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

мой в производстве многих теплотехнических устройств: нагревателей, холодильников.

Широкое распространение в промышленности нашли спла
вы меди с цинком (латуни) и с оловом (бронзы). Сплавы меди с 
никелем служат для изготовления монет (денежных знаков).

Никель. В течение почти 150 лет со времени открытия ни
кель не находил промышленного применения. И лишь во второй 
половине XIX века, когда были открыты замечательные свойства 
никеля улучшать качество сталей, его производство начало быстро расти.

До 70 % никеля используется в производстве жаропрочных 

и нержавеющих сталей. Совместно с другими металлами никель входит в состав твердых и сверхтвердых сплавов. Сплав 
«инвар» обладает очень малым коэффициентом термического 
расширения; сплав «нихром» используется в нагревательных 
приборах; упругий сплав «элинвар» - отличный материал для 
пружин; ряд никелевых сплавов обладает высокими магнитными 
свойствами. Всего в технике и в быту используется более 3000 
сплавов, в состав которых входит никель.

Никель используется как катализатор ряда химических про
цессов, как прекрасное декоративное и антикоррозионное покрытие других металлов (меди, железа). В промышленности налажено широкое производство железоникелевых щелочных аккумуляторов.

Магний. Одной из отличительных особенностей магния яв
ляется его низкая плотность – 1,74 г/см3, что в 4,5 раза меньше, 
чем у железа и в 1,5 раза меньше, чем у алюминия. Ученым удалось создать с участием магния ряд сплавов - легких, прочных, 
термостойких. Для легирования Mg используют Ti, Al, Zn, Mn,
Be, Li, Cd, Ce, Cu.

Элементы ракет и ядерных реакторов, детали моторов, баки 

для бензина и масел, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, фото- и киноаппараты – вот неполный перечень 
изделий из магниевых сплавов. Немаловажную роль играет магний и в металлургии: в качестве раскислителя сталей, восстановителя ряда других металлов (титана, ванадия, хрома, циркония), 
для модификации чугунов. Наконец, оксид магния используют 

для производства огнеупорных материалов, применяющихся при
строительстве металлургических печей.

Хром. Основное количество хрома (вместе с никелем) идет 

на производство нержавеющих, жароупорных сталей. Из легированных хромом сталей изготовляют подшипники, детали для автомобилей, тракторов, локомотивов, турбин. Хром используют 
для электролитического покрытия поверхности металлических (и 
неметаллических) изделий – красивого и прочного. Магнезитохромитовый кирпич – высококачественный огнеупорный материал.

Химические соединения хрома используют в стекольной, 

керамической, текстильной промышленности в качестве краски. 
В состав рубиновых кристаллов для лазерных установок вводят 
небольшие количества оксида хрома.

Марганец. Некоторое количество марганца в виде химиче
ских соединений используют в качестве катализаторов химических процессов, в производстве стекла. Но основная доля марганца идет на выплавку легированных сталей. Одна из них –
«сталь Гадфильда» (с содержанием Мn» 10 %) – обладает очень 
высоким сопротивлением ударно-истирающим нагрузкам. В некоторых случаях после воздействия таких нагрузок прочность 
металла возрастает. Подобные стали применяются для изготовления рельсовых крестовин, тракторных траков, деталей дробилок, 
мельниц, ковшей экскаваторов и др.

Уникальными свойствами обладает сплав Mn-Cu-Ni – ман
ганин. Он сильно меняет свое электрическое сопротивление в зависимости от давления на него. Этот сплав используют для изготовления электрических манометров, способных измерять давление в десятки тысяч атмосфер (тысячи МПа).

Не потеряли своей ценности и старые хорошо известные че
ловеку металлы. Цинк используют в качестве антикоррозионного 
покрытия железа, для изготовления электрических батарей, в качестве осадителя золота и серебра из цианистых растворов, для 
производства сплавов с медью и другими металлами. Олово входит в состав сплавов с Сu и Рb – бронз и бабиттов (материалов 
для изготовления подшипников скольжения). Около одной трети 
свинца расходуется на производство электрических аккумулято