Металлу́ргия и металлурги́яПроверка правописания на Грамота.ру (от — добываю руду, обрабатываю металлы) — область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов из руд или других видов сырья, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов и производством разнообразных металлических изделий из них. В первоначальном, узком значении — искусство извлечения металлов из руд. В настоящее время металлургия является также отраслью промышленности.
Структурные свойства металлических материалов в зависимости от их состава и способов обработки изучаются в рамках металловедения. К металлургии относятся: производство металлов из природного сырья и других металлосодержащих продуктов; получение сплавов; обработка металлов в горячем и холодном состоянии; сварка; нанесение покрытий из металлов; область материаловедения, изучающая физическое и химическое поведение металлов, интерметаллидов и сплавов.
К металлургии примыкает разработка, производство и эксплуатация машин, аппаратов, агрегатов, используемых в металлургической промышленности. На условной границе между металлургией и горным делом находятся процессы окускования (подготовка обогащённого сырья к дальнейшей пирометаллургической переработке). С точки зрения академической науки их относят к металлургическим дисциплинам. С металлургией тесно связаны коксохимия, производство огнеупорных материалов, и химия (когда речь идёт о металлургии редкоземельных металлов, например).
Обобщённое название лиц, занятых в металлургии — металлург.
Разновидности металлургии В мировой практике исторически сложилось деление металлов на чёрные (железо, марганец, хром и сплавы на их основе) и все остальные — нечёрные () или цветные металлы. Соответственно, металлургия часто 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 изделий из чёрных металлов.
К цветной металлургии относят добычу, обогащение руд цветных металлов, производство цветных металлов и их сплавов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжёлые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и лёгкие (алюминий, титан, магний).
По основному технологическому процессу металлургия подразделяется на пирометаллургию и гидрометаллургию. Пирометаллургия (от «огонь») — металлургические процессы, протекающие при высоких температурах (обжиг, плавка и т. п.). Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия. Гидрометаллургия (от «вода») — процесс извлечения металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи воды и различных водных растворов химических реактивов (выщелачивание) с последующим выделением металлов из растворов (например, цементацией, электролизом).
Во многих странах мира идёт интенсивный научный поиск по применению различных микроорганизмов в металлургии, то есть применение биотехнологии (биовыщелачивание, биоокисление, биосорбция, биоосаждение и очистка растворов). К настоящему времени наибольшее применение биотехнические процессы нашли для извлечения таких цветных металлов, как медь, золото, цинк, уран, никель из сульфидного сырья. Особое значение имеет реальная возможность использования методов биотехнологии для глубокой очистки сточных вод металлургических производств.
Производство и потребление металлов
Распространение и сферы применения Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий (8,9 %), железо (4,65 %), магний (2,1 %), титан (0,63 %). Природные ресурсы некоторых весьма важных металлов измеряются сотыми и даже тысячными долями процента. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.
Производство и потребление металлов в мире постоянно растёт. С середины 1980-х по середину 2000-х годов ежегодное мировое потребление металлов и мировой металлофонд удвоились и составляют, соответственно, около 800 млн тонн и около 8 млрд тонн. Изготовленная с использованием чёрных и цветных металлов доля продукции в настоящее время составляет 72—74 % валового национального продукта государств. Металлы в XXI веке остаются основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения.
Из 800 млн т ежегодно потребляемых металлов более 90 % (750 млн т) приходится на сталь, около 3 % (20—22 млн т) на алюминий, 1,5 % (8—10 млн т) — медь, 5—6 млн т — цинк, 4—5 млн т — свинец (остальные — менее 1 млн т).
Масштабы производства таких цветных металлов, как алюминий, медь, цинк, свинец, измеряются в млн т/год; таких как магний, титан, никель, кобальт, молибден, вольфрам — в тыс. т, таких как селен, теллур, золото, платина — в тоннах, таких как иридий, осмий и т. п. — в килограммах.
В настоящее время основная масса металлов производится и потребляется в таких странах как США, Япония, Китай, Россия, Германия, Украина, Франция, Италия, Великобритания и другие.
Благодаря своим физическим свойствам (твёрдость, высокая плотность, температура плавления, теплопроводность, электропроводность, звукопроводность, внешний вид и другим) они находят применение в различных областях.
Применение металлов зависит от их индивидуальных свойств: железо и сталь обладают твёрдостью и прочностью. Благодаря этим их свойствам они широко используются в строительстве; алюминий ковок, хорошо проводит тепло, обладает высокой прочностью при сверхнизких температурах. Он используется для изготовления кастрюль и фольги, в криогенной технике. Благодаря своей низкой плотности — при изготовлении частей самолётов; медь обладает пластичностью и высокой тепло- и электропроводностью. Именно поэтому она нашла своё широкое применение в производстве электрических кабелей и энергетическом машиностроении; золото и серебро очень тягучи, вязки и химически инертны, обладают высокой стоимостью, используются в ювелирном деле. Золото также используется для изготовления неокисляемых электрических соединений.
Сплавы и их применение В чистом виде металлы применяются незначительно. Гораздо большее применение находят сплавы металлов, так как они обладают особыми индивидуальными свойствами. Наиболее часто используются сплавы алюминия, хрома, меди, железа, магния, никеля, титана и цинка. Много усилий было уделено изучению сплавов железа и углерода. Обычная углеродистая сталь используется для создания дешёвых, высокопрочных изделий, когда вес и коррозия не критичны.
Нержавеющая или оцинкованная сталь используется, когда важно сопротивление коррозии. Алюминиевые и магниевые сплавы используются, когда требуются прочность и лёгкость.
Медно-никелевые сплавы (такие, как монель-металл) используются в коррозионно-агрессивных средах и для изготовления ненамагничиваемых изделий. Суперсплавы на основе никеля (например, инконель) используются при высоких температурах (турбонагнетатели, теплообменники и т. п.). При очень высоких температурах используются монокристаллические сплавы.
История
Археологические исследования свидетельствуют о том, что различные народы добывали металл с давних пор. Однако, перед тем, как освоить процессы добычи руды и выплавки из неё металла, человечество не позднее 9-го тысячелетия уже приобрело представления о свойствах самородочного золота и меди, а также — метеоритного железа. Зарождение примитивных методов металлообработки связывают с появлением холодной ковки металлов при помощи каменного молота, однако применение этой процедуры к меди и железу оказалось проблематичным. В силу этого, наиболее часто из самородных металлов использовалось золото, причём, благодаря яркой окраске, его было легче найти и, благодаря высокой ковкости, — проще обработать. Однако сравнительная мягкость этого материала (твёрдость по шкале Мооса 2—3) не давала возможности изготовлять из него вооружение и инструменты. Известно, что самородочная медь в процессе холодной ковки становилась более твёрдой, так как такой металл почти не имеет примесей. С открытием горячей кузнечной обработки меди, в эпохе энеолита процессы производства медных изделий стали более распространёнными.
В частности, обнаруженные в 1950—1960-х годах в юго-западной части Малой Азии следы выплавки меди датируются 7—6 тысячелетием до н. э. Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией, в 5—6 тысячелетии были найдены в Майданпеке, Плочнике и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет , относящийся к культуре Винча), Болгарии (5000 лет ), Палмеле (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 за 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олово из горной породы и получать сплав, названный бронзой, люди в 3500-е годы вступили в Бронзовый век.
В бронзовом веке (3—1 тысячелетие ) применение получили изделия и орудия труда из сплавов меди с оловом (оловянная бронза). Этот сплав — древнейший сплав, выплавленный человеком. Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тысячи лет восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углём. Значительно позже бронзы стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов (алюминиевые, бериллиевые, кремненикелевые, латунные (сплавы меди с цинком) и другие). Бронзы применялись вначале для производства оружия и орудий труда, затем для отливки колоколов, пушек и так далее. В настоящее время наиболее распространены алюминиевые бронзы, содержащие 5—12 % алюминия с добавками железа, марганца и никеля.
Вслед за медью человек стал использовать железо.
Общее представление о трёх «веках» — каменном, бронзовом и железном — возникло ещё в античном мире (Тит Лукреций Кар). Термин «железный век» был введён в науку в середине XIX века датским археологом К. Томсеном.
Получение железа из руды и выплавка металла на основе железа было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттами примерно в 1200 году , что стало началом Железного века. В расшифрованных хеттских текстах XIX века упоминается о железе как о металле, «упавшем с неба». Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян.
Принято считать, что человек познакомился с метеоритным железом. Косвенным подтверждением этому является названия железа на языках древних народов: «небесное тело» (древнеегипетский, древнегреческий), «звезда» (древнегреческий). Шумеры называли железо «небесной медью». Возможно, поэтому всё, что было связано в древности с железом, было окружено ореолом таинственности. Люди, добывающие и перерабатывающие железо, были окружены почётом и уважением, к которым примешивалось и чувство страха (их часто изображали колдунами).
Ранний железный век Европы охватывает период X—V веков до н. э. Этот период получил название гальштатская культура по названию города Гальштат в Австрии, возле которого были найдены железные предметы того времени. Поздний или «второй железный век» охватывает период V—II веков — начало и получил название «латенская культура» — по одноимённому месту в Швейцарии, от которого осталось много железных предметов. Латенская культура связывается с кельтами, считавшимися мастерами изготовления различных орудий из железа. Большое переселение кельтов, начавшееся в V веке , способствовало распространению этого опыта на территории Западной Европы. От кельтского названия железа «изарнон» произошли немецкое «айзен» и английское «айрон».