Μεταλλουργία

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Χαλκουργός. Από χαρακτικό σε γερμανικό βιβλίο του 1568.

Μεταλλουργία είναι ένας κλάδος της επιστήμης των υλικών σχετικός με την παρασκευή μετάλλων και κραμάτων από μεταλλεύματα ή άλλες πρώτες ύλες, καθώς και την κατεργασία των μετάλλων και των κραμάτων για την τροποποίηση των ιδιοτήτων αυτών των υλικών. Αναλόγως, ο κλάδος της μεταλλουργίας διακρίνεται σε εξαγωγική μεταλλουργία και μεταλλογνωσία ή φυσική μεταλλουργία.

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ιστορία της μεταλλουργίας είναι άμεσα συνδεδεμένη με την εξέλιξη του ανθρώπου και την μετάβασή του από την προϊστορία στην ιστορία.

Τα πρώτα μεταλλικά αντικείμενα κατασκευάστηκαν από αυτοφυή μέταλλα, όπως χρυσό (Αίγυπτος, Μεσοποταμία), χαλκό (Περσία, Μεσοποταμία, Αίγυπτος) και λευκόχρυσο (Αίγυπτος, Ίνκας), ή από σίδηρο που οι άνθρωποι έβρισκαν μόνον σε μετεωρίτες (Εσκιμώοι της Γροιλανδίας). Έτσι, περίπου 5.000 χρόνια π.Χ, ο άνθρωπος πέρασε από την Εποχή του Λίθου στην Εποχή του Χαλκού. Η μετάβαση αυτή δεν έγινε παντού την ίδια εποχή. Στην συνέχεια ο άνθρωπος έμαθε να κατεργάζεται μίγματα από ορυκτά διαφόρων μετάλλων με αποτέλεσμα να ανακαλύψει τα κράματα του χαλκού (κρατέρωμα ή μπρούντζος: κράμα χαλκούκασσίτερου). Οι κάτοικοι της Μεσογείου και της Κεντρικής Ευρώπης ανακάλυψαν πώς να ανάγουν σιδηρομετάλλευμα σε μικρές φρεατώδεις καμίνους για να παράγουν σπογγώδη σίδηρο σε στερεή κατάσταση, από τον οποίο παρήγαγαν στην συνέχεια χάλυβα. Οι Ινδοί, οι Κινέζοι και οι Ιάπωνες γνώριζαν επίσης από τα αρχαία χρόνια πώς να παράγουν αντικείμενα από σίδηρο. Οι Ρωμαίοι γνώριζαν πώς να παράγουν ορείχαλκο (κράμα χαλκούψευδαργύρου), αλλά πρώτοι οι Ινδοί παρήγαγαν ψευδάργυρο σε καθαρή μορφή τον 14ο αι. μ.Χ.

Η γνώση της μεταλλουργίας επέτρεψε σε ορισμένους λαούς να επεκτείνουν την ισχύ τους και να επιβληθούν σε άλλους λαούς. Για παράδειγμα, τον 9ο αι. π.Χ. οι Δωριείς, που γνώριζαν πώς να φτιάχνουν όπλα και άλλα αντικείμενα από σίδηρο, κατάφεραν να επιβληθούν στους Αχαιούς και τις άλλες ελληνικές φυλές, οι οποίες είχαν όπλα λιγότερο ανθεκτικά φτιαγμένα από χαλκό, και έτσι η ελληνική χερσόνησος πέρασε στην Εποχή του Σιδήρου.

Η γνώση της μεταλλουργίας έδωσε επίσης την δυνατότητα στον άνθρωπο να δημιουργήσει το χρήμα, δηλαδή μεταλλικά αντικείμενα τα οποία αντιπροσώπευαν μια συγκεκριμένη αξία. Οι Αθηναίοι, με τον άργυρο που παρήγαγαν από τα μεταλλεία του Λαυρίου, μπόρεσαν να χρηματοδοτήσουν την ναυπήγηση τριηρών και να δημιουργήσουν την Αθηναϊκή Κοινοπολιτεία τον 5ο αι. π.Χ. Παρομοίως, οι Μακεδόνες στηρίχθηκαν στον χρυσό του Παγγαίου για να χρηματοδοτήσουν την ανάπτυξη της αυτοκρατορίας του Μέγα Αλεξάνδρου, ενώ οι Ρωμαίοι στηρίχθηκαν εν μέρει στον άργυρο των μεταλλείων της Ισπανίας για να κοσμήσουν την Ρώμη.

Κυπέλλωση αργύρου από τήγμα αργυρούχου μολύβδου. Από το βιβλίο του γερμανού Georg Agricola De re metallica (Περί μεταλλικών πραγμάτων), 1556.

Η εκτεταμένη γνώση της μεταλλουργίας επέτρεψε στους Ευρωπαίους να καταλάβουν και να αποικήσουν τις χώρες που ανακάλυψαν τον 15ο και 16ο αι. μ.Χ. Η ανακάλυψη του μεταλλουργικού οπτάνθρακα (κωκ) και της ατμομηχανής έδωσε νέα ώθηση στην μεταλλουργία του σιδήρου κατά τον 18ο αι. Προς τα τέλη του 18ου αι., εμφανίστηκαν στην Αγγλία και οι πρώτες ατμοκίνητες μονάδες έλασης χάλυβα[1].

Οι παλαιές μέθοδοι άμεσης αναγωγής σιδηρομεταλλευμάτων αντικαταστάθηκαν κατά τον 19ο αι. από την πολύ πιο παραγωγική υψικάμινο, τους μεταλλάκτες (μεγάλους κάδους όπου ο τηγμένος χυτοσίδηρος μεταβάλλεται σε χάλυβα με την εμφύσηση αέρα ή οξυγόνου) και τις καμίνους ανοικτής εστίας (κάμινος Siemens-Martin).

Στα τέλη του 19ου αι. έκαναν την εμφάνισή τους και υδρομεταλλουργικές μέθοδοι παραγωγής μη σιδηρούχων μετάλλων. Η εκχύλιση (διαλυτοποίηση) σε κυανιούχα υδατικά διαλύματα επέτρεψε την εκμετάλλευση πτωχών μεταλλευμάτων χρυσού. Η εκχύλιση βωξίτη σε διαλύματα καυστικού νατρίου επέτρεψε την φθηνή παραγωγή αλουμίνας (Αl2O3), και με την ηλεκτρόλυση τήγματος αλουμίνας και κρυόλιθου (Na3AlF6) έγινε δυνατή η παραγωγή φθηνού μεταλλικού αλουμινίου, το οποίο μέχρι τότε θεωρούνταν πολύτιμο μέταλλο. Η μέθοδος της οξειδωτικής φρύξης σφαλερίτη (ZnS) και η εκχύλιση του φρύγματος (ZnO) σε θειικό οξύ επέτρεψε την φθηνή παραγωγή ψευδαργύρου.

Επίσης, προς τα τέλη του 19ο αι., νέες μέθοδοι κατεργασίας των μετάλλων, όπως η διέλαση σωλήνων από χάλυβα χωρίς ραφή (αδελφοί Rienhard και Max Mannessman, Γερμανία, 1886), έφεραν επανάσταση στην μεταλλοτεχνία. Η μεταλλογνωσία καθιερώθηκε ως ιδιαίτερος επιστημονικός κλάδος (ο όρος «φυσική μεταλλουργία» εμφανίστηκε το 1914[2]). Κράματα ήδη υπάρχοντα εκείνον τον καιρό, όπως ο χάλυβας (κράμα σιδήρουάνθρακα), μελετήθηκαν και ταξινομήθηκαν συστηματικά με την βοήθεια του μικροσκοπίου και την περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (1912). Νέα κράματα, όπως το ντουραλουμίνιο (1906), ο ανοξείδωτος χάλυβας (19091912), κ.ά., δημιουργήθηκαν για να καλύψουν νέες καταναλωτικές ή τεχνολογικές ανάγκες.

Μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, η ζήτηση μεταλλουργικών προϊόντων παρουσίασε έντονη αύξηση. Ταυτοχρόνως αυξήθηκαν οι απαιτήσεις του καταναλωτικού κοινού για προϊόντα ποιότητας παρασκευασμένα με μεθόδους που να καταναλώνουν μικρή ποσότητα ενέργειας και να είναι «φιλικές προς το περιβάλλον». Για παράδειγμα, στις χαλυβουργίες, οι κάμινοι Siemens-Martin αντικαταστάθηκαν από τους μεταλλάκτες εμφύσησης καθαρού οξυγόνου (μεταλλάκτες LD, BOP, AOD), ενώ στις μονάδες κατεργασίας θειούχων μεταλλευμάτων ψευδαργύρου, οι περιστροφικοί κάμινοι φρύξης αντικαταστάθηκαν από κάμινους ρευστοστερεής κλίνης. Οι κάμινοι ακαριαίας τήξης αντικατέστησαν τους μεταλλάκτες Pierce-Smith στην παραγωγή αργού νικελίου και αργού χαλκού.

Και ο τομέας της μεταλλογνωσίας παρουσίασε σημαντικές προόδους κατά τον 20ο αι., κυρίως εξαιτίας της προόδου στον τομέα της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Νέες θεωρίες, όπως αυτή των κρυσταλλικών ατελειών ή ελαττωμάτων, επέτρεψαν στους μεταλλογνώστες να εξηγήσουν πολλές ιδιότητες των μετάλλων και των κραμάτων, αλλά και να σχεδιάσουν νέα κράματα βελτιωμένων ιδιοτήτων.

Βασικές αρχές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μεταλλάκτης Bessemer από παλιό χαλυβουργείο στο Σέφηλντ της Αγγλίας.

Η μεταλλουργία ως τεχνολογική επιστήμη στηρίζεται σε τρεις βασικούς επιστημονικούς τομείς:

Η ανόργανη χημεία περιγράφει τις βασικές αρχές της χημικής συμπεριφοράς των μετάλλων και των ενώσεών τους. Δεν είναι άλλωστε τυχαίο το ότι τεχνικές μέθοδοι βρίσκουν εφαρμογή τόσο στην κλασική χημεία όσο και στην μεταλλουργία. Π.χ. η εξαγωγή μετάλλων με οργανικούς διαλύτες χρησιμοποιείται στην αναλυτική χημεία, αλλά και στην υδρομεταλλουργία του χαλκού.

Η φυσικοχημεία επιτρέπει τον υπολογισμό της θεωρητικής απόδοσης μιας αντίδρασης σε συνθήκες ισορροπίας (χημική θερμοδυναμική), αλλά την εκτίμηση της πραγματικής απόδοσης μιας αντίδρασης σε συνάρτηση με τον χρόνο (κινητική). Για παράδειγμα, η θεωρητική απόδοση της αντίδρασης:

C(s) + CO2(g) → 2CO (g)

εξαρτάται από την θερμοκρασία· όσο αυξάνει η θερμοκρασία, τόσο η αντίδραση προχωρεί προς τα δεξιά. Η συγκεκριμένη αντίδραση έχει τεράστια σημασία για την πυρομεταλλουργία, καθώς οι περισσότερες πυρομεταλλουργικές διεργασίες απαιτούν θερμοκρασίες άνω των 1000 °C, όπου ο άνθρακας οξειδώνεται σχεδόν 100% προς την δημιουργία μονοξειδίου του άνθρακα (αντίδραση Boudouard).

Η θερμοδυναμική επιτρέπει επίσης την δημιουργία διαγραμμάτων φάσεων για κράματα μετάλλων, αλλά και για τήγματα μη μεταλλικών ενώσεων όπως διάφορα οξείδια, σουλφίδια κ.λπ. Με τα διαγράμματα φάσεων, ο μεταλλουργός μπορεί να ξέρει ποιες φάσεις (υγρές ή στερεές) προκύπτουν όταν δύο ή περισσότερα μέταλλα βρεθούν μαζί σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και σε μια συγκεκριμένη αναλογία. Τα διαγράμματα φάσεων και το μικροσκόπιο αποτελούν τα κύρια εργαλεία για τον σχεδιασμό κραμάτων, πυρίμαχων και κεραμικών.

Σε πολλές υδρομεταλλουργικές διεργασίες, η κινητική είναι εξαιρετικής σημασίας. Π.χ., η ανάκτηση ψευδαργύρου από όξινα διαλύματα θειικού ψευδαργύρου είναι δυνατή, επειδή η κινητική της αναγωγής υδρογονοϊόντων προς αέριο υδρογόνο επί καθόδου αλουμινίου είναι εξαιρετικά αργή. Με άλλα λόγια, η κινητική επιτρέπει την αντίδραση:

Zn2+(aq) + 2e → Zn0(s)

και εμποδίζει την αντίδραση

+(aq) + 2e → Η20(g).

ενώ η χημική θερμοδυναμική λέει πως προηγείται η δεύτερη αντίδραση.

Ο μεταλλουργός πρέπει επίσης να έχει καλή γνώση ορυκτολογίας, κρυσταλλογραφίας, τεχνικής μηχανικής (στατική, αντοχή των υλικών), συστημάτων αυτομάτου ελέγχου, κ.λπ.

Κλάδοι της μεταλλουργίας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ως πιο εξειδικευμένοι κλάδοι της μεταλλουργίας θεωρούνται τα ακόλουθα επιστημονικά πεδία:

  • Εξαγωγική μεταλλουργία — η επιστήμη της παραγωγής («εξαγωγής») καθαρών μετάλλων ή κραμάτων από μεταλλεύματα ή άλλες πρώτες ύλες (π.χ. παλαιομέταλλα από ανακύκλωση υλικών, κ.λπ.). Συχνά, στην εξαγωγική μεταλλουργία, γίνεται λόγος για
  • Μεταλλογνωσίαφυσική μεταλλουργία) — η επιστήμη της μελέτης και της τροποποίησης των ιδιοτήτων των μετάλλων και των κραμάτων με μεθόδους μικροσκοπίας και μηχανικών δοκιμών. Συνήθως, στην μεταλλογνωσία συγκαταλέγονται ακόμα οι τομείς
    • Μεταλλογραφία — η επιστήμη και η τέχνη της ετοιμασίας μετάλλων και κραμάτων για παρατήρηση με οπτικό ή ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.
    • Χύτευση και Μεταλλοτεχνία — η αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων των μετάλλων και των κραμάτων με τήξη (χύτευση), θερμική κατεργασία (βαφή), μηχανικούς τρόπους (έλαση, διέλαση, σφυρηλασία, ολκή, κ.λπ.) ή με συνδυασμό μηχανικής και θερμικής κατεργασίας.
    • Συγκολλήσεις — η μελέτη μεθόδων για την συγκόλληση μεταλλικών αντικειμένων με τήξη του μεταλλικού υποβάθρου ή χωρίς τήξη του μεταλλικού υποβάθρου (κασσιτεροκόλληση).
    • Επιμεταλλώσεις — η επικάλυψη ορισμένων μετάλλων με στρώμα άλλου μετάλλου για προστασία από την διάβρωση (π.χ. γαλβανισμός του χάλυβα σε λουτρό τηγμένου ψευδαργύρου) ή για λόγους αισθητικούς (π.χ. επιχρύσωση κοσμημάτων)
    • Κονιομεταλλουργία — η παραγωγή μεταλλικών αντικειμένων σε διαστάσεις ακριβείας με την πυροσυσσωμάτωση μεταλλικών κόνεων υπό πίεση σε στερεά ή σχεδόν στερεά κατάσταση.

Ιδιαίτερος κλάδος της μεταλλουργίας είναι και η αρχαιομεταλλουργία, δηλ. η μελέτη της ιστορίας της παραγωγής μεταλλικών αντικειμένων στην προβιομηχανική εποχή (πριν τον 18ο αι. μ.Χ.).

Η σημασία της μεταλλουργίας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ανακάλυψη και η εκτεταμένη χρήση των μετάλλων έδωσε στον άνθρωπο την δυνατότητα να ξεφύγει από την προϊστορική κατάσταση και να δημιουργήσει τον σύγχρονο πολιτισμό. Χωρίς την μεταλλουργία, η ανθρώπινη κοινωνία δεν θα ήταν αυτή που είναι σήμερα. Η γραφή, οι καλές τέχνες, η τυπογραφία, ο ηλεκτρισμός, οι ημιαγωγοί και η σύγχρονη υψηλή τεχνολογία στον τομέα των τηλεπικοινωνιών συνδέονται κατά τον έναν ή τον άλλο τρόπο με ανακαλύψεις και εξελίξεις στον τομέα της μεταλλουργίας.

Όπως όλες οι τεχνολογικές ανακαλύψεις, έτσι και η μεταλλουργία συνδέεται και με ορισμένες εξελίξεις που υπήρξαν ενίοτε οδυνηρές για το ανθρώπινο γένος. Η πρώτη χρήση των μετάλλων ήταν για την κατασκευή όπλων, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την υποταγή ή και την ολοκληρωτική καταστροφή λαών. Η αναζήτηση πολύτιμων μετάλλων ήταν μία από τις κύριες αιτίες του ευρωπαϊκού επεκτατισμού μετά τον 15ο αι. μ.Χ. και της αποικιοκρατίας. Ακόμα και σήμερα, πολλές σημαντικές εξελίξεις στην επιστήμη της μεταλλουργίας προέρχονται από την πολεμική βιομηχανία. Κράματα απεμπλουτισμένου ουρανίου (χαμηλής ραδιενέργειας) χρησιμοποιούνται για την κατασκευή οβίδων μεγάλης διατρητικής ικανότητας.

Στην Ελλάδα, η μεταλλουργία μολύβδου και αργύρου του Λαυρίου, η οποία λειτούργησε από το β΄ μισό του 19ου αι. έως το 1989, υπήρξε το πρώτο βιομηχανικό κέντρο της χώρας. Η μεταλλουργία του Λαυρίου συνδέθηκε με πολλές σημαντικές κοινωνικές εξελίξεις στην χώρα. Η Χαλυβουργική ήταν η πρώτη καθετοποιημένη βιομηχανία χυτοσιδήρουχάλυβα της χώρας με υψικαμίνους (που δεν λειτουργούν πλέον) και πλήρες χαλυβουργείο στην Ελευσίνα. Σήμερα η Ελλάδα παράγει περί τα 2,5 εκατομμύρια τόνους χάλυβα τον χρόνο (στοιχεία 2006) σε πέντε εργοστάσια με ηλεκτρικές καμίνους που χρησιμοποιούν παλαιοσίδηρο (σκραπ) ως πρώτη ύλη (Αθήνα (2), Αλμυρός Μαγνησίας, Βόλος, Θεσσαλονίκη). Η Ελλάδα παράγει περίπου 20.000 τόνους το χρόνο νικέλιο υπό την μορφή σιδηρονικελίου (ΛΑΡΚΟ, Λάρυμνα Φθιώτιδας). Κατά την περίοδο 19831991, η Ελλάδα παρήγαγε και 45.000 τόνους ανά έτος σιδηροχρώμιο (Ελληνικά Σιδηροκράματα ΑΕ, Αλμυρός Μαγνησίας). Η Ελλάδα επίσης παράγει περίπου 160.000 τόνους τον χρόνο αλουμίνιο στο εργοστάσιο της «Αλουμίνιον της Ελλάδος» (Άγιος Νικόλαος Βοιωτίας). Τέλος, στην Ελλάδα, υπάρχουν πολλές βιομηχανίες δευτερογενούς κατεργασίας μετάλλων (π.χ. έλαση και διέλαση αλουμινίου, κ.λπ.). Σημαντικό μεταλλουργικό κέντρο λειτούργησε για πολλές δεκαετίες στο Πυριτιδοποιείο–Καλυκοποιείο του Μποδοσάκη (ΠΥΡΚΑΛ).

Σημερινή κατάσταση και μελλοντικές προοπτικές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η έντονη ζήτηση μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο προκάλεσε την έντονη αύξηση της παραγωγής μετάλλων. Το 2005, η παγκόσμια παραγωγή μετάλλων είχε ως εξής:

Δεδομένου ότι η ζήτηση σε μέταλλα δεν μπορεί να καλυφθεί από την παραγωγή των μεταλλείων, ένα μεγάλο ποσοστό από αυτά παράγονται από την ανακύκλωση παλαιομετάλλων (σκραπ). Για παράδειγμα, το 55% του μολύβδου παράγεται από ανακύκλωση (κυρίως παλιές μπαταρίες αυτοκινήτων). Παρομοίως, από ανακύκλωση παράγονται το 40% του χαλκού, το 32% του χάλυβα, το 30% του αλουμινίου, το 25% του νικελίου και μόλις το 1% του ψευδαργύρου.

Η παραγωγή των μετάλλων με πυρομεταλλουργικές και άλλες μεθόδους απαιτεί την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας. Επιπλέον οι μεταλλουργικές βιομηχανίες εκλύουν μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων (NOx, SO2, κ.ά.), τα οποία προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου, την όξινη βροχή και άλλα περιβαλλοντικά προβλήματα. Αν και οι σύγχρονες μεταλλουργικές μονάδες καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια και εκλύουν λιγότερα τοξικά αέρια σε σύγκριση με παλαιότερες παρόμοιες μονάδες, εντούτοις η κατά πολύ αυξημένη παραγωγή μετάλλων σημαίνει ότι η μόλυνση του περιβάλλοντος δεν έχει μειωθεί.

Προς το τέλος του 20ού αι., η μεταλλουργία, ως τεχνολογική επιστήμη και ως βιομηχανία, θεωρήθηκε ώριμος έως ξεπερασμένος τομέας[9]. Το αποτέλεσμα ήταν πολλές πανεπιστημιακές σχολές μεταλλουργίας να κλείσουν ή να αλλάξουν το πρόγραμμά τους και να μετονομαστούν σε σχολές Επιστήμης των Υλικών. Μία νέα άνοδος της τιμής των μετάλλων, και των πρώτων υλών γενικότερα, ίσως ανατρέψει αυτή την τάση.

Αναφορές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. C. Findlay, "History of steelworks' plant and equipment", περ. 2000.
  2. R. W. Cahn, "Trends in Physical Metallurgy". In Advances in Physical Metallurgy (edited by S. Banerjee and R. V. Ramanujan), pp. 1–5. Gordon & Breach Publishers, Amsterdam (1994).
  3. International Iron and Steel Institute, World Steel in Figures 2006
  4. International Aluminium Institute
  5. International Copper Study Group
  6. 6,0 6,1 International Lead Zinc Study Group
  7. International Nickel Study Group
  8. Chamber of Mines of South Africa
  9. D. J. Fray, "Aspects of technology trasnfer", Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 31B, pp. 1153–1162 (2000).

Βλ. επίσης[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Commons logo
Τα Wikimedia Commons έχουν πολυμέσα σχετικά με το θέμα

Εξωτερικές συνδέσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]