Наиболее динамичный период развития человечества обусловлено открытием человеком металлов и их сплавов. В природе в чистом виде встречаются небольшое количество металлов, таких как: золото, серебро и медь. К тому же, золото и серебро являются драгоценными металлами и использовались в ювелирных целях и чеканки монет. В тоже время самородная медь необладала необходимыми прочностными характеристиками, что требовало нахождение других материалов. Выше указанные причины стимулировли человечество в поиске новых металлов. В процессе изучению окружающего мира человек осознал, что в рудах содержится другие металлы с более востребованными характеристиками столь необходимыми человечеству. В результате этого человечество вынуждено было находить способы получение металлов из руд. Поэтому появилась металлургия, что дало огромные возможности для развитию человечеству .
Металлургия
В мировой практике исторически сложилось деление металлов на чёрные (железо и сплавы на его основе) и все остальные— нечерные или цветные металлы. Соответственно, металлургия часто подразделяется на чёрную и цветную.
Чёрная металлургия
цветной металлургии
пирометаллургию
-
Пирометаллургия— металлургические процессы, протекающие при высоких температурах (обжиг, плавка и т.п.).
Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия.
-
Гидрометаллургия — процесс извлечения металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи воды и различных водных растворов химических реактивов (выщелачивание) с последующим выделением металлов из растворов (например, цементацией, электролизом).
Во многих странах мира идет интенсивный научный поиск по применению различных микроорганизмов в металлургии, то есть применение биотехнологии (биовыщелачивание, биоокисление, биосорбция, биоосаждение и очистка растворов).
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.
3
Производство и потребление металлов
Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий, железо, магний, титан. Природные ресурсы некоторых весьма важных металлов измеряются сотыми и даже тысячными долями процента. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.
Медь. Серебро. Золото
... pазливают в фоpмы. Получающиеся отливки служат анодами пpи электpолитическом pафиниpовании. Чистая медь — тягучий вязкий металл светло-pозового цвета, легко пpокатываемый в тонкие листы. Она очень хоpошо ... и пpименяются в судостpоении. Латунь с высоким содеpжани-ем меди - томпак - благодаpя своему внешнему сходству с золотом используется для ювелиpных и декоpативных изделий. Медноникеливые сплавы и ...
Производство и потребление металлов в мире постоянно растёт. За последние 20 лет ежегодное мировое потребление металлов и мировой металлофонд удвоились и составляют, соответственно, около 800млн тонн и около 8млрд тонн. Изготовленная с использованием черных и цветных металлов доля продукции в настоящее время составляет 72—74% валового национального продукта государств. Металлы в XXI веке остаются основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения.
Из 800млн т ежегодно потребляемых металлов более 750млн т приходится на сталь, около 20—22млн т на алюминий, 8—10млн т— медь, 5—6 млн т— цинк, 4—5млн т— свинец (остальные- менее 1млн т).
Масштабы производства таких цветных металлов, как алюминий, медь, цинк, свинец, 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.
В настоящее время основная масса металлов производится и потребляется в таких странах как США, Япония, Китай, Россия, Германия, Украина, Франция, Италия, Великобритания и другие.
Благодаря своим физическим свойствам (твёрдость, высокая плотность, температура плавления, электропроводность, звукопроводность, внешний вид и другим) они находят применение в различных областях. Применение металлов зависит от их индивидуальных свойств:
-
Железо и сталь обладают твердостью и прочностью. Благодаря этим их свойствам они широко используются в строительстве.
-
Алюминий ковок, хорошо проводит тепло, обладает высокой прочностью при сверхнизких температурах. Он используется для изготовления кастрюль и фольги, в криогенной технике. Благодаря своей низкой плотности— при изготовлении частей самолётов.
-
Медь обладает пластичностью и высокой электропроводностью. Именно поэтому она нашла своё широкое применение в производстве электрических кабелей и энергетическом машиностроении.
-
Золото и серебро очень тягучи, вязки и инертны, обладают высокой стоимостью, используются в ювелирном деле. Золото также используется для изготовления неокисляемых электрических соединений.
Сплавы
В чистом виде металлы применяются незначительно. Гораздо большее применение находят сплавы металлов, так как они обладают особыми индивидуальными свойствами. Наиболее часто используются сплавы алюминия, хрома, меди, железа, магния, никеля, титана и цинка. Много усилий было уделено изучению сплавов железа и углерода. Обычная углеродистая сталь используется для создания дешёвых, высокопрочных изделий, когда вес и коррозия не критичны.
4
Нержавеющая или оцинкованная сталь используется, когда важно сопротивление коррозии.
Алюминиевые и магниевые сплавы используются, когда требуются прочность и легкость.
Устройство и назначение агрегата внепечной обработки стали типа печь-ковш
... – легирования и науглероживания металла. Наиболее важные положения технологии доводки стали на установке печь-ковш сводятся к следующему. Доводка металла на установке начинается с продувки его ... обеспечить глубокую десульфурацию металла путем наводки высокоосновного восстановительного шлака. Кроме этого, на такой установке высокоэффективно используется продувка металла аргоном. Эта продувка ...
Медно-никелевые сплавы используются в коррозионно-агрессивных средах и для изготовления ненамагничиваемых изделий. Суперсплавы на основе никеля используются при высоких температурах. При очень высоких температурах используются монокристаллические сплавы.
Черная металлургия
Железо в природе находится в руде в виде оксидов Fe 3 O4 , Fe2 O3 , гидроксида Fe2 O3 ×H2 O, карбонатов FeCO3 и других. Поэтому для восстановления железа и получения сплавов на его основе существует несколько стадий, включающих подготовку сырья к доменной плавке (окускование), доменное производство и производство стали.
Доменное производство чугуна
На первой стадии получения железосодержащих сплавов происходит высвобождение железа из руды или окускованного сырья в доменной печи при температуре свыше 1000 градусов Цельсия и выплавка чугуна. Свойства получаемого чугуна зависят от хода процесса в доменной печи. Поэтому задавая процесс восстановления железа в доменной печи можно получить два вида чугуна: передельный, который идёт в дальнейший передел для выплавки стали, и литейный чугун, из которого получают чугунные отливки.
Производство стали
Передельный чугун служит для производства стали. Сталь— это сплав железа с углеродом и легирующими элементами. Она прочнее чугуна и более пригодна для строительных конструкций и производства деталей машин. Выплавка стали происходит в сталеплавильных печах, где металл находится в жидком состоянии.
Методов получения стали существует несколько. Основными методами получения стали являются: кислородно-конверторный, мартеновский, электроплавильный. Каждый метод использует различное оборудование— конвертеры, мартеновские печи, индукционные печи, дуговые печи.
Кислородно-конвертерный процесс
Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский процесс. Этот способ производства стали в конвертере с кислой футеровкой был разработан англичанином Г. Бессемером в 1856—1860гг. Несколько позже, в 1878 году,— С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой, получивший название томасовский процесс. Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье заключается в том, что залитый в плавильный агрегат чугун продувают снизу воздухом. Кислород, содержащийся в воздухе, окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь. При томасовском процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фосфор и сера.При окислении выделяется тепло, которое обеспечивает нагрев стали до температуры около 1600 °С. Электросталеплавильное производство
5
Электросталеплавильное производство
В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые сталеплавильные электропечи, питаемые переменным током, индукционные печи и получающие распространение в последние годы дуговые печи постоянного тока. Причём доля печей последних двух видов в общем объёме выплавки невелика.
Процесс производства стали в электропечах
... в печь подают ферромарганец в количестве, обеспечивающем заданное содержание марганца в стали, а также производят науглероживание, если выплавляют высокоуглеродистые стали (до 1,5% С). Производство стали в электропечах ... в выплавляемой стали, количество марганца и кремния. По сути это переплав. Однако в процессе ... футеровки в печь загружают шихту: стальной лом (до 90%), чушковый передельный чугун (до ...
В дуговых электропечах переменного тока выплавляют стали электропечного сортамента. Основными достоинствами дуговых электропечей является то, что в них в течение многих десятилетий выплавляют основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей, которые затруднительно, либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах. Благодаря возможности быстро нагреть металл, можно вводить большие количества легирующих добавок и иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки (в восстановительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов. Кроме того, имеется возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с её хорошим удалением в безокислительный шлак. Также есть возможность плавно и точно регулировать температуру металла.
Цветная металлургия
В цветной металлургии применяются очень разнообразные методы производства цветных металлов. Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, где часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Вместе с тем ряд металлов с успехом получают гидрометаллургическим способом с переводом их в растворимые соединения и последующим выщелачиванием.
Часто оказывается наиболее приемлемым электролитический процесс водных растворов или расплавленных сред.
Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду. Можно указать ещё на такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.
6
Библиография, Герасимов Я. И., Павленко Н. И., Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф., Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М.
Металловеды / Составитель С.С.Черняк— Иркутск: Изд-во ИрГУ, 2000.— 532 с.
7
