Металургія

      Металургія — (від греч. metallurgeo-добываю руду, обробляю метали) — область науки і техніки, галузь промисловості[1]. До металургії відносяться:

- виробництво металів з природної сировини і інших металвмісних продуктів;

 

- отримання сплавів; - обробка металів в гарячому і холодному стані;

 

- зварка; - нанесення покриттів з металів;

 

- область матеріалознавства, що вивчає фізичну і хімічну поведінку металів, интерметаллидів і сплавів.

      До металургії примикає розробка, виробництво і експлуатація машин, апаратів, агрегатів, що використовуються в металургійній промисловості.

Різновиди металургії

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

      До чорних металів відносять залізо. Всі інші — кольорові. По фізичних властивостях і призначенні кольорові метали умовно ділять на важкі (мідь, свинець, цинк, олово, нікель) і легені (алюміній, титан, магній).

      По основному технологічному процесу підрозділяється на пирометаллургію (плавка) і гідрометалургію (витягання металів в хімічних розчинах). Різновидом пирометаллургії є плазмова металургія.

      Найпоширенішими металами є:

1) Алюміній

 

2) Залізо

 

3) Мідь

 

4) Цинк

 

5) Магній

Чорна металургія

      Чорна металургія служить основою розвитку машинобудування (одна третина вироблюваного металу йде в машинобудування) і будівництва (1/4 металу йде в будівництво).

Склад чорної металургії

      До складу чорної металургії входять наступні основні підгалузі:

- здобич і збагачення руд чорних металів (залізна, хромова і марганцева руда)

 

- здобич і збагачення нерудної сировини для чорної металургії (флюсів известняків, вогнетривких глин і т. п.);

 

- виробництво чорних металів (чавуну, вуглецевої сталі, прокату, металевих порошків чорних металів);

 

- виробництво сталевих і чавунних труб;

 

- коксохімічна промисловість (виробництво коксу, коксівного газу і ін.);

 

- вторинна обробка чорних металів (оброблення лому і відходів чорних металів).

Металургійний цикл чорної металургії

      Власне металургійним циклом є виробництво

1) чавунно-доменне виробництво

 

2) стали (мартенівське, кисневоконвертерне і електросталеплавильне), (безперервне розливання, МНЛЗ)

 

3) прокату (прокатне виробництво).

      Підприємства, що випускають чавун, вуглецеву сталь і прокат, відносяться до металургійних підприємств повного циклу.

      Підприємства без виплавки чавуну відносять до так званої передільної металургії. «Мала металургія» є випуском сталі і прокату на машинобудівних заводах. Основним типом підприємств чорної металургії є комбінати.

      В розміщенні чорної металургії повного циклу велику роль грає сировина і паливо, особливо велика роль поєднань залізняку і вугілля, що коксується.

Кольорова металургія

      Кольорова металургія — галузь металургії, яка включає здобич, збагачення руд кольорових металів і виплавку кольорових металів і їх сплавів. По фізичних властивостях і призначенні кольорові метали умовно можна розділити на важкі (мідь, свинець, цинк, олово, нікель) і легені (алюміній, титан, магній). На підставі цього розподілу розрізняють металургію легких металів і металургію важких металів.

Розміщення підприємств галузі

      Розміщення підприємств кольорової металургії залежить від багатьох економічних і природних умов, особливо від сировинного чинника. Помітну роль, крім сировини, грає паливно-енергетичний чинник.

      На території Росії сформовано декілька основних баз кольорової металургії. Відмінності їх в спеціалізації пояснюються несхожістю географії легких металів (алюмінієва, титано-магнієва промисловість) і важких металів (мідна, свинцево-цинкова, олов'яна, никель-кобальтова промисловості).

Важкі метали

      Виробництво важких кольорових металів у зв'язку з невеликою потребою в енергії приурочено до районів здобичі сировини.

      По запасах, здобичі і збагаченні мідних руд, а також по виплавці міді провідне місце в Росії займає Уральський економічний район, на території якого виділяються Красноуральській, Кировградській, Среднеуральській, Медногорській комбінати.

      Свинцево-цинкова промисловість в цілому тяжіє до районів розповсюдження поліметалевих руд. До таких родовищ відносяться Садонськоє (Північний Кавказ), Салаїрськоє (Західний Сибір), Нерченськоє (Східний Сибір) і Дальнегорськоє (Дальній Схід).

      Центром Никель-Кобальтової промисловості є міста: Норільськ (Східний Сибір), Нікель і Мончегорськ (Північний економічний район).

Легкі метали

      Для отримання легких металів потрібна велика кількість енергії. Тому зосередження підприємств, що виплавляють легкі метали, у джерел дешевої енергії — найважливіший принцип їх розміщення.

      Сировиною для виробництва алюмінію є боксити Північно-західного району (Бокситогорськ), Уралу (місто Североуральськ), нефелини Кольського півострова (Кировськ) і півдня Сибіру (Горячегорськ). З цієї алюмінієвої сировини в районах здобичі виділяють окисел алюмінію — глинозем. Отримання з нього металевого алюмінію вимагає великих витрат електроенергії. Тому алюмінієві заводи будують поблизу крупних електростанцій, переважно ГЕС (Братської, Красноярської і ін.)

      Титано-магнієва промисловість розміщується переважно на Уралі, як в районах здобичі сировини (Березниковській титано-магнієвий завод), так і в районах дешевої енергії (Усть-Каменогорській титано-магнієвий завод). Заключна стадія титано-магнієвої металургії — обробка металів і їх сплавів — частіше за все розміщується в районах споживання готової продукції.

Історія

      Перші свідоцтва того, що людина займалася металургією, відносяться до 5-6 тисячоліть до н.е. і були знайдені в Майданпеке, Плочнике[2] і інших місцях в Сербії (у тому числі мідна сокира 5500 років до н. э., що відноситься до культури Вінча)[3], Болгарії (5000 років до н. э.), Палмеле (Португалія), Іспанії, Стоунхендже (Великобританія). Проте, як це нерідко трапляється з такими давніми явищами, вік не завжди може бути точно визначений.

      В культурі ранніх часів присутнє срібло, мідь, олово і метеоритне залізо, що дозволяло вести обмежену металообробку. Так, високо цінувалися «Небесні кинджали» — єгипетська зброя, створена з метеоритного заліза 3000 років до н.е. Але, навчившись здобувати мідь і олово з гірської породи і одержувати сплав, названий бронзою, люди в 3500 роки до н.е. вступили в Бронзове століття.

      Отримання заліза з руди і виплавка металу набагато складніше. Вважається, що технологія була винайдена хеттами приблизно в 1200 році до н. э., що стало початком Залізного століття. Секрет здобичі і виготовлення заліза став ключовим чинником могутності филистимлян.

      Сліди розвитку чорної металургії можна відстежити в багатьох минулих культурах і цивілізаціях. Сюди входять стародавні і середньовічні королівства і імперії Середнього Сходу і Близького Сходу, давній Єгипет і Анатолія (Туреччина), Карфаген, греки і римляни античної і середньовічної Європи, Китай, Індія, Японія і т.д. Потрібно помітити, що багато методів, пристрої і технології металургії спочатку були придумані в Стародавньому Китаї, а потім і європейці освоїли це ремесло (винайшовши доменні печі, чавун, сталь, гидромолоти і т. п.).

      Проте, останні дослідження свідчать про те, що технології римлян були набагато більш просунутими, ніж передбачалося раніше, особливо в області гірської здобичі і кування.

Добувна металургія

      Добувна металургія полягає у витяганні цінних металів з руди і переплавленні витягнутої сировини в чистий метал. Для того, щоб перетворити оксид або сульфід металу в чистий метал, руда повинна бути відокремлений фізичним, хімічним або електролітичним способом.

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

      Гірські роботи не обов'язкові, якщо руде і навколишнє середовище дозволяють провести вилуговування. Таким шляхом можна розчинити мінерал і отримати що збагатив мінералом розчин.

      Часто руда містить декілька цінних металів. У такому разі відходи одного процесу можуть бути використаний як сировина для іншого процесу.

Властивості металів 

      Метали в цілому володіють наступними фізичними властивостями: 

Твердість.

 

Звукопровідність.

 

Висока температура плавлення.

 

Висока температура кипіння.

      При кімнатній температурі метали знаходяться в твердому стані (за винятком ртуті, єдиного металу, що знаходиться в рідкому стані при кімнатній температурі).

      Відполірована поверхня металу блищить.

      Метали — добрі провідники тепла і електрики.

      Володіють високою густиною.

Застосування металів

      Мідь володіє пластичністю і високою електропровідністю. Саме тому вона знайшла своє широке застосування в електричних кабелях.

      Золото і срібло дуже тягуче, в'язке і інертне, тому використовуються в ювелірній справі (особливо золото, яке не окислюється). Золото також використовується для виготовлення електричних з'єднань, що не окисляються.

      Залізо і сталь володіють твердістю і міцністю. Завдяки цим їх властивостям вони широко використовуються в будівництві.

      Алюміній кувань і добре проводить тепло. Він використовується для виготовлення каструль і фольги. Завдяки своїй низькій густині — при виготовленні частин літаків.

Сплави

      Сплав — макроскопічна однорідна суміш двох або більшого числа хімічних елементів з переважанням металевих компонентів. Основною або єдиною фазою сплаву, як правило, є твердий розчин легуючих елементів в металі, що є основою сплаву.

      Сплави мають металеві властивості, наприклад: металевий блиск, високі електропровідність і теплопровідність. Іноді компонентами сплаву можуть бути не тільки хімічні елементи, але і хімічні з'єднання, що володіють металевими властивостями. Наприклад, основними компонентами твердих сплавів є карбіди вольфраму або титана. Макроскопічні властивості сплавів завжди відрізняються від властивостей їх компонентів, а макроскопічна однорідність багатофазних (гетерогенних) сплавів досягається за рахунок рівномірного розподілу домішкових фаз в металевій матриці.

      Сплави звичайно одержують за допомогою змішування компонентів в розплавленому стані з подальшим охолоджуванням. При високих температурах плавлення компонентів, сплави проводяться змішуванням порошків металів з подальшим спіканням (так виходять, наприклад, багато вольфрамових сплавів).

      Сплави є одним з основних конструкційних матеріалів. Серед них найбільше значення мають сплави на основі заліза і алюмінію. До складу багатьох сплавів можуть вводитися і неметали, такі як вуглець, кремній, бір і ін. В техніці застосовується більше 5 тис. сплавів.

      Сплави, що використовуються в промисловості розрізняються по своєму призначенню.

      Конструкційні сплави:

- стали

 

- чавуни

 

- дюралюміній

      Конструкційні із спеціальними властивостями (наприклад, іскробезпека, антифрикційні властивості):

- бронза

 

- латунь

      Для заливки підшипників:

- бабіт

      Для вимірювальної і електронагрівальної апаратури:

- манганин

 

- нихром

      Для виготовлення ріжучих інструментів:

- переможе

      В промисловості також використовуються жароміцні, легкоплавкі і коррозіонностійкі сплави, термоелектричні і магнітні матеріали, а також аморфні сплави.

      Найбільш часто використовуються сплави алюмінію, хрому, міді, заліза, магнію, нікелю, титана і цинку. Багато зусиль було уділено вивченню сплавів заліза і вуглецю. Звичайна вуглецева сталь використовується для створення дешевих, високоміцних виробів, коли вага і корозія не критична.

      Неіржавіюча або оцинкована сталь використовується, коли важливо опір корозії. Алюмінієві і магнієві сплави використовуються, коли потрібна міцність і легкість.

     Мідно-нікелеві сплави (такі, як монель-метал) використовуються в корозійно-агресивних середовищах і для виготовлення ненамагнічуваних виробів. Суперсплави на основі нікелю (наприклад, инконель) використовуються при високих температурах (турбонагнітачи, теплообмінники і т. п.). При дуже високих температурах використовуються монокристалічні сплави.