металлургия

металлу́ргия

Область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и соответственно свойств металлов и сплавов. К металлургии относят: обогащение добываемых руд, получение и очистку металлов и сплавов, придание им определённой формы и свойств. Первым металлом, который пришёл на смену камню при производстве орудий труда, была медь. Этому способствовало то, что медь, золото, серебро, метеоритное железо встречаются в природе в свободном состоянии, иногда в виде крупных самородков. О значении металлов в жизни человека говорят названия целых исторических эпох: медный, бронзовый и железный века.

Возникновение металлургии относится к глубокой древности. Обнаруженные в результате археологических раскопок следы выплавки меди датируются 7—6-м тыс. до н. э. Впервые металл был искусственно получен при разрушении скальных пород, когда они сильно разогревались костром, а затем охлаждались водой для того, чтобы камень мог растрескаться. При этом куски самородной меди обнажались и могли даже расплавиться, т. к. медь имеет сравнительно невысокую температуру плавления (1084.5 °C). Поскольку кислородные соединения меди в рудах легко восстанавливаются, люди могли это наблюдать, а затем и преднамеренно использовать. Сначала металлические изделия изготовляли путём обработки металлов в холодном состоянии. Медь и железо с трудом подвергались такой обработке. Овладение приёмом выплавки меди из окисленных медных руд и придание ей нужной формы литьём (5—4-е тыс. до н. э.) или путём горячей кузнечной обработки привели к быстрому росту производства меди и расширению её применения. Ограниченное количество месторождений окисленных медных руд обусловило необходимость освоения более сложных процессов переработки сульфидных руд и рафинирования меди путём повторного плавления (2-е тыс. до н. э.). Во 2-м тыс. до н. э. начали широко применяться изделия из бронзы (сплава меди с оловом), которые по своей твёрдости и коррозионной устойчивости превосходили медные. Кроме того, бронза имеет более низкую температуру плавления, чем медь, и лучше заполняет литейные формы. В древности были известны 11 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, цинк (в виде латуни), железо, платина, ртуть, сурьма и мышьяк. К нач. 19 в. их число увеличилось до 20. Сейчас производится более 88 металлов. Примерно к сер. 2-го тыс. до н. э. относятся первые попытки получения из руд железа. Сначала для этого использовали костры, позднее специальные плавильные ямы – горны. В горн, выполненный из камня, загружали легковосстановимую руду и древесный уголь. Воздух, необходимый для горения угля и – соответственно – образования оксида углерода для восстановления оксидов железа, подавался в горн снизу в основном с помощью кожаных мехов.

Плавка металла в Древнем Египте (дутьё подаётся мехами, сшитыми из шкур животных)

Относительно низкая температура процесса и большое количество железистых шлаков позволяли получать железо только с низким содержанием углерода. Процесс был малопроизводительным, и, несмотря на широкое распространение железных руд, металлургия железа развивалась очень медленно. Основной причиной являлось то, что железо с низким содержанием углерода было мягким, – изготовленные из него орудия труда и оружие быстро затуплялись. Для более широкого применения железа необходимо было овладеть процессами науглероживания железа, т. е. получения стали, которая после закалки приобретала так необходимую твёрдость. Усовершенствование плавки в горнах обеспечило железу в 1-м тыс. до н. э. главенствующее положение среди материалов, используемых человеком (железный век). На протяжении почти трёх тысячелетий металлургия железа не претерпела принципиальных изменений. Увеличение размеров горнов, улучшение их формы, повышение мощности дутья и т. д. привели в сер. 19 в. к появлению небольших доменных печей, на которых получали высокоуглеродистый расплав железа с примесями марганца и кремния – чугун. Росту производства чугуна способствовало изобретение в 14 в. способа передела его в ковкий материал – сталь. Переплавляя чугун в горне, его очищали от примесей путём окисления кислородом подаваемого в горн воздуха и специально загружаемого в горн железистого шлака. Таким образом, возник двухстадийный способ получения железа, являющийся основой современных схем производства стали. Несмотря на большое значение для развития техники своего времени, существовавшие процессы из-за низкой производительности не могли удовлетворить необходимые потребности в стали. Отставание сталеплавильного производства проявлялось в том, что количество выплавляемого чугуна до нач. 20 в. превышало количество производимой стали. Распространение уже с сер. 20 в. в основном мартеновского процесса получения стали, существенное увеличение ёмкости и производительности агрегатов, применение способа получения стали в кислородных конвертерах, внедрение непрерывной разливки стали, механизация и автоматизация сталеплавильных процессов и т. д. привели к существенному увеличению количества производимой стали по отношению к количеству выплавляемого чугуна.

В современной металлургии железа большое значение имеет выплавка высококачественной, в т. ч. легированной, стали в электропечах. Развиваются перспективные способы прямого извлечения железа из руд, которое пригодно для непосредственного получения высококачественной стали в электропечах. На предприятиях чёрной металлургии объёмы производства чугуна и стали к кон. 20 в. превысили соответственно 700 и 800 млн. т в год. Общее производство цветных металлов (цветная металлургия) в промышленно развитых странах составляет» 35 млн. т в год, их широкое применение определяет научно-технический прогресс.