Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Производство металлических конструкционных материалов: Учебное пособие

Голосов: 16

В пособии рассмотрены исходные материалы производства черных и цветных металлов, оборудование и способы подготовки сырья, конструкции плавильных агрегатов и технология выплавки чугуна, стали, ферросплавов и некоторых цветных металлов. Освещены способы прямого получения железа из руд, изложены методы получения металлических порошков и технологии изготовления из них некоторых видов спеченных конструкционных материалов. В возможной степени освещены перспективы развития процессов получения основных конструкционных материалов - металлов и сплавов. Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов машиностроительных специальностей вузов. Может быть полезна инженерно-технологическим работникам машиностроительных предприятий.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
         Государственное образовательное учреждение
           высшего профессионального образования

            «Оренбургский государственный университет»




                     И.Т. КАЗАРМЩИКОВ




ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ




Рекомендовано Учебным Советом Оренбургского Государственного
Университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по
программе высшего профессионального образования по специальности
«Технология конструкционных материалов».




                           Оренбург 2004


    ББК 34.2я.7
        К 14
    УДК 669.017(07)




         Рецензент
         доктор технических наук, профессор В.М. Кушнаренко
         кандидат технических наук, доцент А.Д. Проскурин


         Казармщиков И.Т.
К        Производство металлических конструкционных материалов:
         Учебное пособие. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 247 с.



          ISBN

              В пособии рассмотрены исходные материалы производства
         черных и цветных металлов, оборудование и способы подготовки
         сырья, конструкции плавильных агрегатов и технология выплавки
         чугуна, стали, ферросплавов и некоторых цветных металлов.
              Освещены способы прямого получения железа из руд, изложены
         методы получения металлических порошков и технологии
         изготовления из них некоторых видов спеченных конструкционных
         материалов.
              В возможной степени освещены перспективы развития
         процессов получения основных конструкционных материалов –
         металлов и сплавов.
              Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов
         машиностроительных специальностей вузов. Может быть полезна
         инженерно-технологическим       работникам    машиностроительных
         предприятий.


К 2608000000

                                               ББК 34.2я.7
                                               © Казармщиков И.Т., 2004
                                               © ГОУ ОГУ, 2004


                                Предисловие

     В современных условиях развития общества одним из значимых факторов
технического прогресса в машиностроении является совершенствование
технологии производства материалов. Важным направлением этого прогресса
является создание и широкое использование новых конструкционных материалов,
позволяющих резко повысить технический уровень и надежность оборудования.
Создавая конструкции машин, обеспечивающих надежность работы, инженер
должен хорошо знать способы получения основных машиностроительных
материалов – чугунов сталей и цветных металлов.
     В связи с уплотнением учебных планов по дисциплине «Технология
конструкционных материалов» объём разделов «Производство металлов» и
«Порошковая металлургия» постоянно сокращается. Поэтому возникла
потребность изложить основы производства черных и цветных металлов, а также
производство металлических порошков и изделий из них в виде отдельного
учебного пособия.
     Пособие написано в соответствии с учебной программой дисциплины
«Технология конструкционных материалов», являющейся комплексной
дисциплиной, содержащей основные сведения о способах получения
машиностроительных материалов и технологических методах изготовления из
них изделий.
     В учебном пособии по возможности отражено все новое и передовое в
практике производства чугуна, стали, цветных металлов, металлических
порошков и изделий из них. Особое внимание уделено вопросам прямого
получения железа и повышения качества металла и деталей.
     Стремление изложить обширный материал в краткой и доступной форме не
позволило уделить много места теории процессов получения металлов,
металлических порошков и изделий из них. Однако все технологические вопросы
рассмотрены с позиции современной науки.


                                     Введение

     Человек научился добывать и использовать металлы несколько тысячелетий
назад. В отдаленные времена было известно лишь несколько металлов. Это
золото, медь, серебро, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма. В настоящее время из
известных элементов Периодической системы Менделеева свыше 75%
составляют металлы.
     Исторически сложилась промышленная классификация металлов, по
которым все металлы делятся на две основные группы:
   - черные;
   - цветные.
     К черным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь,
ферросплавы), хром, марганец.
     Группа цветных металлов объединяет все остальные металлы, которая в
свою очередь подразделяется на несколько подгрупп:
   - лёгкие металлы (алюминий, магний и др.);
   - тяжелые (медь, никель, свинец, цинк и др.);
   - малые цветные металлы (кобальт, молибден, вольфрам, кадмий и др.);
   - благородные (золото, серебро, платина и др.);
   - редкие (лантан, церий, неодим и др.);
   - радиоактивные (уран, плутоний и др.).
     Среди металлов железо по своему значению занимает особое место.
Производство черных металлов в значительной степени определяет уровень
технического развития, являясь основой современной техники и культуры.
      Широкому применению в самых разнообразных областях техники черные
металлы обязаны своими высокими механическими и физическими свойствами.
Преимущественному применению черных металлов способствовало также
большое распространение в природе железных руд и сравнительная простота
производства чугуна и стали.
     Железо было известно человеку еще до нашей эры. Вначале железо
получали в обычных кострах, а затем в специально устроенных плавильных ямах
– сыродутных горнах. В горн, выложенный из камня, загружали руду и древесный
уголь. Воздух (кислород) необходимый для горения угля, подавался в виде дутья
снизу горна при помощи мехов. Образующиеся газы (CO) восстанавливали
оксиды железа. Из-за невысокой температуры в таких горнах можно было
получать только малоуглеродистое железо, притом в тестообразном состоянии.
     Постепенно горн совершенствовался и превратился в небольшую шахтную
печь, которая получила название домницы. Увеличение высоты домницы и
интенсивная подача дутья привели к повышению температуры и более
интенсивному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. В
домницах получали жидкое углеродистое железо с примесями марганца и
кремния, то есть чугун.
     Сначала чугун был нежелательным продуктом, так как его не умели испо-
льзовать для изготовления изделий и орудий труда. Позднее был найден способ
передела чугуна в ковкое железо. Способ получил название кричного процесса,
при котором чугун переплавляли в кричном горне. В разогретый горн на


раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки.
Плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и
железистого шлака. Происходило окисление его примесей (кремния, марганца,
углерода), и чугун превращался в малоуглеродистое ковкое железо.
      Кричный передел чугуна давал возможность получать железо более
высокого качества, чем сыродутное. При этом оказалось целесообразным сначала
выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его в ковкое железо.
      Со временем конструкция домниц изменялась, увеличивались высота и
поперечное сечение, улучшался профиль, и домница превратилась в доменную
печь.
      В дальнейшем прогресс доменного процесса шел в направлении увеличения
объёма печей, перехода к более рациональному профилю, совершенствования
конструкции доменных печей, механизации и автоматизации процесса.
      В 1856 г. Г. Бессемером был предложен способ передела жидкого чугуна
путем продувки его воздухом в конвертере, положившего начало
высокопроизводительному современному кислородно-конвертерному процессу. В
1864 г. отец и сын Мартены разработали способ производства стали в
регенеративной отражательной печи, получившей название мартеновского
процесса, и позволившего решить проблему переработки стального лома.
      В конце XIX в. возникла новая отрасль металлургии – производство
качественных сталей в электрических печах.
      Наряду с черными металлами очень важное значение в современном
промышленном производстве имеют цветные металлы, которые нашли
применение практически во всех отраслях промышленности и особенно в таких
как радио-техника и электроника, самолетостроение и ракетостроение.
       В настоящее время металлургия черных и цветных металлов достигла очень
высокого технического уровня. В результате упорного труда металлургов многих
поколений созданы эффективные технологические схемы переработки руд в
черные и цветные металлы.
       Особое место среди разнообразных способов производства металлических
конструкционных материалов занимает порошковая металлургия, позволяющая
производить не только изделия из металлических порошков различных форм и
назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые
иным путем крайне трудно или вообще невозможно.
       Порошковая металлургия позволяет решать следующие важнейшие задачи,
определяющие направление её развития в настоящее время:
      - изготовление материалов и изделий с особыми составами и свойствами,
        которые недостижимы другими способами производства;
      - изготовление материалов и изделий с обычными составами и свойствами,
        но при значительно более выгодных экономических показателях
        производства.
       В ближайшие годы ожидается интенсивное развитие теории и практики
процессов порошковой металлургии.


     1 Современное металлургическое производство
     1.1 Роль металлов в хозяйстве и структура металлургического
производства

     Роль и значение металлов в жизни человеческого общества очень велики.
Металлургическое производство возникло на заре развития человечества. Такие
металлы, как железо, медь, серебро, золото и др., нашли промышленное приме-
нение еще до нашей эры.
     Особое значение имеют черные металлы, представляющие сплавы железа с
небольшим количеством углерода и других элементов.
     Доля черных металлов составляет около 95% от общего объема производства
металлов. Черные металлы широко применяют в промышленности, строи-
тельстве, сельском хозяйстве, в быту. Такое широкое распространение черных
металлов обусловлено двумя обстоятельствами.
     Во-первых, в земной коре содержатся большие запасы рудного сырья в виде
оксидов железа. Железо является одним из наиболее распространенных элементов
в земной коре (четвертое место после кислорода, кремния и алюминия). Оксиды
железа в природе встречаются в виде больших месторождений. Это позволяет
строить крупные горнорудные предприятия, благодаря чему затраты на добычу
руды оказываются невысокими.
     Во-вторых, черные металлы удовлетворяют большинству требований,
предъявляемых к конструкционным материалам в машиностроительной, строи-
тельной и других отраслях промышленности. Ведущая отрасль промышленности
машиностроение базируется на черной металлургии, которая в значительной
степени определяет уровень развития машиностроения.
     Одно время казалось, что основой всей промышленности становится химия,
и черная металлургия сдаст свои позиции синтетическим материалам и отойдет на
задний план. Однако этого не произошло. Выяснилось, что всякие заменители
металлов не обеспечивают соответствующего качества. Кроме того,
синтетические материалы буквально засорили нашу планету пластмассовыми
отходами, переработка которых является дорогим и трудоемким процессом. В то
время как восстановление и регенерация черных металлов давно освоены и с
успехом используются промышленностью.
     Надежда нашей техники композиты – многослойные составные материалы,
обладающие рядом уникальных специфических свойств - тоже конструируются
на основе черных металлов.
      На протяжении последних лет идет постоянное развитие и модернизация
черной металлургии. Родились оригинальные методы, которые радикально из-
меняют существующие технологические процессы. На смену доменному про-
цессу приходят способы прямого восстановления железа из руд, минуя домны.
Быстро развивается индустрия получения металлических порошков, применяе-
мых для производства конструкционных материалов с уникальными свойства-ми.
Развитие металлургии идет по пути дальнейшего совершенствования методов
плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства,
внедрения новых прогрессивных способов. В перспективе стоит задача исполь-


зования гидрометаллургического способа получения железа, при котором в
разведанное месторождение закачивается соляная кислота, железо растворяется,
образуя хлориды железа. Раствор поднимается на поверхность, обезвоживается, и
полученные кристаллы хлоридов восстанавливаются до чистого железа.
     Современное металлургическое производство – это сложная система раз-
личных производств, базирующихся на месторождениях руд, коксующихся углей,
энергетических комплексах. Оно включает:
     - шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;
     - горнообогатительные комплексы, где обогащают руды, подготавливая их
        к плавке;
     - коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей и коксова-
        ние;
     - энергетические цехи для получения сжатого воздуха и кислорода;
     - доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;
     - сталеплавильные цехи для производства стали;
     - прокатные цехи, в которых слитки перерабатывают в рельсы, балки,
        листы, трубы и т.д.
    Основными цехами металлургического завода являются:
    - доменный;
    - сталеплавильный;
    - прокатный.
     Вспомогательные цехи предназначены для обслуживания основных цехов и
обеспечения их бесперебойной работы. В эту группу входят следующие цехи:
     - энергетические;
     - огнеупорные;
     - транспортные;
     - ремонтные и др.
    Исходным сырьём металлургического предприятия является:
    - железная руда, добытая на рудниках и прошедшая предварительную об-
      работку (обогащение и окускование);
    - каменный уголь, добытый в шахтах и прошедший также предваритель-
      ную обработку;
    - флюсы, добытые в карьерах и также прошедшие предварительную обра-
      ботку.
    Производство чугуна на металлургических заводах состоит из двух
основных этапов:
    - подготовка исходных материалов (шихты) к плавке;
    - выплавка чугуна.
     Шихтовыми материалами доменной плавки являются железосодержащие
компоненты (агломерат, окатыши), кокс и флюсы.
     Подготовка железосодержащей части шихты состоит в обогащении руды на
обогатительных фабриках и окусковании с получением агломерата или ока-
тышей. Обогащение производится с целью повышения содержания полезного
компонента (железа) в руде, что существенно улучшает металлургические
свойства железосодержащей части шихты. Окускование сырья способствует


повышению газопроницаемости столба шихтовых материалов в доменной печи,
улучшению восстановительной способности газового потока, уменьшению
выноса газовым потоком мелких фракций шихты из доменной печи. В результате
окускования значительно увеличивается производительность доменных печей,
сокращается расход кокса.
     Каменный уголь, входящий в состав исходного сырья, используется в до-
менной шихте в виде кокса, являющегося продуктом переработки специальных
(коксующихся) каменных углей. Качество кокса характеризуется химическим
составом, физико-механическими свойствами и зависит от свойств исходных
углей, их подготовки к коксованию, технологии коксования и обработки готового
кокса.
     Флюсы, применяемые в доменной печи, служат для придания
легкоплавкости пустой породы руды, ошлакования золы кокса и получения
жидкоподвижного шлака. В качестве флюса обычно применяют известняки.
Флюс вводится в доменную печь в виде офлюсованных агломерата и окатышей
или непосредственно в печь в виде кускового материала.
     Продукцией черной металлургии является:
     - чугуны, выплавляемые двух видов:
              - передельный, используемый для передела в сталь;
              - литейный, используемый для производства фасонных чугунных
                 отливок на машиностроительных заводах.
     - ферросплавы для выплавки легированных сталей;
     - стальные слитки для производства различного проката (рельсов, балок,
        листа, труб и др.), а также для изготовления крупных кованых валов,
        дисков, роторов турбин.
    Продукцией цветной металлургии является:
    - слитки цветных металлов для производства сортового проката, а также
      слитки (чушки) для изготовления отливок на машиностроительных за-
      водах;
    - лигатуры или сплавы цветных металлов с легирующими элементами, не-
      обходимые для производства легированных сплавов для отливок;
    - слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения.


    2 Материалы производства металлов и подготовка их к
плавке
     2.1 Материалы, используемые для производства металлов и сплавов
    Для производства металлов необходимы следующие материалы:
    - руда;
    - топливо;
    - флюсы;
    - огнеупорные материалы.
     Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли.
Это горная порода, из которой при данном уровне развития техники
экономически целесообразно извлекать металлы. Например, в настоящее время
целесообразно перерабатывать руды, если содержание металла в них составляет:
     - железа – 20 – 60%;
     - меди – 1 – 3%;
     - никеля – 0,3 – 1,0%;
     - молибдена – 0,005 – 0,02%.
     По мере развития техники указанные пределы постепенно снижаются и
переработке подвергаются руды с меньшим содержанием полезного компонента.
     Руда состоит из минералов, содержащих полезный металл и так называемую
пустую породу. Пустая порода может быть:
     - кремнистой, представленной кварцем – SiO2;
     - глиноземистой, содержащей значительное количество глинозема – Al2O3;
     - магнезиальной, содержащей в своем составе соединения магния.
     В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и
бедные. Бедные руды обогащают, то есть удаляют из руды часть пустой породы, в
результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого
металла.
     Руды обычно называются по одному или нескольким металлам,
содержащимся в них. Например, железные, марганцевые, медные,
хромоникелевые, железо-ванадиевые и др.
     Запасы руд делят в зависимости от степени изученности на несколько
категорий, обозначаемых буквами латинского алфавита А, В, С.
     К категории А (промышленные запасы) относятся месторождения, по
которым проведено разведочное бурение по частой сетке скважин и форма
рудного тела выявлена с достаточной точностью. Утверждение месторождения по
категории А является основанием для начала строительства металлургического
завода.
     К категории В (вероятные запасы) относятся месторождения, обуренные по
редкой сетке скважин, что делает затруднительным определение точной формы
рудного тела. Если месторождение отнесено к категории В, то это может служить
основанием для проектирования, но не для строительства металлургического
завода.
     К категории С (ориентировочные запасы) относят месторождения, форма
рудного тела в которых известна лишь в самых общих чертах, по естественным


обнажениям или геофизическим данным. Запасы руды по категории С могут
использоваться только при перспективном планировании развития металлургии.
     Сумма запасов (А + В + С) называется общими балансовыми запасами руд.
     Топливо в металлургической промышленности используется в виде кокса,
природного газа, мазута. Оно служит не только как горючее для нагрева и
расплавления материала, но и как реагент в химических реакциях
металлургических процессов.
     Флюсы представляют собой материалы, загружаемые в плавильную печь
для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой
топлива. Такое соединение называют шлаком. Он имеет меньшую плотность, чем
металл, поэтому располагается над металлом, защищая металл от печных газов и
воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные
оксиды SiО2, Р2О5 и основным, если в его составе больше основных оксидов –
СаО, MgО.
     Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего слоя
(футеровки) металлургических печей. Они должны:
     - выдерживать нагрузки при высоких температурах;
     - противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию
        шлака и печных газов.
     Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения.
    По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на:
    - кислые;
    - основные;
    - нейтральные.
     Кислые – это материалы, содержащие значительное количество кремнезема
SiO2. Например, кварцевый песок (95% SiО2), динасовый кирпич.
     Основные – это материалы, содержащие основные оксиды (СаО, MgО).
Например, магнезитовые кирпич, порошок.
     Нейтральные – это материалы, содержащие большое количество Al2O3 и
Cr2O3. Например, хромомагнезитовые, шамотные кирпичи.
     При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и
шлаками. Если в печи, имеющей футеровку, выложенную основным огнеупорным
материалом, применять кислые флюсы, то в процессе плавки образуются кислые
шлаки, которые, взаимодействуя с основной футеровкой, будут разрушать ее. То
же произойдет, если в печи, выложенной огнеупорными материалами из кислых
оксидов, применить основные флюсы. Поэтому в печах с кислой футеровкой
используют кислые шлаки, а в печах с основой – основные.
     Высокой огнеупорностью обладают углеродистые материалы, содержащие
до 92% углерода в виде графита. Материалы применяются в виде кирпичей,
блоков для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения
алюминия, тиглей для наплавки медных сплавов.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика