1. Сировинна база кольорової металургії. Кольорова металургія за сучасною класифікацією поєднує 14 самостійних галузей, які виробляють сплави, алмази, електроди  та групи металів.

Для виробництва кольорових металів використовуються руди кольорових металів, що придатні для експлуатації за технічними умовами. При цьому враховується і економічна доцільність переробки. Вміст основних і рідкісних кольорових металів у руді складає від 5% до десятих і сотих відсотка, а алюмінію – 15 – 20%.

Для отримання однієї тони алюмінію потрібно видобути руди 4 – 8 т, цинку – 20 – 50 т, міді – 20 – 150 т, а для отримання однієї тони рідкісних металів – тисячі і десятки тисяч тон сировини. Обробка руд кольорових металів відзначається багато-стадійністю, а їх первинна обробка проходить в районах видобування через низький вміст металу.

Руди кольорових металів – комплексні, тобто містять кілька корисних компонентів. Це ускладнює процес підготовки руд до виплавки. Видобування руд кольорових металів проводиться відкритим чи підземним способами.

2. Збагачення руд кольорових металів. Видобуті руди кольорових металів спочатку проходять процес збагачення (відокремлення від руди пустої породи). Найпоширенішим способом збагачення є флотація. Перед збагаченням руда подрібнюється на частинки менші за 15 мм, та змішується із водою. Утворена суміш називається пульпою. В пульпу добавляють спеціальні синтетичні речовини – колектори, які змочують мінеральні частинки, що містять метал і не змочують пусту породу. Далі в пульпу вводять спеціальні піноутворювачі (соснове масло, деревну чи кам’яновугільну смолу тощо) які формують стійку флотаційну піну. Частинки руди прилипають до піноутворювача і за допомогою повітряних бульок випливають на поверхню. А частинки пустої породи осідають на дно і видаляються. Рудна частина мінералів виймається із розчину. Це є концентрат, який йде на виплавку металу.

Якщо в руді міститься декілька металів, то проводять поступову флотацію за допомогою введення в пульпу спеціальних речовин – депресорів, які діють на поверхню лише окремих мінеральних частин, утворюючи шар, що змочується водою.

Іншим способом збагачення руд є метод важких суспензій. Він базується на використанні важких рідин і різниці ваги пустої породи і мінералів, що містять метал. У ванну із важкою рідиною занурюють подрібнену руду. Пуста порода випливає на поверхню, а мінерали, що містять метал – осідають на дно ванни.

Інколи використовують і хімічні методи збагачення руд.

Концентрати металів у переважаючій більшості є з’єднаннями із сіркою. Для зменшення вмісту сірки концентрати піддаються обпаленню у печах киплячого шару (із днища печі подається повітря і концентрат обгорає у підвішеному стані на повітряній подушці, немов би кипить).

3. Виробництво кольорових металів.

Виробництво міді. Мідь та її сплави (латунь – із цинком, бронза – із оловом, кремнієм, алюмінієм тощо) широко використовуються у господарстві.

Для виробництва міді використовують два види руд: сульфідні – з’єднання міді із сіркою (мідний колчедан, халькозин), окислені – з’єднання із киснем (куприт, малахіт, тенорит).

Після збагачення мідні концентрати містять 15 – 40% міді, до 35% сірки і до 30% різних домішок (у тому числі заліза, цинку, свинцю, золота, срібла тощо).

Металургійна переробка концентратів здійснюється пірометалургійним та гідрометалургійним способами. Пірометалургійна переробка включає три стадії – отримання штейну, чорнової міді і рафінування чорної міді.

Отримання штейну проходить у шахтних печах, що називаються ватержакетами. Температура в печах підтримується за рахунок окислення сірки і заліза та горіння коксу (витрати коксу складають 10% від ваги сировини). Використовують також відображувальні печі. У них при температурі 1500 – 1600 градусів виплавляються попередньо обпалені флотаційні концентрати. Штейн і шлак опускаються на дно печі і зливаються через певні отвори. Зараз застосовують також електровиплавку.

Штейн є сплавом сульфідів міді і заліза, складає 20 – 50% міді, 20 – 40% заліза і до 25% сірки. Він є напівпродуктом для отримання чистої міді. Рідкий штейн заливається в конвертери де із нього випалюється залізо і сірка та формується чорнова мідь (до 4% домішок).

Для ліквідації домішок із чорнової міді проводять рафінування. Вогневе рафінування проводиться у відображувальних печах, спеціальних конвертерах (паливо – газ, мазут). Більшість домішок у міді є активнішими за останню в окислені, тому під час виплавки вони окисляються і формують шлак. Отримана вогневим способом мідь містить до 0,5% домішок благородних металів, які можуть бути видалені за допомогою електролізу міді.

Електролітичне рафінування формує найчистішу мідь і базується на застосуванні постійного електричного струму певної напруги і сили. Рафінування проводиться у ваннах внутрішня частина яких викладена свинцем чи пластмасою. Електроліт – мідний купорос і сірчана кислота, анод – пластини із чорнової міді, чи міді, що пройшла вогневе рафінування, катод – тонкі пластини із чистої міді. Під час пропускання постійного струму на катоді осідає чиста мідь, а анод (чорнова мідь) поступово переходить в електроліт. На дно ванн випадають домішки, які не тільки окупляють затрачену електроенергію, але й часто перевищують вартість виробленої міді.

Гідрометалургійний спосіб отримання міді. На окислену мідну руду діють сірчаною кислотою, яка розчиняє мідь і формує сірчанокислу мідь. Із сірчанокислої міді металічна мідь може бути отримана двома способами – шляхом впливу на розчин залізом (цементація міді) чи електролізом водного розчину сірчанокислої міді.

Первинна обробка сировини і отримання чорнової міді здійснюється в районах видобутку. Лише виробництво вторинної міді (із металолому) здійснюється в районах споживання.

Виробництво цинку. Цинк – синювато-білий метал, що має середню щільність і високу антикорозійність. При звичайні температурі він крихкий, але при температурі 100 – 150 градусів він пластичний та гарно кується. Цинк та його сплави (із міддю, залізом, сріблом тощо) широко використовується у промисловості (антикорозійне покривання труб, ванн, посуди, виготовлення електродів у електротехніці, кліше у поліграфії, машинобудування, фармацевтика тощо). У сплавах усувається крихкість цинку. Біля 40% цинк використовується для виробництва сплавів.

Сировиною для виробництва цинку є цинкова обманка – сірчаний цинк, який зустрічається у складі поліметалічних руд. Вміст цинку в руді 2 – 7%. За допомогою депресорної флотації цинкова обманка відокремлюється від руд інших кольорових металів. Отриманий цинковий концентрат обпалюється до повного вигорання сірки і утворення окису цинку, що містить 60% металу. Металічний цинк отримують за піро- чи гідрометалургійним способом.

За пірометалургійним способом цинк отримують шляхом відновлення окису цинку вуглеводнем (коксом). Обпалений концентрат цинку змішується із коксом і прожарюється у закритих ретортах, що поміщаються у спеціальні печі із температурою 1200 – 1300 градусів. Цинк закипає при 907 градусах, переходить у газоподібний стан і по спеціальних трубах відводиться із реторт та конденсується. Цей процес називається дистиляцією і триває 24 години. Дистильований цинк називають чорновим бо він містить багато домішок інших металів. Проводять повторну гонку при температурі 1000°С. , після чого цинк має високий ступінь чистоти. При такому виробництві на 1 тону цинку витрачається до 4 тон коксу і 1 тис.кВт.год. електроенергії. Тому часто підприємства із виробництва цинку розміщені у районах видобутку вугілля.

Поширенішим є гідрометалургійний спосіб отримання металу. На цинковий концентрам діють слабкою сірчаною кислотою після чого метал переходить в розчин сірчанокислого цинку. Розчин піддається електролізу. У якості катоду застосовують алюмінієві листи, а аноду – свинцеві. При електролізі на катоді виділяється металічний цинк який згодом переплавляється в індукційних печах і відливається в злитки . чистота металу досягає 99,99%.

Для отримання 1 тони цинку витрачається 300 кВт.год. електроенергії, 0,5 тон палива. Первинна обробка руд здійснюється у місцях видобування. Отримані концентрати є транспортабельними і переробляються у залежності від технологічного процесу і у районах видобування сировини, і в районах, багатих на паливо.

Виробництво свинцю. Свинець – м’який і пластичний метал. Він легко піддається всім видам обробки – куванню, литтю, розкачуванню тощо. Є ерозійно стійким, антикорозійним. Використовується у кабельній промисловості, виробництві акумуляторів, для отримання підшипникових сплавів, для покриття чи виробництва кислотостійких ємностей, труб, приладів для хімічної промисловості, для виробництва медикаментів і білил. Властивість свинцю поглинати рентгенівські і радіоактивні промені визначила його застосування в рентгенотехніці і ядерній техніці.

Основною сировиною свинцю є галеніт (свинцевий блиск) – з’єднання свинцю із сіркою, а також церусит (вуглекислий свинець) і англезит (сірчанокислий свинець). Руди свинцю в природі зустрічаються у складі поліметалів.

Після флотації отриманий концентрат піддають обпаленню. Далі окислений концентрат відновлюють у шахтних печах із водяним охолодженням (ватержекетах). У отриманому чорновому свинці міститься до 8% інших металів. Його рафінують пірометалургійним чи електролітичним способом. Підприємства свинцевої промисловості розташовуються біля джерел сировини.

Виробництво алюмінію. В якості сировини для отримання алюмінію використовуються боксити, нефеліни, алуніти і сієніти.

Боксити містять ряд окисів – окис алюмінію (глинозем) до 70%, окис заліза, кальцію, титану, кремнезем і воду. В алюмінієвій промисловості використовуються ті боксити, в яких вміст глинозему перевищує 40%.

Нефеліни містять окиси алюмінію (до 30%), натрію, калію, кремнезем.

Алуніти – це з’єднання основних сульфатів алюмінію і калію.

Серед окисів, що входять до складу бокситів і нефелінів, глинозем є найбільш стійким, що унеможливлює пряме відновлення алюмінію з руди (утворюється сплав металів і кремнію). Спочатку із бокситів виділяють глинозем, який піддають електролізу.

Виробництво глинозему проходить лужним та кислотним способами. Лужний спосіб: розмелений і просушений боксит змішується із каустичною содою і подається в автоклав де підтримується тиск до 35 атмосфер та температура 100 – 240 градусів. Пульпа перемішується. Сода вступає у реакцію із глиноземом бокситів формуючи алюмінат натрію. Інші метали, що є у бокситах в реакцію із содою не вступають. В осадок випадають кремнезем, окиси заліза і титану. Алюмінат натрію фільтрується і завантажується у спеціальні чани, в які попадає вода. Алюмінат натрію охолоджується і розпадається з виділенням гідрату окису алюмінію і слабкого їдкого натру:

(1)             NaAlO₂+2H₂O=Al(OH)₃+NaOH

Гідроокис алюмінію прожарюється в трубчастих обертових печах чи у печах із кип’ячим шаром. При цьому гідроокис алюмінію втрачає воду і утворює окис алюмінію (глинозем).

Боксити із високим вмістом кремнезему переробляються сухим лужним способом. Боксит змішується із кальцинованою содою і вапняком. Суміш прогрівають в обертових печах. Кремнезем вступає у з’єднання із вапняком і видаляється. Окиси металів (алюмінію, заліза) і залишки кремнезему вступають у з’єднання із содою і утворюють алюмінат натрію із якого за вказаним вище способом отримують глинозем.

Отримання алюмінію із глинозему. Глинозем є стійким окисом, що має температуру плавлення 2050⁰С. Тому отримання алюмінію здійснюється електролітичним шляхом в електролізерах, викладених із середини вогнетривким матеріалом. Для зменшення теплових втрат в електролізер завантажують кріоліт, який розчиняє глинозем і має у два рази меншу температуру плавлення (1000⁰С).

Анодом є вугільні пластини, а катодом – дно електролітичної ванни. При пропусканні постійного струму через електроліт на дні ванни (катоді) осідає розплавлений алюміній, який видаляється за допомогою вакуум-ковша.

Електроліз глинозему – електроємний процес. Витрати електроенергії складають 17 – 19 тис. кВт. год. на 1 т. алюмінію, тому його виробництво розташоване поблизу джерела дешевої електроенергії. Витрати сировини для виробництва 1 т. металу складають: глинозему – 2 т, кріоліту – 0,1 т, вугільних анодів – 0,6 т.