Сырье Комплексное использование сырья Влияние качества сырья на качество продукции

 

Характер использования сырья оказывает влияние на экономические показатели производства. Методы рационального использования сырья включают правильный выбор сырья, его комплексную переработку, повторное использование, обогащение, высококачественную первичную обработку, максимальное использование отходов производства. Например, в себестоимости продукции химической промышленности стоимость сырья составляет до 70%. Поэтому правильный выбор сырья является важной задачей. Он определяет тип оборудования и характер технологии, современный уровень которой позволяет получать одну и ту же продукцию из разного сырья. Так, в машиностроении детали машин изготавливают из металла, пластмасс.

 

Правильный выбор сырья влияет на снижение себестоимости продукции при повышении его качества.

 

Для интенсификации производства, использования его внутренних ресурсов имеет значение комплексная переработка сырья. Это означает максимальное извлечение и использование всех ценных компонентов, содержащихся в месторождениях полезных ископаемых, исходя из потребностей общества и развития науки, техники. Поэтому большинство месторождений являются комплексными. Например, на предприятиях цветной металлургии параллельно производится до 30% серы, 10% цинка, свинца, меди. Это обусловлено попутным наличием элементов в исходном сырье. В результате комплексной переработки сырья растет эффективность производства.

 

Примером могут служить месторождения нефти, где попутными компонентами являются газ, сера, бром, йод, бор.

 

Таким образом, комплексное использование сырья предполагает использование различных технологий, расширение номенклатуры продукции предприятия, при этом снижаются транспортные расходы, себестоимость продукции, увеличивается прибыль.

 

Комплексная переработка сырья предусматривает и использование отходов производства. Например, в текстильной промышленности накапливаются отходы в виде коротких волокон. Раньше их перевозили на суконные комбинаты, где перерабатывали. Организация камвольно-суконного производства позволила осуществить комплексную переработку длинных и коротких волокон, в результате чего сократились транспортные расходы, рациональнее используются складские помещения, внедряется прогрессивная технология.

 

В настоящее время большое значение приобретает замена пищевого сырья, идущего на технические нужды, продуктами химической промышленности. Так, из растительных, животных жиров получают олифу, мыло, моющие средства. Уровень развития химических отраслей позволяет перевести производство этих веществ на новую сырьевую базу.

 

Качество продукции на стадии изготовления определяется определенными факторами - качеством исходного сырья, материалов, качеством труда изготовителей и средств труда (машин, станков, устройств).

 

Сырье и материалы оказывают существенное влияние на качество продукции. Опыт работы предприятий подтверждает это.

 

Рассматриваемое влияние сырья зависит от вида изделия. Чем проще изделие, тем очевиднее связь между качеством сырья и качеством выпускаемой продукции. Качество сырья - это материальная основа свойств готовой продукции, которая влияет на эти свойства в зависимости от технологического процесса производства. Например, при выпуске электронных часов качество комплектующих изделий непосредственно зависит от материалов. В то же время характеристики самих часов (экономические, эстетические и др.) конечно зависят от свойств материалов, однако материалы имеют все же решающее значение.

 

Таким образом, основные материалы оказывают значительное влияние на качество продукции, особенно в электротехнической, электронной, химической и других отраслях промышленности.

 

Вспомогательные материалы, например растворители, кислоты, щелочи, вода, абразивные материалы, участвуя в технологическом процессе, также оказывают существенное влияние на качество продукции.

Характеристика и классификация сырья и материалов

 

В любом производстве, кроме рабочей силы, необходимыми компонентами являются сырье, вода и энергия.

 

Самые распространенные виды сырья - это вода и воздух. Воздух состоит из 78% азота, 21% кислорода, 0,94% аргона, 0,03% углекислого газа, незначительного количества водорода, инертных газов, водяного пара, пыли и т.д. Кислород и азот широко используются в металлургии, машиностроении, химической, топливной промышленностях.

 

К сырью относятся природные материалы, не прошедшие промышленную переработку. Сырьем для конкретного производства может быть непосредственно природное сырье, полуфабрикат, промежуточный продукт, полупродукт, побочный продукт, вторичное сырье.

 

Полуфабрикат – это материал, полученный предварительной промышленной переработкой природного сырья (производство окатышей из руды).

 

Промежуточный продукт – это индивидуальные вещества, которые получены из сырья и могут быть исходными для производства других продуктов на данном предприятии (при производстве алюминия из апатитовой руды получают фторапатит, из которого производят фосфорную кислоту и фтористые соли).

 

Побочный продукт – это вещество или смеси, выделяемые на предприятии одновременно с главной продукцией вследствие побочных химических реакций (шлак при выплавке чугуна).

 

Вторичное сырье – сюда относятся изделия, отслужившие свой срок, и отходы, образующиеся в процессе промышленной обработки материалов, которые экономически выгодно снова переработать в конечный продукт.

 

Отбросы - отходы производства, которые на данном этапе не находят применения.

 

По своему происхождению все сырье можно разделить на две группы минеральное и органическое (растительное и животное).

 

Минеральным сырьем называют добываемые из земных недр природные минералы. В настоящее время общее число установленных на Земле минералов превысило 4000 (на Луне 89).

 

Минеральное сырье делится на рудное, нерудное и горючее. По агрегатному состоянию, на твердое (горные породы, руды, твердое топливо), жидкое (нефть, рассолы) и газообразное (природный и попутный газ, воздух).

 

Рудное сырье служит для получения из него металлов (оксиды, сульфиды). Руды цветных металлов содержат часто в своем составе соединения нескольких металлов (сульфиды содержат цинк, свинец, медь, серебро и т.д.). На производстве к рудам относят и некоторые нерудные ископаемые, из которых восстановительной возгонкой получают неметаллы (мышьяковое, сурьмянистое и фосфатное сырье). Иногда рудным называют также баритовое, асбестовое, серное и некоторые другие виды нерудного сырья.

 

Нерудное сырье - это горные породы или минералы, не являющиеся источником получения металлов (за исключением хлоридов щелочных металлов и магния). Нерудное сырье, как правило, используют непосредственно без химической переработки.

 

Нерудные материалы делятся на 4 группы:

 

1. Строительные материалы – минеральное сырье, используемое в строительстве непосредственно или после механической и термической обработки. Для производства строительных материалов используют горные породы разного происхождения и состава, представляющие собой минеральные массы одного минерала либо агрегата минералов.

 

По происхождению горные породы бывают изверженные (гранит, диабаз, базальт), осадочные (известняк, гипс, мел, глина), метаморфические, образованные видоизменением горных изверженных или осадочных пород (мрамор, кварцит). По химическому составу большинство изверженных пород состоит из кремнезема (SiO2), глинозема (А12О3). Осадочные породы еще содержат известняк (карбонаты кальция), доломит (карбонаты магния), гипс (сульфат кальция) и др. Глина представляет собой сложную смесь тонкообломочных пород, смешанных с кварцем, известняком, илом. Наиболее распространенным в земной коре является кремнезем, затем - глинозем.

 

2. Индустриальное сырье - ископаемые, используемые без химической переработки в разных отраслях промышленности (графит, слюда, асбест, корунд).

 

3. Химическое минеральное сырье – ископаемые, которые подвергаются химической переработке, или применяются непосредственно в качестве удобрений или для бытовых целей (сера, селитра, фосфорит, апатит, каменная соль).

 

4. Драгоценное, полудрагоценное и поделочное сырье – нерудные ископаемые, которые служат в естественном виде после механической обработки для поделочных работ, украшений (алмаз, изумруд, яшма, мрамор).

 

Однако следует отметить, что деление нерудного сырья по признакам потребления довольно условно.

 

Органическое сырье также можно разделить на 2 группы. К первой группе относятся ископаемые, которые могут служить в качестве энергетического топлива – торф, каменный и бурый угли, нефть, природные сланцы, газ и т.д. Эти ископаемые служат также ценным сырьем для химической промышленности.

 

Вторую группу органического сырья составляют продукты животного и растительного происхождения (продукты животноводства, земледелия, охоты, рыбного хозяйства).

 

По своему назначению органическое сырье разделяют на техническое и пищевое.

 

К пищевому относится растительное и животное сырье, перерабатываемое в продукты питания (картофель, молоко, животные жиры, рыбные пищевые жиры и т.д.).

 

Техническим сырьем называют те продукты, которые для пищевых целей непригодны и используются в быту и промышленности после механической или химической обработки (хлопок, древесина, лен, конопля, кожа, шерсть, китовый жир, кости животных).

 

Наименование пищевое или техническое сырье вовсе не означает, что первое идет только для пищевых целей, а из второго изготовляют продукты только бытового и промышленного назначения. Например, некоторые пищевые продукты перерабатывают на технические нужды (жиры на мыло, косметику, олифу; картофель – на этиловый спирт). Уже сегодня разработаны технологии производства из непищевых и синтетических материалов: крахмала, сахара, жиров,аминокислот.

 

Успехи органической химии и химических технологий в настоящее время позволяют все большее число видов пищевого сырья заменить частично или полностью непищевыми или синтетическими материалами. Например, этиловый спирт (он в больших количествах расходуется при производстве каучука, пластмасс, взрывчатых веществ) до 1950 года производился только из пищевого сырья – сахара, свеклы, картофеля, зерна. В настоящее время его производят гидролизом древесины и гидратацией этилена (1 т древесины заменяет в этом производстве 1,6 т картофеля или 0,6 т зерна). Себестоимость получаемого продукта в 3 раза ниже, чем из пищевого сырья.

 

Растительное и животное сырье уже практически вытеснено из производства лаков, красок, пластмасс, душистых веществ.

Классификация минералов и горных пород по их практическому значению

 

Почти все природные минеральные вещества в той или иной степени полезные ископаемые, которые используются в хозяйственной деятельности человека. Поэтому минералы и горные породы классифицируются также по их практическому значению.

 

Горючие ископаемые: каменный уголь, антрацит, бурый уголь, торф, нефть, горючий газ.

 

Руды черных металлов: железные руды - магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, сидерит; хромовая руда - хромистый железняк; марганцевая руда - пиролюзит; титановая руда - титанистый железняк.

 

Руды цветных металлов: медная руда - медный колчедан; алюминиевые руды - боксит, нефелин; полиметаллические руды - свинцовый блеск, цинковая обманка; никелевая руда - гарниерит; ртутная руда - киноварь; сурьмяная руда - сурьмяный блеск; мышьяковая руда - реальгар.

 

Руды редких металлов: оловянная руда - оловянный камень; вольфрамовая руда - вольфрамит; молибденовая руда - молибденовый блеск.

 

Драгоценные металлы: золото, платина.

 

Агроруды: сырье для получения фосфорных удобрений - апатит, фосфорит; сырье для получения калийных удобрений - калийные соли, сильвин, карналлит; сырье для получения азотных удобрений - натриевая и калийная селитры.

 

Сырье для химической промышленности: сера, серный колчедан, каменная соль, мирабилит, ангидрит, гипс.

 

Огнеупоры: асбест, доломит.

 

Сырье для электрической промышленности: слюда.

 

Сырье для карандашной промышленности: графит.

 

Сырье для фарфоровой промышленности: каолинит, полевой шпат

 

Сырье для стекольной промышленности: кварцевый песок.

 

Сырье для цементной промышленности: мергель, мел.

 

Сырье для кирпичной промышленности: глина, суглинок, лесс.

 

Естественные каменные строительные материалы: гранит, базальт, диабаз, вулканический туф, гейзерит, известняк, песок, дресва, гравий, щебень, галечник, песчаник, известковый туф, гнейс, кварцит.

 

Поделочные и декоративные камни: мрамор, лабрадорит, порфирит.

 

Самоцветы: аметист, изумруд, бриллиант, сапфир, рубин, аквамарин, топаз, горный хрусталь.

 

Абразивные материалы: пемза, наждак, корунд, алмаз.

 

Сырье и материалы оказывают существенное влияние на качество продукции.

Добыча сырья

 

Химические элементы в земной коре находятся, в основном, в рассеянном состоянии. Скопление одного или нескольких полезных минералов в количестве достаточном для экономически выгодного их извлечения, называется месторождением полезных ископаемых.

 

При анализе хозяйственного значения месторождения определяются промышленные запасы полезных ископаемых, учитывается глубина залегания, географическое положение.

 

Извлечение полезных ископаемых из недр называется добычей.

 

В XX веке в связи с бурным развитием промышленности, резко возрос объем добычи ископаемых. За последние 40 лет добыли ископаемых больше, чем за всю историю человечества.

 

Добыча полезных ископаемых включает ряд этапов. Сначала проводится разведка полезных ископаемых: отыскивают месторождения, определяют качество и количество ископаемого, устанавливают основные элементы его залегания, характер окружающих пород.

 

Добыча сырья в зависимости от глубины залегания проводится открытым или закрытым способом.

 

Применение той или иной системы разработки месторождений зависит от ряда факторов:

 

Ø формы залегания месторождения;

 

Ø размеров месторождения как по мощности, так и по протяженности и по падению (уклону);

 

Ø условий залегания;

 

Ø характеристики руд и боковых пород с точки зрения устойчивости, характера обрушения, способности слеживания после обрушения;

 

Ø содержания и распределения металла в рудном теле.

 

К первому типу (открытый способ) относится добыча в карьерах (известняка, песка, глины и других строительных материалов), в ломках (гранит, мрамор, строительный камень), на приисках (золото, платина, алмазы). При небольшой глубине залегания открытым способом добывают уголь (Каменско-Ачинское месторождение, Кузнецкое, Иркутское), руды (КМА Губкин), апатиты (Хибины).

 

Горное предприятие, осуществляющее разработку открытым способом, в общем случае называется карьером. Если это добыча угля, то называется карьер, а если золото или платина или алмазы – прииск.

 

При открытой добыче извлечение самого полезного ископаемого - относительно простой и нетрудоемкий процесс, но способ удаления покрывающих пород является достаточно сложным, трудоемким и составляет значительную часть производства (например, при выработке угля затраты на вскрышные работы составляют до 80% от себестоимости угля). При открытом способе часто применяются буровзрывные работы.

 

Открытый способ - более дешевое и безопасное производство. Добыча угля открытым способом требует специальной техники. Здесь используются драглайны с ковшами до 100 м3. Они снимают горные породы, перекрывающие угольные пласты, а роторные экскаваторы (выносная стрела до 125 м) грузят уголь в эшелоны или самосвалы, грузоподъемность которых порядка 120 – 180 тонн.

 

На открытых карьерах иногда применяется трубопроводная транспортировка угля. Уголь смешивают с водой или мазутом. Первый углепровод был построен в США – 173 км, а сейчас есть до 450 км в Колорадо. Диаметр 450 мм. Уголь смешивают с водой и подают со скоростью 2 м/с. На приемном пункте уголь обезвоживают в центрифугах. Иногда воду заменяют мазутом (смесь угля и мазута - 60/40%). Смесь впоследствии не надо разделять, она сразу используется для доменных печей при производстве чугуна. Такой трубопровод работает в Кузбассе длиной 12 км (от месторождения до Западно-Сибирского металлургического завода).

 

Примерно такая же техника работает на Курской магнитной аномалии (КМА). Здесь открытым способом добывается железная руда. КМА занимает площадь 160 км2 и расположена на территории Курской, Белгородской, Воронежской, Брянской, Смоленской, Орловской, Калужской, Харьковской, Луганской, Сумской областей. Общая протяженность около 600 км, а ширина от 2 до 40 км. Мощность пластов на севере и в центральной части до 40 – 60 м, на юге - до 350 м. Примерно половину составляют богатые руды, остальное железные кварциты. Запасы Лебединского месторождения составляют более 11млдр. тонн. Глубина карьера более 300 м. Породы-вскрыши – рыхлые и поэтому, в основном, используется сухоройная техника и гидромеханизация. Железные руды залегают на глубине 50 – 150 метров и располагаются до глубины 2 км. Доставку руды от карьера Лебединского ГОКа до ОЭМК осуществляется через пульпопровод длиной 26 км.

 

Следует отметить, что залежи руды в Белгородской области сочетаются с огнеупорной глиной, флюсовыми известняками, мелом, бокситами и фосфоритами.

 

Подземную разработку ведут в шахтах, рудниках, копях.

 

В шахтах добывают различные виды угля. На земном шаре известно более 3000 угольных бассейнов и месторождений. Самое большое - Тунгусский бассейн в Сибири (2 трил. тонн). Основные запасы угля находятся на большой глубине и поэтому подземный способ более распространен. (Начало добычи в России - XYIII век - Донецкий и Подмосковный районы). Подземный способ наиболее трудоемкий и дорогой. Для вскрытия угольных пластов прокладывают вертикальные или наклонные стволы диаметром в несколько метров и глубиной до километра. Из стволов идут горизонтальные выработки (квершлаги). Из них в угольных пластах идут штреки, где и производится выработка угля. При подземных работах особенно важно знать состав и свойства горных пород. Этот метод имеет ряд недостатков. Строительство шахт - дорогое производство, условия труда очень тяжелые, шахты, содержащие метан, представляют постоянную угрозу жизни шахтеров.

 

В рудниках подземные разработки производят для получения металлических руд и фосфорного сырья. В основном подземная разработка характерна для добычи цветных металлов (удельный вес в общем объеме примерно 80%).

 

Подземные разработки в копях дают соль.

 

При подземных разработках существует еще одна немаловажная проблема. Она характерна, особенно, для шахт и рудников. Шахтные и рудниковые выработки и штреки представляют собой пустоты. И с течением времени происходит оседание почвы. А на поверхности над ними в большинстве случаев располагаются жилые массивы и различные производства. Провалы почвы и ее оседание может привести к разрушению строений и человеческим жертвам.

 

Поэтому в последнее время используются так называемые системы разработки с закладкой. Его сущность состоит в том, что отработанный рудный или угольный массив заменяется искусственным из закладочной смеси. Он должен своей реакцией уравновешивать напряжения, возникающие в окружающем массиве, что значительно сокращает опасность горных разработок.

 

Промышленно разрабатываемые месторождения жидкого и газообразного сырья называются промыслами (нефть, газ, соль).

 

Первые нефтяные скважины в России появились в 1864 году. В начале XX века Россия занимала первое место в мире по добыче нефти (11 млн. тонн). Основные нефтяные базы России - Западно-Сибирская, Волго-Уральская, Тимано- Печорская. Почти вся добываемая в мире нефть извлекается из нефтяных скважин, проходимых бурением с земной поверхности или со дна морских водоемов. В очень редких случаях используется способ открытой разработки нефтяных месторождений. Эксплуатационные скважины отличаются большим разнообразием конструкций, глубин и количеством выдаваемой нефти (дебит). Дебит может составлять и десятки кг в сутки и 500 тонн, и даже больше. Известны случаи, когда при открытом фонтанировании скважины выбрасывали по 20 000 тонн нефти в сутки.

 

Природный газ добывают через скважины, подобно нефти. Под землей газ находится под высоким давлением и достаточно скважине достичь газоносного пласта, как из недр вырывается мощный поток газа. Основные месторождения: Западно-Сибирское нефтегазовое месторождение, Заполярное, Волго-Уральское, Уренгойское, Сахалин и т.д. В 2003 году добыто около 700 млдр. м3 газа.

 

Открытая разработка выгоднее, т.к. дает возможность применения механизации, высоко-эффективного оборудования, улучшений условий труда. Стоимость продукции в 2 – 3 раза ниже, чем при подземных разработках.

 

Но в тоже время, открытый способ оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду: уничтожается плодородный слой, загрязняются воздух, водоемы и т.д. Следовательно, добавляются расходы на рекультивацию земель. Подземные горизонты реагируют также болезненно – создаются депрессионные воронки. Уходит вода.

 

К сожалению, в настоящее время объем добычи полезных ископаемых в России сокращается. Резко снизилась добыча урана, меди, бокситов, угля на 25 –30%. Олово, свинец, молибден, сурьма, 40-60%. Считается, что наши запасы безграничны. Разведанный ресурсный потенциал России оценивается в 28,5 триллионов долларов. Это значительная часть мировых запасов. Однако при этом Россия отстает от ряда развитых стран. Например, потребление нефти на 1 человека в США - 3т, Канаде, Норвегии, Швеции от 1,9 до 2,6т., Японии - 2,2 т., Россия - 0,9 (как в США в 1920 году).

 

Если ситуация с разведкой новых месторождений не изменится, к 2020 году будут исчерпаны запасы серебра и цинка, к 2025 г - нефти, газа, свинца, алмазов, золота, молибдена, никеля, олова.

 

В настоящее время ученые предлагают и другие способы получения сырья, например, получение металлов из морской воды.

 

Морская вода - традиционный источник для получения соли, оксида магния и т.д. Относительно много в морской воде различных металлов. Они поступают в мировой океан с речными стоками, с дождями и постоянно выпадают на дно морей и океанов в виде осадков труднорастворимых соединений. Например, уран. Только в поверхностном слое воды мирового океана толщиной 100 м общее количество урана составляет сотни миллионов тонн.

 

Сегодня путь извлечения урана из морской воды принципиально ясен - это ионообменная сорбция на синтетических ионитах, над которой уже почти 30 лет интенсивно работают в разных странах мира. Однако воплотить идеи в конкретные инженерные решения, в экономичные способы и установки долгое время не удавалось.

 

Главная техническая трудность - это необходимость перекачки очень большого количества воды: при 100 %-м извлечении надо пропустить 300 млн. м3 воды на каждую тонну урана. Используемый сорбент должен иметь высокую емкость по урану (гидроксид титана, акриламидоксимовые смолы, гуминовые кислоты). Нельзя не учитывать и трудности аппаратурного оформления, так как объем находящегося одновременно в работе сорбента должен быть очень большим.

 

Чтобы снизить расходы на перекачивание воды, предлагается погружать в морскую воду сорбент в виде довольно длинной транспортерной ленты, использовать приливно-отливные течения или воду, расходуемую на приморских АЭС для охлаждения турбин. Имеются проекты плавучих установок для извлечения урана из морской воды, контейнеров, буксируемых за морскими судами. Аппаратами могут служить целые морские лагуны, отделенные специальными дамбами. Наконец, колонны для сорбции предложено устанавливать на бакенах; волны, раскачивая бакен, будут прогонять воду через колонну.

 

Еще одним способом получения сырья является комплексная переработка. Например, в состав шлаков входят несколько десятков химических элементов. Главные их составные части - оксиды кремния, алюминия, кальция и магния. При этом содержание оксида кальция достигает 50%, а ведь кислородные соединения кальция - основа многих цементов. Поэтому шлаки вполне могут заменять природное сырье для производства цемента. Специалисты нашей страны, в частности, разработали технологию быстротвердеющего шлакопортландцемента.

 

Из металлургических шлаков получают шлаковую пемзу, которая служит отличным средством тепло- и звукоизоляции. Эту же пемзу можно использовать и как наполнитель в составе бетона.

 

Ученые-химики создают из отходов и принципиально новые материалы. Пример - семейство шлакоситаллов, стеклокристалличсских материалов, разработанных в Московском химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева. Шлакоситалловые блоки - уже не дефицитный материал в строительстве, им украшены многие здания и сооружения в различных городах нашей страны. Позднее на основе шлаков стал выпускаться сигран - синтетический гранит, который по изяществу не уступает природным полудрагоценным камням.

 

Более сложна проблема рационального использования отходов фосфогипса. С одной стороны, для нужд строительства в громадных количествах добываются разнообразные горные породы, включая гипс, с другой - в отвалах, занимающих большие площади, находятся сотни миллионов тонн фосфогипса, борогипса и фторогипса.

 

Из фосфогипса можно получать различные продукты. Гомельский химический завод организовал комплексную переработку фосфогипса до цемента. Разработаны способы получения извести, сульфата калия и сульфата аммония. Если организовать полномасштабное использование фосфогипса, можно отказаться от добычи природного гипса.

 

Таким образом, комплексное использование сырья предполагает использование различных технологий, расширение номенклатуры продукции предприятия, при этом снижаются транспортные расходы, себестоимость продукции, увеличивается прибыль.

Подготовка сырья. Обогащение

 

Характер использования сырья оказывает влияние на экономические показатели производства. Методы рационального использования сырья включают правильный выбор сырья, его комплексную переработку, повторное использование, обогащение, высококачественную первичную обработку, максимальное использование отходов производства.

 

Всякое природное сырье после добычи содержит переменное количество воды, бесполезных или малоценных веществ (пустая порода), а иногда и вредные вещества.

 

Процесс первичной подготовки сырья, направленный на повышение в нем полезных составляющих частей, называется обогащением.

 

Целью обогащения сырья является получение такового с возможно большим содержанием полезных элементов.

 

Процесс обогащения сырья идет на обогатительных фабриках. Современные обогатительные фабрики – высоко-механизированные предприятия. Они оснащены большим количеством сложных установок машин и механизмов, составляющих сложные технологические линии.

 

Прежде чем непосредственно проводить обогащение сырья проводится его предварительная подготовка. Это предварительная сортировка и классификация сырья, измельчение, брикетирование и агломерация, обезвоживание. При необходимости сырье предварительно обезвоживают. Нефтяные продукты - путем отстаивания, другие материалы - путем фильтрования и т.д.

 

Далее, перед обогащением, сырье подвергают дроблению (куски от 6 – 50 мм в поперечнике), тонкому измельчению (до 1 мм) или размолу (до 0,1 микрона).

 

При дроблении используют удар, раскалывание, сжатие, истирание. При измельчении применяют механические мельницы: иногда подвижная сама мельница, иногда материал. Мельницы бывают шаровые, стержневые и т.д. Для этого процесса используется также аэродинамические или струйные установки, действие которых основано на использовании энергии агента (газа, пара, воздуха).

 

Размол осуществляется в специальных аппаратах, называемых классификаторами или сепараторами. Они могут быть воздушные, гидравлические, сифонные и т.д.

 

Укрупнение – процесс превращения пылевидного сырья в более крупные куски. Этот процесс может идти путем прессования (давление до 200 атмосфер при наличии связующих веществ, без них - до 1000 атмосфер) и этот процесс называется брикетированием (получают брикеты). Другой путь - спекание - процесс агломерации (получают агломерат).

 

После предварительной подготовки начинается процесс обогащения.

 

В результате обогащения полезных ископаемых получают два конечных продукта: концентрат и отходы обогащения – хвосты. В концентрате сосредоточена основная масса полезных ископаемых, в хвостах – порода, вредные примеси.

 

Наиболее распространенные методы обогащения основаны на различных физических и физико-химических свойствах минералов, входящих в состав сырья (размеры, плотность, форма отдельных кристаллитов, смачиваемость, электрические и магнитные свойства и т.д.). Все их можно разделить на 4 категории: механические; химические; физические; физико-химические.

 

Механические методы обогащения. К этим методам относятся сортировка, гравитационное разделение. Сортировка сырья осуществляется грохочением. Грохочение – процесс разделения кускового и сыпучего материала по крупности на грохотах – аппаратах снабженных просеивающими поверхностями (ситами). Грохоты могут быть плоские, цилиндрические, могут вращаться, качаться, вибрировать. Можно сырье пропустить через несколько грохотов (с разными отверстиями).

 

К механическим способам обогащения относится также и гравитационное обогащение- оно может быть воздушным и мокрым. Этот метод основан на различных скоростях движения твердых частиц в потоке газа или жидкости (воды или суспензии) под действием силы тяжести или центробежной силы. (Падение частиц в среде возможно, если плотность частиц больше или равна плотности среды.) Следовательно, плотность является свойством, определяющим возможность разделения материала.

 

К физическим методам обогащения можно отнести радиометрическое, магнитное, электрическое.

 

Радиометрическое обогащение основано на различии в интенсивности испускания, поглощения или отражения минералами различных видов ядерно-физических излучений. В зависимости от свойств минералов радиометрическое обогащение обусловлено различиями: в способности минералов поглощать пропускаемое через них гамма или рентгеновское излучение (урановые руды); в интенсивности люминесценции (холодного свечения) минералов под воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения (алмазы, корунд); в интенсивности нейтронного излучения, испускаемого при обработке руды гамма-лучами (бериллий); в интенсивности излучения радиоактивных изотопов, образующихся при облучении руды потоками нейтронов (марганец, фтор, хлор, ванадий). А также разницей в коэффициентах отражения рассеянного света минералов и горных пород; (золото).

 

Радиометрическая сортировка осуществляется на основе измерения интенсивности больших масс руды (от 1 до 100 тонн), для этого используются радиометрические сепараторы. Они могут быть погонными (руда идет непрерывным потоком), порционными и покусковыми (порции и куски проходящие через сепаратор разделены пространственно). Сепараторы могут быть фотометрические, люминесцентные, адсорбционные и др.

 

Магнитное обогащение заключается в том, что предварительно подготовленную руду подают в магнитное поле. Магнитная проницаемость составных частей руды различна и на этом основан метод. Минералы с высокой магнитной проницаемостью притягиваются магнитом и разгружаются в особый приемник, а отходы удаляются из магнитного поля. Иногда этот метод называют магнитной сепарацией. Процесс может происходить в воздушной среде или водной (мокрая для частиц малых размеров меньше 3 мм). Этот метод широко применяется для обогащения железных руд (в России до 90%).

 

Электрическим обогащением называется процесс разделения минералов в электрическом поле, основанный на различии их электрических свойств (электропроводности, диэлектрической проницаемости, электризации трением -трибоэлектрический заряд и т.д.). Для повышения эффективности метода сырье предварительно заряжают. Способность частиц по-разному перемещаться в электрическом поле называется электрической сепарацией. Сепараторы бывают разных типов: трибоэлектростатические, трубчатые, коронно-электростатические, пневмоэлектрические и т.д.

 

Химические методы обогащения основаны на различных химических свойствах составляющих компонентов.

 

Химические методы обогащения включают:

 

Плавление - это химический процесс, происходящий при высоких температурах, в ходе которого ценный металл и пустая порода переходят в расплавленное состояние. Поскольку металл имеет более высокую плотность и нерастворим в расплавленной пустой породе, он отделяется от последней и погружается на дно.

 

Метод плавления имеет свои специфические особенности для каждого металла. Например, свинцовый концентрат смешивается с твердыми реагентами в определенных соотношениях, чтобы получить загрузку печи такого состава, которая при нагревании до достаточно высоких температур приводит к образованию за счет пустой породы сложных силикатов (шлака), остающихся на поверхности расплавленного металлического свинца. При выпускании металла со дна печи получается черновой свинец. При наличии в свинцовом концентрате меди образуются три слоя: нижний слой свинца, средний слой сульфида меди (штейн) и верхний слой шлака. Они выпускаются из печи раздельно. Штейн затем перерабатывается в другой печи (конвертере), через которую продувают воздух для удаления серы, получая в результате черновую (пористую) медь.

 

К химическим способам обогащения относится и термическое обогащение. Оно основано на различной плавкости компонентов сырья. Таким образом отделяют серу, битумы от породы (гипс, кремнезем).

 

Обжиг в ходе подготовки к выщелачиванию применяется либо для изменения химического состава полезных составляющих, что делает их пригодными для выщелачивания, либо для удаления некоторых примесей, присутствие которых значительно затрудняет и удорожает процесс выщелачивания ценных компонентов. Например, некоторые руды золота, содержащие мышьяк и серу, перед выщелачиванием подвергают обжигу для удаления этих составляющих.

 

Выщелачивание. При выщелачивании ценные компоненты руды растворяются и отделяются от нерастворимого остатка посредством подходящего растворителя. В некоторых случаях для перевода ценного компонента в растворимую форму добавляется реагент. Эффективность (скорость и полнота протекания) процесса зависит от размера частиц, свойств реагентов, применяемых для выщелачивания, температуры и метода приведения в соприкосновение руды с растворителем или реагентами. Обычно чем меньше размер частиц, выше температура и концентрация выщелачивающих химических соединений, тем быстрее идет процесс. Извлечение ценных компонентов из растворов после выщелачивания, может осуществляться путем химического осаждения, экстракции растворителем, ионообменным методом или электролизом.

 

Процесс обогащения является одной из составляющих получения качественного сырья. Но на себестоимости продукции сказывается также доставка сырья «на гора» при подземной добыче, транспортные расходы по доставке сырья на обогатительные фабрики и доставке концентрата на завод. Получаемую при этом пустую породу, перевозят или перекачивают в специально сделанные хвостохранилища. Рудный концентрат снова грузят и везут, на сей раз на завод, где порода подвергается действию химических реагентов.

 

Если из этой длинной цепочки выбросить хотя бы одно звено, затраты заметно падают. Сразу несколько дорогостоящих операций удается устранить при открытой, бесшахтной разработке руд, поэтому этот метод и находит все более широкое применение.

 

Методом, позволяющим значительно снизить себестоимость продукции, является возможность обогащения непосредственно на месте залегания руды или другого полезного ископаемого - геотехнологический метод.

 

В настоящее время широкую практику приобрело подземное выщелачивание растворимых в воде солей. В пласт каменной соли по одним скважинам нагнетают воду, а по другим выкачивают рассол.

 

В середине 50-х годов появились методы извлечения металлов из разбавленных растворов с помощью ионообменной сорбции на синтетических смолах, стали внедряться методы жидкостной экстракции, что открыло перед технологами значительно более широкие возможности. Сорбционные и экстракционные процессы позволили резко сократить затраты на очистку и выделение металлов из растворов. Подземное выщелачивание многих металлов в сочетании с этими методам стало не только дешевым, но превзошло по экономическим показателям обычные способы добычи. Наибольшее распространение оно нашло для урана.

 

В США первая промышленная установка по подземному выщелачиванию урана была создана в 1963 г. В середине 70-х г. в стране эксплуатировалось таким методом 9 месторождений, а в 1980 г. добывалось уже около одной десятой части всего урана. Оно быстро развивалось и в последние годы. Подземное выщелачивание применяется в Канаде и во Франции.

 

Достоинства метода по сравнению с обычными заключаются в сокращении числа технологических операций, снижении капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Кроме того, становится возможным эксплуатировать месторождения с бедными рудами. Важным фактором является исключение контакта обслуживающего персонала с радиоактивными спутниками урана (торий-230, радий-226) и дочерними продуктами его распада и, наконец, значительно уменьшаются количества извлекаемых из недр земли пород, идущих затем в отходы. Нарушения природного ландшафта сводятся к минимальным. Следует также отметить, что в 2-3 раза сокращаются сроки ввода в действие установок и предприятий.

 

Подземное выщелачивание обычно осуществляют по одному из двух вариантов - шахтному или скважинному.

 

При скважинном варианте подземного выщелачивания на площади, занимаемой рудным телом, бурят в определенном порядке скважины, в которые закачивают выщелачивающие растворы серной кислоты или карбонатов, и продукционные, из которых растворы выкачивают. Скважины размещаются по линии, или ряду (Рис.2.1.): ряд скважин для подачи, ряд продукционных, снова ряд скважин для подачи и так далее.

 

Рудное тело отрабатывают отдельными участками, а отработанные скважины бетонируют и срезают верхнюю часть труб, затем их засыпают землей, которую перед бурением скважин предварительно удаляли.

 

Скважинный вариант подземного выщелачивания - самый производительный метод добычи и переработки полезных ископаемых.

 

Рис.2. 1. Скважинный вариант подземного выщела-чивания руды:

 

1- продукционные скважины;

 

2- скважина для подачи раствора;

 

3 - водонепроницаемые породы;

 

4 - не содержащие металла породы;

 

5 - рудное тело.

 

К сожалению, не для всех месторождений годится подземное выщелачивание, поскольку не все они имеют соответствующие геологические и гидрологические характеристики. Рудное тело должно располагаться на водонепроницаемых породах и в то же время обладать определенной проницаемостью для растворов.

 

Наиболее часто этим требованиям удовлетворяют ураноносные песчаники - до половины таких месторождений доступны для подземного выщелачивания.

 

Подземное выщелачивание применяют для получения меди, молибдена, оно перспективно для марганца, никеля, золота и серебра. Предполагается, что этот метод позволит повысить извлечение золота на 10—20 %.

 

К химическим методам обогащения относится и окислительно-восстановительный метод, используемый для получения металла из руд. Обычно руды содержат кислородные или сернистые соединения, из которых восстанавливают металл в свободном состоянии.

 

Один из самых распространенных в природе металлов - железо. Для получения его из руд применяют восстановление оксидов с помощью оксида углерода СО и кокса при высоких температурах. Металлургические процессы, проводимые с применением высоких температур, называются пирометаллургическим. Получается не чистое железо, а сплав его с углеродом и другими примесями (кремнием, марганцем, серой, фосфором) - чугун.

 

В практике часто применяют восстановление металла из их соединений другими металлами. В качестве восстановителей используют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний.

 

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. При этом металл, входящий в состав руды, сначала переводят в раствор с помощью подходящих реагентов, а затем извлекают его из этого раствора. Например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды.

 

При химическом обогащении используют химические реакции, посредством которых извлекается полезная составляющая сырья. Например, золото и серебро из руды извлекается ртутью или цианидом натрия. Иногда в результате реакции смеси удаляются в виде газа или шлака, который впоследствии может использоваться для нужд народного хозяйства.

 

Обогащение жидкого сырья проводится выпариванием, вымораживанием, экстракцией (избирательное растворение), дистилляцией.

 

Газовое сырье можно обогатить, используя конденсацию (перевод в жидкое состояние), испарением, абсорбцией, адсорбцией.

 

К физико-химическим способам обогащения относится метод пенной флотации, основанный на различии в смачивании водой мелких частиц различных веществ входящих в состав сырья. Даже если компонент не смачивается водой, вводят специальные добавки.

 

По способности смачиваться водой минералы подразделяют на: гидрофобные (не смачиваемые водой – графит, молибден, тальк, самородная сера); с незначительной гидрофобностью (сульфиды, пирит) и с гидрофильной поверхностью (кварц, полевой шпат, слюда).

 

В зависимости от способа взаимодействия минеральных частиц с жидкой и газообразной фазами разделяют пленочную, масляную, пенную флотации, пенную сепарацию и флотогравитацию.

 

Пленочная флотация – процесс, при котором тонко измельченное полезное ископаемое, содержащее гидрофобные минеральные частицы, осторожно тонким слоем подается на поверхность воды. При этом гидрофильные частицы тонут, а гидрофобные образуют пленку.

 

Масляная флотация – сырье (тонко-измельченное) смешивается с маслом. При перемешивании хорошо смачиваемые маслом частицы обволакиваются масляной пленкой. Затем эту смесь помещают в емкости с водой. Частицы, покрытые масляной пленкой, всплывают на поверхность. Не покрытые маслом частицы тонут.

 

Пенная флотация это процесс, при котором в емкости с водой создается множество пузырьков воздуха или газа размером не более 2 мм. Гидрофобные частицы загруженного сырья закрепляются на этих пузырьках и всплывают вместе с ними на поверхность. Гидрофильные частицы тонут. Большое число всплывших пузырьков образуют пену.

 

Пенная сепарация отличается от пенной флотации тем, что отделение гидрофобных минералов от гидрофильных происходит непосредственно в пенном слое. Исходное сырье в машины пенной сепарации загружают тонким слоем на пену.

 

Флотогравитация - процесс гравитационного обогащения с использованием операций аэрации суспензии и обработки мелких минеральных частиц реагентами. Реагенты могут быть разными: они разделяются на пенообразователи, собиратели, активаторы и т. д. В результате получаются продукты гравитационного обогащения и флотационные хвосты.

 

Флотацию используют как способ межстадийного обогащения для выделения тонких шлаков, пустой породы и редко - концентрата. Этот процесс осуществляется в специальных машинах, которые различаются по способу перемешивания и аэрации жидкости (пульпы).

 

Еще одной из разновидностей флотации является метод обогащения в тяжелых средах. Этот метод особенно хорошо зарекомендовал себя при обогащении угля. В этом случае используются тяжелые жидкости: это водные растворы неорганических солей, органические жидкости, минеральные суспензии, в которые в качестве утяжелителя используют магнетитовый концентрат. Иногда используют барит, кварцевый песок глину и т.д. Использование магнетитового концентрата осуществляется на 70 обогатительных фабриках и 25 установках при шахтах. Этим методом перерабатывается до 90 млн. т. углей и антрацитов (26% общего объема обогащения). Метод достаточно прост, точен, хорошо себя зарекомендовал при обогащении мелких углей и специального назначения (например, для электродов).

 

В заключение следует отметить, что обогащение обеспечивает получение качественного сырья. Качество сырья - это совокупность технологических, физических, химических свойств, обеспечивающих высокий уровень технологического процесса и качество готовой продукции.

 

Качество сырья определяет режим работы, характер технологии, производительность оборудования.

Контрольные вопросы

 

 

1. Что такое сырье? Какое влияние оказывает качество сырья на производство продукции?

 

2. Что такое полуфабрикат, промежуточный продукт, побочный продукт, вторичное сырье, отбросы? Приведите примеры.

 

3. Что такое комплексная переработка сырья?

 

4. Что представляет собой минеральное сырье, рудное, нерудное и горючее сырье? Приведите примеры.

 

5. Для каких практических целей используются минеральные и горные породы?

 

6. Что представляет собой органическое сырье? На какие группы делится органическое сырье? Приведите примеры

 

7. Что такое месторождение полезных ископаемых?

 

8. Что представляет собой процесс добычи сырья? От каких факторов зависит способ добычи полезных ископаемых (открытый или закрытый)

 

9. Охарактеризуйте открытый и подземный способы добычи сырья. (карьеры, ломки, прииски). Приведите примеры

 

10. Что такое обогащение сырья?

 

11. В чем заключается предварительная подготовка сырья?

 

12. Охарактеризуйте методы обогащения сырья: механический, химический, физический и физико-химический.

 

Водные ресурсы

Водные ресурсы

 

Вода выполняет важную роль в быту и народном хозяйстве. В ряде производств вода играет роль и сырья, и реагента. Например, в производстве водорода, кислот, щелочей в реакциях гидратации и гидролиза, т.е. в химической промышленности. В металлургической, пищевой и легкой промышленности вода используется как растворитель твердых, жидких и газообразных веществ. В некоторых производствах вода образуется вследствие химических реакций, т.е. можно сказать, что вода в ряде производств выполняет технологическую функцию. В значительно больших объемах используется как теплоноситель (у воды большая теплоемкость, доступность, безопасность). Водой (паром) нагревают и охлаждают. В огромных количествах воду используют как теплоноситель в ТЭЦ, АЭС, котельных.

 

Большим потребителем воды является химическая промышленность. Поэтому, как правило, химические и нефтеперабатывающие предприятия строят рядом с водными источниками. Например, для производства 1 тонны алюминия необходимо 1500 тонн воды, 1 тонны вискозного шелка – 1200 м3 свежей и 1500 м3 оборотной воды, завод хлорорганического синтеза потребляет воды как город с населением 800 тыс. человек.

 

Средне-суточное потребление воды на 1 городского жителя 300 – 500 литров.

 

Однако самым большим потребителем является сельское хозяйство. На производство суточной нормы продуктов на одного человека необходимо 6 м3 воды.

 

Вода занимает 70% поверхности земного шара - ее общий объем 1345 млн.км3. 97% всего количества воды - это мировой океан.

 

Пресная вода, которая составляет всего 2% от общего объема, распределена на земном шаре неравномерно. Поэтому в разных странах нехватка пресной воды ощутима (1/3 населения испытывает недостаток пресной воды).

 

Запасы пресной воды потенциально велики. Однако в любом районе мира они могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения. На промышленные и хозяйственные нужды используется, в основном, пресная вода - это около 150 км3, что составляет менее 0,5% всего речного стока Земли. Но для того, чтобы иметь это количество воды для промышленных и хозяйственных нужд, из источников необходимо отбирать в 4 раза больше, т.е. 600 км3 в год.

 

Подавляющее большинство промышленных предприятий загрязняют водоемы. Конечно, в настоящее время многие предприятия используют возвратные воды, но огромное их количество сбрасывается в реки и другие водоемы (сброс составляет порядка 450 км3). Однако для обеззараживания даже после основательной биологической очистки эти воды необходимо разбавлять свежей чистой водой. Нормы разбавления велики и составляют, например, для стоков производства синтетических волокон 1:185, а для стоков производства полиэтилена и полистирола 1:29.

 

Для обезвреживания стоков во всем мире ежегодно нужно затрачивать примерно 5500 км3 чистой воды. Это в 3 раза больше расхода на все другие нужды человечества, что составляет 30% устойчивого стока всех рек мира.

 

Таким образом, очевидно, что проблема пресной воды тесно связана не только с проблемой экономии, но и с проблемой очистки сточных вод.