягивает конечные атомы кислорода из необработанного металла. Требуемая температура варьируется в очень большом диапазоне как в абсолютном выражении, так и в отношении точки плавления основного металла. Примеры:

  • Оксид железа становится металлическим железом примерно при 1250 ° C (2282 ° F или 1523,15 K), что почти на 300 градусов ниже точки плавления железа, составляющей 1538 ° C (2800,4 ° F или 1811,15 K). [7]
  • Оксид ртути превращается в парообразную ртуть при температуре около 550 ° C (1022 ° F или 823,15 K), что почти на 600 градусов выше точки плавления ртути -38 ° C (-36,4 ° F или 235,15 K). [8]

Флюс и шлак могут обеспечить вторичную услугу после завершения стадии восстановления: они обеспечивают расплавленное покрытие на очищенном металле, предотвращая контакт с кислородом, пока он еще достаточно горячий, чтобы легко окисляться. Это предотвращает образование примесей в металле.

Флюсы [ править ]

Металлисты используют флюсы при плавке для нескольких целей, главная из которых - катализирование желаемых реакций и химическое связывание с нежелательными примесями или продуктами реакции. Для этой цели часто использовался оксид кальция в виде извести , поскольку он мог реагировать с диоксидом углерода и диоксидом серы, образующимся во время обжига и плавки, чтобы не допустить их попадания в рабочую среду.

История [ править ]

Из семи металлов, известных в древности , только золото регулярно встречается в естественной форме в естественной среде. Остальные - медь , свинец , серебро , олово , железо и ртуть - встречаются в основном в виде минералов, хотя медь иногда встречается в ее самородном виде в коммерчески значимых количествах. Эти минералы в основном представляют собой карбонаты , сульфиды или оксиды металла, смешанные с другими компонентами, такими как диоксид кремния и оксид алюминия . Запеканиекарбонатные и сульфидные минералы в воздухе превращают их в оксиды. Оксиды, в свою очередь, плавятся в металле. Окись углерода была (и остается) предпочтительным восстановителем для плавки. Он легко образуется в процессе нагрева и при непосредственном контакте газа с рудой.

В Старом Свете люди научились плавить металлы в доисторические времена, более 8000 лет назад. Открытие и использование «полезных» металлов - сначала меди и бронзы, а через несколько тысячелетий позже железа - оказали огромное влияние на человеческое общество. Воздействие было настолько сильным, что ученые традиционно делят древнюю историю на каменный век , бронзовый век и железный век .

В Северной и Южной Америке , пре- Инков цивилизации центральной Анд в Перу освоил выплавку меди и серебра , по меньшей мере за шесть веков до того , как первые европейцы прибыли в 16 веке, в то время как никогда не осваивая выплавку металлов , таких как железо для использования с оружием -ремесло. [9]

Олово и свинец [ править ]

В Старом Свете первыми выплавленными металлами были олово и свинец. Самые ранние известные бусины из литого свинца были найдены на городище Чатал Хёюк в Анатолии ( Турция ) и датированы примерно 6500 годом до нашей эры, но металл, возможно, был известен и раньше.

Поскольку открытие произошло за несколько тысячелетий до изобретения письменности, нет никаких письменных свидетельств того, как это было сделано. Однако олово и свинец можно переплавить, поместив руду в дровяной огонь, что оставляет возможность того, что открытие могло произойти случайно.

Свинец - распространенный металл, но его открытие не оказало большого влияния на древний мир. Он слишком мягкий, чтобы использовать его для элементов конструкции или оружия, хотя его высокая плотность по сравнению с другими металлами делает его идеальным для строповки снарядов. Однако, поскольку его было легко отливать и формировать, работники классического мира Древней Греции и Древнего Рима широко использовали его для труб и хранения воды. Они также использовали его в качестве раствора в каменных зданиях. [10] [11]

Олово встречается гораздо реже, чем свинец, лишь ненамного тверже, а само по себе оказывает еще меньшее влияние.

Медь и бронза [ править ]

После олова и свинца следующим выплавляемым металлом была медь. Вопрос о том, как произошло это открытие, обсуждается. Температура костров примерно на 200 ° C ниже необходимой, поэтому некоторые предполагают, что первая плавка меди могла произойти в гончарных печах . Развитие плавки меди в Андах, которое, как полагают, произошло независимо от Старого Света , могло происходить таким же образом. [9] Самые ранние свидетельства плавки меди, датируемые периодом между 5500 и 5000 годами до нашей эры, были найдены в Плочнике и Беловоде , Сербия. [12] [13] Голова булавы найдена в Кан Хасане., Турция и датируемая 5000 г. до н.э., когда-то считавшаяся древнейшим свидетельством, теперь кажется, что это кованая самородная 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 годом до нашей эры из Малой Азии . Бронзовые сплавы инков также были к этому типу. Мышьяк часто является примесью медных руд, поэтому открытие могло быть сделано случайно. В конце концов, во время плавки намеренно добавлялись минералы, содержащие мышьяк. [ необходима цитата ]

Медно-оловянная бронза, более твердая и долговечная, была разработана около 3500 г. до н.э., также в Малой Азии. [15]

Как кузнецы научились производить медно-оловянную бронзу, неизвестно. Первые такие бронзы, возможно, были счастливой случайностью из загрязненных оловом медных руд. Однако к 2000 г. до н.э. люди начали добывать олово с целью получения бронзы - что удивительно, учитывая, что олово - полуредкий металл, и даже богатая касситеритовая руда содержит только 5% олова. Кроме того, требуются специальные навыки (или специальные инструменты), чтобы найти его и найти более богатые залежи . Однако первые люди узнали о олове, но к 2000 году до нашей эры они поняли, как использовать его для изготовления бронзы. [ необходима цитата ]

Открытие производства меди и бронзы оказало значительное влияние на историю Старого Света . Металлы были достаточно твердыми, чтобы делать оружие тяжелее, прочнее и устойчивее к ударам, чем его аналоги 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 нательные доспехи . Бронза также вытеснила камень, дерево и органические материалы в инструментах и ​​домашней утвари, таких какстамески , пилы , тесла , гвозди , ножницы , ножи , швейные иглы и булавки , кувшины , кастрюли и котлы , зеркала и упряжь для лошадей . [ необходима цитата ] Олово и медь также способствовали созданию торговых сетей, охвативших большие территории Европы и Азии, и оказали большое влияние на распределение богатства между людьми и народами. [ необходима цитата ]

Отливка бронзовых дин-треножников из китайской энциклопедии Тяньгун Кайу Сун Инсин , изданной в 1637 году.

Ранняя выплавка чугуна[ редактировать ]

Основная статья: Черная металлургия

Самым ранним свидетельством производства железа является небольшое количество фрагментов железа с соответствующими количествами примеси углерода, обнаруженных в прото-хеттских слоях в Каман-Калехойюке и датированных 2200–2000 гг . До  н . Э. [16] Souckova-Siegolová (2001) показывает , что железные орудия были сделаны в Центральной Анатолии в очень ограниченных количествах , около 1800 г. до н.э. и были в общем использовании элит, хотя и не простолюдины, во время Новых Хеттского царства (~1400-1200 до н.э.) . [17]

Археологи обнаружили следы обработки железа в Древнем Египте , где-то между Третьим промежуточным периодом и 23-й династией (около 1100–750 гг. До н. Э.). Примечательно, однако, что они не нашли никаких доказательств плавки железной руды в какой-либо (досовременный) период. Кроме того, очень ранние образцы углеродистой стали производились около 2000 лет назад (примерно в первом веке нашей эры) на северо-западе Танзании , на основе сложных принципов предварительного нагрева. Эти открытия имеют большое значение для истории металлургии. [18]

Самые ранние процессы в Европе и Африке включали плавку железной руды в цехе , где температура поддерживалась достаточно низкой, чтобы железо не плавилось. В результате образуется губчатая масса железа, называемая блюмом, которую затем необходимо уплотнить молотком для производства кованого железа . Самые ранние на сегодняшний день свидетельства об плавке железа в цвету найдены в Телль-Хамме , Иордания ( [1] ), и датируются 930 г. до н.э. ( датировка C14 ).

Позднее выплавка чугуна [ править ]

Основная статья: Доменная печь

Со времен средневековья косвенный процесс начал заменять прямое сокращение цветения. При этом использовалась доменная печь для производства чугуна , который затем должен был пройти дальнейшую обработку для производства ковкого пруткового чугуна. Процессы на втором этапе включают оклейку в кузнице для украшений, а после промышленной революции - лужение . Оба процесса сейчас устарели, и кованое железо теперь редко делают. Вместо этого низкоуглеродистую сталь производят в конвертере Бессемера или другими способами, включая процессы восстановительной плавки, такие как процесс Corex .

Недрагоценные металлы [ править ]

Синдикат Коулза из Огайо в Сток-апон-Трент, Англия , конец 1880-х годов. Примерно в то время компания British Aluminium использовала процесс Поля Эру . [19]

Руды цветных металлов часто являются сульфидами. В последние столетия отражательные печи использовались для хранения плавящейся шихты отдельно от топлива. Традиционно их использовали на первом этапе плавки: формировали две жидкости: одну - оксидный шлак, содержащий большую часть примесей, а другой - 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 подают через отверстия в своде печи. Шлак плавает над более тяжелым штейном и удаляется, выбрасывается или перерабатывается. Затем сульфидный штейн отправляется наконвертер . Точные детали процесса варьируются 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 неэффективными с точки зрения энергопотребления и выделяли в отходящих газах низкую концентрацию диоксида серы, которую было трудно улавливать; Их вытеснило новое поколение технологий плавки меди. [20] В более современных печах используется плавка в ванне, плавка с фурмой с верхней струей, взвешенная плавка и доменные печи. Некоторые примеры плавильных печей в ванне включают печь Noranda, Isasmelt.печь, реактор Teniente, медеплавильный завод Вунюкова и технология SKS. Плавильные печи с фурмой с верхней струей включают плавильный реактор Mitsubishi. На долю внеплавильных печей приходится более 50% медеплавильных заводов в мире. Существует еще много разновидностей процессов плавки, включая Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF и BF.

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Плавка 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. [21] Металлургические заводы также выделяют газообразный диоксид серы, способствуя кислотным дождям , которые подкисляют почву и воду. [22]

Сточные воды [ править ]

К загрязнителям сточных вод, сбрасываемым металлургическими предприятиями, относятся 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). [23]

Загрязняющие вещества, выделяемые плавильными заводами других типов, зависят от руды цветных металлов. Например, алюминиевые заводы обычно производят фторид , бенз (а) пирен , сурьму и никель , а также алюминий. Медеплавильные заводы обычно выгружают кадмий , свинец, цинк , мышьяк и никель, помимо меди. [24]

Плавильный 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 с плавильных заводов резко сократились, повторные выбросы в ландшафты продолжали оставаться основным региональным источником ртути. [25] Озера, вероятно, будут загрязнены ртутью от плавильного завода в течение десятилетий, как в результате повторных выбросов, возвращающихся в виде дождевой воды, так и в результате выщелачивания металлов из почвы. [25]

Влияние на здоровье [ править ]

Рабочие, работающие в металлургической промышленности, сообщают о респираторных заболеваниях, препятствующих их способности выполнять физические задачи, требуемые их работой. [27]

См. Также [ править ]

  • Чугун
  • Диаграмма Эллингема , полезная для прогнозирования условий, при которых руда превращается в металл.
  • Методы извлечения меди
  • Клинкер
  • Купелирование
  • Свинцовая плавка
  • Металлургия
  • Пирометаллургия
  • Кованое железо
  • Плавка цинка

Ссылки [ править ]

  1. ^ "плавка | Определение и факты" . Британская энциклопедия . Проверено 23 февраля 2021 года .
  2. ^ «Плавка» . Британская энциклопедия . Проверено 15 августа 2018 .
  3. ^ «Доменная печь» . Научная помощь. Архивировано из оригинала 17 декабря 2007 года.
  4. ^ «Вот вопрос, который вы должны задать о каждом плане по изменению климата» .
  5. ^ "Малахит: информация о минералах Малахита и данные" . mindat.org. Архивировано 8 сентября 2015 года . Проверено 26 августа 2015 года .
  6. ^ «Медь из Малахита | Ресурсы Земли» . asminternational.org. Архивировано 23 сентября 2015 года . Проверено 26 августа 2015 года .
  7. ^ Айзеле, TC (1 октября 2005). «Прямое биогидрометаллургическое извлечение железа из руды» . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  8. ^ «Обработка ртути - Добыча и очистка» . Британская энциклопедия . Проверено 23 февраля 2021 года .
  9. ^ a b "релизы / 2007/04/070423100437" . sciencedaily.com. Архивировано 9 сентября 2015 года . Проверено 26 августа 2015 года .
  10. Перейти ↑ Browne, Malcolm W. (9 декабря 1997 г.). «Ледяная шапка показывает, что земной шар загрязнили древние рудники (опубликовано в 1997 году)» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 23 февраля 2021 года . 
  11. ^ Loveluck, Кристофер П .; Маккормик, Майкл; Сполдинг, Николь Э .; Клиффорд, Хизер; Хэндли, Майкл Дж .; Хартман, Лаура; Хоффманн, Элен; Коротких, Елена В .; Курбатов, Андрей В .; Подробнее, Александр Ф .; Снид, Шэрон Б. (декабрь 2018 г.). «Альпийские ледяные керны, свидетельствующие о трансформации европейской денежной системы, 640–670 гг. Нашей эры» . Античность . 92 (366): 1571–1585. DOI : 10,15184 / aqy.2018.110 . ISSN 0003-598X . 
  12. ^ "Stone Pages Archaeo News: Древняя металлическая мастерская, найденная в Сербии" . stonepages.com. Архивировано 24 сентября 2015 года . Проверено 26 августа 2015 года .
  13. ^ "201006274431 | Сайт Беловоде в Сербии, возможно, принимал первых производителей меди" . archaeologydaily.com. Архивировано из оригинального 29 февраля 2012 года . Проверено 26 августа 2015 года .
  14. ^ Сагона, AG; Зиманский, ЧП (2009). Древняя Турция . Рутледж. ISBN 9780415481236. Архивировано 6 марта 2016 года.
  15. ^ "История бронзовой инфографики | О компании | Веб-сайт | Makin Metal Powders (Великобритания)" . www.makin-metals.com . Проверено 23 февраля 2021 года .
  16. ^ Akanuma, Hideo (2008). «Значение железных предметов раннего бронзового века из Каман-Калехойюк, Турция» (PDF) . Анатолийские археологические исследования . Токио: Японский институт анатолийской археологии. 17 : 313–320.
  17. ^ Souckova-Siegolová, J. (2001). «Обработка и использование железа в Хеттской империи во 2-м тысячелетии до нашей эры». Средиземноморская археология . 14 : 189–93..
  18. ^ Питер Шмидт, Дональд Х. Эйвери. Комплексная выплавка железа и доисторическая культура в Танзании. Архивировано 9 апреля 2010 г., Wayback Machine , Science 22 сентября 1978 г .: Vol. 201. нет. 4361, стр. 1085–1089.
  19. ^ Минет, Адольф (1905). Производство алюминия и его промышленное использование . Леонард Вальдо (переводчик, дополнения). Нью-Йорк, Лондон: Джон Вили и сыновья, Чепмен и Холл. п. 244 (говорит Минет) +116 (говорит Эру). OL 234319W . 
  20. ↑ WG Davenport (1999). «Добыча меди с 60-х по 21 век». В Г. А. Элтрингеме; Н.Л. Пирет; М. Саху (ред.). Материалы международной конференции Copper 99 – Cobre 99 . I - Пленарные лекции / Движение в области меди и перспектив отрасли / Применение и производство меди. Варрендейл, Пенсильвания: Минералы, металлы и материалы Общества. С. 55–79. OCLC 42774618 . 
  21. ^ Хатчинсон, ТС; Уитби, LM (1974). «Загрязнение тяжелыми металлами в горно-металлургическом районе Садбери в Канаде, I. Загрязнение почвы и растительности никелем, медью и другими металлами». Охрана окружающей среды . 1 (2): 123-13 2. DOI : 10,1017 / S0376892900004240 . ISSN 1469-4387 . 
  22. ^ Likens, Gene E .; Райт, Ричард Ф .; Галлоуэй, Джеймс Н .; Батлер, Томас Дж. (1979). "Кислотный дождь". Scientific American . 241 (4): 43–51. Bibcode : 1979SciAm.241d..43L . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1079-43 . JSTOR 24965312 . 
  23. ^ «7. Характеристика сточных вод» . Документ по разработке окончательных руководящих принципов и стандартов по ограничению сбросов для категории точечных источников производства чугуна и стали (отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). 2002. С. 7–1 и далее. EPA 821-R-02-004.
  24. ↑ EPA (1984). «Категория точечных источников производства цветных металлов». Свод федеральных правил, 40 CFR Часть 421 .
  25. ^ a b c Wiklund, Johan A .; Кирк, Джейн Л .; Мьюир, Дерек CG; Эванс, Марлен; Ян, Фань; Китинг, Джонатан; Парсонс, Мэтью Т. (15 мая 2017 г.). «Антропогенное осаждение ртути во Флин-Флон, Манитоба, и в районе экспериментальных озер Онтарио (Канада): реконструкция керна отложений из нескольких озер» . Наука об окружающей среде в целом . 586 : 685–695. Bibcode : 2017ScTEn.586..685W . DOI : 10.1016 / j.scitotenv.2017.02.046 . ISSN 0048-9697 . PMID 28238379 .  
  26. ^ Нейлор, Джонатон. «Когда дым перестал: остановка плавильного завода Флин-Флон» . Напоминание о Флине Флоне . Дата обращения 6 июля 2020 .
  27. ^ Шёстранд, Torgny (12 января 1947). «Изменения в органах дыхания рабочих на горно-металлургическом комбинате1». Acta Medica Scandinavica . 128 (S196): 687–699. DOI : 10.1111 / j.0954-6820.1947.tb14704.x . ISSN 0954-6820 . 

Библиография [ править ]

  • Плейнер Р. (2000) Железо в археологии. Европейские цветочные заводы , Прага, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Велдхуйзен, HA (2005) Техническая керамика в ранней выплавке чугуна. Роль керамики в производстве железа в начале первого тысячелетия до нашей эры в Телль-Хамме (Аз-Зарка), Иордания. В: Prudêncio, I.Dias, I. и Waerenborgh, JC (ред.) Понимание людей через их керамику; Материалы 7-го Европейского совещания по древней керамике (Emac '03) . Лиссабон, Instituto Português de Arqueologia (IPA).
  • Veldhuijzen, HA и Rehren, Th. (2006) Образование шлаков при выплавке чугуна в Телль-Хамме (Аз-Зарка), Иордания. В: Перес-Arantegui, J. (ред.) Труды 34 - й Международный симпозиум по Archaeometry, Сарагоса, 3-7 мая 2004 года . Сарагоса, Институт «Фернандо эль Католико» (CSIC) Excma. Diputación de Zaragoza.

Внешние ссылки [ править ]