Металлургия

Слово "металлургия" происходит от греч.:

metalleuo — выкапываю, добываю из земли;

metallurgeo — добываю руду, обрабатываю металлы;

metallon —рудник, металл.

Это слово означает, соответственно, область науки и техники, охватывающую процессы обработки добытых из недр руд, получение металлов и сплавов, придание им определен­ных свойств.

И в древности, и в средние века, и сравнительно недав­но, вплоть до времен М.В.Ломоносова, считалось, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, оло­во, свинец, железо, ртуть).

У алхимиков металлы часто носили название планет: зо­лото называлось Солнцем, серебро — Луной, медь — Венерой, олово — Юпитером, свинец — Сатурном, железо Марсом, ртуть — Меркурием. Химики древнего мира и средних веков применяли для обозначения веществ символические изображе­ния.

В 1814 г. шведский химик Й.Берцелиус предложил исполь­зовать чисто буквенные знаки, которыми по сей день поль­зуется весь мир, за редкими исключениями. Так, например, во Франции вместо знака азота N, бериллия Be и вольфрама W часто используют знаки Az (Azote), Gl (Glucinium) и Tu (Tungstene); в США вместо знака ниобия Nb нередко упот­ребляют Cb (Columbium).

Сегодня науке известно более 80 металлов, большинство из них используется в технике.

В мировой практике исторически сложилось деление ме­таллов на черные (железо и сплавы на его основе) и все остальные - нечерные (Non-ferrous metals, англ.; Nichteii-senmetalle, нем.) или цветные металлы. Соответственно, металлургия часто подразделяется на черную и цветную. В настоящее время на долю черных металлов приходится около 95 % всей производимой в мире металлопродукции.

В технике принята также условная классификация, пр которой цветные металлы разделены на "легкие" (алюминий, магний), "тяжелые" (медь, свинец и др.), тугоплавкие (вольфрам, молибден и др.), благородные (золото, платина и др.), редкие металлы.

За последние 20 лет ежегодное мировое потребление ме­таллов и мировой металлофонд удвоились и, соответственно, составляют около 800 млн т и около 8 млрд т. Доля продук­ции, изготовленной с использованием черных и цветных ме­таллов, в настоящее время составляет 72—74 % валового на­ционального продукта государства. Можно смело утверждать, что металлы в XXI в. останутся основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в боль­шинстве сфер применения.

Из 800 млн т потребляемых металлов ~ 750 млн т — сталь, 20—22 млн т — алюминий, 8—10 млн т — медь, 5—6 млн т — цинк, 4—5 млн т — свинец (остальные — < 1 млн т).

Масштабы получения таких металлов, как упомянутые выше, 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.

Сейчас основная масса металлов производится и потреб­ляется в таких странах, как США, Япония, Китай, Россия, Германия, Украина, Франция, Италия, Великобритания и др.

Предполагается, что в начале будущего столетия в миро­вом производстве и потреблении металлов возрастет роль развивающихся стран, обладающих более высокими темпами экономического развития, валовой национальный продукт которых отличается большей металлоемкостью.

Используемые в технике металлы получают из руд. Рудами называют природные образования, содержащие металлы в таких соединениях и концентрациях, при которых их промышленное использование технически возможно и эко­номически целесообразно.

По химическому составу преобладающих в той или иной руде минералов различают руды силикатные, кремнистые, оксидные, сульфидные, карбонатные и смешанные.

По содержанию ценных компонентов различают руды богатые и убогие, бедные.

Применение того или иного металла (или сплава) в зна­чительной мере определяется практической ценностью его свойств; существенное значение имеют и другие обстоятель­ства, в первую очередь природные запасы, доступность и рентабельность его добычи.

Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий (8,8 %), железо (4,65 %), магний (2,1%), титан (0,63%). Природные ресурсы ряда весьма важных металлов измеряются сотыми и даже тысячными долями процента. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.

К рудам черных металлов обычно относят месторождения железа, марганца, хрома, титана и ванадия.

К рудным месторождениям легких металлов обычно относят руды, содержащие алюминий; основной поставщик алюминия -бокситы, а также алуниты, нефелины и различные глины. К рудным месторождениям цветных металлов относятся место­рождения меди, свинца и цинка, кобальта, никеля, сурьмы. Запасы металлов в наиболее крупных из них достигают от десятков до сотен млн т, при обычном содержании металлов в руде — единицы процентов.

Характерными для рудных месторождений редких металлов являются месторождения олова, вольфрама, молибдена, ртути, бериллия, тантала и ниобия. Наибольшие запасы в них достигают сотен тысяч тонн при содержании металла в руде обычно не выше 1 %.

Таким образом масса добываемых материалов во много раз превышает количество содержащихся в руде металлов и в по­давляющем большинстве случаев из природных руд экономиче­ски невыгодно (а часто и технически невозможно) непосред­ственно извлекать полезные компоненты. В этих случаях осуществляется обогащение руд.

Процесс обогащения обычно включает операции дробления, измельчения. Собственно обогащение осуществляется с ис­пользованием различных свойств материалов. Например, при разной плотности разделяемых минералов применяются методы гравитационного обогащения (различие в скорости движения частиц в воде или в воздухе). Различие в физико-химических свойствах поверхности лежит в основе флотаци­онных процессов. При различии магнитной восприимчивости используют метод магнитной сепарации. Иногда используют такой способ, как обжиг и т.д. В результате обогащения получают два продукта: концентрат и хвосты. Если в руде содержится ряд полезных компонентов, то из нее получают несколько концентратов (или комплексные концентраты, компоненты которых разделяются уже в металлургическом пере­деле).

Здесь же упомянем о содержании таких распространенных у металлургов терминов, как гидрометаллургия (от греч. hydor — вода), пирометаллургия (от греч. руг — огонь), биотехнологии (от греч. bios — жизнь).

Гидрометаллургия— это извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи воды и водных растворов химических реактивов (выщелачива­ние) с последующим выделением металлов из растворов (на­пример, цементацией, электролизом).

Пирометаллургия — это металлургические процессы, про­текающие при высоких температурах (обжиг, плавка и т.п.).

Биотехнологии— технологии, связанные с деятельностью живых организмов (в данном случае — микроорганизмов). Анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что во многих странах мира идет интенсивный научный поиск по применению различных микроорганизмов к конкретным метал­лургическим объектам (биовыщелачивание, биоокисление, биосорбция, биоосаждение и очистка растворов). В част­ности, железоокисляющие бактерии уже находят применение для выщелачивания металлов из сульфидных и смешанных руд, концентратов и отходов производства, обессеривания углей и т.п. Для получения желательных (более активных) мутантных штаммов используют методы генной инженерии. 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.

Масштабы переработки руд в мире огромны. Достаточно сказать, что несколько лет назад на территории СССР обо­гащению ежегодно подвергалось более 1 млрд т руды!

Получаемые в результате обогащения концентраты посту­пают на металлургические предприятия для непосредственно­го получения из них тех или иных металлов и сплавов-Сегодня металлы являются основой современной цивилиза­ции. Такое положение они заняли в результате многовековых

Штамм (нем. Stamm) — чистая культура микроорганизмов одного вида.

усилий людей во многих странах.

Археологические раскопки свидетельствуют о том, что знакомство человека с металлами (возможно, в начале — метеоритного происхождения) относится к временам, весьма удаленным от нас. В частности, обнаруженные в 50—60-х гг. XX в. в юго-западной части Малой Азии следы выплавки меди датируются 7—6-м тысячелетием до нашей эры.

В бронзовом веке (3—1тыс.лет до н.э.) применение по­лучили изделия и орудия труда из сплавов меди с оловом (оловянная бронза).

Оловянная бронза — древнейший сплав, выплавленный че­ловеком. Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тыс.лет до н.э. восстановительной плавкой смеси мед­ной и оловянной руд с древесным углем. Значительно позже бронзы стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов (алюминиевые, бериллиевые, кремненикелевые и др. бронзы, сплавы меди с цинком, называемые латунью, и др.). Бронзы применялись вначале для производства оружия и ору­дий труда, затем для отливки колоколов, пушек и т.д. В настоящее время наиболее распространены алюминиевые брон­зы (5—12 % Al) с добавками железа, марганца и никеля.

Вслед за медью человек познакомился с железом.

Общие представления о трех "веках"— каменном, бронзо­вом и железном — возникло еще в античном мире (Тит Лукре­ций Кар).

Термин "железный век" был введен в науку в середине XIX в. датским археологом К.Томсеном.

Принято считать, что человек впервые познакомился с метеоритным железом. Об этом свидетельствуют названия же­леза на языках древних народов: "небесное тело" (древне­египетский, древнегреческий), "звезда" (древнегреческий). В расшифрованных хеттских текстах XIX в. до н.э. упомина­ется о железе как о металле, "упавшем с неба". Шумеры на­зывали железо "небесной медью". Возможно, поэтому железо в древности было окружено ореолом таинственности, и люди, добывающие и перерабатывающие железо, были окружены поче­том и уважением, к которым примешивалось и чувство страха (их часто изображали колдунами).

В отличие от сравнительно редких месторождений меди и в особенности олова, железные руды (например, бурые железняки) встречаются Почти всюду.

В исторической литературе эпоху железного века делят на два периода: ранний (X—V вв. до н.э.) железный век (так называемая гальштадтская культура по названию города в Австрии, возле которого были найдены железные предметы того времени) и поздний или "второй железный век" (V—II вв. до н.э.— начало н.э.), соответствующий перио­ду, от которого осталось много железных предметов (так называемая латенская культура — по месту в Швейцарии). Латенская культура связывается с кельтами, считавшимися мастерами изготовления различных орудий из железа. Боль­шое переселение кельтов, начавшееся в V в. до н.э., спо­собствовало распространению этого опыта на территории Западной Европы. От кельтского названия железа "изарнон" произошли немецкое "айзен" и английское "айрон".

В конце второго тысячелетия до н.э. железо появилось в Закавказье. В степях Северного Причерноморья в VII—I вв. до н.э. обитали племена скифов, создавших наиболее раз­витую культуру раннего железного века на территории Рос­сии и Украины.

Вначале железо ценилось очень дорого, использовалось для изготовления монет, хранилось в царских сокровищ­ницах. Затем все шире использовалось и как орудие труда, и как оружие. Об использовании железа: в качестве орудий труда упоминается в "Йллиаде" Гомера. Там же упоминается о том, что Ахилл наградил диском из железа победителя дискобола.

По преданию, колыбелью монголов и туркменов были бога­тые рудами Алтайские горы, своими богами эти народы счи­тали тех, кто ведал кузнечным искусством. Несомненно, пришедшие с Востока народы внесли свой вклад в распрост­ранение металлургии. Воинственные кочевники из Средней Азии имели металлические доспехи и железное оружие. Свое­образная культура сложилась в Китае, где, возможно, ра­нее, чем у других народов, научились получать жидкий чугун и делать из него отливки. До наших дней сохранились некоторые уникальные отливки из чугуна, изготовленные в первом тысячелетии н.э., например, колокол высотой 4 и диаметром Зм, массой 60 т.

Известны уникальные изделия металлургов древней Индии. В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна массой 6 т, вы­сотой 7,5 м и диаметром 40 см. Надпись: на колонне гласит,

что она сооружена примерно в 380—330 гг. до н.э. Она соо­ружена из отдельных криц, сваренных в кузнечном горне. Еще большее удивление, чем размеры колонны, вызывает тот факт, что на ней нет ржавчины. В захоронениях древней Индии найдено стальное оружие, изготовленное в середине первого тесячелетия до н.э.

Греческие мастера уже в древние времена использовали железо. В построенном зодчим Гермогеном около 200 г. до н.э. храме Артемиды барабаны мраморных колонн храма скре­плены мощными железными дюбелями длиной 130, шириной 90 и толщиной 15 мм. Нынешняя цивилизация основывается прежде всего на использовании железа как основного материала в технике. Массовое получение железных материалов стало возможным лишь на определенном уровне развития техники (и сравнительно недавно) тогда, когда научились восстанавли­вать его из руд.

Первым из известных способов получения железа из руд явился так называемый сыродутный способ, при котором в горн или печь загружают железную руду и уголь, при горе­нии которого происходит частичное восстановление железа из руды. Повышение производительности сыродутных печей — горнов достигалось увеличением размеров агрегатов (увели­чением высоты) и применением мехов, приводившихся в дви­жение не мускульной силой человека, а водяного колеса или конного привода. При этом удлинялся путь газов в печи, понижалась температура отходящих газов, соответственно повышались температура и степень восстановления руды, поступающей в наиболее горячую зону горна. Увеличение ко­личества воздуха, подаваемого в печь в единицу времени, позволяло увеличить количество загружаемого угля.

Следствием всего этого было повышение температуры в нижней части горна и не только улучшение условий восста­новления железа, но и создание условий для его науглеро­живания. Шлаки при этом получались малоокисленные, а ме­талл — с высоким содержанием углерода (чугун), соответ­ственно с более низкой температурой плавления; такой ме­талл вытекал из печи вместе со шлаком. Таким образом, часть продукта представляла собой периодически выламыва­емую железную крицу, а часть— жидкий железоуглеродистый расплав (чугун). Практика показала, что безостановочная работа печи с получением чугуна производительнее прямого

восстановления сыродутным процессом. Так родилась техно­логия, известная теперь как доменное производство чугуна.

Производство чугуна в мире превысило 500 млн т, из ко­торых около 95 % перерабатывается затем в сталь (осталь­ное — для производства чугунных отливок).

Следует иметь в виду коренное отличие в значении слов домница и доменная печь: в домнице получали (в виде кус­ков или криц) штуки восстановленного сыродутного (от слов "сырое", т.е. неподогретое дутье) железа, а во второй — доменной печи — жидкий чугун (расплав железа с высоким содержанием углерода). Интересно обратить внимание на следующее.

Ниже приведено название доменная печь (от старославян­ского "дмение" - дутье) на различных языках: англ. Blast — Furnace — дутьевая печь; нем. Hochofen — высокая печь; фр. Haut fourneau — большая, высокая печь. Слово домница на различных языках: англ. High bloomery furnace — боль­шая кричная печь; нем. Stuckofen (от Stuck — кусок, кри­ца; ofen - печь или Wolfofen (волчья печь); фр. Fourneau a loupe — волчья печь.

Производство металлов в России традиционно основыва­лось на использовании расположенных на ее территории мес­торождениях руд. К ним прежде всего относятся такие бога­тые месторождения, как Курская магнитная аномалия, Олене-горское и др. месторождения Кольского полуострова, Косто-v мукшское и др. месторождения Карелии, ряд месторождений >^ железных руд Урала и Сибири; крупные месторождения высо­кокачественных бокситов на Северном Урале (Красная Шапоч­ка и др.), в Архангельской области, в республике Коми, в бассейне реки Ангары, на Кольском полуострове (нефелины); Ч большое значение имеют медьсодержащие руды восточных склонов Урала, на Северном Кавказе, а также Удоканское в районе БАМа; крупные месторождения свинцово-цинковых руд (содержат также кобальт и медь) — район г. Норильска; большие месторождения оловорудных минералов — район Вос­точного Забайкалья и Дальнего Востока. Ртуть, сурьма, золото, платина, редкие металлы — всем этим располагает Россия.

СССР отдельных союзных республик металлургическое произ­водство России испытывало временные затруднения. Так, на Украине и в Грузии остались богатые марганецсодержащие руды и заводы, производящие марганецсодержащие сплавы, в Средней Азии остались некоторые богатые месторождения руд цветных металлов. За прошедшие годы связанные с этим проблемы решены. Наиболее серьезные проблемы, которые необходимо решить в ближайшее время, — обновление устаре­вшего оборудования, прекращение деятельности неэффектив­ных производств, организация природоохранных мероприятий.

Отечественная металлургия сегодня удовлетворяет все заявки на свою продукцию от отечественных потребителей.

Многие виды металлургической продукции уже сегодня конкурентоспособны на мировом рынке, а металлургия приз­нана (наряду с топливно-энергетическим комплексом, воен­ной авиацией и космонавтикой) как одна из приоритетных отраслей для государственных вложений (вследствие перс­пективной эффективности этих отраслей).

Разработанная в конце 1993 г. Федеральная программа технического перевооружения и развития металлургии России направлена на дальнейшее совершенствование и развитие этой важнейшей отрасли отечественной промышлен­ности.

Особое внимание в Федеральной программе уделено двум проблемам: проблеме ресурсосбережения и охране окружающей среды и проблеме обеспечения качества в металлургии.

На состоявшейся в 1994 г. в Москве международной кон­ференции "Черная металлургия России и СНГ в XXI веке" сообщалось, что, по экспертным оценкам, в настоящее время в нашей стране образование (удельный выход) различных отходов на 1 т стального проката велико и составляет: вскрышных и горных пород 1500-2500 кг; различных шлаков 500-1000 кг; шламов 80-120 кг; пыли 80-120 кг; окалины 30—40 кг; сточных вод 250—300 м³; технологических газов 8—10 тыс.м³; аспирационного воздуха 30—50 тыс.м³; горючих газов 2000—2500 м³. Наша задача — существенно снизить эти цифры уже в ближайшие годы.

Федеральной программой определены основные направления по снижению вредного воздействия металлургии. Основное направление — энергосберегающие технологии. Другое на-

правление — мероприятия по предотвращению и локализации выбросов и очистке выбросов.

Переход на рыночную экономику предполагает ужесточение требований к гарантированному соблюдению стандартов ка­чества металлопродукции. В металлургическую практику вводятся международные и европейские стандарты "Управле­ние качеством продукции". Требования этих стандартов фор­мируют новые отношения между потребителем и изготовителем металлопродукции по гарантированному обеспечению качества на протяжении всего технологического цикла (проектирова­ние, оборудование, сырье, технология, отгрузка продук­ции).

Повсеместное распространение получает сертификация качества металлопродукции как гарантированная система обеспечения качества по всей технологической цепочке металлургического предприятия.

Молодым специалистам в области металлургического про­изводства, вступающим в XXI век, обеспечено необъятное поле деятельности в одной из наиболлее приоритетных отраслей народного хозяйства.

■