生産冶金学は、鉱石、精鉱、またはリサイクルされたスクラップを、販売および使用できる金属に変える冶金学の分野です。これは、鉱山と溶解工場の間のすべてをカバーします。原料の採掘と破砕、廃棄物からの貴重な鉱物の分離、化合物からの金属の抽出、制御された純度までの精製、そして最後に適切な形式と順序で合金元素を追加します。この分野は通常 3 つのプロセス ファミリに分割されており、ほとんどの産業用フローシートは 3 つすべてを組み合わせています。
生産冶金がカバーする内容
抽出冶金と生産冶金はしばしば同じ意味で使用されますが、生産にはより広い意味があり、鋳造、サイジング、マスターアロイの製造など、抽出に続く変換ステップが含まれます。 3 つのプロセス ファミリは次のとおりです。
乾式冶金:焙煎、精錬、加工、火精製などの高温での処理。鉄、鋼、鉛、合金鉄の生産を支配しています。
湿式冶金:浸出、溶媒抽出、沈殿を含む水溶液での処理。これは、亜鉛や多くの希少金属や高融点金属の標準的な方法です。
電気冶金:電解精製や電解採取など、電気エネルギーを利用した処理。銅と亜鉛のカソードと一次アルミニウムはこの方法で製造されます。
どちらを選択するかは、鉱石の化学的性質とエネルギーのコストに従います。硫化鉱石は硫黄が硫酸として捕捉されるため通常製錬されますが、熱還元が難しい酸化鉱石は浸出されることが多くなります。
鉄および非鉄金属ルート-
金属はまず、鉄を主成分とする鉄と、それ以外の非鉄に分類されます。-以下の表は、主要な工業用金属の経路をまとめたものです。
| 金属 | 代表的な原料 | 主な生産ルート | 一次製品形態 |
|---|---|---|---|
| 鉄鋼 | 赤鉄鉱と磁鉄鉱 | 高炉、塩基性酸素炉 | 銑鉄、鋼、合金鉄 |
| 銅 | 硫化物濃縮物 | 浮遊選鉱、精錬、電解精錬 | 陰極銅、線材 |
| 亜鉛 | 硫化鉱石 | 焙煎、浸出、電解採取 | 特別高級亜鉛 |
| アルミニウム | ボーキサイト | アルミナ精製、溶融塩電解 | 一次アルミニウムインゴット |
| チタン | ルチルとイルメナイト | 塩素化、マグネシウム還元 | スポンジチタン |
鉄の生産量は他を大きく引き離して最大であり、ほぼすべての鋼は鋳造前に組成が調整されるため、合金の添加と最も密接に関係しています。非鉄ルートは単一の金属を中心に組織されることが多く、副次的な収益源として回収される副生成物が含まれます。-
鉱石から金属へ: プロセスのステップ
フローシートは異なりますが、ほとんどの製造冶金操作は同じ一連のステップに従います。
採掘と原料の準備:鉱石は掘削、発破、輸送され、プラントに供給されるグレードが安定するようにブレンドされます。
粉砕:破砕と粉砕により、貴重な鉱物粒子が周囲の岩石から、また粒子同士から遊離します。
受益と分離:重力、磁気、浮遊選鉱法により貴重な鉱物が濃縮され、脈石が尾鉱として除去されます。
抽出：濃縮物は還元、製錬、または浸出されて、金属がそのホスト化合物から金属または溶解した形で残ります。
精製:火精製、電気分解、または蒸留により、残留不純物が仕様で要求される限度まで除去されます。
合金と鋳造:精製された金属は調整、脱ガスされ、さらなる加工のためにインゴット、ビレット、またはマスター合金に鋳造されます。
各ステップには回収率の数値が関連付けられており、それらの数値の積によって全体の収率が得られます。選鉱で金属の 92 パーセント、製錬で 94 パーセントを回収するプラントは、鉱石に含まれる金属の約 86 パーセントしか回収しません。そのため、損失管理は会計上の詳細ではなく中核的な生産機能として扱われます。
合金鉄: 鉱石と鋼鉄の間の架け橋
ほとんどの合金元素は、純粋な形では鋼に添加できません。非常に高温で溶けたり、すぐに酸化したり、精製にコストがかかりすぎたりします。代わりに、それらはフェロアロイ、つまり鉄と一緒に酸化物の炭素熱還元によって生成されるマスター合金として添加されます。これらの合金は製鋼トン数のほんの一部ですが、これらの合金なしでは鋼の熱を仕上げることはできません。
| 合金鉄 | 典型的な主要要素の内容 | 製鉄における機能 |
|---|---|---|
| フェロシリコン | シリコン 74 ～ 80% | 脱酸とシリコン合金化 |
| 高-炭素フェロマンガン | マンガン 76 ～ 82% | マンガン合金化、硫黄管理 |
| フェロバナジウム | バナジウム 50 ～ 80% | 高強度構造用鋼のマイクロアロイ- |
| フェロタングステン | タングステン 70 ～ 85% | 工具鋼と耐熱鋼- |
| フェロモリブデン | モリブデン 55 ～ 65% | 焼入れ性と耐クリープ性 |
添加率は単純な質量バランスによって設定されます。 1 トンの鋼に 0.5 パーセントのマンガンを入れるには、溶湯中に 5 キログラムのマンガンが必要です。マンガンが 78% で回収率が約 95% の高炭素フェロマンガンの場合、装入量は 5 を 0.78 で割った後、0.95 で割ると、鋼 1 トンあたり約 6.7 キログラムとなります。すべての要素に同じ演算を適用すると、熱の電荷バランスが得られます。
追加の順序は量と同じくらい重要です。酸素がより高価な添加物を消費しないように、元素を合金化する前に脱酸素剤が添加され、酸素との親和性の高い元素はプロセスの後半で、大気から保護するスラグの下で添加されます。
品質管理、製品の形状と規格
製造冶金は仕様主導の業界であるため、分析とサンプリングは最後に追加されるのではなく、プロセスに組み込まれています。{0}合金鉄の溶解挙動は粒子サイズに大きく依存するため、化学組成はすべての鋳造品の分光分析によって確認され、サイズ分布はスクリーニングによって制御されます。 ISO 9001 などの管理システムや ISO/IEC 17025 に基づく試験室の能力は顧客によって一般的に要求されますが、個々の製品は、フェロシリコンの GB/T 2272、フェロマンガンの GB/T 3795、フェロタングステンの GB/T 3648 などの国内または国際規格に基づいて購入されます。
製品の形態は下流プロセスに従います。つまり、溶解工場用の塊状材料、連続鋳造および溶接消耗品用の粒状および粉末グレード、取鍋での制御された低損失添加が必要なブリケットまたはコアド ワイヤの形態です。{0}湿った状態で添加すると溶融物中で激しい反応を引き起こす可能性があるため、パッキンは水分の吸収を制限するように選択されます。
よくある質問
Q: 生産冶金と抽出冶金の違いは何ですか?
抽出冶金は、鉱石から金属が得られる時点で止まります。生産冶金にはそのステップが含まれますが、精製、合金化、販売可能な形状への鋳造も含まれます。
Q: 業界で最もよく使用されているプロセス ファミリはどれですか?
鉄、鋼、合金鉄、およびほとんどの卑金属は高温の炉で製造されるため、トン数では乾式冶金がリードしています。湿式冶金と電気冶金は、低品位でより複雑な原料を扱います。-
Q: 金属はなぜ合金鉄の形で合金化されるのですか?
フェロアロイは、添加物の融点と密度を下げ、酸化損失を減らし、液体鋼に予想通り溶解する形で元素を供給します。また、純粋な要素を精製するよりも安価です。
Q: 合金元素の回収率は何によって決まりますか?
回収率は、元素の酸素との親和性、スラグの化学的性質、添加温度、合金鉄の粒径によって異なります。保護スラグの下で遅れて添加すると、最も高い回収率が得られます。
Q: 製造冶金において製品の品質はどのように検証されますか?
すべての成型品の化学組成が分析され、サイズ、水分、嵩密度が購入仕様と照合してチェックされます。トレーサビリティ記録は、納品されたロットを熱と原料バッチに結び付けます。
Q: リサイクルされたスクラップは、冶金生産において鉱石の代わりに使用できますか?
はい、製鉄においてはすでに仕事の大部分を担っています。スクラップ-ベースのルートでは、採掘と還元は完全に回避されますが、銅や錫などの不要な元素が溶融物に含まれないように選別することに依存しています。
