Металург і я (від грец. Metallurg éo - здобуваю руду, обробляю метали, від m é tallon - рудник, метал і é rgon - робота), в первинному, вузькому значенні - мистецтво вилучення металів з руд; в сучасному значенні - галузь науки і техніки і галузь промисловості, що охоплюють процеси здобуття металів з руд або ін. матеріалів, а також процеси, пов'язані зі зміною хімічного складу, структури, а отже, і властивостей металевих сплавів. До М. відносяться: попередня обробка здобутих з надр землі руд, здобуття і рафінування металів і сплавів; надання їм певної форми і властивостей.
У сучасній техніці історично склалося розділення М. на чорну і кольорову. Чорна металургія охоплює виробництво сплавів на основі заліза: чавуну , стали , феросплавів (На частку чорних металів припадає близько 95% всієї виробленої в світі металопродукції). Кольорова металургія включає виробництво більшості інших металів (див. метали в техніці). У зв'язку з використанням атомної енергії розвивається виробництво радіоактивних металів. Металургійні процеси застосовуються також для виробництва напівпровідників і неметалів (кремній, германій, селен, телур, миш'як, фосфор, сірка та ін.); деякі з них отримують попутно з витяганням металів. В цілому сучасна М. охоплює процеси отримання майже всіх елементів періодичної системи, за винятком галоідов і газів.
Виникнення М., як показують археологічні знахідки, відноситься до глибокої старовини (див. Рис. 1). Виявлені в 50-60-х рр. 20 в. в південно-західній частині Малої Азії сліди виплавки міді датуються 7-6-м тис. до н. е. Приблизно в цей же час людина познайомилася з самороднимі металами: золотом, сріблом, міддю, а потім і з метеоритним залізом. Спочатку металеві вироби виготовляли шляхом обробки металів в холодному стані. Мідь і залізо насилу піддавалися такій обробці і тому не могли знайти широкого застосування. Після винаходу гарячої ковальської обробки (кування) мідні вироби набули широкого поширення (епоха енеоліту ). Оволодіння мистецтвом виплавки міді з окислених мідних руд і додання їй потрібної форми литвом (5-4 тис. До н. Е.) Привело до швидкого зростання виробництва міді і до значного розширення її застосування. Проте обмежена кількість родовищ окислених мідних руд зумовила необхідність освоєння набагато більш складного процесу переробки сульфідних руд із застосуванням попереднього випалу руди і рафінування міді шляхом повторного плавлення. Виникнення цього процесу відноситься приблизно до середини 2-го тис. До н. е. (Близький Схід, Центральна Європа).
У 2-му тис. До н. е. почали широко застосовуватися вироби з бронзи (сплаву міді з оловом), які за якістю значно перевершували мідні. Бронзові знаряддя праці, зброю та ін. Предмети відрізнялися більшою стійкістю проти корозії, пружністю, твердістю, гостротою леза. Крім того, бронза мала нижчу температуру плавлення, ніж мідь, і краще заповнювала ливарну форму. З неї легше було відливати всілякі вироби. Витіснення міді бронзою означало перехід до бронзового віку . В кінці 3-го і в 2-му тис. До н. е. великим центром М. міді і бронзи на території СРСР був Кавказ.
Приблизно в середині 2-го тис. До н. е. людина починає оволодівати і мистецтвом отримання заліза з руд. Спочатку для цієї мети використовували багаття, а потім спеціальні плавильні ями - сиродутние сурми (див. сиродутний процес ). В горн, викладений з каменю, завантажували легковосстановімую руду і деревне вугілля. Дуття, необхідне для горіння вугілля, подавалося в горн знизу (перший час природною тягою, а згодом за допомогою хутра). Гази (окисел вуглецю) відновлювали оксиди заліза. Відносно низька температура процесу і велика кількість залізистого шлаку перешкоджали вуглецюванню металу і дозволяли отримувати залізо лише з низьким вмістом вуглецю. Процес був малопродуктивним і забезпечував витяг з руди лише близько половини міститься в ній заліза. М. заліза розвивалася дуже повільно, незважаючи на те, що залізняк набагато поширеніший, ніж мідні, а температура їх відновлення нижча. Причина першочергового розвитку М. міді полягає в тому, що сиродутноє залізо за якістю значний поступалося міддю. Це пояснюється перш за все тим, що при досяжних в той час температурах процесу мідь виходила в розплавленому стані, а залізо - у вигляді тістоподібної маси з численними включеннями шлаку і незгорілого деревного вугілля. У зв'язку з низьким вмістом вуглецю сиродутноє залізо було м'яким - виготовлені з нього зброю і знаряддя праці швидко затуплялісь, гнулися, що не піддавалися гарту; вони поступалися за якістю бронзовим. Для переходу до ширшого виробництва і вживання заліза необхідно було удосконалити примітивний сиродутний процес, а головне - опанувати процеси вуглецювання заліза і його подальшого гарту, т. З. отримання стали. Ці удосконалення забезпечили залозу в 1-м тис. До н. е. чільне місце серед матеріалів, використовуваних людиною (див. Залізний вік ). До початку н. е. М. заліза була майже повсюдно поширена в Європі і Азії.
Протягом майже 3 тисячоліть М. заліза не зазнала принципових змін. Поступово процес удосконалювався: збільшувалися розміри сиродутних горнів, покращувалася їх форма, підвищувалася потужність дуття; в результаті сурми перетворилися в невеликі печі для виробництва сиродутного заліза - домниці (рис. 2). Подальше збільшення розмірів домниц призвело в середині 14 ст. до появи невеликих доменних печей (див. доменне виробництво ). Збільшення висоти цих печей і інтенсивніша подача дуття сприяли підвищенню температури і значно більш сильному розвитку процесів відновлення і науглероживания металу. Замість тістоподібної маси сиродутного заліза в доменних печах отримували вже високовуглецевий залізний розплав з домішками кремнію і марганцю - чавун. Зростанню виробництва чавуну сприяло винахід в 14 ст. способу переділу його в ковкий залізо - т. зв. кричного переділу . Переплавляючи чавун в крічном горні, його рафінували від домішок шляхом окислення їх киснем дуття і спеціально завантажуваного в горн залізистого шлаку. Крічний процес поступово витіснив колишні малопродуктивні способи отримання сталі на основі сиродутного заліза, незважаючи на досягнуту з їх допомогою надзвичайно високу якість металу (див. Булат , Дамаська сталь ). Т. о., Виник двохстадійний спосіб отримання заліза, що зберіг своє значення і є основою сучасних схем виробництва стали. Наступним етапом розвитку М. стали в Європі була поява в Англії в 1740 плавки тигля (Задовго до того відомою на Сході) і в останній чверті 18 ст. - пудлингования . Тигля був першим способом виробництва литої сталі . Її виплавляли в тиглях з вогнетривкої глини, які встановлювалися в спеціальній печі. У пудлінговом процесі, як і в крічном, отримували т. Н. зварювальне залізо. Для цього чавун рафінували від вуглецю та ін. Домішок на поду відбивної печі.
Незважаючи на велике значення для розвитку техніки свого часу, тигля і пудлінговий не могли задовольнити потреби в стали. М. чавуну розвивалася випереджаючими темпами. Цьому сприяло впровадження водяних повітродувних труб (рис. 3), хутра з приводом від водяного колеса (з 15 в.), Парових повітродувних машин (1782). В кінці 18 ст. в доменному виробництві почали широко використовувати кам'яновугільний кокс (1735); до 19 в. відноситься початок вживання нагрітого дуття і ретельної підготовки руди до доменної плавки. Відставання сталеплавильного виробництва виявлялося в тому, що кількість виплавленого чавуну довгий час (до початку 20 ст.) Перевищувала кількість виробленої сталі. Головна роль в переломі, зіграло винахід трьох нових процесів виробництва литої сталі: у 1856 - бесемерівського процесу , В 1864 - мартенівського (див. мартенівське виробництво ) І в 1878 - томасівського процесу . Поширення цих процесів (в першу чергу мартенівського, якому властиве використання великої кількості металевого брухту) призвело до того, що до середини 20 ст. випуск чавуну становив уже тільки 70% від виплавки сталі.
Подальший розвиток сталеплавильного виробництва в 2-ій половині 20 ст. пов'язане з істотним збільшенням ємності і продуктивності агрегатів, широким застосуванням кисню для підвищення ефективності металургійних процесів, появою нового, швидко розвивається способу отримання сталі в кисневих конвертерах (див. Киснево-конвертерний процес ), З розвитком внепечного рафінування рідкої сталі у вакуумі, обробки стали синтетичними шлаками і інертним газом, з впровадженням безперервного розливання сталі , Широкою механізацією і автоматизацією виробничих процесів. Велике значення в сучасній М. заліза має виплавка високоякісної і в тому числі легованої сталі , Яка з початку 20 ст. виробляється в основному в електропечах (див. електросталеплавильного виробництва ). З 2-ої половини 20 ст. для отримання деяких кольорових металів, а також стали особливо відповідальні призначення почали застосовувати додаткову переплавку металу в дугових вакуумних печах , Електрошлакових, електронно-променевих і плазмових установках (див. електрошлаковий переплав , електроннопроменева плавка , плазмова металургія ). В області вилучення заліза з руд поряд з доменним виробництвом, яке продовжує розширюватися, розвиваються всілякі способи прямого отримання заліза . Цим процесам, що дозволяє отримувати залізо, придатне для виплавки стали в електропечах, належить велике майбутнє.
Крім заліза, в стародавньому світі добували і застосовували золото, срібло, мідь, олово, свинець, ртуть. Багато ін. Метали (в т. Ч. Невідомі древнім) використовувалися в сплавах, мінералах або з'єднаннях.
Золото у вигляді піску і самородків добували в доісторичні часи з розсипів шляхом промивання. Для отримання виробів золотий пісок піддавали гарячому куванню (ковальській зварюванні) або переплавляли в тиглях. При цьому зазвичай отримували сплави золота з сріблом і ін. Елементами, що обумовлювало всілякі варіації кольору, а також ливарних і механічних властивостей металу. рафінування золота і відділення його від срібла почалося в 2-й половині 2-го тис. до н. е., але до 6 ст. до н. е. поширювалося досить повільно. Видалення домішок (разом зі свинцем, що додається для поліпшення процесу) виробляли шляхом окислення їх повітрям. Відділення срібла здійснювали шляхом хлорування сплаву при нагріванні в присутності кухонної солі, з подальшим відгоном летких хлоридів або їх розчиненням. Др. спосіб відділення срібла полягав в переведенні його в сульфіди при нагріванні сплаву з сірчистими матеріалами і деревним вугіллям. Застосування азотної кислоти для відділення срібла від золота відноситься вже до 13-14 вв. процес амальгамування також був відомий в стародавньому світі, але впевненості в тому, що він застосовувався для вилучення золота з руд і пісків, немає. Після відкриття російським вченим П. Р. Багратіоном в 1843 основ ціанування золотих руд і особливо після робіт англійських металургів Дж. С. Мак-Артура і бр. Р. і У. Форрест (1887-88) цей процес зайняв провідне місце в М. золота; іноді він використовується в поєднанні з амальгамуванням. Успішно застосовується для вилучення золота флотационное (див. флотация ) і гравітаційне збагачення .
Срібло в давнину отримували головним чином попутно зі свинцем з галеніту. Початок їх спільної виплавки можна віднести до 3-го тис. До н. е. (Мала Азія); широкого поширення процес набув тільки через 1500-2000 років. Можна вважати, що технологічна схема включала випалення руди, горнову плавку, розділову плавку (ліквационноє рафінування, зейгерування ) і купеляцию . У 2-ій половині 20 ст. свинець отримують переважно з поліметалічних руд в результаті флотаційного збагачення, агломеруючого випалу, відновної плавки в шахтних печах і рафінування продукту цієї плавки - чорнового свинцю ( веркблея ). При рафінуванні витягується також срібло (і золото, якщо воно є).
Масове виробництво міді почалося після винаходу В. А. Семенниковим в 1866 конвертації Штейна. Велику роль у розвитку конвертерної переробки штейну зіграла запропонована в 1880 продування розплаву збоку (а не знизу, як в бессемеровском способі отримання сталі з чавуну). При бічному продуванні повітря надходить безпосередньо в рафініруемий розплав, минаючи легко твердіє мідь, яка збирається на дні конвертера. Величезне значення для масового виробництва міді мало винайдене на рубежі 20 ст. флотационное збагачення, що дозволило успішно переробляти руди з вмістом міді менше 1%. Флотуються бідні окислені руди (менше 0,7% Cu) обробляють гідрометалургійним способом (шляхом вилуговування ). Сульфідні руди можна вилуговувати в самому родовищі (без видобутку руди), використовуючи спосіб інтенсифікації вилуговування із застосуванням бактерій (див. бактеріальне вилуговування ).
Олово в давнину виплавляли в простих шахтних печах, а потім очищали від сторонніх домішок за допомогою ліквационних і окислювальних процесів. Корінні олов'яні руди перед плавкою піддавали дробленню і простому збагаченню; з розсипів руду добували промиванням. У сучасній М. у зв'язку з необхідністю використання бідних олов'яних руд із значним вмістом домішок (сірка, миш'як, сурма, вісмут, срібло та ін.) Олово отримують за складними схемами комплексної переробки руд, які включають в себе збагачення, випал, вилуговування домішок з рудних концентратів, магнітну сепарацію їх, відновну плавку у відбивних, шахтних або електричних (кращий спосіб) печах з отриманням чорнового олова і рафінування його головним чином пірометаллургічним (іноді електролітичним) мет одом.
Перші способи виробництва ртуті зводилися, мабуть, до випалення руди в купах; ртуть конденсувалась при цьому на холодних предметах. Пізніше з'явилася керамічного реторта. Методи здобуття ртуть, описана німецьким вченим Г. Агріколой (16 ст.), Зводяться до випалення руди в керамічних посудинах з різними конденсаторами. Залізні реторти з'явилися в 17 ст. (1641). Потім у міру зростання попиту на ртуть отримали вживання продуктивніших шахтні печі (періодичного, а пізніше і безперервної дії), відбивні печі (з 1842), трубчасті печі (з початку 20 ст.), Які служать основним агрегатом для переробки ртутних руд. Перспективний спосіб здобуття ртуті - переробка руд в киплячого шару печах , Успішно освоєна в СРСР.
Технологічні схеми процесів здобуття останніх металів, виробництво яких досягло значного рівня тільки протягом останніх століть (а іноді і років), висвітлюються у відповідних статтях (див. алюміній , цинк , Марганець , хром , нікель , магній та ін.).
Сучасна М. як сукупність основних технологічних операцій виробництва металів і сплавів включає в себе: 1) підготовку руд до витягання металів (в т. Ч. Збагачення); 2) процеси витягання і рафінування металів: пірометалургічні, гідрометалургійні, електролітичні; 3) процеси отримання виробів з металевих порошків шляхом спікання; 4) кристалофізичні методи рафінування металів і сплавів; 5) процеси розливання металів і сплавів (з отриманням злитків або виливків); 6) обробку металів тиском; 7) термічну, термомеханічну, хіміко-термічну і ін. Види обробки металів для додання їм відповідних властивостей; 8) процеси нанесення захисних покриттів.
З М. тісно пов'язані коксохімічна промисловість , виробництво вогнетривів і ряд ін. галузей промисловості.
Підготовка руд до витягання металів починається з дроблення , подрібнення , просівання і класифікації (див. Класифікатор ). Наступна стадія обробки - збагачення (див. Збагачення корисних копалин ). У процесі збагачення або після нього матеріали піддають зазвичай випалу або сушці. Вельми перспективне випалення в киплячому шарі. Найбільше застосування в збагачувальної техніці мають флотаційні, гравітаційні, магнітні й електричні методи. Флотацій переробляють понад 90% всіх збагачуваних руд кольорових і рідкісних металів. З гравітаційних процесів поширені збагачення у важких середовищах, відсадження, концентрація на столах та ін. Методи.
Велике значення збагачувальних процесів в сучасній М. обумовлено прагненням до підвищення ефективності металургійного виробництва, а також тим, що в міру зростання виплавки металів доводиться використовувати все бідніші руди. Безпосередня металургійна переробка таких руд (без збагачення), як правило, неекономічна, а в деяких випадках навіть неможлива.
Прікінцевімі операціямі подготовки руд є зазвічай їх усереднювання, змішення, а такоже окускование с помощью агломерації , окатіванія (Огрудкування) або брікетування . Необхідність окускования обумовлена тим, що в процесі збагачення руди піддаються подрібненню, а вживання в плавці дрібно подрібнених матеріалів в деяких металургійних виробництвах небажано або неприпустимо.
Пирометаллургические (високотемпературні) методи витягання і рафінування металів вельми різноманітні (див. Пірометалургія ). Вони здійснюються в шахтних, відбивних або електричних печах, конвертерах і ін. Агрегатах. У пірометалургійних процесах відбувається концентрація металів і домішок, що видаляються в різних фазах системи, що утворюється при нагріванні або розплавлення переробляються. Такими фазами можуть служити газ, рідкі метали, шлак, штейн і тверді речовини. Після поділу одна або декілька з цих фаз прямують на подальшу переробку. Для здійснення необхідних операцій в пирометаллургии застосовують окислювальні, відновлювальні та ін. Процеси. З метою інтенсифікації окислення успішно використовують газоподібний кисень, а також хлор і селітру. Як відновники застосовують вуглець, окис вуглецю, водень або деякі метали (див. Металлотермія ). Прикладами відновних процесів можуть служити доменна плавка, виплавка вторинної міді, олова і свинцю в шахтних печах, отримання феросплавів і титанового шлаку в рудовідновних електропечах. Магнійтермічеським відновленням отримують, наприклад, титан. Окислювальне рафінування є необхідним елементом в мартенівському і конвертерному виробництві сталі, при здобутті анодної міді, а також свинцю.
Вельми широко використовуються методи витягання і рафінування металів, засновані на освіті сульфідів, хлоридів, йодидів (див. Іодідний метод ), Карбонилов. Велике значення мають процеси, що базуються на явищах випару і конденсації ( дистиляція , ректифікація , Вакуумна сепарація, сублімація ). Отримали розвиток позапічні методи рафінування стали, а також вакуумна плавка і плавка в аргоні, що знаходять застосування при виробництві хімічно активних металів (титану, цирконію, молібдену і ін.) і стали.
Гідрометалургійні методи витягання і рафінування металів, які не потребують високих температур, базуються на використанні водних розчинів (див. Гідрометалургія ). Щоб перевести метали в розчин, застосовують вилуговування за допомогою водних розчинів кислот, підстав або солей. Для виділення елементів з розчину використовують цементацию , кристалізацію , адсорбцію , Осадження (див. осаджувальна плавка ) або гідроліз . Широке поширення отримали сорбція металів іонообмінними речовинами (в основному синтетичними смолами) і екстракція (За допомогою органічних рідин). Сучасні сорбційні і екстракційні процеси характеризуються високою ефективністю. Вони дозволяють отримувати метали не тільки з розчинів, а й з пульпи, минаючи операції відстоювання, промивання і фільтрації. З ін. Гідрометалургійних процесів слід відзначити автоклавную переробку матеріалів при підвищених температурах і тиску (див. автоклав ), А також очищення розчинів від домішок в киплячому шарі. У деяких виробництвах застосовують витягання металів (наприклад, золота) з руд за допомогою ртуті - амальгамування.
Велике значення в М. має здобуття або рафінування кольорових металів електролітичним осадженням (див. електроліз ) Як з водних розчинів (мідь, нікель, кобальт, цинк), так і з розплавів (алюміній, магній). Алюміній, наприклад, отримують електролізом кріолітгліноземного розплаву.
Знаходить застосування також виробництво виробів з металевих порошків, або порошкова металургія . У ряді випадків цей процес забезпечує більш високу якість виробів і кращі техніко-економічні показники виробництва, ніж традиційні способи.
Для одержання особливо чистих металів і напівпровідників застосовуються кристалофізичні методи рафінування ( зонне плавлення , Витягування монокристалів з розплаву), засновані на відмінності складів твердої і рідкої фаз при кристалізації металу з розплаву.
Процеси отримання виливків з розплавлених металів і сплавів (див. Ливарне виробництво ) І злитків, призначених для подальшої обробки тиском (див. розлив металу ), Відомі людству протягом багатьох століть. Основні напрямки технічного прогресу в цій області пов'язані з переходом до безперервного розливання сталі і сплавів і до поєднаних процесів литва і обробки заготовок тиском (наприклад, бесслітковоє здобуття дроту або аркуша з розплавленого алюмінію, міді, цинку).
Обробка металів тиском також відома людям дуже давно (кування заліза була, наприклад, необхідним елементом процесу переробки криці). Ковальсько-штампувальне виробництво и пресування є найважливішими складовими частинами машинобудування. Прокатка - основний спосіб обробки металів і сплавів тиском на современнихи металургійних заводах (див. прокатне виробництво ). Прокатний стан, вперше запропонований, мабуть, ще Леонардо да Вінчі (1495), перетворився на потужний високоавтоматизований агрегат, продуктивність якого досягає кілька млн. Т металу в рік. Поряд з листовим і сортовим металом за допомогою прокатних станів отримують труби, гнуті і періодичні профілі (див. прокатний профіль ), біметал і ін. види виробів. Для виготовлення дроту в сучасній М. широко застосовують волочіння .
Термічна обробка, що забезпечує отримання найбільш сприятливою структури металів і сплавів, також має дуже давнє походження. Такі процеси, як цементація , гарт , отжиг и відпустку металів , Були відомі і добре освоєні на практиці вже в глибокій старовині. наукові основи термічної обробки металів і сплавів були розроблені Д. К. Черновим (див. Металознавство ). У сучасній техніці термічна обробка металів і сплавів, а також ін. Види обробки (див. термомеханічна обробка , Хіміко-механічна обробка , Хіміко-термічна обробка ) Мають дуже широке застосування. Крім готових деталей, які піддаються обробці на машинобудівних підприємствах, її проходят багато видів продукції і на металургійних заводах. Це відноситься, наприклад, до сталевих рейок (об'ємний гарт або гарт голівки), до товстих листів і арматурної сталі (зміцнююча обробка), до тонкого аркуша з трансформаторної сталі (відпал для поліпшення магнітних властивостей) і т.д.
Велике значення в сучасній М. набувають процесів нанесення на метал різних захисних покриттів. До таких процесів відносяться лудіння , цинкування , Нанесення пластмасових і ін. Покриттів, значно підвищують якість і термін служби металу.
Значення М. в створенні сучасної цивілізації виключно велике. Матеріальна культура людського суспільства немислима без металів; вона базується на них у виробництві засобів виробництва, засобів транспорту і зв'язку, в будівництві, в військовій справі. Велику роль відіграють метали в сільському господарстві і у виробництві предметів споживання. Дані про обсяг і динаміку виробництва сталі, чавуну, найважливіших кольорових металів і ін. Відомості про М. як галузі промисловості приведені в статтях Чорна металургія , Кольорова металургія .
Літ .: Основи металургії, т. 1-6, М., 1961-73; Металознавство і термічна обробка стали. Довідник, 2 вид., М., 1961-62; Прокатне виробництво. Довідник, т. 1-2, М., 1962; Доменне виробництво. Довідник, т. 1-2, М., 1963; Сталеплавильне виробництво. Довідник, т. 1-2, М., 1964; Aitchison L., A history of metals, v. 1-2, L., 1960.
А. Я. Стомахин.
Рис. 1. Плавка металу в Давньому Єгипті (дуття подається хутром, зшитими з шкур тварин).
Рис. 3. Каталонський горн з водяною повітродувною трубою: 1 - клапан; 2 - отвори для повітря; 3 - труба; 4 - злив води; 5 - дуття; 6 - фурма; 7 - руда і деревне вугілля; 8 - криця; 9 - шлак; 10 - випуск шлаку.
Рис. 2. Домниця (штюкофен) в Німеччині 15-16 ст.