Производство цветных металлов

Г.В. Галевский
В.В. Руднева 

ПРОИЗВОДСТВО

ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ 

Учебное пособие  

Рекомендовано учебно-методическим объединением
вузов России по образованию в области металлургии 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению «Металлургия» 

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 669.2(075.8)
ББК  34.33я73
        Г15

Р е ц е н з е н т ы : 
кафедра металлургии цветных металлов Иркутского национального 
исследовательского технического университета;
зав. кафедрой, д-р техн. наук, проф. Н.В. Немчинова; 
главный научный сотрудник Института вычислительного 
моделирования СО РАН, д-р техн. наук, проф. Г.Г. Крушенко

Галевский Г.В.
Г15         Производство цветных металлов [Электронный ресурс] : 
учеб. пособие / Г.В. Галевский, В.В. Руднева.  — 2-е изд., стер. 
— М. : Флинта, 2017. — 258 с. : ил. 

ISBN 978-5-9765-2929-8 

В учебном пособии рассмотрены классификация, свойства
и применение цветных металлов в современной технике, 
используемые в их производстве сырье, топливо, огнеупорные 
материалы. Описаны пиро-, гидро- и электрометаллургические 
процессы и методы их термодинамического и кинетического 
анализов. Изложены 
основы 
производства 
алюминия, 
меди, свинца, приведены 90 примеров решения основных типов
технологических задач и 210 задач для самостоятельного решения.
Для студентов, магистрантов, аспирантов, преподавателей
вузов и инженерно-технических работников, специализирующихся 
в области металлургии.

УДК 669.2(075.8)
ББК  34.33я73

Печатается по решению редакционно-издательского совета
Сибирского государственного индустриального университета

ISBN 978-5-9765-2929-8 
         © Галевский Г.В., Руднева В.В., 2017

© Издательство «ФЛИНТА», 2017

Оглавление

Введение ...............................................................................................5

1. Металлы: классификация, свойства, применение, сырье для 
получения, металлургическое топливо, огнеупорные 
и вспомогательные материалы...........................................................8

1.1 Классификация и применение металлов в современной 
технике.............................................................................................8
1.2 Сырье для получения металлов............................................17
1.3 Металлургическое топливо...................................................19
1.4 Огнеупоры и вспомогательные материалы.........................22
Список литературы ......................................................................25

2. Металлургические процессы, их классификация и анализ.......26

2.1 Классификация металлургических процессов....................26
2.2 Продукты и полупродукты металлургического 
производства.................................................................................32
2.3 Анализ металлургических процессов ..................................38

2.3.1 Термодинамические расчеты равновесия реакций 
в пирометаллургии ...................................................................38
2.3.2 Термодинамические и технологические расчеты 
в гидрометаллургии..................................................................63
2.3.3 Термодинамические и кинетические расчеты 
в электрометаллургии ..............................................................87

Список литературы ....................................................................114

3. Производство алюминия.............................................................115

3.1 Производство металлургического глинозема ...................115
3.2 Технологические расчеты в производстве 
металлургического глинозема ..................................................119
3.3 Электролитическое производство алюминия ...................127
3.4 Технологические расчеты в производстве алюминия .....135
Список литературы ....................................................................150

4. Производство меди......................................................................151

4.1 Сырье для производства меди ............................................151
4.2 Пирометаллургическое производство меди......................153

4.3 Гидрометаллургия меди . .................................................... 177 
4.4 Технологические расчеты в производстве меди . ............. 183 
Список литературы . .................................................................. 213 

5. Производство свинца . ................................................................ 215 

5.1 Вещественный состав свинцовых руд и концентратов  
и его расчет . ............................................................................... 215 
5.2 Агломерирующий окислительный обжиг свинцовых 
концентратов. Технологические расчеты . .............................. 224 
5.3 Шахтная восстановительная плавка агломерата. 
Технологические расчеты . ....................................................... 231 
Список литературы . .................................................................. 238 

Приложение А. Вспомогательные таблицы для расчета 
равновесия реакций ускоренными методами . ........................ 239 
Приложение В. Электрохимический ряд напряжений металлов 
(стандартные электродные потенциалы) . ............................... 257 

ВВЕДЕНИЕ

Металлы являются наиболее распространенным видом ма
териалов, которыми человек удовлетворяет свои жизненные потребности. Сейчас человечество живет в век металлов и развитие 
всех отраслей промышленности, наука, культура и быт человека 
немыслимы без машин, механизмов, приборов и других изделий 
из металла.

Переход человека от использования камня (каменный век) к 

металлу был длительным и сложным. Он произошел не в результате революционного скачка в развитии общества, а металлы постепенно входили в обиход человека в течение длительного периода. Первым металлом, вошедшим в повседневный обиход человека, была медь, которая открыла эру металлургии и дала миру 
первый сплав – бронзу. По археологическим данным первые сведения о плавках меди относятся к 6500 – 5700 гг. до н.э. Она была 
основой материальной культуры в течение многих тысячелетий, 
и медный век  постепенно перешел к бронзовому веку. 

Следующим этапом в металлургии стало применение железа 

(железный век), и его начало относят ко второму тысячелетию до 
н.э. Получение чистого железа и его сплавов стало возможным 
благодаря накопленному опыту по выплавке меди, бронзы, золо

та и других легкоплавких металлов и сплавов. Освоение производства железа послужило мощным толчком к развитию производительных сил и технического прогресса.

В древности человеку были известны восемь металлов –

медь, золото, серебро, олово, свинец, железо, ртуть и сурьма. К 
концу XVIII в. их число увеличилось до 20, а в настоящее время 
производится и используется около 80 металлов.

Распространенность элементов в земной коре различна – от 

нескольких процентов до миллионных долей. Суммарное содержание (%) десяти наиболее распространенных элементов (кислород – 47,00; кремний – 29,50; алюминий – 8,05; железо – 4,65; 
кальций – 2,96; натрий и калий – по 2,50; магний – 1,87; титан –
0,45; водород – 0,15) составляет 99,63 % массы земной коры, а на 
все остальные элементы приходится только 0,37 % общей массы 
земли. Представление о распространенности в земной коре некоторых хорошо известных металлов дают значения их кларков, т.е. 
среднеарифметическое содержание в земной коре (%):

Медь (Cu) - 0,010;
Олово (Sn) - 6 10-4;

Цинк (Zn) - 0,020;
Уран (U)     - 5 10-4;

Никель (Ni) - 0,018;
Платина (Pt) -2 10-5;

Вольфрам (W) - 7 10-3;
Серебро (Ag) - 4 10-6;

Молибден (Mo) - 1 10-3;
Золото (Au) - 5 10-7;

Свинец (Pb) - 8 10-4;
Рений (Re) - 1 10-7.

Наиболее редко в природе встречаются полоний и актиний, 

кларк которых близок к 10-15 %.

Техническое значение металла определяется его распро
страненностью в природе, потребностями в современной технике
и производственными возможностями получения. Два последних 
фактора определяют масштабы производства отдельных металлов. В производстве металлов около 95 % выпускаемой продукции (около 1,5 млрд. т) составляют чугун и сталь, которые представляют собой сплавы железа с углеродом и другими легирующими компонентами. 

Производством металлов из руд и других видов металлосо
держащего сырья занимается металлургия – крупнейшая отрасль 

тяжелой индустрии. Металлургия является центральным звеном 
горно-металлургического производства, включающего геологию, 
горное дело, обогащение, собственно металлургию, литейное 
производство и обработку металлов различными приемами (давлением, температурой, механическими методами и т.д.). В основе 
металлургии лежат принципы химических технологий, так как 
при осуществлении металлургических процессов перерабатываемые материалы претерпевают различные физико-химические 
превращения. Поэтому металлургия тесно связана с физикой, химией и особенно с физической химией, которая является научной 
основой теоретической и практической металлургии. В последние годы возрастает связь металлургии с математикой и компьютерной техникой. 
Металлургическая промышленность России в настоящее 
время 
производит 
78 
элементов 
Периодической системы 
Д.И. Менделеева, а также различные виды удобрений, строительных материалов, серную кислоту и серу, цемент и многие другие
виды продукции. Таким образом, металлургия России является 
высокоразвитой отраслью материального производства. Особое 
значение для развития горнозаводского дела в России имели труды М.В. Ломоносова, Д.И. Менделеева, а также крупных специалистов по производству черных металлов П.П. Аносова, Д.К. 
Чернова, Н.Н. Бекетова, И.П. Бардина и многих других. Неоценимый вклад в развитие отечественной цветной металлургии 
внесли 
А.А. 
Байков, 
Н.С. 
Курнаков, 
П.П. 
Федотьев, 
В.А. Ванюков, А.И. Беляев, И.Ф. Худяков, А.Н. Вольский и другие. 

1 МЕТАЛЛЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, 

СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, СЫРЬЕ ДЛЯ 
ПОЛУЧЕНИЯ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ 
ТОПЛИВО, ОГНЕУПОРНЫЕ 
И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1 Классификация и применение металлов 

в современной технике

В настоящее время действует следующая классификация 

металлов. Все металлы делят на две группы: черные и цветные.

К группе черных металлов относят железо (Fe) и его спла
вы, а также марганец (Mn) и хром (Cr).

Все остальные металлы составляют группу цветных.
В свою очередь цветные металлы подразделяются на следу
ющие подгруппы:

а) тяжелые цветные металлы: медь (Cu), никель (Ni), сви
нец (Pb), олово (Sn), цинк (Zn), кадмий (Сd), кобальт (Co), мышьяк (As), сурьма (Sb);

б) легкие цветные металлы: алюминий (Al), магний (Mg), 

натрий (Na), а также бериллий (Be), литий (Li), барий (Ba), кальций (Ca), стронций (Sr), калий (K);

в) благородные металлы: золото (Au), серебро (Ag), платина 

(Pt), осмий (Os), иридий (Ir), родий (Rh), рутений (Ru), палладий 
(Pd);

г) редкие металлы: 
- тугоплавкие: титан (Ti), цирконий (Zr), гафний (Hf), нио
бий (Nb), тантал (Ta), молибден (Mo), вольфрам (W), рений (Re);

- рассеянные: галлий (Ga), таллий (Tl), германий (Ge), селен 

(Se), теллур (Te), индий (In), рубидий (Rb), цезий (Cs);

- редкоземельные: скандий (Sc), иттрий (Y), лантан (La) и 

лантаноиды (14 элементов от церия до лютеция);

- радиоактивные: радий (Ra), актиний (Ac), торий (Th), уран 

(U), полоний (Po).

Следует иметь в виду, что редкие металлы не обязательно 

(как иногда ошибочно представляют) содержатся в земной коре в 

малых количествах. Как видно из таблицы 1.1, содержание, 
например, титана, циркония, лития в земной коре больше, чем 
цинка, олова, свинца. Металлы этой подгруппы получили название «редкие» главным образом потому, что они рассеяны в большом количестве других пород. Отсюда невелика концентрация 
этих металлов в рудах, а месторождения руд редких металлов 
имеют небольшие размеры (запасы).

Таблица 1.1 – Средний химический состав земной коры по 
А.П. Виноградову (без океана и атмосферы), %

Элемент

Содержание

Элемент

Содержание

Элемент

Содержание
Элемент
Содержание

O
47,2
Rb
3,1∙10-2
Ga
1,5∙10-3
Hf
3,2∙10-4

Si
27,6
F
2,7∙10-2
Nb
1,0∙10-3
B
3,0∙10-4

Al
8,80
Zr
2,0∙10-2
Cd
1,0∙10-3
Br
1,8∙10-4

Fe
5,10
Cr
2,0∙10-2
Th
8,0∙10-4
Ho
1,3∙10-4

Ca
3,60
V
1,5∙10-2
Cs
7,0∙10-4
Eu
1,2∙10-4

Na
2,64
Cu
1,0∙10-2
Pr
7,0∙10-4
W
1,0∙10-4

K
2,60
N
1,0∙10-2
Sm
7,0∙10-4
Lu
1,0∙10-4

Mg
2,10
Ni
8,0∙10-3
Ge
7,0∙10-4
Tm
8,0∙10-5

Ti
0,60
Li
6,5∙10-3
Be
6,0∙10-4
Se
6,0∙10-5

H
(0,15)
Zn
5,0∙10-3
Sc
6,0∙10-4
Cd
5,0∙10-5

C
0,10
Ce
4,5∙10-3
As
5,0∙10-4
Sb
4,0∙10-5

Mn
9,0∙10-2
Sn
4,0∙10-3
Dy
4,5∙10-4
I
3,0∙10-5

P
8,0∙10-2
Co
3,0∙10-3
Er
4,0∙10-4
Bi
2,0∙10-5

S
5,0∙10-2
Y
2,8∙10-3
Yb
3,0∙10-4
Ag
1,0∙10-5

Ba
5,0∙10-2
Nd
2,5∙10-3
V
3,0∙10-4
In
1,0∙10-5

Cl
4,5∙10-2
La
1,8∙10-3
Tl
3,0∙10-4
Hg
7,0∙10-6

Sc
4,0∙10-2
Pb
1,6∙10-3
Mo
3,0∙10-4
Os
5,0∙10-6

Содержание каждого из остальных элементов не превышает 

10-7 %, в том числе: Pt - 5,0∙10-7; Au - 5,0∙10-7; Ra - 1,0∙10-10;
Po - 2,0∙10-14 %.

Материальный фундамент, на котором стоит современная 

человеческая цивилизация, образует железо. Из сплавов железа –
сталей – изготовлена и построена подавляющая часть машин, аппаратов, сооружений. На долю железа от общего объема производства металлов приходится более 95 %. Не случайно настоящий исторический отрезок времени называется железным веком 

(наступившим вслед за каменным и бронзовым). 

Второе место по масштабам использования занимает алю
миний, хотя его история насчитывает всего около двух столетий. 
Конструкторов – создателей новой техники привлекают такие качества алюминия, как малая плотность (в 3 раза меньше, чем у 
меди и железа), пластичность при относительно высокой прочности, коррозионная стойкость. По электро- и теплопроводности он 
лишь немного уступает меди. В результате легирования другими 
элементами (Si, Mg, Be, Ti, Cu, Ni) и термообработке удается получать сплавы, значительно превосходящие по прочности и твердости чистый алюминий. Благодаря этим свойствам алюминий 
является основным металлом в авиационной и ракетнокосмической промышленности. Алюминий составляет примерно 
половину массы ракет, а в пассажирских самолетах его доля доходит до 2/3 или даже до 3/4. Непрерывно увеличиваются масштабы использования алюминия и в других видах транспорта.

В последние годы интенсивно развивается индустрия строи
тельных конструкций из алюминиевых сплавов. Крупный потребитель алюминия – электротехническая промышленность: провода, кабели, обмотки моторов и трансформаторов, конденсаторы и 
др.

Коррозионная стойкость алюминия обусловлена образова
нием на его поверхности тончайшей (0,0001 мм) оксидной пленки, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления воздухом.

Алюминий широко применяется и в металлургии: в качестве 

активного химического элемента-восстановителя для раскисления стали и в алюмотермических способах получения многих металлов и сплавов.

Третье место по объему производства и потребления зани
мает медь. Медь – главный металл электротехники, обладающий 
наивысшей электропроводностью (за исключением серебра). В 
сочетании с хорошей пластичностью и достаточно высокой 
прочностью медь является «идеальным» материалом для изготовления токопроводящих изделий: проводов, кабелей, контактов 
и др. Очень высокая теплопроводность меди делает ее незамени