Металлургия
Перевод
Металлургия
I Металлурги́я
(от греч. metallurgéo — добываю руду, обрабатываю
металлы, от métallon — рудник, металл и érgon
— работа)
в первоначальном, узком значении
— искусство извлечения металлов
из руд; в современном значении —
область науки и техники и
отрасль промышленности, охватывающие
процессы получения металлов из руд
или др. материалов, а также процессы,
связанные с изменением химического
состава, структуры, а следовательно,
и свойств металлических сплавов.
К М. относятся: предварительная
обработка добытых из недр земли
руд, получение и рафинирование
металлов и сплавов; придание им определённой
формы и свойств.
В современной технике исторически
сложилось разделение М. на
чёрную и цветную. Чёрная
металлургия охватывает производство сплавов
на основе железа: Чугуна,
стали (См. Сталь),
ферросплавов (См. Ферросплавы)
(на долю чёрных металлов приходится около
95% всей производимой в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает
производство большинства остальных металлов
(см.Металлы в
технике). В связи с использованием атомной
энергии развивается производство радиоактивных
металлов. Металлургические процессы
применяются также для производства полупроводников
и неметаллов (кремний, германий, селен,
теллур, мышьяк, фосфор, сера и др.); некоторые
из них получают попутно с извлечением
металлов. В целом современная М. охватывает
процессы получения почти всех элементов
периодической системы, за исключением
галоидов и газов.
Возникновение М., как показывают
археологические находки, относится
к глубокой древности (см. рис. 1).
Обнаруженные в 50—60-х гг. 20 в. в юго-западной
части Малой Азии следы выплавки меди
датируются 7—6-м тыс. до н. э. Примерно
в это же время человек познакомился с
самородными металлами: золотом, серебром,
медью, а затем и с метеоритным железом.
Сначала металлические изделия изготовляли
путём обработки металлов в холодном состоянии.
Медь и железо с трудом подвергались такой
обработке и поэтому не могли найти широкого
применения. После изобретения горячей
кузнечной обработки (ковки) медные изделия
получили более широкое распространение
(эпоха Энеолита).
Овладение искусством выплавки меди из
окисленных медных руд и придания ей нужной
формы литьём (5—4 тыс. до н. э.) привело
к быстрому росту производства меди и
к значительному расширению её применения.
Однако ограниченное количество месторождений
окисленных медных руд обусловило необходимость
освоения гораздо более сложного процесса
переработки сульфидных руд с применением
предварительного обжига руды и рафинирования
меди путём повторного плавления. Возникновение
этого процесса относится примерно 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 (сплава меди с оловом),
которые по качеству значительно
превосходили медные. Бронзовые
орудия труда, оружие и др. предметы
отличались большей устойчивостью
против коррозии, упругостью, твёрдостью,
остротой лезвия. Кроме того, бронза
имела более низкую температуру
плавления, чем медь, и лучше
заполняла литейную форму. Из
неё легче было отливать всевозможные
изделия. Вытеснение меди бронзой
означало переход к бронзовому
веку (См. Бронзовый
век). В конце 3-го и во 2-м тыс. до
н. э. крупным центром М. меди и бронзы на
территории СССР был Кавказ.
Примерно в середине 2-го тыс.
до н. э. человек начинает
овладевать и искусством получения
железа из руд. Сначала для
этой цели использовали костры,
а затем специальные плавильные
ямы — сыродутные горны (см. Сыродутный процесс).
В горн, выложенный из камня, загружали
легковосстановимую руду и древесный
уголь. Дутьё, необходимое для горения
угля, подавалось в горн снизу (первое
время естественной тягой, а впоследствии
при помощи мехов). Образующиеся газы (окись
углерода) восстанавливали окислы железа.
Относительно низкая температура процесса
и большое количество железистого шлака
препятствовали науглероживанию металла
и позволяли получать железо только с
низким содержанием углерода. Процесс
был малопроизводительным и обеспечивал
извлечение из руды лишь около половины
содержащегося в ней железа. М. железа
развивалась очень медленно, несмотря
на то, что железные руды гораздо более
распространены, чем медные, а температура
их восстановления ниже. Причина первоочередного
развития М. меди заключается в том, что
сыродутное железо по качеству значительно
уступало меди. Это объясняется прежде
всего тем, что при достижимых в то время
температурах процесса медь получалась
в расплавленном состоянии, а железо —
в виде тестообразной массы с многочисленными
включениями шлака и несгоревшего древесного
угля. В связи с низким содержанием углерода
сыродутное железо было мягким — изготовленные
из него оружие и орудия труда быстро затуплялись,
гнулись, не подвергались закалке; они
уступали по качеству бронзовым. Для перехода
к более широкому производству и применению
железа необходимо было усовершенствовать
примитивный сыродутный процесс, а главное
— овладеть процессами науглероживания
железа и его последующей закалки, т. с.
получения стали. Эти усовершенствования
обеспечили железу в 1-м тыс. до н. э. главенствующее
положение среди материалов, используемых
человеком (см.Железный
век). К началу н. э. М. железа была
почти повсеместно распространена в Европе
и Азии.
На протяжении почти 3 тысячелетий
М. железа не претерпела принципиальных
изменений. Постепенно процесс
совершенствовался: увеличивались
размеры сыродутных горнов, улучшалась
их форма, повышалась мощность
дутья; в результате горны превратились
в небольшие печи для производства
сыродутного железа — домницы
(рис. 2). Дальнейшее
увеличение размеров домниц привело в
середине 14 в. к появлению небольших доменных
печей (см. Доменное
производство). Увеличение высоты этих печей
и более интенсивная подача дутья способствовали
повышению температуры и значительно
более сильному развитию процессов восстановления
и науглероживания металла. Вместо тестообразной
массы сыродутного железа в доменных печах
получали уже высокоуглеродистый железный
расплав с примесями кремния и марганца
— чугун. Росту производства чугуна способствовало
изобретение в 14 в. способа передела его
в ковкое железо — т. н. кричного передела
(См. Кричный
передел). Переплавляя чугун в кричном
горне, его рафинировали от примесей путём
окисления их кислородом дутья и специально
загружаемого в горн железистого шлака.
Кричный процесс постепенно вытеснил
прежние малопроизводительные способы
получения стали на основе сыродутного
железа, несмотря на достигнутое с их помощью
чрезвычайно высокое качество металла
(см. Булат, Дамасская сталь). Т. о., возник двухстадийный
способ получения железа, сохранивший
своё значение и являющийся основой современных
схем производства стали. Следующим этапом
развития М. стали в Европе было появление
в Англии в 1740 тигельной плавки (См. Тигельная плавка) (задолго до того известной
на Востоке) и в последней четверти 18 в.
— пудлингования (См. Пудлингование).
Тигельный процесс был первым способом
производства литой стали (См. Литая сталь). Её выплавляли в тиглях из
огнеупорной глины, которые устанавливались
в специальной печи. В пудлинговом процессе,
как и в кричном, получали т. н. сварочное
железо. Для этого чугун рафинировали
от углерода и др. примесей на поду отражательной
печи.
Несмотря на большое значение
для развития техники своего
времени, тигельный и пудлинговый
процессы не могли удовлетворить
потребности в стали. М. чугуна
развивалась опережающими темпами.
Этому способствовало внедрение
водяных воздуходувных труб (рис. 3),
мехов с приводом от водяного колеса (с
15 в.), паровых воздуходувных машин (1782).
В конце 18 в. в доменном производстве начали
широко использовать каменноугольный
кокс (1735); к 19 в. относится начало применения
нагретого дутья и тщательной подготовки
руды к доменной плавке. Отставание сталеплавильного
производства проявлялось в том, что количество
выплавляемого чугуна долгое время (до
начала 20 в.) превышало количество производимой
стали. Главная роль в наступившем переломе
сыграло изобретение трёх новых процессов
производства литой стали: в 1856 — бессемеровского
процесса (См. Бессемеровский
процесс), в 1864 — мартеновского
(см.Мартеновское
производство) и в 1878 — томасовского процесса
(См. Томасовский
процесс). Распространение этих процессов
(в первую очередь мартеновского, которому
свойственно использование большого количества
металлического лома) привело к тому, что
к середине 20 в. выпуск чугуна составлял
уже только 70% от выплавки стали.
Дальнейшее развитие сталеплавильного
производства во 2-й половине 20 в.
связано с существенным увеличением
ёмкости и производительности
агрегатов, широким применением
кислорода для повышения эффективности
металлургических процессов, появлением
нового, быстро развивающегося способа
получения стали в кислородных
конвертерах (см. Кислородно-конвертерный
процесс), с развитием внепечного рафинирования
жидкой стали в вакууме, обработки стали
синтетическими шлаками и инертным газом,
с внедрением непрерывной разливки стали
(См. Непрерывная
разливка стали), широкой механизацией и автоматизацией
производственных процессов. Большое
значение в современной М. железа имеет
выплавка высококачественной и в том числе
легированной стали (См. Легированная
сталь), которая с начала 20 в. производится
в основном в электропечах (см. Электросталеплавильное производство).
Со 2-й половины 20 в. для получения некоторых
цветных металлов, а также стали особо
ответственные назначения начали применять
дополнительный переплав металла в дуговых
вакуумных печах (См. Дуговая
вакуумная печь), электрошлаковых, электроннолучевых
и плазменных установках (см.Электрошлаковый переплав, Электроннолучевая плавка, Плазменная металлургия).
В области извлечения железа из руд наряду
с доменным производством, которое продолжает
расширяться, развиваются разнообразные
способы прямого получения железа (См. Прямое получение железа).
Этим процессам, позволяющим получать
железо, пригодное для выплавки стали
в электропечах, принадлежит большое будущее.
Кроме железа, в древнем мире
добывали и применяли золото,
серебро, медь, олово, свинец, ртуть.
Многие др. металлы (в т. ч.
неизвестные древним) использовались
в сплавах, минералах или соединениях.
Золото в виде песка и
самородков добывали в доисторические
времена из россыпей путём
промывки. Для получения изделий
золотой песок подвергали горячей
ковке (кузнечной сварке) или переплавляли
в тиглях. При этом обычно получали
сплавы золота с серебром и
др. элементами, что обусловливало
разнообразные вариации цвета,
а также литейных и механических
свойств металла. Рафинирование золота
и отделение его от серебра началось во
2-й половине 2-го тыс. до н. э., но до 6 в. до
н. э. распространялось довольно медленно.
Удаление примесей (вместе со свинцом,
добавляемым для улучшения процесса) производили
путём окисления их воздухом. Отделение
серебра осуществляли путём хлорирования
сплава при нагреве в присутствии поваренной
соли, с последующей отгонкой летучих
хлоридов или их растворением. Др. способ
отделения серебра заключался в переводе
его в сульфиды при нагревании сплава
с сернистыми материалами и древесным
углём. Применение азотной кислоты для
отделения серебра от золота относится
уже к 13—14 вв. Процесс амальгамации (См.Амальгамация) также был известен в древнем
мире, но уверенности в том, что он применялся
для извлечения золота из руд и песков,
нет. После открытия русским учёным П.
Р. Багратионом
в 1843 основ цианирования (См. Цианирование) золотых руд и особенно после
работ английских металлургов Дж. С. Мак-Артура
и бр. Р. и У. Форрестов (1887—88) этот процесс
занял ведущее место в М. золота; иногда
он используется в соединении с амальгамацией.
Успешно применяется для извлечения золота
флотационное (см. Флотация)
и Гравитационное
обогащение.
Серебро в древности получали
главным образом попутно со
свинцом из галенита. Начало их
совместной выплавки можно отнести
к 3-му тыс. до н. э. (Малая
Азия); широкое распространение процесс
получил только через 1500—2000 лет.
Можно полагать, что технологическая
схема включала в себя обжиг
руды, горновую плавку, разделительную
плавку (ликвационное рафинирование,Зейгерование) и купеляцию (См. Купеляция). Во 2-й половине 20 в. свинец
получают преимущественно из полиметаллических
руд в результате флотационного обогащения,
агломерирующего обжига, восстановительной
плавки в шахтных печах и рафинирования
продукта этой плавки — чернового свинца
(веркблея (См. Веркблей)).
При рафинировании извлекается также
серебро (и золото, если оно есть).
Массовое производство меди
началось после изобретения В.
А. Семенниковым
в 1866 конвертирования (См. Конвертирование) штейна. Большую роль в развитии
конвертерной переработки штейна сыграла
предложенная в 1880 продувка расплава сбоку
(а не снизу, как в бессемеровском способе
получения стали из чугуна). При боковой
продувке воздух поступает непосредственно
в рафинируемый расплав, минуя легко затвердевающую
медь, которая собирается на дне конвертера.
Огромное значение для массового производства
меди имело изобретённое на рубеже 20 в.
флотационное обогащение, позволившее
успешно перерабатывать руды с содержанием
меди менее 1%. Нефлотирующиеся бедные
окисленные руды (менее 0,7% Cu) обрабатывают
гидрометаллургическим способом (путём
выщелачивания (См. Выщелачивание)).
Сульфидные руды можно выщелачивать в
самом месторождении (без добычи руды),
используя способ интенсификации выщелачивания
с применением бактерий (см. Бактериальное выщелачивание).
Олово в древности выплавляли
в простейших шахтных печах,
а затем очищали от посторонних
примесей посредством ликвационных
и окислительных процессов. Коренные
оловянные руды перед плавкой
подвергали дроблению и простейшему
обогащению; из россыпей руду
добывали промывкой. В современной
М. в связи с необходимостью
использования бедных оловянных
руд со значительным содержанием
примесей (сера, мышьяк, сурьма, висмут,
серебро и др.) олово получают
по сложным схемам комплексной
переработки руд, которые включают
в себя обогащение, обжиг, выщелачивание
примесей из рудных концентратов,
магнитную сепарацию их, восстановительную
плавку в отражательных, шахтных
или электрических (лучший способ)
печах с получением чернового
олова и рафинирование его
главным образом пирометаллургическим
(иногда электролитическим) методом.