Возникновение и развитие металлургии
Опираясь на данные археологических исследований, можно считать, что первым металлом, которым стал пользоваться человек, была медь. Это связано с тем, что медь встречается в природе в «самородном», т. е. в свободном, не окисленном состоянии. Во-вторых, медь обладает «ковкостью» - пластичностью и может хорошо обрабатываться. В то же время медь имеет достаточно высокую прочность. Орудия труда, изготовленные из меди, обладали значительно лучшими потребительскими свойствами, чем каменные.
Люди умели плавить медь ещё в 7-6-м тысячелетиях до н.э. Во втором тысячелетии до н.э. человек научился производить сплавы меди с оловом - бронзы, которые имели большую твёрдость, чем медь, а невысокие температуры плавления (<1000°С) позволяли изготовлять необходимые изделия литьём. Не случайно именно бронза определила значительный по продолжительности этап развития человечества - бронзовый век.
Представление о печах для выплавки меди (а также золота, серебра, свинца), применявшихся в Западной Европе в средние века, даёт рис.1.1 из книги известного металлурга того времени Г. Агриколы.
Рис. 1.1. Плавильная печь
Первые попытки производства меди в России относятся к XIII веку (Архангельская обл.). Промышленное производство меди было освоено через три столетия. Первый медеплавильный завод на Урале был построен в 1640 г. Бурный рост выплавки меди в России начинается с 1900 гг.
Кардинально улучшились технико-экономические показатели переработки сульфидных медных руд (а также сульфидных руд других цветных металлов) в результате использования двух технических решений (в конце XIX века):
флотационного метода обогащения сульфидных руд, благодаря чему стало возможным вовлечение в рентабельную переработку бедных руд (с содержанием металла менее 1%);
продувки расплавленных штейнов воздухом, обеспечивающим эффективное отделение меди от железа и серы.
Результаты проведения больших работ в нашей и других странах в последние десятилетия прошлого века позволили существенно улучшить технологический процесс производства меди: повысить степень извлечения меди из руд, разработать схему комплексной переработки медных руд с извлечением других цветных и драгоценных металлов и попутным получением большого количества различных химических веществ.
По мере освоения человеком методов получения металлов из руд и изготовления изделий из них медь уступила ведущее положение железу.
Железо среди других металлов занимает особое положение. Развитие материальной культуры, технический прогресс человеческого общества напрямую связаны с развитием, совершенствованием способов производства железа.
Следует отметить, что в практике используется не чистое железо, а его сплавы с другими элементами и в первую очередь с углеродом. Эти сплавы получили название черные металлы. По свойствам - в зависимости от содержания углерода - черные металлы делят на три группы: железо (техническое) - до 0,02% С, сталь - 0,02-2,14% С и чугун - 2,14-7% С.
Доля черных металлов составляет примерно 95% от общего объема производства металлов. Черные металлы, и прежде всего стали, широко применяют в промышленности, транспорте, строительстве и в быту. Такое широкое распространение черных металлов обусловлено двумя обстоятельствами.
Во-первых, в земной коре содержатся большие запасы железорудного сырья, а стоимость извлечения железа из руд сравнительно невелика. По распространенности в земной коре железо занимает четвертое место (после кислорода, кремния, алюминия). Многие месторождения железных руд имеют запасы в сотни миллионов и даже в несколько миллиардов тонн, что позволяет строить крупные горнорудные предприятия, благодаря чему затраты на добычу 1 г руды оказываются невысокими. Стоимость производства черных металлов значительно ниже, чем цветных и редких металлов вследствие высокой концентрации железа в рудах (40-65%) и сравнительно небольшой энергии связи железа с кислородом в рудных минералах. Последнее позволяет применять для восстановления железа относительно недорогие и широко распространенные химические реагенты: углерод, монооксид углерода (из кокса, природного газа).
Во-вторых, черные металлы удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к конструкционным материалам в машиностроительной, электротехнической, строительной и других отраслях промышленности. Разнообразные свойства, которыми обладают различные стали (механические, магнитные, электрические, химические и др.), обусловлены введением в сплавы легирующих элементов и применением способов термической обработки.
Отрасль промышленности, которая занимается извлечением железа из руд и переработкой черных металлов, называется черная металлургия.