Развитие машиностроения и других отраслей промышленности требует огромного количества металла. Для этого необходимо добыть руду, из которой на металлургических предприятиях получают металл. Основным способом извлечения металла из руды является выплавка, при которой происходят сложные химические окислительно-восстановительные реакции, требующие огромных затрат энергии или топлива. Выплавка черных (чугуна, стали) и цветных металлов, объемы производства оказывают существенное влияние на окружающую среду: велики потребности металлургии в сырье, топливе, энергии, воде, кислороде воздуха. Традиционные металлургические заводы не только потребляют много природных ресурсов, но и выбрасывают много отходов в атмосферу Земли, в реки и водоемы. Также много они выбрасывают тепла в атмосферу. Длительное время потребности промышленности в металле удовлетворялись, главным образом, благодаря экстенсивному развитию металлургии, т. е. увеличивался объем выпуска, строились новые заводы, наращивались мощности. Так, если в конце 50-х годов на каждого человека планеты приходилось около 100 кг производимого в год металла, то сейчас приходится примерно 230 кг. Несколько лет назад производство стали в нашей стране превзошло 150-миллионный рубеж (в тоннах) и превысило максимальный уровень, достигнутый черной металлургией США, которые длительное время лидировали в этой отрасли. Возникает естественный вопрос: до каких пределов возможно и целесообразно расширять объем производства металлов? Ведь помимо огромных капиталовложений, которых требует эта отрасль народного хозяйства для своего существования и развития, имеется и другой аспект — истощение недр и загрязнение биосферы. Отсюда могут быть сделаны два вывода: необходимо либо изыскать заменитель черных металлов, либо, резко улучшив качество, снизить расход металла в промышленности. Существует ли заменитель стали, чугуна, способный обеспечить снижение объемов производства? Большие надежды возлагались на синтетические материалы (в первую очередь — пластмассы). Однако возник ряд трудностей, связанных с производством, переработкой (регенерацией) и переоценкой прочностных и других свойств пластмасс. Многие из них не поддаются переработке и переплавке. В настоящее время ведутся поиски новых синтетических материалов (керамики, углеродного волокна, композиционных материалов и др.). Многие исследователи наиболее вероятным заменителем стали и чугуна считают алюминий, хотя темпы роста его производства пока недостаточны. Таким образом, реальных заменителей стали и чугуна на сегодня пока нет. В этой ситуации насущными оказываются два направления. Одно из них требует создания таких процессов металлообработки в промышленности и машиностроительных конструкций, которые позволили бы резко снизить расход металла. Это направление активно развивается, оно доказало свою не только экологическую, но и экономическую целесообразность. Второе направление связано с созданием полностью безотходных и экологически безопасных процессов получения черных металлов комплексной переработкой сырья. Желательно, чтобы сырье поставлялось с полной раскладкой на составляющие элементы. Тогда предприятия цветной металлургии, помимо основной продукции, могут выпускать железные порошки, химическое и искусственное сырье для производства редких металлов; металлургические — цемент, удобрения. Например, если так комплексно переработать хотя бы 10% рудных отходов, часто загромождающих площади вокруг металлургических предприятий, то по подсчетам специалистов, можно получить товарную продукцию на сумму около 0,5 млрд. руб. К сожалению, в нашей стране мало еще выплавляется металла из металлолома — всего 15% стали. А ведь вторичная металлургия позволяет экономить не только рудные, что само по себе очень важно, но и энергетические ресурсы. Затраты энергии на производство 1 т вторичных металлов, т. е. выплавленных из металлолома, меньше для алюминия в 12 раз, никеля — в 10, меди — в 6, цинка — в 4. В продукции черной металлургии обычно выделяют рядовой, массовый и качественный металлы. Понятно, что качественный (обычно более прочный, выносливый) металл может облегчить конструкцию. Конструкция будет иметь меньшую массу, что уменьшит добычу руды и выплавку металла. В перспективе такое деление, вероятно, постепенно исчезнет: при достигнутом уровне производства металла главное направление дальнейшего развития металлургии будет обеспечивать не столько количественный ее рост, сколько коренное улучшение качества и расширение сортамента (видов, типов, размеров) металлопродукции. Может возникнуть резонный вопрос о сохранении традиционных способов выплавки чугуна и стали (кстати, этим способам несколько десятков лет). Наверное, вы знаете, что чугун выплавляют в доменных печах. Условно процесс, протекающий в печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонентов шихты; восстановление окислов (при этом соединения металла с кислородом теряют кислород); науглероживание железа (ведь чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода до 6,7%); шлакообразование, т.е. соединение всего того, что осталось от руды, топлива. Эти процессы проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью на разных (по высоте) уровнях печи. Чугун используют в двух целях. Во-первых, в качестве конструкционного материала (литейный чугун), из которого делают отливки разных размеров и назначения (станины, валы, корпуса, утюги, сковороды). Во-вторых, в качестве передельного чугуна, из которого в мартеновских печах или конверторах (больших ретортах, выложенных изнутри огнеупорным материалом) осуществлением весьма сложных химических окислительновосстановительных реакций получают сталь с уменьшением процентного содержания углерода (от 6,7% примерно до 1% в инструментальных сталях и 0,1% — в конструкционных). Получение стали из передельного чугуна не является перспективным с экономической, экологической и энергетической точек зрения, поэтому повсеместно сокращается строительство доменных печей, изыскиваются новые способы извлечения железа из руды. Сталь всегда содержит примеси. Если марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки, то сера и фосфор относятся к вредным примесям, не поддающимся полному удалению. В малых количествах в стали постоянно присутствуют такие примеси, как кислород, водород, азот. Понятно, что чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. В зависимости от качества различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Для получения качественных сталей в металлургии необходимо удаление вредных примесей разными способами. Для решения этой задачи требуется принципиально новое оборудование, обеспечиваемое качественным сырьем. Таким сырьем в перспективе станут металлизированные окатыши, производство которых заключается в смешивании рудной мелочи и пыли с небольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего материала, обычно глины или извести. После небольшого увлажнения (до 10%) эту смесь помещают в пустотелый барабан. Рудная шихта, вращаясь в барабане, пересыпаясь с места на место, слипается, образуя круглые окатыши диаметром 25— 30 мм. Затем окатыши сушат или обжигают, чтобы сделать их достаточно прочными и применимыми в дальнейшем извлечении железа из руды. Для производства качественных сталей наиболее часто применяют дуговые электрические печи с вертикальными (графитовыми или угольными) электродами. Ток, нагревающий ванну в этих печах, проходит по цепи электрод — дуга — шлак — маталл — шлак — дуга — электрод. Индукционные печи состоят из индуктора в виде катушки из медной трубы, охлаждаемой водой, окружающей огнеупорный тигель, куда загружается плавящийся металл . Магнитные силовые линии, создаваемые катушкой, проходят через металл, находящийся в тигле, вызывают в нем вихревые токи, которые нагревают и плавят его. Эти печи используют для переплавки отходов легированных сталей (сталей с добавками различных химических элементов, повышающих прочность и улучшающих другие свойства), так как высокая температура, возможность создания вакуума и отсутствие науглероживания металла электродами (как это бывает в дуговых печах) позволяет получать в них стали с малым содержанием углерода и различные сложные сплавы. Новым и весьма перспективным металлургическим агрегатом является плазменная печь. Впервые в мире она была освоена промышленностью. По конструкции такая печь аналогична дуговой, с той лишь разницей, что вместо электродов энергия подводится к ванне с помощью так называемых плазмотронов. Плазмотрон создает как бы искусственную молнию, дуговой разряд, который поддерживается потоком газа (аргона). При этом создается новое состояние вещества — плазма, имеющая температуру (5—10) -104 К. То обстоятельство, что электроды не контактируют с ванной, позволяет выплавлять в плазменных печах особо низколегированные стали, потребность в которых непрерывно увеличивается. Одновременно с совершенствованием плавильных агрегатов интенсивно развивается и расчленение технологии на отдельные этапы, реализуемые в специальных агрегатах. В настоящее время уже известно значительное число различных приемов обработки стали вне печи. Эти приемы называют «внепечной обработкой». Пионером в области внепечной обработки был советский инженер А. С. Точинский, который еще в 20-х г. обрабатывал сталь специально подготовленным шлаком. Одним из основных способов получения качественных сталей является вакуумирование, суть которого заключается в том, что с уменьшением внешнего давления уменьшается растворимость газов (аналогично тому, что происходит, когда мы открываем бутылку газированной воды). Вакуумирование стали проводят в ковше, помещая его в камеру, соединенную с вакуумным насосом, позволяющим снизить давление над расплавом до 13—66 Па. Наиболее полно удаляется водород—виновник многих дефектов, особенно такого опасного, как флокены (мелкие трещины, расходящиеся от центра в виде лепестков цветка, отчего они и получили такое название). Эффективный прием улучшения качества — продувка расплавленного металла газами. Появился даже новый термин — газовая металлургия (по аналогии с вакуумной металлургией). Продувка газами стала возможной после освоения производства пористых огнеупоров с порами размерами 30—40 мкм, не позволяющими расплаву проникать в них. При продувке металл интенсивно перемешивается. С 70-х гг. в СССР жидкую сталь обрабатывают синтетическими шлаками с целью раскисления (удаления кислорода и других газов) и дополнительной очистки ее от серы и неметаллических включений. Для этого в отдельной печи расплавляют шлак из извести (55%), глинозема (44%) с небольшим количеством кремнезема и минимумом окислов железа (до 1%). Этот шлак заливают в разливочный ковш при температуре 1700°С в количестве 3—5% от массы выпускаемой стали. Струя стали, падая с трехметровой высоты, интенсивно смешивается со шлаком, что обеспечивает за короткий срок эффективное рафинирование (очищение). Количество серы в металле снижается на 50—70%. С целью значительного повышения качества стальных слитков в металлургии всего мира широко используют электрошлаковый переплав, который разработал академик Е. О. Патон в 1941 —1945 гг. Процесс осуществляют на установках для электрошлакового переплава (рис. 1, г). В слегка конусной водоохлаждаемой изложнице расплавляют слой шлака. Ко дну изложницы подводят полюс источника переменного тока большой силы, а стальной стержень или слиток / опускают в шлак и подводят к нему другой полюс. При этом стальной стержень разогревается и начинает плавиться его часть, опущенная в шлак. Капли металла, проходя через шлак 2, очищаются от металлических включений и растворенных газов. Попадая на холодные стенки водоохлаждаемой изложницы 3, капли начинают кристаллизоваться, образуя новый слиток. По мере его образования опускают либо поддон изложницы, либо первичный слиток — электрод. За последние годы реализация идей безотходного производства определила тенденцию использования в заготовительных цехах машиностроительных заводов специальных металлургических агрегатов (электродуговые печи, установки электрошлакового переплава, плазмотроны, электронно-лучевые установки и др.) для переплава штамповых и инструментальных сталей с использованием изношенных штампов, пресс-форм, крупных режущих инструментов. Таким образом, металлургическое производство становится привычным для машиностроительного завода. Каким был традиционный путь металла, например, изношенных штампов или пресс-форм? Обычно штампы резали (чтобы их удобнее было грузить и транспортировать), потом везли на металлургическое предприятие (часто на другой конец страны), где металл переплавляли, ковали для получения плит или прутков, затем везли обратно на машиностроительный завод, в инструментальный цех. С появлением «малой» металлургии на машиностроительном заводе описанный путь резко сократился: изношенные штампы и пресс-формы, отходы после обработки резанием поступают в соседний цех в электродуговые, плазменные печи или установки электрошлакового переплава. Преимущества использования в качестве сырья (скрапа) металлолома и отходов очевидны. Во-первых, сокращаются затраты труда и энергии на добычу руды, извлечение металла из руды, во-вторых, открывается путь к улучшению качества выплавляемого металла. Вот почему на машиностроительных заводах много внимания уделяется сбору отходов, вот почему вообще в народном хозяйстве страны еще больше внимания должно уделяться ускорению возвращения металлолома и отходов в цехи переплавки. Наверное, уже нет необходимости подчеркивать народнохозяйственное значение сбора металлолома, в котором принимают участие школьники.
