Из чего выплавляют металлы

Обновлено: 19.05.2024

Большинство металлов представляют собой химические соединения. Такая форма не позволяет получить полноценный материал для дальнейшего производства конечных изделий. Добываемая на месторождениях руда не подходит для данных целей. Чтобы получить из сырья металл, сырье должно подвергаться определенному технологическому процессу.

В какой форме металл встречается в природе?

Всего существует две разновидности, в которой добываются металлы:

Самородная форма. Платина, ртуть, золото, медь, серебро и некоторые другие металлы в природе находятся уже в свободном состоянии. Они не требуют длительной обработки. Чтобы получить сырье для изготовления конечного изделия, такие металлы очищают от примесей механически либо с задействованием реагентов.
В виде руды. Представляют собой соединения, которое находится в горных породах/минералах. Извлечение металла производится исключительно промышленным способам. В руде обычно встречаются либо оксид, либо соли металлов. К последним относятся сульфиды и карбонаты. Одна руда может содержать несколько металлов, то есть являются полиметаллическими, к примеру, медно-цинковые, свинцово-серебряные и другие.

Вторая форма встречается в природе гораздо чаще. Исключение составляют только драгоценные металлы, добыча которых связана с очисткой от посторонних примесей.

Какие способы получения металла существуют?

Руда, в которой содержатся разнообразные соединения металла, бывает разной. Конкретный состав влияет на технологию получения материала:

Восстановление из оксидов с задействованием углерода. Относится к основному способу получения многих металлов. Из оловянного камня выплавляют — олово, из железной руды получают чугун. Из других металлов выплавку проводят из оксидов.
Обжиг в специальной промышленной печи. Данная технология применяется к сернистой руде. Этот способ предполагает то, что в результате обжига в специальной печи получают сернистое соединение.

Состав руды напрямую влияет на конкретную технологию обработки руды.

Металлургическая промышленность

Представляет собой отрасль производства по получению разнообразных металлов из руды. Металлургией называют не только промышленное производство. Этот термин применяется и к науке, изучающей различные промышленные методы получения металла. Металлургический процесс представляет собой восстановление катионов металла с задействованием самых различных восстановителей.
Металл из руды получают при задействовании определенных восстановителей. Последние подбирают с учетом активной составляющей металла, затратах, соблюдения экологических правил. Обязательно рассматривают и целесообразность выполнения металлургического процесса. Применяют три основных технологии получения металла из различной руды:

электрометаллургическую;
пирометаллургическую;
гидрометаллургическую.

Каждый метод обработки руды имеет свои особенности.

Гидрометаллургия

Заключается в восстановлении металла из солевых водяных растворов. Этот технологический процесс проводится в два этапа:

в правильно подобранном реагенте растворяют рудное соединение, которое позволяет получить раствор соли металла;
из раствора, полученного в первом шаге, вытесняют либо активные металлы, либо проводят электролитическое восстановление.

Чтобы получить чистую медь из руды с содержанием CuO, на сырье воздействуют серной разбавленной кислотой. Из раствора сульфата методом вытеснения железа либо электролизом получают чистую медь. По аналогичной (близкой к данной методике) вырабатывают золото, уран, цинк, молибден, серебро.

Электрометаллургия и пирометаллургия

Технология электрометаллургии представляет собой восстановление металла посредством метода электролиза расплава либо раствора из данных соединений. Подобным образом получают металлы из руды щелочных, щелочноземельных металлов или алюминия. Электролиз применяют для расплавов оксидов, хлоридов металлов, гидроксидов.
Пирометаллургия представляет собой технологию восстановления из руды при высокой температуре, а также с такими восстановителями, как магний, алюминий, двуокись углерода, водорода либо углерода. Олово получают из касситерита, а медь — из куприта путем прокаливания с коксом, то есть углеродом.

Получение металла из сульфидных и карбонатных руд

На первом этапе сульфидные руды подвергают обжигу, когда к сырью поступает воздух. В результате получают оксид, который восстанавливают с помощью угля. Аналогичным способом прокаливают карбонатные руды. Они распадаются под воздействием высоких температур и образуют оксиды, которые затем восстанавливают углем.

Данная процедура позволяет получить цинк, германий, свинец, железо, медь, кадмий и прочие металлы. Они отличаются тем, что не образуют прочные карбиды с углеродом. В качестве восстановителей могут выступать водород и активные металлы. Данный метод позволяет получать довольно чистые металлы. Чаще всего задействуют алюминий, который имеет высокую теплоту образования оксида.

Как получают щелочные металлы?

Массовое получение щелочных металлов считается одним из самых сложных процессов. Это обусловлено высокой активностью данного соединения, поскольку в природе оно встречается исключительно в связанном виде. Сильные восстановители требуют больших энергетических затрат. Они могут быть полученны четырьмя способами:

Литий производят из оксида в вакууме либо посредством электролиза хлорида этой руды, который получают путем переработки сподумена.
Натрий получают путем прокаливания соды и угля в закрытом плотно тигле. Еще одним способом получения данного металла является электролиз расплава хлорида натрия с задействованием кальция.
Рубидий и цезий получают восстановлением хлоридов, соединением с помощью кальция при температуре от 700 и до 800 градусов. Если задействуют цирконий, температура может опускаться до 650 градусов. Такая технология получения металла из руды является энергозатратной и дорогой.
Калий производят при выполнении электролиза расплава солей либо пропусканием паров натрия через хлорид данного соединения. Этот металл получают при вступлении в реакцию гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440 градусов.

В чем заключаются отличия сплавов от металлов?

Никакой принципиальной разницы между этими двумя понятиями не существует. Это обусловлено тем, что даже металлы, которые считаются чистейшими, содержат в себе даже небольшое количество примесей. Любые используемые в промышленности и других отраслях металлы являются сплавами по своей сути. Их получают в результате целенаправленного добавления к металлу соединений или элементов для улучшения физических свойств и достижения необходимых эксплуатационных показателей.

Почему используют именно сплавы?

Технику производят из металлических материалов с многочисленными свойствами. Чистейшие и полученные различные способами металлы содержат в себе небольшие следы примесей, но не обладают нужными характеристиками. Чтобы добиться необходимых эксплуатационных свойств, используют сплавы.
Они обладают необходимыми физическими свойствами и позволяют производить огромное количество разнообразных изделий. Сплавами называют однородные макроскопические материалы, которые являются двух- и многокомпонентными. Основная доля химических элементов приходится именно на металлы.

Сплавы отличаются собственной структурой. Все сплавы состоят из следующих компонентов:

основы — один либо большее количество металлов;
добавки — модифицирующие либо легирующие в небольшом количестве;
примеси — остаточные вещества природного, случайного либо технологического характера.

Конкретный состав уже обусловлен сплавом и конкретным производимым конечным изделием.

Подведение итогов

Металлы, которые используются в производстве различных изделий, не являются чистыми. Большинство добывают в виде руды. Она изымается в карьеры чаще всего подрывным способом и доставляется на перерабатывающий металлургический комбинат. Конкретный метод обработки зависит от разновидности руды.
Получаемый в результате металл может быть условно чистейшим, поскольку содержит некоторое количество примесей. Это не делает его пригодным для производства конечных изделий, поскольку материал еще не обладает всеми необходимыми эксплуатационными свойствами. Для изготовления металлической продукции используют сплавы.

Путь металла от руды до изделия

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлические элементы встречаются в земной коре, в почве и воде в виде простых и сложных веществ. Получение металлов в промышленности основано на химическом составе сырья и свойствах компонентов.

Понятие о металлургии

Металлургия — получение металлов из руд — один из древнейших видов человеческой деятельности. Еще во втором тысячелетии до н. э. в Египте умели выплавлять железо из железной руды. Так называемый железный век пришел на смену бронзовому, тот, в свою очередь, наступил после каменного.

Получают металлы из рудных полезных ископаемых. Например, халькопирит или медный колчедан — сырье для производства железа, меди и серы (Рис. 1). Химическая формула минерала CuFeS₂. Металлы в составе других руд находятся в виде оксидов или солей неорганических кислот, химически связанных катионов.

Рис. 1. Халькопирит

Суть металлургического процесса заключается в восстановлении положительных ионов до свободных атомов металла. Используют в качестве источников электронов углерод и его соединения, водород, металлы. В процессе восстановления катионы получают недостающие электроны. Происходит восстановление электронных оболочек металла. Схема процесса:

Ме +n + ne - → Me, где

Ме +n — металл в окисленной форме;
+n — степень окисления;
ne - — количество присоединяемых электронов;
Ме — металл в восстановленной форме.

Способы получения металлов

В зависимости от того, кокой восстановитель используют в металлургическом процессе различают: пиро - , гидро, электро - и биометаллургию.

Наиболее распространенные способы получения металлов: пирометаллургический и электрометаллургический. Большинство реакций восстановления протекают при высоких температурах (Рис. 2). Так как металлическая связь обладает повышенной прочностью, то выделение металлов в чистом виде из природных соединений проводят при высоких температурах.

Рис. 2. Металлургическое производство

Пирометаллургический способ

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах при участии восстановителей. В переводе с греческого «пирос» означает «огненный». Используют в качестве восстановителей кокс, диоксид углерода, водород. Применяют активные металлы для получения менее активных.

Пирометаллургия подразделяется на

карботермия,
водородотермия,
металлотермию.

Карботермия: перевод сульфида металла путем обжига в оксид и дальнейшим восстановлением углем до чистого состояния.

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2 SO2

Руды, состоящие из оксидов и сульфидов железа, подвергают карботермии. Проводят восстановление коксом или диоксидом углерода (угарным газом). Получают сплавы железа — чугун и сталь. Первый содержит больше углерода, а также оксидов серы, фосфора и кремния. Углерод снижает твердость и другие характерные для металлов качества.

Химические реакции, лежащие в основе выплавки чугуна:

Сталь выплавляют в специальных печах — электрических, конвертерных, мартеновских (Рис. 3). При продувании обогащенного кислородом воздуха выгорает избыточный углерод, его содержание уменьшается до 2% и ниже. Этот способ является более экономически применим, т.к. при помощи него получают сталь и чугун, которые широко используются в современной промышленности.

Рис. 3. Пирометаллургия

Восстановлением углем можно получить железо, медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и другие металлы. В качестве сырья используют медную (Cu₂O), оловянную (SnO₂)_, марганцевую (MnO₂) руды.

Схема получение железа и хрома	(Cr₂Fe)O₄ + 4C(кокс) = Fe + 2Cr + 4CO↑
Реакция, лежащая в основе выплавки меди	Cu₂O + C (кокс) = 2Cu + CO↑
Схема производство олова	SnO₂ + 2C (кокс) = Sn + 2CO↑
Процесс выплавки марганца	MnO₂ + C(кокс) = Mn + CO₂↑
Схема получения свинца	2PbO + C → Pb + CO↑

Металлы можно извлечь из сульфидных руд. Сначала проводят обжиг, затем — восстановление полученного оксида углем. Схемы обжига цинковой обманки и получение цинка:

2ZnS +3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑;
ZnO + C = Zn + CO↑.

Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:

Водородотермия — производство металлов восстановлением водородом

Достоинством этого металлургического метода является получение очень чистых металлов. Восстановление меди из оксида CuO — пример восстановительных свойств водорода из школьного курса неорганической химии. Схема протекания реакции (Рис 4):

Рис. 4. Восстановление меди водородом

Водородом восстанавливают из оксидов тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

Металлотермия

Проводят восстановление одного металла другим, более химически активным. Этот способ применяют для получения металлов из оксидов и галогенидов.

В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием.

Схема получение марганца	3MnO₂ + 4Al = 3Mn + 2Al₂O₃
Процесс выплавки хрома	Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃
Схема получение кальция	4CaO+ 2Al= 2Ca+ (CaAl₂)O₄

Силикотермия — восстановление металлов кремнием. Процесс протекает согласно схеме: 2MgO + Si → 2Mg + SiO₂.

Гидрометаллургический способ

Гидрометаллургия — способ получения благородных, цветных, редких металлов. Например, оксид меди сначала переводят в сульфат с помощью серной кислоты. Медь вытесняют из раствора железом. Протекает следующая реакция замещения: CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄. Либо медь извлекают из раствора электролизом. Пропускают электрический ток, ионы Cu 2+ осаждаются на катоде.

Преимущество гидрометаллургического способа — возможность получать металлы из бедных руд. Еще один плюс метода — снижение газообразных выбросов в атмосферу. Большое количество вредных газов и сажи поступает в воздух при обжиге руды и пирометаллургии.

Электролиз

Электролиз расплавов оксидов, солей и гидроксидов проводят для получения металлов, расположенных в ряду активности от лития до марганца. Электролиз водных растворов служит для производства менее активных металлов (Рис. 5).

Рис. 5. В цехе электролиза

Электролиз расплавов

Катодные (восстановительные) процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и водорода или молекул воды.

Для растворов кислот: К(-) Н + + 2 е - ⟶H₂ 0 ↑.
Для растворов солей или щелочей: К(-) M n+ , H₂O.

Характер восстановительного процесса зависит от значения стандартного потенциала металла:

Li, Cs, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al

Катионы этих металлов не восстанавливаются, восстановлению подвергаются молекулы воды 2 H₂O +2 е - ⟶H₂ + ОН -

Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Pb

Катионы этих металлов восстанавливаются одновременно с молекулами воды, поэтому на катоде одновременно выделяются и H_{2 и металл}

Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Катионы этих металлов легко и полностью восстанавливаются на катоде

Схема электролиза расплава хлорида натрия: 2NaCl (эл. ток) → 2Na + Cl₂↑.

Схема электролиза сульфата марганца в растворе: 2MnSO₄ + 2H₂O (эл. ток) → 2Mn + O₂↑+2H₂SO₄.

Способ термического разложения

Железо с диоксидом углерода при повышенных давлении и температуре образует пентакарбонил Fe(CO)₅. Эту жидкую субстанцию перегоняют для очистки от примесей, затем нагревают. Карбонил разлагается с образованием порошка железа. Дальнейшее нагревание в вакууме или атмосфере водорода приводит к получению очень чистого железа. Схема процесса: Fe(CO)₅ → Fe + 5CO↑.

Биометаллургия

Способ, основанный на биохимических процессах с участием микроорганизмов. Метод получил распространение на Западе, так как позволяет меньше загрязнять окружающую среду. Биометаллургия служит для получения меди, серебра, никеля, свинца, урана, рения и ряда других металлов.

Кроме собственно добычи металла из природных соединений (руд), металлургия включает в себя вторичную переработку сплавов и металлических изделий. Минеральные ресурсы Земли огромны, но конечны, а переплавка бывших в употреблении изделий бывает выгоднее и проще. Иногда обработку металлов тоже относят к металлургии, поэтому можно сказать, что это действительно одна из самых крупных областей промышленности.

Плавка металлов за 9 минут в микроволновке и другие интересные штуки: обзор ТОП7 самоделок + еще одна

Микроволновые печи… Они достаточно давно вошли в нашу жизнь и занимают в ней прочное место, благодаря своим уникальным качествам, которые дают возможность любому пользователю быстро и беспроблемно согревать любые продукты, а также производить их готовку.

Однако, многие даже не догадываются, что их обычный бытовой аппарат — способен на гораздо большие «подвиги», чем принято считать. Вот об этом мы и поговорим ниже.

Автор статьи также является многолетним владельцем микроволновой печи, впрочем, как и достаточно большое число людей в России (рискнем сделать такое смелое предположение).

Как и у любой техники, у микроволновой печи существует свой срок эксплуатации, по истечении которого, она выходит из строя или подаёт симптомы к скорому наступлению данного события.

На написание такой статьи автора подтолкнуло то, что его микроволновая печь стала подавать явственные признаки, что конец её близок. В нашем случае, это заключается не в выходе из строя электронной части, а скорее в физическом износе самой камеры нагрева: износилось лакокрасочное покрытие, ввиду чего, есть риск получить пищу, с кусочками краски в её составе (Ммм вкуснотишша! Всё, как мы любим! Sarcasm mode: off).

Справедливо рассудив, что этот ингредиент никоим образом не может улучшить вкус приготовляемых продуктов, а встроенная на уровне прошивки жаба не даёт автору выкинуть микроволновку, — он решил «пуститься во все тяжкие». А именно: посмотреть, а что ещё можно сотворить на базе микроволновки, если её полностью разобрать или же использовать как-то в других целях. Для этого было решено «прошерстить» просторы YouTube, который дал пищу для размышлений относительно того, какую судьбу для микроволновки стоит выбрать…

Следствием данных поисков стал личный хит-парад поделок, среди которых наблюдаются весьма любопытные применения микроволновой печи. Предлагаем вам тоже знакомиться с данными «поделиями».

Сразу оговоримся, что данная подборка не претендует на исключительную полноту и корректность ранжирования. Возможно даже, кто-то может посчитать мнение автора некорректным. Будем рады, если Вы выскажите своё мнение в комментариях к статье.
Автор также предупреждает, что для выполнения всего нижеописанного строго обязательно выполнение техники безопасности. Осуществляя какие-либо эксперименты, описанные в статье, вы делаете это на свой страх и риск,
автор не несёт ответственности за последствия.

▍ Итак, начнем!

Проводя любой поиск на тему самоделок, на основе микроволновки, любой исследователь обязательно натолкнется на такого известного блогера, как «Креосан». Это имя является нарицательным и широко известно на просторах Рунета. Поэтому он не нуждается в специальном представлении. Мнения относительно его опытов, как правило, достаточно полярны. Однако сейчас мы сосредоточимся не на особенностях рассмотрения субъективных оценок его опытов.

В своё время он провел достаточно любопытный опыт, который поднял широкую волну на просторах интернета. Опыт заключался в том, что магнетрон микроволновки был использован в качестве излучающего устройства, которое позволяло (по утверждениям его автора) создать некую дальнобойную микроволновую пушку. Ввиду запрета на встраивание видео, вы можете его посмотреть по ссылке, на youtube.

Видео вызвало нешуточный вал споров. Вал дошел даже до зарубежного сегмента интернета и ряд блогеров, в частности, известный блогер Allen Pan взялся проверить утверждения, изложенные в ролике выше.

Судя по анализу этого блогера, показанное в рассматриваемом ролике — «не совсем соответствует» реальности :-).

Но автор статьи решил пойти дальше, так как не планировал поджаривать соседей микроволновой пушкой.

Следующее видео, которое заставляет задуматься, это рассказ о том, как на основе трансформатора микроволновки сделать свой сварочный аппарат.

Кстати, если интересно, можно ознакомиться с устройством типичного трансформатора микроволновки:

Хммм уже интересней… Если кратко обобщить изложенную информацию, то переделка трансформатора под сварочный аппарат, как правило, заключается в том, что видоизменяется вторичная обмотка, в целях понижения напряжения и увеличения силы тока.

Однако, ввиду того, что у автора уже есть хороший сварочный аппарат инверторного типа, — такие самоделки его не заинтересовали. Это связано с тем, что современные инверторные сварочные аппараты дают своему пользователю достаточно широкие возможности по регулировке как силы тока, так и обеспечивают его интеллектуальными алгоритмами зажигания дуги. Не говоря уже о том, что физические размеры таких аппаратов весьма скромны и цена их более чем приемлема.

А вот следующая поделка , является достаточно полезной и заинтересует многих: создание аппарата точечной сварки. Для любого домашнего мастера, такой аппарат является весьма полезным, так как позволяет быстро соединять различные детали. Аппарат точечной сварки может быть весьма полезным в разработке собственных блоков питания (пауэрбанков), для чего потребуется быстрая приварка контактных пластин к различным аккумуляторным батареям, в частности, литий-ионным. Батареи такого типа весьма не рекомендуется перегревать, ввиду чего, в заводских сборках широко используется точечная сварка для прикрепления контактов:

Как можно было легко понять из предыдущих опытов, трансформатор микроволновки является достаточно мощным и легко переделывается в целях разнообразных самоделок. Благодаря этому, он является частой основой для создания разнообразных систем питания, таких широко известных и эффектных конструкций, работающих на основе токов высокого напряжения, — как катушка Тесла и лестница Иакова:

Говоря о первой самоделке, — катушке Тесла, можно сказать, что она является весьма частой в изготовлении различными «энтузиастами высокого напряжения». Такая катушка позволяет производить разнообразные интересные опыты, в числе которых широко известный опыт по созданию «поющего» разряда:

Этот опыт широко вышел за пределы разнообразных лабораторий и комнатушек самодельщиков, с применением данного эффекта проводятся даже разнообразные шоу (весьма эффектные, надо сказать):

Если кто заинтересовался этой темой, то по следующему адресу можно найти достаточно подробное описание по созданию катушек Тесла, с длиной получаемых разрядов до полутора метров!

И потихоньку, мы начинаем приближаться к самым интересным, на взгляд автора, самоделкам на базе микроволновки, — первой из которых является способ плавления стекла.

Способ выглядит так — предварительно измельченное стекло помещается в специальный теплоизолированный корпус печки для плавления, в котором и происходит его последующее спекание:

Работа печей для фьюзинга базируется на 2 различающихся способах:

1) на дно специальной камеры для плавления укладывается кружок из карбида кремния или несколько подобных кружков. Они и являются тепловыделяющим(и) элементом(элементами), которые преобразуют энергию микроволн — в тепло;

2) камера плавления представляет собой герметичную теплоизолированную камеру, которая изнутри выложена слоем карбида кремния. Данное покрытие также играет роль тепловыделяющего элемента, который и нагревает собственно камеру — изнутри.

Это занятие является достаточно увлекательным и занимаются им широкие слои, преимущественно женского, населения и их можно понять!

Если посмотреть на результаты удачных примеров «фьюзинга», то бишь спекания стекла, — то они поражают своей эстетической красотой и осознанием того факта, что подобные изделия могут быть получены в домашних условиях!

Если вы всерьез заинтересовались этим занятием, то на известном сайте имеются наборы начинающего.

При анализе информации, доступной в интернете по теме фьюзинга, была выявлена явная проблема , с которой сталкивается большинство энтузиастов этого дела: отсутствие четко контролируемого процесса нагрева и охлаждения. Такая проблема приводит к тому, что в получившемся изделии остаются остаточные напряжения, которые могут в любой момент привести к неожиданному его разрушению. Легко представить себе последствия, если предположить, что данное изделие является некой декоративной подвеской на шее, или серьгами в ушах!

Поэтому, здесь наблюдается явная возможность для знатоков программирования и физической «железной» части, такой, как плата Arduino или более продвинутой версии — esp32. С использованием данного подхода, можно, после проведения ряда тестовых итераций, разработать соответствующую программу оптимального нагрева и охлаждения, которая позволит получать достойные стеклянные изделия с минимальным содержанием остаточных напряжений или совсем без оных.

И наконец, мы подошли к самому интересному моменту нашего хит-парада: плавление металла в обычной микроволновке! (на этом месте автор начинает ходить из угла в угол, с безумным взглядом, что то бормочет и машет руками. Успокоившись – продолжает дальше…)

В это сложно поверить, однако существует способ, который позволяет легко плавить металлы, имеющие температуру плавления до 1200 градусов в обычной микроволновке, мощностью не менее 700 Вт!

Способ заключается в том, что для плавления используется тигель из графита, с покрытием из карбида кремния, который и является радиопоглощающим материалом, эффективно переводящим энергию микроволнового излучения — в тепло. Это позволяет плавить металлы (если на примере бронзы), — то в районе 80 грамм, за одну закладку.

Способ плавления металлов с использованием микроволновки является особенно интересным в связи с тем, что эта технология практически полностью укладывается в один из принципов ТРИЗ (теории решения изобретательских задач), который, утрированно, звучит примерно так: «идеальная машина — это та, которой не существует, однако её функции – выполняются».

Под этим подразумевается, что для плавления можно использовать специализированные устройства, однако лучше использовать обычное бытовое устройство, которое изначально не предназначено для данных целей и по сути, можно сказать, что мы «плавим металл в отсутствующей плавильной печи».

Рассмотренный в микроволновом способе плавки тигель у автора выдерживал 50 плавок без каких-либо признаков разрушения.

Там же, продаются доступные по цене комплекты для плавления. Да, конечно, можно приобрести на известном сайте Aliexpress «муфельную плавильную печь», однако она тоже не лишена существенных недостатков.

Если же брать индукционную плавильную печь, то она требует подключения воды — для охлаждения и так же не является слишком дешевой, а также требует времени на доставку.

Плавление же с использованием микроволновки является особенно интересным, если учесть возможность литья металла по выплавляемой модели, например, как в этой статье.

Или же в этих видео:

Единственной проблемой при таком подходе, на взгляд автора, является то, что при литье по выплавляемой модели, — требуется предварительно выплавить данную модель из подготовленных для литья форм. Даже если мы используем для предварительной 3D печати легкоплавкий пластик PLA, его удаление из готовой формы может стать определенной проблемой. А именно, потребуется достаточно высокая температура, чтобы выплавить его или даже выжечь из такой формы.

Проанализировав опыт других людей, автор пришел к выводу, что наиболее приемлемым подходом в данном случае является использование высокотемпературной горелки, в качестве которой можно воспользоваться, например, паяльной лампой.

Конечно, этот процесс вряд ли можно воспроизвести «в ванной комнате, пока жена спит» и потребуется, как минимум, выйти во двор.

Однако сама вероятность создания металлических изделий с использованием 3D принтера и имеющейся в наличии микроволновки, — является весьма примечательной и достойной внимательного рассмотрения!

Творчески сочетая 2 рассмотренных выше способа , а именно, — плавление металла и стекла, можно получать весьма интересные вещи, как например, заливка расплавленным стеклом — металлических форм. В итоге получаются практически ювелирные изделия. Способ базируется на заполнении пустот в металлической форме — специальной «горячей эмалью», которая представляет собой смесь стеклянного порошка различных цветов со связующим:

Освоив данную связку двух технологий, вы сможете делать весьма любопытные вещи, как в видео ниже. Автор для прогрева использует горелку, но у вас есть способ лучше — микроволновка! Это видео вы можете использовать для ориентира, что вообще возможно делать:

Примечание. Температура плавления силикатного стекла составляет в районе 425 — 600°C. Выше температуры плавления стекло становится жидкостью. Температура плавления металла, например, бронзы — составляет в районе 950°C.
Таким образом, зная температуру плавления металла, который вы используете и снимая показания температуры с помощью термопары (например), возможно плавить только стекло и не доводить до плавления металл. И стекло заполнит все нужные места в металле, а сам металл — не повредится!

▍ Бонус

Завершая рассказ, нельзя не упомянуть еще одну достаточно забавную поделку, которая была в своё время изготовлена упомянутым ранее блогером Allen-ом Pan-ом. Для её создания он использовал трансформатор от микроволновки, который был переделан в электромагнит.

Кроме того, в её составе были использованы следующие компоненты: плата Arduino Pro Mini, аккумулятор на 12 вольт, твердотельное реле, емкостной датчик, подключенный к рукоятке и сканер отпечатка пальца. Всё это было помещено в компактный корпус в форме молота («Мьёльнир»-а), принадлежащего Богу грома «Тору» (согласно Вселенной «Марвел»).

Работает устройство следующим образом: как только кто-либо берется за рукоятку, срабатывает емкостный датчик и включается электромагнит, благодаря чему молот намертво приклеивается к любой металлической поверхности, на которую он был предварительно установлен.

Любой, кто попытается оторвать молот от поверхности — потерпит неудачу, так как касание рукоятки включает электромагнит!

Оторвать же молот от поверхности и отключить его магнит, — может только хозяин, так как система откалибрована на распознавание отпечатка именно его пальца, которым он должен предварительно коснуться сканера. Получилось смешно:

Если кто-то задумает повторить такую самоделку, следующее видео может ему в этом помочь: здесь достаточно подробно показывается процесс изготовления электромагнита — из трансформатора микроволновки:

Также, в настоящее время возможно упростить конструкцию молота, если взять вместо платы Arduino Pro Mini — плату esp32: она содержит сенсорные пины, к которым можно подключить металлические площадки на рукоятке молота (предусмотрительно размещенные ранее). И вести обработку события «отпустить молот» исключительно логическим путём («если площадка 1 удерживается и по площадке 2 в этот момент — два раза постучали пальцем, то отпустить молот» и т.д.). В таком случае, самоделка будет еще привлекательней, так как пропадет существенный демаскирующий признак — сканер отпечатка пальца.

Как можно видеть из этого длинного рассказа, микроволновка, — это не только средство для приготовления и разогрева пищи, но и неисчерпаемый кладезь компонентов, которые позволят вам создать свои экспериментальные и даже вполне полезные вещи.

Для некоторых из этих неординарных применений, даже не требуется каких-либо её переделок!

Что же касается самого автора рассказа, то в списке его предпочтений, так сказать, «личного хит-парада», — первое место прочно занимает методика плавки металла в микроволновке.

К описанной технологии плавки хотелось бы добавить еще одно примечание, что в микроволновке плавится партия металла не более 80 грамм за один раз. Соответственно — для заливки такого объема металла не нужна слишком большая форма, и форма может быть легко обожжена на обычной бытовой газовой плите кухонного назначения (если у вас в наличии имеется таковая, а не электрическая плита).

При таком подходе, — процесс плавки металла становится поистине домашним и, можно даже сказать, уютным (в этом месте на заднем плане должен звучать зловещий хохот безумного учёного).

В любом случае, надеемся, что этот рассказ был для вас полезным и интересным, дав каждому читателю пищу для размышлений!

Европейская металлургия от костра до мартена

На протяжении всей истории человечества образ хозяйствования нашей цивилизации определяли металлы. Вообще говоря, все первые металлы, открытые человечеством, стоят правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Это так просто потому, что все остальные по закону неумолимой термодинамики будут окислены во влажных и окислительных условиях атмосферы и литосферы. Точнее говоря, те, что правее водорода, тоже будут окислены – но сильно позже. А пока что встречайте: медь, серебро, золото, сурьма!

Справа все интересующие нас металлы, а заодно ртуть и платина. Не влезли палладий и висмут, но они встречаются реже метеоритов

Все эти элементы при определенной доле удачи могут быть встречены в самородном виде – неслыханное счастье для тех, кому до того предстояло пользоваться каменными орудиями труда. Металлу можно придавать почти любую форму, он не раскалывается, а деформируется при ударах, а еще его можно затачивать и делать качественно лучшие орудия труда. Золото, серебро и медь уже к позднему неолиту вовсю использовались для изготовления украшений, а в 6 тысячелетию человечество открыло для себя медные инструменты. Однако самым лучшим доступным металлом было, конечно, железо. Для того, чтобы найти его в чистом виде, нужно поистине дьявольское везение – оно встречается только в упавших метеоритах и является настоящей царской прерогативой (так, кинжал из гробницы Тутанхамона сделан именно из такого железа).

Новую веху в истории обработки металлов ознаменовала восстановительная металлургия. Люди открыли, что, если спекать некоторые минералы с углем, в камешках получившегося шлака заблестят кусочки меди. Это позволило человечеству перейти на небывало высокий по сравнению с неолитом уровень технологий. Новые медные инструменты и так были на порядок лучше каменных, но теперь они стали по-настоящему доступны. Вскоре появились первые печи для плавки меди, которые, например, можно найти в древних городах Анатолии. Так, первое найденное литое изделие датируется 5000 г. до н. э.

диаграмма Эллингема

Теперь сделаем небольшое отступление обратно к современности и обратим свои взоры на диаграмму Эллингема. Эта диаграмма показывает нам, насколько при разных температурах стабильны различные оксиды. Также она позволяет легко определить, восстановит ли углерод или угарный газ нужный оксид до металла при данной температуре – для этого всего лишь нужно посмотреть, в какой точке линия С и СО становится ниже линии соответствующего металла. Из нее можно понять, например, что даже при небольшом нагревании и углеродом, и угарным газом медь восстановится со свистом, а вот чтобы восстановить железо, придется хорошенько постараться (но все же меньше, чем для многих других металлов).

Проблема состоит не только в этом. Мало просто восстановить металл, необходимо его еще и расплавить, иначе вместо слитка, которому можно придать любую форму, получится просто серый (в случае железа) или красный (в случае меди) порошок. Поэтому для эффективного изготовления железных изделий нужна такая печь, которая сможет расплавить железо. Однако построить ее не так-то просто, первые железоделательные печи появились на территории той же Анатолии у хеттов примерно к 1200 г. до н. э. До этого человечество обходилось медью или бронзой – сплавом меди с мышьяком или оловом (бронза была попрочнее меди, дольше изнашивалась и плавилась при меньшей температуре).

Сыродутная печь

Такие требования сформировали облик европейской железной металлургии на многие века. Схема печи оставалась общей: высокая глиняная/земляная труба, в которой вперемежку уложены слои железной руды (как правило, болотной бурой слизи или каменной руды) и древесный уголь. Все это мероприятие было крайне малопрофитным в смысле целевого продукта, в железо превращалось около 30% руды в лучшем случае. Несмотря на это, железные орудия были на порядок выгоднее орудия из любого другого металла, доступного европейцам, из-за не в пример большего качества.

Описанный выше способ выплавки железа назывался сыродутным. Получившийся кусок железа содержал крайне большое количество шлаков, поэтому его проковывали большое количество раз. При этом получившееся железо обладало существенным недостатком. При получении оно было крайне твердым и незатачиваемым (так как содержало большое количество углерода), а при дальнейшем выгорании – очень мягким. Поэтому единственным способом получить нормальное, функциональное изделие было сваривание нескольких пакетов железа методом проковки сложенных слоев железа, просыпанных между собой бурой. Усовершенствовав технологи многократной проковки заготовки до предела и чередуя мягкие и твердые слои железа, человечество научилось изготавливать булатную сталь – один из лучших видов металлургической продукции своего времени.

Одним из основных шлаков в металлургическом производстве Средневековья был чугун. Он выплавлялся из руды раньше всех, потому что в нем больше углерода, а, чем больше в каком-либо твердом веществе примеси, тем ниже его температура плавления. Также чугун крайне хрупок и тяжел, что затрудняло его применение в металлургии. Довольно большая часть железа всегда уходила в шлаки в виде чугуна, откуда его было уже не выдернуть. В больших по размеру печах (штукофенах и блауофенах) с четырех-пятиметровыми «резервуарами» для руды и угля в чугун и шлак уходило просто огромное количество железа. Обычно из чугуна потом изготавливали низкотехнологические изделия типа кувалд, ядер и прочего. Забавный факт – и по сей день шлаки металлургического производства используются в дорожном строительстве как материал для брусчатки.

Схема современной доменной печи

Следующей вехой развития железного производства стали доменные печи. Человечество догадалось, что, если печь сделать достаточно большой, можно будет подбрасывать в нее уголь и руду прямо в процессе плавки, а железо, сталь, чугун и шлаки сливать из нее через отдельные летки. Этот процесс в 15-16 вв. стал очередным технологическим бумом для Европы – несмотря на то, что доменную печь нельзя было останавливать, а угля и руды она жрала абсолютно непомерное количество, она позволила европейцам превзойти весь мир по выплавке металла на душу населения, а, следовательно, по артиллерийской мощи.

С учетом роста населения и постоянно растущего спроса на железо его производство на душу населения в 11-13 вв. достигало порядка килограмма на человека в год. Для сравнения – современный небольшой ножик весит порядка 200 граммов, лезвие небольшого топора – около 700 граммов, а ведь еще нужно на чем-то готовить, чем-то строить, опять же всяческие метизы типа гвоздей, скоб, крюков и прочего. В итоге мы понимаем, что уровень сыродутной металлургии даже с учетом перекрытия некоторых потребностей другими металлами давал ужасающе мало.

Ситуация менялась, как ни парадоксально, с увеличением количества металлических изделий – можно было срубать больше деревьев, прокапывать более глубокие шахты, возводить более сложные конструкции. Производство росло в геометрической прогрессии – размер печей для выплавки железа все увеличивался, увеличивался от простой сыродутной печи к штукофену и блауофену и наконец-то вырос до настоящей домны с непрерывным циклом выплавки. И тут понеслась – положительная обратная связь сделала свое дело.

Всеевропейское внедрение в 15-16 веках доменной печи сразу, буквально за несколько десятилетий, увеличило количество производимого на душу населения железа втрое, а то и вчетверо. Нашей цивилизации впервые стали по-настоящему доступны каменные железные руды. Забегая вперед, скажу, что в Швеции, стране, которая на тот момент поставляла больше половины всего европейского железа, к 18 веку производство достигло невероятных 20 кг железа на человека. Впрочем, до обогащения и прочих технологических процессов мы пока еще не дошли – пока что это просто загрузка печи камнями руды, углем и флюсом – специальным веществом, чтобы снизить количество примесей в плаве и уменьшить температуру плавления.

Проблемой доменного производства была необходимость в огромном количестве качественного древесного угля – каменный уголь содержал много вредных для железа примесей, поэтому деревья приходилось вырубать в огромных масштабах. Об экологии тогда никто не заботился, но бескрайние леса были, очевидно, не во всех странах. Также откровенным минусом все еще был уход огромного количества железа в чугун, хрупкий и потому не годный для создания инструментов и метизов. Единственной масштабной отраслью применения чугуна было артиллерийское дело – на отливку пушек и ядер шли многие тонны чугуна. И вот тут человечество сделало пока чисто эмпирическое, но очень важное открытие – из чугуна при высокой температуре может выгорать углерод. Естественно, ни о каком углероде речь тогда не шла, но этот факт позволил железоделательному производству перейти еще на один технологический уровень выше.

Все помнят, как в морозилке замерзает соленая вода? Образуется большая ледышка, самого рассола становится меньше, концентрация соли в нем растет. Похожий процесс происходит и при плавлении чугуна на воздухе. Углерод из него частично выгорает, частично переходит в жидкую фазу, а на дне печи начинают образовываться кристаллы железа. Это явление заметил английский металлург Генри Корт, и вскоре практика пудлингования – перемешивания расплава чугуна вошла в Британии в крайне широкое распространение.

Печь для пудлингования. 1) Под 2) Труба с клапаном для регулирования силы тяги 3) Порог, отделяющий металл в рабочем объёме от топлива 4) Колосниковая решётка, на которой находится горящее топливо (уголь) 5) Боковое окно для пудлинговщика 6) Окно для заброса топлива

Как происходило пудлингование? Сначала в печи, обложенной огнеупорной футеровкой (отделка печи, позволяющая оградить тело печи от разрушительного влияния расплавов) без доступа открытого пламени расплавлялся чугун. По прошествии некоторого времени рабочие засовывали в расплав огромные железные штанги (около 40 килограммов весом) и начинали интенсивно перемешивать его. Вскоре на штангах выкристаллизовывалось чистое железо, температура плавления которого намного выше, чем у чугуна. Далее получившуюся крицу вынимали из расплава, проковывали и разделяли на слитки.

Естественно, процесс этот был далеко не из самых легких, однако он позволил высвободить для промышленности огромное количество чистого железа и разом решить проблему переизбытка чугуна. Процесс пудлингования доминировал в металлургии на протяжении практически ста лет, после чего был вытеснен сразу тремя способами – бессемеровским (открытым Генри Бессемером в 1856 году), томасовским (открытым в 1878 году Сидни Гилкристом Томасом) и мартеновским.

Принцип работы любого конвертера

Бессемеровский и томасовский процессы довольно схожи. В качестве основного реактора используется веретенообразная печь с огнеупорной футеровкой (в случае бессемеровского процесса – кислой, содержащей SiO2, в случае томасовского – основной, содержащей доломит CaCO3xMgCO3). В процессе плавки печь нагревается, опять же, без доступа открытого пламени, после чего продувается сжатым воздухом через сопла, расположенные в дне печи. Расплав поддерживается в горячем состоянии из-за процесса окисления примесей руды, проходящего с выделением температуры. Далее полученное железо подвергается дополнительному науглероживанию с образованием стали. Основное отличие двух способов состоит в химическом составе плава.

В томасовском процессе могут быть использованы загрязненные серой и фосфором руды – продукты окисления фосфора и серы связываются материалом футеровки, давая окисляющий железо углекислый газ. У этого способа есть недостаток – фосфор и сера удаляются из плава не в полном объеме, поэтому железо получается более ломким. В бессемеровском же процесса футеровка печи не позволяет использовать основные флюсы, что делает его более требовательным к качеству руды. Однако этот способ дает более качественное железо, что и определило его производственное преимущество в долгосрочной перспективе.

Настало время сказать несколько слов и про мартеновский процесс. Он был открыт в 1864 году французским инженером Пьером Мартеном. Основное его отличие от бессемеровского и томасовского способов состоит в том, что газообразное топливо (обычно природный газ или коксовый газ) подаются прямо в зону плавки, где расплавляют чугун и одновременно окисляют его. Мартеновский процесс получил особенно широкое распространение в качестве способа передельной металлургии, которая использует для выплавки новой стали железный лом.

Сейчас практически все процессы старины глубокой (кроме доменной выплавки, конечно) уже ушли в прошлое. Их заместили новые гиганты – конвертерно-кислородный (переиначенный бессемеровский) и электродуговой способы выплавки стали. Однако история их, как мне кажется, довольно увлекательна, чтобы помнить ее и интересоваться ей.

Божественно прекрасный томасовский конвертер

Автор: Павел Ильчук

VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Читайте также: