Металлы и конструкции.

Содержание железа в рудах колеблется в очень широких пределах: от 25 (бедные руды) до 65-70 процентов (богатые руды). Чем меньше железа в руде, а следовательно, больше пустой породы, тем
невыгоднее ее использовать, тем меньше производительность доменной печи, больше расход топлива,
выше стоимость выплавляемого чугуна. Чтобы всего этого избежать, бедную руду обогащают, предварительно измельчив.

Обогащают руду различными способами. Но все они сводятся к удалению пустой породы и, значит,
к увеличению содержания в руде железа. Руды цветных металлов большей частью подвергают флотации, которую в небольшом объеме используют и в черной металлургии. Этот способ обогащения основан на различной смачиваемости частиц пустой породы и кусочков, содержащих металл.

Флотация обрела право на существование где-то в конце XIX-начале XX века, когда в производстве
металла произошел большой скачок. В какой стране и как додумались до флотации, сказать трудно, но
из поколения в поколение передается легенда о том, что флотация была открыта…прачкой. Жена рабочего- медного рудника, стирая одежду мужа, в которой он работал в забое, обратила внимание на странное явление: частицы руды, в которых было много меди (более блестящие), оказались на поверхности - запутались в мыльной пене, а примеси осели на дно лохани. Патент на свое открытие женщина, конечно, не взяла, и ее имя осталось неизвестным.

Осуществляют флотацию в специальных ваннах, куда подают пульпу-измельченную руду вместе с водой. Через эту пульпу продувают воздух, пузырьки которого обволакивают, подхватывают частицы
металла и выносят их на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны. Увлекать за собой металл пузырькам воздуха помогают различные химические вещества-реагенты, также подаваемые во
флотационные ванны.

Как правило, в рудах черных металлов (железных) содержание основного компонента гораздо
выше, чем в цветных. Но и их приходится обогащать. И если в цветной металлургии обогащение -
одна из основных стадий передела, то в черной эта операция также имеет немаловажное значение. Наиболее распространена в черной металлургии электромагнитная сепарация, основанная на магнитных
свойствах железных руд, которой подвергают предварительно измельченные железные руды как в сухом, так и увлажненном виде.

Устройство магнитного сепаратора очень простое: обогащаемая руда, сухая или в виде пульпы, подается с помощью транспортерной ленты на барабан, внутри которого размешен электромагнит. Когда барабан вращается, создается магнитное поле; проходя через него, руда разделяется на кусочки с большим содержанием железа, притягиваемые к ленте, и пустую породу. После обогащения и сушки руда оказывается в пылевидном состоянии, и ее приходится снова превращать в кусочки.

Богатые кусковые руды не обогащают, а только усредняют по химическому составу, как правило, на рудном дворе доменного цеха, а иногда на горно-обогатительных комбинатах - там, где руду добывают. Усредняют ее при помощи мостового крана, на крюке которого подвешен огромный “краб” - грейфер. Сжимая и разжимая свои “щулальцы”, грейфер захватывает ими тонны руды и укладывает ее тонкими слоями в штабеля, переносит руду из одного закрома в другой. Со стороны это может показаться ненужным, “переливанием из пустого в порожнее”, но на самом деле это очень ответственный процесс. Руду перемешивают и выравнивают, усредняют не только ее химический состав, но и гранулометрический (разбирают по крупности кусков) .

Чугун выплавляют в доменной печи. В сутки современная домна заглатывает огромное количество
сырья. Но она не только прожорлива, она своенравна и капризна. На первый взгляд ее рацион постоянен и состоит всего из трех “блюд”-железосодержащих материалов (руды, агломерата, окатышей), кокса и известняка, качество которых зависит от географического положения завода (доменного цеха), требований, предъявляемых к чугуну, и других факторов.  Но  каждое “блюдо” приходится тщательно готовить.

Человеку в очень далекие времена, когда он только научился плавить металл, пришлось столкнуться с проблемой подготовки руды к выплавке из нее металла. Да и не всякое топливо подходит матушке-домне. Еще М. В. Ломоносов в своей книге “Первые основания металлургии или рудных дел” много внимания уделил выбору и подготовке сырья для производства металлов.

Желательно, чтобы куски руды, поступающие в печь, были определенного размера (от 30 до 100 миллиметров в поперечнике).

Если они очень большие, то для их расплавления требуется много времени, из крупных кусков
труднее извлечь (восстановить) железо. Кроме того, в доменной печи между большими кусками руды
остаются пустоты, в результате чего полезный объем печи используется не полностью. Поэтому руду, добываемую в виде больших кусков, направляют на дробление.

Дробят руду на конусных или щековых дробилках. В этих дробилках руда попадает в пространство
между двумя металлическими очень прочными конусами или щеками. Один конус или щека подвижны, другие закреплены неподвижно. Как гигантские челюсти, то смыкаясь, то размыкаясь, они крошат, “перемалывают” руду, помогают улучшить “пищеварение” домны. Руду загружают в дробилку сверху, а выгружается она снизу, где сортируется.

Измельчают руду и в шаровых мельницах — в огромных, сваренных из металлического листа, барабанах, заполненных шарами из твердой, износостойкой, легированной марганцем стали. Эти шары
перекатываются, размалывают, а затем истирают куски загружаемой в барабан руды. Загружают руду в барабан с одного конца, а выгружают с противоположного.

Из дробилок и шаровых мельниц раздробленная руда поступает на сита, ячейки которых пропускают
только куски нужного размера. Иногда руду приходится просеивать несколько раз. Как правило, применяют не неподвижные сита, а встряхиваемые - так называемые грохоты, на которых просеивание
более эффективно.

Большинство испытаний на усталость образцов самолетостроительных материалов и элементов авиаконструкций проводят при осевом нагружении (растяжении-сжатии), реже при изгибе, причем в последнем случае разрушение обычно происходит от действия нормальных напряжений. Такая практика
оправдана не только относительной простотой испытаний, но и представительностью результатов испытаний для анализа и оценок усталостных долговечностей элементов в системе планера самолета. Это обусловлено тем, что для многих элементов усталостную долговечность определяют нормальные напряжения (стрингеры, пояса лонжеронов, шпангоуты, многие участки обшивки крыла и т. п.). Однако это все-таки частный случай циклического нагружения авиаконструкций.

Более общим является многоосное нагружение (двухосное растяжение обшивки герметического фюзеляжа, комбинация нормального напряжения со сдвигом в стенках и на значительных участках обшивки крыла). Практически все агрегаты конструкции работают в условиях сложного  комбинированного циклического нагружения; так, для фюзеляжа пассажирского самолета это - комбинация наддува, изгиба и кручения, для крыла - комбинация изгиба, кручения, перерезывающих сил и т. п. Поэтому во многих случаях надлежащий учет сложного напряженного состояния в анализе сопротивления усталости элементов конструкций совершенно необходим.

В других случаях (отметим это еще раз) осевое нагружение вполне достоверно отражает условия циклического нагружения элемента. Это связано как с особенностями процесса усталости, чувствительного в наибольшей мере к напряжениям растяжения, так и с особенностями  авиаконструкций, в которых многие элементы воспринимают не сразу все, а лишь некоторые виды нагрузок (пояса  - изгиб, стенки - сдвиг и т. п.).
Кроме того, важно и количественное соотношение между «основными» и «дополнительными» напряжениями. Поэтому результаты испытаний с одноосным нагружением многих типовых элементов (панелей и поперечных стыков обшивки крыла и фюзеляжа, поясов лонжеронов и т. п.) достаточно информативны и надежны. В то же время для полной оценки усталостной долговечности всех основных силовых элементов конструкций необходимы методы экспериментального и расчетного определения усталостной долговечности при плоском напряженном состоянии. Особая значимость именно плоского напряженного состояния обусловлена не только конструктивными особенностями планера самолета, состоящего из тонкостенных элементов конструкций, но и тем, что подавляющее большинство усталостных трещин начинается с поверхности детали, где реализуется плоское напряженное состояние.

Переходя к рассмотрению имеющихся методов и критериев оценки усталости при сложном  напряженном состоянии, отметим, что здесь имеются две группы задач, исследованных в существенно различной мере. Наиболее (хоть и недостаточно) изученным является многоцикловая усталость при синфазном действии составляющих циклического напряженного состояния.
Хуже исследованы вопросы, связанные с несинфазным действием различных циклических нагрузок, в частности влияние на усталость сдвига фаз между нормальными и касательными напряжениями. Очевидно, что для анализа сопротивления усталости элементов авиаконструкций важны оба случая нагружения.
Так, в герметическом фюзеляже наддув создает синфазные продольные и кольцевые напряжения, тогда как напряжения изгиба имеют и другие частоту и сдвиг по фазе; аналогично, в крыле нормальные напряжения и сдвиг от аэродинамической нагрузки синфазны, а секущая сила от шасси создает в примыкающей зоне крыла значительные сдвиги, отличающиеся по частоте и по фазе, и небольшое изменение нормальных напряжений. Таких примеров можно привести множество. Традиционный подход к анализу этих случаев состоит в определении усталостной долговечности отдельных зон в элементе конструкции на базе циклических номинальных напряжений, т. е. напряжений, которые можно определить методами сопротивления материалов. В этом смысле следует понимать и область применения рассматриваемых методик оценки многоцикловой (>105 циклов) усталости. В последнее десятилетие интенсивно развиваются методы анализа сопротивления усталости на основе кинетики деформаций в опасной точке. Для решения этих задач требуется знание не только напряженного, но и деформированного состояний и не в точке, а в зоне концентрации напряжений. Поэтому уже не представляется возможным ограничиться плоским напряженным состоянием, требуется
критерий сопротивления усталости для трехосного нагружения.
Одна из задач этого направления - малоцикловая усталость (до нескольких тысяч циклов) при сложном напряженном состоянии- интенсивно разрабатывается; более общий случай  - до значений циклических долговечностей  циклов - исследован еще очень слабо.

Усталостная долговечность конструкционных сплавов и деталей сильно зависит от асимметрии цикла нагружения. В то же время подавляющая часть периодических нагрузок, действующих на элементы конструкции самолета, - нагрузки асимметричные. Поэтому задача об учете асимметрии при оценке
усталостной долговечности является одной из важнейших.

Обычно для представления и обобщения данных о влиянии асимметрии нагружения на усталостную долговечность используются различные диаграммы предельных напряжений цикла.
Кривые на этих диаграммах определяют величины в зависимости от среднего напряжения цикла от для данной усталостной долговечности. Достаточно полную информацию содержат графики, на которых имеются кривые предельных напряжений цикла для ряда значений усталостной долговечности.
Более распространенной является диаграмма предельных амплитуд цикл. Здесь кривые равной долговечности нанесены на график в осях. Преимуществом диаграмм этого типа являются простота и удобство оценки основной характеристики - амплитуды цикла. Усталостная долговечность всегда определяется двумя характеристиками цикла, но основной характеристикой, наиболее сильно влияющей на величину усталостной долговечности, является амплитуда (размах) циклических напряжений.

Такие оценки асимметричных циклов напряжений требуют тщательного анализа соответствия асимметрии внешней нагрузки и цикла напряжений в зоне концентрации напряжений. В некоторых случаях такого соответствия нет и оценка асимметрии по нагрузке дает ложное представление об асимметрии цикла напряжений. Так, при нагружении проушины и при растяжении, и при сжатии в поперечном сечении будут иметь место напряжения растяжения. Другой пример - фитинговый стык;
при растяжении нагрузка передается через работающие на растяжение болты, тогда как при сжатии стыка нагрузка передается через торцы соединяемых фитингов. Очевидно, что силовые потоки по стыку в этих случаях различны и в местах концентрации напряжений - возможных местах усталостного разрушения - асимметрия цикла напряжений будет различной.

При расчете усталостных долговечностей по локальным напряжениям определяют НДС в точках, где имеет место наибольшая концентрация напряжений; для этих точек определяют размахи диаграммы циклического деформирования, которые в первую очередь определяют усталостную долговечность. Очевидно, что при таком подходе становится возможным объединить единой зависимостью данные об усталости гладких образцов материала и деталей с концентрацией напряжений. Учет влияния асимметрии выполняется по соотношению, подобному формуле Одинга.

Изложенные выше закономерности влияния асимметрии цикла на усталостную долговечность характеризуют сопротивление материала действию периодических нормальных напряжений.
Отметим, что в случаях сдвига и кручения в элементах конструкций усталостные трещины почти всегда образуются в зоне концентрации напряжений в направлении, перпендикулярном вектору первого главного напряжения, т. е. вызываются, главным образом, действием нормальных напряжений. Но в ряде случаев требуется учет влияния асимметрии и для периодических касательных напряжений. Прежде всего отметим отсутствие влияния знака среднего напряжения цикла на усталостную  долговечность. Кроме того, для многих сталей и алюминиевых сплавов предельные амплитуды цикла касательных напряжений практически не зависят от среднего напряжения цикла, если значение максимального напряжения цикла не превышает 0,8 предела текучести. Для высокопрочных сплавов типа В95, никель-хромо-молибденовой стали имеет место небольшое повреждающее влияние среднего напряжения цикла. Повидимому, уменьшение усталостной долговечности с ростом хт усиливается в области малых значений усталостной долговечности, но количественные соотношения для учета влияния асимметрии касательных напряжений не установлены. Отмечается, что величина среднего касательного напряжения слабо влияет на сопротивление усталости при изгибе, но среднее нормальное напряжение снижает предельные амплитуды касательных напряжений, если среднее напряжение цикла -  растяжение, и наоборот, данному значению усталостной долговечности соответствуют большие амплитуды касательных напряжений, если среднее нормальное напряжение цикла - сжатие.

Элементы авиаконструкций подвергаются действию периодических нагрузок, частота которых различается на несколько порядков. Наиболее низкочастотные нагрузки характеризуются частотой 1 цикл за полет, т. е. 0,00003… 0,001 Гц; наибольшие частоты - сотни и тысячи герц. Общей закономерностью влияния частоты на усталостную долговечность является ее увеличение с ростом частоты. Эффект частоты обусловлен действием очень разных процессов, присущих или сопутствующих периодическому нагружению. Усталость металлов является результатом микропластических деформаций при периодическом нагружении, приводящих к образованию усталостных трещин; чем  медленнее происходит нагружение и длительнее действие наибольших напряжений па материал, тем полнее протекает пластическая деформация. Вводимая при периодическом нагружении энергия идет не только на деформирование, часть ее рассеивается, а часть накапливается в металле; это может привести к заметному нагреву детали при больших частотах нагружения, однако более важно, что эта энергия может приводить к локальной перестройке и, вообще, к изменению локальной структуры термически упрочненных сплавов, какими являются практически все самолетостроительные сплавы, используемые
для силовых конструкций- Следствием этих процессов является ускорение усталостного процесса при низкой частоте нагружения. В том же направлении действует окружающая среда (воздух, который для конструкционных сплавов является коррозионно-активной средой). В опытной работе показано, что усталостная долговечность заклепочного соединения листов сплава Д16Т в вакууме в 5 раз больше, чем в воздухе. Очевидно, что время действия коррозионной среды, прямо связанное с частотой нагружения, приводит к повреждающему влиянию низкой частоты на усталостную долговечность. Аналогичным образом действует и повышенная температура; разупрочнение вследствие ползучести или других процессов, обусловленных нагревом, проявляется тем сильнее, чем ниже частота циклов .
При оценке эффекта частоты важным фактором является также и то, что усталость - процесс,  протекающий в две стадии: образования и развития усталостных трещин, причем, усталостной долговечностью оцениваются обе эти стадии. Частота же сильнее сказывается на развитии усталостных трещин.

Авиационные конструкции в процессе нормальной эксплуатации подвергаются сложному комплексу повторяющихся силовых воздействий. Периодические нагрузки, действующие на планер самолета, различаются частотой, формой цикла, направлением и величиной, асимметрией, последовательностью действия различных нагрузок и их повторяемостью. В элементах конструкции создаются при периодическом нагружении различные напряженные состояния. Все эти факторы оказывают существенное влияние на усталостную долговечность, которое в большинстве случаев не менее значительно, чем состав и свойства конструкционного сплава, конструкция элемента и технология его производства.
Правильный учет влияния основных параметров периодического нагружения - необходимое условие получения достоверных результатов расчетного и экспериментального определения усталостной долговечности, эффективности мероприятий по обеспечению и увеличению ресурса авиаконструкций.

Основные сведения о влиянии условий нагружения рассматриваются отдельно для процесса образования усталостных трещин и для процесса их распространения.

Практически все элементы конструкции самолета имеют зоны более или менее резкого изменения сечения. Это отверстия под крепеж, переходы толщин, изменение формы элемента в плане, резьба и т. п. В этих зонах имеет место локальная концентрация напряжений. Эффект концентрации напряжений имеет принципиальное значение для усталостного процесса. В то время как несущая способность типичных элементов конструкций почти или совсем не испытывает влияния концентрации напряжения, сопротивление усталости тем ниже, чем выше эта концентрация. Это объясняется тем, что при однократном нагружении до разрушения используется запас пластичности материала: при переходе за предел текучести концентрация напряжений почти полностью «размывается» и несущая способность практически не зависит от концентрации напряжений. Следует заметить, что применение массивных деталей из плит, прессованных панелей, штамповок, в которых может иметь место стеснение деформации при ограниченном запасе пластичности сплава, приводит к необходимости учета концентрации напряжений и при оценке статической прочности, так как стеснение деформации мешает
устранению концентрации напряжений за счет пластичности.

При циклическом нагружении, которое реализуется в процессе нормальной эксплуатации авиаконструкции, напряжения ниже предела текучести материала и поэтому материал почти не использует запас пластичности для уменьшения напряженности. Происходит лишь сглаживание пиков напряжений в местах наибольшей их концентрации. Этот эффект очень важен, но общего положения он не меняет - наличие концентрации напряжений приводит к сильному увеличению локальных напряжений цикла, уровень которых и определяет усталостную долговечность детали или элемента конструкции.

Количественная оценка сопротивления усталости базируется на данных о параметрах цикла напряжений и усталостной долговечности. Напряжение цикла определяется всегда двумя величинами: максимальным и минимальным  напряжениями цикла или комбинацией алгебраических полусуммы и полуразности  этих величин (полуразность – амплитуда напряжений цикла, полусумма - среднее  напряжение цикла). Вместо амплитуды иногда используется ее удвоенное значение, называемое  размахом напряжений цикла. Цикл, у которого средние максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку, называют симметричными; все остальные циклы асимметричные. Для определения степени асимметрии наиболее употребительной характеристикой является   коэффициент асимметрии ЦИКЛа   Напряжений.

Однако этот коэффициент не выразителен, так как симметричному циклу напряжений, в котором отсутствует асимметрия, соответствует и  отвечает отнулевому циклу напряжений. Более удобен,

хоть и менее распространен, показатель асимметрии, представляющий отношение среднего напряжения цикла к его амплитуде.  Величина его всегда положительна, а поэтому знак показателя определяется знаком среднего напряжения; для симметричного цикла а = 0, для циклов с преобладанием растяжения
а>0, для циклов с преобладанием сжатия а<0; для отнулевых циклов напряжения при растяжении а = 1, при сжатии а= -1.
В случаях, когда циклическое нагружение контролируется величинами деформации (жесткое  нагружение), используются те же индексы и те же соотношения. Циклическая долговечность характеризуется числом циклов, это может быть число циклов напряжений, выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины определенной протяженности, либо число циклов до полного усталостного разрушения,  либо число циклов роста трещины от некоторой ее начальной длины до критической длины, соответствующей заданному уровню снижения прочности.

В некоторых случаях циклическая долговечность характеризуется числом полуциклов, в других - числом программных блоков, представляющих комплекс простых циклов, отражающий типовые условия эксплуатационного нагружения. Для оценки долговечности натурных авиаконструкций, их элементов и узлов используются числа полетов или часов налета.

Поскольку усталостная долговечность прямо зависит от уровня напряжений цикла, сопротивление усталости характеризуется кривой, отражающей эту зависимость. Такая кривая, называемая
кривой усталости.

Редкие металлы определяются как металлы, имеющие распространенность в земной коре ниже О,1%. Возможно, кто-то с удивлением обнаружит, что такие обычные металлы, как медь, цинк, свинец и никель, производство которых непрерывно растет, являются геохимически редкими и находятся в одном ряду с золотом, серебром и платиной. Большинство экспертов полагают, что серьезные трудности возникнут в первую очередь с металлами этой группы и что они способны «бросить вызов» развитию технологии. Действительно, недостаток некоторых из них ощущается уже сейчас. Производство серебра и золота уже не удовлетворяет нужд промышленности, поэтому в переработку вовлекаются отвалы и хвосты бывших горнодобывающих предприятий. Редкие металлы представляют собой группу жизненно важных элементов, которые в нашем столетии ускорили развитие таких технических чудес, как получение и передача электроэнергии, телеграф, радио, телевидение, воздухоплавание, ракетостроение и ядерная энергетика. Так, без широкого снабжения медью значительно медленнее развивалась бы электроэнергетика. Возможность истощения редких металлов угрожает не только существующим техническим и технологическим чудесам, но, вероятно, и тем, которые еще только создаются. Неограниченное снабжение ураном, например, не принесет большой пользы, если будет недостаточно других металлов, необходимых для строительства атомных электростанции и линии электропередач. Относительная распространенность редких металлов в земной коре мала, но общие их количества все же довольно значительны, поскольку сама кора велика по размерам. Поэтому, казалось бы, имеет смысл рассматривать «среднюю» горную породу в качестве потенциального источника редких металлов. Между прочим, такие предложения уже делались. Однако огромные объемы породы, которые пришлось бы переработать для этого, и громадное количество энергии, необходимое для дроблення, исключают возможность реализации этого проекта. Насколько нерентабельным было бы такое предприятие, в которой даны денежные выражения количества редких металлов в 1 т гранита. Если даже предположить, что будет достигнуто стопроцентное извлечение, мы получим редких металлов на сумму всего 8,42 долл. Добыча и дробление 1 т гранита обойдутся в 8,50 долл., а переплавление такого объема породы будет стоить несколько сотен долларов, так что с экономической точки зрения такое предложение не выдерживает критики. Имеется и другой довод против извлечения редких металлов из обычных горных пород. Если все-таки использовать гранит, то придется извлекать все содержащиеся в нем металлы — и редкие, и распространенные. Но это приведет к сравнительно большему, чем нужно, производству железа, алюминия и других распространенных металлов и к далеко не достаточному производству редких металлов (олова, серебра, меди), поскольку и те и другие используются нами не в характерной для земной коры пропорции — скорость потребления редких металлов выше, чем тот же показатель для распространенных металлов. В качестве источника редких металлов мы рассматриваем, конечно, не обычные горные породы, а рудные месторождения — локальные скопления рудных минералов с высоким содержанием необходимых металлов, пригодных для быстрого и рентабельного извлечения;. Нет оснований считать, что такая практика в будущем изменится. Для того чтобы решить, является ли то или иное скопление рудных минералов месторождением, рассматривается целый ряд факторов. Современные требования промышленности к минимальным содержаниям металлов достаточно высоки, даже если все остальные факторы благоприятны, хотя и наблюдается тенденция к снижению этих требований по мере повышения эффективности добычи в связи с изменением цен.

Редкие металлы распространены повсеместно, однако в отличие от распространенных элементов они не образуют собственных минералов в горных породах. Конечно, они входят в состав некоторых породообразующих минералов, но лишь в форме примесей,- например замещая в силикатах часть атомов распространенных элементов. Так, атомы никеля могут замещать атомы магния в оливине. хотя это происходит лишь с несколькими сотнями атомов магния из миллиона. То же самое наблюдается в полевых шпатах, где свинец может замешать калий. Это вызывает напряжения в кристаллической структуре минерала, поэтому такие замещения ограниченны. Они контролируются температурой, давлением и различными химическими параметрами горных пород конкретного состава. В большинстве случаев эти пределы не превышаются, и поэтому редкие металлы остаются в решетках соответствующих минералов. Для их извлечения необходимо разрушение кристаллических решеток минералов-хозяев, а это сложный процесс, поскольку большая часть силикатных минералов тугоплавка и с трудом поддается плавлению. Когда достигается предел вхождения примесей, примесный элемент образует свой собственный минерал, например галенит в случае со свинцом. Физические свойства галенита существенно отличаются от свойств ассоциирующихся с ним силикатов, и простое дробление с последующим обогащением (флотация) позволяет получить исключительно богатый свинцом галенитовый концентрат, который можно подвергать дальнейшей обработке. Присутствие редких элементов в виде самостоятельных минералов, физические свойства которых резко отличаются от таковых ассоциирующихся с ними минералов, всегда было важным фактором в использовании металлов и их руд. Примечательно, например, что редкий металл галлий (Ga) при средней концентрации в земной коре, почти вдвое большей, чем у свинца, практически всегда является элементом-примесью в алю-мннийсодержащих силикатах. Может быть, поэтому галлий не имеет широкого применения. Что, однако, могло бы иметь место, если бы нашелся подходящий для его извлечения минерал. К сожалению, большая часть редких металлов а земной коре — более 99,9%, а возможно, и не менее 99,99 % — входит в состав породообразующих минералов в виде примесей. Десятая доля процента (а может быть, и меньше) приходится на рудные минералы, которые можно обогащать. К счастью,рудные минералы имеют тенденцию накапливаться в небольшом объеме горных пород — в рудных месторождениях; это позволяет надеяться, что в конце концов большинство рудных минералов, заключенных в земной коре, будут нами найдены и добыты.

При формировании месторождений редкие металлы образуют минералы различного состава и свойств,на основе чего их можно разбить на три группы. Первая включает медь, свинец и цинк, образующие обычно сульфидные минералы. Во вторую входят золото и платина, существующие, как правило, в виде самородных металлов. Третья группа состоит из вольфрама, тантала, олова, бериллия и урана, образующих оксиды и силикатные минералы. Отмечается, однако, некоторое перекрытие групп — олово, например, может образовывать сульфиды и может входить в состав оксидов, но принятое подразделение основано на главных и наиболее важных минералах элемента. Число металлов, накапливающихся в сульфидных месторождениях, велико — медь, свинец, цинк, никель, молибден, серебро, мышьяк, сурьма, висмут, кадмий, кобальт, ртуть, а также ряд еще более редких металлов, которые встречаются в виде примесей в минералах более распространенных редких металлов.



Read the rest of this entry »

Молибден, так же как и никель, добавляется в стали и придает им прочность и вязкость. Впервые широкое применение молибден получил при изготовлении броневых щитов и бронебойных снарядов во время первой, мировой войны. Он и сейчас широко, используется, для получения сплавов; от которых требуется высокая прочность на сжатие и устойчивость при высоких температурах. Источником практически всего молибдена является единственный минерал — молибденит MoSv, однако оценить его мировые запасы сложно, так как он распространен крайне неравномерно. Значительная часть молибдена — около 25 % современного мирового производства — получается в виде побочного продукта при переработке медно-порфировых руд. Содержание молибдена в них низкое (0,01—0,04%), но запасы огромны, к тому же обогащение молибденита методом флотации настолько дешево, что его извлечение выгодно на многих предприятиях по переработке медно-порфировых руд. Главным источником молибдена в настоящее время являются и, по-видимому, таковыми останутся в будущем молибденовые месторождения, имеющие много общих геологических черт с медно-порфировыми месторождениями. Их часто называют штокверковыми месторождениями, поскольку молибденит приурочен к мириадам тончайших трещинок и прожилков, пронизывающих массивы порфиров. Такие месторождения встречаются в металлогенической провинции, протянувшейся от Мексики до Аляски параллельно описанной выше медно-порфировой провинции (рис. 6-11). Одно из месторождений — Клаймакс (шт. Колорадо, США) на протяжении 50 лет обеспечивало почти 50 % мирового производства молибдена; сегодня вместе с другим американским месторождением — Гендерсон - оно обеспечивает 40 % мирового производства металла. Такая жесткая зависимость уровня добычи -от двух месторождений чревата серьезными последствиями, но в’настоящее время положение улучшается в связи с развитием широкомасштабной добычи на других месторождениях Канады и США. В 1982 т. в мире было произведено примерно 90 тыс. т молибдена. При таких темпах потребления, а также принимая во внимание, что мировые запасы молибдена составляют 6 млн. т плюс громадные потенциальные ресурсы США, можно считать, что человечество обеспечено молибденом на многие годы вперед.



Read the rest of this entry »

Подавляющая часть никеля используется для получения сплавов, отличающихся высокими жаростойкими и электрическими свойствами, а также в производстве нержавеющей стали. Развитие никелевой промышленности связано с технологическими успехами в конце XIX — начале XX в. Плавка и обработка этого металла настолько сложны, что старые немецкие горняки, путавшие нередко из-за внешнего сходства медные и никелевые сульфидные руды. Заблуждения шахтеров сохранились в названии элемента (никель). Существуют два класса месторождений, из которых извлекают никель. Первый — это месторождения пентландита, который обычно присутствует в залежах, образовавшихся в процессе магматической сегрегации; из них извлекается большая часть металла в Канаде, СССР и Австралии. Второй класс месторождений — это коры выветривания определенных изверженных горных пород, образующиеся в условиях тропического или субтропического климата. Мы уже упоминали о возможности изоморфного вхождения никеля в оливин. Выветривание переводит этот никель в поверхностные воды, и при определенных условиях он переотлагается в виде слаборастворимых никелевых силикатов, таких, как гарниерит. Таким образом могут, конечно, сформироваться руды, сложенные одним гарниеритом, однако обычно при тропическом выветривании образуются латериты, обогащенные железом, в которых содержание никеля не превышает 1 %. Такие месторождения широко распространены в тропической зоне Земли, и железо-никелевые латериты, представляющие собой пока еще потенциальные ресурсы, насчитывающие сотни миллионов тонн никеля, открыты уже на Кубе, Филиппинах, в Греции, на острове Калимантан и в других местах. Разрабатываемые в настоящее время в штате Орегон (США), на Кубе и в Новой Каледонии никеле-носные латериты вместе с сегрегационными магматическими месторождениями составляют потенциальные ресурсы никеля, которые, по-видимому, удовлетворят наши потребности и в далеком будущем.



Read the rest of this entry »

От платиноидов золото отличается тем, что если первые связаны с изверженными породами магматическими горными породами, образовавшимися в земной коре. Как и сульфидные минералы, золото переносится гидротермальными растворами. Самородное золото — одно из самых малорастворимых веществ в природе, но оно может переноситься в растворе в форме сульфидных или хлоридных соединений. Обычно золото находят в гидротермальных жильных месторождениях в ассоциации с сульфидами или без них. Руды, богатые золотом, встречаются редко, но и в этом случае содержание золота составляет 0,007 %, что позволяет извлечь около 60 г металла из каждой тонны руды. Однако и разработка более бедных руд может быть рентабельной: Золото настолько стойко к коррозии, что практически не разрушается. Большая часть когда-либо добытого золота используется до сих пор. Постоянно находясь в употреблении, меняя владельцев и назначение, оно проходит сквозь века и, может быть, в вашей зубной коронке или в обручальном кольце содержится частица золота браслета Клеопатры. Золото необычно еще и тем, что образуется в виде отдельного минерала даже при очень низких концентрациях и не входит в состав других минералов, что имеет место с более распространенными металлами. Поскольку золото широко рассеяно в малых количествах, не подвержено разрушению и имеет высокую плотность, оно идеально подходит для накопления в россыпях, которым обязана большая часть его мирового производства.



Read the rest of this entry »

Рудные месторождения — это минеральные месторождения, из которых можно с выгодой извлекать один или более полезных компонентов. Нами уже рассматривались две существенно важные особенности рудных месторождений: 1) они представляют собой локальные объемы, в которых содержания некоторых элементов во много раз превышают их средние содержания в земной коре; 2) они представляют собой скопления специфических рудных минералов. Нефтяные залежи, угольные пласты и железные шляпы слоистых железорудных формаций являются примерами руд, но с редкими металлами связаны специфические проблемы, заслуживающие особого обсуждения. Месторождения руд редких металлов могут иметь четкие границы, такие, как контакты рудных жил, или нечеткие, постепенные, как это наблюдается на некоторых медных месторождениях, где процентные содержания металла изменяются от среднего для данной руды до среднего для вмещающих руду пород на расстоянии в несколько десятков и не более чем сотен метров. Многие месторождения напоминают пирог с изюмом. По размерам они обычно меньше месторождений распространенных металлов. Например, крупные медные месторождения имеют запасы, равные 10—107 т меди, в крупнейшем из известных медных месторождений содержится не более 5-10 т Си. Для сравнения укажем, что запасы многих железорудных месторождений превышают I09 т металла. Максимальные размеры месторождений редких металлов и число крупных месторождений каждого металла, по-видимому, связаны с их распространенностью в земной коре. Причины такой взаимосвязи до сих пор не объяснены, но они определяют степень концентрации, необходимую для того, чтобы месторождение редких металлов стало пригодным для разработки. Чем меньше распространен металл в земной коре, тем больше должна быть степень концентрации и тем менее вероятно одновременное возникновение в определенной зоне условий, создающих эту концентрацию.