2. Основы производства

Сырье. Основным сырьевым компонентом для получения металлов являют­ся рудные горные породы. Цветные металлы в рудах содержатся в небольших количествах, в железных рудах количество металла достигает 70 %. Наиболее часто для производства металла используют красный, магнитный бурый и шпа­товый железняк. В руде, кроме железа, имеется так называемая пустая порода, состоящая из различных природных химических соединений и, в данном случае, вредных примесей серы и фосфора. Алюминиевые руды, преимущественно бок­ситы, содержат 50...60 % оксида алюминия (глинозема).

Основы технологии. Основные технологические операции при производстве металлических материалов: обработка сырья, дозировка, плавка, формование. При необходимости изменить эстетические характеристики лицевой поверхно­сти применяют механические и химические способы ее отделки, лаки, краски, наносят тонкие металлические или полимерные пленки (см. описание свойств металлических материалов).

Обработка сырья предполагает дробление, промывку, обогащение железных руд. В процессе плавки получают металлы, после формования — металлические материалы.

При производстве чугуна кроме железной руды используют агломерат, полу­чаемый спеканием руды с известняком, флюсы — известняк или доломит. Эти компоненты повышают эффективность процесса производств в доменных пе­чах — огромных вертикальных шахтах высотой до 30 м и объемом до 5 000 м³. В качестве топлива испольЗуют кокс. Руду, агломерат, кокс и флюсы загружают в домну перемежающимися слоями, которые постепенно передвигаются вниз под влиянием собственной массы. Горение кокса поддерживается воздухом, предва­рительно подогретым до 600—900 °С в воздухонагревателях.

Образующийся при горении оксид углерода восстанавливает чистое железо; одновременно восстанавливаются содержащиеся в руде марганец, сера, фосфор и кремний. Частично взаимодействуя с оксидом углерода, восстановленное же­лезо образует карбид железа; в результате процесса науглероживания железа со­держание углерода в чугуне возрастает до 3...4 %Т Образовавшийся чугун пла­вится и стекает в горн (нижнюю часть) печи.

Выплавляют передельные чугуны (80...90 % выплавки), применяемые для производства стали, и литейные серые чугуны — для производства строитель­ных изделий.

Основные способы производства стали — кислородно-конвертерный, марте­новский и электроплавильный. Конвертерную сталь получают в стальных футе­рованных сосудах (конвертерах) емкостью 100...350 т и мощностью до 4,5 млн т стали в год, продувая жидкий чугун кислородом с углекислым газом или водя­ным паром. Одна из причин широкого распространения этого способа получе­ния стали — его высокая производительность. Процесс плавки длится не более 30 мин.

В мартеновских печах сталь выплавляют из передельного чугуна и стального лома (скрапа). Топливом является предварительно подогретая воздушно-газовая смесь. Окисленные нежелательные примеси, содержащиеся в чугуне, переводят­ся в шлак. Плавка стали в мартеновских печах емкостью 500...800 т мощностью до 1 млн т металла в год длится 4...8 ч.

В электрических печах (дуговых, индукционных, электронно-лучевых) вы­плавляют, в основном, высококачественные специальные стали. Агрегаты объе­мом до 400 т перерабатывают твердую шихту, стальной лом, а также жидкие стали из мартеновских печей или конвертеров. В России в электропечах вы­плавляются около 80 % металла повышенной прочности. Применение электро­плавильного способа ограничено в связи со сравнительно большим расходом электроэнергии.

Основы технологии получения наиболее широко используемого в строитель­стве цветного металла — алюминия — связаны с выделением оксида алюминия из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбини­рованным способами; получением первичного металла (чистого алюминия) элек­тролизом оксида алюминия в специальных элекролизных ваннах и очисткой ме­талла от вредных примесей (рафинированием). Методом электролитического осаждения получают и рафинируют и другие цветные металлы: осаждением из расплава (аналогично алюминию) получают магний, а из водных растворов — медь, цинк, никель.

Металлы для материалов, как правило, представляют собой сплавы — желе­за с углеродом (чугун, сталь), алюминиевые, медные (бронза — с оловом, ла­тунь — с цинком), магниевые, титановые и др.

В процессе литья из расплавленного металла (чугун, сталь, сплавы меди, алюминия и др.) получают отливки, соответствующие по форме и размерам ли­тейным формам. Способом проката (обжатия металла между вращающимися валками) получают значительную часть строительных материалов из стали, лис­ты и проволоку из цветных металлов (рис. 89).

Штамповкой и прессованием получают рельефные облицовочные материалы, элементы оборудования.

Рис. 89. Схема проката металла

Способом формования под давлением (экструдированием) изготавливают профильные материалы и трубы из цветных металлов. При этом металл выдав­ливается под давлением из замкнутого контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение формуемого профиля. Термичес­кой, химико-термической и другой специальной обработкой достигается направ­ленное изменение структуры и механических свойств металла — твердости, прочности, ударной вязкости, сопротивления износу и др. Такое улучшение не­обходимых свойств обеспечивается путем нагрева и последующего охлаждения металла в строго заданном режиме. Например, термообработка стали уменьшает ее структурную неоднородность, снижает возникшие при обработке литьем или давлением напряжения, повышает прочность, улучшает ее обрабатываемость.