Раздел 1. Общие вопросы производства черных металлов и сплавов

1.1. История и роль металлургии в развитии цивилизации. Современное состояние и пути развития металлургического производства. Технологическая схема современного металлургического предприятия с полным технологическим циклом.

а) Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией, относятся к 5-6 тысячелетиям до н. э. При раскопках в Палестине были обнаружены железные сошники, серпы и мотыги относящиеся к этому промежутку времени.

Одним из первых появился процесс извлечения железа из руды в горне, который вошел в историю металлургии под названием «сыродутный». С его появлением железные изделия получили большее распространение, чем бронзовые изделия, тем самым, ознаменовав наступление «Железного» века.

Впоследствии, человек начал сознательно увеличивать зону контакта с древесным углем и тем самым науглероживать железо. Так появилась сталь — важнейший сплав железа. Это привело к развитию кузнечного ремесла. Все больше орудий труда изготовляли из железа. Появлялись, также, новые виды оружия и доспех.

На протяжении почти трех тысячелетий металлургия железа не менялась — в основе получения железа и стали лежал все тот же сыродутный процесс, но увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья, а технология оставалась малопроизводительной. Применение железа велось в некоторых областях и в небольших масштабах. Например, в строительстве оно применялось лишь в виде скоб, различного рода скрепок, штырей, затяжек, но его широко использовали и для изготовления столярных и плотничьих инструментов: топоров, сверл, молотков, продольных и поперечных пил, долот, резаков, стамесок, рубанков.

В средние века сыродутный горн обрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. В шахтной печи благодаря высокой температуре удалось получить железоуглеродистый сплав – чугун, но он был очень хрупким. В Х1V веке начали загружать чугун снова в печь и переплавлять вместе с рудой. Такой способ позволял сравнительно легко получать нужную сталь, притом в больших количествах. Нововведение привело к четкому разделению «труда»: в домницах - из руды выплавлялся чугун, а в кричных горнах из него удалялся лишний углерод, то есть осуществлялся процесс превращения чугуна в сталь — «кричный передел». Так возник двухстадийный способ получения стали из железной руды: руда — чугун, чугун — сталь.

Теперь спрос на чугун резко увеличился. Из чугуна начали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения. Но для доменной плавки требовалось много древесного угля и вскоре начал остро ощущаться его недостаток. Металлурги вместо древесного угля пытались использовать каменный, но он в процессе нагрева измельчался, а это сильно затрудняло дутье. А в 1735 году англичанину Абрахаму Дерби удалось осуществить доменный процесс на коксе — топливе, при котором уголь не измельчался, а спекался в куски.

XVIII и XIX века внесли немало нового в конструкцию доменной печи: были изобретены первые воздуходувные машины. Кричный горн уступил место пудлинговой печи. А позднее были созданы сталеплавильные агрегаты — конвертер и мартеновская печь. В них чугун превращался уже не в тестообразную массу — крицу, а в жидкую сталь. В этот период произошла промышленная революция и железо как материал сыграл далеко не последнюю роль. Все изобретения были сделаны либо и сплавов железа, либо включали в себя детали, сделанные из железа.

Затем была сконструирована дуговая сталеплавильная печь, позволявшая получать металл высокого качества. Вместо огня стали использовать электрический ток. Вообще открытие электричества ознаменовало новую эпоху в промышленности, но с его появлением начали изготовлять все новые приборы, аппараты, станки, корпуса которых в основном выплавлялись из сталей.

В 1918 году М. Виберг предложил вести процесс восстановления в шахтной печи, используя для этой цели горючий газ. Способ позволял превращать руду в 95-процентное железо. У этого способа был существенный недостаток: исходным сырьем для получения восстановительного газа служил все тот же кокс, от которого инженеры стремились избавиться в технологической схеме, для газификации кокса нужны были сложные и дорогие устройства - электрогазогенераторы.

К концу 50-х годов металлурги убедились, что в роли восстановителя в процессах прямого получения железа должен выступать газ. Из шахтной печи, где происходило восстановление железа, горячий газ направлялся в рекуператор и отдавал свое тепло поступающему туда газ-восстановителю.

Металлургия играет огромную роль в развитии цивилизации. Без металлургии невозможно представить современный мир. Благодаря новым процессам обработки металла и получению новых сплавов, развивались такие отрасли как медицина, строительство, самолето- и ракетостроение, машиностроение, судостроение, военная промышленность. Металлургия всегда во многом формировала наш быт и оказывала огромное влияние на развитие человечества.

б) Современная металлургия представляет собой одну из важнейших отраслей промышленности и в основе своей является металлургию сплавов. На сегодняшний день она подразделяется на две большие группы: черная и цветная металлургия. Цветная металлургия - отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. Черная металлургия - отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд чёрных металлов и выплавку чёрных металлов и их сплавов. К чёрной металлургии относят также производство проката чёрных металлов, стальных, чугунных и других изделий из чёрных металлов.

По способу выплавки металлов металлургия подразделяется на: Пирометаллургию – получение металлов с помощью нагревания; Гидрометаллургию – получение металлов из химических растворов и Электрометаллургию – получение металлов путем электролиза.

Как было сказано выше, современную металлургию можно назвать металлургией сплавов. Их бесчисленной множество. Наиболее распространённые это сталь ‐ сплав железа с углеродом, с содержанием последнего мене 2.14%, чугун ‐ сплав железа и углерода с содержанием последнего более 2.14%, дюралюминий ‐ торговая марка одного из первых упрочняемых старением алюминиевых сплавов. Кроме это существует ещё огромное количество сплавов: титановые, алюминиевые, хромомолибденовые , драгоценные.

В целом современная металлургия – это успешная по многим показателям отрасль промышленности. Но она не стоит на месте. В будущем металлургия во многом займется самосовершенствованием. Энерго и ресурсо сбережением, созданием новых высокопрочных сплавов, применением новых технологий основанных на использовании молекулярного подхода.

в) Современная черная металлургия базируется на двух стадийном способе получения стали:

1)Восстановление железа из железных руд, а в настоящие время из продуктов их подготовки, т.е. из агломерата и окатышей с получением высоко углеродного сплава-чугуна.

2)Рафинирование чугуна в сталеплавильном агрегате с получением низко углеродного сплава-стали.

Вот как выглядит схема взаимодействия процессов при двух стадийном способе:

В основе современного предприятия с полным циклом производства, базирующегося на двух стадийной схеме, лежит объединение следующих цехов, заводов, производства.