Металургія (від греч.(грецький) metallurgéo — добуваю руду, обробляю метали, від métallon — копальня, метал і érgon — робота), в первинному, вузькому значенні — мистецтво витягання металів з руд; у сучасному значенні — галузь науки і техніки і галузь промисловості, що охоплюють процеси здобуття металів з руд або ін. матеріалів, а також процеси, пов'язані із зміною хімічного складу, структури, а отже, і властивостей металевих сплавів. До М. відносяться: попередня обробка здобутих з надр землі руд, здобуття і рафінування металів і сплавів; додання ним певної форми і властивостей.
В сучасній техніці історично склалося розділення М. на чорну і кольорову. Чорна металургія охоплює виробництво сплавів на основі заліза: чавуну, стали, феросплавів (чорних металів припадає на частку близько 95% всієї вироблюваної в світі металопродукції). Кольорова металургія включає виробництво більшості останніх металів (див. Метали в техніці). У зв'язку з використанням атомної енергії розвивається виробництво радіоактивних металів. Металургійні процеси застосовуються також для виробництва напівпровідників і неметалів (кремній, германій, селен, теллур, миш'як, фосфор, сірка і ін.); деякі з них отримують попутно з витяганням металів. В цілому сучасна М. охоплює процеси здобуття майже всіх елементів періодичної системи, за винятком галоїдів і газів.
Виникнення М., як показують археологічні знахідки, відноситься до глибокої старовини (див. мал. 1 ). Виявлені в 50—60-х рр. 20 ст в південно-західній частині Малої Азії сліди виплавки міді датуються 7—6-м-коду тис. до н.е.(наша ера) Приблизно в цей же час людина познайомилася з самороднимі металами: золотом, сріблом, міддю, а потім і з метеоритним залізом. Спочатку металеві вироби виготовляли шляхом обробки металів в холодному стані. Мідь і залізо насилу піддавалися такій обробці і тому не могли знайти широкого вживання. Після винаходу гарячої ковальської обробки (кування) мідні вироби набули ширшого поширення (епоха енеоліта ) . Опанування мистецтва виплавки міді з окислених мідних руд і додання їй потрібної форми литвом (5—4 тис. до н.е.(наша ера)) привело до швидкого зростання виробництва міді г и к значному розширенню її вживання. Проте обмежена кількість родовищ окислених мідних руд зумовила необхідність освоєння набагато складнішого процесу переробки сульфідних руд із застосуванням попереднього випалення руди і рафінування міді шляхом повторного плавлення. Виникнення цього процесу відноситься приблизно до середини 2-го тис. до н.е.(наша ера) (Близький Схід, Центральна Європа).
В 2-м-коді тис. до н.е.(наша ера) почали широко застосовуватися вироби з бронзи (сплаву міді з оловом), які за якістю значний перевершували мідні. Бронзові знаряддя праці, зброя і ін. предмети відрізнялися більшою стійкістю проти корозії, пружністю, твердістю, гостротою леза. Крім того, бронза мала нижчу температуру плавлення, чим мідь, і краще заповнювала ливарну форму. З неї легко було відливати всілякі вироби. Витіснення міді бронзою означало перехід до бронзовому століттю . В кінці 3-го і в 2-м-коді тис. до н.е.(наша ера) крупним центром М. мідь і бронзи на території СРСР був Кавказ.
Приблизно в середині 2-го тис. до н.е.(наша ера) людина починає оволодівати і мистецтвом здобуття заліза з руд. Спочатку для цієї мети використовували вогнища, а потім спеціальні плавильні ями — сиродутниє горни (див. Сиродутний процес ) . В горн, викладений з каменя, завантажували легковосстановімую руду і деревне вугілля. Дуття, необхідне для горіння вугілля, подавалося в горн знизу (перший час природною тягою, а згодом за допомогою хутра). Гази (окисел вуглецю), що утворюються, відновлювали оксиди заліза. Відносно низька температура процесу і велика кількість залізистого шлаку перешкоджали вуглецюванню металу і дозволяли отримувати залізо лише з низьким вмістом вуглецю. Процес був малопродуктивним і забезпечував витягання з руди лише близько половини заліза, що міститься в ній. М. заліза розвивалася дуже повільно, не дивлячись на те, що залізняк набагато поширеніший, ніж мідні, а температура їх відновлення нижча. Причина першочергового розвитку М. міді полягає в тому, що сиродутноє залізо за якістю значний поступалося міддю. Це пояснюється перш за все тим, що при досяжних у той час температурах процесу мідь виходила в розплавленому стані, а залізо — у вигляді тістоподібної маси з багаточисельними включеннями шлаку і незгорілого деревного вугілля. У зв'язку з низьким вмістом вуглецю сиродутноє залізо було м'яким — виготовлені з нього зброя і знаряддя праці швидко затуплялісь, гнулися, не піддавалися гарту; вони поступалися за якістю бронзовим. Для переходу до ширшого виробництва і вживання заліза необхідно було удосконалити примітивний сиродутний процес, а головне — опанувати процеси вуглецювання заліза і його подальшого гарту, т. с. здобуття стало. Ці удосконалення забезпечили залозу в 1-м-коді тис. до н.е.(наша ера) очолююче положення серед матеріалів, використовуваних людиною (див. Залізне століття ) . До початку н.е.(наша ера) М. заліза була майже повсюдно поширена в Європі і Азії.
На протязі майже 3 тисячоліть М. заліза не зазнала принципових змін. Поступово процес удосконалювався: збільшувалися розміри сиродутних горнів, покращувалася їх форма, підвищувалася потужність дуття; в результаті горни перетворилися на невеликі печі для виробництва сиродутного заліза — домниці ( мал. 2 ). Подальше збільшення розмірів домниці привело в середині 14 ст до появи невеликих доменних печей (див. Доменне виробництво ) . Збільшення висоти цих печей і інтенсивніша подача дуття сприяли підвищенню температури і значно сильнішому розвитку процесів відновлення і вуглецювання металу. Замість тістоподібної маси сиродутного заліза в доменних печах отримували вже високовуглецевий залізний розплав з домішками кремнію і марганцю — чавун. Зростанню виробництва чавуну сприяло винахід в 14 ст способу переділу його в ковке залізо — т.з. крічного переділу . Переплавляючи чавун в крічном горні, його рафінували від домішок шляхом окислення їх киснем дуття і спеціально завантажуваного в горн залізистого шлаку. Крічний процес поступово витіснив колишні малопродуктивні способи здобуття стали на основі сиродутного заліза, не дивлячись на досягнуте з їх допомогою надзвичайно високе якість металу (див. Булат, Дамаська сталь ) . Т. о., виник двохстадійний спосіб здобуття заліза, що зберіг своє значення і що є основою сучасних схем виробництва стали. Наступним етапом розвитку М. стали в Європі була поява в Англії в 1740 плавки тигля (задовго до того відомою на Сході) і в останній чверті 18 ст — пудлінгування . процес Тигля був першим способом виробництва литій сталі . Її виплавляли в тиглях з вогнетривкої глини, які встановлювалися в спеціальній печі. У пудлінговом процесі, як і в крічном, отримували т.з. зварювальне залізо. Для цього чавун рафінували від вуглецю і ін. домішок на череню відбивної печі.
Не дивлячись на велике значення для розвитку техніки свого часу, процеси тигля і пудлінговий не могли задовольнити потреби в сталі. М. чавуну розвивалася випереджаючими темпами. Цьому сприяло впровадження водяних повітродувних труб ( мал. 3 ), хутра з приводом від водяного колеса (з 15 ст), парових повітродувних машин (1782). В кінці 18 ст в доменному виробництві почали широко використовувати кам'яновугільний кокс (1735); до 19 ст відноситься початок вживання нагрітого дуття і ретельної підготовки руди до доменної плавки. Відставання сталеплавильного виробництва виявлялося в тому, що кількість чавуну, що виплавляється, довгий час (до початку 20 ст) перевищувала кількість вироблюваної сталі. Головна роль в переломі, що настав, зіграло винахід трьох нових процесів виробництва литої сталі: у 1856 — бессемерівського процесу, в 1864 — мартенівського (див. Мартенівське виробництво ) і в 1878 — томасовського процесу . Поширення цих процесів (в першу чергу мартенівського, якому властиве використання великої кількості металевого лому) привело до того, що до середини 20 ст випуск чавуну складав вже лише 70% від виплавки стали.
Подальший розвиток сталеплавильного виробництва в 2-ій половині 20 ст пов'язано з істотним збільшенням ємкості і продуктивності агрегатів, широким вживанням кисню для підвищення ефективності металургійних процесів, появою нового способу здобуття, що швидко розвивається, стали в кисневих конвертерах (див. Киснево-конвертерний процес ), з розвитком позапічного рафінування рідкої сталі у вакуумі, обробки стали синтетичними шлаками і інертним газом, з впровадженням безперервного розливання стали, широкою механізацією і автоматизацією виробничих процесів. Велике значення в сучасній М. заліза має виплавка високоякісною і у тому числі легованій сталі, яка з початку 20 ст виробляється в основному в електропечах (див. Електросталеплавильне виробництво ). З 2-ої половини 20 ст для здобуття деяких кольорових металів, а також стали особливо відповідальні призначення почали застосовувати додаткову переплавку металу в дугових вакуумних печах, електрошлакових, електроннопроменевих і плазмових установках (див. Електрошлакова переплавка, Електроннопроменева плавка, Плазмова металургія ). В області витягання заліза з руд поряд з доменним виробництвом, яке продовжує розширюватися, розвиваються всілякі способи прямого здобуття заліза . Цим процесам, що дозволяють отримувати залізо, придатне для виплавки стали в електропечах, належить велике майбутнє.
Окрім заліза, на стародавньому світі добували і застосовували золото, срібло, мідь, олово, свинець, ртуть. Багато ін. метали (в т.ч. невідомі древнім) використовувалися в сплавах, мінералах або з'єднаннях.
Золото у вигляді піску і самородків добували в доісторичні часи з розсипів шляхом промивання. Для здобуття виробів золотий пісок піддавали гарячому куванню (ковальській зварці) або переплавляли в тиглях. При цьому зазвичай отримували сплави золота з сріблом і ін. елементами, що обумовлювало всілякі варіації кольору, а також ливарних і механічних властивостей металу. Рафінування золота і відділення його від срібла почалося в 2-ій половині 2-го тис. до н.е.(наша ера), але до 6 ст до н.е.(наша ера) поширювалося досить повільно. Видалення домішок (разом зі свинцем, що додається для поліпшення процесу) виробляли шляхом окислення їх повітрям. Відділення срібла здійснювали шляхом хлорування сплаву при нагріві у присутності куховарської солі, з подальшим відгоном летких хлоридів або їх розчиненням. Ін.(Древн) спосіб відділення срібла полягав в переведенні його в сульфіди при нагріванні сплаву з сірчистими матеріалами і деревним вугіллям. Вживання азотної кислоти для відділення срібла від золота відноситься вже до 13—14 вв.(століття) Процес амальгамування також був відомий на стародавньому світі, але упевненості в тому, що він застосовувався для витягання золота з руд і пісків, немає. Після відкриття російським вченим П. Р. Багратіоном в 1843 основ ціанування золотих руд і особливо після робіт англійських металургів Дж. С. Мак-Артура і бр.(брати) Р. і У. Форрестов (1887—88) цей процес зайняв провідне місце в М. золота; інколи він використовується в з'єднанні з амальгамуванням. Успішно застосовується для витягання золота флотація (див. флотація ) і гравітаційне збагачення .
Срібло в давнину отримували головним чином попутно зі свинцем з галеніту. Початок їх спільної виплавки можна віднести до 3-го тис. до н.е.(наша ера) (Мала Азія); широкого поширення процес набув лише через 1500—2000 років. Можна вважати, що технологічна схема включала випалення руди, горнову плавку, розділову плавку (ліквационноє рафінування, зейгерування ) і купеляцию . У 2-ій половині 20 ст свинець отримують переважно з поліметаллічеських руд в результаті збагачення флотації, агломеруючого випалення, відновної плавки в шахтних печах і рафінування продукту цієї плавки — чорнового свинцю (веркблея ). При рафінуванні витягується також срібло (і золото, якщо воно є).
Масове виробництво міді почалося після винаходу Ст А. Семенниковим в 1866 конвертації штейна. Велику роль в розвитку конвертерної переробки штейна зіграла запропонована в 1880 продування розплаву збоку (а не знизу, як в бессемерівському способі здобуття стали з чавуну). При бічному продуванні повітря поступає безпосередньо в розплав, що рафінується, минувши мідь, що легко твердіє, яка збирається на дні конвертера. Величезне значення для масового виробництва міді мало винайдене на рубежі 20 ст збагачення флотації, що дозволило успішно переробляти руди з вмістом міді менше 1%. Бідні окислені руди (менше 0,7% Cu), що не флотуються, обробляють гідрометалургійним способом (дорогою вилуговування ). Сульфідні руди можна вилуговувати в самому родовищі (без видобутку руди), використовуючи спосіб інтенсифікації вилуговування із застосуванням бактерій (див. Бактерійне вилуговування ).
Олово в давнину виплавляли в простих шахтних печах, а потім очищали від сторонніх домішок за допомогою ліквационних і окислювальних процесів. Корінні олов'яні руди перед плавкою піддавали дробленню і простому збагаченню; з розсипів руду добували промиванням. У сучасній М. у зв'язку з необхідністю використання бідних олов'яних руд із значним вмістом домішок (сірка, миш'як, сурма, вісмут, срібло і ін.) олово отримують за складними схемами комплексної переробки руд, які включають збагачення, випалення, вилуговування домішок з рудних концентратів, магнітну сепарацію їх, відновну плавку у відбивних, шахтних або електричних (кращий спосіб) печах із здобуттям чорнового олова і рафінування його головним чином пірометалургічним (інколи електролітичним) методом.
Перші способи виробництва ртуті зводилися, мабуть, до випаленню руди в купах; ртуть конденсувалася при цьому на холодних предметах. Пізніше з'явилася керамічного реторта. Методи здобуття ртуть, описана німецьким вченим Р. Агріколой (16 ст), зводяться до випалення руди в керамічних судинах з різними конденсаторами. Залізні реторти з'явилися в 17 ст (1641). Потім у міру зростання попиту на ртуть отримали вживання продуктивніших шахтні печі (періодичного, а пізніше і безперервної дії), відбивні печі (з 1842), трубчасті печі (з початку 20 ст), що обертаються, які служать основним агрегатом для переробки ртутних руд. Перспективний спосіб здобуття ртуті — переробка руд в киплячого шару печах, успішно освоєна в СРСР.
Технологічні схеми процесів здобуття останніх металів, виробництво яких досягло значного рівня лише протягом останніх століть (а інколи і років), освітлюють у відповідних статтях (див. Алюміній, Цинк, Марганець, Хром, Нікель, Магній і ін.).
Сучасна М. як сукупність основних технологічних операцій виробництва металів і сплавів включає: 1) підготовку руд до витягання металів (в т.ч. збагачення); 2) процеси витягання і рафінування металів: пірометалургічні, гідрометалургійні, електролітичні; 3) процеси здобуття виробів з металевих порошків дорогою спікання; 4) кристалофізичні методи рафінування металів і сплавів; 5) процеси розливання металів і сплавів (із здобуттям злитків або відливань); 6) обробку металів тиском; 7) термічну, термомеханічну, химіко-термічну і ін. види обробки металів для додання ним відповідних властивостей; 8) процеси нанесення захисних покриттів.
Підготовка руд до витягання металів починається з дроблення, подрібнення, грохочення і класифікації (див. Класифікатор ). Наступна стадія обробки — збагачення (див. Збагачення корисних копалини ). В процесі збагачення або після нього матеріали піддають зазвичай випаленню або сушці. Вельми перспективне випалення в киплячому шарі. Найбільше вживання в збагачувальній техніці мають, гравітаційних, магнітних і електричних методи флотацій. Процесами флотацій переробляють більше 90% всіх збагачуваних руд кольорових і рідких металів. З гравітаційних процесів поширені збагачення у важких середовищах, відсадження, концентрація на столах і ін. методи.
Велике значення збагачувальних процесів в сучасній М. обумовлено прагненням до підвищення ефективності металургійного виробництва а також тим, що у міру зростання виплавки металів доводиться використовувати усе більш бідні руди. Безпосередня металургійна переробка таких руд (без збагачення), як правило, неекономічна, а в деяких випадках навіть неможлива.
Завершальними операціями підготовки руд є зазвичай їх усереднювання, змішення, а також кускування за допомогою агломерація, обдавання (грудкування) або брикетування . Необхідність кускування обумовлена тим, що в процесі збагачення руди піддаються подрібненню, а вживання в плавці дрібно подрібнених матеріалів в деяких металургійних виробництвах небажано або недопустимо.
Пірометалургічні (високотемпературні) методи витягання і рафінування металів вельми багатообразні (див. Пірометалургія ). Вони здійснюються в шахтних, відбивних або електричних печах, конвертерах і ін. агрегатах. У пірометалургічних процесах відбувається концентрація металів і домішок, що видаляються, в різних фазах системи, що утворюється при нагріві або розплавленні тих, що переробляються матеріалів. Такими фазами можуть служити газ, рідкі метали, шлак, штейн і тверді речовини. Після розділення одна або декілька з цих фаз прямують на подальшу переробку. Для здійснення необхідних операцій в пірометалургії застосовують окислювальні, відновні і ін. процеси. З метою інтенсифікації окислення успішно використовують газоподібний кисень, а також хлор і селітру. Як відновники застосовують вуглець, окисел вуглецю, водень або деякі метали (див. Металлотермія ). Прикладами відновних процесів можуть служити доменна плавка, виплавка вторинної міді, олова і свинцю в шахтних печах, здобуття феросплавів і титанового шлаку в рудовосстановітельних електропечах. Магнійтермічеським відновленням отримують, наприклад, титан. Окислювальне рафінування є необхідним елементом в мартенівському і конвертерному виробництві стали, при здобутті анодної міді, а також свинцю.
Вельми широко використовуються методи витягання і рафінування металів, засновані на утворенні сульфідів, хлоридів, іодідов (див. Іодідний метод ), карбонілов. Велике значення мають процеси, що базуються на явищах випару і конденсації (дистиляція, ректифікація, вакуумна сепарація, сублімація ). Отримали розвиток позапічні методи рафінування стали, а також вакуумна плавка і плавка в аргоні, що знаходять вживання при виробництві хімічно активних металів (титану, цирконію, молібдену і ін.) і сталі.
Гідрометалургійні методи витягання і рафінування металів, що не вимагають високих температур, базуються на використанні водних розчинів (див. Гідрометалургія ). Щоб перевести метали в розчин, застосовують вилуговування за допомогою водних розчинів кислот, підстав або солей. Для виділення елементів з розчину використовують цементацію, кристалізацію, адсорбцію, осадження (див. Осадітельная плавка ) або гідроліз . Широкого поширення набули сорбція металів іонообмінними речовинами (в основному синтетичними смолами) і екстракція (за допомогою органічних рідин). Сучасні сорбційні і екстракційні процеси характеризуються високою ефективністю. Вони дозволяють витягувати метали не лише з розчинів, але і з пульпи, минувши операції відстоювання, промивання і фільтрації. З ін. гідрометалургійних процесів слід зазначити автоклавну переробку матеріалів при підвищених температурах і тиску (див. Автоклав ), а також очищення розчинів від домішок в киплячому шарі. У деяких виробництвах застосовують витягання металів (наприклад, золото) з руд за допомогою ртуті — амальгамування.
Велике значення в М. має здобуття або рафінування кольорових металів електролітичним осадженням (див. Електроліз ) як з водних розчинів (мідь, нікель, кобальт, цинк), так і з розплавів (алюміній, магній). Алюміній, наприклад, отримують електролізом кріолітгліноземного розплаву.
Знаходить вживання також виробництво виробів з металевих порошків, або порошкова металургія . У ряді випадків цей процес забезпечує вища якість виробів і кращі техніко-економічні показники виробництва, чим традиційні способи.
Для здобуття особливо чистих металів і напівпровідників застосовуються кристалофізичні методи рафінування (зонна плавка, витягування монокристалів з розплаву), засновані на відмінності складів твердої і рідкої фаз при кристалізації металу з розплаву.
Процеси здобуття відливань з розплавлених металів і сплавів (див. Ливарне виробництво ) і злитків, призначених для подальшої обробки тиском (див. Розливання металу ), відомі людству впродовж багатьох століть. Основні напрями технічного прогресу в цій області пов'язані з переходом до безперервному розливанню стали і сплавів і до поєднаних процесів литва і обробки заготовок тиском (наприклад, бесслітковоє здобуття дроту або аркуша з розплавленого алюмінію, міді, цинку).
Обробка металів тиском також відома людям дуже давно (кування заліза було, наприклад, необхідним елементом процесу переробки криці). Ковальсько-штампувальне виробництво і пресування є найважливішими складовими частинами машинобудування. Плющення — основний спосіб обробки металів і сплавів тиском на современнихи металургійних заводах (див. Прокатне виробництво ). Прокатний стан, вперше запропонований, мабуть, ще Леонардо да Вінчі (1495), перетворився на потужний високоавтоматизований агрегат, продуктивність якого досягає декількох млн. т металу в рік. Поряд з листовим і сортовим металом за допомогою прокатних станів отримують труби, гнуті і періодичні профілі (див. Прокатний профіль ), біметал і ін. види виробів. Для виготовлення дроту в сучасній М. широко застосовують волочіння .
Термічна обробка, що забезпечує здобуття найбільш сприятливої структури металів і сплавів, також має вельми древнє походження. Такі процеси, як цементація, гарт, відпал і відпустка металів, були відомі і добре освоєні на практиці вже в глибокій старовині. Наукові основи термічної обробки металів і сплавів були розроблені Д. К. Черновим (див. Металознавство ). У сучасній техніці термічна обробка металів і сплавів, а також ін. види обробки (див. Термомеханічна обробка, Химіко-механічна обробка, Химіко-термічна обробка ) мають дуже широке вживання. Окрім готових деталей, які піддаються обробці на машинобудівних підприємствах, її проходят багато видів продукції і на металургійних заводах. Це відноситься, наприклад, до сталевих рейок (об'ємний гарт або гарт голівки), до товстих листів і арматурної сталі (зміцнююча обробка), до тонкого аркуша з трансформаторної сталі (відпал для поліпшення магнітних властивостей) і т.д.
Велике значення в сучасній М. набувають процесів нанесення на метал різних захисних покриттів. До таких процесів відносяться лудіння, цинкування, нанесення пластмасових і ін. покриттів, якість, що значно підвищують, і термін служби металу.
Значення М. в створенні сучасної цивілізації виключно велике. Матеріальна культура людського суспільства немислима без металів; вона базується на них у виробництві засобів виробництва, засобів транспорту і зв'язку, в будівництві, у військовій справі. Велику роль грають метали в сільському господарстві і у виробництві предметів вжитку. Дані про об'єм і динаміку виробництва стали, чавуну, найважливіших кольорових металів і ін. зведення о М. як галузі промисловості приведені в статтях Чорна металургія, Кольорова металургія .
Літ.: Основи металургії, т. 1—6, М., 1961—73; Металознавство і термічна обробка стали. Довідник, 2 видавництва, М., 1961—62; Прокатне виробництво. Довідник, т. 1—2, М., 1962; Доменне виробництво. Довідник, т. 1—2, М., 1963; Сталеплавильне виробництво. Довідник, т. 1—2, М., 1964; Aitchison L., A history of metals, v. 1—2, L., 1960.
