Металургія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Ливарний дворик доменної печі під час випуску чавуну на доменній печі
Адольф фон Менцель, «Залізопрокатний завод»

Металу́ргія  (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 метали й сплави на основі заліза, марганцю, хрому. Всі інші — кольорові. За фізичними властивостями та призначенням кольорові метали умовно ділять на важкі (мідь, свинець, цинк, олово, нікель), легкі (алюміній, титан, магній), дорогоцінні (золото, срібло, платина), лужні (калій, натрій, літій), лужно-земельні (кальцій, барій, стронцій).

Властивості металів та методи їхньої модифікації вивчає металознавство.

Історія[ред.ред. код]

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[1][2]. 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 куточках 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 цінувалася як «кинджали з Небес»[3]. 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[3][4]. 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[5][6].

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[7].

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

Металургія як науково-технічна галузь[ред.ред. код]

Металургія — це наука про одержання металів з руд або речовин, які містять метали, і про надання металевим сплавам необхідних властивостей.

Металургія ґрунтується на досягненнях фізичної хімії, фізики, металургійної теплотехніки, електротехніки, електроніки, кібернетики, економіки, на теорії металургійних процесів, автоматизації виробництва й керування ним, а також, на космічних технологіях.

Металургія вивчає проблеми підготовки руд, яка полягає у їхньому дробленні і подрібненні, розділенні (грохочення, класифікація), збагачуванні, випалі або сушінні, окускуванні, агломерації та брикетуванні. Досліджує гідрометалургійні, пірометалургійні, у тому числі металотермічні, електротермічні а також електрохімічні (електроліз) процеси одержання металів (сплавів) з наступним їх рафінуванням.

Крім того, металургія вивчає проблеми виготовлення металевих порошків і виробів з них (порошкова металургія), термічної обробки, обробки металів тиском, лиття, зварювання, паяння, нанесення на поверхню металів захисних покриттів. Важливою галуззю металургії є металознавство.

Металургія як галузь промисловості[ред.ред. код]

Металургія як галузь важкої промисловості поділяється на чорну і кольорову.

Чорна металургія[ред.ред. код]

Чорна металургія — галузь важкої промисловості, підприємства якої виробляють чавун, сталь, прокат, сталеві й чавунні труби, феросплави, металеві вироби промислового призначення. До чорної металургії належать також підгалузі по видобуванню залізної і марганцевої руд та по виробництву їх концентратів, агломерату, котунів, флюсових вапняків, вогнетривкої сировини і вогнетривів, коксу та іншої продукції, що її використовують в основному як сировину для виробництва чорних металів

Докладніше: Чорна металургія

Кольорова металургія[ред.ред. код]

Кольорова металургія — галузь важкої промисловості, що займається видобуванням і збагаченням руди, виробництвом і обробкою кольорових металів, рідкісних і дорогоцінних металів та їхніх сплавів, видобуванням природних алмазів та іної мінеральної сировини. До кольорової металургії належать також заготівля і переробка вторинних кольорових металів. Виробничий комплекс галузі складається з гірничодобувних підприємств, збагачувальних фабрик, металургійних й металообробних заводів. Підприємства кольорової металургії, як матеріаломісткої й енергоємної галузі, будуються в місцях добування сировини й виробництва дешевої електроенергії.

Металургія як галузь технологій[ред.ред. код]

Метали трапляються в природі як у вільному стані (самородні метали), так і, переважно, у вигляді хімічних сполук. У вигляді самородних металів перебувають найменш активні метали. Типовими їх представниками є золото і платина. Срібло, мідь, ртуть, олово можуть існувати в природі як у самородному стані, так і у вигляді сполук, решта металів — лише у вигляді сполук з іншими елементами.

Мінерали і гірські породи, що містять метали або їх сполуки і придатні для промислового добування металів, називаються рудами. Найважливішими рудами металів є їх оксиди і солі (сульфіди, карбонати тощо). Якщо руди містять сполуки двох або декількох металів, то вони називаються поліметалічними (наприклад, мідно-цинкові, свинцево-срібні та ін.).

Добування металів з руд — завдання металургії. Сучасна металургія як сукупність основних технологічних операцій виробництва металів і сплавів та їх первинної переробки включає в себе:

  • підготовку руд до отримання металів (в тому числі збагачення);
  • процеси отримання і рафінування металів: пірометалургійні, гідрометалургійні, електролітичні;
  • процеси отримання виробів з металевих порошків шляхом спікання;
  • кристалофізичні методи рафінування металів і сплавів;
  • процеси розливання металів і сплавів (з отриманням злитків або виливків)
  • обробку металів тиском;
  • термічну, термомеханічну, хіміко-термічну та ін. види обробки металів для додання їм відповідних властивостей;
  • процеси нанесення захисних покриттів.

Гірничо-збагачувальне виробництво[ред.ред. код]

Гірничо-збагачувальне виробництво охоплює усі види видобування та збагачування корисних копалин (руд) та передбачає їх видобування (шахтним або відкритим способом) та збагачення.

Шахтне виробництво[ред.ред. код]

Шахтне виробництво реалізується на базі підприємств (шахт, рудників) по видобуванню і переробці корисних копалин. Воно включає гірничопрохідницькі роботи (створення підземних гірничих виробок і камер різного призначення) і зведення комплексу поверхневих споруд: підйомних установок, копрів, компресорних станцій і вентиляційних надшахтних пристроїв, адміністративно-побутових споруд, збагачувальних фабрик, під'їзних колій тощо. Шахтному виробництву передують геологорозвідувальні роботи, розробка проектної і технічної документації. Гірничопрохідницькі роботи виконують, зазвичай, у складних гірничо-геологічних умовах на різних глибинах (іноді понад 1000 м) буропідривним, підривним або комбайновим способом. Одночасно вдаються до кріплення гірничих виробок.

Відкрита розробка родовищ[ред.ред. код]

Відкриті гірничі роботи — видобування корисних копалин безпосередньо з земної поверхні. Провадиться в кар'єрах. Відкрита розробка складається з підготовки поверхні землі, осушення (в разі потреби) і розкриття родовища, розкривних і видобувних робіт. Підготовка поверхні полягає в основному у видаленні родючого шару (з подальшим нанесенням його на поверхню відвалів з метою відновлення родючості ґрунту) і відведенні поверхневих вод. Для осушення родовища (поверхневого і підземного, попереднього і паралельного — під час ведення робіт) використовують водознижувальні і вбирні свердловини, закриті дрени, спеціальні фільтри тощо. Розкриття родовища передбачає спорудження капітальних розрізних і транспортних траншей для забезпечення доступу до масиву корисних копалин і транспортного зв'язку з земною поверхнею. Розкривні роботи включають відокремлення від масиву і транспортування у відвали покривних порід, видобувні роботи — відокремлення корисних копалин від масиву з подальшим переміщенням їх на склади або місця переробки. Технічними засобами Відкритою розробки родовищ є екскаватори безперервної дії, транспортно-відвальні мости, консольні відвалоутворювачі, кар'єрні самоскиди, бульдозери тощо. Переваги відкритої перед підземною розробкою родовищ корисних копалин: більша безпека праці і кращі виробничі умови; менші втрати корисних копалин; можливість застосування потужнішої техніки; вища (в 3-6 разів) продуктивність праці і нижча (в 2-3 рази) собівартість продукції; менші (в 2-3 рази) питомі капіталовкладення і строки будівництва кар'єрів. Основним недоліком відкритої розробки родовищ є значний вплив на навколишнє середовище, який усувають частковою або повною рекультивацією земель.

Збагачування корисних копалин[ред.ред. код]

Збагачування корисних копалин — сукупність процесів первинної обробки мінеральної сировини з метою відокремлення корисних копалин від порожньої породи, а іноді й від шкідливих домішок. Зумовлене зростанням потреби у вихідній сировині зі збільшеним вмістом корисних компонентів, що їх надалі технічними способами можливо і економічно доцільно переробляти й використовувати. Полягає у механічному розділянні сировини, яке ґрунтується на відмінності фізичних і фізико-хімічних властивостей корисних копалин. При збагачуванні, що його провадять у спеціальних цехах або на збагачувальних фабриках, одержують продукти (концентрати), які містять значну кількість корисних компонентів, і відходи, де зосереджена переважно порожня порода. За способом розділяння сировини розрізняють гравітаційне збагачування, магнітне збагачування, електростатичне збагачування і збагачування флотаційне. Є також збагачування залежно від форми частинок корисних копалин, їхнього тертя тощо. В разі потреби застосовують комбіновані способи (напр., флотогравітаційний), методи гідрометалургії, іноді — ручний. При збагаченні ступінь вилучення із сировини концентрату становить 92…95%, вміст корисних компонентів у ньому 15…95%. Перший систематизований опис багатьох процесів збагачування корисних копалин дав Г. Агрікола.

Добувна металургія[ред.ред. код]

Сучасна металургія добуває понад 75 металів і численні сплави на їх основі. Залежно від способів добування металів розрізняють піро-, гідро- і електрометалургію.

Пірометалургія посідає провідне місце в металургії. Вона охоплює способи добування металів з руд за допомогою реакцій відновлення, які проводять при високих температурах. Як відновники застосовують вугілля, активні метали, оксид карбону(ІІ), водень, метан. Так, наприклад, вугілля і оксид карбону(ІІ) відновлюють мідь з червоної мідної руди (куприту) Сu2О:

Cu2O + C = 2Cu + CO;
Cu2O + CO = 2Cu + CO2.

Аналогічно відбувається добування чавуну і сталі із залізних руд.

У тих випадках, коли руда є сульфідом металу, її спочатку переводять в оксид окисним випалюванням (випалюванням з доступом повітря). Наприклад:

2ZnS + 2O2 = 2ZnO + 2SO2.

Далі оксид металу відновлюють вугіллям:

ZnO + C = Zn + CO.

Відновлення вугіллям (коксом) здійснюють зазвичай тоді, коли метали, що їх добувають, зовсім не утворюють карбідів або утворюють неміцні карбіди (сполуки з карбоном); це залізо і багато кольорових металів — мідь, цинк, кадмій, германій, олово, свинець та ін.

Відновлення металів з їх сполук іншими металами, хімічно активнішими, називається металотермією. Ці процеси відбуваються також за високих температур. Як відновники застосовують алюміній, магній, кальцій, натрій, а також кремній. Якщо відновник — алюміній, то процес називається алюмінотермією, якщо магній — магнійтермією. Наприклад:

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3;
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

Металотермією звичайно добувають ті метали (та їх сплави), які при відновленні оксидів вугіллям утворюють карбіди. Це марганець, хром, титан, молібден, вольфрам та ін. Іноді метали відновлюють з оксидів воднем (воднeтермія). Наприклад:

MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O;
WO3 + 3H2 = W + 3H2O.

При цьому утворюються метали високої чистоти.

Гідрометалургія охоплює способи добування металів з розчинів їх солей. При цьому метал, що входить до складу руди, спочатку переводять у розчин за допомогою відповідних реагентів, а потім добувають його з цього розчину. Так, наприклад, під час обробки розбавленою сульфатною кислотою мідної руди, яка містить оксид купруму(ІІ) СuО, мідь переходить у розчин у вигляді сульфату:

CuO +H2SO4 = CuSo4 + H2O.

Далі мідь добувають з розчину або електролізом, або витісненням за допомогою порошку заліза:

CuSO4 + Fe =Cu + FeSO4.

Нині гідрометалургійним методом добувають до 25% всієї міді. Метод є перспективним, оскільки він дає змогу добувати метали, не піднімаючи руду на поверхню. Цим же методом добувають золото, срібло, цинк, кадмій, молібден, уран та ін. Руду, що містить самородне золото, після подрібнення обробляють розчином ціаніду калію KCN. Все золото переходить у розчин. З розчину його видобувають електролізом або витісненням металічним цинком.

Електрометалургія охоплює способи добування металів за допомогою електролізу. Цим способом добувають переважно легкі метали — алюміній, натрій та інші — з їх розплавлених оксидів або хлоридів.

Електроліз використовують також для очищення деяких металів. З металу, що його очищають, виготовляють анод. При електролізі анод розчиняється, іони металу переходять у розчин, а на катоді вони осаджуються. Так добувають електролітично чисті метали: мідь, срібло, залізо, нікель, свинець та ін.

Порошкова металургія[ред.ред. код]

Порошкова металургія — галузь науки і техніки, яка охоплює виробництво металевих порошків, а також виробів з них або їхніх сумішей з неметалевими порошками[8]. Важливими відмінними рисами даної галузі є одержання речовин у порошкоподібному стані та проведення операції нагрівання (спікання) заготовок із порошків за температури нижчої від точки плавлення відповідного металу або, у випадку суміші різнорідних порошків, температури плавлення найменш тугоплавкого компонента основи. Отже, послідовне здійснення в єдиному циклі операцій одержання порошку і перетворення його у виріб становить суть порошкової металургії.

Металообробка[ред.ред. код]

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

Властивості металів[ред.ред. код]

Докладніше: Метали

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[ред.ред. код]

  • 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[ред.ред. код]

Докладніше: Сплав

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.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. doi:10.1016/j.jas.2010.06.012
  2. Неолітична Вінча була металургійною культурою
  3. а б W. Keller (1963) The Bible as History page 156 ISBN 0-340-00312-X
  4. B. W. Anderson (1975) The Living World of the Old Testament page 154 ISBN 0-582-48598-3
  5. R. F. Tylecote (1992) A History of Metallurgy ISBN 0-901462-88-8
  6. Temple, Robert K.G. (2007). The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention (3rd edition). London: André Deutsch. pp. 44-56. ISBN 978-0-233-00202-6.
  7. Karl Alfred von Zittel (1901) History of Geology and Palaeontology page 15
  8. ДСТУ 2751-94 Металургія порошкова. Терміни та визначення.

Література[ред.ред. код]

  • Мовчан В. П., Бережний М. М. Основи металургії. — Дніпропетровськ: Пороги, 2001. — 336 с.
  • Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • Хомченко Г. П. Посібник з хімії для вступників до вузів [Текст]: [Пер. з рос.] / Г. П. Хомченко. — К.: А. С. К., 2004. — 480 с. — ISBN 966-539-424-Х