Металлургия является одной из ключевых отраслей российской промышленности. Несмотря на период экономической нестабильности, на предприятия черной металлургии приходится порядка 10 миллиардов долларов экспорта в страны Евросоюза и США. А доля компаний металлургической промышленности в российском экспортном портфеле составляет порядка 15% совокупной выручки. Кроме большого значения для отечественной экономики, металлургия — это еще и наука о том, как появляются металлы и как под воздействием различных процессов меняются их химический состав, структура и свойства.

Искусство металлургии

На самом деле научное значение металлургии сформировалось гораздо раньше, чем экономическое. Металлургией изначально называлось искусство извлечения металлов из руд, и только в наши дни металлургия стала самостоятельной индустрией и отраслью народного хозяйства.

Металлургия — наука о промышленной добыче металлов. Еще в XVI веке ученый и врач Георг Агрикола (настоящее имя — Георг Бауэр) заложил основы современной науки, написав «12 книг о металлах». В них, в частности, говорится о том, что главной задачей металлургии является плавление добытой руды «с пользой для дела». Это значит, что посредством различных процессов нужно отделять от руды шлаки и получать из нее чистые металлы.

В отрывке из трудов Агриколы сказано: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу. Много отнимается примесей при дроблении руды в ступах, еще более при промывке, грохочении и сортировке. Однако этим путем еще нельзя отделить всё, что скрывает металл от глаз. Плавка необходима, так как только посредством ее горные породы и затвердевшие соки отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются и становятся во многих отношениях полезны человеку».

Действительно, плавка — этот физико-химический процесс сегодня называется пирометаллургическим — и в наши дни является частью металлургии, однако это не единственный метод и не единственная возможная технология добычи металлов. На пирометаллургических процессах базируется получение самых крупных по объему производства металлургических продуктов — чугуна и стали, также выплавляется ряд других ценных металлов и сплавов. Однако в конце XIX века появилась и еще одна получившая распространение технология — гидрометаллургия.

В общем случае считается, что гидрометаллургические процессы необходимы для добычи редких, рассеянных, особо ценных металлов, но такой принцип действует не всегда. К примеру, даже медь довольно часто добывают с помощью гидрометаллургии.

Пирометаллургические процессы основаны на химических реакциях обжига. При этом обжиг может быть окислительным (так появляется сталь), восстановительным, сульфатизирующим (так появляются медь, свинец, цинк) и т. д. Процессы гидрометаллургии — выщелачивание и осаждение металлов из растворов, экстракция, сорбция металлов. Так, скажем, с помощью серной кислоты выщелачивают медь, цинк, уран, с помощью соды — молибден, вольфрам.

Несмотря на то что гидрометаллургия — более поздняя по времени возникновения технология, пирометаллургический и гидрометаллургический процессы не стоит противопоставлять. Они нередко сопутствуют или предшествуют друг другу (гидрометаллургические процессы — пирометаллургическим). После того как металлы получены тем или иным путем, они проходят стадии очистки (рафинирования) и термической обработки с целью улучшения их физико-химических свойств, чаще всего прочности.

Особыми видами металлургических процессов сегодня также являются электрометаллургия, порошковая металлургия и металлотермия. К примеру, порошковая металлургия основана на применении порошков металлов. Их частицы очень маленькие — размером от 0,1 мкм до 0,5 мм; их сначала спрессовывают, а затем спекают. Также во многих странах происходит изучение и внедрение различных новейших металлургических технологий, например биовыщелачивания, биоокисления, биосорбции, биоосаждения, очистки растворов.

История металлургии

Следы развития металлургии находят в различных культурах и цивилизациях в различные времена, вплоть до 7-6-го тысячелетий до нашей эры.

Первые свидетельства того, что человек добывал металлы, были обнаружены археологами на территориях нынешней Сербии, Болгарии, Испании, Великобритании. Ученые находили там, в частности, медные топоры. Позже люди научились добывать не только медь, но и олово из горной породы, и в 3500-х годах до нашей эры наступил так называемый бронзовый век. Вслед за медью люди стали использовать и железо. Считается, что технология добычи этого металла была изобретена народом хеттов (индоевропейский народ Малой Азии) примерно в 1200 году до нашей эры, и это стало началом железного века.

Впоследствии появлялись всё новые технологии: из железа и других металлов и примесей изготавливали различные орудия для войны и сельского хозяйства, использовались металлы и в строительстве городов. В связи с этим повсеместно развивалась и металлургическая индустрия — от восточных кочевников, которым было известно искусство кузнечного ремесла, и жителей Китая, которые научились получать жидкий чугун, до Индии, где из металлов создавались колонны, на которых до сих пор нет ни толики ржавчины, и древних римлян, занимавшихся горной добычей и ковкой. При этом считается, что основателями металлургии как промышленности являются китайцы, так как многие методы, устройства и технологии этой науки были придуманы именно в Древнем Китае, а потом европейцы освоили это ремесло, изобретя доменные печи, чугун, сталь и др.

Современная история развития металлургии в России начинается со строительства на Урале первых металлургических заводов в начале XVIII века и создания горнозаводских округов, включавших не только заводы, но и рудники, прииски, леса, каменоломни, вспомогательное производство.

Индустрия металлургии

Сегодня к металлургии относятся:

— производство металлов;

— получение сплавов;

— обработка металлов;

— сварка;

— нанесение покрытий из металлов;

— материаловедение, или изучение физико-химических свойств металлов и сплавов.

Смежные с металлургией отрасли — разработка, производство и эксплуатация машин, аппаратов, оборудования, используемых в металлургии. Также с металлургией тесно связано производство огнеупорных материалов, коксохимия и др.

Металлургия подразделяется на черную и цветную. Это связано с тем, что металлы принято делить на черные (железо и сплавы) и все остальные. Нетрудно догадаться, что черная металлургия включает в себя добычу руд черных металлов, производство чугуна, стали, ферросплавов, прокат черных металлов, стальных, чугунных и других изделий. К цветной металлургии относят производство тяжелых цветных (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легких цветных (алюминий, титан, магний) металлов.

Образование металлургов

Для добычи разных видов металлов предприятия используют разные методы и технологии, и они постоянно развиваются и совершенствуются, как и в других отраслях промышленности. Большинство процессов автоматизируется, применяется ИТ-моделирование и анализ. Это не может не отражаться и на процессе обучения специалистов металлургической индустрии, причем не только в профильных вузах, но и непосредственно на производстве. Нередко крупные металлургические предприятия разрабатывают и внедряют подобные образовательные программы.

Из руд или других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры, а следовательно, и свойств металлических сплавов.

Металлургия - это фундамент машиностроения и основа промышленности. Это базовая отрасль народного хозяйства, с очень большими вложениями капиталов и материалов. Фактически, металлургическая промышленность определяет уровень научно-технического прогресса во всём народном хозяйстве. Значение металлургии на данном этапе технического развития трудно переоценить. Ее продуктами пользуются, если не все сферы производственной деятельности человека, то, пожалуй, их большая часть.

Металлы бывают чёрными и цветными. Черные металлы применяются в машиностроении и строительстве. Цветные металлы активно используются во всех отраслях производства . Удовлетворением потребностей человека в металлах и занимается такая отрасль промышленности, как металлургия. Соответственно, металлургический комплекс разделяется на два больших направления: черную и цветную металлургию, и охватывает все стадии технологических процессов: добычу металлургического сырья , металлургический передел, производство сплавов, утилизацию отходов и изготовление продукции из них.

Термин «металлургия» произошел от греч. metallurgéo - добываю руду, брабатываю металлы, от métallon - рудник, металл и érgon - работа). В первоначальном, узком значении, металлургия - это искусство извлечения металлов из руд. В энциклопедическом словаре Брокгауза Ф.А. и Ефрона И.А. даётся следующее определение металлургии: «Металлургия - отдел технологии, занимающийся добыванием металлов в заводских размерах из их природных соединений (руд). Металлургические операции суть двоякого рода: во-первых, механическая обработка руды и приведение ее в удобный для работы вид и, во-вторых, обработка химическая или электрохимическая ».

Исторически сложилось разделение металлургии на чёрную и цветную.

Изучением состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при тепловых, механических, физико-химических и других видах воздействия занимается другая междисциплинарная наука - металловедение .

По используемым технологиям, различают пирометаллургию и гидрометаллургию . Современная металлургия как совокупность основных технологических операций производства 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 металлических порошков путём спекания;
4. Кристаллофизические методы рафинирования металлов и сплавов;
5. Процессы разливки металлов и сплавов (с получением слитков или отливок);
6. Термическую, термомеханическую, химико-термическую и др. виды обработки металлов для придания им соответствующих свойств;
7. Процессы нанесения защитных покрытий.

По состоянию на начало 2008 г. в металлургической отрасли России функционируют 58 научно-технических и проектных организации с общей численностью более 10 тыс. человек (в том числе более 120 докторов и свыше 600 кандидатов наук). Научно-технический потенциал отрасли представлен 46 научными организациями (институтами), в их составе 11 организаций с государственной формой собственности , остальные - акционерные общества открытого типа. Три ведущих научных организации имеют статус государственных научных центров (ГНЦ):

1. ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»,
   
2. ФГУП «Гинцветмет» и
3. ФГУП «Гиредмет» .

Проектный потенциал отрасли представлен 12 проектными организациями, 18 проектными подразделениями комплексных научно-исследовательских и проектных институтов, 3 проектно-конструкторскими бюро. Все проектные организации являются акционерными обществами, при этом большинство из них входит в состав крупных производственных холдингов и компаний. ГНЦ в металлургической промышленности и других отраслях, связанных с разработкой конструкционных материалов и металлургического оборудования осуществляют функции ведущих организаций по следующим важнейшим направлениям развития науки, технологий и техники.

Учёная степень кандидата или доктора наук в группе специальностей металлургия и материаловедение в России присваивается в соответствии с номенклатурой специальностей научных работников ВАК , по следующим специальностям :

Шифр	Отрасль науки, группа специальностей, специальность	Отрасли науки, по которым присуждается ученая степень
05.16.00	Металлургия и материаловедение
	Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов	Технические
	Металлургия черных, цветных и редких металлов	Технические
	Литейное производство	Технические
	Обработка металлов давлением	Технические
	Порошковая металлургия и композиционные материалы	Технические
	Металлургия техногенных и вторичных ресурсов	Технические
	Нанотехнологии и наноматериалы (по отраслям)	Технические Физико-математические Химические

В соответствии с классификатором конкурсов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ , РФФИ предоставляет гранты на исследования в области технологии металлов по следующим основным направлениям:

1. Фундаментальные основы создания новых металлических, керамичес:ких и композиционных материалов
2. Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Образование в области металлургии можно получить в соответствии с Общероссийским классификатором специальностей по образованию (ОКСО), определяющим государственный стандарт на высшее и среднее профессиональное образование в России. Металлургическое образование входит в укрупнённую группу специальностей МЕТАЛЛУРГИЯ, МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАТЕРИАЛООБРАБОТКА. В группу металлургических специальностей входят:

Код ОКСО	Специальность	Квалификация
	Металлургия	Бакалавр техники и технологии Магистр техники и технологии
	Металлургия черных металлов	Старший техник
	Металлургия цветных металлов	Старший техник
	Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей
	Литейное производство черных и цветных металлов	Старший техник
	Металловедение и термическая обработка металлов	Старший техник
	Обработка металлов давлением	Старший техник
	Металлургия сварочного производства
	Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия	Старший техник
	Металлургия техногенных и вторичных ресурсов
	Контроль качества металлов и сварных соединений	Старший техник

Полный и актуальный перечень учебных заведений России, осуществляющих образование по перечисленным специальностям приводится на федеральном портале «Российское образование» . Поиск нужного учебного заведения в России можно выполнить в разделе «Расширенный поиск ВУЗа » с использованием фильтров по названию ВУЗа, городу, названию или коду специальности по ОКСО, форме обучения и т.д.

Рекомендуемая литература

1. Стратегия развития металлургической промышленности России на период до 2020 г. Утверждена Приказом Минпродторга РФ от 18.03.2009 г. № 150.

2. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений . под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, 384 с. Часть 1. Часть 2.

3. Б.Н. Арзамасов, В.А Брострем, Н.А.Буше и др. Конструкционные материалы: Справочник . под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990, 688 с. Часть 1. Часть 2. Часть 3.

4. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л., Кальменев А.А. Металлургия чёрных металлов. Учебник для техникумов . - М.: Маниностроение, 1986, 360 с.

5. Никифоров В.М. Технология металлов . М., Машгиз, 1953.

6. Славянов Н.Г. Труды и изобретения . (Пермь: Книжное издательство, 1988)

7. Под ред. А.С. Зубченко. Марочник сталей и сплавов . М., Машиностроение, 2001 г.

8. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник, 2 изд., М., 1961—62;

9. Прокатное производство. Справочник, т. 1—2, М., 1962;

10. Доменное производство. Справочник, т. 1—2, М., 1963;

11. Сталеплавильное производство. Справочник, т. 1—2, М., 1964;

12. Aitchison L., A history of metals, v. 1—2, L., 1960.

13. Беляев А. И., Металлургия легких металлов, 6 изд., М., 1970

14. Савицкий Е. М., Клячко В. С., Металлы космической эры, М.. 1972

15. Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973.

16. Есин О. А., Гельд П. В., Физическая химия пирометаллургических процессов, 2 изд., ч. 1—2, Свердловск, 1962— 1966;

17. Вольский А. Н., Сергиевская Е. М., Теория металлургических процессов, М., 1968;

18. Зеликман А. Н., Меерсон Г. А., Металлургия редких металлов, М., 1973;

19. Ванюков А. В., Зайцев В. Я., Теория пирометаллургических процессов, М., 1973.

20. М. С. Аронович, Р. М. Голубчик.Технология металлов, М., 1974.

21. Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956.

22. Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960.

23. Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963.

История человечества насчитывает не одну тысячу лет. На протяжении всего периода существования нашей расы отмечается стабильный технический прогресс, немаловажную роль в котором сыграло умение человека обращаться с металлом, создавать и добывать его. Поэтому вполне логично, что металлургия - это то, без чего невозможно представить наш быт, нормальное выполнение рабочих обязанностей и многое другое.

Определение

Прежде всего стоит разобраться с тем, как по-научному, с технической точки зрения, называют современную сферу производства.

Итак, металлургия - это раздел науки, техники, который охватывает процесс получения различных металлов из руды или иных материалов, а также все процессы, имеющие связь с трансформацией химического состава, свойств и структуры сплавов.

Структура

На сегодняшний день металлургия - это мощнейшая отрасль промышленности. Кроме того, она - обширное понятие, которое включает в себя:

• Непосредственное производство металлов.
• Обработку металлических изделий как в горячем, так и холодном виде.
• Сварку.
• Нанесение различных металлических покрытий.
• Раздел науки - материаловедение. Данное направление в теоретическом изучении физико-химических процессов ориентируется на познание поведения металлов, сплавов и интерметаллидов.

Разновидности

Во всем мире существует две основные отрасли металлургии - черная и цветная. Такая градация сложилась исторически.

Черная металлургия заключается в обработке железа и всех сплавов, в котором оно присутствует. Также эта отрасль подразумевает извлечение из недр земли и последующее обогащение руд , сталелитейное и чугунолитейное производство, прокат заготовок, производство ферросплавов.

К цветной металлургии причисляют работу с рудой любого металла, кроме железа. Кстати, условно делят на две большие группы:

Тяжелые (никель, олово, свинец, медь).

Легкие (титан, магний, алюминий).

Научные решения

Несомненно, что металлургия - это деятельность, требующая внедрения инновационных технологий. В связи с этим многие страны нашей планеты активно ведут исследовательские работы, целью которых является изучение и применение на практике самых разнообразных микроорганизмов, которые помогли бы решить, например, такой злободневный вопрос, как очистка сточных вод, являющихся обязательной составляющей металлургического производства. Помимо этого, уже стали реальностью такие процессы, как биологическое окисление, осаждение, сорбция и прочие.

Разделение по технологическому процессу

Заводы металлургии можно условно причислить к двум основным группам:

Пирометаллургии, где процессы протекают при очень высоких температурах (плавка, обжиг);

Гидрометаллургии, которая заключается в извлечении металлов из руд при помощи воды и прочих водных растворов с использованием химических реактивов.

Принцип выбора места постройки металлургического завода

Для того чтобы понять, на основе каких выводов принимается решение о возведении предприятия в том или ином месте, стоит рассмотреть основные факторы размещения металлургии.

В частности, если вопрос касается дислокации завода цветной металлургии, то здесь на первый план выходят такие критерии, как:

• Наличие энергоресурсов. Производство, связанное с обработкой легких цветных металлов, требует колоссального количества электрической энергии. Поэтому подобные предприятия возводят максимально близко к гидроэлектростанциям.
• Требуемое количество сырья. Разумеется, что чем ближе находятся залежи руды, тем, соответственно, лучше.
• Экологический фактор. К сожалению, страны постсоветского пространства не могут быть отнесены в категорию, где предприятия металлургии являются экологически безопасными.

Таким образом, размещение металлургии - сложнейший вопрос, решению которого следует уделять самое пристальное внимание с учетом всевозможных требований и нюансов.

Для формирования максимально подробной картины в описании обработки металлов важно указать на ключевые участки данного производства.

Предприятия черной металлургииимеют в своем составе несколько так называемых переделов. Среди них: аглодоменный, сталеплавильный, прокатный. Рассмотрим каждый из них детальнее.

Доменное производство

Именно на этом этапе осуществляют освобождение железа непосредственно из руды. Происходит это в доменной печи и при температуре свыше 1000 градусов Цельсия. Таким образом происходит выплавка чугуна. Свойства его будут напрямую зависеть от протекания процесса плавки. Регулируя плавление руды, можно в конечном счете получить один из двух передельный (используют в дальнейшем для производства стали) и литейный (из него отливают чугунные заготовки).

Производство стали

Соединяя железо с углеродом и, при необходимости, с различными легирующими элементами, в итоге получают сталь. Методов ее выплавки достаточно количество. Особо отметим кислородно-конверторный и электроплавильный, которые являются самыми современными и высокопродуктивными.

Конверторная плавка характеризуется своей скоротечностью и получением в итоге стали с требуемым химическим составом. Основу процесса составляет продувка кислородом через фурму, в результате чего чугун окисляется и трансформируется в сталь.

Электросталеплавильный способ - самый эффективный. Именно благодаря использованию дуговых печей можно выплавить самые качественные легированные марки стали. В подобных агрегатах нагрев загруженного в них металла происходит очень быстро, при этом есть возможность добавлять необходимое количество легирующих элементов. Кроме того, получаемая таким методом сталь имеет низкое содержание неметаллических включений, серы и фосфора.

Легирование

Этот процесс заключается в изменении состава стали посредством внедрения в нее рассчитанных концентраций вспомогательных элементов для последующего придания ей определенных свойств. В числе наиболее часто применяемых легирующих компонентов значатся: марганец, титан, кобальт, вольфрам, алюминий.

Прокат

Многие заводы металлургииимеют в своем составе прокатную группу цехов. В них производят как полуфабрикаты, так и уже полностью готовую продукцию. Сущность процесса заключается в пропуске металла в зазоре между вращающимися в противоположных направлениях стана. Причем ключевым моментом является то, что расстояние между валками должно быть меньше, чем толщина пропускаемой заготовки. За счет этого металл втягивается в просвет, перемещается и в итоге деформируется до заданных параметров.

После каждого пропуска зазор между валками делают меньше. Важный момент - зачастую металл недостаточно пластичен в холодном состоянии. И потому для обработки его заранее подогревают до требуемой температуры.

Потребление вторичного сырья

В современных условиях рынок потребления вторсырья как черных, так и цветных металлов неуклонно развивается. Во многом это обусловлено тем, что ресурсы руды, к огромному сожалению, не являются возобновляемыми. Каждый год их добычи существенно снижает запасы. Учитывая тот факт, что потребности в металлопродукции в машиностроении, строительстве, авиастроении, судостроении и прочих отраслях народного хозяйства неуклонно растут, вполне разумным выглядит решение развивать переработку уже отработавших свой ресурс деталей и изделий.

Можно с уверенностью утверждать, что развитие металлургии в некоторой степени объясняется и позитивной динамикой сегмента отрасли - использованием вторичного сырья. При этом переработкой металлолома занимаются и крупные, и мелкие компании.

Мировые тенденции развития металлургии

В последние годы наблюдается чёткое повышение объемов выпуска металлопроката, стали и чугуна. Во многом это объясняется настоящей экспансией Китая, который стал одним из ведущих планетарных игроков на рынке металлургического производства.

При этом различные факторы металлургии позволили Поднебесной отвоевать себе практически 60% всего мирового рынка. Остальную десятку основных производителей составили: Япония (8%), Индия и Соединенные Штаты Америки (6%), Россия и Южная Корея (5%), Германия (3%), Турция, Тайвань, Бразилия (2%).

Если же рассматривать отдельно 2015 год, то наблюдается тенденция снижения активности производителей металлопродукции. Причем самый большой спад отмечен в Украине, где был зафиксирован результат, который на 29,8% ниже прошлогоднего.

Новые технологии в металлургии

Как и любая другая промышленность, металлургия просто немыслима без разработки и внедрения на практике инновационных разработок.

Так, сотрудники Нижегородского государственного университета разработали и начали внедрять в практику новые наноструктурированные износостойкие твердые сплавы, в основе которых лежит карбид вольфрама. Основное направление применения новшества - производство современного металлообрабатывающего инструмента.

Кроме того, в России был модернизирован колосниковый барабан со специальной шаровой насадкой с целью создания новой технологии переработки жидкого шлака. Это мероприятие было выполнено на основе государственного заказа Министерства образования и науки. Такой шаг полностью себя оправдал, поскольку его результаты в итоге превзошли все ожидания.

Крупнейшие предприятия металлургии в мире

• Arcelor Mittal - компания с главным офисом в Люксембурге. Ее доля составляет 10% всего мирового производства стали. В России компании принадлежат шахты Березовская, Первомайская, Анжерская, а также "Северсталь-групп".
• Hebei Iron & Steel - гигант из Китая. Он полностью принадлежит государству. Помимо производства, компания занимается добычей сырья, его транспортировкой и проведением научно-исследовательских работ. На заводах компании используются исключительно новые разработки, и самые современые технологические линии что позволило китайцам научиться производить ультратонкие стальные плиты и сверхтонкий холоднокатанный лист.
• Nippon Steel - представитель Японии. Менеджмент компании, которая начала свою работу еще в 1957 году, стремится к объединению с другим предприятием, именуемым Sumitomo Metal Industries. По мнению экспертов, такое слияние позволит достаточно быстро выйти японцам на первое место в мире, обогнав всех своих конкурентов.

Металлургическое производ­ство - это область науки, техники и от­расль промышленности, охватывающая различные процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов.

Введение в расплав в определенных количествах ле­гирующих элементов позволяет изменять состав и структуру сплавов, улучшать их механические свойства, получать задан­ные физико-химические свойства.

Оно включает -

шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подго­тавливая их к плавке;

коксохимические заводы, где осуществляют подготовку уг­лей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов;

энерге­тические цехи для получения сжатого воз­духа (для дутья доменных печей), кисло­рода, очистки металлургических газов;

доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окаты­шей;

заводы для производства ферроспла­вов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали;

прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат: балки, рельсы, прутки, проволоку, лист.

Основная продукция черной металлур­гии:

чугуны

передельный, используемый для передела на сталь,

литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах;

железо­рудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Мп, Si, V, Ti и т.д.) для выплавки легирован­ных сталей;

стальные слитки для произ­водства сортового проката, листа, труб и т.д.;

стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии:

слитки цветных металлов для производст­ва сортового проката (уголка, полосы, прутков);

слитки (чушки) цветных метал­лов для изготовления отливок на машино­строительных заводах;

лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элемен­тами, необходимые для производства слож­ных легированных сплавов для отливок;

слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флю­сы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленная руда - это природ­ное минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько ме­таллов в концентрациях, при которых эко­номически целесообразно их извлечение. Руда состоит из рудного минерала , содер­жащего один ценный элемент (например, железо, марганец) или несколько ценных металлов -комплексные руды (полиметал­лические), например, медно-никелевые руды, железомарганцевые, хромоникелевые и др. Кроме рудных минералов в со­став руды входит пустая порода - минера­ лы , которые отделяются от рудных мине­ралов при обогащении или переходят в шлаки при плавке.

В зависимости от содержания добывае­мого металла руды бывают богатые и бед­ ные. Перед использованием руды обогаща­ют , т.е. удаляют из руды часть пустой поро­ды. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улуч­шает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования шла­ ков - легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентратом и золой топлива.

Обычно шлак имеет меньшую плот­ность, чем металл, поэтому он располага­ется в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым , если в его составе от­ношение основных оксидов (CaO, MgO и др.) к кислотным оксидам (SiO 2 , Р 2 О 5) не более 1,5, и основным, если это отноше­ние составляет 2,15 ... 4.

Топливо - это горючие вещества, ос­новной составной частью которых являет­ ся углерод , которые применяются с целью получения при их сжигании тепловой энергии. В металлургических печах ис­ пользуют кокс, природный газ, мазут, до­ менный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегон­кой при температуре > 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80 ... 88 % углерода, 8 ... 12 % золы, 2 ... 5 % влаги, 0,5 ... 0,8 % серы, 0,02 ... 0,2 % фосфора и 0,7 ... 2 % летучих продуктов. Для домен­ной плавки кокс должен содержать мини­мальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25 ... 60 мм. Кокс должен обладать достаточной проч­ностью, чтобы не разрушаться под дейст­вием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90 ... 98 % углеводородов (СН 4 и С 2 Н 6) и 1 % азота. Мазут содержит 84 ... 88 % углерода, 10 ... 12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ - по­бочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы - это мате­риалы и изделия преимущественно на ос­нове минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °С . Их применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) метал­лургических печей и ковшей для расплав­ленного металла. гне­упорность материала - это способность противостоять, не расплавляясь, воздейст­вию высоких температур. По химическим свойствам огнеупорные материалы разде­ ляют на

кислые, (динасовые, кварцеглинистые), Материалы, содержащие большое ко­личество кремнезема SiO 2., на­пример кварцевый песок (95 % SiO 2), динасовый кирпич, огнеупорность которых до 1700 °С

основные, содержащие ос­новные оксиды (CaO, MgO), - основными (магнезитовый кирпич и металлургиче­ский порошок, магнезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более 2000 °С).

нейтральные.(шамотный кирпич --А1 2 Оз, )

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Получение металлов известно человечеству давно. На­пример, медь и олово добывались уже в пятом тысячеле­тии до нашей эры.

В России первый металлургический завод начал рабо­тать в 1701 г. на Урале. В дальнейшем производство чугу­на и стали быстро развивалось. Россия даже стала экспор­тировать сталь. Однако в начале XX века на душу населе­ния в России все же приходилось в 18 раз меньше чугуна и стали, чем в США, в 8 раз меньше, чем в Германии, в 4 раза меньше, чем во Франции.

Металлы и сплавы делят на черные и цветные.

Важнейшим промышленным металлом является желе­зо (Fe), которое в сплавах с углеродом (С) и другими эле­ментами образует группу сплавов черных металлов - сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества произ­водимых в мире металлов свыше 90% приходится на долю черных металлов.

Из цветных металлов особое значение имеют медь (Си), алюминий (Аl), магний (Mg), свинец (РЬ), цинк (Zn), олово (Sn), а также хром (Сг), никель (Ni), молибден (Мо) и другие.

Все перечисленные металлы называют техническими в отличие от благородных (платина, золото, серебро), ред­коземельных и прочих металлов.

Наибольшее распространение в народном хозяйстве имеют металлические сплавы, так как их свойства лучше свойств составляющих их простых элементов.

Металлургия чугуна

Исходные материалы для выплавки чугуна

Сплавы черные металлов, как было сказано, представ­ляют сплавы железа с углеродом; кроме того, они содержат примеси - кремний, марганец, фосфор, серу и неко­торые другие.

Химически чистое железо в промышленности практи­чески не применяется, поскольку механические свойства его невысоки.

Элементом, оказывающим главное влияние на свойства черных металлов, является углерод, и в зависимости от содержания его черные металлы делят на сталь и чугун.

Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержа­нием углерода до 2,14%. Чугуном является железоуглероди­стый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладает значительно более высокими механическими свой­ствами (прочностью, твердостью, пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна - слу­жить сырьем для получения стали.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплав­ки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов назы­вается шихтой.

Железной рудой является горная порода, содержащая те или иные соединения железа, а также примеси соедине­ний других элементов, являющихся пустой породой.

В настоящее время для получения чугуна употребляют следующие руды.

Магнитный железняк (Fe 3 0 4) - минерал черного цве­та, обладает магнитными свойствами; содержание в нем железа доходит до 72%.

Бурый железняк (2Fe 2 0 3 3H 2 0) - минерал желто-буро­го цвета; содержание железа колеблется от 35% до 50%.

Красный железняк (Fe 2 0 3) - минерал красного цвета, содержит до 60% железа.

Шпатовый железняк (FeC0 3) - минерал серого цвета, содержит 30-42% железа.

Топливо, употребляемое для доменного процесса, долж­но иметь высокую теплотворную способность и малую золь­ность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а также содержать как можно меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугун и ухудша­ет его свойства.

В качестве топлива при доменном производстве исполь­зуется каменноугольный кокс. Для интенсификации вып­лавки чугуна применяют природный газ и кислород.

Для отделения пустой породы и золы в доменную печь вводят вещества, называемые флюсами; эти вещества при сплавлении с пустой породой и золой топлива образуют легкоплавкие химические соединения, образующие шлак.

Для выплавки чугуна руду подвергают предваритель­ной подготовке - обогащению. Качество подготовки руды оказывает большое влияние на ход плавки, расход топли­ва и качество получаемого чугуна.

Подготовка руды включает операции дробления, сор­тировки, обогащения и, если необходимо, обжига.

Дробление - измельчение крупных кусков руды - производится специальными машинами - дробилками, при этом получают куски размером 20-100 мм. Мелочь отсеивается и идет на агломерацию (спекание).

Магнитное обогащение основано на действии магнит­ного поля на составляющие руды, обладающие магнитны­ми свойствами. Оно осуществляется в агрегатах, называе­мых магнитными сепараторами.

Агломерация производится с целью использования мел­кой порошкообразной руды и колошниковой пыли; для спе­кания эти вещества смешивают с измельченным коксом.

Спекание осуществляют на специальных агломераци­онных ленточных машинах, где топливо, сгорая, образует пористые спеченные куски, называемые агломератом.

Прогрессивным способом обогащения руд является бо­лее эффективный процесс подготовки руды - окомкование. Сущность процесса состоит в окатывании измельчен­ных частиц шихты и последующем обжиге окатышей.

Устройство доменной печи

Современная доменная печь представляет собой шахт­ную (вертикальную) печь общей высотой до 70 м и диамет­ром до 14 м.

Внутри доменная печь выкладывается (футеруется) ог­неупорным кирпичом. Снаружи печь для прочности имеет стальной кожух. Части доменной печи следующие (рис. 1): засыпной аппарат, колошник, шахта, распар, заплечники и горн.

Засыпной аппарат служит для накопления и подачи шихты через колошник. Вверху колошника имеется газо­отвод для выхода доменного (колошникового) газа. Шахта имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма шахты способствует свободному опусканию шихты при плавке. Заплечники имеют форму усеченного конуса, расширяющегося кверху, поэтому они удержива­ют всю твердую шихту, находящуюся в распаре и шахте.

Нижняя часть доменной печи - горн - имеет цилин­дрическую форму. В верхней части горна по окружности расположены фурмы для подачи в печь подогретого возду­ха, природного газа и кислорода. Нижняя часть горна, в которой собираются жидкий чугун и шлак, называют лешадью. В горне имеется два отверстия - летки - для вы­пуска чугуна и шлака. Чугунная летка располагается в нижней части горна, а шлаковая - в верхней.

Подогрев воздуха осуществляется для увеличения про­изводительности печи и уменьшения расхода топлива. На­грев производят в специальных нагревательных аппара­тах - воздухонагревателях.

Воздухонагреватель представляет собой башню диа­метром порядка 10 м, высотой до 50 м. Корпус воздухо­нагревателя выполнен из листовой стали, внутри футеро­ван огнеупорным кирпичом. В шахте воздухонагревателя сгорает доменный газ. Остальное пространство воздухонаг­ревателя заполнено насадкой (кирпичной кладкой с про­ходами для газов), аккумулирующих тепло от продуктов горения доменного газа.

Атмосферный воздух направляется к воздухонагрева­телю, где проходит через горячую насадку, нагревается до 1000-1200 °С и затем направляется к фурмам доменной печи.

Доменный процесс

В печи непрерывно навстречу друг другу движутся два материальных потока: сверху вниз - поток шихтовых ма­териалов и снизу вверх - поток газов, образующихся в результате горения топлива и реакции с составляющими шихты.

Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его оксидов, содержащихся в руде, науглерожи­вании железа до получения чугуна и ошлакования пустой породы.

Кислород воздуха, вдуваемый через фурмы, вступает в реакцию с углеродом топлива по формуле:

С + 0 2 = С0 2 + Q

При этом в районе фурм развивается температура до 2000 "С. Диоксид углерода С0 2 при высоких температурах и в присутствии углерода над фурмами восстанавливается в оксид:

С0 2 + С = 2СО – Q

Встречая при своем дальнейшем подъеме руду, часть оксида углерода восстанавливает оксиды железа, при этом вновь превращаясь в С0 2 .

Загруженная в печь руда в области колошника в верх­ней части шахты высушивается и теряет химически свя­занную воду. Начиная от середины шахты и до распара происходит постепенное восстановление оксида железа ок­сидом углерода:

3Fe 2 0 3 + СО = 2Fe 3 0 4 + С0 2

Fe 3 0 4 + СО = 3FeO + С0 2

FeO + СО = Fe + С0 2

Суммарный тепловой эффект реакций восстановления железа оксидом углерода (косвенное восстановление) явля­ется положительным; эти реакции протекают при 400- 950 °С. Параллельно в области распара и в верхней части заплечников при температуре 1300-1400 °С идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленного кокса (прямое восстановление):

FeO + С = Fe + СО + Q

Полученное твердое губчатое железо в зоне распара к заплечников науглероживается и вследствие понижения при этом температуры плавления (температура плавления железа 1539 °С, чугуна - 1100-1200 °С), переходит в жид­кое состояние. Стекающие в горн струйки чугуна погло­щают восстановленные в процессе плавки примеси - мар­ганец, кремний и фосфор, а также частично серу из золы кокса.

Наличие кремния и марганца в чугуне оказывает поло­жительное влияние на свойства чугуна. Фосфор и сера яв­ляются вредными примесями. Кремний улучшает литей­ные качества чугуна; марганец при небольшом (до 1%) со­держании повышает прочность чугуна. Фосфор делает чугун хрупким б холодном состоянии, сера увеличивает хрупкость чугунных изделий в нагретом состоянии.

Вместе с кремнеземом (Si0 2), глиноземом (А1 2 0 3) и дру­гими примесями из пустой породы и золы топлива флюсы образуют шлак, который плавится в распаре и заплечни­ках и стекает в горн, где накапливается поверх жидкого чугуна.