Металлургия - это область материаловедения, предметом которой является физическое и химическое поведение металлов, сплавов и интерметаллидов. К металлургии относится и использование знаний о металлах на практике - от добычи сырья до производства готовой продукции.
Задачи металлургии:
- Изучение строения и физико-химических свойств оксидных и металлических сплавов и твердых растворов. Разработка и совершенствование теории конденсированного состояния вещества, научных и технико-экономических основ комплексного использования полиметаллического минерального сырья и техногенных отходов с решением экологических проблем;
- Изучение механизма и термодинамики металлургических реакций;
- Разработка теории основ электротермических, газофазных, гидрометаллургических и пирометаллургческих процессов изготовления металлов, металлических порошков, композиционных материалов и покрытий.
Самым распространенным черным металлом является железо. Все остальные являются цветными. По физическим свойствам и предназначению цветные металлы делятся на тяжелые (свинец, цинк, олово, никель, медь) и легкие (титан, алюминий, магний).
Металлургия по технологическому процессу делится на пирометаллургию (плавка) и гидрометаллургию (извлечение металлов в химических растворах). Разновидностью пирометаллургии является плазменная металлургия.
История металлургии.
Первыми свидетельствами занятия металлургией человеком относятся к 5-6 тысячелетиям до нашей эры. Исторические объекты были найдены в Плочнике, Майданпеке и других местах в Сербии, Болгарии и Палмеле, Стоунхендже. Однако, как часто бывает с древними находками, точный возраст не может быть определен до сих пор. Культура ранних времен богата упоминаниями и находками серебра, меди и олова, а также метеоритного железа - эти материалы позволяли вести ограниченную металлообработку. Так, очень высоко оценивались в ту эпоху “небесные кинжалы” - египетское оружие, изготовленное из метеоритного железа около 3000 лет до нашей эры. Однако, люди научились добывать медь и олово из горной породы - таким образом, они научились получать бронзу и вступили в Бронзовый век в 3000-ом году до н.э.
Получение железа из руды и последующая выплавка металла были более сложными технологическими процессами. Считается, что впервые данная технология появилась у хеттов в 1200 году до нашей эры. Это и стало началом Железного Века. Секрет добычи железа и изготовления из него товаров, оружия и брони стали главным секретом филистимлян.
Следы развития черной металлургии прослеживаются и во многих прошлых культурах и цивилизациях. Сюда можно отнести империи и государства Среднего Востока, Египет, Анатолию, Карфаген, Китай, Японию, Индию и греков, римлян античной и средневековой Европы. Заметим, что многие технологии металлургии изначально были придуманы в Древнем Китае, а после европейцы освоили это ремесло, изобретя, в свою очередь, чугун, сталь, гидромолоты и доменные печи. Последние исследования в этой области подтверждают, что технологии выплавки были более продвинутыми у римлян, особенно в области горной добычи и ковки.
Добывающая металлургия.
Задачей добывающей металлургии является извлечение ценных металлов из руды и последующей переплавке полученного сырья в чистый материал. Для того, чтобы сделать из оксида или сульфида металла чистый металл, руда должны быть отделена химическим, физическим и электролитическим способом. Металлурги работают с тремя основами: сырье, концентрат (сульфид или оксид металла), отходы. После добычи большие куски руды измельчаются до мелких частиц, представляющих из себя или концентрат, или отход.
В случаях, если руда и окружающая среда позволяют осуществить выщеличивание, горные работы не проводятся. Подобным способом можно растворить материал и получить раствор, обогащенный материалом.
Часто руда содержит несколько ценных металлов. В таких случаях отходы от одного процесса могут быть использованы, как сырье для другого.
Свойства металлов.
Самыми распространенными металлами являются:
- Железо;
- Алюминий;
- Медь;
- Цинк;
- Магний.
Физические свойства металлов:
- Твердость, прочность;
- Твердое состояние при комнатной температуре (за исключением ртути, которая является единственным металлом, находящимся в жидком состоянии);
- Блестящая поверхность при полировке;
- Отличные проводники электричества и тепла;
- Плотность;
- Издание звука при ударе;
- Высокая температура плавления;
- Высокая температура кипения;
- Ковкость.
Подобные свойства делают большинство металлов незаменимыми в жизни:
- Известно, что медь пластична и хорошо проводит электричество. И она нашла широкое применение в производстве электрических кабелей;
- Золото и серебро не поддаются воздействию окружающей среды, прочны, но в тоже время тягучи, поэтому применяются в ювелирном деле (особенно золото, которое не окисляется). Золото также может быть использовано для изготовления неокисляемых электрических соединений;
- Железо и сталь обладают высокой прочностью, в связи с чем часто используются в строительстве. Их основной недостаток - подверженность ржавчине. Однако, существуют особенные обработки стали, при которой она активно сопротивляется коррозии;
- Алюминий отлично проводит тепло и легко поддается ковке. Используется для изготовления кастрюль и фольги, а из-за низкой плотности и для производства частей самолетов.
В чистом виде металлы непригодны к использованию. И поэтому металлургия занимается разработкой и совершенствованием полезных сплавов.
Сплавы.
Наиболее распространенными являются сплавы хрома, меди и железа, алюминия и никеля, титана и цинка. Металлургия уделяет много внимания на изучение свойств и качеств сплавов железа и углерода. Обычная углеродистая сталь применяется для изготовления дешевых, но очень прочных изделий, когда коррозия и вес не являются критичными характеристиками.
Оцинкованная и нержавеющая сталь применяются при необходимости достижения высокого сопротивления коррозии. Алюминиевые и магниевые сплавы при требовании прочности и легкости.
Медно-никелевые сплавы применяются в коррозионно-агрессивных средах для производства ненамагничиваемых изделий. Суперславы на основе никеля применяются в средах с высокой температурой (теплообменники, турбонагреватели). При очень высоких температурах применяются монокристаллические сплавы.