FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2020
176 городов
September – November 2020
312 cities
09-11 октября 2020
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры
21-22 сентября 2019 года
22-23 октября 2019 года
29-30 ноября 2019 года
7-8 сентября 2019 года
27-29 сентября 2019 года
4-5 октября 2019 года
10-12 октября 2019 года

Металлы

Сочетание прогресса в индустриализации, интенсификации движения личного и общественного транспорта, механизации сельского хозяйства и появления массового потребления привело в XXI веке к повышению спроса на все металлы. В некоторых богатых странах удельный расход металла (на душу населения или на единицу ВВП) стабилизировался, но, как будет показано далее, наблюдался и абсолютный спад. Железо, преимущественно в составе стали, остается основным металлом XXI века; к 2000 году мировая добыча и производство железной руды, чугуна и стали достигли новых рекордов. Так, масса добываемой руды составила 1 миллиард тонн в год. По этому показателю железо уступило только ископаемым видам топлива и сыпучим строительным материалам; производство чугуна выросло почти до 600 миллионов тонн, производство стали — до 850 миллионов тонн в год, что примерно в 30 раз больше, чем в 1900 году. Общее значение почти в 20 раз превышает совокупную выплавку алюминия, меди, цинка, свинца и олова, а показатель на душу населения вырос с менее чем 20 до 140 кг в год. Спрос на медь рос примерно теми же темпами (увеличился в 27 раз до 13,2 миллиона тонн), производство цинка увеличилось 20-кратно — с 480 тысяч до 8,77 миллиона тонн (Kelly and Matos, 2013). Наименьший относительный рост производства отмечается у серебра (увеличилось всего примерно в 3,4 раза с 5400 тонн в 1900 году), за ним следует свинец (4,3 раза, с 750 тысяч тонн до 3,2 миллиона тонн), а вот объемы получаемого золота возросли почти в 7 раз, однако в абсолютных цифрах составили всего лишь 2600 тонн в 2000 году, в то время как в том же году было получено 18,1 тысячи тонн серебра, миллионы тонн свинца, цинка и меди. Новым знаковым металлом столетия стал алюминий, его мировое производство увеличилось с менее 7 тысяч тонн до почти 25 миллионов тонн, практически вдвое превысив добычу меди. В изделиях с высокими эксплуатационными требованиями (то есть где требуется максимальное соотношение прочности и веса), вместо алюминия часто используют титан. Аэрокосмическая отрасль расходует примерно две трети ежегодно производимого губчатого титана (примерно 140 тысяч тонн в 2010 году), остальное идет на оружейное и химическое производство, а диоксид титана добавляют в краску, бумагу и пластмассы в качестве осветлителя (USGS, 2012). В течение XXI века почти все аспекты черной металлургии претерпели значительные изменения. Хотя большую часть основного металла до сих пор получают в доменных печах, постоянное стремление снизить стоимость и повысить производительность сказалось на их размерах, емкостях и энергоэффективности (Kawaoka и соавт., 2006). Так, объем самых больших печей теперь превышает 5000 м3 . Например, объем печи Шуган Цзин Тан в Каофейдяне (построена в 2009 г.) составляет 5500 м3 , печи Швелгерн 2 в Дуйсбурге (эксплуатируется компанией ThyssenKrupp с 1993 года) — 5513 м3 , а самой большой печи — японской Оита — 5775 м3 (увеличена с 5245 м3 в 2004 году), при этом диаметр ее горна равен 15 м, а максимальная производительность достигает 12 тысяч тонн горячего металла в день (Hoffmann, 2012). Кроме того, большие печи расходуют меньше кокса. В США за счет постепенного снижения объемов используемого кокса, а позднее также за счет дополнительного введения пылевидного угля, нефти, природного газа удельный расход кокса в доменных печах уменьшился с 1,3 т на тонну горячего металла (по состоянию на начало ХХ века) до менее 0,5 тонны в конце того же столетия (de Beer и соавт., 1998). В 1914 году почти 75% американской стали плавилось в мартеновских печах, спустя примерно полвека их доля в производстве стали достигла максимума в 88%. В то же время в Японии и Европе шел быстрый переход к конвертерным печам с подачей кислорода сверху (верхним дутьем). Такие печи работают по бессемеровскому принципу; в состав шихты входит плавленый чугун и металлолом, обдуваемые кислородом на сверхзвуковой скорости. Первую конструкцию таких печей разработал Роберт Дуррер, Швейцария; в 1948 году он продемонстрировал практичность процесса с шихтой, наполовину состоящей из металлолома (Durrer, 1948). Однако в промышленных масштабах этой технологией впервые воспользовались не крупные сталелитейные предприятия, а две австрийские металлургические фирмы — Союз производителей железа и стали Австрии (Vereinigte Österreichische Eisenund Stahlwerke, VÖEST) в г. Линце и Alpine Montan в г. Донавице; производство по данному методу началось до конца 1952 года (Starratt, 1960; Geschichte-Club VÖEST, 1991). В итоге технологию во всем мире стали называть Линц-Донавиц-процессом (ЛДП) и практически сразу же стали использовать в Японии, которая на тот момент восстанавливала свою разрушенную войной сталелитейную промышленность. А вот крупные американские металлурги не отличались тягой к инновациям, и первая конвертерная печь в США заработала лишь в 1964 году. К 1970 году такие печи производили уже половину всей стали в мире, 80% — в Японии. Подача кислорода сначала осуществлялась сверху, однако затем было реализовано и нижнее дутье с расходом кислорода 50–60 м3 на тонну горячего металла. Емкость конвертерных печей варьируется от 150 до 300 тонн на партию, на обезуглероживание (до менее 0,1% С) уходит всего 35–45 минут (в мартеновских печах — до 9–10 часов); производительность труда возросла тысячекратно (Berry и соавт., 1999). К концу столетия конвертерные печи производили чуть более 70% всей выпускаемой в мире стали, и эта доля с тех пор не увеличивается (составила чуть менее 70% в 2011 году), так как появились работающие на металлоломе электродуговые печи (ЭДП). Промышленное использование ЭДП началось с выплавки алюминия еще в 80-х гг. XIX столетия, однако крупные металлургические компании приняли их на вооружение только после Второй мировой войны, когда цены на электричество снизились и накопилось достаточно металлолома. По мере их распространения была утрачена традиционная связь между железным и стальным производствами, так как новые, небольшие сталеплавильные заводы (мини-заводы) могли работать только на холодном металлоломе в качестве сырья. Как результат, количественное соотношение производимых в США стали и чугуна к концу XX века составило 2,1 (USGS, 2013), при этом сталепроизводство в стране было поделено между конвертерными печами и ЭДП. Десять лет спустя США продемонстрировали еще более эффективное  использование металлолома: указанное выше соотношение достигло 2,85, и хотя страна оставалась ведущим экспортером лома, ЭДП производили 61% всей американской стали (для сравнения, в ЕС эта доля составляла 41%, в Японии — 22%, в Китае — всего чуть более 10%). После 1950 года изменились и принципы обработки вновь выплавленного металла. Обычно сталь лили в слитки (продолговатые куски массой 50–100 тонн), после чего их повторно нагревали, формируя полуфабрикаты, — толстые плиты, заготовки квадратного профиля, прямоугольные блюмы, из которых затем прокатом получали конечные изделия: балки, катушки, пластины, прут, рельсы, листы или проволоку. В 50-х гг. на смену этим процессам, не отличавшимся хорошей энергоэффективностью, начало приходить непрерывное литье горячего металла. Первопроходцем стал немецкий металлург Зигфрид Юнгханс, а продвижением технологии занялся американский инженер Ирвинг Росси (Morita and Emi, 2003; Tanner, 1998; Fruehan, 1998). Непрерывное литье позволяет ускорить производство (объем работ, на который раньше уходило больше дня, теперь можно было выполнить менее чем за час), снизить потери металла с примерно 10% до 1%, а затраты энергии — на 50–75% по сравнению с традиционной схемой «слиток — повторный нагрев — прокат». Одними из первых эту технологию стали внедрять японские металлурги. К концу века почти 90% стали в мире лили именно этим способом (до 97% в богатых странах). К 2010 году мировое среднее значение данного показателя достигло 95%, в Китае — 98% (WSA, 2013). Мировая статистика в этом отношении вполне достоверна (BIR, 2012; WSA, 2013) и позволяет наметить глобальные потоки материалов в сталелитейном производстве по состоянию на 2010 год. Основной маршрут (выплавка руды с целью получения чугуна, обработка чугуна в конвертерных печах и небольшом числе оставшихся мартеновских печей) начинается с добычи 1,59 миллиарда тонн железосодержащих руд, которые засыпаются в доменные печи вместе с коксом, дополняемым подачами пылевидного угля (всего тратится 760 миллионов тонн угля); туда же идет 250 миллионов тонн сырого флюса (известняка и доломита). Так получают 1,03 миллиарда тонн чугуна. Значимую роль в этом маршруте играют крупномасштабные международные перевозки железной руды. Так, в 2009 году почти 60% добытой в мире руды (924 миллиона тонн) было продано другим странам, при этом крупнейшими экспортерами стали Австралия и Бразилия, а крупнейшим импортером — Китай, закупивший 65% всего экспортируемого в мире железа. Почти 70% руды, израсходованной в Китае, было импортировано (WSA, 2011). Руду перевозили на больших кораблях. Так, бразильская Vale приобрела 35 судов Valemax длиной 362 метра и общей грузоподъемностью 400 тысяч тонн. Второй маршрут 2010 года выглядел следующим образом: 430 миллионов тонн лома, из которых 190 миллионов тонн было получено от предприятий той же отрасли, 340 миллионов тонн закуплено (в том числе 105 миллионов тонн импортированного лома), отправилось в ЭДП. Третий маршрут — прямое восстановление из железных руд — уже не так масштабен, как раньше; в его рамках было получено всего 65 миллионов тонн стали. Всего тремя производственными маршрутами выплавлено 1,43 миллиарда тонн нерафинированной стали. Если произвести пересчет в удельные показатели и выразить нетто-массу шихты за вычетом потерь на транспортировку и обработку, то на входе получим 1,4 тонны железной руды, 770 кг угля, 150 кг известняка и 120 кг переработанного металла на 1 тонну производимой нерафинированной стали; электродуговые печи на производство 1 тонны расходуют 880 кг переработанного металла, 150 кг угля и 43 кг известняка (WSA, 2011). В ХХ веке также отмечаются значительные изменения в том, как люди используют сталь (WSA, 2013). В 1900 году этот сплав в основном шел на рельсы, а сейчас из него преимущественно изготавливают горячекатаные плоские листы (примерно 55% от общего числа первичных стальных изделий в 2011 году), которые затем идут на производство транспортных средств и бытовых предметов, а также арматуру (почти 15%). В то же время вырос спрос на специальную сталь, нержавеющую сталь, а также сплавы с улучшенными эксплуатационными характеристиками, требующиеся в энергетике и строительстве все более высоких зданий. Как уже было сказано ранее, мировое производство стали увеличилось 30-кратно с 1900 по 2000 (до почти 850 миллионов тонн), превысило 1 миллиард тонн в 2004 году и достигло 1,43 миллиарда тонн в 2010 и 1,52 миллиарда тонн в 2011 году. При этом Китай производит 45% всей мировой стали, ЕС — 12%. Если же говорить о расчете на душу населения, то потребление готовой продукции составило 220 кг в среднем по миру, 500 кг — в Японии, 460 кг — в Китае, 310 кг — в ЕС, 285 кг — в США и всего 60 кг — в Индии; показатели западных стран снизились из-за кризиса 2008 года (в 2006 году в США этот показатель составлял 400 кг). Исключительно высокие показатели Южной Кореи и Тайваня (1160 и 780 кг соответственно) обусловлены в основном не внутренним потреблением, а расходами стали в судостроительной промышленности, выпускающей корабли на экспорт. Достаточно точная статистика по производству стали позволяет сделать вывод, что всего в течение ХХ века был произведен почти 31 миллиард тонн стали, и половина этой массы — после 1980 года. Возникает вполне очевидный вопрос: что произошло со всем этим металлом? По моим оценкам, в начале ХХI14 века стальных изделий, которые можно было бы переплавить для получения нового металла, накопилось всего около 15 миллиардов тонн, или 2,5 т на душу населения (Smil, 2005). Моя оценка практически не отличается от выводов самого подробного недавно проведенного количественного анализа общемировых запасов стали (Hatayama и соавт., 2010). Согласно этому анализу общие запасы стали в 42 странах достигли 12,7 миллиарда тонн в 2005 году, удвоившись с 1980 года. Большая часть металла — примерно 60% — содержится в сооружениях, примерно 10% в транспортных средствах. Предсказывается, что конструкционно-транспортный запас достигнет 55 миллиардов тонн к 2050 году, в основном из-за десятикратного роста потребления стали в Азии. Для сравнения: по оценке Мюллера и соавт. (Müller и соавт., 2009) общие запасы антропогенного железа приравнивались к 25–30 миллиардам тонн, американские — к 3,2 миллиарда тонн, по состоянию на 2000 год, а вот по оценке Геологической службы — к 4 миллиардам тонн (Buckingham, 2006). В мировом сталеплавильном производстве также наблюдались изменения с точки зрения «национального лидерства» и самой структуры отрасли. По мере роста и «взросления» сталелитейного производства Великобритания уступила Соединенным Штатам свое первенство как в производстве, так и в инновационности; однако с 50-х гг. центром инноваций стала Европа и прежде всего Япония, а с точки зрения объемов производства лидером стал СССР, несмотря на технологическую отсталость. После 1974 года — что совпало с первым этапом высоких цен на нефть — практически непрерывный послевоенный рост этой отрасли сменился на чередование взлетов и падений, при этом в течение последующих 25 лет общемировой уровень производства несколько снизился. Следующее снижение наблюдалось в 2008–2009 гг. вследствие глобальной рецессии, однако ввиду огромного и постоянно растущего спроса на сталь в Китае уровень производства все равно превышал достигнутую в 2004 году планку в 1 миллиард тонн в год. В 1900 году US Steel Corporation произвела почти 30% стали в мире, США в целом — 36%. В конце ВМВ, когда Япония и Германия были разрушены, доля США составляла почти 80%, однако рост сталелитейного производства в Японии и СССР после 1955 года привел к снижению этой доли. К 1975 году в списке ведущих сталепроизводителей мира все еще имелись три американские компании (US Steel занимала второе место), к 1990 году в этой десятке осталась только US Steel, опустившись на пятое место, а еще год спустя ее родительская компания USX была исключена из списка Dow 30, уступив свое место Disney. К 2010 году в десятке и вовсе не осталось американских компаний: US Steel заняла 14 место, а когда в 2011 году она поднялась на 13, 6 из 10 крупнейших сталелитейных производств располагались в Китае; доля США в мировом производстве стали составляла менее 6%, доля Китая — 45%. В течение ХХ века алюминий стал вторым по важности металлом современной цивилизации, однако основные методы его производства практически не менялись с момента их изобретения в 80-х гг. XIX века: алюминий все так же получали путем комбинации байеровского производства глинозема из бокситов (извлечением с помощью каустической соды и последующей кальцинацией) и электролизом криолита и глинозема по методу Холла-Эро. Однако полный производственный цикл — от добычи бокситов до электролитической выплавки, литья слитков или проката листов — является затратным с точки зрения расхода сырья; кроме того, он остается весьма энергоемким (IEA, 2007; IAI, 2007). Затраты материалов на первичное производство металла включают (на тонну литого слитка) примерно 5270 кг бокситов (из которых получают порядка 1925 кг глинозема) и 435 кг нефтяного кокса и смолы для изготовления анодов. Многие отрасли, прежде всего автомобилестроение, перешли на алюминий, чтобы снизить массу изделий без ущерба для структурной целостности: как уже отмечалось выше, плотность алюминия в три раза меньше плотности стали, однако прочность на растяжение многих алюминиевых сплавов достигает 400–500 МПа, равняясь по этому показателю широко распространенным конструкционным сталям (400–550 МПа); у высокопрочных сталей этот показатель может значительно превышать 1 ГПа. Снижение веса многих ключевых деталей автомобиля за счет использования алюминия может достигать 40%; для сравнения, высокопрочные стали позволяют снизить вес только на 11%. Поэтому американская автомобильная отрасль сейчас расходует примерно треть всего алюминия в стране, а само содержание этого металла и его сплава достигло новых высот в моделях 2012 года (почти 156 кг на транспортное средство), составив 9% всей массы среднего автомобиля (и более трети лома от того же автомобиля). В основном алюминий содержится в двигателе и колесах, но его также все чаще используют для изготовления капотов, багажных отсеков и дверей. По той же причине автопроизводители, сталкивающиеся со все более строгими экологическими требованиями, планируют удвоить долю этого металла в среднестатистическом автомобиле к 2025 году (AA, 2011). В ХХ веке появилась еще одна отрасль промышленности, больше остальных зависящая от алюминия. Обшивка первых самолетов была деревянной и текстильной, однако уже в конце 20-х гг. появились алюминиевые фюзеляжи; монококи также были полностью алюминиевыми. Спрос на этот металл увеличивался прежде всего благодаря беспрецедентной программе США по строительству новых истребителей и бомбардировщиков во время Второй мировой войны; тогда расход алюминия в стране увеличился более чем в пять раз всего за четыре года (USGS, 2013). Спрос на алюминий в военной сфере не снижался и после войны; к середине 50-х гг. началась эпоха коммерческих аэробусов, первым из которых стал появившийся в 1957 г. Boeing 707. Фюзеляж таких самолетов на 70–80% состоял из высокопрочных алюминиевых сплавов, и на один широкофюзеляжный самолет приходилось более 100 тонн металла. Алюминиевые сплавы были важны и для множества других послевоенных рынков: от жилищного строительства (оконные и дверные рамы, водосточные желоба) до спутников связи и шпионских спутников, от автомобилей до банок под напитки (Hosford and Duncan, 1994). Кроме того, алюминиевые провода стали важнейшим проводником электричества на дальние расстояния. С начала промышленного производства в 80-х гг. XIX века и до 2012 года из бокситов получили почти миллиард тонн (956 миллионов тонн) алюминия; по наиболее точным расчетам почти 75% этой массы все еще используется, при этом около трети распределено по зданиям, почти 30% — в транспортных средствах, примерно столько же — в электрике и порядка 10% — в механизмах. Это значит, что значительная часть добытого металла подверглась многократной переработке, однако такое повторное использование ограничивается добавлением других элементов для получения алюминиевых сплавов. Чистый 99,8% алюминий стал использоваться гораздо реже и в меньших количествах, уступив сплавам, предназначенным для конкретных целей.

Источник:  Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 3.

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Заглянуть в голову животным

Правда ли, что ваша собака думает только о еде, сне и погоне за кошками? Правда ли, что кот вашей девушки имеет что-то против вас? Правда ли, что коровы – всего лишь ходячие гамбургеры, а голуби претендуют на мировое господство?

Физики объяснили форму «винных слез»

Ученые из США разработали теорию, которая использует концепцию ударных волн, для объяснения формы «винных слез».

Впервые обнаружен экситон Махана

Робот варит цирконий

Основная задача робота-сварщика – сварка циркониевых деталей для ядерных реакторов.

Ученые МГУ исследовали синдром системного воспаления организма

Сотрудники Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ имени М.В.Ломоносова изучили синдром системной воспалительной реак