Μεταλλουργία

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

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 χαλκού–κασσίτερου). 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 χαλκού–ψευδαργύρου), 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.
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.
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). Κράματα ήδη υπάρχοντα εκείνον τον καιρό, όπως ο χάλυβας (κράμα σιδήρου–άνθρακα), μελετήθηκαν και ταξινομήθηκαν συστηματικά με την βοήθεια του μικροσκοπίου και την περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (1912). Νέα κράματα, όπως το ντουραλουμίνιο (1906), ο ανοξείδωτος χάλυβας (1909–1912), 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.

Η σημασία της μεταλλουργίας

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 χυτοσιδήρου–χάλυβα 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 1983–1991, 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).