Металлургия

Металлургия (далее М) (от греч. metallurgéo - добываю руду, обрабатываю металлы, от métallon - рудник, металл и érgon - работа), в первоначальном, узком значении - искусство извлечения металлов из руд; в современном значении - область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или др. материалов, а также процессы, связанные с изменением состава, структуры, а следовательно, и свойств металлических сплавов. К М относятся: предварительная обработка добытых из недр земли руд, получение и рафинирование металлов и сплавов; придание им определенной формы и свойств.

В современной технике исторически сложилось разделение М на черную и цветную. Черная металлургия охватывает производство сплавов на основе чугуна, стали, ферросплавов (на долю черных металлов приходится около 95% всей производимой в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов (см. Металлы в технике). В связи с использованием энергии развивается производство радиоактивных металлов. Металлургические процессы применяются также для производства полупроводников и неметаллов ( сера и др.); некоторые из них получают попутно с извлечением металлов. В целом современная М охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.

Возникновение М, как показывают археологические находки, относится к глубокой древности (см. рис. 1). Обнаруженные в 50-60-х гг. 20 в. в юго-западной части Малой Азии следы выплавки меди датируются 7-6-м тыс. до н. э. Примерно в это же время человек познакомился с самородными металлами: а затем и с метеоритным Сначала металлические изделия изготовляли путем обработки металлов в холодном состоянии. и с трудом подвергались такой обработке и поэтому не могли найти широкого применения. После изобретения горячей кузнечной обработки (ковки) изделия получили более широкое распространение (эпоха энеолита). Овладение искусством выплавки меди из окисленных руд и придания ей нужной формы литьем (5-4 тыс. до н. э.) привело к быстрому росту производства меди и к значительному расширению ее применения. Однако ограниченное количество месторождений окисленных руд обусловило необходимость освоения гораздо более сложного процесса переработки сульфидных руд с применением предварительного обжига руды и рафинирования меди путем повторного плавления. Возникновение этого процесса относится примерно к середине 2-го тыс. до н. э. (Ближний Восток, Центральная Европа).

Во 2-м тыс. до н. э. начали широко применяться изделия из бронзы (сплава меди с которые по качеству значительно превосходили Бронзовые орудия труда, оружие и др. предметы отличались большей устойчивостью против коррозии, упругостью, твердостью, остротой лезвия. Кроме того, бронза имела более низкую температуру плавления, чем и лучше заполняла литейную форму. Из нее легче было отливать всевозможные изделия. Вытеснение меди бронзой означало переход к бронзовому веку. В конце 3-го и во 2-м тыс. до н. э. крупным центром М меди и бронзы на территории СССР был Кавказ.

Примерно в середине 2-го тыс. до н. э. человек начинает овладевать и искусством получения из руд. Сначала для этой цели использовали костры, а затем специальные плавильные ямы - сыродутные горны (см. Сыродутный процесс). В горн, выложенный из камня, загружали легковосстановимую руду и древесный Дутье, необходимое для горения угля, подавалось в горн снизу (первое время естественной тягой, а впоследствии при помощи мехов). Образующиеся газы (окись восстанавливали окислы Относительно низкая температура процесса и большое количество шлака препятствовали науглероживанию металла и позволяли получать только с низким содержанием Процесс был малопроизводительным и обеспечивал извлечение из руды лишь около половины содержащегося в ней М развивалась очень медленно, несмотря на то, что руды гораздо более распространены, чем а температура их восстановления ниже. Причина первоочередного развития М меди заключается в том, что сыродутное по качеству значительно уступало меди. Это объясняется прежде всего тем, что при достижимых в то время температурах процесса получалась в расплавленном состоянии, а - в виде тестообразной массы с многочисленными включениями шлака и несгоревшего древесного угля. В связи с низким содержанием сыродутное было мягким - изготовленные из него оружие и орудия труда быстро затуплялись, гнулись, не подвергались закалке; они уступали по качеству бронзовым. Для перехода к более широкому производству и применению необходимо было усовершенствовать примитивный сыродутный процесс, а главное - овладеть процессами науглероживания и его последующей закалки, т. с. получения стали. Эти усовершенствования обеспечили в 1-м тыс. до н. э. главенствующее положение среди материалов, используемых человеком (см. Железный век). К началу н. э. М была почти повсеместно распространена в Европе и Азии.

На протяжении почти 3 тысячелетий М не претерпела принципиальных изменений. Постепенно процесс совершенствовался: увеличивались размеры сыродутных горнов, улучшалась их форма, повышалась мощность дутья; в результате горны превратились в небольшие печи для производства сыродутного - домницы (рис. 2). Дальнейшее увеличение размеров домниц привело в середине 14 в. к появлению небольших доменных печей (см. Доменное производство). Увеличение высоты этих печей и более интенсивная подача дутья способствовали повышению температуры и значительно более сильному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. Вместо тестообразной массы сыродутного в доменных печах получали уже высокоуглеродистый расплав с примесями и - чугун. Росту производства чугуна способствовало изобретение в 14 в. способа передела его в ковкое - т. н. кричного передела. Переплавляя чугун в кричном горне, его рафинировали от примесей путем окисления их дутья и специально загружаемого в горн шлака. Кричный процесс постепенно вытеснил прежние малопроизводительные способы получения стали на основе сыродутного несмотря на достигнутое с их помощью чрезвычайно высокое качество металла (см. Булат, Дамасская сталь). Т. о., возник двухстадийный способ получения сохранивший свое значение и являющийся основой современных схем производства стали. Следующим этапом развития М стали в Европе было появление в Англии в 1740 тигельной плавки (задолго до того известной на Востоке) и в последней четверти 18 в. - пудлингования. Тигельный процесс был первым способом производства литой стали. Ее выплавляли в тиглях из огнеупорной глины, которые устанавливались в специальной печи. В пудлинговом процессе, как и в кричном, получали т. н. сварочное Для этого чугун рафинировали от и др. примесей на поду отражательной печи.

Несмотря на большое значение для развития техники своего времени, тигельный и пудлинговый процессы не могли удовлетворить потребности в стали. М чугуна развивалась опережающими темпами. Этому способствовало внедрение водяных воздуходувных труб (рис. 3), мехов с приводом от водяного колеса (с 15 в.), паровых воздуходувных машин (1782). В конце 18 в. в доменном производстве начали широко использовать каменноугольный кокс (1735); к 19 в. относится начало применения нагретого дутья и тщательной подготовки руды к доменной плавке. Отставание сталеплавильного производства проявлялось в том, что количество выплавляемого чугуна долгое время (до начала 20 в.) превышало количество производимой стали. Главная роль в наступившем переломе сыграло изобретение трех новых процессов производства литой стали: в 1856 - бессемеровского процесса, в 1864 - мартеновского (см. Мартеновское производство) и в 1878 - томасовского процесса. Распространение этих процессов (в первую очередь мартеновского, которому свойственно использование большого количества металлического лома) привело к тому, что к середине 20 в. выпуск чугуна составлял уже только 70% от выплавки стали.

Дальнейшее развитие сталеплавильного производства во 2-й половине 20 в. связано с существенным увеличением емкости и производительности агрегатов, широким применением для повышения эффективности металлургических процессов, появлением нового, быстро развивающегося способа получения стали в конвертерах (см. Кислородно-конвертерный процесс), с развитием внепечного рафинирования жидкой стали в вакууме, обработки стали синтетическими шлаками и инертным газом, с внедрением непрерывной разливки стали, широкой механизацией и автоматизацией производственных процессов. Большое значение в современной М имеет выплавка высококачественной и в том числе легированной стали, которая с начала 20 в. производится в основном в электропечах (см. Электросталеплавильное производство). Со 2-й половины 20 в. для получения некоторых цветных металлов, а также стали особо ответственные назначения начали применять дополнительный переплав металла в дуговых вакуумных печах, электрошлаковых, электроннолучевых и плазменных установках (см. Электрошлаковый переплав, Электроннолучевая плавка, Плазменная металлургия). В области извлечения из руд наряду с доменным производством, которое продолжает расширяться, развиваются разнообразные способы прямого получения железа. Этим процессам, позволяющим получать пригодное для выплавки стали в электропечах, принадлежит большое будущее.

Кроме в древнем мире добывали и применяли Многие др. металлы (в т. ч. неизвестные древним) использовались в сплавах, минералах или соединениях.

в виде песка и самородков добывали в доисторические времена из россыпей путем промывки. Для получения изделий песок подвергали горячей ковке (кузнечной сварке) или переплавляли в тиглях. При этом обычно получали сплавы с и др. элементами, что обусловливало разнообразные вариации цвета, а также литейных и механических свойств металла. Рафинирование и отделение его от началось во 2-й половине 2-го тыс. до н. э., но до 6 в. до н. э. распространялось довольно медленно. Удаление примесей (вместе со добавляемым для улучшения процесса) производили путем окисления их воздухом. Отделение осуществляли путем сплава при нагреве в присутствии поваренной соли, с последующей отгонкой летучих или их растворением. Др. способ отделения заключался в переводе его в сульфиды при нагревании сплава с сернистыми материалами и древесным углем. Применение кислоты для отделения от относится уже к 13-14 вв. Процесс амальгамации также был известен в древнем мире, но уверенности в том, что он применялся для извлечения из руд и песков, нет. После открытия русским ученым П. Р. Багратионом в 1843 основ цианирования руд и особенно после работ английских металлургов Дж. С. Мак-Артура и бр. Р. и У. Форрестов (1887-88) этот процесс занял ведущее место в М иногда он используется в соединении с амальгамацией. Успешно применяется для извлечения флотационное (см. флотация) и гравитационное обогащение.

в древности получали главным образом попутно со из галенита. Начало их совместной выплавки можно отнести к 3-му тыс. до н. э. (Малая Азия); широкое распространение процесс получил только через 1500-2000 лет. Можно полагать, что технологическая схема включала в себя обжиг руды, горновую плавку, разделительную плавку (ликвационное рафинирование, зейгерование) и купеляцию. Во 2-й половине 20 в. получают преимущественно из полиметаллических руд в результате флотационного обогащения, агломерирующего обжига, восстановительной плавки в шахтных печах и рафинирования продукта этой плавки - чернового (веркблея). При рафинировании извлекается также (и если оно есть).

Массовое производство меди началось после изобретения В. А. Семенниковым в 1866 конвертирования штейна. Большую роль в развитии конвертерной переработки штейна сыграла предложенная в 1880 продувка расплава сбоку (а не снизу, как в бессемеровском способе получения стали из чугуна). При боковой продувке воздух поступает непосредственно в рафинируемый расплав, минуя легко затвердевающую которая собирается на дне конвертера. Огромное значение для массового производства меди имело изобретенное на рубеже 20 в. флотационное обогащение, позволившее успешно перерабатывать руды с содержанием меди менее 1%. Нефлотирующиеся бедные окисленные руды (менее 0,7% ) обрабатывают гидрометаллургическим способом (путем выщелачивания). Сульфидные руды можно выщелачивать в самом месторождении (без добычи руды), используя способ интенсификации выщелачивания с применением бактерий (см. Бактериальное выщелачивание).

в древности выплавляли в простейших шахтных печах, а затем очищали от посторонних примесей посредством ликвационных и окислительных процессов. Коренные руды перед плавкой подвергали дроблению и простейшему обогащению; из россыпей руду добывали промывкой. В современной М в связи с необходимостью использования бедных руд со значительным содержанием примесей (сера, и др.) получают по сложным схемам комплексной переработки руд, которые включают в себя обогащение, обжиг, выщелачивание примесей из рудных концентратов, сепарацию их, восстановительную плавку в отражательных, шахтных или электрических (лучший способ) печах с получением чернового и рафинирование его главным образом пирометаллургическим (иногда электролитическим) методом.

Первые способы производства сводились, по-видимому, к обжигу руды в кучах; конденсировалась при этом на холодных предметах. Позднее появилась керамического реторта. Методы получения описанные немецким ученым Г. Агриколой (16 в.), сводятся к обжигу руды в керамических сосудах с различными конденсаторами. реторты появились в 17 в. (1641). Затем по мере роста спроса на получили применение более производительных шахтные печи (периодического, а позднее и непрерывного действия), отражательные печи (с 1842), трубчатые вращающиеся печи (с начала 20 в.), которые служат основным агрегатом для переработки руд. Перспективный способ получения - переработка руд в кипящего слоя печах, успешно освоенная в СССР.

Технологические схемы процессов получения остальных металлов, производство которых достигло значительного уровня только в течение последних столетий (а иногда и лет), освещаются в соответствующих статьях (см. Алюминий, Цинк, Марганец, Хром, Никель, Магний и др.).

Современная М как совокупность основных технологических операций производства металлов и сплавов включает в себя: 1) подготовку руд к извлечению металлов (в т. ч. обогащение); 2) процессы извлечения и рафинирования металлов: пирометаллургические, гидрометаллургические, электролитические; 3) процессы получения изделий из металлических порошков путем спекания; 4) методы рафинирования металлов и сплавов; 5) процессы разливки металлов и сплавов (с получением слитков или отливок); 6) обработку металлов давлением; 7) термическую, термомеханическую, химико-термическую и др. виды обработки металлов для придания им соответствующих свойств; 8) процессы нанесения защитных покрытий.

С М тесно связаны коксохимическая промышленность, производство огнеупоров и ряд др. отраслей промышленности.

Подготовка руд к извлечению металлов начинается с дробления, измельчения, грохочения и классификации (см. Классификатор). Следующая стадия обработки - обогащение (см. Обогащение полезных ископаемых). В процессе обогащения или после него материалы подвергают обычно обжигу или сушке. Весьма перспективен обжиг в кипящем слое. Наибольшее применение в обогатительной технике имеют флотационные, гравитационные, и электрические методы. Флотационными процессами перерабатывают более 90% всех обогащаемых руд цветных и редких металлов. Из гравитационных процессов распространены обогащение в тяжелых средах, отсадка, концентрация на столах и др. методы.

Большое значение обогатительных процессов в современной М обусловлено стремлением к повышению эффективности металлургического производства, а также тем, что по мере роста выплавки металлов приходится использовать все более бедные руды. Непосредственная металлургическая переработка таких руд (без обогащения), как правило, неэкономична, а в некоторых случаях даже невозможна.

Заключительными операциями подготовки руд являются обычно их усреднение, смешение, а также окускование посредством агломерации, окатывания (окомкования) или брикетирования. Необходимость окускования обусловлена тем, что в процессе обогащения руды подвергаются измельчению, а применение в плавке мелко измельченных материалов в некоторых металлургических производствах нежелательно или недопустимо.

Пирометаллургические (высокотемпературные) методы извлечения и рафинирования металлов весьма многообразны (см. Пирометаллургия). Они осуществляются в шахтных, отражательных или электрических печах, конвертерах и др. агрегатах. В пирометаллургических процессах происходит концентрирование металлов и удаляемых примесей в различных фазах системы, образующейся при нагреве или расплавлении перерабатываемых материалов. Такими фазами могут служить газ, жидкие металлы, шлак, штейн и твердые вещества. После разделения одна или несколько из этих фаз направляются на дальнейшую переработку. Для осуществления необходимых операций в пирометаллургии применяют окислительные, восстановительные и др. процессы. С целью интенсификации окисления успешно используют газообразный а также и селитру. В качестве восстановителей применяют окись или некоторые металлы (см. Металлотермия). Примерами восстановительных процессов могут служить доменная плавка, выплавка вторичной меди, и в шахтных печах, получение ферросплавов и шлака в рудовосстановительных электропечах. восстановлением получают, например, Окислительное рафинирование является необходимым элементом в мартеновском и конвертерном производстве стали, при получении анодной меди, а также
Весьма широко используются методы извлечения и рафинирования металлов, основанные на образовании сульфидов, иодидов (см. Иодидный метод), карбонилов. Большое значение имеют процессы, базирующиеся на явлениях испарения и конденсации (дистилляция, ректификация, вакуумная сепарация, сублимация). Получили развитие внепечные методы рафинирования стали, а также вакуумная плавка и плавка в находящие применение при производстве активных металлов ( и др.) и стали.

Гидрометаллургические методы извлечения и рафинирования металлов, не требующие высоких температур, базируются на использовании водных растворов (см. Гидрометаллургия). Чтобы перевести металлы в раствор, применяют выщелачивание с помощью водных растворов кислот, оснований или солей. Для выделения элементов из раствора используют цементацию, кристаллизацию, адсорбцию, осаждение (см. Осадительная плавка) или гидролиз. Широкое распространение получили сорбция металлов ионообменными веществами (в основном синтетическими смолами) и экстракция (с помощью органических жидкостей). Современные сорбционные и экстракционные процессы характеризуются высокой эффективностью. Они позволяют извлекать металлы не только из растворов, но и из пульпы, минуя операции отстаивания, промывки и фильтрации. Из др. гидрометаллургических процессов следует отметить автоклавную переработку материалов при повышенных температурах и давлениях (см. Автоклав), а также очистку растворов от примесей в кипящем слое. В некоторых производствах применяют извлечение металлов (например, из руд с помощью - амальгамацию.

Большое значение в М имеет получение или рафинирование цветных металлов электролитическим осаждением (см. Электролиз) как из водных растворов ( так и из расплавов ( например, получают электролизом криолитглиноземного расплава.

Находит применение также производство изделий из металлических порошков, или порошковая металлургия. В ряде случаев этот процесс обеспечивает более высокое качество изделий и лучшие технико-экономические показатели производства, чем традиционные способы.

Для получения особо чистых металлов и полупроводников применяются методы рафинирования (зонная плавка, вытягивание монокристаллов из расплава), основанные на различии составов твердой и жидкой фаз при металла из расплава.

Процессы получения отливок из расплавленных металлов и сплавов (см. Литейное производство) и слитков, предназначенных для последующей обработки давлением (см. Разливка металла), известны человечеству на протяжении многих веков. Основные направления технического прогресса в этой области связаны с переходом к непрерывной разливке стали и сплавов и к совмещенным процессам литья и обработки заготовок давлением (например, бесслитковое получение проволоки или листа из расплавленного меди,
Обработка металлов давлением также известна людям очень давно (ковка была, например, необходимым элементом процесса переработки крицы). Кузнечно-штамповочное производство и прессование являются важнейшими составными частями машиностроения. Прокатка - основной способ обработки металлов и сплавов давлением на современныхы металлургических заводах (см. Прокатное производство). Прокатный стан, впервые предложенный, по-видимому, еще Леонардо да Винчи (1495), превратился в мощный высокоавтоматизированный агрегат, производительность которого достигает несколько млн. т металла в год. Наряду с листовым и сортовым металлом с помощью прокатных станов получают трубы, гнутые и периодические профили (см. Прокатный профиль), биметалл и др. виды изделий. Для изготовления проволоки в современной М широко применяют волочение.

Термическая обработка, обеспечивающая получение наиболее благоприятной структуры металлов и сплавов, также имеет весьма древнее происхождение. Такие процессы, как цементация, закалка, отжиг и отпуск металлов, были известны и хорошо освоены на практике уже в глубокой древности. Научные основы термической обработки металлов и сплавов были разработаны Д. К. Черновым (см. Металловедение). В современной технике термическая обработка металлов и сплавов, а также др. виды обработки (см. Термомеханическая обработка, Химико-механическая обработка, Химико-термическая обработка) имеют очень широкое применение. Кроме готовых деталей, которые подвергаются обработке на машиностроительных предприятиях, ее проходят многие виды продукции и на металлургических заводах. Это относится, например, к стальным рельсам (объемная закалка или закалка головки), к толстым листам и арматурной стали (упрочняющая обработка), к тонкому листу из трансформаторной стали (отжиг для улучшения свойств) и т.д.

Большое значение в современной М приобретают процессы нанесения на металл различных защитных покрытий. К таким процессам относятся лужение, цинкование, нанесение пластмассовых и др. покрытий, значительно повышающих качество и срок службы металла.

Значение М в создании современной цивилизации исключительно велико. Материальная культура человеческого общества немыслима без металлов; она базируется на них в производстве средств производства, средств транспорта и связи, в строительстве, в военном деле. Большую роль играют металлы в сельском хозяйстве и в производстве предметов потребления. Данные об объеме и динамике производства стали, чугуна, важнейших цветных металлов и др. сведения о М как отрасли промышленности приведены в статьях Черная металлургия, Цветная металлургия.

Лит.: Основы металлургии, т. 1-6, М, 1961-73; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник, 2 изд., М, 1961-62; Прокатное производство. Справочник, т. 1-2, М, 1962; Доменное производство. Справочник, т. 1-2, М, 1963; Сталеплавильное производство. Справочник, т. 1-2, М, 1964; Aitchison L., A history of metals, v. 1-2, L., 1960.

А. Я. Стомахин.

		Новости 21.11.2024 12:10:05

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.