Что такое металлургия
Металлургия — отрасль науки и промышленности, занимающаяся получением металлов из руд и других источников, обработкой металлов и созданием сплавов с нужными свойствами. Разделяется на чёрную (производство железа и стали) и цветную (все остальные металлы). Металлургия — фундамент цивилизации: без стали нет небоскрёбов, мостов, кораблей; без алюминия — авиации; без меди — электроники. Мировое производство стали в 2023 году — 1,9 млрд тонн (около 240 кг на каждого жителя планеты).
Чёрная металлургия: от руды до стали
Доменный процесс: доменная печь высотой 30–70 м и объёмом до 5000 м³ выплавляет чугун из железной руды, кокса и известняка при температуре 1500–1600°C. Кокс горит, восстанавливая железо из оксидов; известняк связывает серу и шлак. Одна домна выплавляет 5000–12 000 тонн чугуна в сутки — непрерывно, без остановок годами. Чугун содержит 3–5% углерода — хрупкий, не пригоден для конструкций. Конвертерный способ (Бессемер, 1855): в конвертер заливают жидкий чугун и продувают кислородом (10–20 минут): углерод выгорает до 0,05–0,5%, получается сталь. Один конвертер объёмом 300–350 т производит плавку за 40–45 минут. Электродуговая печь: не требует кокса — плавит металлолом электрической дугой. Температура дуги — 3500°C. ЭДП производит высококачественные легированные стали для авиации, машиностроения. Мировая тенденция: доля ЭДП растёт — экологичнее, требует металлолом, а не руду.
Виды стали и легирование
Нелегированная углеродистая сталь — арматура, трубы, листовой прокат. Легированные стали с добавками: нержавеющая (10–18% хрома + 8–12% никеля) — посуда, медицинские инструменты, перила; инструментальная (высокий углерод + вольфрам, молибден) — свёрла, резцы; жаропрочная (никелевые суперсплавы) — лопатки газовых турбин при 1000°C; высокопрочная (HSLA) — корпус автомобиля: прочнее обычной в 4–5 раз при той же массе.
Цветная металлургия
Алюминий — второй по важности металл. Бокситы → глинозём (Al₂O₃) → электролиз в криолитовом расплаве при 950°C, 150 000–300 000 А на электролизёр. Алюминий — лёгкий (2700 кг/м³ против 7800 у стали), коррозионностойкий. Россия — крупнейший мировой производитель (Русал, 4 млн т/год). Медь — отличная электропроводность (110% по отношению к серебру). Из медной руды (0,5–2% Cu) через флотацию получают концентрат, затем конвертеры и рафинирование. 70% мировой меди используется в электронике и электроэнергетике. Титан — лёгкий, прочный, коррозионностойкий. Производство: восстановление TiCl₄ магнием (процесс Кролля) — дорого и сложно. Россия (ВСМПО-АВИСМА) — мировой лидер: 30% мирового рынка авиационного титана.
Экологические вызовы
Металлургия — крупнейший промышленный источник CO₂: производство 1 т стали в доменном процессе выделяет 1,8–2 т CO₂. Европа внедряет водородную металлургию: водород вместо кокса восстанавливает железо — H₂O вместо CO₂. SSAB (Швеция) выпустила первую «зелёную» сталь в 2021 году. Переход займёт 20–30 лет и потребует огромных объёмов «зелёного» водорода.