МЕТАЛЛУРГИЯ

МЕТАЛЛУРГИЯ (от греч. metallurgeo-добываю
руду, обрабатываю металлы от metallon - рудник, металл и ergon-работа),
в первоначальном, узком значении - искусство извлечения металлов
из руд; в совр. значении - область науки и техники и отрасль пром-сти,
охватывающие процессы получения металлов из руд или др. материалов, а также
процессы, связанные с изменением хим. состава, структуры, а следовательно,
и свойств металлич. сплавов. К М. относятся: предварительная обработка
добытых из недр земли руд, получение и рафинирование металлов и сплавов;
придание им определённой формы и свойств.

В совр. технике исторически
сложилось разделение М. на чёрную и цветную. Чёрная металлургия охватывает
произ-во сплавов на основе железа: чугуна, стали, ферросплавов (на
долю чёрных металлов приходится ок. 95% всей производимой в мире металлопродукции).
Цветная металлургия включает производство большинства остальных
металлов (см. Металлы в технике). В связи с использованием атомной
энергии развивается произ-во радиоактивных металлов. Металлургич. процессы
применяются также для производства полупроводников и неметаллов (кремний,
германий, селен, теллур, мышьяк, фосфор, сера и др.); нек-рые из них получают
попутно с извлечением металлов. В целом совр. М. охватывает процессы получения
почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.

Возникнойение М., как показывают археологич.
находки, относится к глубокой древности (см. рис. 1). Обнаруженные в 50-60-х
гг. 20 в. в юго-зап. части М. Азии следы выплавки меди датируются 7-6-м
тыс. до н. э. Примерно в это же время человек познакомился с самородными
металлами: золотом, серебром, медью, а затем и с метеоритным железом. Сначала
металлические изделия изготовляли путём обработки металлов в холодном состоянии.
Медь и железо с трудом подвергались такой обработке и поэтому не могли
найти широкого применения. После изобретения горячей кузнечной обработки
(ковки) медные изделия получили более широкое распространение (эпоха энеолита).
Овладение искусством выплавки меди из окисленных медных руд и придания
ей нужной формы литьём (5-4 тыс. до н. э.) привело к быстрому росту произ-ва
меди и к значит, расширению её применения. Однако ограниченное кол-во месторождений
окисленных медных руд обусловило необходимость освоения гораздо более сложного
процесса переработки сульфидных руд с применением предварит, обжига руды
и рафинирования меди путём повторного плавления. Возникновение этого процесса
относится примерно к сер. 2-го тыс. до н. э. (Бл. Восток, Центр. Европа).

Во 2-м тыс. до н. э. начали широко применяться
изделия из б р о н з ы (сплава меди с оловом), к-рые по качеству значительно
превосходили медные. Бронзовые орудия труда, оружие и др. предметы отличались
большей устойчивостью против коррозии, упругостью, твёрдостью, остротой
лезвия. Кроме того, бронза имела более низкую темп-ру плавления, чем медь,
и лучше заполняла литейную форму. Из неё легче было отливать всевозможные
изделия. Вытеснение меди бронзой означало переход к бронзовому веку.
В
кон. 3-го и во 2-м тыс. до н. э. крупным центром М. меди и бронзы на территории
СССР был Кавказ.

Рис. 1. Плавка металла в Древнем Египте
(дутьё подаётся мехами, сшитыми из шкур животных).

Примерно в сер. 2-го тыс. до н. э. человек
начинает овладевать и искусством получения железа из руд. Сначала для этой
цели использовали костры, а затем спец. плавильные ямы - сыродутные горны
(см. Сыродутный процесс). В горн, выложенный из камня, загружали
легковосстановимую руду и древесный уголь. Дутьё, необходимое для горения
угля, подавалось в горн снизу (первое время естеств. тягой, а впоследствии
при помощи мехов). Образующиеся газы (окись углерода) восстанавливали окислы
железа. Относительно низкая темп-pa процесса и большое кол-во железистого
шлака препятствовали науглероживанию металла и позволяли получать железо
только с низким содержанием углерода. Процесс был малопроизводительным
и обеспечивал извлечение из руды лишь около половины содержащегося в ней
железа. М. железа развивалась очень медленно, несмотря на то, что железные
руды гораздо более распространены, чем медные, а темп-ра их восстановления
ниже. Причина первоочередного развития М. меди заключается в том, что сыродутное
железо по качеству значительно уступало меди. Это объясняется прежде всего
тем, что при достижимых в то время темп-pax процесса медь получалась в
расплавл. состоянии, а железо - в виде тестообразной массы с многочисл.
включениями шлака и несгоревшего древесного угля. В связи с низким содержанием
углерода сыродутное железо было мягким - изготовленные из него оружие и
орудия труда быстро затуплялись, гнулись, не подвергались закалке; они
уступали по качеству бронзовым. Для перехода к более широкому произ-ву
и применению железа необходимо было усовершенствовать примитивный сыродутный
процесс, а главное - овладеть процессами науглероживания железа и его последующей
закалки, т. е. получения стали. Эти усовершенствования обеспечили железу
в 1-м тыс. до н. э. главенствующее положение среди материалов, используемых
человеком (см. Железный век). К нач. н. э. М. железа была почти
повсеместно распространена в Европе и Азии.

На протяжении почти 3 тысячелетий М. железа
не претерпела принципиальных изменений. Постепенно процесс совершенствовался:
увеличивались размеры сыродутных горнов, улучшалась их форма, повышалась
мощность дутья; в результате горны превратились в небольшие печи для произ-ва
сыродутного железа - домницы (рис. 2). Дальнейшее увеличение размеров домниц
привело в сер. 14 в. к появлению небольших доменных печей (см. Доменное
производство). Увеличение высоты этих печей и более интенсивная подача
дутья способствовали повышению темп-ры и значительно более сильному развитию
процессов восстановления и науглероживания металла. Вместо тестообразной
массы сыродутного железа в доменных печах получали уже высокоуглеродистый
железный расплав с примесями кремния и марганца - чугун. Росту произ-ва
чугуна способствовало изобретение в 14 в. способа передела его в ковкое
железо -т. н. кричного передела. Переплавляя чугун в кричном горне,
его рафинировали от примесей путём окисления их кислородом дутья и специально
загружаемого в горн железистого шлака. Кричный процесс постепенно вытеснил
прежние малопроизводит. способы получения стали на основе сыродутного железа,
несмотря на достигнутое с их помощьючрезвычайно высокое качество металла
(см.
Булат, Дамасская сталь). Т. о., возник двухстадийный способ
получения железа, сохранивший своё значение и являющийся основой совр.
схем произ-ва стали. След, этапом развития М. стали в Европе было появление
в Англии в 1740 тигельной плавки (задолго до того известной на Востоке)
и в последней четв. 18 в.- пудлингования. Тигельный процесс был
первым способом производства литой стали. Её выплавляли в тиглях
из огнеупорной глины, к-рые устанавливались в спец. печи. В пудлинговом
процессе, как и в кричном, получали т. н. сварочное железо. Для этого чугун
рафинировали от углерода и др. примесей на поду отражательной печи.

Рис. 2. Домница (штюкофен) в Германии 15-16
вв.

Несмотря на большое значение для развития
техники своего времени, тигельный и пудлинговый процессы не могли удовлетворить
потребности в стали. М. чугуна развивалась опережающими темпами. Этому
способствовало внедрение водяных воздуходувных труб (рис. 3), мехов с приводом
от водяного колеса (с 15 в.), паровых воздуходувных машин (1782). В кон.
18 в. в доменном произ-ве начали широко использовать кам.-уг. кокс (1735);
к 19 в. относится начало применения нагретого дутья и тщательной подготовки
руды к доменной плавке. Отставание сталеплавильного произ-ва проявлялось
в том, что кол-во выплавляемого чугуна долгое время (до нач. 20 в.) превышало
кол-во производимой стали. Гл. роль в наступившем переломе сыграло изобретение
трёх новых процессов произ-ва литой стали: в 1856-бессемеровского процесса,
в
1864 - мартеновского (см. Мартеновское производство)
и в 1878 -
томасовского
процесса. Распространение этих процессов (в первую очередь мартеновского,
к-рому свойственно использование большого кол-ва металлич. лома) привело
к тому, что к сер. 20 в. выпуск чугуна составлял уже только 70% от выплавки
стали.

Рис. 3. Каталонский горн с водяной воздуходувной
трубой: 1 -клапан; 2 - отверстия для воздуха;3 - труба;

4 - слив воды; 5 -дутьё;
6
- фурма; 7 -руда и древесный уголь: S - крица; 9 - шлак; 10 - выпуск
шлака.

Дальнейшее развитие сталеплавильного произ-ва
во 2-й пол. 20 в. связано с существенным увеличением ёмкости и производительности
агрегатов, широким применением кислорода для повышения эффективности металлургич.
процессов, появлением нового, быстро развивающегося способа получения стали
в кислородных конвертерах (см. Кислородно-конвертерный процесс), с развитием
внепечного рафинирования жидкой стали в вакууме, обработки стали синтетич.
шлаками и инертным газом, с внедрением непрерывной разливки стали, широкой
механизацией и автоматизацией производств, процессов. Большое значение
в совр. М. железа имеет выплавка вы-сококачеств. и в т. ч. легированной
стали, к-рая с нач. 20 в. производится в основном в электропечах (см.
Электросталеплавильное
производство). Со 2-й пол. 20 в. для получения нек-рых цветных металлов,
а также стали особо ответств. назначения начали применять дополнит, переплав
металла в дуговых вакуумных печах, электрошлаковых,
электроннолучевых
и плазменных установках (см. Электрошлаковый переплав, Электроннолучевая
плавка, Плазменная металлургия). В области извлечения железа из руд
наряду с доменным произ-вом, к-рое продолжает расширяться, развиваются
разнообразные способы прямого получения железа. Этим процессам,
позволяющим получать железо, пригодное для выплавки стали в электропечах,
принадлежит большое будущее.

Кроме железа, в древнем мире добывали и
применяли золото, серебро, медь, олово, свинец, ртуть. Мн. др. металлы
(в т. ч. неизвестные древним) использовались в сплавах, минералах или соединениях.

Золото в виде песка и самородков добывали
в доисторич. времена из россыпей путём промывки. Для получения изделий
золотой песок подвергали горячей ковке (кузнечной сварке) или переплавляли
в тиглях. При этом обычно получали сплавы золота с серебром и др. элементами,
что обусловливало разнообразные вариации цвета, а также литейных и механич.
свойств металла. Рафинирование золота и отделение его от серебра
началось во 2-й пол. 2-го тыс. до н. э., но до 6 в. до н. э. распространялось
довольно медленно. Удаление примесей (вместе со свинцом, добавляемым для
улучшения процесса) производили путём окисления их воздухом. Отделение
серебра осуществляли путём хлорирования сплава при нагреве в присутствии
поваренной соли, с последующей отгонкой летучих хлоридов или их растворением.
Др. способ отделения серебра заключался в переводе его в сульфиды при нагревании
сплава с сернистыми материалами и древесным углём. Применение азотной кислоты
для отделения серебра от золота относится уже к 13-14 вв. Процесс амальгамации
также
был известен в древнем мире, но уверенности в том, что он применялся для
извлечения золота из руд и песков, нет. После открытия рус. учёным П. Р.
Багратионом
в
1843 основ цианирования золотых руд и особенно после работ англ,
металлургов Дж. С. Мак-Артура и бр. Р. и У. Форрестов (1887-88) этот процесс
занял ведущее место в М. золота; иногда он используется в соединении с
амальгамацией. Успешно применяется для извлечения золота флотационное (см.
Флотация) и гравитационное обогащение.

Серебро в древности получали главным образом
попутно со свинцом из галенита. Начало их совместной выплавки можно отнести
к 3-му тыс. до н. э. (М. Азия); широкое распространение процесс получил
только через 1500-2000 лет. Можно полагать, что техноло-гич. схема включала
в себя обжиг руды, горновую плавку, разделительную плавку (ликвационное
рафинирование, зейгерование) и купеляцию. Во 2-й пол. 20
в. свинец получают преим. из полиметал-лич. руд в результате флотационного
обогащения, агломерирующего обжига, восстановит, плавки в шахтных печах
и рафинирования продукта этой плавки -чернового свинца (веркблея).
При
рафинировании извлекается также серебро (и золото, если оно есть).

Массовое произ-во меди началось после изобретения
В. А. Семенниковым в 1866 конвертирования штейна. Большую
роль в развитии конвертерной переработки штейна сыграла предложенная в
1880 продувка расплава сбоку (а не снизу, как в бессемеровском способе
получения стали из чугуна). При боковой продувке воздух поступает непосредственно
в рафинируемый расплав, минуя легко затвердевающую медь, к-рая собирается
на дне конвертера. Огромное значение для массового произ-ва меди имело
изобретённое на рубеже 20 в. флотационное обогащение, позволившее успешно
перерабатывать руды с содержанием меди менее 1 %. Нефлотирую-щиеся бедные
окисленные руды (менее 0,7% Си) обрабатывают гидрометаллур-гич. способом
(путём выщелачивания). Сульфидные руды можно выщелачивать в самом
месторождении (без добычи руды), используя способ интенсификации выщелачивания
с применением бактерий (см. Бактериальное выщелачивание).

Олово в древности выплавляли в простейших
шахтных печах, а затем очищали от посторонних примесей посредством ликвационных
и окислит, процессов. Коренные оловянные руды перед плавкой подвергали
дроблению и простейшему обогащению; из россыпей руду добывали промывкой.
В совр. М. в связи с необходимостью использования бедных оловянных руд
со значит, содержанием примесей (сера, мышьяк, сурьма, висмут, серебро
и др.) олово получают по сложным схемам комплексной переработки руд, к-рые
включают в себя обогащение, обжиг, выщелачивание примесей из рудных концентратов,
магнитную сепарацию их, восстановит, плавку в отражат., шахтных или электрич.
(лучший способ) печах с получением чернового олова и рафинирование его
гл. обр. пирометаллургич. (иногда электро-литич.) методом.

Первые способы произ-ва ртути сводились,
по-видимому, к обжигу руды в кучах; ртуть конденсировалась при этом на
холодных предметах. Позднее появилась керамич. реторта. Методы получения
ртути, описанные нем. учёным Г. Агриколой (16 в.), сводятся к обжигу
руды в керамич. сосудах с различными конденсаторами. Железные реторты появились
в 17 в. (1641). Затем по мере роста спроса на ртуть получили применение
более производит, шахтные печи (периодич., а позднее и непрерывного действия),
отражат. печи (с 1842), трубчатые вращающиеся печи (с нач. 20 в.), к-рые
служат осн. агрегатом для переработки ртутных руд. Перспективный способ
получения ртути - переработка руд в кипящего слоя печах, успешно
освоенная в СССР.

Технологич. схемы процессов получения остальных
металлов, произ-во к-рых достигло значит, уровня только в течение последних
столетий (а иногда и лет), освещаются в соответствующих статьях
(см. Алюминий, Цинк, Марганец, Хром, Никель, Магний и др.).

Совр. М. как совокупность
осн. технологич. операций произ-ва металлов и сплавов включает в себя:
1) подготовку руд к извлечению металлов (в т. ч. обогащение); 2) процессы
извлечения и рафинирования металлов: пирометаллургические, гидрометаллургические,
электролитические; 3) процессы получения изделий из металлич. порошков
путём спекания; 4) кристаллофизические методы рафинирования металлов и
сплавов; 5) процессы разливки металлов и сплавов (с получением слитков
или отливок); 6) обработку металлов давлением; 7) термическую, термомеханическую,
химико-термическую и др. виды обработки металлов для придания им соответствующих
свойств; 8) процессы нанесения защитных покрытий.

С М. тесно связаны коксохимическая
промышленность, производство огнеупоров и ряд др. отраслей пром-сти.

Подготовка руд к извлечению
металлов начинается с дробления, измельчения, грохочения и классификации
(см. Классификатор). Следующая стадия обработки - обогащение (см.
Обогащение полезных ископаемых). В процессе обогащения или после
него материалы подвергают обычно обжигу или сушке. Весьма перспективен
обжиг в кипящем слое. Наибольшее применение в обогатительной технике имеют
флотационные, гравитационные, магнитные и электрич. методы. Флотационными
процессами перерабатывают более 90% всех обогащаемых руд цветных и редких
металлов. Из гравитац. процессов распространены обогащение в тяжёлых средах,
отсадка, концентрация на столах и др. методы.

Большое значение обогатит,
процессов в совр. М. обусловлено стремлением к повышению эффективности
металлургич. произ-ва, а также тем, что по мере роста выплавки металлов
приходится использовать всё более бедные руды. Непосредств. металлургич.
переработка таких руд (без обогащения), как правило, неэкономична, а в
нек-рых случаях даже невозможна.

Заключит, операциями подготовки
руд являются обычно их усреднение, смешение, а также окускование посредством
агломерации, окатывания (окомкования) или брикетирования. Необходимость
окускования обусловлена тем, что в процессе обогащения руды подвергаются
измельчению, а применение в плавке мелко измельчённых материалов в нек-рых
металлургич. произ-вах нежелательно или недопустимо.

Пирометаллургические (высокотемпературные)
методы извлечения и рафинирования металлов весьма многообразны (см. Пирометаллургия).
Они осуществляются в шахтных, отражат. или электрич. печах, конвертерах
и др. агрегатах. В пирометаллургич. процессах происходит концентрирование
металлов и удаляемых примесей в различных фазах системы, образующейся при
нагреве или расплавлении перерабатываемых материалов. Такими фазами могут
служить газ, жидкие металлы, шлак, штейн и твёрдые вещества. После разделения
одна или неск. из этих фаз направляются на дальнейшую переработку. Для
осуществления необходимых операций в пирометаллургии применяют окислит.,
восстановит, и др. процессы. С целью интенсификации окисления успешно используют
газообразный кислород, а также хлор и селитру. В качестве восстановителей
применяют углерод, окись углерода, водород или нек-рые металлы (см. Металлотермия).
Примерами
восстановит, процессов могут служить доменная плавка, выплавка вторичной
меди, олова и свинца в шахтных печах, получение ферросплавов и титанового
шлака в рудовосстановит. электропечах. Магнийтермич. восстановлением получают,
напр., титан. Окислит, рафинирование является необходимым элементом в мартеновском
и конвертерном произ-ве стали, при получении анодной меди, а также свинца.

Весьма широко используются методы извлечения
и рафинирования металлов, основанные на образовании сульфидов, хлоридов,
иодидов (см. Иодидный метод), карбонилов. Большое значение имеют
процессы, базирующиеся на явлениях испарения и конденсации (дистилляция,
ректификация, вакуумная сепарация, сублимация). Получили развитие
внепеч-ные методы рафинирования стали, а также вакуумная плавка и
плавка в аргоне, находящие применение при производстве химически активных
металлов (титана, циркония, молибдена и др.) и стали.

Гидрометаллургические методы извлечения
и рафинирования металлов, не требующие высоких темп-р, базируются на использовании
водных растворов (см. Гидрометаллургия). Чтобы перевести металлы
в раствор, применяют выщелачивание с помощью водных растворов кислот, оснований
или солей. Для выделения элементов из раствора используют цементацию,
кристаллизацию, адсорбцию, осаждение (см. Осадителъная плавка) или
гидролиз.
Широкое
распространение получили сорбция металлов ионообменными веществами
(в основном синтетич. смолами) и экстракция
(с помощью органич.
жидкостей). Совр. сорбционные и экстракционные процессы характеризуются
высокой эффективностью. Они позволяют извлекать металлы не только из растворов,
но и из пульпы, минуя операции отстаивания, промывки и фильтрации. Из др.
гидрометаллургич. процессов следует отметить автоклавную переработку материалов
при повыш. темп-pax и давлениях (см.
Автоклав), а также очистку
растворов от примесей в кипящем слое. В нек-рых произ-вах применяют извлечение
металлов (напр., золота) из руд с помощью ртути - амальгамацию.

Большое значение в М. имеет получение или
рафинирование цветных металлов электролитическим осаждением (см. Электролиз)
как
из водных растворов (медь, никель, кобальт, цинк), так и из расплавов (алюминий,
магний). Алюминий, напр., получают электролизом крио-литглинозёмного расплава.

Находит применение также п р о и з-водство
изделий из металлических порошков, или порошковая металлургия. В
ряде случаев этот процесс обеспечивает более высокое качество изделий и
лучшие технико-экономич. показатели произ-ва, чем традиционные способы.

Для получения особо чистых металлов и полупроводников
применяются к р и-сталлофизические методы рафинирования (зонная плавка,
вытягивание
монокристаллов из расплава), основанные на различии составов твёрдой и
жидкой фаз при кристаллизации металла из расплава.

Процессы получения отливок из расплавл.
металлов и сплавов (см. Литейное производство) и слитков, предназнач.
для последующей обработки давлением (см. Разливка металла), известны
человечеству на протяжении мн. веков. Осн. направления технич. прогресса
в этой области связаны с переходом к непрерывной разливке стали и сплавов
и к совмещённым процессам литья и обработки заготовок давлением (напр.,
бесслитковое получение проволоки или листа из расплавл. алюминия, меди,
цинка).

Обработка металлов давлением также известна
людям очень давно (ковка железа была, напр., необходимым элементом процесса
переработки крицы). Кузнечно-штамповочное производство и прессование
являются
важнейшими составными частями машиностроения. Прокатка - основной способ
обработки металлов и сплавов давлением на совр. металлургич. з-дах (см.
Прокатное
производство). Прокатный стан, впервые предложенный, по-видимому, ещё
Леонардо да Винчи (1495), превратился в мощный высокоавтоматизиров. агрегат,
производительность к-рого достигает неск. млн. т металла в год.
Наряду с листовым и сортовым металлом с помощью прокатных станов получают
трубы, гнутые и периодические профили (см. Прокатный профиль), биметалл
и
др. виды изделий. Для изготовления проволоки в совр. М. широко применяют
волочение.

Термическая обработка, обеспечивающая получение
наиболее благоприятной структуры металлов и сплавов, также имеет весьма
древнее происхождение. Такие процессы, как цементация, закалка, отжиг
и
отпуск
металлов, были известны и хорошо освоены на практике уже в глубокой
древности. Науч. основы термической обработки металлов и сплавов
были разработаны Д. К. Черновым (см. Металловедение). В совр. технике
термич. обработка металлов и сплавов, а также др. виды обработки
(см.
Термомеханическая обработка, Химико-механическая обработка, Химико-термическая
обработка) имеют очень широкое применение. Кроме готовых деталей, к-рые
подвергаются обработке на маш.-строит, предприятиях, её проходят мн. виды
продукции и на металлургич. з-дах. Это относится, напр., к стальным рельсам
(объёмная закалка или закалка головки), к толстым листам и арматурной стали
(упрочняющая обработка), к тонкому листу из трансформаторной стали (отжиг
для улучшения магнитных свойств) и т. д.

Большое значение в совр. М. приобретают
процессы нанесения на металл различных защитных покрытий. К таким процессам
относятся лужение, цинкование, нанесение пластмассовых и др. покрытий,
значительно повышающих качество и срок службы металла.

Значение М. в создании совр. цивилизации
исключительно велико. Материальная культура человеческого общества немыслима
без металлов; она базируется на них в произ-ве средств произ-ва, средств
транспорта и связи, в стр-ве, в воен. деле. Большую роль играют металлы
в с. х-ве и в произ-ве предметов потребления. Данные об объёме и динамике
произ-ва стали, чугуна, важнейших цветных металлов и др. сведения о М.
как отрасли пром-сти приведены в статьях
Чёрная металлургия, Цветная
металлургия.

Лит.: Основы металлургии, т. 1 -
6, М., 1961 - 73; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник,
2 изд., М., 1961-62; Прокатное производство. Справочник, т. 1 - 2, М.,
1962; Доменное производство. Справочник, т. 1-2, М., 1963; Сталеплавильное
производство. Справочник, т. 1 - 2, М., 1964; Aitchison L., A history of
metals, v. 1-2, L., 1960.

А. Я. Стомахин.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я