Первобытное знакомство человечества с металлом, появление металлургии и этапы развития. Исполнитель

Первобытное знакомство человечества с металлом, появление металлургии и этапы развития.

План:

1. 1.Предыстория развития металлургии.
2. 2.Проблемы металлургического производства.
3. 3.Знакомство человека с железом

 {spoiler=Подробнее}

Цель занятия: донести до студентов о первобытном знакомстве человечества с металлом, появление металлургии и этапы развития.

Основная часть:

Металлургией называется область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд и других видов металлосодержащих материалов.  Металлургия является центральным звеном в общем цикле горно – металлургического производства, включающего геологию, горное дело, обогащение руд, собственно металлургию и металлообработку (литейное производство, обработку металлов давлением и др).

Первым металлом, который пришёл на смену камню при производстве орудий труда, была медь. Этому способствовало то обстоятельство, что медь встречается в природе в свободном состоянии, часто в виде довольно крупных самородков. Присутствие в природе в свободном состоянии  способствовало также сравнительно быстрому освоению  человеком самородного золота и метеоритного железа. О значении металлов в жизни человека говорят название целых исторических эпох: медный, бронзовый и железный века.

Впервые металл был получен при разрушении скальных пород, когда последние сильно разогревалось костром, а затем охлаждались водой для того, чтобы камень мог растрескаться. При этом куски самородной меди не только обнажались но и могли расплавится, так как медь имеет сравнительно небольшую температуру плавления (1083⁰). Поскольку  кислородные соединения меди легко восстанавливаются, то древние мастера могли наблюдать процесс восстановления меди, а затем и преднамеренно его использовать. Рост потребности в металле вследствие значительных преимуществ металлических изделий по сравнению с деревянными и каменными также способствовал и развитию металлургического производства и расширению числа используемых металлов.

В древности были известны одиннадцать металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, цинк (в виде латуни), железо, платина, ртуть, сурьма, мышьяк. К концу XVIII века  их число увеличилось до 20, в конце XIX века до 50. В настоящее время производится и потребляется  около 80 металлов.

Потребность в металлах из года в год растёт. Развитие науки, технике, культуры немыслимо без машин, механизмов, приборов и множества других изделий из металлов. Увеличению выпуска многих металлов в современных условиях способствует также бурное развитие атомной энергетики, космической техники и скоростной авиации, радиоэлектроники и компьютерной техники.

Увеличение и производства и потребления различных синтетических материалов, во многих случаях заменяющих металлы, способствует лишь более рациональному использованию металлических материалов с учётом их специфических физико- механических, электрических, химических и других свойств. Распространенность металлов различна – от несколько процентов до миллионных долей. Техническое значение металлов определяется, однако, не только распространением в природе, но и производственными возможностями их получения. Производственные возможности получение металлов с потребностью и определяет масштабы производства отдельных металлов.

В наибольших количествах из металлов производится железа в виде чугуна и различных сталей. Производство чугуна в  мире в настоящее время составляет 600, а стали 700 млн. т. в год. Это в 100 раз  превышает показатели производства самого распространенного из цветных металлов – алюминия. Общее производство цветных металлов в промышленно – развитых странах составляет 30-35 млн.т. в год. Ежегодное потребление цветных металлов в этих странах отличается от их годового выпуска в среднем на       ± 10-15 %.

Металлургия как отрасль промышленности относится к категории сложных производств. При осуществлении металлургических процессов перерабатываемые материалы претерпевают многочисленные физико- химические превращения (разложение неустойчивых соединений, различные химические взаимодействия, плавление, растворение, возгонка и др.). Без знания основных законов физики и химии невозможно грамотно управлять металлургическим процессом и совершенствовать металлургическое производство. Поэтому металлургия тесно связано с физикой, химией и особенно с физической химией. Последнее является научной основой теоретической и практической металлургии.

На территории СНГ производство цветных металлов возникло много столетий назад. Археологи неоднократно обнаруживали остатки рудных разработок на Урале, в Средней Азии. Известно, что металл сыграл революционную роль в ускорении производства, развитии государственности и урбанизации древних обществ. В торгово – экономическом обмене стран Евразии важная роль принадлежит благородным металлам, шедшим по караванным тропам Великого Шёлкового пути в виде элитных предметов и украшений и «товара   товаров» - монет.

К благородным металлам относятся золото, серебро и триады платиновой группы: рутений, родий, палладий – лёгкие и осмий, иридий, платина – тяжёлые платиновые металлы.

Средняя Азия была одним из крупных центров Востока по извлечению этих металлов и производства изделий и монет. Жители древней Согдианы и Бактрии обладали высокой культурой, владели секретами выплавки металлов, ювелирным мастерством. Золото, с незапамятных времён, широко бытовало в обиходе междуречье Амударья и Заравшана. Само название реки Заравшан в переводе означает «золотоносный – несущий золото».

Золото наряду с серебром, медью и метеоритным железом является одним из первых металлов, известных человеку. Красивый жёлтый цвет, нахождение в природе в самостоятельном состоянии, лёгкая обрабатываемость золота рано обратили на себя внимание первобытного человека, который стал добывать его уже в конце каменного века. Беруни в своих трактатах о металле пишет: « в других странах нет рудников, которые давали бы более обильную добычу и более чистое золото; однако пути к ним затруднительны из – за пустырь и песков. Где золото там и всегда сопутствует серебро».В этот период, в Средней Азии, была сильно развита наука и технология добычи и переработки полезных ископаемых. Одним из крупных районов добычи золота и серебра в средневековье было феодальное владение Илак расположенное в Ташкентском оазисе. Из технических достижений того периода, дошедших до нашего времени, следует отметить плавку металлов, купелирование свинцового сплава для выделения из него золота и серебра также разделение металлов кислотами.

В последние годы отечественная цветная металлургия превратилась в высокоразвитую отрасль цветной металлургии. По мере развития современной науки и техники растёт спрос на металлы высокой чистоты, имеющие особые свойства. Помимо металлов различной степени чистоты цветная металлургия выпускает в большом ассортименте другую товарную продукцию – элементарную серу, серную кислоту, минеральные удобрения, цемент, соли т.д. Особое значение для развития горнозаводского дела имели труды М.В. Ломоносова. Его книга «Первые основания металлургии рудных тел» изданная в 1763г., была первым учебником на русском языке. Над созданием теоретических основ и разработкой новых процессов получения цветных металлов работали такие учёные как Н.С.Курнаков, В.Я.Мостович, В.А.Ванюков, Г.А.Меерсон, А.В.Ванюков, Г.Г.Уразов, Х.Абдуллаев и многие другие.

В течении нескольких последних столетий развитие промышленности, в том числе и металлургии, шло по пути увеличения единичной мощности агрегатов и концентрации производства в определённых промзонах. Это способствовало достижению более высоких экономических показателей.

Современное металлургическое предприятие представляет собой сложный комплекс разнообразных переделов, начиная от добычи руды и её обогащения, и до изготовления разнообразных металлических деталей и изделий. В связи с этим металлургический комбинат обладает сложной организационной структурой. Для  отечественной цветной металлургии, перерабатывающей относительно бедные руды,  особенно характерна тесная связь между обогатительными и собственно металлургическими предприятиями, представляющими по существу единый промышленный комплекс. Не случайно, основной структурой единицей цветной металлургии являются горно-металлургические комбинаты. Однако не всегда подобная кооперация экономически целесообразно. В случаи высокой энергоёмкости металлургического производства его выгоднее размещать вблизи источников дешёвой энергии. Так, например, поступают при размещении горных и металлургических предприятий в алюминиевой промышленности. Для этой отрасли цветной металлургии характерно объединение горных предприятий с производством глинозёма и расположение заводов по производству металлического алюминия вблизи мощных электростанций. Негативные последствия чрезмерно высокой концентрации металлургического производства всё отчетливее стали проявляться к концу XX века. В подобных промышленных районах было нарушено экологическое равновесие – недопустимо высокое загрязнение ядовитыми промышленными отходами воздуха, воды, почвы стало угрожать здоровью и жизни населения этих районов.

В связи с указанным неотложной становится обратная задача – рассредоточение промышленного производства – путём создания значительного количества металлургических предприятий небольшой мощности, когда природа способна нейтрализовать отрицательные последствия их деятельности. Такие мини- металлургические заводы смогут решить и другую проблему – оперативного обеспечение металлопродукцией отдалённых районов страны, а также проблему переработки металлоотходов в районах с развитым машиностроением.

Во многих случаях мини – металлургические заводы оказываются более конкурентоспособными. Это возможно при организации выпуска более узкого, специализированного сортамента продукции.

Отдельные элементы металлургического производства имеются на очень многих машиностроительных предприятиях – это небольшого объёма мартеновские, электродуговые, индукционные печи, литейные цехи, участки для термообработки готовых металлических изделий.             

Железо с небес.

 Золото, медь и лунное – белое серебро сами блеснули человеку из недр Земли. Железо тысячелетиями было знакомо людям лишь в небесном обличье. Темные, ноздреватые куски камня, похожие на металл, падая прямо с неба, не плавились земным огнем. Красные полосы небесного огня, рассекающие небосклон, низводили их на землю. “Би-ни-пет” –“небесный” - одно из первых имен железа. Так называется       этот металл на языке коптов – народа жившего в Египте.

“Зидерос’’ – ‘’звездный’’ – назвали его древние греки. ’’Небесной медью’’ считали железо шумеры.’’

Яркат’’ – капнувший с неба – еще одно ныне забытое имя этого металла, данное ему в древности армянскими металлургами.

Идея небесного железа очень долго владела умами. Вспомним, что среди богов Олимпа особым уважением пользовался хромой кузнец Гефест, падая на остров Лемнос, сломал ногу. Вслед за ним упала с неба и его чудесная наковальня. Та самая на, которой бог – кузнец ковал божественные доспехи, оружие и украшение богам и героям Эллады. Гефест обучил кузнечному ремеслу всех жителей Лемнуса, и они стали наилучшими  в Греции кузнецами…

Этот вечный сюжет – “небесные” кузнечные инструменты, боги – кузнецы – появляется в мифах и легендах многих народов. В старинной Ипатьевской летописи, отразившей языческие верования древних славян, рассказывается, что в царствоние бога Сварога “упали с небес клещи, начали ковать оружие, а до того билися камнем и палицами “. Сохранились “божественные “ кузнецы  и в христианских легендах славян. Это Косьма и Демиан, а то и единственно славный богатырь Косьмодемьян. Сильным и храбрым был Косьмодемьян: сам выковал волшебные клещи, сам схватил ими страшного врага змея прямо за язык, не разжимая клещей, подтащил его Косьмодемьян к железному плугу, запряг чудовище и вспахал землю! У великого народа – хлебопашца пахарем становился и “небесный кузнец “.

В древнем мире этот редкостный небесный металл ценился очень высоко, и самое почетное по возрасту изделие – это не оружие, не орудие труда, а … бусы из прокованных пластинок метеоритного железа. Этим бусам не меньше 6 тыс. лет. Их нашли в Египте, в поселениях раннего медного века. А носили эти бусы в те времена, когда в Египте еще не было фараонов, - в IV – III тысячелетиях до н.э., но и в эпоху великих династий, во временах самых прославленных фараонов Древнего Египта, железо оставалось драгоценным металлом. Сохранился папирус одного из фараонов с просьбой, обращенной к правителю хеттов – народа жившего в Малой Азии – поменять золото, которого в Египте “столько, сколько песка в пустыне”, на железо.

Хетты первыми открыли секрет получения железа. Отсюда железо поступало в другие страны. Вот перед нами письмо на глиняной табличке, написанной больше 3 тыс. лет назад. Написал его хеттский царь Рамзесу II. В письме он сообщает, что выслал целый корабль, груженный “чистым железом” и еще подарок – железный меч. Железо из метала драгоценных изделий превратился в металл войны. На стене усыпальницы Рамзеса III можно увидеть целую батальную сцену. Воины сражаются копьями и мечами.

Но у одних оружие выкрашено оранжевой краской, а у других – голубой. Это “небесный  металл” – железо, новое достижение военной техники того времени. Именно в царствование Рамзеса II в Египте осваивалась выплавка железа.

Ученые предполагают, что именно страны Малой Азии, где проживали племена хеттов и халибдов, были местом возникновения черной металлургии. Хетты записывали все самое важное на глиняных табличках. Сохранились хеттские таблички четырех тысячелетней давности с географическими описаниями мест добычи разных металлов и их руд. О железе и там сказано, что происходит оно … с неба.

Из стран Малой Азии “тайны” изготовления железа распространились в Египет, Ассирию и Палестину. В Европу железо пришло из Малой Азии .

Многократно упоминается железо в гомеровском Эпосе. Например ,   в “Илиаде” написано , что на похоронах Патрокла, его друг Ахилл устроил состязания у погребального костра в память героя . Среди призов упомянуты кусок золота и кусок железа , которого земледельцу должно хватить на пять лет .

Историки считают, что лишь к VII веку до н.э. железо широко распространилось по всей Европе, вытесняя бронзу. А примерно с 1000 года н.э. в Европе начался железный век.

Железа на нашей планете очень много. Но как же тогда случилось, что так долго длился каменный век? И сменился он не железным, а медным, а потом бронзовым. Почему?      Оказывается, угадать железо в его минералах вовсе не просто. Ну, конечно  в самородном железе, как и в самородном золоте или самородной меди, обличье металла налицо. Самородное железо на свежем изломе блестит, как серебро или платина, ему присущи  серебристо - серый цвет, ковкость. Высокая плотность – тяжесть ощущается  даже в самых маленьких  его осколках: масса  самородного железа подчеркивает его принадлежность к классу самородных металлов в отличие от самородков благородных металлов легко окисляются с поверхности и всегда одеты в черно–бурую  рубашку. Их истинный цвет можно увидеть лишь на изломе. Отличается железо и сильными магнитными свойствами: стрелочка компаса сразу “оживает” в его присутствии. Однако самородного железа на Земле очень мало; почти всегда это не руда, а и вправду “драгоценный” по редкости минерал. И действительно правы были наши далекие предки , назвав его небесным  и звездным : среди находок самородного железа преобладают метеориты .

Преобладают?  Есть, но встречается еще реже, чем уникальные гости из космоса. Там, где на поверхность изливаются наиболее тяжелые, подкорковые слои земного вещества, образуются базальты, тонкозернистые породы, сложенные главным образом силикатами железа и магния. В промежутках между кристалликами этих минералов и встречаются мелкие зернышки самородного железа. В отличие от метеоритного его называют теллурическим . А минерал земного самородного железа назван аваруит . Чаще всего его зернышки не имеют правильной формы , это вкрапления округлых капель . Иногда в пустотах пород различимы мелкие кристаллики или “проволочки” – бисероподобные образования железа. Лишь вблизи города Кассель в Германии и в местечке Уифак на острове у западного берега Гренландии встречены значительные скопления самородного железа. В месторождении Гренландии масса железа достигает нескольких тонн . Это единственное в мире месторождение самородного железа . Базальт здесь извергался на поверхность через залежи каменного угля .

Когда вы держите в руках осколочек метеорита, даже такого который считается сплошь железным, фактически вы видите в нем смесь двух минералов: менее никелистый - камастит, образовал сросток пластиночек, а более никелистый - тэкит, заполнил все “окошечки” между пластинками камастита.

Прошлифовав любую поверхность метеорита и протравив ее кислотой, вы обязательно увидите красивый геометрический орнамент из косопересекающихся полосок – камастита на фоне более светлого тэнита. Впервые эти узоры увидел и изучил ученый Акоис Видманштетт ,так они и называются “видманштеттовы фигуры” . Случилось это после того, как 22 мая 1808 года вблизи местечка Штаннрн упал железный метеорит .

А ведь еще в просвещенном XVIII веке ученые мужи настолько утратили веру в возможность падения метеоритов, что даже убрали их из музеев, дабы не срамиться перед публикой. Какая же убежденность понадобилась замечательному путешественнику и ученому–натуралисту П.С. Палласу и ученому – химику Э. Хладни, чтобы осмелиться возвестить о космическом происхождении огромного 600 – килограммового метеорита. Этот огромный метеорит был найден в 1749 году на горе Темир, между Красноярском и Минусинском.  П.С. Паллас в 1775 году привез его из Сибири . “ Палласово железа” было первым  детально изученным метеоритом , вновь убедившим ученый мир в неразрывной связи Земли и космоса .

Метеорит П. С. Палласа был одним из наиболее крупных. Но самый большой известный железный метеорит упал в Мексике. Суммарная масса его обломков – 100 с лишним тонн !  Но и это не предел. На весь мир известна Чертова долина в Аризоне – кратер диаметром 12 тыс. метров и глубиной почти 200 м.  Подсчитано, что масса упавшего сюда метеорита была около 10 миллионов тонн. В легендах индейцев навахо метеорит превратился в духа огня, сошедшего с неба на Землю.

“Небесный металл” поддается только холодной обработке – расплавить его почти невозможно. И все же существует оружие из метеоритов!  Это кинжал с золотой рукояткой, найденный при раскопках  шумерского города Ура. Кинжал был изготовлен предположительно в 3100 году до н.э. Есть предметы и более позднего времени. Это две сабли и наконечник пики индийского властителя и две шпаги: русского царя Александра I и романтического героя Южной Америки  С.Боливара.

Самая настоящая и самая давно известная железная руда, безусловно, знакома и вам. Все, кто видел железо, помнит  и то, как выглядит ржавчина. Стоит не защитить любой железный гвоздик или винтик от влаги и они моментально покрываются ржавым налетом:  на их поверхности образуется рыхлый слой гидроксида железа, - это часть одна из самых распространенных его руд.

На месторождениях железа часто возникают мощные зоны “проржавелых руд и пород”. Уральские горняки придумали им меткое прозвище – “ железные шляпы “. С такой шляпы начинается часто разработка месторождений. И лишь “сняв шляпу”, можно добраться до первичных руд . Известное Бакальское месторождение на Урале как раз такая вот “ лимонитовая железная шляпа “ на  сидеритовых рудах. Рыхлый землистый, ржаво-рыжий лимонит  называют еще бурым железняком .  Но в отличие от ржавчины на гвозде лимонит в природе образуется не только на готовом железе . Само название  “лимонит ” хотя оно относится к  охряно–желтому минералу , к лимону никакого отношения не имеет , а происходит от слова “леймон” , что по гречески означает “мокрый луг” , “болото”. Оттого и лимонитовые руды нередко называют болотными, озерными, луговыми, а то еще и бобовыми.

 Именно в болотах, озерах и на морском мелководье возникают необычные на вид лимонитовые руды. Лимонит таких руд и вправду напоминает не то бобы , не то мелкие птичьи яйца или коконы каких-то  неведомых бабочек . Как же возникают диковинные формы ?

Ученые установили, что гидроксиды приносятся в водоемы поверхностными водами в виде коллоидных растворов. Морская вода – это, по существу , слабый раствор электролитов: она  насыщена парами хлора и щелочных металлов . Коллоиды в ней “ свертываются”, и вот тут–то и происходит зарождение хлопьев  и шаров  ржавчины. Вспомните, если вы варили клейстер или кисель: чуть зазеваешься – и вся  кастрюлька полна комков. Вот такой “кастрюлькой” с  комками и оказался  морской бассейн, в котором  сформировались руды Кергенского месторождения. Примерно так же выглядит и руда знаменитого железорудного месторождения в Эльзасе – Лотарингии . В водах болот и пресных озер электролитов нет . Электрохимические реакции здесь не  протекают . Их роль  выполняют бактерии: они свертывают , скатывают “бобовины ” гель гидроксидов. Крупных месторождений железные “ окатыши ” из озер и болот не образуют, но зато именно такие руды верой и правдой служили не одну сотню лет нашим предкам.

В Чехии и Словакии природа создала словно выставку произведений абстрактной скульптуры из  лимонита,  гетита и  гидротетита экстракласса. Здесь в местечке  Затуняк , “железная шляпа” сопровождается  развитием пустоток , пещерок , трещин, в которых гидроксиды могут свободно и с полной фантазией кристализоваться.

 Каких только форм не образует здесь гетит! И  гигантские гроздья почек, словно покрытые черным лаком и грандиозные сростки сосулек, какое-то     фантастическое соединение органа с глыбой сосулек мартовского льда и блестящие “шишки” гетита, достигающие размера детского плеча!

Еще больше чем бурых  гидроксидов в природе красных руд железа. Красный железняк – гематит – в числе немногих других минералов входит в почетную азбуку минералогии. В 325 году до н.э. друг и ученик Аристотеля Теофраст в своей книге “ О камнях” так пишет о гематите: “Гематит напоминает запекшуюся кровь”. Иссиня – вишневая окраска  гематита в темных местах почти черная. Здесь минерал отливает металлом, но сквозь черноту глухо просвечивает краснота, пробивается наружу красными мазками и налетами. Известно , что в древности гематиту , похожему на запекшуюся кровь , приписывалась способность заживлять кровоточащие раны . Знаменитый медик античности , соратник  Плиния Диоскур писал о целебных свойствах камней , применяемых в медицине , таких как янтарь , лазурит , нефрит , малахит и гематит . Порошок гематита издревле использовался и для еще одного важного дела – для полировки золотых и серебряных изделий .

Самое оригинальное образования гематита – это, конечно, железные руды. Тонкие , темно – красные , слегка изогнутые “лепестки ” раскрываются , как у живой махровой розы . В удивительных  уникальных созданиях сверкающий мир кристаллов близок миру лепестков и тычинок ! Наверное, вы слышали и еще об одном важном и интересном минерале железа – магнитном железняке, магнетите. Магнетит содержит более 72% железа, но самое интересное в нем – его природный магнетизм , свойство по которому , собственно , и был открыт этот минерал . Как сообщает римский ученый Плиний , магнетит был назван в честь греческого пастуха Магнеса . Магнес однажды пас свое стадо , и вдруг его посох с железным наконечником и его подбитые гвоздями сандалии притянула к себе гора… Гора  сложенная сплошным серым камнем.

Минерал магнетит дал в свою очередь название магниту, магнитному полю и всему загадочному и интересному явлению магнетизма, которое пристально изучается со времен Аристотеля по сей день.

Магнитные свойства магнетита используются и сегодня – прежде всего для поиска месторождений. Именно гигантская магнитная аномалия способствовала открытию грандиозного месторождения в районе Курска, которое так и названо Курская магнитная аномалия.

Сидерит, или железный шпат – карбонат железа. По-гречески “сидерос”,  или “зидейрос”, что значит “железо”. По внешнему облику это самый антиметаллический минерал железа.

Случается, сплошной сидерит слагает целую гору. Такая гора известна в Альпах , в Штирии , на территории Австрии . Разрабатывают ее не одну сотню лет . И сейчас вся она , от подножия до вершины словно лестница великанов , поднимается уступами на 800 м . Каждая ступенька высотой 1,5 – 2 м , а всего их больше 40!

Рассказывают, что  когда–то в давние  времена, железной руды здесь не было, а в горе брали  только белый камень. Как–то пошли мужики за камнем, чтобы дом построить. И вдруг видят в ста шагах маленького – премаленького человека, одетого ну точно как настоящий горняк: и с широким кожанным поясом  и со всем горняцким  инструментом – кайлом, ломом и прочим. Да это же Горный Дух по имени  Винциг!  “Винциг” – значит “крошка”. Стал Винциг долбить кайлом породу . Ударит по белому камню и  как птички  разлетаются в стороны красные осколки . Мужики рты пораскрывали от удивления .

 Да так и не успели закрыть: прямо перед ними вырос огромный Горный Дух! “Чего вам тут надо?” – говорит. –“Что вы тут роете”? 

“Камень”, - отвечают. – “Домишко построить надо”.

Рассмеялся выросший до небес Винциг – “На что вам простой камень? А золота не хотите? Или железа? Выбирайте-ка сами: золото на год или железо на века?”  “Железа! ” Железа! На века железа! – закричали изо всех сил мужики, стараясь перекричать друг друга. “Ну тогда так : где я ударю , там и ройте , и железо не кончится никогда !”

Не обманул людей Горный Дух – и по сей день работает рудник Эрцберг в Штирийских Альпах!

Контрольные вопросы:

1. 1.Предыстория развития металлургии.
2. 2.Какие проблемы существуют в металлургическом производстве.
3. 3.Как произошло знакомство человека с железом

{/spoilers}