2. Продукція металургії. Метали і сплави, їхні властивості та способи отримання

Металургійна промисловість, як одна з найважливіших і технологічноємних галузей промисловості, виробляє різноманітну за призначенням і властивостями продукцію. Продукцією металургії є:

• збагачена рудна і нерудна сировина;

• продукти коксохімічного (кокс) і вогнетривкого виробництва;

• чорні метали та сплави на їх основі;

• кольорові метали та сплави на їх основі;

• прокат чорних та кольорових металів;

• деякі види металевих виробів (металоконструкції та інше) Кокс — паливо та відновник заліза у виробництві чавуну (90— 98 % С), що виробляють з коксівного вугілля.

Прокат— балки, рельси, труби, штаби (полоси), листи та інше.

Основна продукція металургійної промисловості — метали та сплави на їх основі. Вони є найпоширенішими з-поміж конструктивних матеріалів сучасної індустрії, сільського господарства, техніки і предметів вжитку, витримуючи гостру конкуренцію з боку пластмас, кераміки, композитів та інших сучасних матеріалів.

Металами називають речовини, загальними спільними властивостями яких є "металевий" блиск, пластичність, електро- й теплопровідність, що зумовлено наявністю в їх кришталевій решітці великої кількості рухомих електронів провідності, не зв'язаних з атомними ядрами.

Металами є 85 із 110 відомих на сьогодні хімічних елементів.

Метали в техніці прийнято поділяти на чорні (залізо) і кольорові (всі інші).

Кольорові метали за фізичними, хімічними властивостями та характером залягання в земній корі поділяють на:

• важкі (кобальт, нікель, мідь, цинк, кадмій, ртуть, свинець тощо);

• легкі (літій, берилій, алюміній, титан, натрій, калій тощо);

• благородні (золото, срібло, платина тощо);

• важкоплавкі (ванадій, хром, молібден, вольфрам, ніобій тощо);

• розсіяні (гелій, індій, талій);

• рідкісноземельні (ітрій, скандій і всі лантаноїди);

• радіоактивні (уран, радій, плутоній, полоній тощо).

Чисті метали використовують у ракетній техніці, надзвуковій авіації, хімічній, електронній та медичній промисловості, але їх використання як конструкційних матеріалів обмежене.

Сплави на основі металів— металічні однорідні системи, які отримують сплавленням металів з металами, неметалами, оксидами, органічними сполуками та іншими компонентами — знаходять найширше використання.

Отримання сплавів дає змогу утворювати необмежену кількість конструкційних матеріалів різних по структурі та властивостям. Найпоширеніші сплави на основі заліза (чавуни і сталі); алюмінію (дюралюмін і силумін), міді (бронза і латунь), нікелю, свинцю, олова та ін.

Сплави, як і метали, поділяють на чорні (на основі заліза) та кольорові (всі інші). За властивостями їх поділяють на:

• важкі (на основі свинцю, олова тощо);

• легкі (на основі берилію, алюмінію тощо);

• легкоплавкі (на основі натрію, калію тощо);

• важкоплавкі (на основі ванадію, хрому, молібдену, вольфраму тощо);

• жаростійкі, що витримують нагрівання до високих температур без навантаження;

• жароміцні, теж з навантаженням;

• магнітні — мають магнітні властивості;

• немагнітні;

• аморфні — нові конструкційні матеріали отримані при дуже швидкому охолодженні розплавів, нагрітих потужними електронними або іонними пучками.

Поки що аморфні (некристалічні) метали і сплави виробляють у вигляді фольги, тонких стрічок та дроту з товщиною аморфного шару, що не перевищує десятків мікрометрів. Вони мають високі механічні властивості, велику твердість, зносостійкість, корозостійкість, з них вже виготовляють леза різальних інструментів і таке інше. Винайдення промислових способів виробництва аморфних сплавів дасть змогу отримувати на їх основі нові композиційні матеріали з унікальними властивостями.

Керування технологічними параметрами металургійного виробництва дає можливість отримувати метали і сплави різні за структурою, складом та властивостями.

Основними властивостями металів і сплавів, що визначають їх застосування та якість, є фізичні, хімічні, механічні і технологічні.

До основних фізичних властивостей належать:

• щільність (маса одиниці об'єму);

• температура плавлення;

• теплопровідність;

• електропровідність;

• магнітні властивості;

• розширення при нагріванні, стискання при охолодженні.

До основних хімічних властивостей належать:

• корозійна стійкість (здатність матеріалу чинити опір дії зовнішнього середовища — іржавленню, роз'їданню);

• розчинність;

• окислюваність (здатність до поєднання з киснем).

До основних механічних властивостей належать:

• міцність (здатність чинити опір руйнуванню і появі залишкових деформацій під дією зовнішніх сил);

• твердість (здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого більш твердого тіла);

• в'язкість (здатність матеріалу чинити опір дії ударних навантажень);

• пластичність (здатність матеріалу змінювати форму під дією зовнішнього навантаження і зберігати її після припинення його дії);

• пружність (здатність матеріалу змінювати форму під дією зовнішнього навантаження і відновлювати її після припинення його дії).

До основних технологічних властивостей належать:

• ливарні (температура плавлення, плинність розплаву, усадка, ліквація тощо);

• ковкість (визначається пластичністю і здатністю оброблятися тиском);

• зварюваність;

• здатність працювати за умов різних некритичних температур, тисків, радіації тощо).

З усіх вироблюваних металів та сплавів близько 90 % становлять сталі і чавуни. Дедалі більше використання отримують композитні метали та сплави на основі металів (металокомпозити).

Композитами називають матеріали, основа яких (матриця) зміцнена армуючими елементами (нитковидними кристалами, волокнами, дротинами та дрібними порошками).

Основними способами отримання металів та сплавів є:

• Пірометалургійний — виробництво з використанням теплової енергії полуменевих печей (отримання чавунів у доменних печах (домнах), сталі у мартенівських печах (мартенах);

• Електрометалургійний — отримання сталей у дугових, індукційних та інших типах електричних печей;

• Гідрометалургійний — вилучення металів з руд за допомогою розчинників і електролізу (отримання алюмінію, міді, цинку);

• Плазмовий — перетворення оксидів металів на високотемпературну плазму (іонізований газ) і магнітного вилучення з неї металу (отримання вольфраму, молібдену тощо);

• Хіміко-металургійний — поєднує хімічні і металургійні процеси (отримання титану);

• Космічна металургія — безтиглеве плавлення металів і отримання надчистих і композиційних сплавів в умовах невагомості.