Металлургия

       1Металлургия -- наука о промышленных способах получения металлов и металлических сплавов -- одна из древнейших отраслей знания.

    История материальной культуры человечества неразрывно связана с использованием металлов. Переход от каменных орудий труда (каменный век) к орудиям металлическим явился величайшим достижением человечества, вызвавшим бурный рост производительных сил.

    Около 7--6 тысяч лет до н. э. человек впервые начал использовать самородные металлы: золото, серебро, медь. В V -- IV тысячелетиях до н. э. началась выплавка из руд меди, олова, свинца. Наступил медный век -- медные орудия труда и оружие постепенно вытесняли каменные изделия. Примерно в III тысячелетии до н. э. появление и применение бронзы -- сплава меди с оловом, значительно более прочного и твердого, чем другие известные в то время металлы, ознаменовало начало бронзового века -- дальнейшего важного этапа в развитии материальной культуры. Железо сначала, вероятно, метеоритное, а затем и восстанавливаемое из руды, было известно очень давно. Все более широкое применение железа, а затем стали --его сплавов с углеродом в конце II тысячелетия до н. э. открывает железный век -- по определению Ф. Энгельса -- «.... героическую эпоху -- эпоху железного меча, а вместе с тем железного плуга и топора».

    Ф. Энгельс указывал, что железо «... важнейший вид сырья, сыгравший революционную роль в истории»¹. В. И. Ленин называл железо одним из фундаментов цивилизации.

    До н. э. были известны золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть; к XVIII в. были открыты цинк, висмут, сурьма, платина, мышьяк; в настоящее время известно около 80 металлов. Практическое использование многих металлов началось значительно позже их открытия как химических элементов. Например, только в 1948 г. было получено несколько тонн титана, открытого как элемент в 1791 г.

    Все металлы и сплавы условно принято подразделять на черные (железные) и цветные (нежелезные).

    Черные металлы и сплавы, К ним относят железо и его сплавы с углеродом: сталь (практически до 1,5% С), чугун (2,5- 4,6% С), а также ферросплавы; наиболее важное значение имеет сталь.

    Сталь - Обобщенное Название очень большой группы железоуглеродистых сплавов основа современной техники. Ее производство примерно в двадцать раз превышает общее производство всех остальных металлов и сплавов.

    Чугун был известен еще до н. э. Серый чугун является наиболее распространенным литейным сплавом. Передельный чугун с XIII--XIV вв. служит основным исходным материалом для выплавки стали.

    Техническое железо -- железо с минимальным содержанием углерода и других примесей -- производят в небольших количествах для нужд электротехники и др.

    К этой группе относят также ферросплавы, например ферросилиций (до 2,5% С, 9 -- 13% Si, основа железо) и др., применяемые при выплавке стали.

    Цветные металлы и сплавы. В настоящее время используют около 65 цветных металлов и очень много цветных сплавов. К ним относятся медь, алюминий, титан, никель, олово, цинк и т. д.; алюминиевые, титановые, медные и многие другие сплавы. Хром, никель и многие другие элементы используют для получения наиболее качественных конструкционных легированных, нержавеющих, жаропрочных сталей. Алюминиевые и титановые сплавы -- основные конструкционные материалы в авиации и некоторых других областях техники. Медь -- основной проводниковый материал в электро-и радиотехнике; медные сплавы -- латуни и бронзы-- широко применяют в машиностроении. Все более широкое применение находят тугоплавкие и редкие металлы: молибден, тантал, бериллий и др.

    По-видимому, нет ни одной машины или прибора, в которых не применялись бы цветные металлы в чистом виде или в виде различных сплавов (включая и легированные стали) и неметаллических соединений.

    Подчеркивая значение металлов, следует отметить, что современная техника не мыслима без использования неметаллических материалов, прежде всего пластических масс. Несмотря на быстро развивающееся производство пластмасс, ведущая роль принадлежит металлам и их сплавам. Пластмассы и другие неметаллические материалы заменяют примерно только 5--6% металла. 

    РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

    По производству стали и чугуна, а также ферросплавов, железной руды, агломерата, кокса СССР занимало первое место в мире.

    Зарождение русской металлургии относится к древнейшим временам. В XVIII в. Россия по выплавке стали и чугуна занимала первое место в мире. В XIX в. по производству металла Россия начинает все больше отставать от развитых капиталистических стран. В 1913 г. по выплавке стали (4,2 млн. т) Россия занимала пятое место в мире, далеко отставая от США (31 млн. т), Англии (10 млн. т). Цветная металлургия удовлетворяла потребность по меди на 85%, по цинку на 6%, по свинцу на 3%; не было производства алюминия, никеля, олова и других металлов. Технический уровень в металлургии был очень низким.

    В годы предвоенных пятилеток была проведена коренная реконструкция крупных старых заводов, построены новые современные металлургические заводы, в том числе такие гиганты, как Магнитогорский и Кузнецкий металлургические комбинаты.

    В 1940 г. было выплавлено более 18 миллионов тонн стали (третье место в мире); особое внимание было обращено на дальнейшее увеличение выпуска качественных сталей. Возникло отечественное производство алюминия, никеля, магния и других цветных металлов.

    В послевоенный период отечественная металлургия развивалась невиданными темпами. Были восстановлены на новой технической базе заводы Юга, значительно расширены Магнитогорский комбинат и другие заводы, построены Череповецкий (1955 г.), Карагандинский (1961 г.) и ряд других заводов.

    В 1975 г. было выплавлено 141 млн. т стали -- значительно больше, чем в США, Японии, ФРГ и других странах. По техническому уровню наша металлургия занимала и занимает ведущее место в мире.             

 

2МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

    Руды. В настоящее время известно около 80 металлов (т.е. примерно 80% всех элементов), общая масса которых в земной коре составляет около 25%. Примерное содержание (%) некоторых элементов в ней следующее:                     

                        Кислород...... 4                   Хром...... 2-10 ^-2 

                        Кремний...... 28                Медь...... 1-10 ^-2 

                        Алюминий...... 8          Никель...... 8-10 ^-3 

                        Железо....... 5                     Цинк...... 5-10 ^-3 

                        Кальций...... 3,6                 Олово...... 4 -10 ^-3 

Натрий  2,6       Молибден 3-10^-4 

Калий 2,6       Вольфрам 1-10^-4 

Магний  2,1      Серебро 1-10^-5 

Титан 1       Золото  1-10^-7 
 
 

    Почти все металлы из-за их большой химической активности находятся в природе в виде химических соеди-нений--окисных (кислородных), сернистых, углекислых, кремнистых и др., входящих в состав различных горных (минеральных) пород. Исключение составляют химически стойкие самородные золото, платина, серебро, реже -- медь.

    Рудой называется природное минеральное сырье (горные породы), содержащее металл, извлечь который можно экономически выгодным промышленным способом. Некоторые руды, особенно цветных металлов, являются комплексными (полиметаллическими), т.е. содержат не один, а несколько ценных металлов. Кроме соединений металла, в руде всегда имеется пустая порода -- другие природные химические соединения, не содержащие данного металла.

    Качество руды определяется прежде всего ее богатством, т.е. содержанием извлекаемого металла. Другими критериями при оценке качества руды являются химическая природа и свойства пустой породы, восстанавливаемость металла из руды и т. п. Очень важное значение имеет присутствие в ней вредных примесей, например серы и фосфора в железной руде. К наиболее богатым относятся железные руды, содержащие в среднем 40-- 50% железа. Руды цветных металлов, как правило, более бедные и редко содержат выше 2% металла. Использование все более бедных руд приводит к необходимости совершенствовать способы их обогащения перед плавкой.

    Металлургические процессы. Задачей металлургии является получение металлов и металлических сплавов из руд или из других исходных материалов. Для этого применяют следующие основные способы.

    Пирометаллургический основан на том, что тепло, необходимое для выплавки металла или сплава, обеспечивается сжиганием топлива. К пирометаллургии относятся доменный процесс выплавки чугуна из железной руды, мартеновский способ передела чугуна в сталь, выплавка меди из медных руд и многие другие металлургические процессы.

    Электрометаллургический заключается в выплавке металлов и сплавов в дуговых, индукционных и других электрических печах. Кроме того, некоторые металлы получают путем электролиза из расплавов их химических соединений (например, получение алюминия из глинозема А1₂0₃) или же из водных растворов солей (например, рафинирование, т. е. получение чистой меди из раствора сернокислой меди CuS0₄).

    Гидрометаллургический основан на выщелачивании металлов из руд при помощи растворителей и последующем выделении металла из раствора. Этот способ находит применение, например,, при извлечении меди из медных руд.

    Химико-металлургический заключается в получении металла при помощи химических и металлургических процессов. Типичным примером может служить производство титана по схеме: титановая

     руда        получение четыреххлористого титана (ТЛС1₄)         восстановление титана магнием.

    Кроме этих основных способов, металлы и сплавы получают также методом порошковой металлургии, электроннолучевой, плазменной плавкой и другими способами. 

    3МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

    Основными горючими компонентами топлива являются углерод и водород нередко в виде углеводородов и других соединений. К негорючей части относятся азот, влага, зола. В топливе часто находится сера -- вредная примесь, которая может переходить в металл, ухудшая его качество.

    Важнейшей характеристикой топлива является его теплотворность -- количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы топлива. Кроме того, при оценке качества топлива учитывают температуру его воспламенения, зольность и другие характеристики.

    Основными видами металлургического топлива являются кокс, мазут, а также газы -- природный (естественный), доменный (колошниковый) и коксовый.

    Кокс -- главное топливо при выплавке чугуна в доменных печах и в вагранках -- печах для расплавления чугуна в литейных цехах. Его используют также при агломерации, в цветной металлургии и т.д.

    Кокс представляет собой твердую пористую спекшуюся массу, получающуюся из коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ в специальных печах путем пиролиза, т. е. разложения при прокаливании измельченного угля без доступа воздуха при 950--1100° С в течение 15--18 ч.

    Металлургический кокс в среднем содержит 85--^: 90% углерода, 0,5--2% серы, до 0,2% фосфора, около 1% летучих, 10--13% золы, до 5% влаги. Его теплотворная способность равна 6500--7500 ккал/кг.

    Кокс -- дорогое и дефицитное топливо. Его получают только из некоторых сортов коксующихся углей (коксовых, жирных и др.), запасы которых составляют примерно 10% всех запасов угля. В СССР разработаны способы получения металлургического кокса из смесей, содержащих значительное количество некоксующихся углей.

    Побочными продуктами коксования являются ценные химические вещества: бензол, фенолы, нафталин, каменноугольная смола и др., а также коксовый газ (см. ниже).

    Мазут широко применяется для отопления сталеплавильных мартеновских печей, нагревательных печей в прокатных и других цехах. Он представляет собой жидкий остаток при переработке нефти -- после возгонки из нее бензина, керосина и других легких фракций. Достоинства мазута -- высокая теплотворная способность: 9500--10500 ккал/кг, отсутствие золы при сжигании, простота регулирования горения.