Металургія

Ливарний дворик доменної печі під час випуску чавуну на доменній печі

Адольф фон Менцель, «Залізопрокатний завод»

Металу́ргія  (рос. металлургия, англ. metallurgy, нім. Metallurgie f, Hüttenwesen n, Hüttenkunde f) — наука, техніка і галузь промисловості, пов'язана з одержанням металів з руд або металовмісних речовин з наданням їм необхідних властивостей. У прикладному плані — сукупність зв'язаних між собою галузей і стадій виробничого процесу від видобутку сировини до випуску готової продукції — чорних і кольорових металів і їх сплавів (стопів).

До чорних металів відносять залізо, марганець і хром. Решта — кольорові. За фізичними властивостями і призначенню кольорові метали умовно ділять на важкі (мідь, свинець, цинк, олово, нікель) і легкі (алюміній, титан, магній).

Властивості металів та методи їхньої модифікації вивчає металознавство.

Історія

Гірничі місця на стародавньому Близькому Сході. Легенда: арсен позначений коричневим, мідь червоним, олово сірим, залізо бурим, золото жовтим, срібло білим, свинець чорним. Жовті області позначають місця бронзи з арсеном, тоді як сірі — бронзи з оловом.

Перші свідчення про виробництво людьми металу датуються шостим — п'ятим тисячоліттям до Христа. Вони були знайдені при розкопках у Майданпеку, Ярмоваці та Плочнику (Сербія). Знайдена в Бєловоде, мідна сокира культури Вінча свідчить про добування міді. Інші свідчення про існування металургії датуються були знайдені археологічними розкопками в різних країнах Європи: у Пальмелі (Португалія), Кортес-де-Наварра (Іспанія), Стоунхендж (Англія). Однак, як часто буває при вивченні доісторичних часів, місце й час винаходу не може бути встановлений точно, і археологи час від часу отримують нові артефакти у різних кутках світу.

Срібло, мідь, олово й метеоритне залізо можна знайти у вигляді самородків, завдяки чому вже ранні культури могли в обмеженому обсязі використовувати обробку металів. Єгипетська зброя з метеоритного заліза, виготовлена приблизно за 3 тис. років до Христа, високо цінилася як «кинджали з Небес». Однак уміння отримувати мідь та олово з породи й сполучати ці два метали у сплав під назвою бронза дало початок справжній металургії приблизно три з половиною тисячі років до Христа, й розпочало епоху в історії людства, яка отримала назву бронзової доби.

Видобування заліза з руди та його обробка набагато складніші процеси. Виробництво заліза, мабуть, вигадали хетти десь приблизно за 1200 років до Христа, і започаткували залізну добу. Надалі свідчення розвитку чорної металургії археологи знаходять у різних культурах та цивілізаціях. Серед них стародавні й середньовічні держави Середнього й Близького Сходу, стародавнього Ірану, Стародавнього Єгипту, Нубії, Анатолії, культури Нок, Карфагену, а також Стародавня Греція й Стародавній Рим, Стародавній Китай, стародавня Японія. Стародавній Китай збагатив металургію значними виноходами, такими як вдосконалення доменної печі, чавуну, гідравлічних молотів, ковальських міхів.

У 16 ст. Георг Агрікола видав книгу De Re Metallica, в якій описав складний процес видобування руди, виплавки та обробки металу, що відповідала розвитку металургії на той час. Агріколу називають «батьком» металургії.

Особливо швидкими темпами металургія стала розвиватися з початком промислової революції. Зріс об'єм виробництва металів, вдосконалювалися способи їх отримання, зростала якість. У сучану епоху зростає роль високотехнологічних матеріалів, таких як сплави, леговані й композитні матеріали з металевими матрицями.

Різновиди металургії

Металургія підрозділяється на чорну і кольорову. Чорна металургія включає видобуток і збагачення руд чорних металів, виробництво чавуну, сталі та феросплавів. До чорної металургії відносять також виробництво прокату чорних металів, сталевих, чавунних та інших виробів з чорних металів. До кольорової металургії відносять видобуток, збагачення руд кольорових металів, виробництво кольорових металів та їх сплавів. З металургією тісно пов'язані коксохімія, виробництво вогнетривких матеріалів.

До чорних металів відносять залізо. Всі інші — кольорові. За фізичними властивостями та призначенням кольорові метали умовно ділять на важкі (мідь, свинець, цинк, олово, нікель) і легкі (алюміній, титан, магній).

За основним технологічним процесом підрозділяється на пірометалургію (плавлення) і гідрометалургію (видобування металів у хімічних розчинах). Різновидом пірометалургії є плазмова металургія. Крім того є вакуумна металургія, порошкова металургія, електрометалургія тощо.

Найпоширенішими металами є:

1. Алюміній
2. Залізо
3. Мідь
4. Цинк
5. Магній

Добувна металургія

Добувна металургія полягає у видобуванні цінних металів з руди і переплавлення отриманої сировини у чистий метал. Для того, щоб перетворити оксид або сульфід металу у чистий метал, руда повинна бути відокремлена фізичним, хімічним, або електролітичним способом.

Металурги працюють з трьома основними складовими: сировиною, концентратом (цінний оксид або сульфід металу) і відходами. Після видобутку великі шматки руди подрібнюються до такого ступеня, коли кожна частинка є або цінним концентратом або відходом.

Гірничі роботи не обов'язкові, якщо руда та навколишнє середовище дозволяють провести вилуговування. Таким шляхом можна розчинити мінерал і отримати збагачений мінералом розчин.

Найчастіше руда містить кілька цінних металів. В такому випадку відходи одного процесу можуть бути використані в якості сировини для іншого процесу.

Металообробка

Існує значна кількість методів формування отриманих металів: відливка (див. Ливарне виробництво), штампування, вальцювання тощо.

Властивості металів

Метали в цілому володіють наступними фізичними властивостями:

• Твердість.
• Звукопровідність.
• Висока температура плавлення.
• Висока температура кипіння.
• При кімнатній температурі метали перебувають у твердому стані (за винятком ртуті, єдиного металу, що знаходиться в рідкому стані при кімнатній температурі).
• Відполірована поверхня металу блищить.
• Метали — хороші провідники тепла та електрики.
• Мають високу густину.

Застосування металів

• Мідь володіє пластичністю і високою електропровідністю. Саме тому вона знайшла своє широке застосування в електричних кабелях.
• Золото і срібло дуже тягучі, в'язкі та інертні, тому використовуються в ювелірній справі. Золото також використовується для виготовлення електричних з'єднань, що не окислюються.
• Залізо та сталь володіють твердістю і міцністю. Завдяки цим їх властивостями вони широко використовуються в будівництві.
• Алюміній добре кується і проводить тепло. Він використовується для виготовлення каструль і фольги. Завдяки своїй низькій щільності — при виготовленні частин літаків.

Сплави

Найбільш часто використовуються сплави алюмінію, хрому, міді, заліза, магнію, нікелю, титану та цинку. Багато зусиль було приділено вивченню сплавів заліза і вуглецю. Звичайна вуглецева сталь використовується для створення дешевих, високоміцних виробів, у випадках коли вага і корозія не критичні.

Нержавіюча або оцинкована сталь використовується, коли важлива стійкість до корозії. Алюмінієві і магнієві сплави використовуються, коли потрібні міцність і легкість.

Мідно-нікелеві сплави (такі, як монель-метал) використовуються в корозійно-агресивних середовищах і для виготовлення виробів, що не намагнічуються. суперсплави на основі нікелю (наприклад, інконель) використовуються при високих температурах (турбонагнітачі, теплообмінники тощо). При дуже високих температурах використовуються монокристалічні сплави.

Дивись також

• Металургійний завод
• Металургійна промисловість України
• Чорна металургія України
• Пірометалургія
• Доменне виробництво
• Сталеплавильне виробництво
• Музей давньої металургії в Новій Слупі

Література

• Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.