Металлургия

от греческого metallurgeo — добываю руду, обрабатываю металлы, metallon — рудник, металл и ergon — работа) [metallurgy] — область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающая получение металлов из руд и других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. К металлургии относятся: предварительнная обработка добытых из недр земли руд, получение и рафинирование металлов и сплавов; придание им определенной формы и свойств. Исторически в России сложилось разделение металлургии на черную и цветную. Черная металлургия (ЧМ) охватывает производство (сплавов на основе Fe (чугуна, стали, ферросплавов), Mn, Cr, V (на долю черных металлов приходится около 95 % всей производимой в мире металлопродукции). Цветная металлургия (ЦМ) включает производство всех других металлов, в т.ч. радиоактивных. Некоторые металлургические процессы применяются также для производства полупроводников и неметаллов (Si, Ge, Se, Те, As, P, S и др.); отдельные из них получают попутно с извлечением металлов. В целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов Периодической системы, за исключением галоидов и газов. Металлургия — базовая отрасль промышленности России, в значительной степени определяет жизнеспособность экономики страны. На производство черных и цветных металлов, составляющих более 95 % общего объема использования конструкционных материалов, расходуется около 14 % топлива, 24 % электроэнергии, 40 % сырья и минеральных ресурсов, потребляемых в стране (1998 г.). Почти 24 % грузов, перевозимых в России железно-дорожным транспортом, обеспечивает нужды металлургии. Металлургический комплекс России объединяет около 300 промышленных предприятий; в нем занято более 1,2 млн. работников разных профессий.
Возникновение металлургии, как показывают археологические находки, относится к глубокой древности, например, следы выплавки меди в юго-западной части Малой Азии датируется 7-6-м тыс. до н. э. Примерно в то же время были известны самородные металлы: золото, железо. В последующие периоды, когда научились добывать и обрабатывать руды, появились и технологии их переработки. Сначала металлические изделия изготовляли обработкой металлов в холодном сост. Медь и железо с трудом поддавались такой обработке и поэтому не могли найти широкого применения. После изобретения горячей кузнечной обработки (ковки) медные изделия получили более широкое распространение. Овладение способами выплавки меди из окислительных руд и получения из нее отливок (5-4 тыс. лет до н. э.) привело к быстрому росту производства меди и к значительному расширению ее применения. Освоение гораздо более сложного процесса переработки сульфидных медных руд с применением предварительного обжига руды и рафинирования меди повторным плавлением относится к середине 2-го тыс. до н. э. (Ближний Восток, Центральная Европа). Во 2-м тыс. до н. э. начали широко применяться изделия из бронзы (ок. 90 % Cu + 10 % Sn), которые по качеству (твердости, коррозионной стойкости, упругости, остроте лезвия и др.) значительно превосходили медные. Кроме того, бронза имела более низкую t_пл, чем медь, и лучше заполняла литейную форму. Поэтому изделия из меди интенсивно вытеснялись бронзовыми, что ознаменовало переход к бронзовому веку. В конце 3-го и во 2-м тыс. до н. э. крупным центром металлургии меди и бронзы был Кавказ.
Примерно в середине 2-го тыс. до н. э. человек начинает овладевать и способами получения железа из руд. Сначала для этой цели использовали костры, а затем специальные плавильные ямы — сыродутные горны (Смотри Сыродутный процесс). В горн, выложенный из камня, загружали легковосстановимую руду и древесный уголь. Дутье, необходимое, для горения угля, подавалось в горн снизу (сначала естественной тягой, а потом мехами). Углерод восстанавливал оксиды железа. Относительно низкая температура процесса и большое количество железистого шлака препятствовали науглероживанию металла и позволяли получать железо только с низким содержанием углерода в виде кома, называемое «крицей», на дне горна. После извлечения из горна «крицу» проковывали (для уплотнения); удаляли шлак и получали металл для изготовления изделий. Процесс был малопроизводителен и обеспечивал извлечение из руды лишь около половины содержащегося в ней железа. Металлургия железа развивалась очень медленно, несмотря на то что железные руды гораздо более распространены, чем медные. Преимущественное развитие металлургии меди обусловленно и тем, что сыродутное железо по качеству значит, уступало меди. Это объясняется прежде всего тем, что при достижимых в то время температураx медь получали в расплавленном состоянии, а железо — в виде тестообразной массы, с большим содержанием включений шлака и несгоревшего древесного угля. В связи с низким содержанием углерода сыродутное железо было мягким; изготовливаемые из него оружие и орудия труда не подвергались закалке и значительно уступали по качеству бронзовым. Для перехода к более широкому производству и применению железа необходимо было усовершенствовать примитивный сыродутный процесс, овладеть процессами науглероживания железа и его последующей, закалки, т. е. освоить получение стали. Это обеспечило железу в 1-м тыс. до н.э. главенственствующее положение среди металлов, используемых человеком, и наступление так называемого железного века. К началу н. э. металлургия железа была почти повсеместно распространена в Европе и Азии.
На протяжении почти трех тысячелетий металлургия железа не претерпевала принципиальных изменений. Процесс постепенно совершенствовался: увеличивались размеры сыродутных горнов, улучшалась их форма, повышалась мощность дутья; в результате горны превратились в небольшие шахтные печи для производства сыродутного железа — домницы (т.н. «штукофены»). Увеличение размеров домниц привело в середине XIV в. к появлению небольших доменных печей (Смотри Доменное производство). Увеличение высоты этих печей и более интенсивная подача дутья способствовала повышению температуры и значительно более интенсивному восстановлению науглероживанию металла (Смотри Доменный процесс). Вместо тестообразной массы сыродутного железа в доменных печах получали уже высокоуглеродистый железный расплав с примесями Si и Mn — чугун. Росту производства чугуна способствовало изобретение в XIV в. так называем кричного передела его в ковкое железо. Переплавляя чугун в кричном горне, его рафинировали от примесей (С, Mn, Si, P), окисляя их кислородом дутья и специально загружаемого в горн железистого шлака. Кричный процесс быстро вытеснил малопроизводительные способы получения стали на основе сыродутного железа. Таким образом возник двух-стадийный процесс получения железа, сохранивший свое значение и являющийся основой современной технологии производства стали. Следующим этапом развития металлургии стали в Европе было появление в Англии в 1740 г. тигельной плавки (задолго до того известной на Востоке) и в 1788 г. — пудлингового процесса. Тигельная плавка была первым способом производства литой стали. Ее выплавляли в тиглях из огнеупорной глины, которые устанавливались в специальные печи. По качеству эта сталь существенно превосходила сталь из крицы. Но масштабы тигельной плавки долго оставались незначительными. Мировое производство жидкой тигельной стали, например, в 1850 — 1860 гг. не превышало 100 тыс. т в год. В пудлинговом процессе чугун рафинировали от углерода и примесей (Mn, Si, P), на поду отражательной печи и получали как губчатое (так называем сварочное) железо, так и разные сорта стали, регулируя окисление углерода и добавляя присадки ферромарганца или кремнистого чугуна. Пудлинговое железо оставалось до 2-й половины XIX в. основным конструктивным материалом (его мировое производство в 1850 г. достигло 4,5 млн. т). Но тигельный и пудлинговый процессы не могли удовлетворить возрастающие потребности в стали. Металлургия чугуна развивалась опережающими темпами. Этому способствовало внедрение мехов с приводом от водяного колеса (XV в.), каменноугольного кокса вместо древесного угля (1735 г.), паровой воздуходувной машины (1782 г.), нагретого дутья (1828 г.), воздухонагревателя регенераторного типа с огнеупорной насадкой (1857 г.), конусного засыпного аппарата (1850 г.). К концу XIX в. относится применение предварительной подготовки руд (дробление, измельчение, классификация и др.) к доменной плавке. Поэтому до XX в. мировое количество выплавляемого чугуна превышало производство стали, тыс. т:

Годы	1866	1870	1880	1890	1900	1910	1917
Чугун	9449	12090	18237	25592	40729	59837	71938
Сталь	300	518	4247	12478	28275	52017	81327
Чугун Сталь	31,5	23,5	4,2	2,2	1,4	1,1	0,9

Революцией в развитии металлургии железа явилось изобретение трех новых процессов производства жидкой (литой) стали: бессемеровского процесса, 1856 г. (Германия) (Смотри Конверторное производство), мартеновской плавки, 1864 г, (Франция) (Смотри Мартеновское производство) и томасовского процесса, 1878 г. (Англия). Быстрое распространение этих процессов (в первую очередь мартеновской плавки в печах с основной футеровкой и использование большого количества металлического лома) привело к тому, что к середине XX в. выпуск чугуна составлял только 70 % от выплавки стали.
Дальнейшее развитие сталеплавильного производства во 2-й половине XX в. связано с существенным увеличением емкости и производительности металлургических агрегатов, широким применением кислорода для повышения эффективности металлургических процессов, появлением новых и бурно развивающихся, процессов выплавки стали в кислородных конвертерах с верхним, нижним и комбинированным дутьем (Смотри Конвертерное производство) и в мощных электродуговых печах (Смотри Электросталеплавильное производство), с развитием внепечного рафинирования жидкого металла в вакууме, обработки инертными газами и синтетическими шлаками, освоением и массовым внедрением непрерывной разливки стали взамен разливки металла в чугунные изложницы, широкой механизацией и автоматизацией производственных процессов. В современной металлургии железа большое значение приобрела выплавка высококачественных легированных сталей и сплавов, которая с XX в. производится преимущественно в электропечах (Смотри Электросталеплавильное производство). Со 2-й половины XX в. для получения некоторых цветных металлов, а также сталей и сплавов особо ответственного назначения (например, для авиац-космической техники, судостроения и др.) начали применять дополнительный переплав металла в дуговых вакуумных печах, электрошлаковых, электронолучевых и плазменных установках (Смотри Вакуумно-дуговой переплав, Электрошлаковый переплав, Плазменный переплав, Электроннолучевой переплав). Для извлечения железа из руд наряду с доменной плавкой, которая продолжает развиваться, разрабатываются способы прямого получения железа, пригодного в качестве шихты для выплавки стали в электропечах. Мировое производство стали за 100 лет возросло с 14 млн. т в 1895-1896 гг. до 600 млн. т (1970 г.), 770 млн. т (1990 г.) и 798 млн. т (1997 г.), т. е. в 57 раз. В настоящее время сталь выплавляют около 100 стран, причем развивающиеся — опережающими темпами. В 1960 г. только 18 % стали в мире выплавлялось вне Европы, бывшего СССР и Северной Америки, в 1995 г. эта доля увеличилась до 48 % и может достичь 60 % в 2000 г.
Кроме железа в древнем мире добывали и применяли Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Hg. Произодство многих других цветных металлов достигло значительного уровня только в последние века (иногда 10-летия).
В России широкое развитие горного дела и металлургии начато в правление Ивана III Васильевича (1440 — 1505 гг.), который предпринял первые попытки промышленно-технического сближения с Европой, выписывая оттуда мастеров горного дела. В 1491 г. в Печорский край была отправлена экспедиция для поиска серебряной руды. Экспедиция из нескольких русских и иностранных специалистов кроме серебра открыла на р. Цильме месторождения меди, что позволило России чеканить медную мелкую монету из собственного металла. К концу XVI в. горный промысел и металлургия широко распространяются по всей России. Наиболее бурное развитие металлургии и железоделательное производство получили при Петре I (1672-1725 гг.). В конце 1719 г. он учредил Берг-коллегию для управления горными делами и артиллерией и указом от 10 декабря того же года объявил полную свободу горному промыслу в России. По этому указу каждому жителю России разрешалось искать руды и другие полезные ископаемые не только на своих собственных и казенных землях, но и на частных. Каждый промышленник должен был вносить в казну налог в сумме 10 % от стоимости всего добытого. В это время выдвинулся тульский кузнец Никита Демидов. Вначале он работал на орудийном заводе в Туле, основанном голландскими кузнецами, а затем основал свой завод. Вместе с другими масте рами Н. Демидов был послан на Урал строить Невьянский железоделательный завод, который он получил в 1702 г. от царя в полную собственность. Вскоре Н. Демидов уже за свой счет построил на Урале еше несколько заводов. Екатерина II (1729 — 1796 гг.) издала манифест от 28 июня 1782 г., по которому всем землевладельцам даровалась свобода распоряжаться своими землями и право на все ископаемые из них. При Екатерине II в 1773 г. в Санкт-Петербурге был открыт Горный институт, а с 1825 г. стал издаваться Горный журнал, что способствовало подготовке высококвалифицированных кадров для горного дела и металлургии. В 1825 г. в России были проведены большие экспедиции на Урал, Алтай, Кавказ и в Крым. Отмена крепостного права в 1861 г. позволила существенно расширить объемы металлургического производства с использованием дешевой рабочей силы. В царствование Александра II (1818 — 1881 гг.) геологические исследования и разведка месторождений велись от границ Пруссии до берегов Тихого океана и Сахалина и от Мурманска и устьев Печоры до подножия Кавказа и Памира. В 1882 г. правительством России был основан Геологический комитет, главной задачей которого было составление общей геологической карты России. Добыча железных руд и выплавка чугуна и стали в России исторически развивались в районах Северного и Среднего Урала, в округах Гороблагодатском, Нижнетагильском, Невьянском, Сергинском, Сысертском, Кыштымском, Златоустовском, где были построены металлургические заводы. Кроме того, железная Руда добывалась и в других районах: по берегам Вишеры (Пермская область), Бакальском (Челябинская область); на Юге России (Украина) в Кривом Роге, Керчи и других районах; в Центральной России в Московской, Тверской, Тульской, Калужской, Новгородской, Псковской, Витебской, Смоленской, Нижегородской, Тамбовской, Костромской и Ярославской губерниях, в Карелии. Объемы добычи железной руды и выплавки чугуна в России по разным регионам в 1896 г. приведены ниже.

Добыто железной руды в России в 1896 г.

Район России	Число рабочих	Число рудников	Руда, тыс. т
Урал	25656	654	1300
Центр	4224	78	280
Северо-Запад	4315	109	300
Юг и Юго-Запад	3489	37	1230
Сибирь	239	10	27
Северный край	235	29	22
Кавказ	13	4	5
Всего	38171	921	3164

Выплавлено чугуна в России в 1896 г.

Заводы	Число заводов	Чугун, тыс. т
Уральские (казенные и частные)	122	570
Центральной России	48	134
Польские и Северо-Западные	32	217
Южные и Юго-Западные	24	629
Северные	4	4
Сибирские	6	7
Финляндские	13	22
Всего	249	1586

Россия с 1730-х гг. долго занимала 1-е место в мире по выплавке чугуна, вывозила значительную часть чугуна за границу, в т. ч. в Англию, где например, в 1740 г. было выплавлено 17 тыс. т чугуна, а в России — 50 тыс. т. Но в начале XIX в. Россия из-за задержки с переходом от использования древесного угля в доменных печах к каменноугольному коксу была отодвинута на 3-е, а к 1860 г. на 7-е место в мире. К 1913 г. Россия по объему производства чугуна (4,03 млн. т) и стали (3,68 млн. т) занимала 5-е место в мире, а ее доля в мировой выплавке чугуна (76,3 млн. т) и стали (69,5 млн. т) составляла только 5,3 %.
Металлургия железа особенно интенсивно развивалась в СССР в 20-30-е гг. после окончания Гражданской войны (1918-1920 гг.) и 50-70-е гг. после Великой Отечественной войны (1941-1945 г.г.). В результате СССР к 1976 г. занимал 1-е место в мире по производству чугуна, стали (доля РСФСР составляла около 60 % общего объема) и другим видам металлопродукции, удерживая его до 1990 г. Распад СССР и последовавший за ним глубокий экономический кризис в странах СНГ привели к резкому падению с 1991 г. металлургического производства в России (Смотри Черная и Цветная металлургия).
Современная металлургия как совокупность основных технологический операций производства металлов и сплавов включает добычу и подготовку руд к извлечению металлов (в т.ч. обогащение); извлечение и рафинирование металлов: пирометаллургические, гидрометаллургические, электролитические процессы получения изделий спеканием из металлических порошков; кристаллофизические методы рафинирования металлов и сплавов; процессы разливки металлов и сплавов (с получением слитков или отливок); обработку металлов давлением; термические, химико-термические и другие виды обработки металлов для придания им соответственных свойств; процессы нанесения защитных покрытий.
С металлургией тесно связаны производства коксохимической, огнеупорной и ряд других отраслей промышленности.
Подготовка руд к извлечению металлов начинается с дробления, измельчения, грохочения и классификации (Смотри Классификатор). Следующая стадия обработки — обогащение (Смотри Обогащение полезных ископаемых). В процессе или после обогащения материалы подвергают обычно обжигу или сушке. Весьма эффективен обжиг в кипящем слое. Наибольшее применение в обогатительной технике имеют флотационные, гравитационные, магнитные и электрические методы. Флотационными процессами перерабатываются > 90 % всех обогащенных руд цветных и редких металлов. Из гравитационных процессов распространены обогащение в тяжелых средах, отсадка, концентрация на столах и другие методы.
Большое значение обогатительных процессов в современной металлургии обусловлено стремлением к повышенной эффективности металлургического производства, а также тем, что по мере роста выплавки металлов приходится использовать все более бедные руды. Непосредственно металлургическая переработка таких руд (без обогащения), как правило, неэкономична, а в некоторых случаях даже невозможна.
Заключительные операции подготовки руд — обычно их усреднение, смешение, а также окускование посредством агломерации, окатывания (окомкования) или брикетирования. Необходимость окускования обусловлена тем, что при обогащении руды измельчаются, а применение в плавке мелко измельченных материалов в некоторых металлургических производствах нежелательно или недопустимо.
Пирометаллургические (высокотемпературные) методы извлечения и рафинирования металлов весьма многообразны (Смотри Пирометаллургия). Они реализуются в шахтных, отражательных или электрических печах, конвертерах или других агрегатах. В пирометаллургических процессах происходит концентрирование металлов и удаляемых примесей в разных фазах системы, образующихся, при нагреве или расплавлении перерабатываемых материалов. Такими фазами могут служить газ, плавка, выплавка вторичной меди, олова и свинца в шахтных печах, получение ферросплавов и Ti-шлака в рудовосстановительных электропечах. Магниетермическим восстановлением получают, например, титан. Окислительное рафинирование — необходимый элемент в мартеновском и конвертерном, производстве стали, при получении анодной меди, а также свинца.
Весьма широко используются методы извлечения и рафинирования металлов, основанные на образовании сульфидов, хлоридов, иодидов (Смотри Иодидный процесс), карбонилов. Большое значение имеют процессы, базирующиеся на испарении и конденсации (дистилляция, ректификация, вакуумная сепарация, сублимация). Получили развитие внепечные методы рафинирования стали, а также вакуумная плавка и плавка в аргоне, применяемые в производстве химически активных металлов (Ti, Zr, Mo и др.) и стали.
Гидрометаллургические методы извлечения и рафинирования металлов, не требующие высоких температур, базируются на использовании водных растворов (Смотри Гидрометаллургия). Чтобы перевести металлы в раствор, применяют выщелачивание с использованием водных растворов кислот, оснований или солей. Для выделения элементов из раствора используют цементацию, кристаллизацию, адсорбцию, осаждение (Смотри Осадительная плавка) или гидролиз. Широко распространена сорбция металлов ионообменными веществами (в основном синтетическими смолами) и экстракция (с использованием органических жидкостей). Современные сорбционные и экстракционные процессы высокоэффективны. Они позволяют извлекать металлы не только из растворов, но и из пульпы, минуя операции отстаивания, промывки и фильтрации. Из других гидрометаллургических процессов отметим автоклав, переработку материалов при повышенных температураx и давлениях (Смотри Автоклав), а также очистку растворов от примесей в кипящем слое. В некоторых производствах применяют извлечение металлов (например, золота) из руд использующих ртути — амальгамацию.
Большое значение в металлургии имеет получение или рафинирование цветных металлов электролитическим осаждением (Смотри Электролиз) как из водных растворов (Cu, Ni, Co, Zn), так и из расплавов (Al, Mg). Al, например, получают электролизом криолит-глиноземного расплава.
Широко применяется производство изделий из металлических порошков, или порошковая металлургия. В ряде случаев этот процесс обеспечивает более высокое качество изделий и лучшие технико-экономические показатели производства, чем традиционные способы.
Для получения особо чистых металлов и полупроводников применяются кристаллофизические методы рафинирования (зонная плавка, вытягивание монокристаллов из расплава), основанные на различии составов твердой и жидкой фаз при кристаллизации металла из расплава.
Процессы получения отливок из расплавленных металлов и сплавов (Смотри Литейное производство) и слитков, предназначенных для последующей обработки давлением (Смотри Разливка металла), известны многие века. Основные направления технического прогресса в этой области связаны с переходом к непрерывной разливке стали и сплавов и к совмещенным процессам литья и обработки заготовок давлением (например, бесслитковое получение проволоки или листа из расплавленных Al, Cu, Zn).
Обработка металлов давлением также известна очень давно (ковка железа была, например, необходимым элементом переработки крицы), первоначально ковку металлических заготовок (слитков) осуществляли вручную, а затем паровыми механическими, гидравлическими молотами и гидравлическими ковочными прессами. Прокатка — основной способ обработки металлов и сплавов давлением на современных металлургических заводах (Смотри Прокатное производство). Прокатный стан, предложенный, по-видимому, еще Леонардо да Винчи (1495 г.), превратился в мощный высокоавтоматизированный агрегат, производительность которого достигает нескольких млн. т металла в год. Наряду с листовым и сортовым металлом прокаткой получают трубы, гнутые и периодические профили (Смотри Прокатный профиль), биметаллы и другие виды изделий. Для изготовления длинномерных полуфабрикатов, полых проблей и труб из многих цветных металлов и сплавов в современной металлургии широко применяют прессование на горизонтальных, реже на вертикальных гидравлических прессах (Смотри Прессование металлов). При производстве проволоки преимущественно используют волочение. Кузнечно-штамповочное производство и прессование — важнейшие способы обработки металлов давлением на машиностроительных предприятиях.
Термическая обработка, обеспечивающая получение наиболее благоприятной структуры металлов и сплавов, также известна давно. Цементация, закалка, закалка или закалка головки), к толстым листам и арматурной стали (упрочняющая обработка), к тонкому листу из трансформаторной стали (отжиг для улучшения магнитных свойств) и т.д.
Большое значение в современной металлургии, приобрели процессы нанесения на металл защитных покрытий. Это лужение, цинкование, алюминирование, хромирование, нанесение пластмассовых и других покрытий, значительно повышает качество и срок службы металла;
Смотри также:
— черная металлургия
— цветная металлургия
— порошковая металлургия
— металлургия полупроводников
— плазменная металлургия
— космическая металлургия
— вакуумная металлургия
— бескоксовая металлугрия
— атомная металлургия