Металлургия (от греческого metallon — рудник, металл и ergon — работа) в начальном, узком значении — мастерство выплавлять металлы из руд. В современном значении — это техники и область науки и отрасль, охватывающие все процессы получения металлов, прокатных профилей и сплавов из них.
Исторически сложилось разделение металлургии на тёмную и цветную. Тёмная металлургия создаёт сплавы на базе железа — чугун, сталь, ферросплавы (на долю тёмных металлов приходится около 90% всей создаваемой в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. Помимо этого, металлургические процессы используются и чтобы получить неметаллы и полупроводников (кремний, германий, селен, теллур, мышьяк, фосфор, сера и др.). А в целом современная металлургия охватывает процессы получения практически всех элементов периодической совокупности, за исключением галоидов и газов.
Начинается наука о металлах — металловедение, базы которой заложили русские ученые П. П. Аносов и Д. К. Чернов. Металловеды познают структуру металлов, находя пути для улучшения их особенностей, создают новые сплавы — очень легкие, очень прочные и т. д., разрешающие конструкторам разрабатывать принципиально новые автомобили.
Базу современной тёмной металлургии составляют фабрики, любой из которых по количеству и территории трудящихся равняется маленькому городу. Сложный путь проходит тут металл. Сперва на горно-обогатительных комбинатах обогащают руду, после этого на фабриках тёмной металлургии ее обжигают, превращая в агломерат либо окатыши (см. Доменная печь). Из них в доменных печах выплавляют чугун. После этого чугун попадает в сталеплавильный цех, где его переплавляют в сталь в мартеновских печах, кислородных конвертерах либо электропечах (см. Электрометаллургия). Металлические слитки транспортируют в прокатные цехи, где из них делают железные изделия: рельсы, страницы, трубы, проволоку (см. Прокатка, прокатный стан). Между цехами проложены рельсы, по которым ходят ЖД составы, развозя жидкий чугун и руду, готовый прокат и стальные слитки.
Как и тёмные металлы, цветные приобретают из рудного концентрата — предварительно обогащенной руды (см. Нужные ископаемые). Но тут процесс обогащения сложнее, потому, что в рудах постоянно присутствуют и «посторонние» элементы, от которых нужно избавляться. Первым делом это сера, кислород и железо.
Сперва из руды при обжиге удаляют серу, замещая ее кислородом. Сейчас перед металлургами новое соединение — оксид: соединение металла с кислородом. Время от времени серу вытесняют не кислородом, а хлором. Тогда концентрат не обжигают, а хлорируют. После этого нужно высвободить металл от кислорода либо хлора. При больших температурах в расплав вводят углерод, водород либо кремний. Кислород соединяется с этими элементами. От хлора, к примеру, титан либо цирконий освобождают посредством магния.
Сложность получения цветных металлов отлично видна на примере меди. Ее плавят в печах, напоминающих мартеновские (см. Мартеновская печь). Но выходит из печей не чистая медь, а так называемый штейн — сплав меди с железом, серой, серебром, золотом, другими элементами и цинком. Этих примесей в штейне 70—80%. После этого штейн заливают в конвертер и продувают через него воздушное пространство, в следствии чего выжигаются остатки серы и удаляется железо. Занимает данный процесс часы, а не 60 секунд, как в конвертере для переработки чугуна. Штейн преобразовывается в черновую медь, которая содержит всего 1—2% примесей. Но и это через чур много.
Следующая стадия — очистка меди от примесей — огневое рафинирование. Выжигаются последние остатки серы и некоторых вторых элементов. Но часть меди снова окисляется. Дабы высвободить медь от кислорода, в ванну с расплавом погружают древесные жерди, как будто бы «дразнят» медь. Расплав наряду с этим бурлит и фыркает. Эта операция так и именуется — дразнение. Позже в печь забрасывают древесный уголь, что совсем отбирает от меди кислород. Сейчас примесей уже лишь десятые доли процента, и среди них серебро и золото.
Потому, что электротехнике нужна весьма чистая медь, в дело вступает электролиз (см. Электрохимические способы обработки). Пластину очищаемой меди — анод — помещают в электролитическую ванну с раствором серной медного купороса и кислоты. Катодом помогает лист чистой меди. Электрический ток переносит на катод лишь медь. Золото, серебро и платина опускаются на дно ванны, а другие примеси остаются в растворе. Посредством электролиза приобретают и многие другие цветные металлы. Первым делом алюминий.
Приобретать алюминий также весьма сложно. Глинозем (оксид алюминия) — исходный продукт для его получения — плавится при 2050° С (это практически в 2 раза выше температуры плавления меди), к тому же не отдает кислород углероду. Исходя из этого, дабы снизить температуру плавки, приходится растворять глинозем в расплавленном криолите — минерале, в состав которого входят алюминий, фтор и натрий. Точка плавления этого раствора ниже 1000° С, а такую температуру легче взять.
В электролитической ванне молекулы глинозема распадаются на составные части — ионы кислорода и алюминия. Электрический ток разносит их в различные стороны. Алюминий осаждается на катод, которым есть угольное дно самой ванны. Из этого его позже и собирают.
Так же посредством электролиза приобретают титан, магний, кальций, другие металлы и бериллий, разлагая их соединения с хлором. Хлористые соли этих металлов нагревают до 500—700° С и заливают в ванну с электролитом.
Но цветные металлы возможно приобретать и без нагрева — посредством жидкости. Имеется целая отрасль — гидрометаллургия. Металл переводят в раствор посредством химического растворителя — воды либо растворов кислот, солей и щелочей.
Из раствора чистый металл извлекают различными методами. В одних случаях посредством электролиза (см. Электрический ток), в других прибегают к обменным химическим реакциям, но также в электролизной ванне. Сущность их в том, что анодом помогает какой-либо второй металл, что отдает в раствор собственные ионы. А из раствора извлекают ионы нужного металла. Так приобретают, к примеру, цинк.
В рудных концентратах цветных металлов присутствует последовательность элементов. Исходя из этого и у нас имеется комбинаты, приобретающие из концентрата (его именуют комплексным либо полиметаллическим) около 20 химических элементов. Их последовательно извлекают из раствора любой раз особенным реактивом. Для этого используют иониты — особенные синтетические смолы. Они владеют избирательной свойством: загружённые в соответствующий раствор, забирают из него лишь один элемент, скажем ионы Au. Иониты существенно ускоряют и удешевляют получение металлов. С их помощью возможно кроме того извлекать драгоценные металлы из морской воды.
Сейчас все большее распространение приобретает бактериальное выщелачивание. Кое-какие виды бактерий растворяют в воде определенные металлы либо их соединения, и вредные примеси (к примеру, мышьяк). Одни бактерии растворяют медь, уран, цинк, кобальт, другие элементы и марганец. Для извлечения и растворения золота используют бактерии, выделенные из рудниковых вод золотоносных приисков. Аппаратура для бактериального выщелачивания весьма несложна. Это позволяет быстро снизить себестоимость нужных ископаемых и существенно расширить их добычу за счет отвалов бедных и использования руд из отходов обогащения руды, шлаков и др.
А что же ожидает металлургию в будущем? Неужто человечеству, дабы удовлетворить потребности в металле, придется всегда строить огромные фабрики? Так как не нужно забывать, что металлургия по большей части имеет дело с огнем: дабы расплавить руду либо сталь, их необходимо нагреть до большой температуры. А пирометаллургия, применяющая высокотемпературные способы получения металлов, сжигает кислород воздуха, засоряет воздух продуктами сгорания, тратит довольно много пресной воды на охлаждение агрегатов. Другими словами, причиняет вред природе. Исходя из этого ученые создали новые пути развития металлургии. Это, в первую очередь, прямое получение железа из руды, минуя доменный процесс (см. Железо, сталь, чугун). Установки прямого получения, каковые абсолютно автоматизированы и надежно герметизированы, будут выплавлять из руды железные слитки либо чистый металлический порошок. А позже слитки либо порошок, упакованный в контейнеры, доставят на машиностроительные фабрики, где из них изготовят изделия или простым способом, или способом порошковой металлургии. Эти фабрики вовсе не обязательно делать такими огромными, как существующие. Напротив, и они будут мелкими и, как предполагают ученые, в некоторых случаях мобильными, т. е. подвижными. На баржах либо посредством вертолетов их будут доставлять к маленьким месторождениям руды, разработка которых на данный момент считается невыгодной. Мини-фабрики, абсолютно автоматизированные, сделают разработку этих месторождений экономически целесообразной.
Стремительными темпами начинается электрометаллургия, все более широкое использование находит электричество на всех последующих стадиях обработки металлов. На очереди — создание абсолютно автоматизированного металлургического производства, управляемого электронными счётными автомобилями.