Металургія

Чорна металургія — галузь важкої промисловості, підприємства якої виробляють чавун, сталь, прокат, сталеві й чавунні труби, феросплави, металеві вироби промислового призначення. До чорної металургії належать також підгалузі по видобуванню залізної і марганцевої руд та по виробництву їх концентратів, агломерату, котунів, флюсових вапняків, вогнетривкої сировини і вогнетривів, коксу та іншої продукції, що її використовують в основному як сировину для виробництва чорних металів

Кольорова металургія — галузь важкої промисловості, що займається видобуванням і збагаченням руди, виробництвом і обробкою кольорових металів, рідкісних і дорогоцінних металів та їхніх сплавів, видобуванням природних алмазів та іншої мінеральної сировини. До кольорової металургії належать також заготівля і переробка вторинних кольорових металів. Виробничий комплекс галузі складається з гірничодобувних підприємств, збагачувальних фабрик, металургійних й металообробних заводів. Підприємства кольорової металургії, як матеріаломісткої й енергоємної галузі, будуються в місцях добування сировини й виробництва дешевої електроенергії.

Золотий рудник Супер Піт (англ. Super Pit), Калгурлі, Західна Австралія — найбільше в Австралії місце відкритої розробки корисних копалин

Гірничо-збагачувальне виробництво охоплює усі види видобування та збагачування корисних копалин (руд) та передбачає їх видобування (шахтним або відкритим способом) та збагачення.

Шахтне виробництво реалізується на базі підприємств (шахт, рудників) по видобуванню і переробці корисних копалин. Воно включає гірничопрохідницькі роботи (створення підземних гірничих виробок і камер різного призначення) і зведення комплексу поверхневих споруд: підйомних установок, копрів, компресорних станцій і вентиляційних надшахтних пристроїв, адміністративно-побутових споруд, збагачувальних фабрик, під'їзних колій тощо. Шахтному виробництву передують геологорозвідувальні роботи, розробка проектної і технічної документації. Гірничопрохідницькі роботи виконують, зазвичай, у складних гірничо-геологічних умовах на різних глибинах (іноді понад 1000 м) буропідривним, підривним або комбайновим способом. Одночасно вдаються до кріплення гірничих виробок.

Відкриті гірничі роботи — видобування корисних копалин безпосередньо з земної поверхні. Провадиться в кар'єрах. Відкрита розробка складається з підготовки поверхні землі, осушення (в разі потреби) і розкриття родовища, розкривних і видобувних робіт. Підготовка поверхні полягає в основному у видаленні родючого шару (з подальшим нанесенням його на поверхню відвалів з метою відновлення родючості ґрунту) і відведенні поверхневих вод. Для осушення родовища (поверхневого і підземного, попереднього і паралельного — під час ведення робіт) використовують водознижувальні і вбирні свердловини, закриті дрени, спеціальні фільтри тощо. Розкриття родовища передбачає спорудження капітальних розрізних і транспортних траншей для забезпечення доступу до масиву корисних копалин і транспортного зв'язку з земною поверхнею. Розкривні роботи включають відокремлення від масиву і транспортування у відвали покривних порід, видобувні роботи — відокремлення корисних копалин від масиву з подальшим переміщенням їх на склади або місця переробки. Технічними засобами Відкритою розробки родовищ є екскаватори безперервної дії, транспортно-відвальні мости, консольні відвалоутворювачі, кар'єрні самоскиди, бульдозери тощо. Переваги відкритої перед підземною розробкою родовищ корисних копалин: більша безпека праці і кращі виробничі умови; менші втрати корисних копалин; можливість застосування потужнішої техніки; вища (в 3-6 разів) продуктивність праці і нижча (в 2-3 рази) собівартість продукції; менші (в 2-3 рази) питомі капіталовкладення і строки будівництва кар'єрів. Основним недоліком відкритої розробки родовищ є значний вплив на довкілля, який усувають частковою або повною рекультивацією земель.

Збагачування корисних копалин — сукупність процесів первинної обробки мінеральної сировини з метою відокремлення корисних копалин від порожньої породи, а іноді й від шкідливих домішок. Зумовлене зростанням потреби у вихідній сировині зі збільшеним вмістом корисних компонентів, що їх надалі технічними способами можливо і економічно доцільно переробляти й використовувати. Полягає у механічному розділянні сировини, яке ґрунтується на відмінності фізичних і фізико-хімічних властивостей корисних копалин. При збагачуванні, що його провадять у спеціальних цехах або на збагачувальних фабриках, одержують продукти (концентрати), які містять значну кількість корисних компонентів, і відходи, де зосереджена переважно порожня порода. За способом розділяння сировини розрізняють гравітаційне збагачування, магнітне збагачування, електростатичне збагачування і збагачування флотаційне. Є також збагачування залежно від форми частинок корисних копалин, їхнього тертя тощо. В разі потреби застосовують комбіновані способи (напр., флотогравітаційний), методи гідрометалургії, іноді — ручний. При збагаченні ступінь вилучення із сировини концентрату становить 92…95 %, вміст корисних компонентів у ньому 15…95 %. Перший систематизований опис багатьох процесів збагачування корисних копалин дав Г. Агрікола.

Сучасна металургія добуває понад 75 металів і численні сплави на їх основі. Залежно від способів добування металів розрізняють піро-, гідро- і електрометалургію.

Пірометалургія — галузь металургії, що охоплює процеси одержання і очищення металу (сплаву) або сполук металу за температур, що забезпечують спікання, випалювання, плавлення, сублімацію, випаровування, а також тривання необхідних хімічних реакцій[2]. Вона посідає провідне місце в металургії. Вона охоплює способи добування металів з руд за допомогою хімічних реакцій відновлення, які проводять за високих температура. Як відновники застосовують вугілля, активні метали, оксид карбону(ІІ), водень, метан. Так, наприклад, вугілля і оксид карбону(ІІ) відновлюють мідь з червоної мідної руди (куприту) Сu₂О:

Cu₂O + C = 2Cu + CO;

Cu₂O + CO = 2Cu + CO₂.

Аналогічно відбувається добування чавуну і сталі із залізних руд.

У тих випадках, коли руда є сульфідом металу, її спочатку переводять в оксид окисним випалюванням (випалюванням з доступом повітря). Наприклад:

2ZnS + 2O₂ = 2ZnO + 2SO₂.

Далі оксид металу відновлюють вугіллям:

ZnO + C = Zn + CO.

Відновлення вугіллям (коксом) здійснюють зазвичай тоді, коли метали, що їх добувають, зовсім не утворюють карбідів або утворюють неміцні карбіди (сполуки з карбоном); це залізо і багато кольорових металів — мідь, цинк, кадмій, германій, олово, свинець та ін.

Галузь металургії, яка використовує процеси відновлення металів з хімічних сполук активнішими металами або хімічними сполуками з великим виділенням тепла називається металотермією[2]. Ці процеси відбуваються також за високих температур. Як відновники застосовують алюміній, магній, кальцій, натрій, а також кремній. Якщо відновник — алюміній, то процес називається алюмінотермією, якщо магній — магнійтермією. Наприклад:

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃;

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂.

Металотермією звичайно добувають ті метали (та їх сплави), які при відновленні оксидів вугіллям утворюють карбіди. Це марганець, хром, титан, молібден, вольфрам та ін. Іноді метали відновлюють з оксидів воднем (воднeтермія). Наприклад:

MoO₃ + 3H₂ = Mo + 3H₂O;

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O.

При цьому утворюються метали високої чистоти.

Гідрометалургія — галузь металургії, що охоплює різні способи вилучення металів із руд, концентратів та відходів різних виробництв за допомогою розчинів (найчастіше водних) хімічних реагентів з подальшим виділенням металів або їхніх сполук з цих розчинів[2]. При цьому метал, що входить до складу руди, спочатку переводять у розчин за допомогою відповідних реагентів, а потім добувають його з цього розчину. Так, наприклад, під час обробки розбавленою сульфатною кислотою мідної руди, яка містить оксид купруму(ІІ) СuО, мідь переходить у розчин у вигляді сульфату:

CuO + H₂SO₄ = CuSo₄ + H₂O.

Далі мідь добувають з розчину або електролізом, або витісненням за допомогою порошку заліза:

CuSO₄ + Fe =Cu + FeSO₄.

Нині гідрометалургійним методом добувають до 25 % всієї міді. Метод є перспективним, оскільки він дає змогу добувати метали, не піднімаючи руду на поверхню. Цим же методом добувають золото, срібло, цинк, кадмій, молібден, уран та ін. Руду, що містить самородне золото, після подрібнення обробляють розчином ціаніду калію KCN. Все золото переходить у розчин. З розчину його видобувають електролізом або витісненням металічним цинком.

Електрометалургія — галузь металургії, яка охоплює процеси одержання, рафінування і оброблення металів і сплавів із руд та концентратів за допомогою електричної енергії[2]. Цим способом добувають переважно легкі метали — алюміній, натрій та інші — з їх розплавлених оксидів або хлоридів.

Електроліз використовують також для очищення деяких металів. З металу, що його очищають, виготовляють анод. При електролізі анод розчиняється, іони металу переходять у розчин, а на катоді вони осаджуються. Так добувають електролітично чисті метали: мідь, срібло, залізо, нікель, свинець та ін.

Твердосплавні пластинки для різального інструменту, виготовлені методами порошкової металургії

Порошкова металургія — галузь науки і техніки, яка охоплює виробництво металевих порошків, а також виробів з них або їхніх сумішей з неметалевими порошками[3]. Важливими відмінними рисами даної галузі є одержання речовин у порошкоподібному стані та проведення операції нагрівання (спікання) заготовок із порошків за температури нижчої від точки плавлення відповідного металу або, у випадку суміші різнорідних порошків, температури плавлення найменш тугоплавкого компонента основи. Отже, послідовне здійснення в єдиному циклі операцій одержання порошку і перетворення його у виріб становить суть порошкової металургії.

Для того, щоб забезпечити отримання матеріалу з граничним ступенем чистоти кристалізаційними методами необхідно, щоб при рафінувальному плавленні кристалізація починалася в заданому місці і відбувалася в певному напрямку, тобто слід створити чітку межу між твердою і рідкою фазами і забезпечити її повільний і рівномірний рух уздовж виливка, який очищується. Ці умови досягаються заданням градієнта температури, що забезпечує спрямоване відведення тепла і спрямоване просування фронту кристалізації. Залежно від співвідношення ступенів розчинності домішок у рідкому та твердому металі, будуть чистішими або частини злитка, що тверднуть пізніше, або початкова зона затвердіння злитка. При розгляді процесів очищення кристалів, отримуваних із розплаву, все різноманіття методів вирощування кристалів спрямованою кристалізацією можна звести до трьох типових схем: нормальної спрямованої кристалізації, витягування кристалів з розплаву і зонного плавлення.

У методах нормальної спрямованої кристалізації заготовка розплавляється цілком, а потім розплав кристалізується з визначеного місця. Спільним для цих методів є зростання кристала в контакті зі стінками тигля, що містить розплав. Переохолодження на фронті кристалізації здійснюють шляхом переміщення тигля з розплавом відносно нагрівача, що створює теплове поле з градієнтом температури, або шляхом переміщення нагрівача відносно тигля. Кристалізація також можлива і при охолодженні нерухомого тигля з розплавом в тепловому полі з температурним градієнтом при програмному зниженні потужності, що підводиться до печі. Залежно від розташування тигля з матеріалом розрізняють горизонтальний і вертикальний методи нормальної спрямованої кристалізації. Вертикальний метод отримав назву «метод Бріджмена»[4].

Монокристал, вирощений за методом Чохральського

У методі витягування кристалів з розплаву (методі Чохральського) у вакуумі або середовищі інертного газу в розплав металу опускають затравку у вигляді невеликого монокристала, яку потім безперервно переміщають вгору. Затравка захоплює за собою рідкий стовпчик, який, потрапляючи в зону нижчої температури, безперервно кристалізується. Принцип методу витягування кристалів з розплаву вперше був запропонований Яном Чохральським у 1918 році[5]. Існує значна кількість різних модифікацій Методу Чохральського.

Зонне плавлення (зонна перекристалізація) — метод рафінування металів і сплавів, який ґрунтується на перекристалізації твердих речовин під час переміщення вузької розплавленої зони вздовж довгого твердого стрижня із рафінованого матеріалу[2]

Цей метод очищення, базується на різній розчинності домішок у твердій і рідкій фазах. По мірі спрямованого просування зони розплавлення попереду зони відбувається плавлення речовини, а позаду — її кристалізація, що призводить до перерозподілу домішок. Якщо домішка краще розчиняється в рідкій фазі, то вона поступово накопичується в розплавленій зоні, рухаючись разом з нею. В результаті домішка скупчується в одній частині вихідного зразка. У порівнянні з спрямованою кристалізацією цей метод має більшу ефективність. Метод, що був запропонований В. Дж. Пфанном[6] в 1952 році використовується для очищення понад 1500 речовин і став одним з найпоширеніших кристалізаційних методів, що застосовують для глибокого очищення.

Лиття у піщані форми

Ливарне виробництво — виробництво литих заготовок або виробів (виливків) з розплавлених металів (сплавів)[7] методом лиття.

Лиття — технологічний процес виготовлення виливка, суть якого в заповненні ливарної форми розплавленим матеріалом (ливарним сплавом) з подальшим затвердінням[7]. Лиття з металу — один з основних способів виробництва заготовок деталей (в машинобудуванні), тому що дозволяє одержати виливок практично будь-якої форми і маси з необхідними фізико-механічними властивостями. Головною ознакою технологічного процесу лиття є метал виливків, залежно від якого відрізняють чавуно-, стале-, мідноливарне виробництво тощо.

Набули поширення такі різновиди лиття з металу:

• в піщані форми;
• в кокіль;
• по виплавлених моделях;
• по випалюваних моделях;
• лиття під тиском;
• вакуумне лиття;
• лиття металів з використанням ливарних машин відцентрового лиття.

Кування металевих заготовок

Оброблення металу тиском — сукупність технологічних процесів, внаслідок яких відбувається пластичне деформування або поділ металу на частини без утворення стружки[8].

При цьому виді обробки тиском використовують властивість металу — пластичність (здатність під дією прикладених сил змінювати форму без руйнування) в холодному або у гарячому стані. Найпоширеніший механізм пластичної деформації — ковзання, зсув однієї частини тіла відносно іншої під дією дотичних напружень. Обробка металів тиском — один з найпоширеніших, найпродуктивніших і найдешевших методів виготовлення заготовок (деталей) різної маси та розмірів з металів та сплавів.

Для отримання деталей та заготовок метали обробляють тиском такими способами:

• вальцювання — це обробка металу тиском, за якої заготовка обтискується обертовими валками прокатного стану;
• волочіння — це процес протягування заготовок крізь отвір, що поступово звужується;
• пресування (екструзія) — витискання металу із замкненого об'єму крізь калібрувальний отвір;
• кування — це оброблення металу тиском місцевого прикладення деформуючих ударних навантажень за допомогою універсального підкладного інструмента або бойків із вільним переміщенням металу у всіх напрямах[8];
• штампування — це спосіб отримання заготовок за допомогою штампів[8].

Термічне оброблення металів — оброблення, яке полягає в зміні структури та властивостей матеріалу заготовки внаслідок теплового впливу[9]. Технології термічного оброблення полягають у нагріванні металів (сплавів), витримуванні (якщо потрібно) у нагрітому стані й охолодженні із заданою швидкістю. Відомі з кінця 3-го тис. до н. е. Режими оброблення встановлюють за фазовими діаграмами стану, провадять його в термічних печах, використовуючи різні способи нагріву металу (у тому числі безокислювальний нагрів). Термооброблення застосовують як проміжну операцію, щоб поліпшити технологічні властивості металу (напр., оброблюваність тиском, різанням), і як заключну — для надання металові комплексу фізико-механічних властивостей.

До різних видів термообробки належать: відпалювання, відпуск металу, гартування, електротермічна обробка, ізотермічна обробка, нормалізація, патентування, штучне старіння металів, термомеханічна обробка, термохімікомеханічна обробка, хіміко-термічна обробка, лазерна обробка. Використовується, також, спосіб термоциклічного оброблення, яке полягає у чергуванні нагріву й охолодження металу без витримування при високій температурі. Це дає змогу одержувати дрібнозернисту структуру металу, підвищувати рівень його міцнісних і пластичних характеристик.

Велике значення в металургії мають процеси нанесення на метал різноманітних покриттів, до яких крім хіміко-термічної обробки (алітування, титанування, берилізація тощо) належать, наприклад, плакування, газотермічне напилення (газополуменеве, електродугове, плазмове, детонаційне тощо), електрохімічне нанесення (хромування, цинкування, сріблення) тощо. Покриття найчастіше застосовуються з метою захисту металів від корозії. Покриття досить широко, також, використовуються в техніці для підвищення жаротривкості, зносостійкості, поверхневої твердості металевих виробів та з метою відновлення робочих поверхонь, пошкоджених внаслідок зношування, корозії, ерозії, кавітації.