Металлургия

Слово «металлургия» свои истоки берет из древнегреческого языка, там «μεταλλουργέω» означает в буквальном смысле «добывать руду» или «обрабатывать металлы». Это некая область науки и техники, которая описывает процессы получения металла из руд или различных материалов. Кроме этого, в процессе обработки изменяется химический состав веществ их структура и свойства. Сегодня этими словами называют отрасль промышленности, но раньше это было искусство по извлечению металла из руды.


Современное понятие металлургии обширное, к ней можно отнести:

• производство металлов на основе сырья (руды) и других материалов;
• производство сплавов;
• горячая и холодная обработка металлов;
• сварка;
• область науки, которая занимается изучением физических и химических свойств металлов и сплавов;
• производство оборудования и машин для металлургической промышленности.

Коксохимическая промышленность и производство огнеупоров являются отраслями металлургии.


Виды металлургии


Изначально металлургия, по сырьевому признаку, делится на: черную и цветную. К первому виду относят железо и его сплавы, сюда входит: добыча черной руды, обогащение, производство и прокат ферросплавов, стали и чугуна.
Ко второму виду относят, соответственно, цветные металлы: их добычу, обогащение руд, производство металлов и сплавов. Цветные металлы бывают тяжелые (Cu, Zn, Pb, Ni, Sn) и легкие (Al, Ti, Mg).

Металлургия Кроме сырьевого признака, металлургию можно разделить по технологическому процессу:

1. Пирометаллургия - это такие процессы как обжиг или плавка, которые протекают при высоких температурах. К подвиду подобной металлургии относят плазменную.
2. Гидрометаллургия – абсолютно противоположный процесс, при котором из руд извлекают металл с помощью воды или химических реактивов на ее основе, такой процесс называется «выщелачивание».

Научный прогресс не стоит на месте, в мировой практике в металлургии применяют даже микроорганизмы, биотехнологии. К таким процессам можно отнести: биовыщелачивание, биоокисление и другие. На сегодня таким способом извлекают некоторые цветные металлы (Cu, Au, Zn, Ni, U). Однако, наиболее важным применением биотехнологий является процесс очищения сточных вод на производстве.


Производство металлов и их потребление


Области применения

Немногие ценные металлы содержатся в земной коре в достаточном количестве. Например: Al – 8,9 %, Fe – 4,65 %, Mg – 2,1 %, Ti – 0,63 %. Можно заметить, что чем благороднее металл, тем его меньше содержится в природе.
Потребность и производство металлов с каждым годом растет. Если рассматривать период 20-ти прошедших лет, можно заметить, что потребление (около 0,8 млрд. тонн) и металлофонд (восемь млрд. тон) увеличились.

Конструкции из металла стали наиболее популярными, сферы потребления расширились потому, что данный материал обладает хорошими свойствами, а производство экономически выгодно. 72 – 74 % ВНП многих государств составляет производство, основанное на применение черных и цветных металлов.

750 млн. тонн из 800 млн. тонн, что соответствует 90 % ежегодного потребления металлов, приходится на сталь. Значительно меньше потребляется алюминия – 3 %, меди – 1,5 %, цинка- около 5,5 тонн, свинца - около 4,5 тонн.
США, Китай, Россия, Великобритания, Германия, Украина, Франция, Италия производят и потребляют львиную долю всех металлов.

Различные металлы обладают индивидуальным набором физических свойств, характерных только им. Благодаря таким свойствам, как твердость, плотность, электропроводность, температура плавления, внешний вид и другие, область их применения достаточно широка.

• Высокой твердостью и прочностью обладает железо, в строительной сфере это незаменимые и ценные показатели.
• Из алюминия легко сковать нужную вещь, он отлично проводит тепло и при низкой температуре сохраняет высокую прочность. Поэтому его широко применяют для производства посуды, фольги, даже в самолетостроении.
• Пластичная медь обладает хорошей электропроводностью, в связи с этим из нее изготавливают электрические кабеля и применяют в энергетическом машиностроении.
• Такой дорогой материал, как золото и серебро обладает хорошей тягучестью, вязкостью и инертностью, что помимо ювелирного дела, позволяет применять его при изготовлении неокисляемых электрических соединений.


Применение сплавов


Металлы редко применяют в чистом виде, чаще всего используют сплавы, которые обладают лучшими показателями и характерными свойствами. В производстве популярными являются следующие сплавы: хромовые, алюминиевые, железные, медные, магниевые, никелевые, титановые, цинковые. Если необходимо использовать дешевый материал, с высоким показателем прочности, то применяют углеродистую сталь.

Нержавеющая сталь или оцинковка оказывают сопротивление коррозионному процессу. Если необходим прочный и легкий материал, тогда используют сплавы алюминия и магния.

Сплав из двух металлов: меди и никеля применяют в средах агрессивных к коррозии, для производства ненамагничиваемых изделий. Существуют и так называемые «суперсплавы», изготавливаются на основе никеля. Их особенность – устойчивость к высокой температуре, поэтому они нашли применение в турбонагревателях, теплообменниках и так далее.


Исторические факты


Человечество стало добывать металлы еще в далеком прошлом, об этом свидетельствуют археологические находки и исследования. Медь начали плавить еще в VII—VI тысячелетием до н. э., доказательства этому факту были обнаружены в ходе исследований Малой Азии в 1950-1960 гг. В Сербии были обнаружены следы первой металлургии. Там был найдено множество предметов, одним из которых является топор из меди, дотирующийся 5500 лет до н. э.. Подобные находки были найдены и в Болгарии, Португалии (в Палмеле), Испании, Великобритании (в Стоунхендджи). Находки очень древние и точный возраст предметов не получается определить.

Кроме меди, древние люди применяли: серебреные изделия, оловянные и метеоритное железо. Это позволило развивать металлообработку, особенно наши предки ценили метеорное изделие. Они создавали прочные кинжалы с 3 тысячелетия до н. э. В честь появившегося применения бронзы, был назван целый век – Бронзовый. Это произошло после того как человек стал добывать медь и олово и попробовал сплавить их. Соединение им понравилось и бронзу в 3300 годы до н.э. стали применять повсеместно.

Изготавливалась бронза не сложно, из олова и меди, в результате получался древнейший сплав – оловянная бронза. Из нее делали различные предметы быта и оружия труда.
Чуть позже в это соединение стали добавлять и другие металлы: алюминий, бериллий, кремний, никель. Бронзу изготавливали и без олова, а из меди и цинка, получалась латунь. Сперва из сплавов делали только орудия труда и не значительного оружия. Затем из бронзы стали делать колокола, пушки и прочее. Современная бронза состоит из сплава 5-12% алюминия и железа, марганца, никеля. Сегодня ее называют алюминиевой.

Научившись использовать медь, человечество перешло к изучению железа. О существовании трех веков развития человечества (каменный, бронзовый и железный) упомянуто в общих чертах в античном мире (Тит Лукреций Кар). В середине XIX века датский археолог К. Томсеном ввел в науку понятие «железный век».
Вслед за медью человек стал использовать железо.
Начало железного века положено в в 1200 году до н. э. Считается что сложная технология извлечения железа из руды, а далее выплавка придумана хеттами. Этот факт доказывает найденное упоминание о металле «упавшем с неба» в хеттских текстах XIX века до н. э. Поэтому их считают основателями сложной технологии. Они хранили этот секретный процесс, так как это позволяла держать могущества филистимлян.


Железная колонна в Дели (Кутубская колонна)


История считает, что первое железо было метеоритное, этот факт основан на названии железа, в переводе с древнего языка египтян и греков, дословно «небесное тело», «звезда». «Небесной медью» было названо железо «шумерами. Добывать железо мог не каждый, те, кто это умел и занимался – были на особом месте почета и уважения. Секрет добычи и переработки хранился в строжайшем секрете, некоторые боялись их. На древних фресках их изображали колдунами и магами.

В Европу железный век пришел в X—V веков до н. э., и называется он Гальштатская культура. Название было выбрано не случайно, в Австралии в городишке Гальштат были найдены предметы утвари из железа. Чуть позже в V—II веков до н. э. протекал «Второй железный век» или Латенская культура. Название по местечку в Швейцарии, там было найдено большое количество предметов из железа. Этот период истории тесно связан с кельтами. Они считались мастерами по изготовлению любого железных орудий. ВV веке до н. э. кельты начали переселяться, так применение железа распространилось на территории Западной Европы. Культы называли железо «изарнон», немецы «айзен», а англичане «айрон»..

До Закавказья железо добралось в конце II тысячелетия до н. э.. А в Северном Причерноморье - в VII—I веках до н. э.. здесь проживали скифы, они сформировали развитую культуру получения и применения железа в России и Украине.

Первые монеты, хранившиеся в царских сокровищницах, были изготовлены из железа. Оно было очень дорогим и ценилось. Затем перешли на производство орудий труда и оружия. В «Илиаде» Гомера впервые упоминается об этом. Там сказано, что Ахилл победителей дискобола награждал победителей железным диском. В конструкции храма Артемиды было уже использовано железо. Греки скрепляли мраморные колонные барабаны мраморных колонн. Соединение было при помощи железных штырей, длина которых составляла 130 мм, ширина – 90 мм, а толщина- 15 мм.

Когда в Европу пришли народы с Востока, то металлургия получила новый толчок в развитии. Существует предание, что в Алтайских горах залежи богатых руд, это все богатство монголов и туркменов. Они боготворили ремесленников, работающих с железом. Кочевники из Средней Азии были воинственными, их доспехи и оружие изготавливались из железа. Этот исторический факт свидетельствует об их знаниях в области металлургии.
Древний Китай не стал исключением в познаниях железа. Есть основания полагать, что китайцы первыми научились изготавливать жидкий чугун. Из него делали отливки, некоторые из них сохранились и до наших дней. Отлитый из чугуна колокол в первом тысячелетии н. э., прекрасно сохранился. Его высота 4 м, диаметр – 3 м, масса этого памятника истории 60 тонн.

Знаменитая Кутубская колонна, расположена в Дели является подтверждением факта развития металлургии в древней Индии. Высота 7,5 м, диаметр – 40 см, колонна стоит ровно в вертикальном положении, масса составляет 6 тонн. На колонне имеется надпись, что она изготовлена в 380—330 годах до н. э.. Исследователи древних памятников провели ряд анализов, и был установлен факт: колонна сооружена из отдельных криц, а на кузнечном горне их уже сварили в целое изделие. До сих пор на колонне нет не единого следа ржавчины. Кроме этого памятника истории, о знаниях в области металлургии свидетельствует и оружие, найденное в захоронениях. Его изготовили еще в середине первого тысячелетия до н. э..

Все эти факты истории свидетельствуют о знаниях в области черной металлургии еще в древности, ее развитии. Следы применения железа присутствуют практически в каждой культуре и цивилизации древнего мира. Это и: Империи Востока (Северного и Ближнего), древнего Египта и Турции (в древности Анатолия), Карфаген, Европы, Китая, Индии, Японии и другие древние королевства, средневековые государства. Стоит отметить, что изобретателем различных методов обработки, технологии и оборудование по изготовлению железа были разработаны в древнем Китае, и оттуда ремесленники Европы осваивали такое мастерство как металлургия. К оборудованию и технологиям древней металлургии и разработкам китайцев относят: доменные печи, плавление чугуна, получение стали,гидромолоты и прочее. Однако современные раскопки доказывают, римляне оказались первыми в металлургии и их оборудование и технологии были более продуманными и продвинутыми. Особое мастерство они достигли при добычи руд и ковки.


Добывающая металлургия


Основная суть в добывающей металлургии – это извлечение чистого металла из руд, путем переплавке добытого сырья. Для этого применяют физические, химические или электролитические способы, тогда оксид или сульфат металла превращается в ценный металл, отделившись от руды. Масштабы производства и добычи руды колоссальные. Только в бывшем СССР ежегодно извлекали из земных недр более 1 млрд. тонн руды, это данные за 1980-1990 гг. Сегодня эта цифра значительно выше.

Металлургия включает в себя основные компоненты, с которыми работают металлурги: сырье, концентрат, отходы. К концентрату относят оксид или сульфат, ценный для металла. Руду добывают, а затем измельчают до малейших частиц. Это необходимо, чтобы отделить каждую частицу, так как часть их – это ценный концентрат, или отход.
Есть и другой способ получения ценного металла, если есть условия для проведения выщелачивания. Согласно данному способу, технология следующая: минерал растворяют, в результате получают раствор, обогащенный им.
Чаще всего в руде содержится сразу несколько металлов, тогда производство протекает несколькими этапами. В этом случае, отходы отделенные от руды будут сырьем для другого процесса производства.


Чёрная металлургия


Оксид Fe3O4, Fe2O3, гидроксида Fe2O3*H2O, карбонатов FeCO3 и так далее – в таком виде железо находится в руде. Для того, чтобы получить железо или сплав на его основе, существует производственный процесс, включающий несколько стадий производства (в том числе производство стали и чугуна).

Доменное производство чугуна

Этапы производства:

1. Сплав, содержащий железо высвобождают из руды в специальных доменных печах. Температура при этом процессе более 1000 градусов Цельсия, в это же время происходит выплавка чугуна. От хода процесса зависят и свойства будущего чугуна, и соответственно его вид: передельный чугун и литейный.
2. Из первого в дальнейшем производят выплавку стали, а из второго уже изготавливают отливки. Все эти процессы контролируются доменной печью и могут выставляться при ее настройке.


Производство стали


Как было отмечено ранее, сталь производят из передельного чугуна. Соединив железо с углеродом и легирующим элементом, получают сталь. По своим свойствам, чугун менее прочный сплав, сталь чаще всего применяют в строительных конструкциях, при производстве деталей в машиностроении. Чтобы выплавить сталь, необходима сталеплавильная печь, в ней металл в жидком виде.

Получить сталь можно несколькими способами. Для применения того или иного метода, требуется специальное оборудование: для кислородно-конверторного способа – конвертеры, мартеновского – мартеновские печи, электроплавильного – индукционные печи, дуговые. Это наиболее распространенные методы производства стали.


Кислородно-конвертерный процесс


Данный способ придумал в 1856-1860 гг. англичанин Г. Бессемер. Это был первый способ массового получения стали в жидком состоянии, в результате бессемеровского процесса.
Для этого способа требуется конвертер с кислой футеровкой.
С.Томас в 1878 году разработал процесс схожий со способом Бессемера, однако он применил основную футеровку. В честь основателя способ назван томасовский процесс.
Конвертерный процесс заключается на основе воздушного дутья, в конвертер, так называемый плавильный агрегат, заливают чугун. Его продувают снизу, и кислород окисляет чугунные примеси, превращая их в сталь. В результате томасовского процесса, в основном шлаке удаляют фосфор и серу. Процесс окисления кислородом, нагревает сталь, в результате выделения тепла. Сталь достигает 1600 градусов Цельсия.


Мартеновский процесс


В пламенной отражающей печи находятся регенераторы, они предварительно подогревают воздух или газ. Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду данной печи. Данный способ разрабатывался многими ученными, загвоздка заключалась в том, что температуры факела была недостаточной. В то время в качестве топлива использовали генераторный газ. Реомюр еще 1722 году упоминал об этой недоработке, он, как и все, искал способ получения жидкой стали. Благодаря предложению братьев Сименсов в 1856 году, Пьер Мартен смог довести данный процесс до конца. Суть идеи братьев заключалась в том, что они предложили использовать тепло отходящих газов, установив в печь генераторы. Газы обеспечивали подогрев воздушных потоков до необходимой температуры плавления. С 8 апреля 1864 года П. Мартен на заводе во Франции внедрил данную печь в производство, получив первую плавку. Эту дату можно считать началом мартеновского процесса.


В печь помещают шихту, которая состоит из металлического лома, чугуна и других компонентов. Тепло, выделяющееся при сжигании топлива, плавит шихту. Далее, добавляют специальные добавки, в результате чего получают металл, необходимого состава и при требуемой температуре. Из печи готовый металл попадает в ковшом, откуда его и разливают. Мартеновскую сталь широко применяют, она обладает хорошими качествами и низкой себестоимостью. На данный способ получения стали, с начала XX века, приходится 50 % от всего производства стали в мире.

В России основателем применения мартеновской печи считают Ивано-Сергеевский железоделательный завод. С.И. Мальцева в 1866-1867 гг. внедрил данную технологию, завод расположен в Калужской губернии. В 1870 г. металлурги Сормовского завода А. А. Износков и Н. Н. Кузнецов увеличили объем печи, она стала вмещать до 2,5 тонн. Это было толчком к дальнейшему развитию металлургии в России, на основе данной печи, русские металлурги, стали изготавливать аналоги и на других заводах.

Мартеновские печи и процесс в целом сыграли большую роль в развитии российской металлургии, в том числе в годы ВОВ. Впервые в мире, советские металлурги в годы войны, на Магнитогорском комбинате и Кузнецовском, удвоили садку стали. Сделав сталь высококачественной для производства брони, подшипников и прочего, на основе мартеновских печей, без особой переналадки. На сегодня большее развитие получили конвертерные и электросталеплавильные способы производства стали, мартеновские печи уходят в прошлое.

По своей сути мартеновские печи универсальны, они позволяют плавить чугун или скрап. При этом содержание и состав сырья не имеет значение, а получать сталь, хорошего качества и необходимого состава. Исключение лишь высоколегированная сталь и сплавы, их можно получить только в электропечах. Необходимый состав металлической шихты находится в прямой зависимости от составляющих компонентов чугуна и скрапа, от соотношения требуемого чугуна к стали, а это зависит от целого ряда условий.


Электросталеплавильное производство


Дуговая сталеплавильная печь

На сегодня для выплавки стали массового производства используют дуговую сталеплавильную электропечь. Работает она за счет переменного тока, в последнее время развитие получили печи индукционные, дуговые, питающиеся постоянным током. Однако их доля, в общем производстве незначительна.

Сталь электропечного сортамента выплавляют в дуговой электропечи переменного тока. Ее преимуществом является возможность выплавки высококачественной легированной и высоколегированной стали. В последние десятилетие это наиболее популярный способ получения подобной стали. В конвертерах и мартеновских печах выплавить легированную сталь затруднительно или невозможно вообще. Это возможно в силу того, что в дуговой печи, есть возможность быстрого нагрева металла, затем можно добавлять легирующие добавки в большом количестве, в это время в печи поддерживается восстановительная атмосфера и безокислительные шлаки. Это и позволяет медленное плавление вводимых элементов. Дополнительным преимуществом, можно считать, то что металл раскисляется более полно, в результате металл содержит меньше оксидных неметаллических добавок. Сталь содержит серы в меньшем количестве, чем при получении ее обычным способом. Электрические дуговые печи позволяют контролировать и изменять температуру металла равномерно, задавая точный температурный режим.


Легирование стали


Когда требуется изменить или добавить свойств стали проводят процесс легирования. В ходе данного процесса, в состав сплава вводят определенные дополнительные элементы в требуемой концентрации, за счет этого изменяется состав стали и его свойства. На свойства стали в процессе легирования, могут повлиять следующие компоненты: хромовые (Cr), никелевые (Ni), марганцевые (Mn), кремниевые (Si), молибденовые (Mo), ванадиевые (V), боровые (B), вольфрамовые (W), титановые (Ti), алюминиевые (Al), медные (Cu), ниобий (Nb), кобальтовые (Co). Такое разнообразие дополнительных веществ и возможность влияния на свойства стали их концентрацией, позволяют производить сталь различных марок с определенным составом легирующих элементов.


Порошковая металлургия


Кардинально отличается от предшествующих выше способов производства – порошковая металлурги. Основная идея заключается в том, что металл используют в виде порошка, размер частиц 0,1 – 0,5 мкм. Частицы черных металлов спрессовывают между собой, и после этого спекают. Таким образом, образуется плотная однородная масса.


Цветная металлургия

Для цветной металлургии характерны разнообразные способы производства. Основных два:

1. Пирометаллургический, он более распространенный в получении многих металлов. Проводится он за счет плавки металлов, восстановительной или окислительной. В данном процессе источник тепла – сера, которая содержится в самой руде. Ее же используют и как химический реактив.
2. Гидрометаллургический, основан на процессе выщелачивания, путем перевода их в растворимые соединения.
Кроме этих двух видов, применяют электролитические процессы. За основу берут водные растворы или расплавленные среды.


Реже применяется металлотермический процесс. В ходе данного способа используют другие металлы, которые в большей степени схожи с кислородом, и на их основе восстанавливают необходимый металл. Существует и ряд других способов, но они не столь распространены: химико-термические, цианирование, хлорид-возгонка.


Как производят медь

Существует 2 способа получения меди, ее получают из руды и концентратов:

1. Гидрометаллургический, малораспространенный способ. В исключительных случаях его применяют, например, если требуется переработать окисленные или самородные руды. Недостатком этого метода является отсутствие возможности попутно извлекать драгоценные металлы.
2. Пирометаллургический, наоборот, делает эту операцию доступной, поэтому его применение более целесообразно. 85-90 % меди производят именно этим способом, получая медь из сульфидной руды. Это довольно сложный процесс, он включает в себя несколько стадий. Основными являются следующие: подготовительный этап, плавка или выплавка медного штейна, получение черной меди за счет конвертирования штейна, рафинирование, производство металла. в первоначальный подготовительный этап входит: обогащение и если требуется обжиг металла. Рафинирование проходит в 2 этапа, первый – огневой, второй – электролитический.


Электролизные ванны на норвежском алюминиевом заводе в городе Мушёэн компании Алкоа


Алюминиевая промышленность

Электролитическим способом получает алюминий, есть и другие способы, но на сегодня он является более современным.

Состоит из двух этапов:

1. Получают глинозем (Аl2O3), основным сырьем является руда,
2. Получают жидкий алюминий. Полученный на первом этапе глинозем путем электролиза выдает в результате – жидкий алюминий.

В мире глинозем на основании способа Байера, получают из бокситов. Байер – австрийский инженер, работал в России. Кроме этого способа, есть и другой способ – получение глинозема из бокситов и нефелинов, то есть способ спекания. Это щелочные методы, за счет которых выделяют глинозем. Дальше растворяют его в электролите и путем электролиза получают алюминий. Электролит состоит из нескольких компонентов, основной – криолит. В идеале Na3AlF6 (3NaF • AlF3) в соотношение с NaF: AlF3 равно 3:1. На электроэнергии можно сэкономить, так как для данного процесса достаточно соотношения 2,6-2,8:1. Для получения такой пропорции, к криолиту добавляется алюминий. Можно также понизить температуру плавления, достаточно в электролит добавлять в небольших количествах CaF2, MgF2 и NaCl. Для промышленного электролита основные компоненты должны быть следующими: Na3AlF6 - 75-90 %; AlF3 - 5-12 %; MgF2 - 2-5 %; CaF2 - 2-4 %; Al2O3 - 2-10 %. При несоблюдении данного соотношения меняются свойства электролита, например, Аl2О3 повысили на более 10 %, сразу же увеличится тугоплавкость. Если снизить содержание ниже 1,3 %, то автоматически режим электролиза нарушается.

Когда из электронной ванны извлекается алюминий, то его называют алюминием-сырцом. Такой элемент содержит в себе металлические и неметаллические примеси, газы. К последним относят: водород, азот, серный и прочие газы. Металлический состав алюминием-сырцом состоит из: Fe, Si, Cu, Zn и прочее. Глинозем, частички футеровок, электролиты, при увлечении их частиц механически, будут относиться к неметаллическим смесям. Могут подвергнуть алюминий и хлорированию, это необходимо для очистки. Очищать металл необходимо от газов Na, Ca, Mg, примесей.

После всех процедур алюминий заливается в электрические печи, которые так же выполняют функцию миксера. Возможно помещение в отражательные печи, алюминий отстаивается 30-45 минут. После данной процедуры, произойдет полная очистка металла от газовых, неметаллических составляющих. Разлитый в разные ванны алюминий соединяют. После этого его разольют на конвейер, получится чушка. На некоторых производствах стоят установки непрерывного литья, тогда алюминий сливают в слитки и получают прокатки. Чистота подобного алюминия выше 99,8 %.


Какими способами производят другие цветные металлы


К другим цветным металлам можно отнести: свинца, олова, цинка, вольфрама и молибдена. Для их производства используют некоторые вышеуказанные способы и методы производства. В целом суть процесса сохраняется, различны реагенты и агрегаты, существуют особенности производства.

Возврат к списку