Металлы и сплавы

 Металлургия (от греч. металлон — металл и эргон — работа) — в первоначальном значении «искусство вып­лавлять металлы из руд».

В современном значении — это область науки и тех­ники и отрасль промышленности, охватывающие все процессы получения металлов и сплавов и придания им определенных форм и свойств.

Исторически сложилось разделение металлургии на цветную и черную. К черной металлургии относят полу­чение сплавов на основе железа — чугун, сталь, ферро­сплавы. Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. Кроме того, метал­лургические процессы применяются и для получения неметаллов и полупроводников. А в целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением га­лоидов и газов.

Путь от железной руды до готового металла называют металлургическим циклом. 

Современная черная металлургия состоит из сложно­го комплекса различных производств (рис.). Снача­ла на горно-обогатительных комбинатах (ГОК) обога­щают руду, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат — продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой,  Но полученный после обогащения порошкообразный рудный концентрат еще не пригоден для плавки: порошок нужно подвергнуть окускованию - агломерации или окатыванию. В первом случае его спекают и получают агломерат, а во втором случае влажный концентрат превращается в комки - окатыши. Из них в доменных печах выплавляют чугун, который передастся в сталеплавильный цех, где его пе­реплавляют в сталь в мартеновских печах, кислородных конвертерах или электропечах. Стальные слитки транс­портируют в прокатные цехи, где из них делают про­фильные изделия (прокат): рельсы, балки, листы, тру­бы, проволоку.

На шахтах добывается каменный уголь, который на коксохимических заводах перерабатывается в кокс (кок­сование — сухая перегонка каменного угля при темпе­ратуре 1000°С без доступа воздуха) — топливо для до­менных печей. Уголь размалывают в тончайший порошок и помещают в особые печи - камеры. Несколько десятков таких камер составляют коксовую батарею. Порошок прогревают без подачи воздуха, постепенно увеличивая температуру. Когда вся масса угольного порошка прогреется насквозь, порошок спекается и получается каменноугольный "пирог" - кокс. Он порист и поэтому в доменной печи быстрее вступает в контакт с горячим воздухом. В коксе гораздо меньше примесей, чем в угле: часть их уходит вместе с коксовым газом, который выделяется при нагреве угля. Из этого газа затем получают много полезных продуктов На рудниках и карьерах добываются флюсы для раскисления металлов и огнеупорные матери­алы — для футерования плавильных печей. Назначение флюсов - понизить температуру плавления пустой породы, содержащейся в рудах, чтобы облегчить ее переход в шлак. В последние годы флюсы стали примешивать к руде еще при ее подготовке к плавке. Большинство доменных печей Советского Союза теперь работают на таком сырье, оно называется офлюсованным агломератом.

Смесь материалов, загружаемых в доменную печь для получения металла заданного химического состава, называется шихтой.

Для плавки нужен и воздух. Без него, точнее без кислорода, нет горения. А чтобы доменный процесс протекал успешнее, воздух тоже необходимо подготовить - нагреть. Для этого используют тепло горячих газов, отходящих из доменных печей. После очистки газы направляются по трубам к воздухонагревателям (кауперам) - высоким башням, разделенным внутри на две части по вертикали: в одну пускают доменный газ, в другую - воздух. Проходя вдоль башни, горячий газ отдает кирпичу тепло. Когда кирпич достаточно нагреется, доступ газу закрывают и впускают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя между горячими кирпичами, воздух нагревается до 1000-1200° С. Затем его направляют по трубам к доменной печи.

Воздухонагреватель нагревают обычно около 2 ч, а потом в течение часа он подает в доменную печь горячий воздух. Поэтому для бесперебойной работы печи нужны 3-4 воздухонагревателя: 2 или 3 из них греются, а остальные в это время подают нагретый воздух в доменную печь.

Между цехами металлургического производства про­ложены пути, по которым железнодорожные составы развозят руду, жидкий чугун, стальные слитки и готовый прокат.

Такой же, а в ряде случаев и более сложный путь про­ходят металлы и на заводах цветной металлургии. Тех­нологический процесс получения некоторых цветных металлов включает десятки операций.

Пирометаллургия (от греч. слова пир— огонь), рас­плавляя руду или металл, сжигает кислород воздуха, за­соряет атмосферу продуктами сгорания, тратит много пресной воды на охлаждение стенок плавильных агре­гатов. То есть наносит вред окружающей среде. Поэто­му разрабатываются новые пути развития металлургии. Это, прежде всего, прямое восстановление железа из руды, минуя доменный процесс. Быстрыми темпами развивается электрометаллургия, все более широкое применение находит электроэнергия на всех последую­щих стадиях обработки металлов.