Металлургия (от греч. Metallurgeo - добываю руду, обрабатываю металлы), область науки, техники и отрасль промышленности, включающие производство металлов из природного сырья (в частности, руд) и др. металлсодержащих продуктов (в том числе из отходов производств металлических материалов, сплавов и изделий), получение сплавов, обработку металлов в горячем и холодном состоянии, сварку. а также нанесение покрытий из металлов. К металлургии примыкает разработка, производство, эксплуатация машин, аппаратуры, агрегатов, используемых в металлургической промышленности.
Для изучения закономерностей процессов концентрирования, извлечения, получения, рафинирования и легирования металлов, а также процессов, связанных с изменением состава, структуры и свойств сплавов и материалов, полуфабрикатов и изделий из них в металлургия используют физические, химические, физико-химические и материальные методы исследования.
Металлургию подразделяют на черную и цветную. Черная металлургия охватывает производство чугуна, стали и ферросплавов (см. Железа сплавы). С металлургией тесно связаны коксохимия. производство огнеупорных материалов. К черной металлургия относят также производство проката, стальных, чугунных и др. изделий (на долю черных металлов приходится ~ 95% всей производимой в мире металлопродукции). В 70-е гг. определилась тенденция замены черных металловсплавами алюминия и титана. а также композиционными, полимерными, керамическими материалами, что вместе с высоким качеством выпускаемых металлов и низкой металлоемкостью продукции в промышленно развитых капиталистич. странах привело к снижению объема производства черных металлов в этих странах (табл. 1).
Табл.1.-ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ И ЧУГУНА В РЯДЕ СТРАН, МЛН.Т
* Данные за 1985. ** Данные за 1982.
Например, в СССР в 1988 потребление стали и стеклопластиков составило соотв. 160 и 6 млн. т, в то время как в США-100 и 28 млн. т.
Ц в е т н а я металлургия включает производство и обработку цветных и редких металлов и их сплавов. Попутно промышленность цветной металлургия производит различные химические соединения, материалы, минеральные удобрения и др. Металлургии. процессы применяют также для производства полупроводниковых материалов (Si, Ge, Se, Те, As, Р и др.), радиоактивных металлов. Современная металлургия охватывает процессы получения мн. элементов периодич. системы (кроме газообразных). Объемы производства (1987) некоторых цветных металлов (тыс. т): США-Аl 3200, Сu 1560, Zn 260, Pb 330 (металл в добытой руде); Япония-Аl 41, Сu 980, Zn 666, Pb 268; ФРГ-Аl 737,7, Сu 421,2 (1986), Zn 370,9 (1986), Pb 366,6 (1986).
Современное металлургическое производство включает след. технол. операции: подготовку и обогащение руд; гидрометаллургич. (см. Гидрометаллургия), пирометаллургич. (см. Пирометаллургия. Металлотермия), электротермические и электролитические процессы извлечения и рафинирования металлов; получение изделий спеканиемпорошков (см. Порошковая металлургия. Спекание); химические и физические методы рафинирования металлов; плавку и разливку металлов и сплавов; обработку металловдавлением (прокат, штамповка и т.д.); термические, термомеханические, химико-термич. и др. виды обработки металлов для придания им требуемых свойств и др.; процессы нанесения защитных и упрочняющих покрытий (на металлы и металлов на изделия).
В обогатительной технологии наиб. распространение получили флотац., гравитац., магн. и электростатич. методы обогащения (см. Обогащение полезных ископаемых. Флотация). Флотационные процессы применяют для обогащения более чем 90% руд цветных и редких металлов. Полученные после обогащения концентраты подвергают сушке. усреднению состава, смешению и окускованию (агломерация, окатывание, брикетирование), для того чтобы повысить их реакц. способность и производительность их последующего передела.
В результате пирометаллургических процессов (включают окисление, восстановление и др.) происходит концентрирование металла и удаление примесей в образующиеся фазы (парогазовая фаза, металлические и шлаковые расплавы. штейн и твердые вещества). После разделения фазы направляются на переработку для дальнейшего извлечения ценных составляющих. Для интенсификации металлургических процессов (в конвертерах и автоклавах) вводят газообразные О2, Сl2 и др. окислители. В качестве восстановителей применяют С, СО, Н2 и активные металлы. Распространенные восстановит. процессы-доменная плавка, выплавка вторичной Сu, Sn и Pb в шахтных печах. производство ферросплавов и титанового шлака в рудовосстановит. электропечах, магнийтермическое восстановление TiCl4 с получением металлического Ti. Окислительное рафинирование получило развитие в мартеновском и конвертерном производствах стали, при получении анодной Сu и в технологии Pb. Для извлечения и рафинирования металлов нашли применение технологические процессы с использованием хлоридов, иодидов и карбонилов металлов, а также дистилляция, ректификация, вакуумная сепарация и сублимация и др. Получили развитие внепечные методы рафинирования стали, процессы в вакууме и среде Аr в технологии высокореакционноспособных металлов (Ti, Zr, Nb и др.).
В гидрометаллургии используют окислит., восстановит. и др. процессы, кислотное и др. выщелачивание, вытеснение элементов из растворов (цементация), дробную кристаллизацию, осаждение и гидролиз. Заметное распространение получили сорбционные и экстракционные процессы извлечения элементов орг. сорбентами и экстрагентами из растворов, пульп, что позволяет исключить операции отстаивания, промывки и фильтрации, а также автоклавные процессы для переработки сульфидных пирротиновых и вольфрамсодержащих концентратов при повыш. температурах и давлениях.
Производство изделий с особыми свойствами и высоким качеством осуществляют методами порошковой металлургии, что позволяет достигать более высоких технико-экономических показателей по сравнению с традиционными способами. Для получения высокочистых металлов и полупроводниковых материалов применяют зонную плавку, выращивание монокристаллов вытягиванием из расплавов и др. способы. Основное направление технического прогресса в области получения отливок из расплавл. металлов и сплавов-это переход к непрерывной разливке стали и сплавов и к совмещению процессов литья и обработки металловдавлением (бесслитковая прокатка Аl, Сu, Zn и др.).
Обработка металлов давлением, кузнечно-штамповочное производство и прессование - важнейшие технол. процессы на металлургич. и машиностроит. предприятиях. Прокатка - основной способ обработки металлов и сплавов. Она осуществляется на прокатных станах - мощных высокоавтоматизированных агрегатах производительностью неск. млн. т проката в год. Прокаткой производят листовой и сортовой металл, биметаллы, трубы, гнутые и периодические профили и др. виды изделий. Проволоку получают волочением.
Термическая обработка включает закалку, отжиг и отпуск металлов. Кроме обработки готовых деталей на машиностроит. предприятиях, термообработке подвергают мн. виды продукции на металлургич. заводах - стальные рельсы (объемная закалка или закалка головки), толстые листы и арматурные стали, тонкие листы из трансформаторной стали и др. Большое значение в металлургия имеют процессы химико-термической обработки и нанесение на металл разл. защитных покрытий, например оцинкование, лужение (см. Гальванотехника), нанесение пластмасс и др.
Современная металлургия характеризуется значительными выбросами в окружающую среду (табл. 2,3), в СССР - также незначительным применением непрерывной разливки стали, низким возвратом металлов на повторное использование, низким комплексным использованием сырья и абс. преобладанием в балансе металлов сталей (95%).
Табл. 2.-ВЫБРОСЫ (Т/СУТ НА 1 МЛН. ВЫПЛАВЛЯЕМОЙ СТАЛИ ВГОД) В АТМОСФЕРУ ОСНОВНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ В СССР
В СССР в 50-е гг. впервые в мире был разработан метод непрерывной разливки стали, резко снижающий потери металла в процессе производства. В 1986 этим способом разливали в СССР 14% выплавляемой стали, в Японии-92,7, ФРГ-84,6, Юж. Корее-71,19, США-53,4%. Мн. страны, в т. ч. Япония, ФРГ и др., полностью отказались от экологически вредного мартеновского производства стали; основные методы получения стали в капиталистич. странах - кислородно-конвертерный и электросталеплавильный. В СССР значит. кол-ва стали производят мартеновским способом.
В СССР в 1986 произведено 161 млн. т стали, из них получено готового проката 112 млн. т; т. обр., потери металла составляют 49 млн. т (30,4%). В США те же потери составляют 18,4%, ФРГ-9,4%, Юж. Корее-1%. Возврат (%) металлов на повторное использование (рециркуляция металлов) оценивается в среднем в мире: Аl 11,7, Сu 40,9, Аu 15,9, Fe 27,9, Pb 40, Hg 20,6, Ni 19,1, Ag 47,2, Sn 20,4, Zn 27.
Основные пути развития и совершенствования металлургии - комплексное использование сырья, снижение расхода сырья, энергозатрат и металлоемкости на единицу металлопродукции, обеспечение прироста проката черных металлов без увеличения их производства, создание экологически чистых технологических процессов.
Сведение количества отходов к минимуму (безотходные производства)не металлургия б. осуществлено в пределах только металлургических отраслей, а требует межотраслевой кооперации (замкнутое производство) и новой концепции организации производства-"процессы к сырью" (т.е. в места богатые полезными ископаемыми и др. прир. ресурсами) в отличие от применяемой ныне в СССР практики - "сырье к процессам". Впервые экологии, концепция организации про-из-ва была высказана академиком А. Е. Ферсманом в 1932. Переход к такому производству (процессы к сырью) позволит повысить комплексное использование сырья и отходов производства (воспроизводство сырья), обеспечить рециркуляцию металлов, создавать металлические материалы с учетом ресурсосбережения и распространенности металлов в природе, организовать замкнутые технологические (химико-металлургические) комплексы в регионах с большой концентрацией месторождений различной технологической ориентации (напр., Кольский п-ов, Норильский регион). В пределах замкнутого производства могут быть решены задачи обеспечения производства сырьем, конструкционными материалами и обеспечена защита окружающей среды.
Табл. 3.-ВЫБРОСЫ (% ОТ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВА ВЫБРОСОВ) ВАТМОСФЕРУ ОСНОВНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИВ СССР
Возникновение металлургии относится к глубокой древности, выплавка меди производилась уже в 7-6-м тыс. до н.э. (юго-зап. часть Малой Азии). Вначале человек познакомился с самородными металлами - золотом, серебром, медью и метеоритным железом, а затем научился производить металлы. Первые металлические изделия изготовлялись в холодном состоянии. После открытия горячей обработки (ковки) металлические изделия получают более широкое распространение. Первоначально выплавку Сu производили из окисленных медных руд (литье, 5-4-е тыс. до н.э.), переработка сульфидных руд, их окисление и рафинирование Си относятся ко 2-му тыс. до н. э. (Ближний Восток и Центр. Европа). Во 2-м тыс. до н.э. медь стала вытесняться ее сплавом - бронзой (бронзовый век). В сер. 2-го тыс. до н. э. осваивается получение Fe из руд (сыродутный процесс). В дальнейшем успехи в производстве Fe (овладение процессами его науглероживания и закалки) привели к появлению литого металла и стали. Эти усовершенствования обеспечили главенствующее положение черным металлам среди материалов уже в 1-м тыс. до н.э. (железный век). На протяжении почти трех тысячелетий металлургия железа не претерпевала принципиальных изменений. В 18 в. в Европе открыт способ производства литой стали (тигельная плавка), а в 19 в.-еще три новых процесса (бессемеровский, мартеновский и томасовский).
В 16-18 вв. достижения научного и технического прогресса послужили решению практических задач промышленности и мореплавания. В 18-20 вв. развитие черной металлургия привело к созданию сплавов и материалов на основе железа для массового потребления и машиностроения. В 60-е гг. 20 в. открытие потребительских свойств большинства металлов периодической системы и совершенствование металлургия способствовали развитию электроники, космонавтики и др. В 80-е гг. 20 в. разработка новых легких, прочных и коррозионностойких материалов для массового потребления на основе широко распространенных в природе металлов выдвинула на первое место цветную металлургия
