Металлургия как область науки и техники, отрасль промышленности

Содержание

Раздел 1. История металлургии.

Раздел 2. Добывающая металлургия.

Раздел 3. Свойства металлов.

Раздел 4. Применения металлов.

Раздел 5. Сплавы.

Металлургия – это область науки и техники, отрасль промышленности.

К металлургии относятся:

производство металлов из природного сырья и других металлсодержащих продуктов;

получение сплавов;

обработка металлов в горячем  и холодном состоянии;

сварка;

нанесение покрытий из металлов;

область материаловедения, изучающая физическое и химическое поведение металлов.

К металлургии примыкает  разработка, производство и эксплуатация машин, аппаратов, агрегатов, используемых в металлургической промышленности.

Металлургия подразделяется на чёрную и цветную. Чёрная металлургия  включает добычу и обогащение руд  чёрных металлов, производство чугуна, стали и ферросплавов. К чёрной металлургии относят также производство проката чёрных металлов, стальных, чугунных и других предметов торговли из чёрных металлов. К цветной металлургии относят добычу, обогащение руд цветных металлов, производство цветных металлов и их сплавов.

К чёрным металлам относят железо. Все остальные — цветные.

По физическим свойствам  и назначению цветные металлы  условно делят:

тяжёлые металлы (медь, свинец, цинк, олово, Ni);

лёгкие (алюминий, титан, магний).

По основному технологическому процессу подразделяется на пирометаллургию (плавка) и гидрометаллургию (извлечение металлов в химических растворах). Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия.

Самыми распространенными  металлами являются:

алюминий

железо

медь

цинк

Магний

История металлургии

Первые свидетельства  того, что человек занимался металлургией, относятся к 5-6 тысячелетиям до н. э. и были найдены в Майданеке, Плоднике и других местах в Сербии (в том  числе медный топор 5500 лет до н. э., относящийся к культуре винчу), Болгарии (5000 лет до н. э.), Португалия, Испании, Стоунхендже (Великобритания).

Однако, как это нередко  случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно  определён.

В культуре ранних времён присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» — египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олово из горной породы и получать сплав, названный бронзой, люди в 3500 годы до н. э. вступили в Бронзовый век.

Получение железа из руды и  выплавка металла было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттами примерно в 1200 году до н. э., что стало началом Железного века. Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым факторомвладычества филистимлян.

Следы развития чёрной металлургии  можно отследить во многих прошлых  культурах и цивилизациях.

Сюда входят древние и  средневековые королевства и  империи Среднего Востока и Ближнего Востока, древний Египет и Анатолия (Турция), Карфаген, греки и римляне  античной и средневековой Европы, Китай, Индия, Япония и т. д.

Нужно заметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии  первоначально были придуманы в  Древнем Китае, а потом и европейцы  освоили это ремесло (изобретя доменные печи, чугун, сталь, гидр молоты и т. п.).

Тем не менее, последние исследования свидетельствуют о том, что технологии римлян были гораздо более продвинутыми, чем предполагалось ранее, особенно в области горной добычи и ковки.

Металлургия в первоначальном значении - искусство извлечения металлов из руд. Возникла металлургия еще  в глубокой древности. При раскопках  были найдены следы выплавки купрума, датированные еще 7-6-м тысячелетием до н.э. И примерно в то же время человеку стали известны такие самородные металлы, как серебро, золото, медь, железо с метеоритов. 

 

 

 

 

 

Сначала железо и медь обрабатывали в холодном состоянии. Металл поддавался такой обработке. Более широкое  распространение медные предмета торговли получили с изобретением ковки - горячей кузнечной обработки.

Затем широко распространилась бронза (2-е тысячелетие до н.э.). Бронза - это сплав купрума с оловом, по качеству она намного превосходила медь. Это и устойчивость против коррозии, и твёрдость, и острота лезвия, и лучшее заполнение литейных форм. Это был переход к бронзовому веку.

Следующим этапом человек  научился получать из руд железо. Процесс его получения заключался в использовании сыродутных горнов и был малопроизводителен. Этот процесс стали улучшать - ввели обогащение железа углеродом и последующую его закалку. Так получилась сталь. И к 1-му тысячелетию до н.э. Железо стало наиболее распространенным среди используемых человеком материалов (Европа, Азия).

Металлургия железа не менялась, наверное, порядка 3 тысячелетий. Но процесс постепенно улучшался, и к середине 14 века появились первые доменные печи. Увеличение высоты этих печей и, соответственно, более мощная подача дутья, привели к удобному получению чугуна. Появился так называемый кричный передел (передел чугуна в ковкое железо). Кричный процесс как способ получения стали был более выгоден и практически вытеснил прежние способы ее получения на основе сыродутного железа. Хотя из него и делалась та самая, знаменитая дамасская сталь.

В Британии в 1740 г. появилась тигельная плавка (уже известная на Востоке). А в последней четверти 18 века - пудлингование. Тигельная плавка - это был первый способ производства литой стали. Но эти процессы не могли конкурировать с развивающейся быстрыми темпами металлургией чугуна. Перелом произошел с изобретением трех новых процессов получения литой стали. В 1856 году - это бессемеровский процесс. В 1864 году - мартеновский, а в 1878 - томасовский процесс. К середине 20 века производство стали уже потеснило чугун в процентном отношении. 

Дальше производство развивалось  путем всё большего увеличения производительности агрегатов, различными улучшениями  в технологии, широкой автоматизацией производственных процессов. В электропечах начала производиться высококачественная (легированная) сталь. Использовался  переплав металла в дуговых вакуумных печах, в плазменных установках. Начали развиваться способы прямого получения железа, за которыми будущее.

А добывали золото, серебро, олово, свинец, медь, ртуть.

В доисторические времена золото получали из россыпей путем промывки. Оно выходило в виде песка и самородков. Затем начали применять рафинирование золота (удаление примесей, отделение серебра), во второй половине 2-го тысячелетия до н.э. В 13-14 веках научились применять азотную кислоту для разделения золота и серебра. А в 19 веке был развит процесс амальгамации (хоть он и был известен в древности, но нет доказательств, что его использовали для добычи золота из песков и руд).

Серебро добывали из галенита, вместе со свинцом. Затем, через столетия, их начали выплавлять совместно (примерно к 3-му тысячелетию до н.э. в Малой Азии), а широкое распространение это получило еще спустя 1500-2000 лет.

Медь начали массово производить, когда Семенников В.А. изобрел в 1866 году конвертирование штейна.

Олово когда-то давно выплавляли в простых шахтных печах, после  чего делалась его очистка специальными окислительными процессами. Сейчас в  металлургии олово получают путем  переработки руд по сложным комплексным  схемам.

Ну, а ртуть производили  путем обжига руды в кучах, при  котором она конденсировалась на холодных предметах. Затем уже появились  керамические сосуды (реторты), на смену  которым пришли железные. А с ростом спроса на ртуть ее стали получать в специальных печах.

Материальные ценности человека немыслимы без металлов, и значение металлургии в создании современной цивилизации очень велико. Металлы применяются в строительстве, военном деле, в транспорте и связи, в производстве средств и предметов потребления, в сельском хозяйстве. Современная металлургия позволяет получать почти все элементы периодической системы, кроме разве что галоидов и газов. 

 

 

 

Для получения металлического листа из крицы, скажем, весом всего  в 30-35 килограммов молотобоец должен был напряженно работать 12-15 часов. А попробуйте-ка столько времени  помахать огромной кувалдой! С появлением же механического молота для выполнения подобной работы уже не требовалось таких усилий, да и занимала она всего4-6 часов, включая время на разогрев металла.

Развивая большую ударную  силу, молоты позволяли получать металл гораздо большей прочности, чем  в ручной кузнице. Хвостовой молот, применявшийся для отковки полосового металла на одном из шведских заводов, имел боек весом около 80 килограммов  и делал 120 ударов в минуту. Разумеется, никакому молотобойцу подобное было не под силу.

Но скоро стало очевидным, что и хвостовой молот, не обеспечивает необходимой однородности механических свойств по всему объему некоторых предметов торговли (например, поковок большой длины - полосового железа и т.п.). Ведь металлическую полосу под удар бойка рабочий подвигал вручную. Требовалось найти принципиально новый способ механической обработки металла, который давал бы абсолютно одинаковое давление по всей плоскости предмета торговли.

Вам, несомненно, приходилось  видеть, как хозяйки круглой скалкой  раскатывают ком теста на столе. Постепенно тесто делается все тоньше и тоньше, зато занимает все большую  площадь. Теперь представьте, что вместо теста вы имеете дело с раскаленным  металлом, а вместо скалки и поверхности  стола у вас два круглых  вращающихся валка. Металл пропускают между валками один раз, другой, третий.

Все тоньше и тоньше становится металлическая полоса, все сильнее  она вытягивается. И что самое  главное, упрочняется равномерно по всей длине. Такой процесс обработки  металла называется прокаткой. А  два валика - это и есть прокатный  стан. 

 

 

Добывающая металлургия

Добывающая металлургия заключается  в извлечении ценных металлов из руды и переплавке извлечённого сырья  в чистый металл. Для того чтобы  превратить оксид или сульфид  металла в чистый металл, руда должна быть отделена физическим, химическим или электролитическим способом.

Металлурги работают с тремя  основными составляющими: сырьём, концентратом (ценный оксид или сульфид металла) и отходами. После добычи большие  куски руды измельчаются до такой  степени, когда каждая частица является либо ценным концентратом, либо отходом.

Горные работы не обязательны, если руда и окружающая среда позволяют провести выщелачивание. Таким путём можно растворить минерал и получить обогащённый минералом раствор.

Зачастую руда содержит несколько  ценных металлов. В таком случае отходы одного процесса могут быть использованы в качестве сырья для  другого процесса.

Смотреть видео 3, добавленное в раздел ""

Свойства металлов

металлы в целом обладают следующими физическими свойствами:

Твердость.

Звукопроводность.

Высокая температура плавления.

Высокая температура кипения.

При комнатной температуре металлы  находятся в твёрдом состоянии (за исключением ртути, единственного  металла, находящегося в жидком состоянии  при комнатной температуре).

Отполированная поверхность металла  блестит.

Металлы — хорошие проводники тепла  и электричества.

Обладают высокой плотностью.

 

 

Применения металлов

медь обладает пластичностью и  высокой электропроводностью. Именно поэтому она нашла свое широкое  применение в электрических кабелях.

Золото и серебро очень тягучи, вязки и инертны, поэтому используются в ювелирном деле. Золото также  используется для изготовления неокисляемых электрических соединений. 
  

 

 

Железо и сталь обладают твердостью и прочностью. Благодаря  этим их свойствам они широко используются в строительстве.

Алюминий ковок и хорошо проводит тепло. Он используется для изготовления кастрюль и фольги. Благодаря своей низкой плотности — при изготовлении частей самолётов.

Человек начал использовать металл в жизнедеятельности еще  с древнейших времен. Создание качественных сельскохозяйственных орудий и оружия для охоты и защиты своего племени  было бы невозможно, если для этого  не использовались различные виды металлов.