Как делают металл: Как получается металл | Металлургический портал MetalSpace.ru

alexxlab | 05.06.1986 | 0 | Разное

Содержание

Как получается металл | Металлургический портал MetalSpace.ru

Руда – смесь соединений железа и кислорода – оксидов железа. Извлекают железо из руды при высокой температуре. Для этого ее нагревают с восстановителем – веществом, способным отобрать кислород у железа. Самым доступным, пожалуй, единственно возможным восстановителем в древности были дрова. Но дрова выделяют слишком мало тепла, так как в них много воды; даже в сухой древесине содержание горючего элемента (углерода) невелико. Есть в дровах и водород, но он связан с кислородом, входящим в состав древесины, а поэтому не может отнимать кислород у окислов железа.

Однако уже в древности люди заметили, что при небольшом доступе воздуха в процессе горения дрова обугливаются, превращаясь в древесный уголь, состоящий из углерода и водорода. При сгорании одного килограмма древесного угля выделяется в три-четыре раза больше теплоты, чем при сжигании одного килограмма дров. Сгорая, он дает высокую температуру, при которой идет восстановление оксидов железа.

Углерод, соединяясь с кислородом, превращается в диоксид (углекислый газ) и оставляет почти чистый металл.

Установить, кто первый предложил плавить металл на древесном угле, вероятно, так же трудно, как установить автора первой заявки на изобретение колеса, лука, или лодки. Невозможно также установить, в какой стране впервые провели плавку металла на древесном угле. Однако известно, что древнейшие цивилизации Египта, Китая, Индии пользовались этими материалами. Более того, древесный уголь используется и сегодня.

Стволы деревьев, очищенные от веток, складывались или в яму (ямный способ) или в конусообразную кучу диаметром от 3 – 4 до 10 – 12 метров и высотой 3 – 7 метров (костровой способ). В куче оставлялись проходы для воздуха и выхода дымовых газов. Нижняя часть вертикальной кучи уплотнялась глиной, и вся поверхность кучи засыпалась землей. Дрова в середине кучи разжигались через специальное растопочное отверстие. Дым выходил в канал, оставленный в центре кучи, или, в более совершенных конструкциях куч, через трубу, специально сооружаемую в центре кучи. Костровой способ существовал в России и, например, в Швеции, которая являлась крупнейшим экспортером древесного угля вплоть до ХХ в.

При ямном способе яму обычно располагали на косогоре, для того чтобы стекала смола, образующаяся в процессе углежжения.

Искусство углежога состояла в том, чтобы, манипулируя открыванием и закрыванием отверстий для подачи воздуха, позволить сгореть в куче как можно меньшему количеству древесины с тем, чтобы оставшаяся часть под действием выделяющегося тепла подвергалась сухой перегонке – выделила воду, связанный кислород и превратилась в древесный уголь. Ямный способ давал уголь низкого качества, мелкий и малопрочный. Да и использовались для его производства ветки, мелкая древесина. При костровом способе использовалась отборная древесина, преимущественно хвойные. Со временем, древесный уголь стал все шире применяться для кузнечных работ и плавки железа. А его в свою очередь требовалось все больше и больше.

Чем выше температура в устройстве для производства железа или чугуна, тем быстрее идет процесс. Еще древние мастера освоили значение дутья для улучшения процессов горения топлива, поэтому стали использовать меха для подачи воздуха. Больше дутья, больше воздуха, выше температура, больше металла. Крупнее установка, выше ее производительность. Вот основное направление, по которому шло развитие агрегатов по производству железа, а потом и чугуна.

Первые мастера с большим трудом изготовляли 2 – 5 килограммов металла в день. Проходили столетия, металла требовалось все больше, печи росли и в ширину, и высоту, потребляли все больше руды, воздуха и древесины. Производительность агрегатов исчислялась уже сотнями килограммов и даже тоннами.

Несколько столетий назад были созданы аппараты для выплавки железа из руд, которые используют и в наши дни – это доменные печи. Само название происходит от старинного русского глагола «дмати» – дуть, и наглядно характеризует технологический процесс производства металла.

Доменная печь – пустотелое сооружение, составленное из двух усеченных конусов. Сверху в домну загружали уголь и руду, а снизу вдували воздух. Уголь сгорал в нижней части доменной печи, выделяя тепло и превращаясь в диоксид углерода (углекислый газ). Чуть выше углекислый газ встречался с новыми порциями древесного угля и обращался в монооксид или – «угарный газ», как его называют в просторечии. А уже на следующем ярусе монооксид углерода восстанавливал оксиды железа и вновь обращался в углекислый газ. Руда исчезала. Вместо нее образовывались жидкий металл и шлак. Они просачивались через слой материалов и собирались в нижней части агрегата.

В старину температура в домнах была недостаточно высокой, и потому металл не плавился, а в виде губчатой массы-крицы оседал на дно печи. Крицу извлекали и отковывали в горячем состоянии, выжимая из глубины на поверхность легкие неметаллические включения. Однако кричная металлургия была возможна лишь при небольших, в нашем современном представлении, масштабах производства. Сегодня в доменных печах получают только жидкий металл – чугун, который используется для изготовления разнообразных отливок. Однако большая часть чугуна перерабатывается в сталеплавильных агрегатах: конверторах, мартенах, в которых, удаляя из чугуна углерод, кремний, марганец, серу, получают прочную и упругую сталь.

В чугуне до 3% углерода, а в стали только 0,3%.

Самая распространенная сталь – 3, наш основной конструкционный материал- это тот же чугун, но в котором 0,3% углерода. Это сталь, из которой делают автомобили, арматуру, полосу и т.д.

Многие сотни лет черные металлы получали, используя древесный уголь. Для получения одной тонны металла расходовали от двух до четырех тонн такого угля.

А чтобы приготовить тонну древесного угля, требовалось 10 – 12 кубометров леса. Строились железоделательные заводы, и начинал гулять топор по соседним лесам. В конце XVI в. Королева Елизавета Английская вынуждена была запретить использовать лес для производства угля. Через 25 – 30 лет выплавка железа была прекращена почти по всей Англии. А в XVIII в. русская императрица Елизавета специальным указом запретила строить железоделательные заводы в радиусе 200 верст вокруг Москвы.

Но что Елизаветы? В древнем Египте при фараоне Рамзесе II работало более 1000 медеплавильных печей. Использовался древесный уголь, который выжигали из пальм. А потом (лет через 300) медеплавильное производство практически кончилось. Пальмы вырубили и перешли на привозную медь.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Добыча металлов: прошлое, настоящее, будущее

Современная классификация металлов и руд, способы получения металлов, тренды современной металлургии и металлургии будущего.

Все металлы состоят из частиц и делятся на черные и цветные. Они различаются не только по цвету, но и по составу частиц, которые определяют их химические свойства. Например, черные металлы являются более прочными и твердыми, цветные, напротив, более пластичны и податливы. Отличаются металлы и по тому, как их добывают и обрабатывают, и как их в дальнейшем используют.

Черные и цветные

Черные металлы – это железо и его сплавы. Черные металлы используются в промышленности гораздо больше, чем цветные. Из них изготавливают чугун и сталь, причем, для производства используются различные составы сплавов железа и углерода. 
Цветные металлы – медь, алюминий, никель, свинец, и др., то есть все нежелезные металлы. Они более трудоемки по добыче, их меньше в целом в природе, используются они также более точечно. К примеру, добавляются к некоторым железным сплавам, для повышения стойкости производимой из них продукции. 

Цветные металлы, в свою очередь, делятся на легкие и тяжелые. При этом производство тяжелых металлов требует больше затрат энергии, чем легких.  

Легкие металлы – это, например, титан, алюминий, магний. Металлы очень ценные, к примеру, легкий алюминий – один из ключевых материалов для проводников, а из тугоплавких титановых сплавов производят детали и двигатели самых современных самолетов и химическое оборудование.  Тяжелые металлы – медь, олово, никель, свинец, цинк. Стойкий к действию воздуха  и воды никель позволяет увеличить прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, повышает тепло- и электропроводность, улучшает магнитные и каталитические свойства, его используют практически во всех отраслях промышленности. А, скажем, из долговечного и прочного свинца изготавливают батареи и аккумуляторы. Есть также так называемые малые тяжелые металлы – ртуть, кадмий, кобальт – и легирующие – молибден, вольфрам, кремний. Легирование – это их введение в состав сталей и сплавов для придания сплавам необходимых физических, химических или механических свойств. Например, молибден повышает прокаливаемость стали. 

Добыча руды

Россия является лидером по запасам железной руды, в нашей стране огромное количество месторождений руды – например, Курская аномалия, Карельское и Костомукшское месторождения, гора Магнитная (Челябинская область), Кузбасс, Красноярский край, и др. На этих территориях, в основном, добывают ископаемые для развития черной металлургии, в данных регионах базируются металлургические предприятия черных металлургов. 

Ископаемые для цветной металлургии добывают преимущественно на Урале, Северном Кавказе, в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке. Базы по переработке «цветных» ископаемых находятся чаще всего рядом с каждым месторождением. 
Ранее руды добывались исключительно путем проведения подземных горных работ, сегодня для того, чтобы их найти, используются несколько способов добычи, в том числе, шахтовый, его еще называют подземным, и открытый, или так называемый карьерный. Некоторые предприятия используют комбинированный подход. 

Карьерные работы ведутся прямо на поверхности земли – с помощью экскаваторов, то есть под открытым небом. Сначала горные породы готовят к выемке – проводят вскрышные работы, отделяют эти породы от массивов, рыхлят, затем происходит непосредственно процесс добычи. Если руды надо получить из скал, производят бурильно-взрывные работы. После того, как руда получена, ее транспортируют, а «отработанную» землю рекультивируют. 

Подземные работы проводятся в недрах земли, в шахтах. При применении подземного подхода месторождение сначала вскрывают, затем готовят ископаемые к выемке, затем добывают их – валовым или селективным методом (когда ископаемые сразу отделяют друг от друга).

Безусловно, сегодня, помимо людских ресурсов и тяжелой бурильной техники, для добычи руд используется современное оборудование и компьютерные технологии, которые позволяют максимально эффективно планировать и проектировать все работы по добыче ископаемых. 

Как получается металл

Чтобы получился тот или иной металл, нужен различный тип руды. Можно выделить, например, руды:


•    медная. Руда, позволяющая произвести черновую и рафинированную медь, а также редкие металлы, если в руде есть их примеси, серную кислоту, и др.;
•    оловянная;
•    медно-никелевая;
•    железная. Из это руды сегодня добывается не только железо, но и другие металлы, так как в ней могут содержатся их примеси; 
•    свинцово-цинковая; 
•    вольфрамо-молибденовая – очень ценная руда, дающая возможность создавать вольфрамовые и молибденовые концентраты;
•    сурьмяно-ртутная;
•    золотосодержащая. Из такой руды можно получать редкие металлов и полупроводниковые материалы, а также интерметаллические соединения из них.

Это далеко не все виды руд в природе. 

При этом, цветные металлы получают из обогащенной руды – так называемого рудного концентрата. В цветной металлургии есть термин «обогащение», который означает искусственное повышение содержания металлов в сырье. По сути, это способ разделения образований на металлы и минералы. Именно обогащение и позволяет повысить содержание нужного, ценного металла в разы! Для этого используются различные технологии – руду дробят, измельчают, сортируют, перерабатывают путем обезвоживания, и др. Когда металл получен из руды, далее он обрабатывается и шлифуется. 

Все процессы с ископаемыми и металлами производятся на металлургических комбинатах, как правило, в различных по специализации цехах. Например, есть основные заводы, а также филиалы, которые непосредственно занимаются обработкой металлов или их прессованием. Есть также цеха, которые проверяют металл на прочность, испытывают его характеристики – растяжение, пластичность, и др.

После всех этих действий и проверок металл отправляется в другие цеха или на другие предприятия для того, чтобы из него изготавливалась продукция – трубы, станки, машины, и многое другое.

Прошлое vs настоящее

Несмотря на то, что сегодня технологии шагнули вперед, шахтовый способ руды по-прежнему остается ключевым способом нахождения ископаемых. В то же время, на металлургических предприятиях все большее распространение получают ИТ-решения, позволяющие спроектировать процесс перед тем, как провести непосредственно добывающую работу.

Карьерный способ чаще всего применяется при разработке золотых, платиновых, оловянных, вольфрамовых и других месторождений, а подземный используют для добычи глубоко залегающих руд – вплоть до глубины 1700 м. Причем для разработки небольших месторождения иногда достаточно одной шахты, в крупных же функционирует целая система шахт (до 100-150).

При этом сегодня признано, что открытый способ имеет преимущества – лучшие санитарно-гигиенические условия труда, применение более технологичного оборудования, а в результате – более эффективный бизнес-результат. По подсчетам экспертов, при открытом способе добычи ископаемых производительность труда рабочих в 5 раз выше, чем в шахте, а себестоимость добытой руды в 3 раза ниже. 

Также российские предприятия часто применяют смешанный способ, в котором проводятся и подземные (шахтовые) работы, и карьерные. ИТ-технологии позволяют просчитать, где лучше применить то или иное оборудование, что позволяет металлургам экономить там, где можно обойтись без шахтовой добычи ископаемых.

Черный металл: где используется | Портал “Город Выборг”

К черному металлу относят такие материалы как сталь, железо, чугун, а также различные ферросплавы. Наиболее востребованным видом черного металла является железо. Практически вся металлургическая промышленность нашей страны занята производством железа и его сплавов. Сырьем для изготовления служит железная руда.

Так как мировые запасы железной руды, для производства изделий из черных металлов активно используется вторично переработанный лом. По техническим характеристикам они ничуть не уступают металлическим изделиям из железной руды. В каждом городе можно найти десяток пунктов сдачи металла. В Санкт-Петербурге по вопросам приема металлолома мы рекомендуется обращаться в компании, которая зарекомендовали себя как честные участники рынка и надежные партнеры.

Сфера применения черных металлов

Железо имеет серебристо-белый оттенок и обладает высокой реакционной способностью. Именно за счет этих свойств данный вид черного металла. Оно входит в состав стали и чугуна. Магнитная окись железа является важнейшим компонентов современной компьютерной техники. Также черный металл активно используется при производстве машиностроительной и садоводческой продукции.

Использование стали

Сталь – один из самых популярных видов черного металла. В ее составе содержится сплав углерода и железа. Этот металл подразделяется на несколько видов, отличающихся друг от друга техническими характеристиками. Каждый вид используется в определенной области. Технические свойства видов зависят от того, какой метод обработки использовался. В результате литья и прессования листы стали могут принимать любую форму. Существуют виды стали, которые способны разрезать стекло, а есть и те, которые можно обрабатывать вручную.

Самым востребованными видом стали является нержавеющая сталь. В ее состав входят хром, марганец и никель. Основной особенностью нержавейки являются высокие антикоррозийные качества. За счет этого она используется для производства, как предметов быта, так и турбин, пружин и других изделий промышленного назначения.

Использование чугуна

Чугун представляет собой сплав железа и углеводорода. Для раскаленного чугуна характерна текучесть. Чаще всего этот вид черного металла используется для производства деталей, которые необходимо изготавливать способом литья. Также в состав чугуна может входить цементит и графин.

В зависимости от соотношения их объемов в составе сплава чугун может быть высокопрочным, ковким, белым или серым. Последний используют для изготовления литых изделий. Белый чугун обладает высокой электрической сопротивляемостью. В результате термической обработки из белого чугуна получают ковкий. Что касается первого, высокопрочного вида, то он используется для изготовления прочных деталей, так как в нем углевод находится в шаровидном состоянии. Чугун используют для производства канализационных люков, радиаторов отопления, ванн и т.п.

В целом отмечается широкое применение черного металла в таких областях, как автомобилестроение, жилищно-коммунальное хозяйство, машиностроение и т.п.

 

Где используют металл – Волга Ньюс

В настоящее время сфера применения металла довольно широка. К примеру, элементы, выполненные из металла, используют в машиностроительной промышленности и автомобилестроении. Это металлические корпуса автомобилей и корпуса станков. Также достаточно часто в строительстве элементы крепления выполняют, применяя металлический уголок 50х50х5. Это обеспечивает стойкость и надежность всей конструкции здания или сооружения.

Итак, человек смог не только добывать железо из руды и обрабатывать его: также в процессе химических опытов человек научился получать различного рода металлические сплавы, которые обладают улучшенными характеристиками и свойствами. Так, к примеру, латунь – это сплав, в основе которого лежит медь. Также в данном сплаве содержатся олово и цинк, марганец и прочие химические элементы.

Латунь характеризуется следующими свойствами: высокая степень стойкости к коррозии, высокая теплопроводность, металл легко поддается обработке давлением. Латунь была известна человечеству еще в 18 веке. К примеру, на Руси соболиные меха обменивали на изделия из латуни. Сегодня же из латуни выпускают и всевозможные элементы декора – светильники и подсвечники, статуэтки и прочее. Также сплав латуни применяют при производстве посуды, элементов сантехники, систем отопления и проч.

Всевозможные сплавы цветных металлов применяют и в электронике. Из латуни, бронзы и меди делают сечения для проводов, ведь данные металлы характеризуются довольно хорошим уровнем электропроводимости.

Довольно-таки широка сфера применения и такого сплава, как чугун. Сегодня чугун используют, например, в станкостроении, выполняя из него комплектующие и части всевозможных промышленных станков, втулок, валов, прочего. Также из чугуна льют и различные предметы для бытового использования. Это чугунные трубы, причем имеется возможность выпускать трубы различного размера, также из чугуна производят и канализационные люки, которые имеют очень длительный срок службы, и прочее.

Стоит отметить, что чугун отлично поддается такому воздействию, как ковка. Поэтому именно этот материал используют для выполнения изделий профессиональные специалисты-кузнецы.

История развития металлургии

Ранние этапы развития металлургии

Несмотря на названия периодов эволюции первобытного общества, металлургия начинает свое развитие еще в каменном веке. Самые древние потуги человека в металлообработке датируются историками шестым столетием до нашей эры. Соответствующие археологические находки, свидетельствующие об этом, были обнаружены на Пиренейском полуострове, на Балканах (в Сербии и Болгарии), в британском Стоунхендже. Правда, возраст всех этих находок установить бывает не всегда легко.

Разумеется, свои первые опыты в металлургии древний человек проводил с легкоплавкими металлами: серебром, оловом, а также железом метеоритного происхождения. Обработка металлов с более высокой температурой плавки была просто невозможной в те далекие времена. Так, в III тысячелетии до н.э. египтяне научились изготавливать довольно неплохое оружие из метеоритного железа, которое ценилось далеко за пределами Древнего Египта. Эти прочные клинки очень скоро нарекли «небесными кинжалами».

Около 5500 лет назад человечество вступает в новую эпоху своего развития – Бронзовый век. Этот переход ознаменовался несколькими важными достижениями. Во-первых, человек научился извлекать олово и медь из горных пород. Во-вторых, ему удалось получить абсолютно новый сплав – бронзу. Однако дальнейшее развитие металлургии нуждалось в более технологичных и более сложных процессах, а потому – затормозилось на более чем два тысячелетия.

Принято считать, что технология получения железа из рудного тела впервые открылась хеттам – народу, обитавшему в Малой Азии и неоднократно упомянутому в Библии. Случилось это примерно в 1200 году до нашей эры. Именно с этой даты и начинается Железный век в развитии общества.

Следы развития черной металлургии можно увидеть в различных исторических культурах: в Древней Греции и Риме, Египте и Анатолии, Карфагене, Древнем Китае и Индии. Не лишним будет отметить, что многие из техник и методов обработки металла были изобретены китайцами, а уж затем все они были освоены европейцами. Речь идет, в частности, о выплавке чугуна, изобретении доменной печи или гидромолота. А вот лидерами в сфере ковки металлов и горнорудной добычи, как выяснили недавно исследователи, были древние римляне.

История развития металлургии в Африке, Юго-Восточной Азии и Австралии

Как развивалась металлургия в других регионах Земли? Известно, что во второй половине I тысячелетия до нашей эры на территории Юго-Восточной Азии уже активно применяли орудия труда из кричного железа. Вначале это были биметаллические изделия, а немного позже они изготавливались целиком из железа.

Население Древнего Китая тоже было знакомо с биметаллическими вещами. Для их производства применялось железо метеоритного происхождения. Первые сведения о подобных изделиях в Китае датируются VIII веком до н.э. А вот к середине первого тысячелетия до нашей эры в этой части света начинается производство настоящего железа. Именно китайцы первыми освоили технику получения чугуна, и сделали они это намного раньше, чем европейцы.

Африканский регион тоже внес свою значимую лепту в общемировой процесс развития металлургии. Именно в Африке изобрели цилиндрический горн для производства стали, который не был известен другим народам мира. Многие историки уверены, что африканцы научились производить железо абсолютно самостоятельно, без каких-либо влияний извне. Около 2600 лет назад железо уже появилось в ряде стран и территорий «черного континента»: в Судане, Ливии и Нубии. Отдельные африканские племена, как предполагают исследователи, и вовсе «перескочили» из каменного века – сразу в железный.

В общем и целом, производство железа в Африке было полностью освоено в пределах второй половины I тысячелетия до н.э. Любопытно, что производство меди здесь освоили даже немного позже. И если из меди на этом материке делали украшения, то из железа изготавливали исключительно орудия труда.

Что касается «южной земли» – материка Австралии, то здесь черная металлургия начала развиваться только в период Великих географических открытий (в XVI-XVII веках).

Особенности развития металлургии в Америке

Для Нового Света было характерным существование сразу нескольких центров ранней металлургии. Один из таких очагов находился в Андских горах, которые славятся богатыми рудными полезными ископаемыми. Первым металлом здесь стало золото. Кроме того, в Андах производили изделия из серебра. На территории современного государства Перу во второй половине II тысячелетия до н.э. был получен сплав серебра с медью – тумбага, который стал необычайно популярен в Южной Америке.

В Центральной Америке люди познакомились с металлом лишь в первом тысячелетии до нашей эры. Причем, его сюда привезли. Племена майя освоили ремесло получения металла только к VII столетию нашей эры. Однако к этому времени их цивилизация уже подходила к своему закату.

Первым металлом Северной Америки стала медь. Затем здесь научились делать железо (вначале метеоритное, а немного позже – кричное). Это случилось в первом тыс. до н.э., причем, западные районы континента в этой сфере развивались намного быстрее.

Изобретение сыродутного процесса

Один из самых древних способов получения железа называется сыродутным (от слов «дуть» и «сырой»). Печи рыли прямо в земле, как правило, на склонах рельефа. В небольшие горна с железорудной породой поступал (задувался) сырой (холодный) воздух. На ранних этапах освоения данного способа воздушная тяга была естественной, но позже ее заменили искусственной – воздух в печи стали нагнетать.

Дно печей засыпали углем, сверху слоями клали руду и уголь. Последний во время своего горения выделял окись углерода – газ, который выполнял функцию восстановления окислов железа. Стоит отметить, что при сыродутном способе железо не столько плавилось, сколько «варилось», так как этот процесс создавал температуру, недостаточную для плавки железа (около 1200 градусов по Цельсию). Исходя из этого, «вареное» железо в виде губчатой массы, напоминающей тесто, располагалось на дне печи. Эта масса, как правило, включала в себя многочисленные примеси и остатки угля (правда, в отдельных случаях шлаки отводили из печи по специальному желобу).

Чтобы производить из такого субстрата какие-либо изделия, приходилось вначале извлекать из крицы посторонние примеси. Делалось это при помощи ковки – холодной и горячей. В конечном итоге, можно было получить кричное железо для последующего использования.

«Изобретение» сыродутного метода железного производства, как предполагают историки, произошло при непосредственной выплавке свинца или меди. Как известно, этот процесс сопровождался добавлением в плавильные печи не только угля и соответствующей руды, но и гематитов. И именно по такому сценарию, скорее всего, и были получены человеком первые крицы железа. Вполне возможно, что печи по выплавке меди просто напросто плавно превратились в сыродутные печи.

Так сложилось, что получить медь или олово намного проще, нежели железо. Даже не смотря на то, что медные и оловянные руды в природе встречаются гораздо реже, чем железные. Именно поэтому сыродутный процесс оказался очень важным этапом в развитии черной металлургии. Эта технология постоянно улучшалась: с помощью усовершенствования дутья или увеличения размеров печей. Однако все эти улучшения не решали главную проблему: кричное железо практически не содержало в себе углерода, а значит, оно не могло конкурировать с бронзой. Вещи из него были недостаточно твердыми, в сравнении с изделиями из бронзы. Именно по этой причине железо в те времена использовалось в большей мере для изготовления украшений. В производстве железа просто необходимо было что-то менять.

Освоение технологии цементации и закалки железа

Следующий виток прогресса в развитии металлургического дела заключался в возникновении технологии так называемой «цементации», а также закалки и термического отпуска железа. С освоением этих трех процессов связано начало полноценного Железного века.

Под цементацией подразумевается процесс искусственного насыщения крицы углеродами. Эта технология была освоена человеком в первую очередь. Для цементации кричного железа использовались различные вещества. Вначале кричную массу прокаливали в костном угле, позже – в других веществах с большим содержанием углеродов. Освоение технологии цементации подарило человеку возможность получать первые, хоть и весьма примитивные, образцы стали.

«Цементированное» железо уже выигрывало в сравнении с бронзой по своей твердости. При этом степень насыщения крицы углеродами зависела от температуры нагревания железа.

Вслед за открытием техники цементации был обнаружен эффект закалки. Человек с удивлением для себя обнаружил, что насыщенное углеродами и охлажденное железо становится еще крепче. Для такого охлаждения использовалась вода, снег, либо железо просто оставляли на открытом холодном воздухе. Эффект был даже в последнем случае.

Оба вышеописанных процесса, вероятнее всего, были открыты человеком случайно. Вряд ли древние кузнецы могли объяснить истинную природу этих процессов. Об этом свидетельствуют и найденные письменные источники тех времен. В частности, в них можно отыскать весьма любопытные моменты. Так, факт усиления крепости железа при закалке часто объяснялось фантастическими или мистическими теориями. Например, в летописи из Малой Азии, датированной девятым веком до нашей эры можно найти колоритный способ закалки железа посредством «погружения кинжала» в тело «мускулистого раба». Именно сила раба, по мнению автора данного текста, делало металл более твердым. Не менее интересен и отдельный фрагмент, взятый из «Одиссеи» Гомера, где выжигание глаза циклопа сравнивается с погружением раскаленного железного тесака в ледяную воду. Причем, последнюю процедуру Гомер именует как «лечение топора». Исходя из этого, древние греки, вероятно, не понимали природу процесса закалки металла, но придавали ему особый, магический смысл.

Закаленная сталь имеет один существенный недостаток – это излишняя хрупкость. Существенно снизить ее позволило открытие технологии термического отпуска железа. Данная технология заключается в нагревании изделий до 727 градусов по Цельсию (это граничная температура деформации структуры железа).

Не стоит думать, что освоение технологий цементации, отпуска и закалки железа было одномоментным. На самом деле эти процессы длились около тысячи лет! Но именно открытие и совершенствование этих трех технологий раз и навсегда поставило жирную точку в непримиримой конкурентной борьбе между бронзой и железом.

Развитие металлургии в Средние Века

В эпоху Средневековья плавильные печи уже существенно преобразились. Во-первых, в высоту они достигали двух-трех метров. А во-вторых, они работали при помощи энергии воды: воздуходувы приводили в движение специальные трубы или большие водяные колеса.

В средневековой Европе были распространены так называемые «штукофены» – огромные и высокие печи, которые вывели черную металлургию на новый этап в ее развитии. Эти печи были оснащены 4-х метровой трубой для усиления тяги и водяными двигателями. Иногда мехи приводили в движении несколько рабочих. Железистую крицу извлекали из такой печи раз в сутки.
Любопытна история изобретения и проникновения штукофенов в Европу. Изобрели их в Индии еще в первом тысячелетии до н.э. Затем новое изобретение попало в соседний Китай, а оттуда, в VII веке уже нашей эры – в арабский мир. В XIII столетии арабы привезли эти чудо-печи на юг Пиренейского полуострова, откуда они быстро распространились по всей Европе.

По производительности и техническим параметрам штукофен был на голову выше своих предшественников – сыродутных печей. Температура плавки в нем достигалась более высокая, что давало возможность получать полноценный чугун. В сутки штукофен мог выдавать более двух центнеров железа. Правда, чугун из такой установки был, как правило, непригоден. Дело в том, что он оказывался на дне печи, смешиваясь со шлаками. Чтобы очистить его, требовалась ковка, которой чугун не поддавался. Других способов его очистки на то время еще не знали.

Все же, некоторые народы все-таки умудрялись находить применение даже такому, «грязному» чугуну. Индусы, например, изготавливали из него гробы для усопших. А вот в Османской империи из штукофенного чугуна делали ядра для пушечных орудий.

Изобретение печей нового типа – блауофенов

Средневековые металлурги установили важную закономерность: чем выше температура плавления руды в печи – чем больше продукта (железа) можно получить на выходе. После этого открытия они начали пытаться модернизировать свои штукофены: увеличивать высоту труб и налаживать систему предварительного нагрева воздуха. Так в XV веке в Европе появились печи нового вида – блауофены.

Однако модернизированные печи почти сразу же неприятно удивили металлургов. Выход конечного продукта действительно вырос, но вместе с этим, на 20 % повысилось и количество отходов – малопригодного чугуна. Грязное, или, как его еще называли – «свиное» железо так само застывало на дне новых печей. Смешанный со шлаками чугун, как и прежде, был абсолютно не пригоден для литья. Как правило, его пускали на производство кувалд, наковален и прочего грубого инвентаря. Правда, пушечные ядра из блауофенного чугуна выходили более качественными.

Еще один позитивный момент блауофенов – количество стали по краям железной крицы в этих печах существенно увеличилось. Разумеется, это порадовали металлургов. Однако, с другой стороны, отделить такую сталь от кричного железа было очень и очень сложно. И в этой ситуации разные народы пошли по разным путям, решая эту сложную проблему.

 Так, в Индии все силы бросили на усовершенствование техники ковки, чтобы добиться более равномерного распределения углеродов в продукте. И эти усилия дали свои плоды – индусы получили булат – очень прочную и упругую сталь, из которой производилось первоклассное на то время холодное оружие. Булат также производился в Иране и Центральной Азии.
Китайцев и европейцев, в отличие от индусов, интересовало вовсе не качество, а количество конечного продукта. Поэтому именно они вскоре открыли так называемый передельный процесс, который невероятно сильно повлиял на развитие металлургии в целом.

Возникновение доменных печей

До 1500 тонн качественного чугуна в день – такое средневековым металлургам даже не снилось. Но это стало обыденной суточной нормой при появлении доменных печей. Благодаря большим размерам, предварительному нагреву воздуха и системе механического дутья, такая печь способна была извлекать железо из рудной массы и превращать его в чугун. Последний при этом выходил наружу в расплавленном виде. Правда, ковка все равно была необходима. Но теперь шлаков было уже намного меньше в массе, а железа – больше. Еще одно достоинство доменной печи заключалось в непрерывности ее работы. Установка функционировала круглые сутки, не останавливаясь и не охлаждаясь.

В XVIII веке в европейской металлургии был открыт еще один процесс – пудлинговый. Он предполагал очищение чугуна в печи с помощью газа, получаемого при сгорании угля или другого минерального топлива. К слову, в Древнем Китае этим способом даже производили сталь еще в Х столетии. При такой технике очистки железистые частицы собирались в комочки. Затем они сваривались в кузнечной или в специальной прокатной машине, и из них получали различные железные заготовки. Пудлинговый метод позволил увеличить производительность железа до 140 кг в час.

Развитие металлургии в XIX и XX веках

Очередной скачок в процессе развития металлургического дела произошел в конце XIX века. В этот период, практически одновременно, в производство металла внедряются три абсолютно новых способа: мартеновский, томасовский и бессемеровский. Все эти методы увеличили объемы производства стали колоссально – до шести тонн в час.
Спустя полвека в металлургию внедряют еще более новые процессы. Это, в частности, непрерывная разливка стали и кислородное дутье. Продувание кислородом расплавленного металла в конверторных печах существенно ускорило скорость химических реакций.

История, как известно, движется по спирали. Это касается и истории промышленного производства. Тысячи лет назад человек строил в земле сыродутные печи и получал, с помощью одностадийного метода, качественное и устойчивое к коррозии железо с малым количеством примесей. И сегодня ученые вновь вернулись к технологии одностадийных процессов, развивая метод обогащения руды и производства стали в электропечах.

АвтоВАЗ нашел металл для производства автомобилей :: Autonews

АвтоВАЗ нашел металл для производства автомобилей

ОАО «АвтоВАЗ» определило стратегических партнеров на поставку металла в 2011 г. Как говорится в сообщении компании, ими стали ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК) и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК), которые будут закрывать 95% потребности автозавода в металле.
Как сообщается, АвтоВАЗ и НЛМК подписали годовое соглашение о поставках холоднокатаного и оцинкованного проката, которое начинает действовать с апреля 2011 г. Ежемесячный объем поставок составит 15 тыс. т. Стороны договорились об устраивающей их базовой стоимости поставок и формуле цены. Другие подробности компании не сообщают, отмечая лишь, что «подписанное годовое соглашение позволит начать новый этап партнерства крупнейших производителей в сфере автомобилестроения и металлургии». АвтоВАЗ сообщил также, что ММК будет поставлять заводу до 30 тыс. т металла в месяц (в зависимости от объема производственной программы предприятия).

Ранее президент АвтоВАЗа Игорь Комаров сообщал, что компания недовольна ходом переговоров с ОАО «Северсталь», которое в 2010 г. обеспечивало 60% потребностей АвтоВАЗа. Поэтому компания приняла решение, что «Северсталь» в 2011 г. сохранит лишь 25% от прошлогоднего объема поставок автолиста АвтоВАЗу. И. Комаров также рассказал, что АвтоВАЗ намерен с апреля-мая 2011 г. закупать автолист у других поставщиков по ценам значительно ниже, чем предлагает «Северсталь». Глава АвтоВАЗа подчеркивал, что на производственной программе смена поставщика никак не скажется, поскольку все закупки до подписания договоров с новыми поставщиками будут осуществляться у «Северстали». «Это фактически мартовские поставки», – сказал И. Комаров.

Металл как сделать


Как получают и из чего делают железо (сталь)?

Железо и стали на его основе используются повсеместно в промышленности и обыденной жизни человека. Однако мало кто знает, из чего делают железо, вернее, как его добывают и преобразовывают в сплав стали.

Популярное заблуждение

Для начала определимся с понятиями, поскольку люди часто путаются и не совсем понимают, что такое железо вообще. Это химический элемент и простое вещество, которое в чистом виде не встречается и не используется. А вот сталь – это сплав на основе железа. Она богата на различные химические элементы, а также содержит углерод в своем составе, который необходим для придания прочности и твердости.

Следовательно, не совсем правильно рассуждать о том, из чего делают железо, так как оно представляет собой химический элемент, который есть в природе. Человек из него делает сталь, которая в дальнейшем может использоваться для изготовления чего-либо: подшипников, кузовов автомобилей, дверей и т. д. Невозможно перечислить все предметы, которые из нее производятся. Итак, ниже мы не будем разбирать, из чего делают железо. Вместо этого поговорим о преобразовании этого элемента в сталь.

В России и мире существует множество карьеров, где добывают железную руду. Это огромные и тяжелые камни, которые достаточно сложно достать из карьера, так как они являются частью одной большой горной породы. Непосредственно на карьерах в горную породу закладывают взрывчатку и взрывают ее, после чего огромные куски камней разлетаются в разные стороны. Затем их собирают, грузят на большие самосвалы (типа БелАЗ) и везут на перерабатывающий завод. Из этой горной породы и будет добываться железо.

Иногда, если руда находится на поверхности, то ее вовсе необязательно подрывать. Ее достаточно расколоть на куски любым другим способом, погрузить на самосвал и увезти.

Производство

Итак, теперь мы понимаем, из чего делают железо. Горная порода является сырьем для его добычи. Ее отвозят на перерабатывающее предприятие, загружают в доменную печь и нагревают до температуры 1400-1500 градусов. Эта температура должна держаться в течение определенного времени. Содержащееся в составе горной породы железо плавится и приобретает жидкую форму. Затем его остается разлить в специальные формы. Образовавшиеся шлаки при этом отделяют, а само железо получается чистым. Затем агломерат подают в бункерные чаши, где он продувается потоком воздуха и охлаждается водой.

Есть и другой способ получения железа: горную породу дробят и подают на специальный магнитный сепаратор. Так как железо имеет способность намагничиваться, то минералы остаются на сепараторе, а вся пустая порода вымывается. Конечно, чтобы железо превратить в металл и придать ему твердую форму, его необходимо легировать с помощью другого компонента – углерода. Его доля в составе очень мала, однако именно благодаря нему металл становится высокопрочным.

Стоит отметить, что в зависимости от объема добавляемого в состав углерода сталь может получаться разной. В частности, она может быть более или менее мягкой. Есть, например, специальная машиностроительная сталь, при изготовлении которой к железу добавляют всего 0,75 % углерода и марганец.

Теперь вы знаете, из чего делают железо и как его преобразовывают в сталь. Конечно, способы описаны весьма поверхностно, но суть они передают. Нужно запомнить, что из горной породы делают железо, из чего далее могут получать сталь.

Производители

На сегодняшний день в разных странах есть крупные месторождения железной руды, которые являются базой для производства мировых запасов стали. В частности, на Россию и Бразилию приходится 18 % мирового производства стали, на Австралию – 14 %, Украину – 11 %. Самыми крупными экспортерами является Индия, Бразилия, Австралия. Отметим, что цены на металл постоянно меняются. Так, в 2011 году стоимость одной тонны металла составляла 180 долларов США, а к 2016 году была зафиксирована цена в 35 долларов США за тонну.

Заключение

Теперь вы знаете, из чего состоит железо (имеется в виду металл) и как его производят. Применение этого материала распространено во всем мире, и его значение практически невозможно переоценить, так как используется он в промышленных и бытовых отраслях. К тому же экономика некоторых стран построена на базе изготовления металла и его последующего экспорта.

Мы рассмотрели, из чего состоит сплав. Железо в его составе смешивается с углеродом, и подобная смесь является основной для изготовления большинства известных металлов.

Что делают из металла?

Июнь 7, 2017

С тех пор, как люди добыли металл и впервые изготовили из него орудие труда, все металлы прочно вошли в нашу жизнь. Сейчас без изделий из металла не обходится ни одна сфера жизни человека. Все металлы обладают отличными физическими свойствами. У них достаточно высокие температуры плавления и кипения, при этом, отличная пластичность, ковкость и электропроводность. Все это объясняет столь широкое применение металлов в жизнедеятельности человека, а также причины, по которым именно из металлов изготавливают большую часть изделий, которые человек ежедневно применяет в собственной жизни. Для изготовления деталей из металла Вам стоит обратится центр металлообработки, где квалифицированные работники выполнят ваш заказ. Металлы не горят в огне, большинство из них способны выдержать огромные температуры, не изменив, при этом, своих свойств. Но, к сожалению, не все, что используется человеком для жизни, изготавливается из металлов. В частности, жилище и другие здания и сооружения изготавливаются из материалов, которые плохо переносят высокие температуры и огонь, а, следовательно, вполне могут быть подвержены пожарам. Поэтому, чтобы облегчить эвакуацию с места пожара, необходимо везде вешать планы.

Металлические изделия достаточно надежны. Их довольно сложно повредить или сломать. При правильной эксплуатации они прослужат долгие годы и будут надежными помощниками в какой-либо ситуации. Благодаря свойствам металлов, именно им отдают предпочтение при изготовлении тех либо иных изделий, используемых как в быту, так и на производстве.

Металл активно используют и в художественной ковке. После того, как рабочие чертежи утверждены, они попадают на производственный участок. Новые технологии проникли и на кузнечное производство, помогая создавать ажурные, неповторимые изделия, способные исправно служить не только Вам и Вашим детям, но внукам и даже их потомкам.

При всей современной технологичности, искусство художественной ковки, как и всякое искусство, не поддается автоматизации. Механика только помогает мастеру, но и в XXI веке кованое изделие все равно так же несет теплоту человеческих рук.

Как сделать трубу из листа металла

Сегодня расскажем, как согнуть трубу без вальцовочного станка. Нужна, чтоб установить «буржуйку». В данном случае аналогичная из гаража выходит. Можно, конечно, купить в металлопрокате, но там нет с толщиной стенки 1,5 мм, есть по 3-4 мм и она тяжелая. Поэтому решение купить листовой металл 1,5 мм и согнуть самому. Для этого нужна труба, на которой будем ее гнуть. На нее будем крутить металл. С торцов приварены две трубки. Вставлять лом и крутить с одной стороны и с другой. А сюда приварен листовой металл, чтобы его зафиксировать. На видео «Авраменко Garage» покажем, как это происходит.

Получили на выходе. Стоит задача. Как согнуть край, его в конце не получается захватить. Пробовать молотком, киянкой, сгибать или просто отрезать часть, что не согнулась (просто удалить). Потом делаем мерную веревочку. Отмеряем, какой диаметр нужен и делаем мерную веревочку, допустим, 30 см. Замеряем. С другой стороны делаем отметку и болгаркой отрезаем и снимаем часть. Следующий отрезок трубы. Когда все срезали и сняли, свариваем шов, получаем трубу из металла 1,5 мм, не используя листогибочные станки.

Следующая, такое же расстояние отрезается и снова сваривается. В одну длинную трубу они сварятся. Конечный результат сваренного готового изделия. Это одна часть, как видно, вторая и третья, так набирать длину. Таким несложным способом можно сделать в домашних условиях трубу, какую нужно.

Спасибо за внимание.

Как делают самый дорогой металл в мире | Как это сделано

Если вы думаете, что золото с платиной являются самыми ценными металлами на планете, то вы ошибаетесь. По сравнению с некоторыми искусственно полученными металлами, стоимость золота можно сравнить со стоимостью ржавчины на старом куске кровельного железа. Вы можете представить себе цену в 27 000 000 долларов США за один грамм вещества? Именно столько стоит радиоактивный элемент Калифорний-252. Дороже только антиматерия, которая является самой дорогой субстанцией в мире (около 60 триллионов долларов за грамм антиводорода). На сегодняшний день в мире накоплено всего 8 грамм Калифорния-252, а ежегодно производится не более 40 миллиграмм. И на планете есть только 2 места, где его регулярно производят: в Окриджской национальной лаборатории в США и … в Димитровграде, в Ульяновской области.

Хотите узнать, как появляется на свет почти самый дорогой материал в мире и для чего он нужен?

Димитровград

В 80 километрах от Ульяновска, на реке Черемшан, находится город Димитровград с населением около 100 000 человек. Его главное предприятие  — Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР), который был создан в 1956 году по иницитиве Курчатова.  Изначально он был опытной станцией для испытаний ядерных реакторов, но в настоящее время спектр направлений деятельности значительно расширился. Сейчас в НИИАР испытывают различные материалы, чтобы определить, как они себя ведут в условиях продолжительного радиактивного излучения, создают радионуклидные источники и препараты, которые применяют в медицине и исследованиях, решают технические вопросы экологически чистых технологий и просто ведут научную деятельность. В НИИАР работает около 3500 сотрудников и 6 реакторов.

Светят, но не греют

Ни один из шести  «нииаровских» реактора не используется как источник энергии и не отапливает город — тут вы не увидите гигантских установок на тысячи МВт. Главная задача этих «малышей» — создать максимальный по плотности поток нейтронов, которыми учёные института и бомбардируют различные мишени, создавая то, чего нет в природе.  Реакторы НИИАР работают по схеме «10/10» — десять день работы и 10 день отдыха, профилактики и перегрузки топлива. При таком режиме просто невозможно использовать их для нагрева воды. Да и максимальная температура теплоносителя, получаемая на выходе — всего 98 С, воду быстро охлаждают в небольших градирнях и пускают по кругу.

Самый Мощный

Из 6 реакторов есть один, самый любимый учёными НИИАР. Он же и самый первый. Он же и Самый Мощный, что и дало ему имя — СМ.  В 1961 году это был СМ-1, мощностью в 50 МВт, в 1965 после модернизации он стал СМ-2, в 1992 — СМ-3, эксплуатация которого рассчитана до 2017 года.  Это уникальный реактор и в мире он один такой. Его уникальность — в очень высокой плотности потока нейтронов, который он способен создавать. Именно нейтроны и являются основной продукцией НИИАР. С помощью нейтронов можно решать много задач по исследованию материалов и созданию полезных  изотопов. И даже воплощать в жизнь мечту средневековых алхимиков — превращать свинец в золото (теоретически).

Если не вдаваться в подробности, то процесс очень прост — берётся одно вещество и обстреливается со всех сторон нейтронами. Так, к примеру, из урана путём дробления его ядер нейтронами можно получить более лёгкие элементы: йод, стронций, молибден, ксенон и другие.

Ввод реактора СМ-1  в эксплуатацию и его успешная работа вызвали большой резонанс в научном мире, стимулировав, в частности, сооружение в США высокопоточных реакторов с жестким спектром нейтронов — HFBR (1964 год) и HFIR (1967 год). В НИИАР неоднократно приезжали светила ядерной физики, включая отца ядерной химии Гленна Сиборга, и перенимали опыт. Но всё же такой же по элегантности и простоте реактор так никто больше и не создал.

Реактор СМ до гениальности прост. Его активная зона — это почти кубик в 42 x 42 x 35  см. Но выделяемая мощность этого кубика — 100 мегаватт!  Вокруг активной зоны в специальных каналах устанавливают трубки с различными веществами, которые необходимо обстрелять нейтронами.

К примеру, совсем недавно из реактора вытащили колбу с иридием, из которого получили нужный изотоп. Теперь она висит и остывает.

После этого, маленькую ёмкость с теперь уже радиоактивным иридием погрузят в специальный защитный свинцовый контейнер, весом в несколько тонн и отправят на автомобиле заказчику.

Отработанное топливо (всего несколько грамм) потом тоже остудят, законсервируют в свинцовую бочку и отправят в радиоактивное хранилище на территории института на длительное хранение.

Голубой бассейн

В этом зале не один реактор. Рядом с СМ находится и другой — РБТ — реактор бассейнового типа, который работает с ним в паре. Дело в том что в реакторе СМ топливо «выгорает» всего наполовину. Поэтому его нужно «дожечь» в РБТ.

Вообще, РБТ удивительный ректор, внутрь которого можно даже заглянуть (нам не дали). Он не имеет привычного толстого стального и бетонного корпуса, а для защиты от радиации он просто помещен в огромный бассейн с водой (отсюда и название). Толща воды удерживает активные частицы, тормозя их. При этом частицы, движущиеся со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде, вызывают знакомое многим по фильмам голубоватое свечение. Этот эффект носит название учёных, которые его описали — Вавилова — Черенкова.

(фото не имеет отношения к реактору РБТ или НИИАР и демонстрирует эффект Вавилова-Черенкова)

Запах грозы

Запах реакторного зала не спутать ни с чем. Здесь сильно пахнет озоном, как после грозы. Воздух ионизируется при перегрузке, когда отработавшие сборки достают и перемещают в бассейн для охлаждения. Молекула кислорода О2 превращается в О3. Кстати, озон пахнет совсем не свежестью, а больше похож на хлор и такой же едкий. При высокой концентрации озона вы будете чихать и кашлять, а потом умрёте. Он отнесён к первому, самому высокому классу опасности вредных веществ.

Радиационный фон в зале в этот момент повышается, но и людей здесь нет — все автоматизировано и оператор наблюдает за процессом через специальное окно.   Однако, даже после этого к перилам в зале без перчаток прикасаться не стоит — можно подхватить радиоактивную грязь.

Мойте руки, перед и зад

Но уйти домой с ней  вам не дадут — на выходе из «грязной зоны» всех обязательно проверяют детектором бэта-излучения и в случае обнаружения вы вместе со своей одеждой отправитесь в реактор в качестве топлива. Шутка.

Но руки в любом случае нужно мыть с мылом после посещения любых подобных зон.

Сменить пол

Коридоры и лестницы в реакторном корпусе застелены специальным толстым линолеумом, края которого загнуты на стены. Это нужно для того, чтобы в случае радиоактивного загрязнения можно  было бы не утилизировать всё здание целиком, а просто скатать линолеум и постелить новый.  Чистота тут почти как в операционной, ведь наибольшую опасность представляет здесь пыль и грязь, которая может попасть на одежду, кожу и внутрь организма — альфа и бэта-частицы не могут улететь далеко, но при ближнем воздействии они как пушечные ядра, и живым клеткам точно не поздоровится.

Пульт с красной кнопкой

Зал управления реактором.

Сам пульт производит впечатление глубоко устаревшего, но зачем менять то, что спроектировано на долгие годы работы? Важнее всего то, что за щитами, а там все новое. Всё же многие датчики были переведены с самописцев на электронные табло, и даже программные системы, которые, кстати, в НИИАР и разрабатываются.

Каждый реактор имеет множество независимых степеней защиты, поэтому «фукусимы» тут не может быть в принципе. А что касается «чернобыля» — не те мощности, тут работают «карманные» реакторы. Наибольшую опасность представляют выбросы некоторых лёгких изотопов в атмосферу, но и этому не дадут случиться, как нас уверяют.

Физики-ядерщики

Физики института — фанаты своего дела и могут часами интересно рассказывать о своей работе и реакторах. Отведённого на вопросы часа не хватило и беседа растянулась на два нескучных часа. По-моему, нет такого человека, которому не была бы интересна ядерная физика 🙂    А директору отделения «Реакторный исследовательский комплекс» Петелину Алексею Леонидовичу с главным инженером впору вести научно-популярные передачи на тему устройства ядерных реакторов 🙂

Если за пределами НИИАР вы будете заправлять штаны в носки, то, скорее всего, вас кто-то сфотографирует и выложит в сеть, чтобы посмеяться. Однако здесь это необходимость. Попробуйте сами догадаться, почему.

Welcome to the hotel Californium

Теперь о Калифорнии-252 и зачем он нужен.   Я уже рассказывал о высокопоточном нейтронном реакторе СМ и его пользе. Теперь представьте, что та энергия, которую вырабатывает целый реактор СМ, может дать всего лишь один грамм (!) Калифорния.

Калифорний-252 – мощный источник нейтронов, что позволяет использовать его для обработки злокачественных опухолей, где другая лучевая терапия бездейственна. Уникальный металл позволяет просвечивать части реакторов, детали самолетов, и обнаруживать повреждения, которые обычно тщательно скрываются от рентгеновских лучей. С его помощью удается находить запасы золота, серебра и месторождения нефти в недрах земли.   Потребность в нём в мире очень велика, и заказчики порою вынуждены стоять годами в очереди за вожделённым микрограммом Калифорния!    А всё потому, что производство этого металла занимает…. годы. Для производства одного грамма Калифорния-252, плутоний или кюрий подвергают длительному нейтронному облучению в ядерном реакторе, в течение 8 и 1.5 лет соответственно, последовательными превращениями проходя практически всю линейку трансурановых элементов таблицы Менделеева.  На этом процесс не заканчивается —  из получившихся продуктов облучения химическим путем долгими месяцами выделяют сам калифорний. Это очень и очень кропотливая работа, которая не прощает спешки. Микрограммы металла собирают буквально по атомам.   Этим и объясняется такая высокая цена.

(большая кликабельная панорама)

Кстати, критическая масса металлического Калифорния-252 составляет всего 5 кг (для металлического шара), а в виде водных растворах солей — 10 грамм (!), что позволяет его использовать в миниатюрных ядерных бомбах. Однако, как я уже писал, в мире пока есть только 8 грамм  и использовать его в качестве бомбы было бы очень расточительно 🙂 Да и вот беда, через 2 года от существующего Калифорния остаётся ровно половина, а через 4 года он и вовсе превращается в труху из других более стабильных веществ.

В следующих частях я расскажу о производстве в НИИАР топливных сборок (ТВС) и еще одного важного и необходимого в радионуклидной медицине изотопа Молибден-99. Будет ужасно интересно!

UPD Критические замечания приветствуются — автор не физик, а программист-фотограф.

Источник

Как делают металлы

У тебя есть кольцо на пальце? Он сделан из золота, серебра, платины или другого природного металла? Затем подумайте вот о чем: металл в этом кольце на вашем пальце старше, чем планета, на которой вы стоите.

ЧТО ТАКОЕ «МЕТАЛЛ»?

С научной точки зрения, металлы — это встречающиеся в природе химические элементы, обычно твердые, блестящие и хорошо проводящие как тепло, так и электричество. Примеры включают железо, золото, серебро, медь, цинк, никель и т. д., но и элементы, которые мы обычно не считаем металлами. Одним из них является натрий — металл, который мы регулярно употребляем в пищу: натрий — это мягкий серебристо-белый металл, который обычно связывается с элементом хлора с образованием хлорида натрия или поваренной соли.

Другим является астат, который был обнаружен в 1940 году в лаборатории, где он был создан искусственно. Он не был обнаружен в природе до 1943 года. Астат очень радиоактивен, и считается, что на Земле существует всего одна его унция. Из 118 известных химических элементов 88 являются металлами.

НАСТОЯЩАЯ АЛХИМИЯ

Так откуда взялись все эти металлы? Вот очень упрощенное объяснение:

Все элементы, включая металлы, состоят из одного и того же вещества: атомарного материала — электронов, нейтронов и протонов. Атомы различных элементов можно отличить друг от друга по количеству содержащихся в них протонов. (Количество нейтронов и электронов может различаться даже среди атомов одного и того же элемента.) Например, атом водорода содержит только один протон.Атом золота имеет 79. Это верно для каждого из бесчисленных атомов водорода и золота во Вселенной.

Если бы вы могли найти способ смешать 79 атомов водорода в один атом, у вас был бы атом с 79 протонами, и, следовательно, у вас был бы атом золота. И это почти то же самое… за исключением того, что это происходит внутри звезд.

ЗОЛОТО В НИХ ТАР ЗВЕЗДЫ

Примерно 13,7 миллиарда лет назад впервые появилась материя в виде атомов двух самых легких элементов: водорода с одним протоном и гелия с двумя.Они остаются, безусловно, самыми распространенными элементами во Вселенной.

Спустя много миллионов лет эти первые атомы водорода и гелия собрались в облака пыли и газа, настолько огромные, что их можно было бы измерить световыми годами (1 световой год = 6 триллионов миль или 9,5 триллионов километров). В конце концов облака поддались собственной огромной гравитации и рухнули, образовав первые звезды. А звезды были разрушителями атомов — достаточно горячими, чтобы разрушить эти атомы водорода и гелия и снова соединить их воедино, переделав их в более крупные атомы других, более тяжелых элементов.

Например, если соединить два атома водорода, получится атом с двумя протонами — или гелий. Соедините вместе три атома водорода, и вы получите атом с тремя протонами — литий, первый и самый легкий металл. Объедините вместе три гелия, и вы получите атом с шестью протонами — углерод. Это то, что происходит со всеми звездами, которые вы видите на небе ночью. В массивных процесс может привести к производству все более и более тяжелых элементов, включая такие металлы, как титан (22 протона) и железо (26 протонов).Если они особенно массивны, они могут производить самые тяжелые металлы, такие как золото (79 протонов) и уран (92 протона). Это одна из вещей, которые делают звезды, и именно так все элементы, включая все эти блестящие металлы, образуются в природе.

Итак, как они сюда попали?

НА ЗЕМЛЮ

В течение первых нескольких миллиардов лет после Большого взрыва родились миллиарды и миллиарды звезд именно так, как мы только что описали. Многие из них были чрезвычайно массивными (в сотни раз больше нашего Солнца), а массивные звезды живут относительно недолго — в некоторых случаях всего несколько миллионов лет (более мелкие звезды могут жить миллиарды лет) — а затем умирают, взорвавшись как сверхновые.

И когда эти массивные звезды взорвались миллиарды лет назад, они выбросили созданные ими тяжелые элементы, отправив их в космос. Они, так сказать, «засеяли» вселенную элементами, в том числе металлами. И сверхмассивные, непостижимые количества — триллионы, триллионы и триллионы мегатонн. Это означает, что когда новые звезды образовались позже, они уже были «засеяны» металлами, оставленными этими сверхновыми.

Одной из таких более поздних звезд, богатых металлами, было наше Солнце.Беглый взгляд на эту историю:

  • Около 4,5 миллиардов лет назад массивное космическое облако пыли и газа, засеянное большим количеством более тяжелых элементов, коллапсировало, начав процесс формирования новой звезды.
  • Большая часть водорода и гелия в облаке стала частью новообразованной звезды. Остальная пыль и газ, включая металлы, скопились в расплавленной массе, вращаясь вокруг новой звезды. Вращательное движение расплющило массу (представьте себе вращение теста для пиццы) в расплавленный вращающийся диск.
  • За миллионы лет, по мере того как диск остывал, его части слипались то здесь, то там, и эти сгустки стали планетами в нашей Солнечной системе. А металлы в пыли? Они стали всеми металлами, найденными на всех планетах, включая нашу собственную.

Наша Доля: На Земле много металла. Почти треть массы планеты составляет элемент железа, большая часть которого находится в ядре планеты. Еще 14 процентов составляют магний, 1,5 процента — никель и 1,4 процента — алюминий.Это 49 процентов планеты. Остальные металлы Земли, включая «драгоценные» металлы, такие как золото, серебро, платина и палладий, существуют лишь в следовых количествах. Остальное — неметаллическая часть — составляет около 30 процентов кислорода и 15 процентов кремния, а также меньшее количество множества других неметаллических элементов.

СМОТРИ! БЛЕСТЯЩИЙ!

В течение как минимум нескольких миллионов лет люди и их предки использовали инструменты, сделанные из таких материалов, как дерево, кость и камень, чтобы немного облегчить себе жизнь.Это не сильно облегчило их жизнь: Homo sapiens почти все время своего существования были относительно примитивными кочевым охотниками и собирателями. Затем, около 10 000 лет назад, они начали открывать способы работы с «новым» материалом: металлом.

Первыми металлами, используемыми людьми, были те, с которыми ранним кузнецам не нужно было много работать, чтобы сделать их пригодными для использования. Это самородные металлы — металлы, встречающиеся в природе в чистом виде или в естественной смеси с другими элементами таким образом, что сохраняются их полезные свойства.К ним относятся медь, олово, свинец, серебро и золото.

Кто-то мог просто найти самородки этих металлов в русле реки или в корнях выкопанного дерева и подумал, что они привлекательны. Возможно, они колотили их каменными молотками и обнаружили, что могут придавать им форму. Это могло привести к использованию металлов в ювелирных изделиях или украшениях или к изготовлению металлических инструментов и оружия, таких как топоры, ножи и мечи, — значительное улучшение по сравнению со старыми каменными орудиями. Все это в конечном итоге привело к тому, что люди начали активно искать больше металлов, открывать шахты, торговать металлами между разными народами и зарождаться металлургическая промышленность.Однако это произошло — это произошло во многих местах по всему миру.

МЕТАЛЛУРГИЯ

Примерно 8000 лет назад люди начали открывать, что могут изменять металл. Возможно, они обнаружили это случайно, или, возможно, люди просто проявили творческий подход, или, возможно, это была комбинация того и другого. В любом случае были разработаны новые процессы для изменения металлов, а затем для создания совершенно новых, которых вообще не существовало в природе, — с огромным улучшением качества. В течение следующих нескольких тысяч лет добыча полезных ископаемых и металлообработка стали неотъемлемой частью большинства культур на Земле, а металл стал одним из веществ, наиболее сильно изменивших цивилизацию в истории человечества.Каждый из этих новых процессов связан с огнем, и вполне вероятно, что эксперименты с одним привели непосредственно к следующему. Наиболее важные достижения:

  • Отжиг. Это просто процесс нагревания металла до вишнево-красного цвета. Это восстанавливает старый, хрупкий металл до его первоначального ковкого состояния, позволяя переделывать его и продлевая срок его использования. Отжиг можно проводить при относительно низких температурах (медь можно отжигать на костре). Впервые это было сделано где-то около 6000 г.э., где-то на Ближнем Востоке и, возможно, в Европе и Индии примерно в то же время.
  • Плавка. В этом процессе металлы плавятся в жидком состоянии, что дает гораздо больше свободы для придания им различных форм. Металлы были впервые выплавлены около 5000 г. до н.э., после разработки более совершенных гончарных печей, которые могут производить гораздо более высокую температуру, чем можно было бы достичь в простом открытом огне.
  • Производство сплавов. Это процесс смешивания различных металлов, пока они находятся в расплавленном состоянии.Это началось около 3300 г. до н.э. (начало бронзового века), с первым производством бронзы — смеси меди и олова, гораздо более твердой и прочной, чем любой из ее компонентов.
  • Добыча. Благодаря дальнейшему совершенствованию технологии печей и последующей возможности достижения более высоких температур были разработаны методы, позволяющие извлекать металлы из руды. Впервые это было сделано из железа на Ближнем Востоке около 1500 г. до н.э., что ознаменовало начало железного века.
  • Плавка, производство сплавов и добыча практиковались древними народами в Европе, Азии, Южной Америке и даже на севере, вплоть до Мексики, но не в остальной части Северной Америки или в Австралии, пока не прибыли европейцы. Эти простые процессы остаются основой, вероятно, крупнейшей и самой успешной отрасли в истории человечества: металлургической промышленности.

ЖЕЛЕЗО

Железо — самый распространенный металл на Земле. Но, как и в случае с большинством металлов, добраться до него сложно, потому что он очень редко встречается в чистом виде в природе.Чаще всего он существует в оксидах железа — молекулах, состоящих из железа и кислорода, которые встречаются в смеси с породой в железной руде. Чтобы получить железо, нужно избавиться от кислорода и камня. Вот наиболее распространенный процесс, используемый сегодня:

  • Подготовка: после добычи железная руда измельчается в порошок. Затем огромные магнитные барабаны используются для отделения бедной железом руды от богатой железом. (Руда, богатая железом, прилипает к бочкам, остальное отпадает.) Богатый железом порошок смешивают с глиной и превращают в окатыши размером с мрамор, которые затем подвергают термообработке.Это позволяет более эффективно сжигать на следующем этапе, плавке.
  • Плавка
  • : окатыши плавятся в печи вместе с коксом — углем, который был переработан в почти чистый углерод — и известняком. Интенсивная жара разрывает железо-кислородные связи в руде, высвобождая кислород в виде газа, который соединяется с углеродным газом, выделяющимся из горящего кокса, с образованием CO2 (двуокиси углерода). CO2 выходит из верхней части печи, а железо, лишенное кислорода, плавится (при температуре около 2800°F) и собирается на дне печи.Известняк также плавится и связывается с примесями, образуя расплавленные отходы, известные как шлак. Шлак легче железа, и его постоянно удаляют с верхней части печи.
  • Результат: Продуктом этого процесса является передельный чугун из сплава железа. Он имеет относительно высокое содержание углерода, около 5 процентов, что делает его очень хрупким, и поэтому чугун в основном бесполезен, за исключением производства других сплавов железа, особенно стали.

СТАЛЬ

Сегодня около 98 процентов производимого в мире чугуна идет на производство стали, наиболее широко используемого металла или металлического сплава в истории.Процесс начинается с заливки расплавленного чугуна в сталеплавильные печи, где его обрабатывают для удаления любых оставшихся примесей и снижения содержания углерода до 0,1–2%. Это одна из главных характеристик стали: все, кроме очень немногих из сотен различных типов стали, содержат углерод в таких количествах. Это снижает хрупкость, увеличивая при этом прочность и твердость. Затем в смесь добавляются различные элементы, в зависимости от типа производимой стали. Два примера:

  • Марганцевая сталь, или мангаллой, содержит около 13 процентов марганца, что делает ее чрезвычайно ударопрочной.Это делает мангаллой популярным для использования в горнодобывающих инструментах, дробильном оборудовании и бронировании военной техники.
  • Нержавеющая сталь
  • на самом деле является названием для широкого спектра сталей, но все они имеют одну общую черту: хром, примерно от 10 до 30 процентов, в зависимости от типа. Хром на поверхности нержавеющей стали связывается с кислородом воздуха, образуя слой оксида хрома, который придает нержавеющей стали очень твердый, блестящий вид и делает ее устойчивой к коррозии.А если он поврежден или поцарапан, хром повторно связывается с кислородом, и образуется новый слой — так что он самовосстанавливается. Нержавеющая сталь используется в самых разных изделиях, от кухонной утвари до хирургического оборудования и уличной скульптуры. (Он также на 100 % подлежит вторичной переработке.)

АЛЮМИНИЙ

Наиболее распространенной рудой, используемой для производства алюминия, является боксит, глиноподобное вещество, примерно на 50 процентов состоящее из глинозема — алюминия, связанного кислородом. Как и в случае с железом, получение алюминия означает избавление от кислорода и минералов в руде.Этот процесс намного сложнее, чем извлечение железа, и был разработан только в конце 1800-х годов. (Алюминий был идентифицирован как уникальный элемент только в 1808 году.) Первая часть системы, наиболее часто используемая сегодня, называется процессом Байера, названным в честь австрийского химика Карла Байера, который изобрел его в 1877 году.

Процесс Байера: Бокситы добывают и измельчают, затем смешивают с водой и щелочью и нагревают в резервуарах. Это тепло и щелочь заставляют глинозем в руде растворяться в воде, а примеси оседают на дно.Затем вода, богатая глиноземом, откачивается и фильтруется для удаления дополнительных примесей, а затем перекачивается в огромные отстойники, где вода выпадает в осадок. То, что остается, представляет собой белый кристаллический порошок, который примерно на 99% состоит из оксида алюминия. Кристаллы промывают и дают им высохнуть.

Следующий этап известен как процесс Холла-Эру, названный в честь двух химиков, которые независимо друг от друга разработали его в 1886 году. плавится при температуре около 1760°F в стальных чанах.Но этого недостаточно, чтобы разорвать алюминий-кислородные связи в оксиде алюминия; они намного прочнее, чем связи железо-кислород. Таким образом, через расплавленный материал проходит мощный электрический ток, что приводит к разрыву связей. Кислород высвобождается в виде газа и притягивается к углеродным стержням, подвешенным над расплавленной смесью, где он связывается с углеродом с образованием газообразного CO2 (точно так же, как в процессе плавки железа). Освобожденный алюминий плавится и собирается на дне кастрюли. На данный момент это 99,8% чистый алюминий.

Алюминий

используется в самых разных областях в чистом виде (алюминиевая фольга изготавливается из почти чистого алюминия) и чаще в сплавах, смешанных с такими элементами, как кремний, медь и цинк. Некоторые из них прочнее стали и имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они намного легче. Обычное использование включает в себя кухонную посуду, банки для безалкогольных напитков и блоки автомобильных двигателей.

ПЛАТИНОВЫЙ

Платина

— блестящий серебристо-белый металл, очень редкий и обладающий некоторыми уникальными свойствами: это один из самых плотных металлов, но при этом очень пластичный; он чрезвычайно устойчив к коррозии под воздействием температуры, ржавчины или воздействия таких материалов, как кислоты; и у него очень высокая температура плавления — 3215°F (точка плавления золота — всего 1064°, а железа — 1535°).) Платина существует в чистом виде в природе, но чаще встречается в смеси с другими элементами, включая кислород, медь и никель. Сегодня более 90 процентов платины, добываемой в мире, поступает всего из четырех месторождений: трех в России и одного в Южной Африке. Производство достаточно сложное.

Для производства одной унции платины необходимо добыть более десяти тонн руды. Краткое описание процесса выглядит следующим образом:

  • Руда добывается, измельчается в порошок и смешивается с водой и химикатами.Через смесь продувается воздух, создавая пузырьки, к которым прилипают крошечные частицы платины. Пузырьки поднимаются на поверхность бака, образуя мыльную пену. Пену собирают, сушат и плавят при температуре выше 2700°F. Более тяжелые частицы — металлы — опускаются на дно печи. Более легкие примеси собираются поверх расплавленного металла и удаляются. Затем используются сложные химические процессы для отделения платины от любой меди, никеля и других металлов, которые все еще присутствуют, пока, наконец, не будет получена чистая платина.

БЛЕСТЯЩИЕ КУСОЧКИ

  • Железная руда выплавляется в доменной печи: Перегретый воздух — до 2200°F — «вдувается» в печь, заставляя ее гореть намного горячее, чем могло бы быть в противном случае. Типичная доменная печь на сталелитейном заводе работает 24 часа в сутки, 365 дней в неделю, до 20 лет, после чего ее необходимо заменить.
  • Чистая сталь очень восприимчива к ржавчине. Оцинкованная сталь — это сталь, покрытая цинком, который очень устойчив к ржавчине.
  • Основной химический компонент рубинов, изумрудов и сапфиров: алюминий.
  • Для чего используется большая часть чрезвычайно редкого металла платины? Каталитические нейтрализаторы — устройства на автомобилях, используемые для очистки выхлопных газов. Платина является исключительно хорошим катализатором: она способствует преобразованию токсичных газов в выхлопных газах, таких как окись углерода, в нетоксичные газы.
  • Это миф, что у коренных американцев не было металлообработки. У многих племен на самом деле были давние традиции обработки меди, особенно в районе Великих озер, где металла было в изобилии.
  • Вся платина, добытая в истории, могла бы поместиться в подвале среднего дома.

Эта статья перепечатана с разрешения Uncle John’s 24-каратного золота для чтения в ванной комнате . Сборщики информации из Института читателей ванных комнат откопали бесценную коллекцию удивительных, удивительных, головокружительных и веселых статей. 24-каратное золото наполнено малоизвестной историей, случайным происхождением, странными новостями, секретами знаменитостей и городскими легендами.

С 1987 года Институт читателей ванных комнат возглавил движение в защиту тех, кто сидит и читает в ванной (и везде, если на то пошло).Серия Uncle John’s Bath Reader, изданная тиражом более 15 миллионов книг, является самой продолжительной и самой популярной серией в своем роде в мире.

Если вам нравятся книги «Сегодня я узнал», я гарантирую, что вам понравятся книги Института чтения в ванной, так что читайте их!

Производство металлов | Encyclopedia.com

Добыча полезных ископаемых

Очистка

Восстановление

Сплавы

Ресурсы

который металл может быть использован для некоторых коммерческих или промышленных целей.В периодической таблице есть около 90 элементов, которые можно описать как металлы. Все они имеют различные общие характеристики, начиная от связывания и заканчивая химической природой. Вообще говоря, металлы — это элементы, которые проводят электричество, податливы и пластичны.

В некоторых случаях производство металла включает относительно небольшое количество этапов, поскольку металл уже встречается в природе в виде элемента. Так обстоит дело с золотом, серебром, платиной и другими так называемыми благородными металлами. Эти металлы обычно встречаются в природе без соединений с другими элементами и поэтому могут быть использованы в коммерческих целях при сравнительно небольшой дополнительной обработке.

Однако в большинстве случаев металлы встречаются в природе в виде соединений, таких как оксид или сульфид, и их необходимо сначала преобразовать в их элементарное состояние. Затем их можно обрабатывать самыми разными способами, чтобы сделать их пригодными для конкретных практических применений.

Первым этапом в производстве металла всегда является добыча полезных ископаемых. Добыча полезных ископаемых относится к процессу удаления металла в свободном или связанном состоянии с поверхности Земли. Двумя наиболее распространенными формами добычи полезных ископаемых являются поверхностная и подземная добыча.В первом случае металл или его руда могут быть удалены с верхних нескольких метров земной поверхности. Большая часть меди в мире, например, добывается из огромных открытых рудников, глубина которых может достигать почти 0,6 мили (1 км), а ширина – более 2,25 мили (3,5 км). Подземная добыча используется для сбора металлических руд, которые находятся на больших глубинах под поверхностью Земли.

Некоторые металлы можно получить из морской воды, а не из земной коры или в дополнение к этому.Магний является одним из примеров. Каждая кубическая миля морской воды содержит около шести миллионов тонн магния, главным образом в форме хлорида магния. Магний сначала осаждают из морской воды в виде гидроксида магния с использованием извести (гидроксид кальция). Затем гидроксид магния снова превращается в хлорид магния, который теперь представляет собой чистое соединение, а не сложную смесь, поступающую из моря. Наконец, металлический магний получают из хлорида магния пропусканием электрического тока через водный раствор соединения.

В большинстве случаев металлы и их руды залегают в грунте в составе сложных смесей, содержащих также горные породы, песок, глину, ил и другие примеси. Таким образом, первым шагом в производстве металла для коммерческого использования является отделение руды от отходов, с которыми она встречается. Термин руда используется для описания соединения металла, которое содержит достаточное количество этого металла, чтобы сделать извлечение металла из соединения экономически целесообразным.

Одним из примеров очистки руды является метод пенной флотации, используемый для руд меди, цинка и некоторых других металлов.В этом методе неочищенная руда, взятая из-под земли, сначала измельчается в порошок, а затем смешивается с водой и пенообразователем, таким как сосновое масло. Затем смесь продувают потоком воздуха, заставляя ее пузыриться и пениться. В процессе вспенивания примеси, такие как песок и камень, смачиваются водой и оседают на дно контейнера. Металлическая руда не поглощает воду, но поглощает сосновое масло. Покрытая нефтью руда всплывает наверх смеси, откуда ее можно снять.

Металлы всегда встречаются в рудах в окисленном состоянии, часто в виде оксида или сульфида металла. Следовательно, чтобы преобразовать руду в ее элементарное состояние, ее необходимо восстановить. Восстановление – это химическая реакция, противоположная окислению. Металлы можно восстанавливать разными способами.

Например, в случае железных руд восстановление может быть осуществлено путем взаимодействия оксидов железа с углеродом и монооксидом углерода. Одним из распространенных устройств, используемых для этой цели, является доменная печь.Доменная печь представляет собой высокий цилиндрический сосуд, в который подают железную руду (состоящую из оксидов железа), кокс (почти чистый углерод) и известняк. Затем температура в доменной печи повышается до более чем 1 832 90 189 ° 90 190 F (1 000 90 189 ° 90 190 C). При этой температуре углерод реагирует с кислородом с образованием монооксида углерода, который, в свою очередь, реагирует с оксидами железа с образованием чистого металлического железа. Известняк в исходной смеси, добавленной в доменную печь, вступает в реакцию с диоксидом кремния (песком), примесью, обычно встречающейся в железной руде, и удаляет ее.

Некоторые оксиды металлов плохо поддаются химическим реакциям восстановления, подобным реакциям в доменной печи, описанным выше. Примером может служить восстановление оксида алюминия до металлического алюминия. До 1886 г. не было обнаружено экономически удовлетворительного способа осуществления этого процесса. Затем, будучи молодым студентом-химиком в колледже, американский изобретатель и инженер Чарльз Мартин Холл (1863–1914) изобрел простой и недорогой электрический метод восстановления оксида алюминия. Благодаря изобретению Холла алюминий получил широкое распространение во всем мире.

На первом этапе этого процесса оксид алюминия отделяют от других оксидов (например, оксидов железа), с которыми он также происходит, с помощью процесса Байера. В процессе Байера смесь природных оксидов добавляется к гидроксиду натрия, который растворяет оксид алюминия, оставляя другие оксиды позади. Затем оксид алюминия растворяют в минерале, известном как криолит (фторид натрия-алюминия), и помещают в электролитическую ячейку. Когда электрический ток проходит через элемент, образуется расплавленный металлический алюминий, который опускается на дно элемента и может быть отведен из элемента.

В некоторых случаях перед восстановлением руда обрабатывается для изменения ее химического состояния. Наиболее распространенными рудами цинка, например, являются сульфиды. Эти соединения сначала обжигают в избытке воздуха, превращая сульфид цинка в оксид цинка. Затем оксид цинка восстанавливают либо путем взаимодействия с коксом (как в случае с железом), либо путем его электролиза (как в случае с алюминием).

Чистые металлы сами по себе часто не подходят для многих практических применений. Например, чистое золото слишком мягкое для большинства применений и в сочетании с другими металлами образует более твердые и стойкие смеси.Смеси, содержащие два или более металлов, называются сплавами. Возможно, самым известным и наиболее широко используемым из всех сплавов является сталь.

Термин «сталь» относится к ряду различных веществ, которые содержат железо в качестве основного компонента наряду с одним или несколькими другими элементами. Нержавеющая сталь,

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Сплав — Смесь двух или более металлов со свойствами, отличными от свойств металлов, из которых она изготовлена.

Процесс Байера — Процесс, в котором гидроксид натрия добавляется к смеси природных оксидов, так что оксид алюминия растворяется из смеси.

Процесс Холла — Процесс производства металлического алюминия путем пропускания электрического тока через смесь оксида алюминия, растворенного в криолите (алюмофторид натрия).

Благородный металл — Металл, который с трудом реагирует с другими элементами и поэтому обычно встречается в природе в свободном или несвязанном состоянии.

Руда — Соединение металла, из которого металл может быть извлечен по экономически целесообразной цене.

Восстановление — Процесс, при котором степень окисления атома уменьшается в результате приобретения им одного или нескольких электронов. Например,

содержит около 18% хрома, 10% никеля и небольшое количество марганца, углерода, фосфора, серы и кремния, а также железа. Когда ниобий добавляется в стальной сплав, конечный продукт имеет необычайно большую прочность. Добавление кобальта дает форму стали, которая выдерживает высокие температуры реактивных двигателей и газовых турбин, а кремнистые стали используются в производстве электрооборудования.

На заключительных этапах производства металла готовому изделию придается форма, которую можно использовать в других отраслях промышленности для изготовления конечной продукции. Так, сталь можно приобрести в виде плоских листов, колец, канатов и нитей, плит, цилиндров и других форм.

См. также Металлургия.

КНИГИ

Браунгарт, Майкл и Уильям Макдоно. От колыбели до колыбели: переосмысление того, как мы делаем вещи. Нью-Йорк: North Point Press, 2002.

Джонсон, Дэвид. Металлы и химические изменения. Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество, 2002.

Кляйн, К. Руководство по минераловедению. 22-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 2002.

Мониз, Б. Дж. Металлургия. Хоумвуд, Иллинойс: American Technical Publishers, 2003.

Нили, Джон Э. и Томас Дж. Бертоне. Практическая металлургия и материалы промышленности. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2003.

Суишер, Джеймс Х. Обработка материалов: от колыбели до могилы и до колыбели. Bloomington, IN: AuthorHouse, 2005.

Дэвид Э. Ньютон

Откуда берутся металлы?

Чтобы ответить на вопрос, откуда берутся металлы, сначала нам нужно дать определение слову «металл». Чистые металлы являются основными элементами материи. Известно 118 элементов, найденных в природе или созданных в лаборатории. Большинство этих элементов являются металлами, но есть небольшое количество неметаллических элементов, таких как углерод, и несколько «промежуточных» элементов, называемых металлоидами.

Ознакомьтесь с изделиями из металла от IMS!

Что такое металлы?

Металлы обладают определенными физическими свойствами, которые отличают их от неметаллов и металлоидов. Наиболее очевидная разница заключается в том, что металлы очень хорошо проводят тепло и электричество. В твердом состоянии они обычно твердые и имеют глянцевый блеск. Еще одним важным качеством металлов является то, что они пластичны, а это означает, что их можно ковать или обрабатывать, придавая им различные формы. Их также можно расплавить и отлить в формы или разрезать на станках для создания полезных предметов.

Все металлы, которые мы находим на Земле, возникли миллиарды лет назад. Внутри сверхгорячей среды звезд простые атомы водорода и гелия сливались вместе, создавая более тяжелые элементы. После того, как первоначальные звезды взорвались, пыль и газ от взрыва попали в нашу местную галактику и были вовлечены в создание нашей собственной Солнечной системы. Частицы, вращающиеся вокруг нового солнца, слипались в планеты, включая Землю.

Как сделать металл?

Многие металлы на Земле, особенно железо, находятся в ее ядре.Металл неравномерно рассеян по земной коре, перемешан с породой и соединен с кислородом и другими элементами. Некоторые виды горных пород, например гранит, содержат только следовые количества металла. Металл, который мы используем для изготовления зданий, компьютеров, автомобилей и грузовиков, а также многих других продуктов, поступает из подземных месторождений минеральных руд, содержащих высокие концентрации металла.

Первые люди обнаружили небольшие кусочки природных металлов, таких как медь, олово и золото, которые они вковывали в украшения и другие предметы.Они научились смешивать металлы, чтобы создавать новые металлы, называемые сплавами, которые улучшали их характеристики. Например, смешивая медь с оловом, они получили бронзу, которая намного тверже и лучше подходит для оружия, чем чистая медь. Важным металлическим сплавом является сталь, которая представляет собой железо, смешанное с небольшим количеством углерода.

Просмотр металлических изделий

Как делают металлические сплавы

Первый шаг в производстве металлических сплавов начинается с добычи руды из земли. Затем руда должна быть переработана для извлечения металла из неметаллов, таких как горная порода.Процесс извлечения может включать:

  • измельчение руды в порошок
  • нагрев до высоких температур
  • ополаскивание водой или в химической ванне
  • фильтрация шлама
  • осаждение жидкости
  • применение электрического тока для разрыва прочных химических связей

После извлечения металла его можно использовать для самых разных целей: от алюминиевых банок до стальных строительных лесов, от оцинкованных крыш до электронных схем.

Чтобы ознакомиться с широким ассортиментом металлических прутков, листов, пластин, труб, труб и других форм из алюминия, стали, нержавеющей стали, чугуна, латуни и бронзы, посетите сайт Industrial Metal Supply.

Откуда берутся металлы

Где берутся ли металлы?

Большинство чистые металлы, такие как алюминий, серебро и медь, происходят из земной коры. Они находятся в твердых материалах руд, называемых минералами, обычно встречающихся в горная порода, из которой должен быть извлечен чистый металл.Свойства чистого металлы можно улучшать, смешивая их с другими металлами для получения сплавов.

Металлы часто делятся на:

  • черный металлы, содержащие железо (например, мягкая сталь, углеродистая сталь и чугун)

  • цветной металл металлы, в которых нет железа (например, медь, алюминий, олово и вести).

Люди впервые начали делать вещи из металла более 6000 лет назад, когда они открыл способ получения меди из руды.Затем они научились делать более твердый сплав, бронза, путем добавления олова в медь. Около 3000 лет назад, они открыли железо. Добавляя небольшое количество углерода к железу, они обнаружили, что они могут производить особенно полезную легированную сталь.

Так знали технологи и конструкторы о и использовали чистые металлы и сплавы на протяжении многих тысячелетий. Однако у них есть совсем недавно понял атомную структуру металлов. В эти дни мы знаем около 100 чистых металлов и большое количество сплавов, все из которых имеют широкий спектр свойств.Металлы, которые вы чаще всего используете в школе являются:

  • алюминий сплав

  • медь

  • латунь

  • серебро

  • мягкий стали

  • углерод сталь

Первым этапом производства металлов является добыча рудоносная порода.Иногда требуется огромное количество руды, чтобы сделать маленькую количество металла, большая часть меди, например, содержится в сульфидных рудах, которые содержат всего 0,25% меди. Затем металл должен быть извлечен из породы с использованием печей и электролитических процессов. Наконец, прежде чем металл может быть используется, он часто должен подвергаться дальнейшей обработке. Например, чистота 98%. черновая медь, полученная плавлением и восстановлением, должна быть Электрорафинирование с получением меди чистотой 99,99%.

Вся история стали

История стали начинается задолго до появления мостов, двутавровых балок и небоскребов.Это начинается со звезд.

За миллиарды лет до того, как люди начали ходить по Земле — еще до того, как Земля вообще существовала — пылающие звезды сплавляли атомы в железо и углерод. В результате бесчисленных космических взрывов и возрождений эти материалы попали в астероиды и другие планетарные тела, которые врезались друг в друга, когда космический котел зашевелился. В конце концов часть этого камня и металла сформировала Землю, где она определила судьбу одного конкретного вида ходячих обезьян.

В день, потерянный для истории, несколько случайных людей нашли блестящий метеорит, в основном из железа и никеля, который пролетел сквозь атмосферу и врезался в землю.Так началась одержимость, охватившая вид. На протяжении тысячелетий наши предки обрабатывали этот материал, открывая лучшие способы извлечения железа из самой Земли и, в конечном итоге, переплавки его в сталь. Мы будем сражаться за него, создавать и уничтожать с его помощью нации, развивать с его помощью глобальную экономику и использовать его для создания некоторых из величайших изобретений и сооружений, которые когда-либо знал мир.

Металл с небес

У Тутанхамона был железный кинжал — ценный предмет в древнем мире, достойный лишь фараона.Когда британский археолог Говард Картер нашел гробницу Тутанхамона почти столетие назад и увидел этот объект, стало ясно, что кинжал особенный. Чего археологи не знали в то время, так это того, что лезвие пришло из космоса.

Кинжал Тутанхамона из метеоритного железа.

Миланский политехнический университет

Железо, полученное из метеоритов, имеет более высокое содержание никеля, чем железо, извлеченное из земли и выплавленное людьми.За годы, прошедшие после большого открытия Картера, исследователи обнаружили, что не только кинжал Тутанхамона, но и практически все железные изделия, относящиеся к бронзовому веку, были сделаны из упавшего с неба железа.

Нашим предкам этот экзотический сплав, должно быть, казался посланным существами за пределами нашего понимания. Древние египтяне называли его biz-n-pt . В Шумере он был известен как ан-бар . Оба переводятся как «металл с небес». Железо-никелевый сплав был гибким и легко принимал форму, не ломаясь.Но было крайне ограниченное предложение, доставляемое на Землю только изредка инопланетянами, что делало этот металл богов более ценным, чем драгоценные камни или золото.

Прошли тысячи лет, прежде чем люди начали смотреть себе под ноги. Около 2500 г. до н.э. племена Ближнего Востока обнаружили еще один источник темного металлического материала, спрятанный под землей. Он выглядел точно так же, как металл с небес — так оно и было, но что-то отличалось. Железо было смешано с камнями и минералами, собранными вместе в виде руды.Добыча железной руды не была похожа на поиск случайного куска золота или серебра. Согласно книге 1956 года «Кузница и Горнило », удаление железа из подземных царств должно было искушать духовный мир, поэтому первые горняки проводили ритуалы, чтобы умилостивить высшие силы, прежде чем выкапывать руду.

Но достать железную руду из-под земли — это только полдела. Древнему миру потребовалось еще 700 лет, чтобы понять, как отделить драгоценный металл от его руды. Только тогда бронзовый век действительно закончится и начнется железный век.

Долгий путь к первой стали

Чтобы узнать сталь, мы должны сначала понять железо, поскольку металлы почти одинаковы. Сталь содержит железо в концентрации от 98 до 99 процентов и более. Остальное — это углерод — небольшая добавка, которая сильно влияет на свойства металла. В течение столетий и тысячелетий, предшествовавших прорывам, позволившим построить небоскребы, цивилизации подстраивали и возились с методами плавки, чтобы производить железо, приближаясь все ближе к стали.

Около 1800 г. до н.э. жители Черного моря, называемые халибами, хотели изготовить металл, прочнее бронзы, — что-то, что можно было бы использовать для изготовления непревзойденного оружия.Они клали железную руду в очаги, ковали их и обжигали для размягчения. Повторив процесс несколько раз, халыбы вытащили из кузницы крепкое железное оружие.

Майкл Стиллвелл

То, что сделали Chalybes, называется кованым железом, одним из нескольких основных предшественников современной стали. Вскоре они присоединились к воинственным хеттам, создав одну из самых сильных армий в древней истории. Вооружение ни одной страны не могло сравниться с хеттским мечом или колесницей.

Другим младшим братом стали, так сказать, является чугун, который впервые был изготовлен в Древнем Китае. Начиная примерно с 500 г. до н.э., китайские мастера по металлу строили печи семифутовой высоты для сжигания большего количества железа и дерева. Материал плавился в жидкость и заливался в резные формы, принимая форму кухонных инструментов и статуй.

Однако ни кованое железо, ни чугун не были идеальной смесью. Кованое железо Chalybes содержало только 0,8 процента углерода, поэтому оно не обладало прочностью на растяжение стали.Китайский чугун с содержанием углерода от 2 до 4 процентов был более хрупким, чем сталь. Кузнецы Черного моря в конце концов начали вставлять железные прутья в груды раскаленного добела древесного угля, что создавало кованое железо со стальным покрытием. Но у общества в Южной Азии была идея получше. Индия произведет первую настоящую сталь.

Около 400 г. до н.э. индийские мастера по металлу изобрели метод плавки, который связывал идеальное количество углерода с железом. Ключом был глиняный сосуд для расплавленного металла: тигель.Рабочие поместили в тигли небольшие кованые прутья и кусочки древесного угля, затем запечатали контейнеры и поместили их в печь. Когда они подняли температуру печи с помощью воздушных потоков из мехов, кованое железо расплавилось и поглотило углерод из древесного угля. Когда тигли остыли, внутри лежали слитки чистой стали.

Пример раннего глиняного тигля, обнаруженного в Германии.

SSL/Getty Images

Индийские производители железа отправили свою «сталь Wootz» по всему миру.В Дамаске сирийские кузнецы использовали этот металл для ковки знаменитых, почти мифологических мечей из «дамасской стали», которые, как говорят, были достаточно острыми, чтобы разрезать перья в воздухе (и вдохновили на создание вымышленных суперматериалов, таких как валирийская сталь из «Игры престолов»). Индийская сталь добралась до Толедо, Испания, где кузнецы выковывали мечи для римской армии.

При поставках в сам Рим абиссинские торговцы из Эфиопской империи служили лживыми посредниками, преднамеренно дезинформируя римлян о том, что сталь была из Сереса, латинского слова, обозначающего Китай, чтобы Рим думал, что сталь прибыла из места, слишком далекого для завоевывать.Римляне назвали свою покупку серической сталью и использовали ее для основных инструментов и строительного оборудования в дополнение к оружию.

Дни железа как драгоценного металла давно прошли. Самые свирепые воины в мире теперь будут нести сталь.

Святые мечи и самурайская сталь

Согласно легенде, великий меч Экскалибур был величественным и красивым. Слово означает «режущая сталь». Но это была не сталь. Со времен короля Артура и до Средневековья Европа отставала в производстве железа и стали.

Средневековый широкий меч с клинком викингов с гербом семьи Де Богун. Фото Криса Рэдберна / PA Images через Getty Images)

Крис Рэдберн/PA ImagesGetty Images

Когда Римская империя пала (официально в 476 г.), Европа погрузилась в хаос. Индия все еще производила свою сенсационную сталь, но она не могла надежно поставлять металл в Европу, где дороги были неухоженными, торговцы попадали в засады, а люди боялись чумы и болезней.В Каталонии, Испания, мастера по металлу разработали печи, подобные тем, что в Индии; «Каталонская печь» производила кованое железо, и его было достаточно, чтобы делать подковы, колеса для экипажей, дверные петли и даже доспехи со стальным покрытием.

Рыцари размахивали специально изготовленными мечами. Они были выкованы путем скручивания железных стержней, в результате чего на лезвиях остались уникальные узоры в виде елочки и переплетения. Викинги интерпретировали рисунки как кольца дракона, а мечи, такие как Экскалибур короля Артура и Тизона Эль Сида, стали мифологическими.

Однако лучшие в мире мечи были сделаны на другом конце планеты. Японские кузнецы, ковавшие клинки для самураев, разработали искусную технику создания легких, смертоносно острых клинков. Оружие стало фамильной реликвией, передавалось из поколения в поколение, и немногие подарки в Японии были более ценными. Ковка катаны была сложным ритуальным делом.

Японские кузнецы мылись перед изготовлением меча. Если бы они не были чистыми, то в лезвие могли бы вселиться злые духи.Ковка металла началась с кованого железа. Кусок материала нагревали древесным углем, пока он не стал достаточно мягким, чтобы его можно было сложить. После охлаждения железо нагревали и сгибали еще около 20 раз, придавая лезвию дугообразную форму, и на всем протяжении ковки и складывания кованое железо постоянно подвергалось воздействию углеродистого древесного угля, превращая металл в сталь.

Катана, подписанная Масамунэ, считающимся величайшим мастером меча Японии периода Камакура, 14 век.

Токийский национальный музей в Уэно

Кузнец использовал глину, древесный уголь или железный порошок для следующего шага, нанося материал вдоль лезвия, чтобы придать окончательный вид. На стали появились узоры, похожие на текстуру дерева, с закрученными сучками и рябью. Детали были даже лучше, чем чешуя дракона на европейских клинках, а японские катаны получили такие имена, как «Дрейфующий песок», «Полумесяц» и «Убийца Сютэн-додзи», мифологического зверя в японских преданиях.Пять клинков, которые остались сегодня, Тэнка-Гокен, или «Пять мечей под небесами», хранятся в Японии как национальное достояние и святые реликвии.

Железо и уголь

Первая доменная печь была похожа на песочные часы.

В долине Рейна на территории современной Германии рабочие-металлисты разработали хитроумное приспособление высотой около 10 футов с двумя мехами, расположенными внизу, для размещения большего количества железной руды и древесного угля. Доменная печь раскалилась, железо поглотило больше углерода, чем когда-либо, и смесь превратилась в чугун, который можно было легко залить в форму.

Это был процесс производства железа, который китайцы практиковали в течение 1700 лет, но с большим горшком. Рабочие вырыли траншеи в литейном цехе, которые отходили от длинного центрального канала, освобождая место для вытекания жидкого чугуна. Окопы напоминали выводок подсосных поросят, отсюда и родилось прозвище: чугун.

Майкл Стиллвелл

Железные инновации появились как раз вовремя для западного мира, находящегося в состоянии войны. Изобретение пушек в 13 веке и огнестрельного оружия в 14 веке вызвало потребность в металле.Чугун можно было отливать прямо в формы для пушек и стволов, и Европа начала выкачивать оружие, как никогда раньше.

Но железная стрела создала проблему. Когда европейские державы начали распространять свою власть по всему миру, они использовали огромное количество древесины как для постройки кораблей, так и для производства древесного угля для плавки. Для одной английской печи требовалось около 240 акров деревьев в год, согласно книге Брука С.Стоддард. Британская империя обратилась к неиспользованным ресурсам Нового Света в поисках решения и начала переправлять металл, выплавленный в американских колониях, обратно через Атлантику. Но выплавка железа в колониях разрушила бизнес металлургических заводов в Англии.

Ответ на проблемы с топливом в Британии пришел от изготовителя чугунных горшков. Авраам Дарби провел большую часть своего детства, работая на солодовых заводах, и в начале 1700-х годов он вспомнил технику измельчения ячменя: обжиг угля, горючей породы.Другие пытались плавить железо с углем, но Дарби первой обожгла уголь перед плавкой. Жареный уголь сохранял тепло гораздо дольше, чем древесный уголь, и позволял кузнецам изготавливать более тонкий чугун, который идеально подходил для заливки в оружейные формы. Сегодня большую доменную печь Дарби можно увидеть в Музее железа Коулбрукдейла.

Англия открыла возможность выплавки угля. Но он все еще не производил сталь.

Часовщик и Горнило

Бенджамин Хантсман был разочарован железом.Сплавы, доступные часовщику из Шеффилда, слишком сильно различались для его работы, особенно для изготовления тонких пружин.

Необученный глазной врач и хирург в свободное время, Хантсман экспериментировал с железной рудой и тестировал различные способы ее плавки. В конце концов он придумал процесс, очень похожий на древнеиндийский метод использования глиняного тигля. Однако у метода Хантсмана было два ключевых отличия: он использовал обожженный уголь, а не древесный уголь, и вместо того, чтобы помещать топливо в тигель, он нагревал смесь железа и углерода над слоем углей.

Слитки, вышедшие из плавильного цеха, были более однородными, прочными и менее хрупкими — лучшая сталь, которую когда-либо видела Европа, а возможно, и мир. К 1770-м годам Шеффилд стал национальным центром производства стали. Семь десятилетий спустя вся страна знала об этом процессе, а сталелитейные заводы Англии ярко горели.

В 1851 году в Лондоне прошла одна из первых в мире выставок — Великая выставка произведений промышленности всех наций. Хрустальный дворец был построен для этого события из чугуна и стекла, и почти все внутри было сделано из железа и стали.Были выставлены паровозы и паровые машины, фонтаны и фонарные столбы, все, что можно было отлить из расплавленного металла. Мир никогда не видел ничего подобного.

Прорыв Бессемера

Генри Бессемер был британским инженером и изобретателем, известным рядом несвязанных изобретений, включая краску на основе золотой латуни, клавиатуру для наборных машин и дробилку сахарного тростника. Когда в 1850-х годах в Восточной Европе разразилась Крымская война, он построил новый удлиненный артиллерийский снаряд.Он предложил его французским военным, но традиционные чугунные пушки того времени были слишком хрупкими, чтобы стрелять снарядом. Только сталь могла выдержать управляемый взрыв.

Процесс производства стали в тигле был слишком дорог для производства изделий размером с пушку, поэтому Бессемер решил найти способ производить сталь в больших количествах. Однажды в 1856 году он решил вылить чугун в контейнер, а не позволить ему сочиться в траншею. Оказавшись внутри контейнера, Бессемер выпустил воздух через отверстия на дне.Согласно Steel: From Mine to Mill , все было спокойно около 10 минут, а затем внезапно из контейнера вырвались искры, пламя и расплавленный чугун. Когда хаос закончился, материал, оставшийся в контейнере, был безуглеродным, чистым железом.

Картина маслом Э. Ф. Скиннера, изображающая производство стали по бессемеровскому процессу на сталелитейном заводе Penistone Steel Works, Южный Йоркшир. Около 1916 г.

SSPLGetty Images

Трудно переоценить последствия этого инцидента с взрывной плавкой.Когда Бессемер использовал сильфон непосредственно на расплавленном чугуне, углерод, связанный с кислородом из воздушных струй, оставлял после себя чистое железо, которое благодаря добавлению углеродсодержащих материалов, таких как шпигелейзен, сплав железа и марганца, могло легко превратиться в высококачественную сталь.

Бессемер построил машину для проведения процедуры: «Бессемеровский преобразователь». Он имел форму яйца с внутренней облицовкой из глины и внешней частью из твердой стали. Наверху небольшое отверстие извергало пламя высотой 30 футов, когда воздух ворвался в печь.

Почти сразу же на металлургическом заводе Великобритании возникла проблема. Оказалось, что Бессемер использовал железную руду, содержащую очень мало фосфора, в то время как большинство месторождений железной руды богато фосфором. Старые методы выплавки железа надежно удаляли фосфор, а Бессемеровский конвертер этого не делал, производя хрупкую сталь.

Майкл Стиллвелл

Этот вопрос беспокоил металлургов в течение двух десятилетий, пока 25-летний британский полицейский и химик-любитель Сидни Гилкрист Томас не нашел решение проблемы фосфора.Томас обнаружил, что глиняная облицовка устройства не вступает в реакцию с фосфором, поэтому он заменил глину облицовкой на основе извести. Оно работало завораживающе. Новый метод, который производил пять тонн стали за 20 минут, теперь можно было использовать на металлургических заводах Англии. Старый тигельный процесс Хантсмана, который производил жалкие 60 фунтов стали за две недели, устарел. Бессемеровский преобразователь стал новым королем стали.

American Steel

По другую сторону Атлантики в американской глуши оставались нетронутыми массивные залежи железной руды.В 1850 году Соединенные Штаты производили лишь в пять раз меньше железа, чем Великобритания. Но после Гражданской войны промышленники начали обращать внимание на бессемеровский процесс, запустив сталелитейную промышленность, которая принесет гораздо больше богатства, чем Калифорнийская золотая лихорадка 1849 года. Нужно было строить дороги между городами, мосты через реки и железнодорожные пути, ведущие в самое сердце Дикого Запада.

Эндрю Карнеги хотел построить все это.

Никто так не осуществил американскую мечту, как Карнеги.Шотландский иммигрант прибыл в страну в возрасте 12 лет, поселившись в бедном районе Питтсбурга. Карнеги начал свое восхождение подростком-рассыльным на телеграфе. Однажды высокопоставленный чиновник Пенсильванской железнодорожной компании, впечатленный трудолюбивым подростком, нанял Карнеги своим личным секретарем.

Эндрю Карнеги.

Библиотека Конгресса

«Усыпанный звездами шотландец» развил деловую хватку и проложил себе путь вверх по карьерной лестнице в железнодорожной отрасли, попутно сделав несколько разумных инвестиций.Ему принадлежали доли в мостостроительной компании, железнодорожном заводе, локомотивном заводе и металлургическом заводе. Когда Конфедерация капитулировала в 1865 году, 30-летний Карнеги обратил свое внимание на строительство мостов. Благодаря своей мельнице в его распоряжении было массовое производство чугуна.

Но Карнеги знал, что он может сделать лучше, чем чугун. Прочный мост нуждался в стали. Примерно за десять лет до того, как Сидней Томас модернизировал Бессемеровский конвертер с футеровкой на основе извести, Карнеги привез бессемеровский процесс в Америку и приобрел железо, не содержащее фосфора, для производства стали.Он основал сталелитейный завод в Хомстеде, штат Пенсильвания, для производства сплава для нового типа зданий, которые архитекторы назвали «небоскребами». В 1889 году все активы Карнеги были объединены под одним названием: Carnegie Steel Company.

К этому моменту Карнеги в одиночку производил примерно вдвое меньше стали, чем вся Британия. Дополнительные сталелитейные компании начали появляться по всей стране, создавая новые города, в том числе город по добыче железа в Коннектикуте, названный «Чалибес» в честь производителей железа древности.

Америка внезапно проложила себе путь к вершине сталелитейной промышленности. Но на сталелитейном заводе Carnegie’s Homestead Steel Works, расположенном прямо через реку Мононгахела от Питтсбурга, дела пошли плохо.

Чтобы снизить производственные затраты, заработная плата была низкой. Зарплата за 84-часовую рабочую неделю в 1890 году составляла менее 10 долларов (около 250 долларов сегодня) — и это за непосильный труд на сталелитейных заводах. Несчастные случаи были обычным явлением, а в Питтсбурге воздух был настолько сильно загрязнен, что корреспондент The Atlantic Monthly назвал Steel City «черт возьми со снятой крышкой.

Район Стрип-Дистрикт в Питтсбурге, вид на северо-запад с крыши Union Station.

НАСА

В июле 1892 года напряженность между Carnegie Steel Company и профсоюзом, представляющим рабочих фабрики в Хомстеде, достигла пика. Председатель компании Генри Клэй Фрик занял жесткую позицию, пригрозив сократить заработную плату. Рабочие повесили чучело Фрика, и он в ответ окружил мельницу забором из колючей проволоки на три мили, ожидая военных действий.Рабочие проголосовали за забастовку и впоследствии были уволены, что привело к прозвищу огороженной мельницы: «Форт Фрик».

Около 3000 забастовщиков взяли под свой контроль Хомстед, вытеснив местные правоохранительные органы. Фрик нанял 300 агентов Детективного агентства Пинкертона для охраны мельницы, и утром 6 июля 1892 года завязалась гражданская драка. Мужчины собрались на берегу реки, бросая камни и стреляя из оружия по агентам Пинкертона, пытающимся добраться до берега на лодках. Забастовщики использовали все, что могли найти, в качестве оружия, выкатывая старую пушку, поджигая динамит и даже толкая горящий вагон поезда в лодки.

Порядок был восстановлен, когда батальон Национальной гвардии численностью 8500 человек вошел в город и ввел в Хоумстеде военное положение. В столкновении погибли десять человек. Позже Фрик был застрелен в своем офисе анархистом, который слышал о забастовке, но выжил. Вскоре после этого он покинул компанию, и в 1897 году Карнеги нанял инженера по имени Чарльз М. Шваб (не путать с основателем Charles Schwab Corporation) в качестве нового президента. В 1901 году Шваб убедил Карнеги продать свою сталелитейную компанию за 480 миллионов долларов.Новая компания Шваба объединилась с дополнительными заводами и образовала United States Steel Corporation.

Ополчение штата Пенсильвания прибывает, чтобы подавить боевые действия.

Библиотека Конгресса

Американская сталелитейная промышленность продолжала бурно развиваться и в 20 веке. В 1873 году Соединенные Штаты произвели 220 000 тонн стали. К 1900 году на долю Америки приходилось 11,4 миллиона тонн стали, больше, чем британская и успешная немецкая промышленность вместе взятые.Новая United States Steel Corporation была крупнейшей компанией в мире, производившей две трети стали страны.

Таких темпов производства не наблюдалось во всем мире, но сталелитейные заводы только разогревались.

Metal of War and Peace

Разногласия в U.S. Steel привели Чарльза Шваба к поиску новой работы в другой быстрорастущей компании: Bethlehem Steel. В 1914 году, через два месяца после начала Великой войны, Шваб получил секретное сообщение от британского военного министерства.Через несколько часов он купил билет на пересечение Атлантики под вымышленным именем. В Европе он встретился с военным министром Англии, который хотел сделать крупный заказ — с уловом. Британцы хотели, чтобы Вифлеем произвел оружия для Англии на 40 миллионов долларов и не имел дела с врагами короны. Шваб согласился и отправился на следующую встречу, на этот раз с Первым лордом Адмиралтейства Уинстоном Черчиллем. Черчилль разместил свой собственный заказ: подводные лодки для Королевского флота для борьбы с немецкими подводными лодками, и они были нужны ему немедленно.

HMS E34, британская подводная лодка класса E в плавучем доке. Она была введена в строй в марте 1917 года, 10 мая 1918 года потопила подводную лодку UB-16 у Харвича в Северном море и была заминирована у Фризских островов 20 июля 1918 года. Подводная лодка погибла вместе со всем экипажем.

Правительство Соединенного Королевства

Но у Шваба была проблема. Законы о нейтралитете в США запрещали компаниям продавать оружие комбатантам Первой мировой войны по обе стороны окопов.Не испугавшись, Bethlehem Steel отправила детали подводных лодок на сборочный завод в Монреале якобы для гуманитарных усилий по восстановлению, и американская сталь начала просачиваться в военные действия союзников.

Необходимость обходить законы о нейтралитете отпала, когда Соединенные Штаты официально вступили в Первую мировую войну в апреле 1917 года. В 1914 году, когда война только начиналась, Соединенные Штаты произвели 23,5 миллиона тонн стали — более чем в два раза больше, чем производство 14 лет ранее. В конце войны в 1918 году производство снова удвоилось.Американская сталь дала союзникам решающее преимущество в борьбе с Центральными державами.

Строящийся Эмпайр Стейт Билдинг на фоне Крайслер Билдинг, 1930 год.

Ирвинг Браунинг/Нью-Йоркское историческое обществоGetty Images

Когда война закончилась, производство стали в США стало сильнее, чем когда-либо. Башни в стиле ар-деко начали прорастать среди горизонтов Нью-Йорка и Чикаго, причем подавляющее большинство стали поставлялось двумя компаниями: U.С. Стил и Вифлеем Стил. Знаковые сооружения, такие как Рокфеллеровский центр, отель Waldorf-Astoria, мост Джорджа Вашингтона и мост Золотые Ворота, были построены из вифлеемской стали. В 1930 году сталь компании пошла на строительство самого высокого на тот момент небоскреба в мире: Крайслер-билдинг. Менее чем через год Эмпайр-Стейт-Билдинг с 60 000 тонн стали, поставленной U.S. Steel, станет выше, чем Chrysler, и станет непреходящим символом Манхэттена.

Но небоскребы были не единственной инновацией, вызванной бурным ростом производства стали.Материал пошел в золотое дно автомобилей, бытовой техники и консервных банок. (Две многообещающие компании, Dole и Campbell’s, стали очень популярны благодаря длительному сроку годности их консервов.) Активы Bethlehem Steel и U.S. Steel оценивались выше, чем активы компаний Ford и General Motors.

Это был действительно стальной век, но беда была не за горами.

После краха фондового рынка в 1929 году производство стали замедлилось, поскольку экономика погрузилась в Великую депрессию.Американских сталелитейщиков уволили, но заводы никогда не отключались полностью. Железнодорожные пути по-прежнему пролегали по стране, консервы оставались популярными, а по мере того, как Сухой закон подходил к концу, появился новый стальной продукт: стальная пивная банка, представленная в 1930-х годах компанией Pabst для своего пива Blue Ribbon.

Банка Steel Pabst Blue Ribbon начала 1940-х годов.

Стальной холст

После Великой депрессии жадные до металла двигатели войны снова зажгли литейные заводы мира.Германия двинулась, чтобы оккупировать земли в Дании, Норвегии и Франции, получив контроль над новыми железными рудниками и заводами. Внезапно нацисты стали производить столько же стали, сколько Соединенные Штаты. На востоке Япония взяла под свой контроль железные и угольные шахты в Маньчжурии.

Когда нападение на Перл-Харбор втянуло Америку во Вторую мировую войну, правительство США запретило производство большинства потребительских товаров из стали. Промышленно развитые страны мира, сломя голову ринувшиеся в мировую войну, начали нормировать сталь для нескольких избранных целей: кораблей, танков, орудий и самолетов.

Американские заводы плавили металл 24 часа в сутки, часто с преимущественно женской рабочей силой. Экономика снова начала процветать, и вскоре производство стали в Америке стало более чем в три раза больше, чем в любой другой стране. Во время Второй мировой войны США произвели в 25 раз больше стали, чем во время Первой мировой войны. И снова сталелитейные заводы Нового Света сыграли решающую роль в победе союзников.

Когда война наконец закончилась, США сняли запрет на стальные потребительские товары.Теперь, когда более половины производимой в мире стали производится в Америке, рынки автомобилей, бытовой техники, игрушек и арматуры для строительства были столь же прибыльными, как и прежде. Сталь из оставшихся кораблей и танков была переплавлена ​​в огромных печах для повторного использования в мостах и ​​пивных банках.

Но за границей острая необходимость восстановления и внедрение новой технологии производства стали должны были помочь иностранным сталелитейным компаниям процветать.

Дорога к современной стали

Даже несмотря на то, что во время войны заводы работали без остановок, производители еще не достигли совершенства в искусстве выплавки стали.Потребовалась бы идея, придуманная за 100 лет до окончания Второй мировой войны, чтобы еще раз революционизировать этот процесс и, в конечном счете, свергнуть США как мирового сталелитейного короля.

Немецкий ученый и стеклодув Уильям Сименс, живя в Англии, чтобы воспользоваться тем, что он считал благоприятным патентным законодательством, в 1847 году понял, что он может увеличить время, в течение которого печь поддерживает максимальную температуру, рециркулируя выделяемое тепло. Сименс построил новую стекловаренную печь с небольшой сетью труб из огнеупорного кирпича.Горячие газы из плавильной камеры выходили по трубам, смешивались с наружным воздухом и возвращались обратно внутрь камеры.

Стекловаренной печи Siemens потребовалось почти 20 лет, чтобы найти свое место в металлургии. В 1860-х годах французский инженер Пьер-Эмиль Мартен узнал об этой конструкции и построил печь Сименса для плавки железа. Повторно используемое тепло удерживало металл в жидком состоянии дольше, чем в бессемеровском процессе, что давало рабочим больше времени для добавления точного количества углеродсодержащих сплавов железа, которые превращали материал в сталь.А из-за дополнительного тепла можно было переплавить даже стальной лом. На рубеже веков процесс Сименса-Мартина, также известный как мартеновский процесс, завоевал популярность во всем мире.

Майкл Стиллвелл

Перенесемся в 20 век, когда швейцарский инженер Роберт Дюррер нашел еще лучший способ. Дюррер преподавал металлургию в нацистской Германии. После окончания Второй мировой войны он вернулся в Швейцарию и экспериментировал с бессемеровским процессом.Он подал в печь чистый кислород (а не воздух, в котором всего 20 процентов кислорода) и обнаружил, что он более эффективно удаляет углерод из расплавленного железа.

Дюррер также обнаружил, что, подавая кислород в печь сверху, а не снизу, как в бессемеровском конвертере, он может переплавлять холодный стальной лом в чугун и возвращать его обратно в процесс производства стали. Этот «основной кислородный процесс» также отделил все следы фосфора от железа. Метод сочетал в себе преимущества как бессемеровских печей, так и печей Сименса-Мартина.Благодаря инновациям Дюррера производство стали в огромных количествах снова стало дешевле.

В то время как страны Европы и Азии сразу же внедрили кислородный процесс, американские заводы, по-прежнему занимавшие лидирующие позиции в отрасли, продолжали использовать процесс Сименс-Мартин с уверенностью и удовлетворением, невольно открывая дверь для иностранной конкуренции.

Нержавеющая сталь и упадок американского комбината

В 1912 году британский металлург по имени Гарри Брирли искал способ продлить жизнь оружейным стволам.Экспериментируя с хромом и стальными сплавами, он обнаружил, что сталь со слоем хрома особенно устойчива к кислоте и атмосферным воздействиям.

Брирли начал продавать сплав стали и хрома своему другу, работающему в столовых приборах, назвав его «нержавеющей сталью» — буквально прозвище, подобающее инженеру. Его друг Эрнест Стюарт, которому нужно было продать ножи широкой публике, придумал более броское название: нержавеющая сталь.

Компания Victoria занималась ковкой стальных ножей для швейцарской армии, когда узнала о новом антикоррозийном металле из Великобритании.Компания быстро изменила металл в своих ножах на «инокс», что является другим названием сплава, происходящего от французского слова «нержавеющая сталь», «неокисляемый». Виктория переименовала себя в Victorinox. их красные перочинные ножи в ящике вашего стола.

Внезапно нержавеющая сталь была во всем мире. Противокоррозионный, мерцающий металл стал важным материалом для хирургических инструментов и товаров для дома. Колпаки на крыше Крайслер-билдинг сделаны из нержавеющей стали, что помогает им сохранять свой серебристый блеск на солнце.В 1959 году в Сент-Луисе рабочие начали строительство арки Ворот из нержавеющей стали, которая остается самым высоким рукотворным памятником в Западном полушарии.

Арка Ворот в Сент-Луисе высотой 630 футов.

Даниэль Швен/Викимедиа ​

Но пока Сент-Луис строил Ворота на Запад, остальной мир догонял американское производство стали. Низкая заработная плата за границей и использование основного кислородного процесса сделали иностранную сталь дешевле американской к 1950-м годам, точно так же, как сталелитейная промышленность пострадала от более дешевого сплава для товаров для дома: алюминия.

В 1970 году U.S. Steel как крупнейшая в мире сталелитейная компания закончилась после семи десятилетий, уступив место японской Nippon Steel. Китай стал ведущим производителем стали в мире в 1990-х годах, а Bethlehem Steel закрыла свой завод в Вифлееме в 1995 году. Только в конце 20-го века большинство американских сталелитейных заводов, наконец, перешли на кислородный процесс. По данным Всемирной ассоциации производителей стали, по состоянию на 2016 год США занимают четвертое место по производству стали.

Устойчивое будущее стали

Большая часть нержавеющей стали в мире производится на мини-заводах.Эти металлоконструкции не производят сталь с нуля, а переплавляют стальной лом для повторного использования. Самая распространенная печь на мини-заводе — электродуговая печь, также изобретенная Уильямом Сименсом, — использует угольные электроды для создания электрического заряда для расплавления металла.

Распространение мини-заводов за последние полвека стало важным шагом на пути к вторичной переработке старой стали, но предстоит пройти долгий путь, чтобы добиться полностью экологичной плавки. Кузнечная сталь является известным источником парниковых газов.Основной кислородный процесс, который до сих пор широко используется, был разработан почти столетие назад, когда последствия изменения климата только начинались в кругах научных исследований. Основной кислородный процесс по-прежнему сжигает уголь, выделяя примерно в четыре раза больше углекислого газа, чем электрические печи. Но полный отказ от кислородного дутья для электрической дуги не является устойчивым решением — для переработки доступно лишь ограниченное количество стального лома.

Сегодня металлурги находятся на ранней стадии разработки экологически чистых методов производства стали.В Массачусетском технологическом институте исследователи тестируют новые технологии плавки металлов, основанные на электричестве. Эти методы электроплавки могут значительно сократить выбросы парниковых газов, если их можно улучшить для работы с металлами с более высокой температурой плавления, такими как железо и сталь.

Схема электролиза расплавленного полупроводника.

MIT/Майкл Стиллвелл

Также тестируются дополнительные идеи, которые использовались для ограничения выбросов автомобилей.В феврале прошлого года австрийский производитель Voestalpine начал строительство мельницы, предназначенной для замены угля водородным топливом — технология, которая, вероятно, появится не раньше, чем через два десятилетия. В качестве временной меры китайское правительство в прошлом году даже ввело ограничения на производство стали в своей стране.

В 21 веке ставки изменились. Но вопрос остается таким же, каким он был всегда, таким же, каким он был для тех, кто обслуживает горнила Индии, доменные печи Германии и литейные заводы Америки.Как нам улучшить производство стали?

Джонатан Шифман Джонатан работает в Нью-Йорке и до сих пор часто останавливается, чтобы полюбоваться небоскребами, где он черпает вдохновение для своих произведений.

Как изготавливается листовой металл?

Что такое листовой металл?

Листовой металл представляет собой металл, который формуется в тонкие, плоские детали с помощью промышленного процесса горячей и холодной прокатки. Листовой металл является одним из основных видов металлообработки, его можно резать и гнуть в различные формы.

Как изготавливается листовой металл?

Листовой металл изготавливается путем пропускания горячих слябов через серию черновых прокатных клетей, что делает их тоньше и длиннее. Чтобы сделать их еще тоньше, эти листы проходят через чистовые прокатные клети, затем охлаждаются и сворачиваются в рулоны.

Что такое травление металла и протравленная и промасленная сталь?

Травление — это метод обработки поверхности, используемый для удаления загрязнений, таких как пятна, неорганические загрязнители, ржавчина или окалина, с поверхности металла после изготовления с использованием кислотной ванны.

Алюминий образует защитный слой оксида при контакте с атмосферным воздухом, который защищает алюминий от дальнейшего ржавления и окисления. Однако сталь может ржаветь после травления. Чтобы защитить сталь от ржавчины, обычно используется тонкий слой масла для защиты стали, отсюда и термин «протравленная и промасленная сталь».

Какие бывают виды отделки листового металла?

Рулоны листового металла после горячей прокатки и травления могут использоваться в качестве так называемой ленты горячего проката.Если требуется специальная отделка, дальнейшая обработка выполняется, начиная с холодной прокатки, чтобы сделать листы еще тоньше. После этого рулоны листового металла могут пройти другие процессы отделки.

  • Гальванизация — процесс цинкования стальных листов для придания им коррозионной стойкости
  • Лужение — процесс лужения стальных листов для пищевых банок
  • Анодирование алюминия используется для создания более толстого защитного оксидного слоя
  • Отжиг используется для облегчения гибки и формирования металлических листов
  • Закалка используется для придания твердости и создания текстуры поверхности металлических листов с помощью специальных роликов

Westberg Sheetmetal предлагает детали из листового металла из широкого спектра материалов, включая:

  • Алюминий
  • Нержавеющая сталь
  • Бронза / латунь
  • Медь
  • MOCE
  • ELEE
  • ELEE

Для дальнейшей настройки запчастей Westberg предлагает параметры последующей обработки для добавления к листовым деталям, таких как:

  • Plating
  • Сварка
  • вставки
  • Порошковое покрытие
  • Другие варианты отделки по запросу
9000 0 Производство Производство


Процессы производства металлов

Процессы литья : Процессы литья металлов включают заливка расплавленного металла в полость формы, где, затвердев, металл принимает форма полости.Их можно разделить на две категории в зависимости от тип формы:

    Литье одноразовых форм: , где форма должны быть уничтожены, чтобы удалить часть
    Литье в постоянную форму: , для которой Форма изготовлена ​​из пластичного материала и может использоваться многократно.
    Порошковая металлургия: В порошковой металлургии металлический порошок прессуют в желаемую форму и нагревают, чтобы вызвать частицы соединяются в твердую массу.



Процессы деформации
: Процессы деформации включают металл процессы штамповки и обработки листового металла. В этих процессах используется пластическая деформация в результате использования инструмента, который прикладывает усилия к детали, которая превышает предел текучести металла. Различают два типа деформационных процессов:

    Объемные процессы: Объемные процессы деформации характеризуются большими деформациями и изменением формы, а также тем, что что отношение площади поверхности к объему относительно невелико.Массовые процессы включают прокатку, ковку, экструзию и волочение проволоки и прутков.
    Обработка листового металла: Обработка листового металла процессы выполняются на металлических листах, полосах и рулонах, имеющих высокую отношение площади поверхности к объему. Эти операции используют пуансон и матрицу для формирования заготовка. Гибка, волочение и резка – виды обработки листового металла. процессы.



Процессы удаления материала
: Эти процессы удаляют лишнее материал из заготовки для достижения нужной формы и включает:

    Операции механической обработки: Резка операции с использованием режущих инструментов, которые тверже металла изделия.Они включают в себя токарную обработку, сверление, фрезерование, формообразование, строгание, протяжку и пиление.
    Абразивная обработка: В этих методах материал удаляется абразивными частицами, которые обычно образуют связанный круг. Шлифовка, хонингование и притирка входят в эту категорию.
    Нетрадиционные процессы: Эти методы использовать лазеры, электронные лучи, химическую эрозию, электрический разряд и электрохимическую энергию вместо традиционных режущих и шлифовальных инструментов.

Процессы соединения и сборки: В этих операциях несколько частей соединяются постоянно или полупостоянно. чтобы образовать новую сущность.

Назад на страницу производства

Пожалуйста, присылайте любые вопросы или комментарии относительно этого веб-сайта по адресу [email protected]

© Меган Хенти и Н. Дж. Саламон, 1999, 2000.Все права защищены.

Переработано Уильямом К. Чоу в 2000 году.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *