Історія розвитку металургії у світі

Першими металами, з якими познайомилися люди, були срібло, золото та мідь. Вони мали незвичайний колір і блиск, а рахунок пластичності піддавалися ковці. За 8000 років до нашої ери з них були створені простенькі інструменти та перші прикраси.

Плавку міді було виявлено випадково: в багаття потрапило каміння зі шматочками металу. Було зазначено, що в ході горіння відокремлюється речовина, яка за високої температури стає відносно м'якою. Приблизно за 5000 до н. з руди навчилися виплавляти мідь. Так сформувався перехід від кам'яних знарядь руди до металевих.

Чим цікаве бронзове століття

Людство хвилювало одне питання: як поєднати два метали та отримати новий сплав із бажаними властивостями? З олова та міді з'явилася бронза. Вона мала вищу міцність, твердість та знижену температуру плавлення. Ці характеристики стали в нагоді при виготовленні предметів декору, обладунків, зброї, інструментів. Бронзове століття орієнтовно з 3300 до н.е. тривав до 1200 року до н.е.

Залізний вік: метал, який змінив історію

Перехід до Залізного періоду розпочався приблизно 1200 року до н.е. Цей метал не привертав увагу довгий час через складність обробки. Температура плавлення заліза майже на 500℃ вища, ніж у міді, тому знадобилася розробка нових технологій.

У сиродутних печах за рахунок горіння деревного вугілля нагріта руда перетворювалася на губчасте залізо, що складається з металу та шлаку. Після кування із заліза видаляли непотрібні домішки та формували продукцію потрібної форми. Цей метал краще піддавався гартуванню та куванню, дозволяв виготовляти міцніші вироби за рахунок насичення вуглецями. Однак після загартування метал ставав тендітним. Потрібні довгі роки, щоб освоїти технологію «відпустки», що допомагає боротися з крихкістю.

Металургія розвивалася до сучасного рівня дуже довго: від примітивних знарядь праці до високотехнологічних сплавів. Давайте заглибимося в історію її еволюціонування та відзначимо найважливіші етапи впливу на досягнення технічного прогресу.

Доісторичний період: перші кроки в металургії

Освоєнням металів займалися у різних частинах світу. В Анатолії та на Близькому Сході залізний асортимент з'явився у 1300-1200 роках до н.е. У Європі затребуваність у металі припала на 800-ті роки до н.е. У Китаї власна традиція залізоробного виробництва сформувалася до 500 до н.е. В Африці первинна металургія досягла високого рівня на початок нашої ери.

Як відбуваласяеволюція металургійних процесів

У Середні одним із важливих досягнень став розвиток більш ефективних печей. Сиродутні горни замінили на штюкофени - шахтні печі з вертикальними розмірами до 3-5 метрів. За рахунок такої висоти вдалося досягти більш високих температур і збільшити кількість заліза за один цикл плавки. Це призвело до появи чавуну (сплаву заліза з вмістом вуглецю понад 2,14%), що допомогло почати випускати більш складні та великі вироби.

Але не тільки металургія цікавила людство – також поступово розвивалася і ковальська справа, завдяки якій покращувалися сільськогосподарські інструменти, з'являлися нові архітектурні елементи для прикраси будівель.

Чи знаєте ви, що алхіміки теж «приклали руку» до розвитку металургії? Активно проводячи досліди, вони допомогли вдосконалити способи очищення металів та відкрити нові хімічні елементи.

Трансформація металургії в індустрію

У XVIII столітті було створено доменні печі. Щоб не витрачати природні лісові багатства, як паливо почали застосовувати кокс. Шахтні високотемпературні установки допомогли зробити ривок у збільшенні кількості чавуну, що випускається.

Промислова революція, що розпочалася у XVIII столітті, принесла революційні зміни до металургії. Ключовим технологічним проривом став розвиток доменних печей. Ці високі шахтні печі дозволили значно збільшити обсяги виробництва чавуну. Використання коксу замість деревного вугілля як паливо зробило процес більш ефективним і менш залежним від лісових ресурсів.

Генрі Бессемер винайшов новаторський спосіб одержання сталі, запропонувавши продувати розплавлений чавун повітрям. Через 8 років П'єр Мартен оприлюднив результати своїх досліджень. Суть їх полягала у виробництві сталі із залізного брухту. Це давало пріоритет у контролі над складом одержуваної сталі. Мартенівським способом користувалися довгі десятиліття.

Використання електричних дугових печей у перші роки ХХ століття підвищило робочі характеристики сталі та сплавів. Також вдалося знайти оптимальне рішення для отримання алюмінію, який вважався раніше дорогим у виготовленні.

XX століття - ера удосконаленнясталей і сплавів

Експерименти у галузі металургії тривали. Шляхом введення до складу сталі різних елементів вдалося покращити її властивості. Хром із нікелем забезпечили отримання нержавіючого сплаву, а ванадій, молібден, та вольфрам допомогли отримати інструментальні сталі. Також до числа легованих розробок потрапили жароміцні аналоги, що дають змогу працювати з матеріалом за високих температурних показників. Ці розробки дуже стали в нагоді в авіаційній галузі, машинобудуванні, хімічній промисловості.

Нові матеріали знайшли широке застосування у машинобудуванні, авіації, хімічній промисловості та інших галузях.

- Порошкова металургія застосовується для виготовлення продукції пресуванням та спіканням порошкових мас.

- Електронно-променева плавка та вакуумно-дуговий спосіб використовують з метою створення деталей для сфери електроніки та аерокосмічної промисловості.

- Розвиток технологій промислового нагріву, формування нових методів відпустки та загартування стали значно удосконалили ведення металургійних процесів.

Чим вражає XXI століття

Відбувається дуже багато позитивних перетворень.

1. Комп'ютеризація удосконалила та спростила моделювання процесів, допомогла в оптимізації індустріальних платформ. Введення АСУ формує якісний та глибокий контроль за провадженням виробничої діяльності на кожному етапі виготовлення продукції.
2. Метод лиття має свої обмеження у застосуванні: їм неможливо створювати продукцію та її складові, що мають складну конфігурацію. Тепер є технологія 3D-друку, що повністю відображає в реальності порожнини, отвори і зміну геометрії у виробах, що випускаються. Адитивна конструкторська технологія допомогла досягти того, що довгий час здавалося абсолютно неможливим.
3. Мертургія, що розвивається величезними темпами, небезпечна численними, об'ємними викидами. Пропонуються рішення, спрямовані на збільшення енергоефективності індустріальної сфери, скорочення шкідливих відходів, що потрапляють в атмосферу, ґрунт, воду, збільшення обсягів переробки металів тощо.

Створення унікальних продуктів

Наноструктуровані матеріали відкрили дорогу для отримання надміцних, особливо легких металів та сплавів. Високоентропійні композиції на основі п'яти і більше складових, скла на металевій основі з аморфною структурою, склади з «пам'яттю», які при нагріванні можуть відновлювати первинну конфігурацію у виробах – ось такі розробки ведуться зараз. Вже є певні позитивні результати, що дає змогу сподіватися на успішне завершення дослідницьких проектів.

Яке значення мало промислове нагрівання для металургії

Для отримання нових матеріалів, організації фазових процесів, трансформації вихідного стану металів потрібні високі температури. Примітивні багаття не могли створити умови для плавки, тому різні типи печей стали необхідністю в металургійних процесах. Важливою була й здатність варіювати температуру, щоб змінювати властивості матеріалів у бажаний бік. Установка термодатчиків дозволила стабілізувати термічні значення, отримувати потрібні характеристики в металах, сплавах та продукції, що випускається.

Як відбувалася еволюція нагрівальних пристроїв?

1. Перші горни та печі формували невеликий температурний максимум, а їхній роботі використовувалася природна повітряна тяга.
2. Початкові конструкції доменних печей вирізнялися збільшеною висотою, що позитивно впливало на акумуляцію тепла. Для нагнітання повітря застосовували руну працю з використанням хутра.
3. У XIX столітті було наголошено на промисловій металургії. Печі Сіменса-Мартіна стали успішною новинкою, яка дозволила прогресивно рухатися вперед.
4. Століття технічного прогресу дав відмінні результати, про що розповімо докладніше. Електричні дугові печі відрізняються компактністю, екологічністю, точністю ведення процесів, можливістю роботи з різними металами та сплавами. Плазмові печі є важливими для матеріалів з високою температурою плавлення, вони мінімізують появу забруднень у розплавах, оптимізують експлуатаційні витрати на виробництві.

Удосконалення нагрівачів також зробило свій успішний внесок у індустріальні технології. Наприклад, індукційні нагрівачі прискорили виробничі цикли, збільшили продуктивність, значно зменшили теплові втрати. Вони є безпечнішими через відсутність відкритого полум'я.

Який представляється металургия в найближчі десятиліття

Хочеться не просто мріяти, а й знати, його чекати у цій галузі далі? Давайте виділимо ключові напрямки, які векторно визначають розвиток металургії в найближчі десятиліття.

1. Застосування водню, що замінює матеріали з вуглецем, як відновник знизить кількість викидів у металургії. Це призведе до підвищення чистоти металів (сплавів) та допоможе вести процеси за більш низьких температур. Водень вдається отримувати з відновлюваних джерел, таких як електроліз води з використанням сонячної/вітрової енергії, що робить процес стійкішим.
2. Декарбонізація дозволить перейти від використання викопного палива до електрики. Існуючі паливні конструкції замінять більш прогресивні. Це будуть електропечі, які використовують потужні ТЕНи.
3. Активне впровадження штучного інтелекту в тандемі з автоматичними системами правління допоможе в оптимізації витрати ресурсів, зуміє попередити про можливі несправності обладнання, а також прогнозувати якість продукції на основі введених параметрів.
4. Лінійна економіка, яка враховує лише 3 стадії «життя» продукції (виробництво - використання - викид), буде замінено на циркулярну. Її особливостями є орієнтація на асортимент із більш тривалим терміном експлуатації, переробка виробів з метою повторного використання як сировина (добавок). Також планується звернути увагу на вдосконалення методів сортування та очищення металобрухту, створення замкнутих виробничих циклів.
5. Досить цікавий напрямок є біометалургією. Бактерії Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans та Acidithiobacillus thiooxidans здатні окислювати Fe і S, деякі гриби можуть розчиняти метали. Стануть в нагоді мікроорганізмів для вилучення міді та золота з сульфідних руд, видобутку золота, паладію, срібла з відходів, що містять дорогоцінні метали.

 

Промислове нагрівання отримає вдосконалення і продовжить відігравати важливу роль. Металургія залишається одним із ключових драйверів технологічного прогресу, відкриваючи нові можливості для багатьох галузей народного господарства.