Металлы и их классификация

Общие сведения и понятия металлургического производства

Основной задачей металлургии как отрасли промышленного производства является получение металлов и их соединений из руд и других видов металлсодержащего сырья. Для решения основной задачи металлургического производства необходимы определенные теоретические знания о закономерностях постепенного превращения компонентов руд в конечные продукты.

Металлургия является звеном в общем цикле горно-металлургического производства, включающем:

· геологию,

· горное дело,

· обогащение руд,

· собственно металлургию и

· металлообработку.

Металлургическое производство одно из древнейших. Оно возникло на ранних ступенях развития человеческого общества. Человек начал использовать металлы около 6000 лет тому назад, и первыми металлами, вошедшими в обиход человека были самородные медь, золото и метеоритное железо встречающиеся в природе в свободном состоянии.

В настоящее время производится и потребляется более 80 металлов и потребности в них растут, несмотря на резкий рост выпуска различных синтетических материалов в несколько последних десятилетий.

Металлургия как отрасль промышленности относится к категории сложныхпроизводств. При осуществлении металлургических процессов перерабатываемые материалы перетерпивают многочисленные физико-химические превращения:

· разложение неустойчивых соединений

· химические взаимодействия

· плавление

· растворение

· возгонка и др.

Изучением закономерностей и условий протекания этих процессов, а также строение и свойства веществ, образующихся в ходе металлургических превращений - является предметом исследований металлургии как науки. Теоретической основой металлургической науки является самостоятельная научная дисциплинатеория металлургических процессов, основателемкоторой принято считать академика А.А. Байкова, который в 1908 г. впервые ввел такой курс в Петербургском политехническом институте. Большой вклад в создание теории металлургических процессов в цветной металлургии, учитывающий особенности этой отрасли, внесли академик А.Н. Вольский, В.А. Ванюков, Н.С. Курнаков, О.А. Есин, А.М. Самарин, А.В. Ванюков, и др.

Научной основой теоретической и практической металлургии является физическая химия.

Металлы и их классификация

Из 107известных в настоящее время элементов Периодической системы более 80 - металлы. Общими признакамиметаллического состояния являются:

* металлический блеск

* непрозрачность

* высокая электро- и теплопроводность

* высокая пластичность (ковкость)

* кристаллическая структура

* серый цвет с оттенками от светло-серого до темно-серого (исключение составляют только два металла - красная медь и желтое золото).

Большинство характерных свойств металлов являются следствием наличия в металлической структуре свободных электронов, способных перемещаться по всему металлическому кристаллу без больших энергетических затрат.

С электрохимической точки зрения металлами называются элементы, имеющие преимущественную тенденцию к отдаче электронов, в отличие от металлоидов, стремящихся к их присоединению.

Характерной особенностью металлического состояния является их кристаллическая структура. Большинство металлов кристаллизуются в трех типах кристаллических решеток :

* кубической объемноцентрированной

* кубической гранецентрированной

* гексагональной плотной.

Эти типам решеток свойственна компактность и высокая плотность упаковки. Прочностью металлической связи объясняются многие физические и механические свойства металлов.

Важную роль в производстве и использовании металлов играет их химическая активность, которую можно охарактеризовать положением металла в электрохимическом ряду напряжений:

Li-Rb-K-Ba-...-Ca-Na-Mg-...-Al-...-Zn-Cr-Fe-Cd-Co-Ni-Sn-Pb-H-Cu-Hg-Ag- Pd-Pt- Au

- <==== =====> +

В ряду напряжений любой электроотрицательный металл способен вытеснять из соединений более электроположительные элементы. Более электроотрицательные металлы отличаются большей химической активностью и легче вступают в различные химические реакции, в частности, легче окисляются. И, наоборот, по мере увеличения электродного потенциала устойчивость металлов возрастает.

Большинство металлов хорошо сплавляются друг с другом в любых соотношениях, образуя двухкомпонентные и многокомпонентные сплавы. Возможность взаимного сплавления позволяет в исключительно широких пределах менять физико-химические и механические свойства металлических материалов в заданном направлении. Практически неограниченные возможности создания сплавов различных составов позволяет придавать им:

· легкоплавкость или тугоплавкость,

· повышенную механическую прочность и твердость или, наоборот,

· пластичность,

· высокую коррозионную стойкость и жаростойкость,

· высокую магнитную восприимчивость и многие другие специфические или улучшенные качества, несвойственные чистым металлам.

Большое количество металлов, различия их свойств, методов получения и областей потребления определяют необходимость их классификации по отдельным группам.

По сложившейся традиции все металлы принято разделять на два основных класса: черныеицветные.

К черным относятся железо (и его сплавы). (иногда, к черным металлам относят также марганец, ванадий и хром, которые используются в качестве легирующих добавок). Все остальные металлы относятся к цветным.Конечно, название цветные металлы условное, поскольку только медь и золото имеют ярко выраженную окраску. Все остальные цветные металлы также как и черные имеют серый цвет с различными оттенками - от светло-серого до темно-серого.

Цветные металлы делятся на следующие подгруппы:

Тяжелые цветные металлы - основные ==> Cu, Pb, Ni, Zn, Sn, являются важнейшими в народном хозяйстве и по своему значению и по объему производства. К тяжелым цветным металлам относят также некоторые элементы, добыча которых заметно ниже основных. Эти элементы иногда выделяют в отдельную группу - малых тяжелых металлов. К ним относятся, прежде всего - Co, Cd, As, Sb, Bi, Hg. Эти металлы являются в основном спутниками основных тяжелых металлов и их производят в попутно в общем металлургическом цикле. Спутниками тяжелых цветных металлов являются также сера, селен, теллур и рассеянные элементы - таллий, индий. германий, рений. Производство этих металлов невелико по сравнению с основными. Всего к группе тяжелых металлов и их спутниками относятся 18 элементов.

Легкие цветные металлы. Металлы этой группы имеют самую низкую плотность. Основные - Al, Mg получают также в больших количествах и их значение в промышленности очень велико. К группе легких металлов относят также щелочные, щелочно-земельные металлы, кремний и галлий. Всего 13 элементов.

Благородные металлы: Au, Ag, Pt и платиноиды (осмий, ирридий, родий, рутений, палладий) - всего 8 элементов. Эти металлы обладают высокой устойчивостью к воздействию агрессивных сред.

Редкие металлы. Редкие металлы объединяют значительную группу элементов. Производство их относительно невелико, однако, значение редких металлов в связи с бурным развитием техники возрастает с каждым годом. Редкие металлы принято делить на подгруппы:

· Тугоплавкие - W, Mo,Ti, тантал, ниобий, цирконий (6 элементов);

· Редкоземельные - иттрий, лантан и лантаноиды (16 элементов);

· Радиоактивные - радий, уран, полоний, торий, актиний и актиноиды, трансурановые элементы (16 элементов).