Металлургия

Металлургия — отрасль промышленности, производящая из руд и отходов металлы и стандартные сортовые сплавы. Также называют науку о способах получения и очистки металлов, возникшую на основах физики, химии и ряда технических дисциплин.

Несмотря на современные успехи химической технологии, постоянно поставляющей новые синтетические материалы, комплекс свойств, отличающий металлы от дерева, камня, пластмасс и иных твердых тел, остается непревзойденным. Масштабы металлургического производства все стремительнее увеличиваются и уже реальны опасения по поводу дефицита некоторых руд к концу нашего столетия. Ежегодное мировое производство железа теперь достигает 600 млн. т, а по меди и алюминию оно близко к 10 млн. т. Некоторые металлы получают в количествах, измеряемых всего сотнями килограммов, но они жизненно необходимы некоторым отраслям новой техники.

Современная металлургия — крупная сложная отрасль промышленности, требующая всесторонней механизации и автоматизации производства, больших затрат топлива, электроэнергии и химических реагентов.

Постоянный рост выплавки металлов истощает запасы сырья в недрах нашей планеты и одной из главных задач теперь стало экономное, комплексное использование руд — извлечение из них всех ценных составляющих. Необходимые для этого попутные и вспомогательные переделы усложняют технологию получения металлов, вследствие чего могут возникнуть новые потери при их переработке.

Отходы металлургического производства часто велики, особенно при бедном сырье. Их необходимо отбрасывать в состоянии, не загрязняющем среду — атмосферу, окружающую местность и водные бассейны, нередко для этого требуется особая дополнительная обработка, заметно усложняющая и удорожающая производство.

Современные требования к чистоте металлов стали весьма высокими, часто они не ограничиваются допуском содержания примесей порядка сотых и тысячных долей процента. Необходимые свойства некоторых сплавов достигаются в присутствии лишь 10-4—10-6% посторонних элементов.

Тонкая очистка всегда сопряжена с потерями очищаемого вещества и снижает его выход. Устранение этого противоречия требует выбора решений, обоснованных технико-экономическими расчетами. Научный технико-экономический анализ — необходимое условие современного производства металлов.

Твёрдые материалы древнего мира

Рис. 1. Основные твердые материалы древнего мира

До XVIII в. металлургия была искусством — мастерством, передававшимся от поколения к поколению. Научные основы ее заложил великий русский ученый-энциклопедист М. В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.). Он справедливо установил связь производства металлов с успехами физики и химии, немало для этого сделав. М. В. Ломоносов разъяснил и дополнил атомистические представления древних греков, а затем доказал опытами и сформулировал закон сохранения массы (1741 г.).

Как известно, следующий важный период развития химии был связан с именем Лавуазье, который в 1772—1777 гг. опроверг принятую ранее теорию флогистона, понял и описал истинную природу окисления и горения. Металлы, считавшиеся до этого сложными телами из ртути и серы, были признаны элементами, а окислы и сульфиды — их соединениями с кислородом и серой.

Далее основы научной металлургии также укреплялись успехами естественных и технических наук, из которых первостепен-ное значение имело открытие Д. И. Менделеевым Периодического закона и составление им же Периодической системы элементов (1869 г.).

Медь и железо известны с глубокой древности (рис. 1). Д начала XVIII в. знали только одиннадцать металлов, семь и них, знакомые с давних времен, по повериям алхимиков связывали с планетами солнечной системы — золото с солнцем, серебро — с луной, железо, медь, свинец, олово и ртуть — соответственно с Землей, Венерой; Сатурном, Юпитером и Меркурием. Для мышьяка, сурьмы, цинка и висмута планет не оставалось, может быть поэтому их считали «полуметаллами». М. В. Ломо-носов, например, писал: «Должность металлургии тут кончится, когда она поставит металлы и полуметаллы в дело годные».

В XVIII в., подвергая химическому анализу множество горных пород и минералов, химики открыли хром, магний, марганец, молибден, никель, платину, вольфрам. В XIX в. тем же путем, а с 1859 г. также благодаря разработке Бунзеном и Кирх-гофом спектрального анализа, обнаружили остальные металлы встречаемые в недрах земли, кроме гафния, европия, лютеция, неодима, празеодима, протактиния, рения, самария и плутония; открытых в нашем столетии. Поискам успешно способствовала Периодическая система Д. И. Менделеева, заранее определя-шая ожидаемые свойства новых элементов.

Открытие металлов еще не означало возможности их получения в элементарном состоянии, и, тем более, промышленного использования.

В конце прошлого и начале текущего столетия с развитием машиностроения, автомобильного и железнодорожного транспорта, авиации и военной техники понадобились новые материалы. Потребность в металлах и сплавах быстро увеличивалась.

В XVIII в. Россия была одной из передовых стран по производству золота, серебра и меди. Уральский чугун экспортировали в Англию; однако к началу первой мировой войны русская металлургия удовлетворяла внутреннюю потребность только по чугуну, а по меди лишь на 85%, по цинку на 6%, по свинцу на 3%. Никель, алюминий, магний, олово и «редкие металлы» в России вовсе не выплавляли. «Редкими» тогда считали, а порой называют и теперь, элементы, присутствующие в земной коре в малых количествах, трудно извлекаемые и мало известные в производстве.

Как известно, с первых лет Советской власти производство металлов в нашей стране стало быстро расти. Уже в первой пятилетке были пущены новые доменные печи, алюминиевые и цинковые заводы, в последовавшие пять лет возникло отечественное производство никеля, олова, магния.

Теперь на наших заводах получают более 65 металлов и сопутствующих элементов, а по масштабам производства большинства из них СССР вышел на второе место в мире.

В прошлом веке труд металлургов был малопроизводительным и порой опасным; это был преимущественно ручной труд. ТехникаXX столетия преобразила производство. Металлургические заводы стали крупными механизированными и частично уже автоматизированными предприятиями.

Таблица 1. Масштабы ежегодного мирового производства некоторых металлов в третьей четверти XX столетия

Мировое производство, т/год Металл Мировое производство, т/год Металл
(6—7)•108

(0,8—1,5)•107

(4—5)•106

(2—6) •105

(1—7)•104

Железо

Алюминий, медь Цинк, свинец

Никель, олово, магний

Молибден, сурьма, вольфрам, кобальт, кадмий, литий, уран, ванадий, ниобий, титан

(1—10)•103

(1—10)•102

(1—10)•10

(1—10)•101

Серебро, ртуть, золото, висмут, бериллий

Тантал, цирконий

Галлий, рений, платина, палладий, индий

Иридий, родий

Теперь металлургия — крупная отрасль промышленности перерабатывающая большие количества сырья и потребляющая для этого много топлива и энергии. Поэтому она невозможна без достаточно развитой энергетической базы и мощных транс-портных средств. Современные масштабы производства металлов приведены в табл. 1.

Небольшой выход продукта часто не свидетельствует о малом производстве. Многие руды бедны, и для получения, например, 1 т золота приходится перерабатывать более 200 000 т руды (при довольно высоком содержании его 5 г/т).

Перед переработкой руды дробят, измельчают и обогащают, удаляя из них часть пустой породы. Получаемые после этого концентраты иногда удобно окусковать — укрупнить спеканием, брикетированием или иным способом. Выплавка металлов требует подчас сложной подготовительной обработки руд, которая отличается от основной отсутствием необходимости в изменении химического состава и агрегатного состояния сырья.

Разумеется, прежде чем как-то обрабатывать руду, ее надо обнаружить в недрах и доставить на поверхность. С другой стороны, готовые, очищенные от примесей — рафинированные металлы подвергают обработке давлением — ковке, штамповке, прокатке для изготовления листа, проволоки, профильных заготовок, либо сплавляют с другими элементами, получая сплавы в виде слитков или полуфабрикатов стандартной формы. Иногда некоторые из предшествующих и последующих производств включают в область металлургии, руководствуясь административной структурой промышленности, совмещением разных по существу переделов на одном заводе, в одном цехе либо по другим еще менее логичным причинам. Границы здесь зависят и от общего развития производства. Геология и горное дело теперь стали отдельными обособленными отраслями промышленности: Ограничивая область металлургии как химической технологии, следует началом ее считать доставку сырья на металлургический завод, а итогом — выдачу рафинированного металла или сортового сплава в виде слитков, гранул, кусков либо порошка стандартного размера (крупности).

Наметивший пути дальнейшего развития народного хозяйства в нашей стране, указал на необходимость освоения новых научно-обоснованных, механизированных и автоматизированных переделов в цветной и черной металлургии, снижения потерь и повышения качества металлов и эффективности производства, а также на устранение промышленных источников загрязнения среды. Этим важным требованиям должно быть подчинено развитие металлургического производства.

Статья на тему Металлургия