§ 23. ЗНАЧЕННЯ ТА СТРУКТУРА МЕТАЛУРГІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА

• До змісту відповідей

ПРИГАДАЙТЕ

1. Що таке руда? Якими бувають металічні мінеральні ресурси за їх речовинним складом?

Руда — це гірська порода чи мінерал, з якого технічно можливо та економічно вигідно видобувати чисті метали або їхні сполуки. За речовинним складом руди бувають чорних металів (залізні, марганцеві, хромові), кольорових (мідні, алюмінієві, свинцево-цинкові), рідкісних і благородних (золото, срібло, платина). Також виділяють монометалічні руди, які містять лише один метал, і поліметалічні, де поєднано одразу кілька корисних металів.

2. Від чого залежить якість руди?

Якість руди залежить насамперед від відсотка корисного металу в ній: що більший уміст, то вища її цінність. Також важлива відсутність шкідливих домішок (як-от сірка чи фосфор) і наявність корисних попутних елементів. Додатково враховують легкість збагачення породи та умови її залягання в надрах.

3. Що таке комбінування та концентрація виробництва?

Концентрація — це зосередження великих обсягів виробництва продукції та потужного обладнання на окремих великих підприємствах. Комбінування — це поєднання на одному підприємстві кількох технологічно пов’язаних виробництв, коли відходи одного цеху слугують сировиною для іншого.

ЗАВДАННЯ

1. Використовуючи схему (мал. 110) та текст підручника, назвіть основні групи продукції, виробництво яких забезпечує металургія.

• Чисті метали (залізо, алюміній, мідь, нікель та інші).
• Сплави (чавун, сталь, нержавіюча сталь, бронза, латунь, дюралюмін, ювелірні суміші).
• Композити (металокераміка, металопластик, армований бетон, алюмінієві панелі, біометали).
• Металеві вироби та напівфабрикати (прокат: листи, труби, рейки, арматура, а також металеві порошки й концентрати).

2. Порівняйте сплави та композити. Поясніть, які з них існують лише за участі металів, а які можуть бути й без їх вмісту.

Сплави існують виключно за участі металів, адже за визначенням хоча б один із їхніх компонентів має бути металом.

Композити можуть утворюватися як за участі металів (металопластик, металокераміка), так і взагалі без них (наприклад, склопластик чи вуглепластик, де основу складають синтетичні полімери та волокна).

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 110

3. Дослідіть, які сплави та композити найчастіше використовуються людьми та в яких сферах діяльності. Підготуйте інформацію про один із них.

Найпоширеніші сплави — це сталь і чавун у будівництві й транспорті, латунь і бронза в сантехніці та приладобудуванні, дюралюмін в авіації. Серед композитів щодня трапляються металопластик у віконних рамах, залізобетон на будівництві та металокераміка в стоматології й деталях турбін.

Дюралюмін — це легкий і міцний сплав алюмінію з міддю, магнієм та марганцем. За вагою він утричі легший за сталь, але майже не поступається їй у міцності. Через такі властивості дюралюмін незамінний в авіабудуванні, виробництві швидкісних поїздів і космічних апаратів, де кожен зайвий кілограм конструкції має значення.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 111

1. Дослідіть основні сфери застосування людиною металів та їх сплавів. Поміркуйте, у яких сферах більше використовують чорні метали, а в яких кольорові, рідкісноземельні, дорогоцінні.

Метали потрібні буквально скрізь: від каркасів хмарочосів і корпусів машин до мікрочипів у смартфонах та медичних імплантів.

Чорні метали (сталь, чавун) переважають у будівництві, важкому машинобудуванні, прокладанні залізничних колій і труб, де першочерговими є висока міцність, стійкість до деформацій та доступна ціна.

Кольорові метали (мідь, алюміній, титан) незамінні в електротехніці, авіабудуванні та харчовій промисловості, бо вони чудово проводять струм і тепло, мають малу вагу й не піддаються іржі.

Рідкісноземельні метали необхідні для високих технологій: виготовлення екранів смартфонів, акумуляторів для електромобілів, лазерів, медичних томографів і генераторів для вітрових електростанцій.

Дорогоцінні метали (золото, срібло, платина) використовують у ювелірній справі та карбуванні банківських монет, а також як довговічні контакти у мікроелектроніці та хірургічні інструменти.

2. Поясніть, які існують тенденції щодо зміни значення різних груп металів у сучасному виробництві. Із чим це пов’язано?

Частка чорних металів у світовому виробництві поступово зменшується, а попит на легкі кольорові, рідкісноземельні метали та композити стрімко зростає.

Це пов’язано з розвитком високих технологій: електроніки, робототехніки, електромобілів і «зеленої» енергетики. Крім того, інженери намагаються максимально зменшити вагу конструкцій для економії енергії, тому важку сталь дедалі частіше замінюють легким алюмінієм, міцними полімерами та композитними матеріалами.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 112

1. Роздивіться за схемою, які виробництва входять до складу металургії. Поясніть, якими виробничими зв’язками вони поєднані між собою.

Металургія об’єднує гірничодобувну промисловість, чорну металургію та кольорову металургію.

Ці виробництва поєднані послідовним ланцюгом переробки матеріалів: гірники видобувають і збагачують руду, видобувають паливо й флюси, а чорна та кольорова металургія переплавляють цю сировину на готові метали, сталь і прокат. Також працюють зв’язки з утилізації відходів: коксовий газ металургійних заводів забирає хімічна промисловість для добрив, а доменні шлаки йдуть на сусідні заводи для виробництва цементу.

2. Згрупуйте складники металургії за секторами економіки та поясніть мотиви ваших дій.

Первинний сектор:

1. Гірничодобувна промисловість (видобуток і збагачення залізних, марганцевих і кольорових руд, видобуток коксівного вугілля, вапняків і глин). Ці виробництва належать сюди, бо вони займаються безпосереднім вилученням природних ресурсів із надр Землі.

Вторинний сектор:

1. Чорна металургія (виробництво окаток, виплавка чавуну, сталеплавильне та прокатне виробництво).
2. Кольорова металургія (виплавка важких і легких кольорових металів, рафінування та випуск прокату). Ці галузі належать сюди, бо вони переробляють добуту сировину й створюють нові готові промислові матеріали та вироби.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 112

3. Користуючись схемою, розділіть металургійні виробництва на матеріаломісткі та енергомісткі.

До матеріаломістких виробництв належать чорна металургія повного циклу та виплавка важких кольорових металів (мідна, нікелева, свинцево-цинкова, олов’яна). До енергомістких належить виплавка легких кольорових металів (алюмінієва, титанова, магнієва).

Поясніть принципи розміщення їхніх підприємств.

Матеріаломісткі заводи будують поблизу родовищ руди або басейнів видобутку вугілля, тому що для отримання однієї тонни металу переробляють від 25 до 300 тонн гірської породи. Енергомісткі підприємства розміщують біля потужних електростанцій, адже процес виплавки потребує від 17 до 60 тисяч кіловат-годин електроенергії на одну тонну готової продукції.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 113

1. Роздивіться схему та назвіть послідовно види продукції, що виробляються на металургійному комбінаті.

Залізорудні окатки $\rightarrow$ чавун $\rightarrow$ сталь $\rightarrow$ прокат.

Поясніть, чому доцільно поєднувати ці виробництва на одному підприємстві.

Продукція попереднього цеху одразу надходить у наступний без охолодження, наприклад гарячий рідкий чавун з доменної печі миттєво заливають у конвертор для варіння сталі. Це економить величезну кількість палива, зберігає енергію і позбавляє зайвих витрат на перевезення сировини між різними містами.

2. За додатковими джерелами підготуйте інформацію про різні сорти чавуну та сталі, види прокату.

⚠️ Ця відповідь є орієнтовною — базується на загальних знаннях AI, а не на тексті підручника. Рекомендується перевірити.

Чавун буває ливарним (сірим) для відливання деталей та переробним (білим) для переплавки на сталь. Сталь поділяють на вуглецеву (звичайної якості та якісну інструментальну) і леговану, куди додають хром, нікель або вольфрам для міцності та захисту від іржі. Прокат виробляють листовим (листи, тонка бляха), сортовим (кутики, балки, арматура, рейки) та трубним.

З’ясуйте, для яких потреб їх використовують.

⚠️ Ця відповідь є орієнтовною — базується на загальних знаннях AI, а не на тексті підручника. Рекомендується перевірити.

З ливарного чавуну виготовляють батареї опалення, сантехнічні ванни, важкий посуд, каналізаційні люки та масивні корпуси верстатів. Сталь потрібна для виробництва кузовів автомобілів, вагонів, морських суден, медичних інструментів, мостів та зброї. Прокат використовують як каркас у залізобетонних конструкціях будинків, для будівництва нафтогазопроводів і прокладання залізничних колій.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 114

1. Назвіть послідовно п’ять стадій виробничого процесу комбінату чорної металургії повного циклу.

1. Надходження та підготовка мінеральних ресурсів (залізна й марганцева руда, вапняк, вогнетривка глина, коксівне вугілля).
2. Збагачення залізної руди з виготовленням окатків, виробництво вогнетривів та коксування вугілля.
3. Доменне виробництво (виплавка чавуну).
4. Сталеплавильне виробництво (виплавка сталі в конверторах або електропечах).
5. Прокатне виробництво (отримання листового, сортового, трубного чи фасонного прокату).

2. Які стадії можна вважати підготовчими до плавки металу, а в яких саме відбувається плавка?

Підготовчими стадіями є видобуток корисних копалин, збагачення залізної руди флотацією з отриманням окатків, виробництво вогнетривкої цегли й плит, а також коксування вугілля. Безпосередня плавка металу відбувається у двох цехах: у доменному (виплавка рідкого чавуну) та у сталеплавильному (виплавка сталі з чавуну та металобрухту).

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 114

3. Які види мінеральних ресурсів та в якій кількості використовують для виплавки 1 т чавуну? Чи є таке виробництво матеріаломістким?

Для виплавки 1 т чавуну витрачають:

• 1,5 т залізорудних окатків (збагачена залізна руда);
• 0,5 т коксу (паливо з коксівного вугілля);
• 0,6 т флюсових вапняків (для видалення домішок);
• марганцеву руду;
• 150 кг вогнетривких глин у вигляді цегли та плит для печі.

Так, це виробництво є високоматеріаломістким. На виготовлення всього однієї тонни чавуну йде понад 2,5–3 тонни різної сировини та палива.

4. На яких стадіях виробництва утворюють різні відходи? Для яких потреб їх можна використати?

Відходи утворюються на таких стадіях:

• Коксування вугілля — виділяється коксовий газ, з якого на хімічних заводах виготовляють азотні добрива.
• Доменне виробництво — утворюються доменні шлаки, які відправляють на цементні заводи для виробництва цементу, шлакоблоків і дорожнього щебеню.
• Сталеплавильне виробництво — залишаються сталеплавильні шлаки та гази, які теж переробляють на будівельні суміші та сульфатну кислоту.

5. Підготуйте інформацію про сучасні та старі способи плавки сталі.

Старий спосіб — мартенівський:

• Плавка тривала дуже довго (від 5 до 12 годин) і вимагала величезної кількості палива.
• Спосіб давав багато шкідливого диму та пилу, тому сьогодні у світі за ним плавлять лише 7% сталі, а Україна від нього повністю відмовилася.

Сучасні способи:

• Киснево-конверторний спосіб (дає 41% сталі за схемою) — у розплавлений чавун під тиском вдувають чистий кисень, домішки швидко вигоряють самі, а плавка триває лише 35–60 хвилин без спалювання додаткового палива.
• Електродуговий спосіб (найбільш прогресивний, дає 52% сталі) — метал плавлять електричною дугою в електропечах без шкідливих димових викидів, здебільшого переплавляючи металобрухт у сталь найвищої якості.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 115

1. Назвіть стадії виробничого процесу кольорової металургії. Знайдіть аналогічні стадії з чорною металургією.

Виробничий процес кольорової металургії включає п’ять стадій:

1. Видобуток руд кольорових металів.
2. Збагачення руд (відділення порожньої породи).
3. Плавка чорнового металу.
4. Рафінування (електролітичне очищення металу від домішок).
5. Прокатне виробництво (випуск готового металевого прокату).

Аналогічні стадії з чорною металургією:

• Видобуток і збагачення руди відповідає підготовці залізної руди та спіканню окатків.
• Плавка чорнового металу аналогічна виплавці чавуну в доменній печі.
• Рафінування металу відповідає стадії переробки чавуну на чисту якісну сталь.
• Прокатне виробництво повністю збігається в обох галузях і виготовляє готові балки, листи, труби та дріт.

2. Порівняйте стадії виробництва алюмінію з іншими кольоровими металами.

ЗАВДАННЯ ДО МАЛ. 115

3. Чому в металургії алюмінію не збігаються територіально центри виробництва глинозему із центрами виплавки металевого алюмінію?

Виробництво глинозему потребує величезної кількості сировини (на 1 т глинозему йде 4–8 т руди), тому такі заводи будують безпосередньо біля кар’єрів видобутку бокситів. А для виплавки металевого алюмінію потрібна колосальна кількість електроенергії (17 тис. кВт·год на 1 т металу), тому плавильні комбінати споруджують поруч із потужними й дешевими джерелами струму (ГЕС або АЕС).

4. Чому чинники розміщення центрів кольорової металургії важких та легких металів різні?

У рудах важких металів (міді, свинцю, олова) міститься всього від 1 до 10% металу, тому перевозити порожню породу на великі відстані невигідно й підприємства ставлять біля родовищ. Легкі метали (алюміній, титан, магній) потребують малої маси руди, але величезних витрат електрики для плавлення, через що заводи тяжіють до дешевих електростанцій.

ОЦІНЮЄМО СВОЇ ДОСЯГНЕННЯ

1 бал • 1. Назвіть, із яких виробництв складається металургія.

Гірничодобувна промисловість (видобуток і збагачення залізних, марганцевих і кольорових руд, коксівного вугілля, флюсів), чорна металургія та кольорова металургія.

Яка продукція є наслідком їхньої діяльності?

Чисті метали, металеві сплави (чавун, сталь, бронза, латунь, дюралюміній), композитні матеріали, металопрокат (сталеві листи, труби, рейки, балки), а також рудні концентрати й порошки кольорових металів.

1 бал • 2. Поясніть своїми словами різницю між поняттями «метал», «сплав», «композит».

Метал — це чиста речовина, яку видобувають із руди й очищують від домішок (наприклад, чисте залізо, мідь, алюміній).

Сплав — це однорідне поєднання кількох металів або металу з неметалом, де компоненти повністю розплавлені й змішані між собою (чавун, сталь, бронза).

Композит — це штучний неоднорідний матеріал, де міцна основа (матриця) з’єднана з іншим наповнювачем, і ці складові частини зберігають свої окремі властивості (наприклад, залізобетон або металопластик).

2 бали • 3. Накресліть схему послідовності стадій виробництва металургійного комбінату повного циклу.

Поясніть доцільність комбінування в чорній металургії.

Це дає велику економію енергії, адже рідкий гарячий чавун одразу подають у сталеплавильні печі без повторного нагрівання. Також комбінат переробляє власні відходи: доменні шлаки йдуть на виготовлення цементу, а побічний коксовий газ використовують хімічні цехи для створення азотних добрив.

4. Порівняйте чинники розміщення підприємств чорної та кольорової металургії, металургії важких та легких металів.

5. Поясніть, чому розвинені країни та країни, що розвиваються, мають різну спеціалізацію в ланцюгах доданої вартості металургії алюмінію.

Країни, що розвиваються (наприклад, Гвінея або Ямайка), володіють великими запасами бокситів, але не мають надлишку дешевої електрики, коштів і сучасного обладнання. Вони виконують брудну й найдешевшу початкову роботу — добувають руду та виготовляють напівфабрикат (глинозем).

Розвинені країни мають потужні електростанції, технології та кваліфікованих інженерів. Вони закуповують глинозем, виплавляють з нього алюміній і виготовляють дорогі деталі для літаків, автівок та електроніки, забираючи собі майже весь кінцевий прибуток.

6. Спрогнозуйте, як люди задовольнятимуть потреби в металах, коли виснажаться поклади металічних ресурсів у земній корі. Поміркуйте, чи існує можливість заміни металів іншими матеріалами.

Людство повністю перейде на вторинну переробку металобрухту за безвідходним замкненим циклом. Нестачу металів поповнюватимуть добуванням корисних елементів із морської води, збиранням рудних конкрецій з океанічного дна та освоєнням астероїдів.

Замінити метали вже зараз допомагають надміцні вуглепластики, полімери, технічна кераміка та композитні матеріали. Вони не іржавіють, важать значно менше за сталь і чудово витримують механічні навантаження в будівництві чи машинобудуванні.