Основы металлургии черных и цветных металлов.

Металлургия - наука о промышленных способах получения металлов и их сплавов - одна из древнейших отраслей знания. Значит металлургия - это технология производства металлов и их сплавов.

Условное деление на черные и цветные металлы сложилось исторически. Черные ( железные ) металлы и сплавы - это железо и его сплавы с углеродом: сталь (практически до 1,5 % С), чугун (2,5 - 4,5 % С), а так же ферросплавы.

Цветные (не железные) металлы и сплавы - все остальные (кроме черных). В настоящее время используют более 60 цветных металлов и очень много цветных сплавов. К ним относятся медь, алюминий, титан, никель, олово, цинк и др.; алюминиевые, титановые, медные, никелевые и многие другие сплавы. Цветные металлы и их сплавы широко применяются в машино- и приборостроении, а в некоторых областях техники они имеют особо важное значение. Например, титановые сплавы обладают высокой прочностью, вольфрамовые и молибденовые сплавы- жаропрочностью, медь- основной проводниковый материал в электро- и радиотехнике. Хром, никель и многие другие элементы добавляют в стали для получения высококачественных легированных конструкционных, коррозионно-стойких и других марок стали. Все более широкое применение находят редкие металлы: тантал, бериллий и др.

Современная техника немыслима без использования неметаллических материалов, прежде всего пластмасс, но ведущая роль принадлежит металлам и их сплавам.

Почти все металлы в природных условиях неустойчивы и находятся в виде оксидов, сернистых, углекислых и других химических соединений, входящих в состав различных минералов (горных пород). Исключение составляют золото, платина, серебро, иногда медь, встречающиеся в виде самородных металлов.

Руда - природное минеральное сырье (горные породы), содержащее металл, который можно извлечь экономически выгодным способом. Руда состоит из рудного минерала, содержащего металл, и пустой породы; комплексные (полиметаллические) руды содержат не один, а несколько металлов.

Задачей металлургии является получение металлов и сплавов из руд и других исходных материалов.

Производство чугуна.

Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода в нем присутствует всегда кремний (до 4%), марганец (до 2%), а так же фосфор и сера. В легированных чугунах дополнительно содержатся хром, никель и другие элементы. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80 - 85 % всего чугуна. Вместе с тем чугун - наиболее распространенный литейный сплав.

Для производства чугуна необходимы: железная руда, флюсы и топливо.

В железных рудах рудный материал (т. е. вещество, содержащее железо) чаще всего содержит оксиды железа; пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глины. В рудах всегда присутствуют вредные примеси - сера и фосфор, иногда мышьяк, цинк и др.

Наиболее распространенные виды железных руд:

Руда	Рудный минерал	Fe %
Красный железняк	Гематит Fe2O3	50 - 60
Магнитный железняк	Магнетит Fe3O4	55 ÷ 65
Бурый железняк	Лимонит 2Fe2O3· 3H2O	30 ÷ 50
Шпатовый железняк	Сидерит FeCO3	30 ÷ 40
Железистые кварциты	Магнетит, гематит	35 ÷ 40

Железные комплексные руды содержат полезные примеси других металлов.

Доменные флюсы необходимы для удаления из печи тугоплавкой пустой породы руды и золы топлива. При их сплавлении с флюсом образуется относительно легкоплавкий сплав - доменный шлак; в расплавленном состоянии его удаляют через шлаковую летку. Кроме того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет нормальный ход плавки, состав и качество чугуна. В железных рудах пустая порода обычно кислая, с избытком SiO₂. Поэтому в качестве флюса используют сильноосновные материалы: главным образом известняк (CaCO₃· MgCO₃ ). Типичный металлургический известняк после обжига содержит 50÷55 % CaO и 0,5÷1,5 % MgO. Наличие CaO (a так же MgO) в шлаке обеспечивает удаление из чугуна вредной примеси - серы.

Топливо в доменной печи служит не только источником тепла для достижения необходимой высокой температуры, но и реагентом, обеспечивающим восстановление железа из его оксидов. В результате науглероживания восстановленного железа при доменной плавке образуется чугун.

Главный вид доменного топлива (с первой половины XVIII в.) - кокс. В нашей стране широко применяют также природный газ.

Кокс - кусковое прочное и высокопористое топливо, полученное путем спекания коксующихся углей, удаляя из них летучие вещества. Теплота сгорания кокса 27÷29 МДж/кг. При его сгорании у фурм доменной печи развивается температура 1800÷2000°С.

Коксование проводят в специальных печах, прокаливая измельченный уголь (≈23 мм) без доступа воздуха при 950÷1100°С в течение 15÷18 часов. Выделяющиеся летучие углеводороды: бензол, фенолы и другие - ценные химические вещества (из 1т сухой шихты получается 750÷800 кг кокса и 320÷330м³ коксового газа, который используется как химическое сырье или топливо). Для доменной плавки применяются куски кокса 25÷60 мм. Прочные куски пористого кокса разрыхляют проплавляемую шихту, улучшая ее газопроницаемость. Высокая пористость кокса (45÷50 %) обеспечивает также его реакционную способность при горении.

Кокс - дорогое и дефицитное топливо. Стоимость кокса составляет 45÷55 % себестоимости чугуна.

В нашей стране разработана технология доменной плавки с использованием природного газа, что сокращает расход кокса, повышает производительность доменных печей. Для частичной замены кокса используют также мазут и угольную пыль.