Для чего нужна металлургия

Металлургия — широкое понятие, относящееся к технике и науке. Это мощная промышленная отрасль, главная задача которой заключается в производстве и обработке металлов. Металлы выделяют из различных руд, после чего изучают их физикохимические свойства и производят современные высокотехнологичные сплавы.

В данном материалы мы рассмотрим основные области деятельности металлургии, ее особенности и технологии, а также пути овладения специальность. «Металлургия».

Области металлургии

В металлургии различают несколько областей:

Чёрную. Она включает в себя производство таких металлов как чугун, сталь и железо. Это чёрные металлы, производство которых требует много материалов, в том числе и каменный уголь;
Цветную. Это добыча разных руд и процесс их дальнейшего обогащения. Цветные металлы обрабатывают разными способами, получая из них новые сплавы;
Плазменную. Из руд извлекают металлы, а затем подвергают их обработке. Для обработки применяют мощные плазменные реакторы и печи, а также технологию плазменного нагрева, чтобы придать процессу плавления максимальную интенсивность;
Порошковую. Задача порошковой металлургии — получение из металлов разных порошков, которые применяют для изготовления изделий. Также в этой отрасли используют композитные технологии, соединяя металлы и неметаллы.

Технологии металлургии

В металлургии используют специальные технологии добычи металлов:

пирометаллургию. Все процессы плавления, обжига и другие технологии протекают в условиях высоких температур;
гидрометаллургию. Металлы извлекают из руды, а потом выделяют из них растворы, применяя электролиз;
биотехнологии. Извлечь из руды металл можно, используя живые микроорганизмы для реакций биоокисления или биосорбции.

Ежегодно развитие экономики требует новых запасов металлов. Известно, что природные ресурсы не безграничны, поэтому одна из основных задач металлургов, кроме развития геологоразведочной отрасли — повторное применение того или иного металла.

Есть несколько металлов, которые уже давно нашли широкое применение в разных отраслях человеческой деятельности. Это сталь (её ежегодное потребление составляет больше 90%), свинец, а также медь и алюминий. Из редких металлов следует отметить добычу платины, теллура, осмия и золота.

Сферу строительства невозможно представить без использования железа и стали. Они обладают высокой износостойкостью и замену им найти практически невозможно. Что касается прочного алюминия, именно он, благодаря его низкой плотности, применяется при строительстве самолётов.

Одно из главных свойств меди — высокая степень теплопроводности, поэтому она широко применяется для изготовления электрических кабелей. Золото активно используют для производства ювелирных украшений. Также из него делают электрические соединения, не подверженные реакции окисления.

Раньше в металлургической промышленности использовали чистые металлы, но со временем высокотехнологичные сплавы уверенно вытеснили их из производственной сферы. Сплавы обладают особыми качествами, которых нет у чистых металлов. Наиболее популярными из них являются «нержавейка», углеродистая сталь, сплавы из никеля и меди.

История металлургии

Металлургия начала развиваться ещё в эпоху каменного века. Есть несколько исторических вех её развития. Согласно археологическим раскопкам, наши древние предки уже в 6 в. до н.э. активно использовали железо, попавшее на Землю в составе метеоритов. Люди постепенно осваивали обработку серебра и олова.

В эпоху бронзового века (5500 лет назад) люди научились получать из горных пород олово и медь, из которых у них случайно вышла бронза. Во времена железного века (1200 лет назад) из руды стали извлекать железо. Его главными добытчиками считают древних римлян, преуспевших в искусстве ковки, а четь изобретений технологий металлообработки и добычи принадлежит китайцам.

Независимо от того, в каком уголке земного шара развивалась металлургия, все люди пользовались классическим сыродутным методом, с помощью которого осуществлялась выплавка меди и свинца.

Далее последовала эпоха, называемая этапом цементации. Железо стали закаливать, оно превратилось в металл гораздо прочнее бронзы. Однако процесс освоения людьми этой технологии занял около тысячи лет.

В период Средневековья высота плавильных печей уже составляла три метра, а работали они с применением энергии, получаемой через воду. Эти печи назывались штукофенами и стали стимулом для того, чтобы чёрная металлургия вышла на очередной виток развития. В эпоху Возрождения появились новые виды печей, которые назвали блауофенами. После них появились доменные печи громадных размеров. Они работали 24 часа в сутки, выпуская до полутора тысяч тонн чугуна отменного качества.

В конце XIX, начале XX века появились новые технологии производства металлов. Речь идёт о бессемеровском, томасовском и, наконец, мартеновском способах. Они помогли людям в разы увеличить производственные объёмы с выпуском металлов от шести тонн в час. Спустя 50 лет появились безостановочная разливка стали и метод кислородного дутья. На современном этапе учёные активно развивают разные технологии обогащения руд и производства стали в электрических печах.

Газы в металлургии

Пирометаллургия — отрасль, подразумевающая постоянное газообразование. Газы должны регулярно удаляться из печей вместе с пылью. Они бывают технологическими и топливными.

Образование технологических газов происходит во время протекания сложных процессов. Они состоят из углекислоты, водных паров, оксида углерода и сернистого ангидрида. Также при некоторых процессах в металлургии наблюдается выделение газообразного хлора и других хлоридов. Когда топливо сгорает, происходит выделение углекислоты и водного пара. Температура газов, выделяющихся во время реакций, составляет от 800 до 1300С, но иногда она бывает и больше.

Сейчас на любом металлургическом производстве используются комплексные технологии переработки газов:

с применением оксида серы;
высокие температуры;
процесс обезвоживания и т.д.

Специальность «Металлургия»

Профессия металлурга включает несколько специализаций. Есть рабочие-металлурги, а есть инженеры. Среди рабочих направлений выделяют:

сталеваров. Они владеют всеми известными технологиями производства стали;
плавильщики. Они занимаются плавлением металлов, знают, из чего они состоят и при каких температурах процесс плавления будет наиболее эффективным;
специалисты доменных печей. Их задача — убирать из печей отходы производства, чтобы качество металлов всегда оставалось на должном уровне;
разливщики. Они принимают жидкие металлы и разливают их в специальные формы;
нагревальщики. Они не только нагревают доменные печи, но и готовят их к работе;
машинисты кранов. Они перемещают с помощью металлургических кранов необходимые производственные элементы. Такой крановщик занимается организацией всего рабочего процесса в цехе.

Задача инженеров-металлургов — управление производственным процессом от и до. Они разрабатывают способы, применяемые при плавлении разных металлов и изготовлении разных изделий. Инженеры занимаются вопросами безопасности на производстве — с целью сохранения экологического фона. Также они контролируют качество производимой продукции и проводят ряд мероприятий в области маркетинга.

Таким образом, профессия металлурга объединяет несколько разных специальностей, а металлургия — это динамично развивающаяся сфера, без которой невозможно себе представить развитое и цивилизованное общество. И поскольку внутри отрасли есть большое число направлений, то каждый может выбрать наиболее интересную и подходящую ему профессию.

Стоит отметить, что выучиться на одно из направлений металлургической отрасли возможно не только в университетах и средних профессиональных образовательных учреждениях, но и в рамках дополнительного профессионального образования. Так, Современная научно-технологическая академия реализует курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации по профилю «Металлургия».

Курсы повышения квалификации «Металлургия» направлены на специалистов, которые уже работают в отрасли и хотят повысить уровень своих знаний и компетенций. А вот профессиональная переподготовка ориентирована на тех, кто ставит перед собой цель овладеть новой профессией. Обучение на базе СНТА позволяет овладеть актуальные навыками и компетенциями, которые станут отличным толчком для дальнейшего профессионального роста и развития специалиста.

Динамика производства основных видов продукции чёрной металлургии в России, млн. т.
ГодЧугун 1 рядСталь 2 рядГотовый прокат 3 рядСтальные трубы 4 рядЖелезная руда 5 ряд
19405,39,35,70,49,7
196531,250,133,15,254,1
197042,063,943,27,066,5
198055,284,459,710,792,4
198557,188,762,511,5104
198659,591,964,211,8106
198761,093,365,512,2108
198861,591,466,412,5109
198961,592,865,912,6107
199059,489,663,711,9107
199148,977,155,110,591
199248,567,046,88,182
199340,959,142,87,476
199436,148,835,53,673
199539,261,339,13,778

Наименьший объём производства черной металлургии России пришёлся на 1994г. , но уже следующий год принёс оживление практически во все основные производства отрасли. Производство проката черных металлов в РФ увеличилось в 2002 году на 3,9%. Объем производства стальных труб в Свердловской области в 2002 году составил 101,1%.
Высокая удельная концентрация отрасли: почти 4/5 всей продукции приходится на три её основные базы — Уральскую, Центральную и Сибирскую.

Удельный вес основных металлургических баз в середине 90хг., %.
Основные базы Железная рудаЧугунСтальГотовый прокатСтальные трубы
Уральская1945484849
Центральная4522161715
Сибирская161715155

Динамика производства в подотраслях черной металлургии в августе 2000 года

Природные соединения металлов

Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах:

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов ( Fe ₃ O ₄ , FeS ₂ )

3. Благородные – в свободном виде ( Au , Pt , Ag )

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:

хлоридов – сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;
нитратов – чилийская селитра NaNO₃;
сульфатов – глауберова соль Na₂SO₄ · 10 H₂O, гипс CaSO₄ • 2Н₂О;
карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃ • MgCO₃;
сульфидов – серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
фосфатов – фосфориты, апатиты Ca ₃(PO₄)₂ ;
оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк Fe₂O₃ • Н₂О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Ме + n + ne — → Me 0

I . П ирометаллургический способ

Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических — кокс, оксид углерода (II), водород; металлических — алюминий, магний, кальций и другие металлы.

1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия :

2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:

3Fe₂ O₃ + H₂ = 2Fe₃ O₄ + H₂O или 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

II . Гидрометаллургический способ

Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.

Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом

III . Электрометаллургический способ

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl эл.ток → 2Na + Cl₂

IV . Термическое разложение соединений

Например, получение железа:

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-200 0 , образуя пентакарбонил:

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250 0 карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.

Реакции, лежащие в основе получения металлов

1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением

3. Алюминотермия (восстановление более активным металлом)

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

Металлургия (англ. Metallurgy ) — наука, техника и отрасль промышленности, связанные с получением металлов из руд или металлосодержащих веществ с предоставлением им необходимых свойств. В прикладном плане — совокупность связанных между собой отраслей и стадий производственного процесса от добычи сырья до выпуска готовой продукции — чёрных и цветных металлов и их сплавов (стопов).

К черным металлам относят металлы и сплавы на основе железа, марганца, хрома. Все остальные — цветные. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель), легкие (алюминий, титан, магний), драгоценные (золото, серебро, платина), щелочные (калий, натрий, литий), щелочно-земельные (кальций, барий, стронций).

Свойства металлов и методы их модификации изучает металловедение.

Содержание

[править] История

Первые свидетельства о производстве людьми металла датируются шестым — пятым тысячелетием до Рождества Христова [1] . Они были найдены при раскопках в Майданпеке, Ярмоваце и Плочнике (Сербия). Найденный в Беловоде, медный топор культуры Винча свидетельствует о добыче меди [2] [3] . Другие свидетельства о существовании металлургии были найдены археологическими раскопками в разных странах Европы: в Пальмеле (Португалия), Кортес-де-Наварра (Испания), Стоунхендже (Англия). Однако, как часто бывает при изучении доисторических времен, место и время изобретения не может быть установлено точно, и археологи время от времени получают новые артефакты в разных уголках мира.

Серебро, медь, олово и метеоритное железо можно найти в виде самородков, благодаря чему уже ранние культуры могли в ограниченном объеме использовать обработку металлов. Египетское оружие из метеоритного железа, изготовленное примерно за 3 тыс. лет до н. э., высоко ценилось как «кинжалы с небес» [4] . Однако умение получать медь и олово из породы и совмещать эти два металла в сплав под названием бронза дало начало настоящей металлургии примерно три с половиной тысячи лет до н. э., и положило начало эпохе в истории человечества, которая получила название бронзового века.

Добыча железа из руды и его обработка наиболее сложные процессы. Производство железа, пожалуй, изобрели хетты примерно за 1200 лет до н. э., что положило начало эпохе железного века [4] [5] . В дальнейшем свидетельства развития черной металлургии археологи находят в разных культурах и цивилизациях. Среди них древние и средневековые государства Среднего и Ближнего Востока, древнего Ирана, Древнего Египта, Нубии, Анатолии, культуры Нок, Карфагена, а также Древняя Греция и Древний Рим, Древний Китай, древняя Япония. Древний Китай обогатил металлургию значительными нововедениями, такими как совершенствование доменной печи, чугуна, гидравлических молотов, кузнечных мехов [6] [7] .

В 16 веке Георгий Агрикола издал книгу De Re Metallica, в которой описал сложный процесс добычи руды, выплавки и обработки металла, отвечавший развитию металлургии того времени. Агриколу называют «отцом» металлургии [8] .

Особенно быстрыми темпами металлургия стала развиваться с началом промышленной революции. Вырос объем производства металлов, совершенствовались способы их получения, росло качество. В современную эпоху возрастает роль высокотехнологичных материалов, таких как сплавы, легированные и композитные материалы с металлическими матрицами.

[править] Металлургия как научно-техническая отрасль

Металлургия — это наука о получении металлов из руд или веществ, содержащих металлы, и о предоставлении металлическим сплавам необходимых свойств.

Металлургия основывается на достижениях физической химии, физики, металлургической теплотехники, электротехники, электроники, кибернетики, экономики, на теории металлургических процессов, автоматизации производства и управления им, а также на космических технологиях.

Металлургия изучает проблемы подготовки руд, которая заключается в их дроблении и измельчении, разделении (грохочение, классификация), обогащении, обжиге или сушке, окусковании, агломерации и брикетировании. Исследует гидрометаллургические, пирометаллургические, в том числе металлотермические, электротермические, а также электрохимические (электролиз) процессы получения металлов (сплавов) с последующим их рафинированием.

Кроме того, металлургия изучает проблемы изготовления металлических порошков и изделий из них (порошковая металлургия), термической обработки, обработки металлов давлением, литья, сварки, пайки, нанесения на поверхность металлов защитных покрытий. Важной отраслью металлургии является металловедение.

[править] Металлургия как отрасль промышленности

Металлургия как отрасль тяжелой промышленности делится на черную и цветную.

[править] Черная металлургия

Черная металлургия — отрасль тяжелой промышленности, предприятия которой производят чугун, сталь, прокат, стальные и чугунные трубы, ферросплавы, металлические изделия промышленного назначения. К черной металлургии относятся также подотрасли по добыче железной и марганцевой руд и по производству их концентратов, агломерата, окатышей, флюсовых известняков, огнеупорного сырья и огнеупоров, кокса и другой продукции, которую используют в основном как сырье для производства черных металлов

[править] Цветная металлургия

Цветная металлургия — отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся добычей и обогащением руды, производством и обработкой цветных металлов, редких и драгоценных металлов и их сплавов, добычей природных алмазов и другого минерального сырья. К цветной металлургии относятся также заготовка и переработка вторичных цветных металлов. Производственный комплекс области состоит из горнодобывающих предприятий, обогатительных фабрик, металлургических и металлообрабатывающих заводов. Предприятия цветной металлургии, как материалоемкой и энергоемкой отрасли, строятся в местах добычи сырья и производства дешевой электроэнергии.

МЕТАЛЛУРГИЯ — греч., от metallon, металл, и ergon, труд. Наука о способах добывания и обработки металлов. Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней. Михельсон А.Д., 1865. МЕТАЛЛУРГИЯ наука о способах… … Словарь иностранных слов русского языка

МЕТАЛЛУРГИЯ — (от греч. metallurgeo добываю руду обрабатываю металлы), область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или др. материалов, изменения химического состава, структуры и свойств металлических… … Большой Энциклопедический словарь

Металлургия — отрасль тяжелой промышленности, охватывающая процессы получения (выплавки) металлов из руд и других материалов, производства сплавов, придания нужной формы металлическим заготовкам путем обработки их давлением. Традиционно металлургия… … Финансовый словарь

металлургия — Наука о металлах и сплавах. Металлургия процессов имеет отношение к извлечению металлов из их руд и их очистке. Физическая металлургия работает с физическими и механическими свойствами металлов в соответствии с их соединением, обработкой и… … Справочник технического переводчика

МЕТАЛЛУРГИЯ — МЕТАЛЛУРГИЯ, область науки и техники, а также отрасль промышленности, занимающаяся МЕТАЛЛАМИ. Металлургия включает изучение методов выделения металлов из их РУД; физических и химических свойств металлов; производство СПЛАВОВ; закалку и упрочнение … Научно-технический энциклопедический словарь

МЕТАЛЛУРГИЯ — МЕТАЛЛУРГИЯ, и и МЕТАЛЛУРГИЯ, и, жен. 1. Наука о промышленных способах производства металлов и сплавов и их первичной обработке. 2. Промышленное производство металлов и сплавов, их механическая и химическая обработка. М. сплавов. Порошковая м.… … Толковый словарь Ожегова

металлургия — (горячий, огненный) цех Словарь русских синонимов. металлургия сущ., кол во синонимов: 5 • гидрометаллургия (1) • … Словарь синонимов

МЕТАЛЛУРГИЯ — МЕТАЛЛУРГИЯ, добыча металлов из их природных соединении руд, распадается на два отдела: черную и цветную. Черная М. охватывает добычу чугуна, железа и стали. Чугун добывается из железных руд, именуемых железняками: красного (Fe203), магнитного… … Большая медицинская энциклопедия

металлургия — и металлургия … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

металлургия — комбинаты. Металл өндіретін және өңдейтін комбинат. Айталық, Қарағанды мен Теміртаудың м е т а л л у р г и я к о м б и н а т т а р ы н а н шыққан ақаба су Нұраға осы жолмен табысады (Қаз. әдеб., 18.03.1988, 3). Металлургия отаны. п е р и ф р.… … Қазақ тілінің түсіндірме сөздігі