Металлургия (от греческого metallon — рудник, металл и ergon — работа) в первоначальном, узком значении — искусство выплавлять металлы из руд. В современном значении — это область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие все процессы получения металлов, сплавов и прокатных профилей из них.
Исторически сложилось разделение металлургии на черную и цветную. Черная металлургия производит сплавы на основе железа — чугун, сталь, ферросплавы (на долю черных металлов приходится около 90% всей производимой в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. Кроме того, металлургические процессы применяются и для получения неметаллов и полупроводников (кремний, германий, селен, теллур, мышьяк, фосфор, сера и др.). А в целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.
Развивается наука о металлах — металловедение, основы которой заложили русские ученые П. П. Аносов и Д. К. Чернов. Металловеды познают структуру металлов, находя пути для улучшения их свойств, создают новые сплавы — особо легкие, особо прочные и т. д., позволяющие конструкторам разрабатывать принципиально новые машины.
Основу современной черной металлургии составляют заводы, каждый из которых по территории и количеству работающих равняется небольшому городу. Сложный путь проходит здесь металл. Сначала на горно-обогатительных комбинатах обогащают руду, затем на заводах черной металлургии ее обжигают, превращая в -агломерат или окатыши (см. Доменная печь). Из них в доменных печах выплавляют чугун. Затем чугун попадает в сталеплавильный цех, где его переплавляют в сталь в мартеновских печах, кислородных конвертерах или электропечах (см. Электрометаллургия). Стальные слитки транспортируют в прокатные цехи, где из них делают металлические изделия: рельсы, листы, трубы, проволоку (см. Прокатка, прокатный стан). Между цехами проложены рельсы, по которым ходят железнодорожные составы, развозя руду и жидкий чугун, стальные слитки и готовый прокат.
Как и черные металлы, цветные получают из рудного концентрата — предварительно обогащенной руды (см. Полезные ископаемые). Но здесь процесс обогащения сложнее, поскольку в рудах всегда присутствуют и «посторонние» элементы, от которых необходимо избавляться. В первую очередь это сера, железо и кислород.
Сначала из руды при обжиге удаляют серу, замещая ее кислородом. Теперь перед металлургами новое соединение — оксид: соединение металла с кислородом. Иногда серу вытесняют не кислородом, а хлором. Тогда концентрат не обжигают, а хлорируют. Затем необходимо освободить металл от кислорода или хлора. При высоких температурах в расплав вводят углерод, водород или кремний. Кислород соединяется с этими элементами. От хлора, например, титан или цирконий освобождают с помощью магния.
Сложность получения цветных металлов хорошо видна на примере меди. Ее плавят в печах, напоминающих мартеновские (см. Мартеновская печь). Но выходит из печей не чистая медь, а так называемый штейн — сплав меди с железом, серой, серебром, золотом, цинком и другими элементами. Этих примесей в штейне 70—80%. Затем штейн заливают в конвертер и продувают через него воздух, в результате чего выжигаются остатки серы и удаляется железо. Занимает этот процесс часы, а не минуты, как в конвертере для переработки чугуна. Штейн превращается в черновую медь, которая содержит всего 1—2% примесей. Но и это слишком много.
Следующая стадия — очистка меди от примесей — огневое рафинирование. Выжигаются последние остатки серы и некоторых других элементов. Зато часть меди вновь окисляется. Чтобы освободить медь от кислорода, в ванну с расплавом погружают деревянные жерди, словно «дразнят» медь. Расплав при этом бурлит и фыркает. Эта операция так и называется — дразнение. Потом в печь забрасывают древесный уголь, который окончательно отбирает от меди кислород. Теперь примесей уже только десятые доли процента, и среди них золото и серебро.
Поскольку электротехнике нужна очень чистая медь, в дело вступает электролиз (см. Электрохимические методы обработки). Пластину очищаемой меди — анод — помещают в электролитическую ванну с раствором серной кислоты и медного купороса. Катодом служит лист чистой меди. Электрический ток переносит на катод только медь. Золото, платина и серебро опускаются на дно ванны, а другие примеси остаются в растворе. С помощью электролиза получают и многие другие цветные металлы. В первую очередь алюминий.
Получать алюминий тоже очень сложно. Глинозем (оксид алюминия) — исходный продукт для его получения — плавится при 2050° С (это почти в 2 раза выше температуры плавления меди), да еще не отдает кислород углероду. Поэтому, чтобы снизить температуру плавки, приходится растворять глинозем в расплавленном криолите — минерале, в состав которого входят алюминий, натрий и фтор. Точка плавления этого раствора ниже 1000° С, а такую температуру легче получить.
В электролитической ванне молекулы глинозема распадаются на составные части — ионы алюминия и кислорода. Электрический ток разносит их в разные стороны. Алюминий осаждается на катод, которым является угольное дно самой ванны. Отсюда его потом и собирают.
Так же с помощью электролиза получают титан, магний, кальций, бериллий и другие металлы, разлагая их соединения с хлором. Хлористые соли этих металлов нагревают до 500—700° С и заливают в ванну с электролитом.
Однако цветные металлы можно получать и без нагрева — с помощью жидкости. Есть целая отрасль — гидрометаллургия. Металл переводят в раствор с помощью химического растворителя — воды или растворов кислот, щелочей и солей.
Из раствора чистый металл извлекают разными способами. В одних случаях с помощью электролиза (см. Электрический ток), в других прибегают к обменным химическим реакциям, но тоже в электролизной ванне. Суть их в том, что анодом служит какой-либо другой металл, который отдает в раствор свои ионы. А из раствора извлекают ионы нужного металла. Так получают, например, цинк.
В рудных концентратах цветных металлов присутствует ряд элементов. Поэтому и у нас есть комбинаты, получающие из концентрата (его называют комплексным или полиметаллическим) около 20 химических элементов. Их последовательно извлекают из раствора каждый раз особым реактивом. Для этого применяют иониты — особые синтетические смолы. Они обладают избирательной способностью: погруженные в соответствующий раствор, забирают из него только один элемент, скажем ионы золота. Иониты значительно ускоряют и удешевляют получение металлов. С их помощью можно даже извлекать драгоценные металлы из морской воды.
В последнее время все большее распространение получает бактериальное выщелачивание. Некоторые виды бактерий растворяют в воде определенные металлы или их соединения, а также вредные примеси (например, мышьяк). Одни бактерии растворяют медь, уран, цинк, кобальт, марганец и другие элементы. Для растворения и извлечения золота применяют бактерии, выделенные из рудниковых вод золотоносных приисков. Аппаратура для бактериального выщелачивания очень проста. Это дает возможность резко снизить себестоимость полезных ископаемых и значительно увеличить их добычу за счет использования бедных руд и отвалов из отходов обогащения руды, шлаков и др.
А что же ждет металлургию в будущем? Неужели человечеству, чтобы удовлетворить свои потребности в металле, придется постоянно строить гигантские заводы? Ведь не следует забывать, что металлургия в основном имеет дело с огнем: чтобы расплавить руду или сталь, их нужно нагреть до высокой температуры. А пирометаллургия, использующая высокотемпературные методы получения металлов, сжигает кислород воздуха, засоряет атмосферу продуктами сгорания, тратит много пресной воды на охлаждение агрегатов. Короче говоря, наносит вред природе. Поэтому ученые разработали новые пути развития металлургии. Это, прежде всего, прямое получение железа из руды, минуя доменный процесс (см. Железо, сталь, чугун). Установки прямого получения, которые полностью автоматизированы и надежно герметизированы, будут выплавлять из руды металлические слитки или чистый железный порошок. А потом слитки или порошок, упакованный в контейнеры, доставят на машиностроительные заводы, где из них изготовят изделия либо обычным методом, либо методом порошковой металлургии. Эти заводы вовсе не обязательно делать такими огромными, как существующие. Наоборот, и они будут маленькими и, как предполагают ученые, в некоторых случаях мобильными, т. е. подвижными. На баржах или с помощью вертолетов их будут доставлять к небольшим месторождениям руды, разработка которых сейчас считается невыгодной. Мини-заводы, полностью автоматизированные, сделают разработку этих месторождений экономически целесообразной.
Быстрыми темпами развивается электрометаллургия, все более широкое применение находит электричество на всех последующих стадиях обработки металлов. На очереди — создание полностью автоматизированного металлургического производства, управляемого электронными вычислительными машинами.