1. Теоретические аспекты исследования металлургии

1. Металлургия - понятие и сущность

Начало металлургической промышленности в России связано с именем Петра Первого. В местах залежей руды были созданы горнозаводские округа, на крупных реках началось строительство заводов. Первые заводы были пущены в первом десятилетии 18 века – 1700-1701 годы – (Каменский и Невьянский). 

Металл–это опора жизни. Металлургия – важнейшая отрасль промышленности, благодаря которой человечество имеет возможность использовать металл и даже изменять его свойства, производя различные сплавы. Это значит, что благодаря развитию металлургии человечество движется вперед – конструкции становятся прочнее, легче и надежнее.

Металлургия –это отрасль тяжелой промышленности, основной продукцией которой являются сплавы, металлопрокат и различные металлоизделия. 

Выплавка металла – горячее производство во всех смыслах.

Во-первых, предприятия металлургии перерабатывают колоссальные объемы руды, потребляя огромное количество энергии и топлива.

Работа идет непрерывно – тонны металла выходят из печей и  продукция с прокатных станов исчисляется миллионами.

Только за 2013 год в мире было произведено 1414 млн. тонн стали.

 Во-вторых, металл не так-то просто поддается обработке. Изменение его свойств, состава происходит под воздействием очень высоких температур.

Отрасль включает в себя другие, связанные с ней производства – добывающие и обогатительные предприятия, коксовые предприятия.

Металлургия делится на два направления по видам получаемых и обрабатываемых металлов – черная металлургия и цветная металлургия. Черная металлургия занимается производством сплавов и изделий на основе железа. Иногда к черным металлам также относят марганец и хром. Специфика цветной металлургии – выплавка сплавов и производство изделий из цветных металлов. В их число входят все металлы за исключением железа и его сплавов.

1.2 Технология производства металлов

Технология производства металлов непростая работа и состоит из нескольких технологических этапов.

1. Добыча и подготовка сырья к переработке (обогащение, агломерирование, получение концентратов)

Обогащение руды – это процесс переработки руд для получения концентрата. Методы обогащения руд предусматривают дробление минералов. В дальнейшем происходит сепарация полезных элементов и пустой породы. Концентрат используется для производства металлов.

2. Металлургический передел.

Передел - переработка сырья с целью получения полуфабриката для дальнейшей переработки. В результате этого процесса изменяются химический состав материала, физические и механические свойства и агрегатное состояние. Передел в металлургии - стадия получения или переработки металла. К основным видам металлургического передела относятся плавка и разливка металла, обжатие и прокатное, трубное и метизное производства.

3. Утилизация или переработка отходов основного производства. Вовлечение отвалов и шлаков в производство другой продукции и извлечение металлов.

Отвалы и шламохранилища отнимают городские и сельскохозяйственные земли, создают серьезную экологическую нагрузку.

В техногенных образованиях Уральского региона, например, содержатся до 43 млн. тонн меди, 2 млн. тонн цинка, 12 млн. тонн железа, а также другие цветные, редкоземельные и благородные металлы. Около 60-70% отходов, накопленных на горнодобывающих предприятиях Урала, по мнению специалистов, можно использовать для производства металла, строительных материалов, цемента, сельскохозяйственных удобрений и другой продукции

• Черная металлургия. Металлургический цикл

Чугун --> Сталь --> Прокат

Железо в природе находится в руде в виде оксидов Fe₃O₄, Fe₂O₃, гидроксида Fe₂O₃ х Н₂О, карбонатов FeСO₃ и других. Поэтому первая стадия получения железосодержащих сплавов – высвобождение железа из руды в доменной печи, выплавка чугуна под воздействием температуры свыше 1000 градусов. Свойства получаемого чугуна можно изменять в ходе выплавки в доменной печи, что и делают металлурги. Так, для дальнейшей переработки готового сплава и изготовления стали получают передельный чугун. Для получения отливок выплавляется литейный чугун.

Дальнейший путь передельного чугуна – выплавка стали. Сталь - сплав железа с углеродом и легирующими элементами. Она прочнее чугуна и более пригодна для строительных конструкций и деталей машин. Выплавка происходит в печах, где металл находится в жидком состоянии. Методов получения стали несколько, среди них - кислородно-конверторный, мартеновский, электроплавильный. Каждый метод использует различное оборудование – мартеновские печи, индукционные печи, дуговые печи, конвертеры.  

Сегодня существует большое количество марок стали с различным легирующими элементами. Легирование – изменение состава сплавов путем введения определенных концентраций дополнительных элементов. Таким образом, изменяется состав и свойства сплава. Основные легирующие элементы для стали – это хром (Cr), никель(Ni), марганец (Mn), кремний (Si), молибден (Mo), ванадий (V), бор (B), вольфрам (W), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu), ниобий (Nb), кобальт (Co).

Кроме того, есть и принципиально иной способ производства сплавов на основе черных (и цветных) металлов – он используется в порошковой металлургии. Принцип следующий: порошки металла с размерами частиц от 0,1 мкм до 0,5 мм сначала спрессовывают, а затем спекают.

• Цветная металлургия. Особенности производства

 Производственный цикл цветной металлургии включает обогащение руд, выплавку металла (некоторые виды металла требуют еще рафинирования), затем передел и металлопрокат.  

Руда цветных металлов содержит очень большое количество различных элементов, содержание полезных компонентов в ней низкое. Поэтому обработка руды более сложная и отличается от обработки руды черных металлов. Из одной тонны руды в среднем выплавляется одна тонна металла. Большое количество побочных продуктов, отходов, которые остаются после процесса извлечения металла, нуждаются в утилизации или переработке. Именно поэтому цветная металлургия часто связана с химической промышленностью – для переработки отходов строятся сопутствующие предприятия.

Цветная металлургия делится на две подотрасли: металлургия легких и тяжелых металлов. Деление обусловлено свойствами обрабатываемых металлов. Обычно для классификации используют такие физические свойства металлов, как атомный вес и плотность. К тяжелым металлам по этой классификации относят: медь, цинк, никель, свинец. К легким: титан, алюминий, магний. Производство двух групп металлов отличается: для выплавки легких металлов требуется большее количество энергии.

Также существует понятие «редкоземельные металлы» (РЗМ). К ним принадлежат  иттрий, церий, диспрозий, лантан, неодим, празеодим, самарий, тербий, эрбий. Элементы получили свое название до разведки запасов, тогда считалось, что в земной коре их крайне мало. На самом деле, они не такие уж и редкие: суммарная распространенность этих элементов больше, чем, например, свинца. Однако промышленное производство изделий из РЗМ осложнено тем, что элементы труднодоступны и дефицитны. Используются они только в современных высокотехнологичных продуктах и в небольшом количестве.

Продукция цветной металлургии – лигатуры, профили, прокат, концентраты. Детали из цветных металлов применяются в авиастроении, ракетостроении, атомной и химической промышленности.

• Прокат

Именно на этой стадии производятся полуфабрикаты для продажи и изготовления конечной продукции.

Прокатка  – это следующая стадия металлургического цикла после выплавки и получения металла.

Металлопрокат– это металлическая заготовка, изделие, прошедшее обработку на прокатном стане.

• процесс прокатки

Прокатная машина представляет собой несколько валков, которые вращаются в разные стороны. Между ними зажат металл. В процессе давления и трения исходная заготовка деформируется, меняя длину и ширину. 

Прокат возможен с изменением температуры заготовки или без – холодный и горячий. Холодный прокат используется, когда пластичность металла позволяет изменять формы и размеры заготовки без нагрева. При этом способе кристаллическая решетка металла не деформируется. Второй способ подразумевает нагрев заготовки, используется обычно для листов и продукции простых сечений – балок, швеллеров и так далее.

Процесс прокатки может быть не последним этапом в цикле металлургического производства. Например, прокат в черной металлургии считается третьим переделом, но  возможен также четвертый передел – дополнительная обработка полуфабриката для улучшения его свойств. В том числе, нанесение защитного покрытия.

Основные виды продукции черного металлопроката.

1. Сортовой прокат. Круг, квадрат, полоса, арматура, шестигранник.

2. Листовой прокат. Лист, профнастил.

3. Трубный прокат.

4. Фасонный прокат. Балка, швеллер, уголок.

5. Другое. Сетка, метизы.