Металлургией называется область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд и др

+6666666666666666666666 КАРИМОВА Т.П.
Курс лекций


«Основы металлургии»

Ташкент 2019.

Лекция №1. организация металлургического производства

ПЛАН.
1. Предыстория развития металлургии.

2. Проблемы металлургического производства.
3. Металлургия и экология.


Металлургией называется область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд и других видов металлосодержащих материалов. Металлургия является центральным звеном в общем цикле горно – металлургического производства, включающего геологию, горное дело, обогащение руд, собственно металлургию и металлообработку (литейное производство, обработку металлов давлением и др).
Первым металлом, который пришёл на смену камню при производстве орудий труда, была медь. Этому способствовало то обстоятельство, что медь встречается в природе в свободном состоянии, часто в виде довольно крупных самородков. Присутствие в природе в свободном состоянии способствовало также сравнительно быстрому освоению человеком самородного золота и метеоритного железа. О значении металлов в жизни человека говорят название целых исторических эпох: медный, бронзовый и железный века.
Впервые металл был получен при разрушении скальных пород, когда последние сильно разогревалось костром, а затем охлаждались водой для того, чтобы камень мог растрескаться. При этом куски самородной меди не только обнажались но и могли расплавится, так как медь имеет сравнительно небольшую температуру плавления (1083⁰). Поскольку кислородные соединения меди легко восстанавливаются, то древние мастера могли наблюдать процесс восстановления меди, а затем и преднамеренно его использовать. Рост потребности в металле вследствие значительных преимуществ металлических изделий по сравнению с деревянными и каменными также способствовал и развитию металлургического производства и расширению числа используемых металлов.
В древности были известны одиннадцать металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, цинк (в виде латуни), железо, платина, ртуть, сурьма, мышьяк. К концу XVIII века их число увеличилось до 20, в конце XIX века до 50. В настоящее время производится и потребляется около 80 металлов.
Потребность в металлах из года в год растёт. Развитие науки, технике, культуры немыслимо без машин, механизмов, приборов и множества других изделий из металлов. Увеличению выпуска многих металлов в современных условиях способствует также бурное развитие атомной энергетики, космической техники и скоростной авиации, радиоэлектроники и компьютерной техники.
Увеличение и производства и потребления различных синтетических материалов, во многих случаях заменяющих металлы, способствует лишь более рациональному использованию металлических материалов с учётом их специфических физико- механических, электрических, химических и других свойств. Распространенность металлов различна – от несколько процентов до миллионных долей. Техническое значение металлов определяется, однако, не только распространением в природе, но и производственными возможностями их получения. Производственные возможности получение металлов с потребностью и определяет масштабы производства отдельных металлов.
В наибольших количествах из металлов производится железа в виде чугуна и различных сталей. Производство чугуна в мире в настоящее время составляет 600, а стали 700 млн. т. в год. Это в 100 раз превышает показатели производства самого распространенного из цветных металлов – алюминия. Общее производство цветных металлов в промышленно – развитых странах составляет 30-35 млн.т. в год. Ежегодное потребление цветных металлов в этих странах отличается от их годового выпуска в среднем на ± 10-15 %.
Металлургия как отрасль промышленности относится к категории сложных производств. При осуществлении металлургических процессов перерабатываемые материалы претерпевают многочисленные физико- химические превращения (разложение неустойчивых соединений, различные химические взаимодействия, плавление, растворение, возгонка и др.). Без знания основных законов физики и химии невозможно грамотно управлять металлургическим процессом и совершенствовать металлургическое производство. Поэтому металлургия тесно связано с физикой, химией и особенно с физической химией. Последнее является научной основой теоретической и практической металлургии.
На территории СНГ производство цветных металлов возникло много столетий назад. Археологи неоднократно обнаруживали остатки рудных разработок на Урале, в Средней Азии. Известно, что металл сыграл революционную роль в ускорении производства, развитии государственности и урбанизации древних обществ. В торгово – экономическом обмене стран Евразии важная роль принадлежит благородным металлам, шедшим по караванным тропам Великого Шёлкового пути в виде элитных предметов и украшений и «товара товаров» - монет.
К благородным металлам относятся золото, серебро и триады платиновой группы: рутений, родий, палладий – лёгкие и осмий, иридий, платина – тяжёлые платиновые металлы.
Средняя Азия была одним из крупных центров Востока по извлечению этих металлов и производства изделий и монет. Жители древней Согдианы и Бактрии обладали высокой культурой, владели секретами выплавки металлов, ювелирным мастерством. Золото, с незапамятных времён, широко бытовало в обиходе междуречье Амударья и Заравшана. Само название реки Заравшан в переводе означает «золотоносный – несущий золото».
Золото наряду с серебром, медью и метеоритным железом является одним из первых металлов, известных человеку. Красивый жёлтый цвет, нахождение в природе в самостоятельном состоянии, лёгкая обрабатываемость золота рано обратили на себя внимание первобытного человека, который стал добывать его уже в конце каменного века. Беруни в своих трактатах о металле пишет: « в других странах нет рудников, которые давали бы более обильную добычу и более чистое золото; однако пути к ним затруднительны из – за пустырь и песков. Где золото там и всегда сопутствует серебро».В этот период, в Средней Азии, была сильно развита наука и технология добычи и переработки полезных ископаемых. Одним из крупных районов добычи золота и серебра в средневековье было феодальное владение Илак расположенное в Ташкентском оазисе. Из технических достижений того периода, дошедших до нашего времени, следует отметить плавку металлов, купелирование свинцового сплава для выделения из него золота и серебра также разделение металлов кислотами.
В последние годы отечественная цветная металлургия превратилась в высокоразвитую отрасль цветной металлургии. По мере развития современной науки и техники растёт спрос на металлы высокой чистоты, имеющие особые свойства. Помимо металлов различной степени чистоты цветная металлургия выпускает в большом ассортименте другую товарную продукцию – элементарную серу, серную кислоту, минеральные удобрения, цемент, соли т.д. Особое значение для развития горнозаводского дела имели труды М.В. Ломоносова. Его книга «Первые основания металлургии рудных тел» изданная в 1763г., была первым учебником на русском языке. Над созданием теоретических основ и разработкой новых процессов получения цветных металлов работали такие учёные как Н.С.Курнаков, В.Я.Мостович, В.А.Ванюков, Г.А.Меерсон, А.В.Ванюков, Г.Г.Уразов, Х.Абдуллаев и многие другие.
В течении нескольких последних столетий развитие промышленности, в том числе и металлургии, шло по пути увеличения единичной мощности агрегатов и концентрации производства в определённых промзонах. Это способствовало достижению более высоких экономических показателей.
Современное металлургическое предприятие представляет собой сложный комплекс разнообразных переделов, начиная от добычи руды и её обогащения, и до изготовления разнообразных металлических деталей и изделий. В связи с этим металлургический комбинат обладает сложной организационной структурой. Для отечественной цветной металлургии, перерабатывающей относительно бедные руды, особенно характерна тесная связь между обогатительными и собственно металлургическими предприятиями, представляющими по существу единый промышленный комплекс. Не случайно, основной структурой единицей цветной металлургии являются горно-металлургические комбинаты. Однако не всегда подобная кооперация экономически целесообразно. В случаи высокой энергоёмкости металлургического производства его выгоднее размещать вблизи источников дешёвой энергии. Так, например, поступают при размещении горных и металлургических предприятий в алюминиевой промышленности. Для этой отрасли цветной металлургии характерно объединение горных предприятий с производством глинозёма и расположение заводов по производству металлического алюминия вблизи мощных электростанций. Негативные последствия чрезмерно высокой концентрации металлургического производства всё отчетливее стали проявляться к концу XX века. В подобных промышленных районах было нарушено экологическое равновесие – недопустимо высокое загрязнение ядовитыми промышленными отходами воздуха, воды, почвы стало угрожать здоровью и жизни населения этих районов.
В связи с указанным неотложной становится обратная задача – рассредоточение промышленного производства – путём создания значительного количества металлургических предприятий небольшой мощности, когда природа способна нейтрализовать отрицательные последствия их деятельности. Такие мини- металлургические заводы смогут решить и другую проблему – оперативного обеспечение металлопродукцией отдалённых районов страны, а также проблему переработки металлоотходов в районах с развитым машиностроением.
Во многих случаях мини – металлургические заводы оказываются более конкурентоспособными. Это возможно при организации выпуска более узкого, специализированного сортамента продукции.
Отдельные элементы металлургического производства имеются на очень многих машиностроительных предприятиях – это небольшого объёма мартеновские, электродуговые, индукционные печи, литейные цехи, участки для термообработки готовых металлических изделий.

Лекция №2. Классификация и применение металлов в технике

ПЛАН.
1. Структура металлической решётки.

2. Сущность классификации металлов.
3. Роль металлов в народном хозяйстве.

Из 109 известных в настоящее время элементов периодической системы Д.И.Менделеева около 80 имеют более или менее ярко выраженные металлические свойства. Общими признаками металлического состояния являются: металлический блеск и непрозрачность, высокие тепло- и электропроводность, пластичность, кристаллическая структура, серый цвет с оттенками от светло-серого до тёмно-серого. Кроме того, для типичных металлов общим является характер зависимости электропроводности от температуры: с повышением температуры электропроводность их уменьшается.

Большинство характерных свойств металлов является следствием наличия в металлической структуре свободных электронов. Металлическая структура содержит как нейтральные, так и ионизированные атомы, т.е. в них отсутствует некоторое количество электронов. Все атомы металла имеют равную возможность ионизации и переход электронов от ионизированного атома к нейтральному может происходить без затраты энергии. В результате этого в металлической структуре непрерывно происходит обмен электронами. При этом появляется некоторое количество свободных электронов, не принадлежащих в данный момент каким-либо определённым атомам. Ничтожно малые даже по сравнению с атомами размеры электронов позволяют последним достаточно свободно перемещаться по всему металлическому кристаллу. Наличие свободных электронов в металлической структуре определяет свойства металлов.
В электрохимии металлами называются элементы, имеющие в процессе реакций преимущественную тенденцию к отдаче электронов, в отличие от металлоиодов, стремящихся к их присоединению. Характерной особенностью для металлического состояния, как уже отмечалось ранее, является их кристаллическая структура. Прочностью металлической связи объясняются многие физические и механические свойства металлов (табл.1).
Табл.1.
Физические и механические свойства металлов

Металл	Атомный номер	Атомная масса	Tпл, ^0С	Ткип, ^0С	D20 кг/м^3
Медь	92	63,5	1084,5	2540	8940
Никель	28	58,7	1455	2900	8900
Свинец	82	207,3	327,4	1745	11340
Цинк	30	65,4	419,5	906	7133
Алюминий	13	27	660,4	2500	2699
Вольфрам	74	183,85	3420	5700	19300
Молибден	42	95,9	2620	4600	10200
Золото	79	197	1064,5	2947	19320

Важную роль в производстве и потреблении металлов играет их химическая активность, которую можно охарактеризовать положением металлов в электрохимическом ряду напряжений.
В ряду напряжений любой более электроотрицательный металл способен вытеснять из соединений электроположительные металлы. Металлы с отрицательными электродными потенциалами отличаются большей химической активностью и легче подвержены окислению, чем более электроположительные. Наоборот, по мере увеличения электродного потенциала устойчивость металла возрастает.
Большинство металлов хорошо сплавляются друг с другом в любых соотношениях, образуя двух и более компонентные сплавы. Металлический компонент, вводимый в основной металл в небольших количествах, называется легирующим. Возможности взаимного сплавления металлов позволяют в исключительно широких пределах изменять физико-механические и физико-химические свойства металлических материалов в заданном направлении. Практически неограниченные возможности создания сплавов различных составов позволяют придать им легко- и тугоплавкость, повышенные механическую прочность и твёрдость или, наоборот, пластичность, высокую коррозионную стойкость и жаростойкость, магнитную восприимчивость и многие другие специфические улучшенные качества, несвойственные чистым металлам.
Многочисленность металлов, различия их свойств, методов получения и областей потребления определяют необходимость их классификации по отдельным группам. К сожалению, научно обоснованная классификация металлов до сих пор не разработана. В современных условиях используют промышленную классификацию металлов, которая отражает исторически сложившуюся структуру металлургического промышленности и как следствие этого, структуру подготовки инженерно-технических кадров в вузах и техникумах нашей страны.
Согласно промышленной классификации все металлы делятся на две группы: чёрные и цветные.
К чёрным металлам относится железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали. Все остальные металлы относятся к цветным. Название цветные металлы довольно условно. Так как фактически только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Все остальные металлы. Включая чёрные, имеют серый цвет с различными оттенками – от светло-серого до тёмно-серого.
Цветные металлы условно делят на пять групп:

1. 
   основные тяжёлые металлы: медь, никель, свинец, цинк, олово. Эти металлы являются наиболее важными среди цветных металлов по своему значению и объёму производства.
   
2. 
   малые тяжёлые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть, кобальт. Они являются природными спутниками основных тяжёлых металлов. Обычно их получают попутно, но производят в значительно меньших количествах.
   
3. 
   легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую плотность по сравнению с другими металлами.
   
4. 
   благородные металлы: золото, серебро, платина и платиоиды. Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред.
   
5. 
   редкие металлы подразделяются на следующие группы:
   

а) тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий.
б) лёгкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий и цезий.
в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен.
г) редкоземельные металлы: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды.
д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний.
Приведённая промышленная классификация металлов не может в настоящее время быть признана научно и технологически последовательной. В ней нет даже единого принципа в выборе названий групп металлов. Очень часто по мере роста производства и потребления того или иного металла его размещение в определённой группе вступает в противоречие с общими принципами построения промышленной классификации металлов. Так, ещё в конце прошлого столетия алюминий считался редким металлом, а сейчас он по производству и потреблению занимает первое место среди всех остальных цветных металлов. С трудом воспринимается термин «редкий металл» в применении к таким широко известным и распространённым металлам, как вольфрам, молибден, титан и некоторые другие.
Материальный фундамент на котором стоит современная человеческая цивилизация, образует железо. Из сплавов железа – сталей – изготовлена и построена подавляющая часть машин, аппаратов, сооружений. На долю железа от общего объёма производства металлов приходится более 90 %.
Второе место по масштабам использования занимает алюминий, хотя его история насчитывает всего около двух столетий. Конструкторов – создателей новой технике привлекают такие качества алюминия, как малая плотность, пластичность при относительно высокой прочности, коррозионная стойкость. По электро- и теплопроводности он лишь немного уступает меди. В результате легирования другими металлами (Si, Mg, Be, Ti, Cu, Ni) и термообработке удаётся получать сплавы, значительно превосходящие по прочности и твёрдости чистый алюминий. Благодаря этим свойствам алюминий является основным металлом в авиационной и ракетно-космической промышленности. Алюминий составляет примерно половину массу ракет, а в пассажирских самолётах его доля доходит до 2/3 или даже до 3/4. непрерывно увеличиваются масштабы использования алюминия и в других видах транспорта. В последнее время интенсивно развивается индустрия строительных конструкций из алюминиевых сплавов. Крупный потребитель алюминия – электротехническая промышленность: провода, кабели, обмотки моторов и трансформаторов, конденсаторы и др. коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тончайшей оксидной плёнки, надёжно защищающий металл от дальнейшего окисления воздухом. Алюминий широко применяется в металлургии: в качестве активного химического элемента – восстановителя для раскисления стали и в алюмотермических способах получения многих металлов и сплавов.
Третье место по объёму производства и потребления занимает медь. Медь – главный металл электротехники, обладающий наивысшей электропроводностью. В связи с хорошей пластичностью и достаточно высокой прочностью медь является «идеальным» материала для изготовления токопроводящих изделий: проводов, кабелей, контактов и др. Очень высокая теплопроводность меди делает его незаменимой в производстве многих теплотехнических устройств: нагревателей, холодильников. Широкое распространение получили сплавы меди с цинком (латунь) и с оловом (бронза). Сплавы меди с никелем служат для изготовления монет (денежных знаков).
Никель. В течении почти 150 лет со времени открытия никель не находил промышленного применения. Во второй половине XIX века, когда были открыты замечательные свойства никеля улучшать качество сталей, его производство начало быстро расти. До 70% никеля используется в производстве жаропрочных и нержавеющих сталей. Совместно с другими металлами никель входит в состав твёрдых и сверхтвёрдых сплавов. Всего в технике используется около 3000 сплавов, в состав которых входит никель. Никель используется как катализатор ряда химических процессов, как прекрасное декоративное и антикоррозионное покрытие других металлов. В промышленности налажено широкое производство железоникелевых щелочных аккумуляторов.
Магний. Одной из отличительных особенностей магния является его низкая плотность – 1,74 г/см³. Учёным удалось создать с участием магния ряд сплавов – лёгких, прочных, термостойких. Для легирования Mg используют Ti, AI, Be, Li, Cd, Ce, Cu.
Благодаря своей химической стойкости, привлекательному внешнему виду и высокой стоимости золото и серебро в эпоху развития товарно–денежных отношений приобрели значение меры стоимости, выполняя функции денег. Серебро находит широкое применение в химической промышленности в качестве катализатора ряда химических процессов, в производстве светочувствительных эмульсий для фото- и киноматериалов. Золото и серебро в настоящее время кроме производства ювелирных изделий используют в электронных приборах – для изготовления надёжных не окисляющихся элементов. В результате технической революции середины XX века появились новые процессы, технологии, отрасли промышленности: электроника, ядерная энергетика, ракетно-космические комплексы. Для их реализации потребовались материалы с новыми свойствами.
Тугоплавкие металлы вольфрам и молибден используют в качестве нагревателей в электрических печах, для изготовления элементов осветительных и электрических ламп, электрических контактов, лаков, смазочных материалов. Но основная часть этих металлов идёт на выплавку легированных сталей: инструментальных, быстрорежущих, жаропрочных, износостойких, кислотоупорных и др.
Сплавы на основе титана обладают высокой удельной прочностью, поэтому основной областью их применения стала реактивная авиация и ракетно-космическая техника. В последнее время титановые сплавы начинают использовать в судостроении, химической машиностроении, в производстве медицинских инструментов. Карбид титана входит в состав инструментальных твёрдых сплавов.