Учебноепособие
Металлургическоепроизводство
Введение
Получение металловизвестно человечеству давно. Например, медь и олово добывались уже в пятомтысячелетии до нашей эры.
В России первыйметаллургический завод начал работать в 1701 г. на Урале. В дальнейшем производство чугуна и стали быстро развивалось. Россия даже стала экспортировать сталь.Однако в начале XX века на душунаселения в России все же приходилось в 18 раз меньше чугуна и стали, чем вСША, в 8 раз меньше, чем в Германии, в 4 раза меньше, чем во Франции.
Металлы и сплавы делятна черные и цветные.
Важнейшим промышленнымметаллом является железо (Fе),которое в сплавах с углеродом (С) и другими элементами образует группу сплавовчерных металлов — сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества производимыхв мире металлов свыше 90% приходится на долю черных металлов.
Из цветных металловособое значение имеют медь (Си), алюминий (А1), магний (Мg),свинец (РЬ), цинк (Zn), олово (Sn),а также хром (Сr), никель (Ni),молибден (Мо) и другие.
Все перечисленныеметаллы называют техническими в отличие от благородных (платина, золото,серебро), редкоземельных и прочих металлов.
Наибольшеераспространение в народном хозяйстве имеют металлические сплавы, так как ихсвойства лучше свойств составляющих их простых элементов.
1.Металлургия чугуна
1.1Исходные материалы для выплавки чугуна
Сплавы черные металлов,как было сказано, представляют сплавы железа с углеродом; кроме того, онисодержат примеси — кремний, марганец, фосфор, серу и некоторые другие.
Химически чистое железов промышленности практически не применяется, поскольку механические свойстваего невысоки.
Элементом, оказывающимглавное влияние на свойства черных металлов, является углерод, и в зависимостиот содержания его черные металлы делят на сталь и чугун.
Сталью называютжелезоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Чугуном являетсяжелезоуглеродистый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладаетзначительно более высокими механическими свойствами (прочностью, твердостью,пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна —служить сырьем для получения стали.
Исходным сырьем дляпроизводства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом длявыплавки чугуна служит доменная печь.
Рассчитанное вопределенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходныхматериалов называется шихтой.
Железной рудой являетсягорная порода, содержащая те или иные соединения железа, а также примесисоединений других элементов, являющихся пустой породой.
В настоящее время дляполучения чугуна употребляют следующие руды.
Магнитный железняк (Fе3О4)— минерал черного цвета, обладает магнитными свойствами; содержание в немжелеза доходит до 72%,
Бурый железняк (2Fе2О3ЗН2О)— минерал желто-бурого цвета; содержание железа колеблется от 35% до.50%.
Красный железняк (Fе2О3)— минерал красного цвета, содержит до 60% железа.
Шпатовый железняк (FеСО3)— минерал серого цвета, содержит 30—42% железа.
Топливо, употребляемоедля доменного процесса, должно иметь высокую теплотворную способность и малуюзольность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а такжесодержать как можно меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугуни ухудшает его свойства.
В качестве топлива придоменном производстве используется каменноугольный кокс. Для интенсификациивыплавки чугуна применяют природный газ и кислород.
Для отделения пустойпороды и золы в доменную печь вводят вещества, называемые флюсами; эти веществапри сплавлении с пустой породой и золой топлива образуют легкоплавкиехимические соединения, образующие шлак.
Для выплавки чугунаруду подвергают предварительной подготовке — обогащению. Качество подготовкируды оказывает большое влияние на ход плавки, расход топлива и качествополучаемого чугуна.
Подготовка рудывключает операции дробления, сортировки, обогащения и, если необходимо, обжига.
Дробление — измельчениекрупных кусков руды — производится специальными машинами — дробилками, при этомполучают куски размером 20—100 мм. Мелочь отсеивается и идет на агломерацию(спекание).
Магнитное обогащениеосновано на действии магнитного поля на составляющие руды, обладающиемагнитными свойствами. Оно осуществляется в агрегатах, называемых магнитнымисепараторами.
Агломерацияпроизводится с целью использования мелкой порошкообразной руды и колошниковойпыли; для спекания эти вещества смешивают с измельченным коксом.
Спекание осуществляютна специальных агломерационных ленточных машинах, где топливо, сгорая, образуетпористые спеченные куски, называемые агломератом.
Прогрессивным способомобогащения руд является более эффективный процесс подготовки руды — окомкование.Сущность процесса состоит в окатывании измельченных частиц шихты и последующемобжиге окатышей/
1.2Устройство доменной печи
Современная доменнаяпечь представляет собой шахтную (вертикальную) печь общей высотой до 70 м и диаметром до 14 м.
Внутри доменная печьвыкладывается (футеруется) огнеупорным кирпичом. Снаружи печь для прочностиимеет стальной кожух. Части доменной печи следующие (рис. 1): засыпной аппарат,колошник, шахта, распар, заплечники и горн.
Засыпной аппарат служитдля накопления и подачи шихты через колошник. Вверху колошника имеетсягазоотвод для выхода доменного (колошникового) газа. Шахта имеет формуусеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма шахты способствуетсвободному опусканию шихты при плавке. Заплечники имеют форму усеченногоконуса, расширяющегося кверху, поэтому они удерживают всю твердую шихту,находящуюся в распаре и шахте.
/>
Рис. 1. Доменная печь:
1. Дымоваятруба;
2. Пламя;
3. Горючийколошниковый газ;
4. Воздух;
5. Выпускчугуна;
6.Выпуск шлака;
7.Горячий воздух;
8.Газовый канал;
9.Дымовой канал;
10.Воздушная труба.
Нижняя часть доменной печи— горн — имеет цилиндрическую.форму. В верхней части горна по окружностирасположены фурмы для подачи в печь подогретого воздуха, природного газа икислорода. Нижняя часть горна, в которой собираются жидкий чугун и шлак,называют лешадью. В горне имеется два отверстия — летки — для выпуска чугуна ишлака. Чугунная летка располагается в нижней части горна, а шлаковая — вверхней.
Подогрев воздухаосуществляется для увеличения производительности печи и уменьшения расходатоплива. Нагрев производят в специальных нагревательных аппаратах —воздухонагревателях.
Воздухонагревательпредставляет собой башню диаметром порядка 10 м, высотой до 50 м. Корпус воздухонагревателя выполнен из листовой стали, внутри футерован огнеупорным кирпичом. Вшахте воздухонагревателя сгорает доменный газ. Остальное пространствовоздухонагревателя заполнено насадкой (кирпичной кладкой с проходами длягазов), аккумулирующих тепло от продуктов горения доменного газа.
Атмосферный воздухнаправляется к воздухонагревателю, где проходит через горячую насадку,нагревается до 1000—1200°С и затем направляется к фурмам доменной печи.
1.3Доменный процесс
В печи непрерывнонавстречу друг другу движутся два материальных потока: сверху вниз — потокшихтовых материалов и снизу вверх — поток газов, образующихся в результатегорения топлива и реакции с составляющими шихты.
Сущность доменнойплавки состоит в восстановлении железа из его оксидов, содержащихся в руде,науглероживании железа до получения чугуна и ошлакования пустой породы.
Кислород воздуха,вдуваемый через фурмы, вступает в реакцию с углеродом топлива по формуле:
С + О2 = СО2+ Q
При этом в районе фурмразвивается температура до 2000 °С. Диоксид углерода СО2 при высокихтемпературах и в присутствии углерода над фурмами восстанавливается в оксид:
С02 + С =2СО- Q
Встречая при своемдальнейшем подъеме руду, часть оксида углерода восстанавливает оксиды железа,при этом вновь превращаясь в С02.
Загруженная в печь рудав области колошника в верхней части шахты высушивается и теряет химическисвязанную воду. Начиная от середины шахты и до распара происходит постепенноевосстановление оксида железа оксидом углерода:
ЗFе2О3+ СО = 2Fе3О4+ СО2
Fе3О4+ СО = ЗFеО + С02
FеО+ СО = Fе + СО2
Суммарный тепловойэффект реакций восстановления железа оксидом углерода (косвенноевосстановление) является положительным; эти реакции протекают при 400— 950°С.Параллельно в области распара и в верхней части заплечников при температуре1300—1400 °С идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленногококса (прямое восстановление):
FеО+ С = Fе + СО + Q
Полученное твердоегубчатое железо в зоне распара и заплечников науглероживается и вследствиепонижения при этом температуры плавления (температура плавления железа 1539°С,чугуна — 1100—1200 °С), переходит в жидкое состояние. Стекающие в горнструйки чугуна поглощают восстановленные в процессе плавки примеси — марганец,кремний и фосфор, а также частично серу из золы кокса.
Наличие кремния имарганца в чугуне оказывает положительное влияние на свойства чугуна. Фосфор исера являются вредными примесями. Кремний улучшает литейные качества чугуна;марганец при небольшом (до 1%) содержании повышает прочность чугуна. Фосфорделает чугун хрупким в холодном состоянии, сера увеличивает хрупкость чугунныхизделий в нагретом состоянии.
Вместе с кремнеземом (SiO2),глиноземом (А12О3) и другими примесями из пустой породы изолы топлива флюсы образуют шлак, который плавится в распаре и заплечниках истекает в горн, где накапливается поверх жидкого чугуна.
1.4Продукты доменного производства
Основным продуктомдоменного производства является чугун. В чугуне углерод может содержаться ввиде механической примеси (свободного графита) и химического соединения —карбида железа (Fе3С),называемого цементитом.
Чугуны, содержащиесвободный графит, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Этичугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют литейныеформы и достаточно легко поддаются обработке режущим инструментом. Такой чугунназывают серым или литейным чугуном. Характерным для него является повышенноесодержание кремния и пониженное — серы.
Чугуны, содержащиеуглерод в виде химического соединения с железом (Fе3С),имеют белый излом. Для отливок они малопригодны и трудно обрабатываются режущиминструментом. Эти чугуны преимущественно перерабатываются на сталь, они имеютпониженное содержание кремния и называются белыми или предельными чугунами.
Кроме литейных ипредельных чугунов в доменных печах получают специальные чугуны, илиферросплавы. Ферросплавы имеют повышенное (более 10%) содержание некоторыхэлементов, например кремния, марганца. Применяются ферросплавы в качествеспециальных присадок при выплавке стали.
Кроме чугуна в доменномпроизводстве получают доменный газ и шлак.
Доменный газ и шлакпредставляют собой побочные продукты плавки.
Доменный газиспользуется в качестве топлива. Он улавливается в области колошника иподвергается очистке. Около 25% доменного газа используется непосредственно вдоменном процессе, остальные 75% идут для сжигания на ТЭЦ. Шлак идет дляпроизводства строительных материалов
2.Металлургия стали
Значительную частьстали получают из предельного чугуна. Сущность процесса заключается вуменьшении в чугуне содержания углерода и примесей (серы, фосфора, кремния имарганца) путем их окисления. Кроме чугуна в состав шихты могут входитьметаллический лом, железная руда, флюсы. Сталь выплавляют в кислородныхконверторах, мартеновских и электрических печах.
2.1Выплавка стали в кислородных конвертерах
Сущность процессазаключается в том, что через расплавленный чугун и небольшое количествометаллического лома черных металлов, загруженных в конвертор, продуваетсякислород, образуется оксид железа FO,который, взаимодействуя с углеродом и примесями чугуна, окисляет и обращает ихв газ и шлак. Реакции окисления идут с выделением тепла. Чугун при этомпревращается в сталь. Конвертер с кислородным дутьем (рис. 2) состоит изстального корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом. Конвертер имеетповоротное устройство, с помощью которого может устанавливаться в наклонномположении. В таком положении его заливают жидким чугуном, затем устанавливаютвертикально и через фурму производят продувку кислородом. По окончании процессаконвертер вновь наклоняют и выпускают сталь и шлак.
/>
Рис.2. Выплавка стали вкислородных конвертерах
Емкость современныхконвертеров составляет 300-350т, Продолжительность плавки 30-40 минут.Температура, развиваемая в плавильном пространстве, достигает 1800 °С. Высокаяпроизводительность агрегата, простота конструкции и обслуживания, отсутствиепотребности в топливе обеспечивают невысокую себестоимость конверторной стали,
К недостаткам работыконверторов относятся невозможность переработки значительного количестваметаллического лома, значительный угар металла (5—10%), повышенное содержаниевредных примесей в получаемой стали.
Конвертерная стальотносится к стали обыкновенного качества. Такая сталь идет для полученияпроката различного профиля — листов, прутков, трубного проката, уголков и т. д.Кислородное конвертирование — перспективный процесс, поскольку с его помощью впоследние годы освоено получение качественной стали.
2.2Выплавка стали в мартеновских печах
Процесс выплавкиразработан французскими металлургами Э. и П. Мартенами. Он отличается болеевысокой по сравнению с конвертированием температурой, развиваемой в плавильномпространстве печи, — 1800—1900°С, что позволяет перерабатывать чугун в твердом,жидком состоянии, стальные отходы металлургического и машиностроительногопроизводства. В состав шихты могут входить железная руда, флюсы, марганец. Вкачестве топлива в мартеновском процессе используется природный газ.
Мартеновская печь (рис.3) работает следующим образом.
Шихта через загрузочныеокна 1 загружается в плавильное пространство 2, выложенное огнеупорнымкирпичом. Природный газ и воздух, образующие факел для расплавления
/>
Рис. 3. Мартеновскаяпечь
Готовая стальвыпускается через отверстие — летку, расположенную в задней стенке печи. Различаютдва варианта мартеновского процесса: скрап-процесс и скрап-рудный процесс.
При скрап-процессешихта на 60—80% состоит из стального лома и на 20-40% — из чушкового чугуна.Такой процесс используется на металлургических заводах, где нет доменных печей.Скрап-процесс позволяет вводить в состав стали легирующие добавки (марганец,хром, ванадий и др.), улучшающие качество стали.
При скрап-рудномпроцессе шихта состоит на 60—75% из жидкого чугуна, небольшого количестважелезной руды и металлического лома. Этот процесс используется наметаллургических заводах, имеющих доменные печи. Скрап-рудный процесс —наиболее распространенный процесс плавки.
Емкость мартеновскихпечей достигает 900 т. Время плавки составляет 3—6 часов. Достоинствоммартеновского способа является возможность широкого использования в составешихты металлического лома и получения качественной стали. Основныминедостатками мартеновского процесса следует считать значительнуюпродолжительность плавки и большой расход топлива.
2.3Выплавка стали в электрических печах
Электросталеплавильныйпроцесс, появившийся в конце XIXв., благодаря поддержанию в плавильном пространстве повышенной температуры(порядка 2000 °С и выше), обеспечивает получение стали более высокого качествапо сравнению с конверторным и мартеновским процессами. Высокая температура даетвозможность полнее удалять примеси, вводить в состав стали тугоплавкиелегирующие металлы, значительно повышающие ее прочность, твердость икоррозийную стойкость.
Электрическиеплавильные печи разделяются на дуговые и индукционные.
Дуговая электрическаяпечь(рис, 4) состоит из стального кожуха, футерованного огнеупорным кирпичом.Сверху через отверстия в своде печи введены угольные электроды, Шихтазагружается через загрузочное окно 1. Шихта плавится под воздействием высокойтемпературы, создаваемой электрической дугой, возникающей при прохожденииэлектрического тока между электродами 2 и шихтой 3. Готовую сталь выпускают пожелобу летки 4 при наклоне печи, осуществляемом с помощью поворотного механизма5.
/>
Рис. 4. Дуговаяэлектрическая печь
/>
Рис. 5 Индукционнаяэлектрическая печь
Емкость дуговых печейколеблется от 0,5 до 400 т, длительность плавки составляет 3-6 часов,
В индукционной печи(рис, 5) плавка осуществляется в тигле из огнеупорного материала 1. Вокругтигля располагается спиральный индуктор 2, изготовленный из медной трубки, вкоторой циркулирует охлаждающая вода.
При прохождении токачерез индуктор в шихте 4 наводятся мощные вихревые токи, которые обеспечиваютплавление шихты. Шихтовые материалы загружаются сверху. Для выпуска готовойстали тигель наклоняют в сторону сливного желоба 3,
В индукционных печахвыплавляют особо высококачественные стали. Вместимость печей составляет отдесятков килограммов до 2—5 т металла. Продолжительность одной плавкисоставляет от 0,5 до 2,5 часов.
Электрометаллургическийпроцесс — основной способ производства высококачественных и особовысококачественных и особо высококачественных сталей. Вместе с тем,себестоимость электростали значительно выше конверторной и мартеновской стали.Недостатком электрических печей является относительно малая вместимость,сложность и высокая стоимость электрооборудования, низкая стойкость электродови тиглей, необходимость использования чистых шихтовых материалов.
2.4Разливка стали
/> />
Изложницы для разливки(сверху)
/>
Разливка сифоном(снизу)
2.5Непрерывная разливка
Разливка стали имееточень важное значение в металлургии и позволяет придать полученной сталипервичную форму – форму слитка.
Применяют 2 способаразливки: разливка в изложницы и непрерывная разливка стали (рис. 6)
Разливка в изложницыподразделяется на разливку сверху и сифонную разливку.
Разливка сверхуиспользуется для получения крупных слитков (десятки тонн). Преимуществомразливки является простое разливочное оборудование, а недостатками — малаяпроизводительность и повышенные потери материала за счет усадочной раковины, образующейсяв слитке при затвердевании стали.
Сифонный способразливки (разливка снизу) позволяет получать небольшие слитки (тонны).Производительность процесса выше разливки сверху, поскольку заполняетсяодновременно несколько изложниц, потери материала меньше. Недостаток способа —сложное разливочное оборудование.
Непрерывная разливкастали— наиболее производительный и экономичный способ разливки. Изковша 1 через разливочное устройство расплавленная сталь поступает вохлаждаемый водой кристаллизатор 2, В кристаллизаторе сталь затвердевает и ввиде слитка 3 непрерывно вытягивается вращающимися роликами 4. Нужной длиныслитки отрезаются ацетилено-кислородной горелкой 5.
Преимуществомнепрерывной разливки является высокая производительность процесса, возможностьполучения необходимой формы сочетания слитки, что позволяет направить ихнепосредственно на обработку резанием и прокатку. При непрерывной разливке допяти раз сокращаются отходы материалы по сравнению с разливкой в изложницы.
Недостатком способаявляется сложность разливочного оборудования. Однако применение непрерывнойразливки стали в мире быстро увеличивается. Перспективной является организацияединого технологического процесса: непрерывная разливка — прокатка стали.
2.6Прогрессивные способы получения стали
Бездоменнаяметаллургия. Прогрессивным способом является получение стали прямымвосстановлением из руд, минуя доменный процесс. Железистый концентрат поступаетпо пульпопроводу прямо на завод, где в автоматических шахтных печах притемпературе 1000 °С получают металлизированные окатыши. Окатыши в качествешихты поступают в электропечи. Полученный материал после непрерывной разливки сразуидет на прокатку.
Способ весьмаэкономичен. Отпадают затраты на коксохимическое производство, качествополученной стали высокое, поскольку в рудах Курской магнитной аномалиипрактически отсутствуют фосфор и сера. Производительность бездоменного процессазаметно выше традиционных способов выплавки стали.
Электрошлаковыйпереплав (ЭШП). Данным способом получают особовысококачественные легированные стали. Для этого сталь обыкновенного качестваподается в установку ЭШП в виде прутков-электродов. Вследствие сопротивленияэлектрода проходящему току выделяется большое количество теплоты, отчегоэлектрод плавится. Расплавленный металл электрода проходит через слойспециального жидкого шлака и очищается от вредных примесей и газов. Аналогичныйспособ — плазменно-дуговой переплав (ПДП). Источником тепла здесь служитплазменная дуга с температурой до 10000 «С. Используется такжеэлектронно-лучевой переплав (ЭЛП). Плавление происходит под действием потокаэлектронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой с созданием вплавильном пространстве глубокого вакуума.
Достоинствамиперечисленных способов является возможность получения стали и сплавов оченьвысокой чистоты, применение которых облегчает массу конструкций, увеличиваетнадежность и долговечность машин и механизмов. Такая сталь необходима дляатомной, реактивной и космической техники.
3.Металлургия цветных металлов
Широкое применениецветных металлов объясняется их специфическими свойствами: высокими электро- итеплопроводностью, коррозийной стойкостью, жаропрочностью. Кроме того, цветныеметаллы способны образовывать сплавы друг с другом и с черными металлами.
Цветные металлыклассифицируют на четыре группы:
тяжелые —медь, никель, свинец, цинк, олово;
легкие —алюминий, магний, титан, кальций и др.;
благородные —золото, серебро, платина;
редкие —молибден, вольфрам, ванадий, уран и др.
3.1Производство меди
Медь имеет красныйцвет, температура ее плавления 1083 °С, плотность 8,96 т/м3. Медьхорошо проводит электричество и Тепло, отличается малой прочностью, высокойпластичностью. Медь используется в электро- и радиопромышленности, значительнаячасть ее идет на получение сплавов.
Около 80% медивыплавляют из сульфидных руд. Основными медными рудами являются медный колчедан(СuFеS2)и медный блеск (Сu2S).
Медные рудыотносительно бедны (содержание меди — не более 5%), поэтому их подвергаютобогащению. С этой целью используют метод флотации, основанный на способноститонко измельченных рудных минералов смачиваться некоторыми реагентами. Смесьизмельченной руды, воды и реагентов помещается в специальной ванне, черезкоторую пропускается воздух. Благодаря пузырькам воздуха на поверхность ванныподнимаются частицы рудных минералов, а пустая порода осаждается и удаляется.Содержание меди в полученном концентрате достигает до 30%.
Медный концентрат послеобогащения содержит сернистые соединения. Для снижения содержания серыконцентрат подвергают обжигу, который ведут в специальных печах при температуре700—800 °С.
В результате обжигаполучают так называемый огарок и сернистый газ SО2.Огарок направляется на плавку. Сернистый газ используется для получения сернойкислоты.
Плавка огаркапроизводится в отражательных печах, по устройству сходных с мартеновскими. Вних одновременно может плавиться более 100 т огарка.
В конце плавки в печиобразуется полупродукт — штейн (Си2S4FеS),содержащий до 50% меди, а также железо, серу, кислород и включающий небольшоеколичество золота, серебра, свинца и других металлов. Штейн сливают инаправляют в конверторы для получения черновой меди.
Конвертор представляетсобой футерованный изнутри 'металлический сосуд, установленный на опорныхроликах и поворачивающийся вокруг горизонтальной оси (рис. 7). Масса плавкисоставляет до 1000 т. Воздушное дутье подается через фурмы, расположенные вдольконверторов. 'Затем в конвертор подается кварцевый флюс. Продувка длится до 30часов. В результате получают черновую медь.
/>
Рис. 7. Кислородныйконвертор:
1.Дутьё
2.Газы
3.Штейн и шлак
Черновая медь содержитпримеси железа, серы, мышьяка, кислорода.
Примеси ухудшаютсвойства меди, поэтому черновую медь подвергают рафинированию. Рафинированиемеди производится огневым и электролитическим способами. Огневое рафинированиеосуществляется в пламенных печах и производится в том случае, когдапренебрегают небольшим количеством благородных металлов, содержащихся вчерновой меди. Окисление примесей в печи происходит за счет кислорода воздуха,который подается в жидкий металл. Готовую медь разливают на слитки или анодныепластины.
Для получениявысококачественной меди и выделения из нее благородных металлов производятэлектролитическое рафинирование. Для этого черновую медь в виде пластин(анодов) погружают в ванну с водным раствором медного купороса в сернойкислоте. Параллельно анодам подвешивают тонкие листы чистой меди (катоды). Припрохождении постоянного тока аноды растворяются в воде и медь осаждается накатодах. За 10—12 суток на катодной пластине отлагается около 100 кг меди. Катоды затем переплавляют и разливают в слитки.
В зависимости отстепени чистоты различают ряд марок меди (МОО, МО, М1, М2, МЗ, М4) ссодержанием меди от 99,0 до 99,95%.
3.2Производство алюминия
Алюминий — металл серебристо-белогоцвета, температура его плавления 660 °С, плотность 2,7 т/м3.Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью, уступая по этимсвойствам серебру и меди, пластичностью и малой окисляемостью. Прочность итвердость алюминия невысокие.
Наибольшее применениеалюминий получил в электротехнической промышленности для изготовления проводови кабелей. Сплавы алюминия широко применяются в авиации, машиностроении,пищевой промышленности.
Получают алюминий изруд с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов.Основным сырьем для получения алюминия являются бокситы (50—60% глинозема).
Процесс полученияалюминия состоит из двух стадий: получение глинозема (А1203)из руды и производство алюминия из глинозема. В зависимости от состава исвойств исходного сырья применяют различные способы получения глинозема.Наиболее эффективным из них является щелочной способ. Выход глинозема из рудыпри этом способе составляет около 87%.
Глинозем представляетсобой прочное химическое соединение, температура его плавления — 2050 °С. Вэтих условиях восстановление алюминия из глинозема весьма затруднительно.Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного врасплавленном криолите (ЗNаFuА1F3).Процесс проходит в электролизных ваннах (электролизерах). Ванна (рис. 8)представляет собой металлический корпус, футерованный углеродистыми блоками. Вних вставляются медные катодные шины. Сверху в ванну опускается угольныйэлектрод, представляющий собой анод.
/>
Рис. 8. Электролизер
В результатеэлектролиза на дне ванны собирается жидкий алюминий, который периодическиоткачивается с помощью вакуумного насоса.
Для увеличения степеничистоты алюминия его рафинируют. С этой целью алюминий в ковшах при температуре650—770°С подвергают продувке хлором в течении 10—15 минут. Из алюминияудаляются примеси глинозема, криолита и газы. Готовый алюминий разливают визложницы.
Алюминий высокойчистоты получают электролитическим рафинированием. Анодом в этом случае служитподлежащий очистке алюминий, катодом — пластины из чистого алюминия. Расплавыхлористых и фтористых солей используются в качестве электролита.
3.3Сплавы цветных металлов
Сплавы меди нашли втехнике широкое применение в качестве конструкционных материалов.
Бронзы — сплавы меди соловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. Эти сплавы болеепрочны и коррозионностойки, чем медь. Устойчивость к износу делает ихнезаменимыми для изготовления вклады шей подшипников, червячных колес, шестерени других деталей машин и приборов.
Сплав меди с цинкомназывают латунью. Применяют латуни с содержанием цинка до 45%. По сравнению смедью латуни дешевле, прочнее и устойчивее против коррозии. В технике применяютдеформируемые и литейные латуни. Деформируемые латуни (обрабатываютсядавлением) предназначены для изготовления листов, прутков, труб. Литейныелатуни применяют для получения изделий путем литья — втулок, деталейсанитарно-технической арматуры.
В машиностроении истроительстве широко используют сплавы алюминия. Они делятся на деформируемые илитейные.
Деформируемыеалюминиевые сплавы идут для получения листов, проволоки, ленты, фасонныхпрофилей и различных деталей. Наиболее известный сплав — дюралюминий. Дюралюминийхорошо деформируется как в горячем, так и в холодном состоянии. Упрочняющейобработкой для него служит закалка,
В качестве литейныхнаибольшее применение нашли сплавы алюминия с кремнием — силумины.
Силумины отличаютсяповышенными по сравнению с алюминием механическими свойствами, хорошейобрабатываемостью резаньем и высокими литейными качествами. Силумины применяют,например, для отливки блока цилиндров автомобильных двигателей, поршней и т. п.
4.Основы металловедения
Металловедение — наука,изучающая зависимость свойств металлов от их строения и состава. Металловедениеявляется базой для разработки оптимальных технологических процессов обработкиметаллов.
4.1Свойства металлов
Металлами называютсявещества, обладающие рядом специфических свойств: характерным цветом, высокойэлектро и теплопроводностью, прочностью, пластичностью, магнитными и другимисвойствами. Знание свойств металлов предопределяет области их применения.
Свойства металловделятся на физические, химические, механические и технологические.
К физическим свойствамотносятся: цвет, плотность, электропроводность, магнитные свойства,теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.
К химическим —окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
К механическим —прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
К технологическим —жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием и ряддругих.
Качественныехарактеристики свойств металлов устанавливаются испытаниями. Основными видамииспытаний являются: механические испытания, химический, спектральный,металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы,дефектоскопия и др.
Детали машин,механизмов, режущие и другие инструменты работают под различными нагрузками.Поэтому они должны, прежде всего, обладать хорошими механическими свойствами.Дадим краткие определения механических свойств металлов.
Прочностью металланазывается его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь,
'Твердость —это способность металла противостоять проникновению в его поверхность другого,более твердого тела.
Упругость —свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия на неговнешних сил.
Вязкость —способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам.
Пластичность —свойство металла изменять свою форму под действием внешних сил без разрушения исохранять измененную форму после прекращения действия этих сил.
Механические свойстваметаллов определяют испытаниями на статистическое растяжение, ударную нагрузкуи на твердость.
Испытания на растяжениепроводят на разрывных машинах (рис. 9). Стандартный образец Iзакрепляют в захватах 2 машины и подвергают растяжению до разрушения. Оразрушающей величине нагрузки судят по показаниям прибора. Появление на образцесуженного места — шейки — свидетельствует о потере металлом прочности ипредшествует разрыву образца.
/> />
Рис. 9. Испытаниеметалла на растяжение
Прочность металлаоценивается условной величиной — пределом прочности. Предел прочности прирастяжении обозначают буквой ив. Предел прочности (или временное сопротивлениеразрыву) в МПа равен величине нагрузки, приложенной к образцу в моментпоявления шейки (Рв), деленной на первоначальную площадь поперечного сеченияобразца (Fo):
oв= Рв / Fo
Например, 0в для сталимарки 08кп равна 295 МПа, для алюминия oв— 90—180 МПа.
Аналогичным образомоценивают упругость металла. „Упругость металла характеризуется пределомупругости. Пределом упругости является условное напряжение, соответствующеепоявлению первых признаков остающейся при разгрузке образца пластическойдеформации,
Пластичность металлаоценивают по величине удлинения и сужения образца при его растяжении — этивеличины называют соответственно относительное удлинение и относительноесужение.
Некоторые детали машин,инструменты типа штампов, кувалды, молотки и т. п. подвергаются действиюударных нагрузок. Испытания на способность металла выдерживать ударную нагрузкувыполняют с помощью маятникового устройства — копра.
''Образец стандартнойформы устанавливают в опорах копра. Маятник копра определенного веса поднимаютна некоторую высоту и затем отпускают. Маятник, свободно падая, ударяет пообразцу и разрушает его. Исходя из показаний шкалы устройства, площадипоперечного сечения образца, рассчитывают характеристику вязкости, называемуюударной вязкостью.
Испытания на твердостьметалла получили широкое распространение. Существует три метода испытания,называющихся по имени их изобретателей: метод Бринелля, метод Роквелла, методВиккерса.
Например, твердость поБринеллю определяют вдавливанием стального шарика диаметром 2,5, 5 или 10 мм в поверхность испытуемого металла. Отношение нагрузки Р к площади поверхности Р полученногоотпечатка дает величину твердости, обозначаемую НВ.
Испытания на твердостьпозволяют, в частности, для углеродистых сталей судить о других механических.свойствах металла.
Свойства сплавов, такжекак и металлов, зависят от их химического состава и внутреннего строения. Повнутреннему строению сплавы разделяются на химические соединения, твердыерастворы и механические смеси. Химические соединения отличаются высокойтвердостью и хрупкостью, твердые растворы — прочностью и пластичностью,механические смеси — легкоплавкостью, постоянной температурой плавления и т. п.
4.2Термическая обработка стали
Термическая (тепловая)обработка стали, основана на способности металла изменять свою структуру принагревании и охлаждении. Путем такой обработки можно придавать сталинеобходимые свойства: сделать изделие твердым или хрупким, прочным илипластичным.
Термическая обработказаключается в нагреве стального изделия (заготовки) до определеннойтемпературы, некоторой выдержке при этой температуре и последующем охлаждении сзаданной скоростью (рис. 10). Режим термической обработки зависит от вида ицели термической обработки, химического состава, формы и размеров изделия.
/>
Рис. 10. Графиктермической обработки
В зависимости отсвойств, которые хотят придать изделию (твердость, прочность, пластичность и т.д.), применяют разные виды термической обработки. Основными видами термическойобработки являются: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг заключаетсяв нагреве изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре имедленном охлаждении — обычно вместе с печью. Отжиг делает сталь пластичной,благодаря чему улучшается ее обрабатываемость, снимается внутреннее напряжение,возникшее в металле на предыдущих этапах изготовления изделия или получениязаготовки (обработка давлением, литье, сварка).
Нормализация заключаетсяв нагреве стального изделия и последующем его охлаждении на воздухе безвыдержки. Сталь при этом приобретает более мелкозернистую структуру,следовательно, более высокую прочность и твердость, чем после отжига, ночастично теряет свою пластичность.
Закалка заключаетсяв нагреве стального изделия до определенной температуры, выдержке и быстромохлаждении. Быстрое охлаждение позволяет получить мелкозернистую структурустали, то есть придать ей высокие механические свойства: прочность, твердость,повысить режущие свойства и т. д.
Скорость охлаждения призакалке обеспечивается выбором охлаждающей среды. Закалку производят в основномв масле и воде.
Возможна закалкаизделия в двух средах: сначала в воде, а затем в масле. В некоторых случаяхвыполняют только поверхностную закалку, что позволяет придать изделиюповерхностную твердость при сохранении вязкости основной массы металла. Нагревизделия в данном случае производится токами высокой частоты или пламенемацетилено — кислородной горелки.
Отпуск заключаетсяв нагреве закаленного стального изделия до температуры ниже 720 С, некоторойвыдержке при этой температуре и охлаждении. Отпуск выполняют сразу послезакалки. Отпуск осуществляется для снижения хрупкости и уменьшения внутреннихнапряжений, а также для придания стали повышенной вязкости.
Применяются другие видытермической обработки металлов — старение и обработка холодом. Основноеназначение старения — повышение прочности и стабилизация свойств, например,алюминиевых и медных сплавов. Обработку холодом применяют главным образом длярежущих инструментов.
4.3Химико-термическая обработка стали
Химико-термическаяобработка стали состоит в одновременном нагревании и поверхностном насыщениистального изделия различными элементами — углеродом, азотом, алюминием, хромоми др. При этом поверхностный слой изделия становится более прочным, твердым,износоустойчивым, стойким против воздействия агрессивных сред.
В зависимости от того,каким веществом насыщается поверхностный слой изделия, химико-термическуюобработку подразделяют на цементацию, азотирование, цианирование, алитирование,хромирование и т. п.
Цементация заключаетсяв нагреве стального изделия в среде, легко отдающей углерод (например,древесный уголь). Цементацию проводят с целью последующей закалки поверхностногослоя изделия из низкоуглеродистой стали. Наружный слой изделия при этомстановится твердым, а внутренние слои сохраняют вязкость и пластичность.
Азотирование состоитв насыщении стального изделия азотом на некоторую глубину. Азотирование нетолько повышает твердость поверхностного слоя, но также защищает его отвоздействия агрессивной среды. Процесс осуществляется путем длительногонагревания готовых изделий в продуктах разложения аммиака.
Цианирование производитсяпутем одновременного насыщения поверхностного слоя изделия углеродом и азотом.Режущий инструмент при цианировании обладает высокой износоустойчивостью,твердостью, хорошо противостоит действию переменных нагрузок.
Алитирование,хромирование и другие аналогичные процессы состоят внасыщении поверхности стальных изделий соответствующим металлом с цельюобретения специфических свойств, например жаростойкости, стойкости противкоррозии и т. д.