1,2

Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов -- на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению -- на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы -- на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности -- на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

3

Производство черных металлов из железной руды — сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй — его перерабатывают в сталь.

Учитывая, что учащиеся уже знакомы с основами металлургических процессов из средней школы, ниже рассмотрим лишь основные положения технологии чугуна и стали.

 

Производство чугуна

 

Чугуном называют сплав железа с углеродом (2... 6,67 %), кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Наиболее часто применяемые железные руды: красный (Fe2O3), магнитный (Fe3O4), бурый (Fe2O3-nH2O), шпатовый (РеСОз) железняки, содержащие 30...70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений (SiO2, А12Оз и др.) и вредные примеси (серы, фосфора). Топливом служит кокс — продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) — известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.

Чугун выплавляют в доменных печах (9.2) объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи — горн через отверстия —

фурмы подают   под   давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива.

Кокс, сгорая в верхней части горна, образует СО2 ;ij[C+O2 = CO2), который поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-: -f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа по схеме Fe2O3->-F3O4-»-FeO-> -HFe. Этот процесс может быть представлен следующими реакциями: 3F9Q3+ ;+ СО = 2F3O4 + СО2; 2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO>; 6FeO+6CO = 6Fe+6CO2.

4

Производство стали.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д.

Сталеплавильное производство - это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна - углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава. 1

В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и полуспокойную сталь.

Спокойная сталь - это сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали находится в связанном с элементом-раскислителем состоянии. При разливки такой стали газы не выделяются, и она застывает спокойно.

Кипящая сталь - это сталь, частично раскисленная марганцем. При разливке в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков оксида углерода, образующихся по реакции: [C] + [O] = {CO}.

Полуспокойная сталь - это сталь, по степени раскисленности занимающая промежуточное место между кипящей и спокойной.

Полуспокойную сталь ракисляют частично в печи (марганцем) и затем в ковше (кремнем, алюминием).

5

Основные особенности и разновидности мартеновского процесса Мартеновский процесс возник как способ получения стали путем сплавления лома и чугуна на подине отражательной печи. Это предопределило главную его особенность - недостаток собственного тепла процесса для проведения плавки. Для плавления твердых шихтовых материалов и нагрева жидкого металла и шлака до заданной температуры, а также для компенсации значительных тепловых потерь, вызываемых большой продолжительностью плавки, недостаточно физического и химического тепла шихтовых материалов. Сгорание топлива должно происходить в пределах рабочего пространства, иначе оно заканчивается в вертикальных каналах и регенераторах, что в значительной степени снижает стойкость этих элементов печи и повышает расход топлива. Для того, чтобы сгорание топлива завершилось в рабочем пространстве печи, расход воздуха должен превышать теоретически необходимое количество для полного сгорания, поэтому коэффициент избытка воздуха составляет обычно 1,15-1,20. Продукты сгорания любого топлива будут состоять из окислительных газов СО2, Н2О, О2 и некоторого количества нейтрального азота N2. Таким образом, характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислительный. Это одна из особенностей мартеновского процесса. Другой особенностью технологии мартеновской плавки является то, что тепло к ванне поступает сверху, а отводится снизу через подину, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеется различие в температуре металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется от 50 до 500 мм, глубина ванны металла — от 500 до 1500 мм (в зависимости от емкости и конструкции печи). При этом выравниванию температуры по глубине ванны способствуют пузырьки СО, выделяющиеся в результате окисления углерода и приводящие к «кипению» ванны. Однако некоторый перепад температур по глубине ванны все же сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале доводки этот перепад составляет 70—100, а в конце 20—50 °С. По длине печи температура металла также неодинакова. Под факелом температура металла несколько выше, чем у отводящих головок. Четвертая особенность технологии мартеновской плавки — участие пода печи в протекающих процессах. В отличие от плавки в конвертерах, продолжающейся всего 15—30 мин, плавка в мартеновской печи продолжается много часов. Поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается очень ощутимым. Пятая особенность технологии мартеновской плавки заключается в том, что жидкий металл все время находится под слоем шлака (шлак примерно вдвое легче металла). Практически все вводимые в печь добавки попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Кислород из атмосферы печи в металл переходит также через шлак. Если учесть, что тепло от факела к металлу также передается через шлак, то становится понятной огромная роль шлака в мартеновском процессе. По существу руководство ходом плавки заключается в том, что меняют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества. Непосредственное окисление металла (железа и его примесей) кислородом газовой фазы наблюдается в мартеновских процессах только в период завалки, прогрева и плавления шихты, а также может иметь место в период интенсивного кипения, когда капли металла выбрасываются в газовую фазу. По мере окисления железа и входящих в состав шихты примесей железа образуется шлак, обладающий окислительными свойствами. Он становится передаточным звеном в системе газовая фаза-металл. Процесс перехода кислорода из газовой фазы в металл происходит непрерывно. За плавку ванна поглощает от 1 до 3 % кислорода от массы металла. Соотношение между поступающим кислородом и потребностями в нем может быть различным. Это различие главным образом зависит от доли чугуна в шихте и определяет основные разновидности (варианты) мартеновского процесса: рудный, скрап-рудный процесс, скрап-процесс и скрап-угольный мартеновский процесс. В том случае, когда поступление кислорода из газовой фазы больше потребностей в нем, избыточный кислород должен быть связан карбюратором, и процесс называется карбюраторным (скрап-угольным). Если поступление кислорода равно потребностям, в этом случае процесс называется скрап-процессом. Когда потребность в кислороде значительно больше количества, поступающего из обязательных источников, то недостающий кислород вводят с железной рудой или ее заменителями в самом начале процесса (в завалку). Такой процесс называется скрап-рудным. При использовании 100% чугуна процесс называется рудным. Скрап-рудный процесс является одним из самых распространенных вариантов мартеновского процесса. Особенность его состоит в том, что основной составляющей металлической части шихты является в основном жидкий чугун. Доля чугуна в шихте колеблется в основном в пределах 50-70%. Для ускорения (интенсификации) окисления элементов шихтовых материалов в печь загружают железную руду, кислород которой расходуется на окисление части примесей. Загружается руда до заливки чугуна (обычно под слой лома) и по ходу плавки (в период полировки). Благодаря восстановлению железа руды увеличивается выход годного. Если при высоком расходе чугуна в мартеновских печах процесс вести без интенсификации твердыми окислителями, то продолжительность плавки увеличивается вследствие недостаточной скорости поступления кислорода из газовой фазы печи. Скрап-процесс обычно распространен на заводах, не имеющих доменного производства. В этом случае основной составляющей металлической шихты является металлический лом. Доля чугуна, твердого или редко жидкого, обычно составляет 25-45%. Железную руду, если и дают, то в незначительных количествах (обычно 1-2%) только по ходу плавки (в период доводки), а не в период завалки. Таким образом, основным источником кислорода является газовая фаза. Карбюраторный (скрап-угольный) процесса представляет работу печи на малом расходе (10-15 %) чугуна или только на ломе. При этом содержание углерода в исходной шихте оказывается значительно меньше, чем требуется для нормального ведения процесса, поэтому в шихту вводят углеродсодержащие материалы (карбюраторы), которыми обычно являются антрацит, кокс, графит, каменный или древесный уголь и т.

8

 Способы повышения качества стали

Улучшить качество металла можно уменьшением  в нём вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют: обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах и т. д.

Вакуумная дегазация проводится для уменьшения содержания в металле газов вследствие снижения их растворимости в жидкой стали при пониженном давлении и неметаллических включений.

Вакуумирование стали проводят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу.

Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами создают разрежение до остаточного давления 0,267…0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Улучшаются прочность и пластичность стали.

Вакуумирование в ковше эффективно проводить до раскисления сильными раскислителями – кремнием и алюминием. Углерод металла реагирует с кислородом, окись углерода откачивается, а с ней откачиваются азот и водород. В результате металл раскисляется без образования неметаллических включений и дегазируется.

При вакуумировании струи металла при переливе из ковша в ковш пустой ковш устанавливают в вакуумной камере, откачивают воздух. Подают к камере второй ковш с металлом. Металл из верхнего ковша через воронку переливают в нижний, при этом вакуум в камере не нарушается. Попадая в разреженное пространство, струя распадается на мелкие капли. Дегазация в вакууме раздробленной струи более эффективна по сравнению с вакуумированием металла в ковше.

Для высококачественных и некоторых высоколегированных сталей применяют отливку слитков в вакууме. Используют камеру, состоящую из двух частей. В нижнюю помещают просушенную изложницу, в верхней части на плиту герметично устанавливают промежуточный ковш.  Откачивают из камеры воздух, в промежуточный ковш наливают металл и начинают разливку. Степень дегазации зависит от остаточного давления. Газы удаляются не только из слитка, но и из  струи металла, протекающей в вакууме. Значительное снижение содержания водорода (до 60...70 %) обеспечивает получение стали, нечувствительной к флокенам, что упрощает процесс производства крупных поковок. Слитки, полученные таким способом, характеризуются повышенными механическими свойствами, но стоимость их значительно повышается.

9

Способы разливки стали - в настоящее время разливку стали ведут преимущественно в изложницы или на установках непрерывной разливки (МНЛЗ). Способ разливки стали в изложницы делят на: разливку стали сверху или сифонную разливку стали. При разливке сверху металл поступает в изложницу 1 непосредственно из сталеразливочного ковша 2 (рисунок 1, а) или через промежуточное устройство 3. В случае сифонной разливки (рис. 2) жидкая сталь из сталеразливочного ковша 1 попадает в центровую 2 и затем по сифонной проводке 3 снизу поступает в изложницы 4, установленные на поддоне 5. Исторически сложилось так, что разливка сверху явилась первым способом отливки стальных слитков. В дальнейшем с повышением требований к качеству поверхности слитков, улучшением технологии изготовления огнеупорных изделий и увеличением емкости сталеплавильных агрегатов сифонный способ разливки стали получил широкое распространение на заводах, где не были установлены мощные обжимные станы и поэтому отливали мелкие слитки. Как показали результаты неоднократно проведенных сравнительных исследований, качественные показатели металла (механические свойства, макроструктура, содержание неметаллических включений и т. д.), а также величина брака из-за дефектов металла в прокатных цехах и на машиностроительных заводах практически не зависят от способа разливки.

10-11

Для производства цветных металлов — свинца, олова, цинка, вольфрама и молибдена пользуются некоторыми технологическими приемами, рассмотренными выше, но естественно, что схемы производства этих цветных металлов и агрегаты для их получения имеют свои особенности. Следует коротко остановиться на довольно распространенном хлоридном способе получения металлов, что можно сделать на примере производства таких металлов, как магний и титан, имеющих большое значение в промышленности. Основы хлоридных методов производства цветных металлов Хлор обладает большим химическим сродством к металлам и при определенных условиях может вытеснить кислород из оксидов с образованием хлоридов. Процесс значительно облегчается в присутствии углерода, так как в этом случае кислород соединяется с углеродом. Например, применительно к двухвалентному металлу возможны следующие процессы: МеО + Cl2 = МеCl2 + l/2O2 - Q1; МеО + Cl2 + С = МеCl2 + СО - Q2. При этом Q2 меньше Q1, (по абсолютному значению), и даже в некоторых случаях процесс, протекающий по второй реакции, экзотермичен. Следует подчеркнуть, что и реакции первого типа протекают при более низких температурах, чем аналогичные реакции восстановления оксидов углеродом. Важным обстоятельством является то, что хлориды обычно образуются в газообразном состоянии, легко уводятся из процесса, а процесс производства карбидообразующих металлов хлоридным методом в отличие от восстановления углеродом обеспечивает получение малоуглеродистого продукта. В некоторых случаях хлориды находятся в недрах земли или в соленых водоемах. Из хлоридов металлы получают восстановлением или же электролизом из расплавов.

1. Производство меди.

Медь получают главным образом пирометаллургическим способом, сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полупродукт – штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от примесей (рафинирование).

     Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1 – 6%  Cu, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений  ,    , оксидов     или гидрокарбонатов       Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу при температуре   Полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре   восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди,   реагируя с  , дает   Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. После этого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

     Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению   и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от   ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают 

     После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

     Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды – из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор   (10-16%) и   (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди 

     Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

Производство алюминия.

     Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.

         Основное сырье для производства алюминия – алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов – гидроксидов    , корунда   и каолинита  . Алюминий получают электролизом глинозема – оксида алюминия   в расплавленном криолите   с добавлением фтористых алюминия и натрия  ,  . Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; Электролиз глинозема в расплавленном криолите.

         Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью:  .

         Полученный алюминат натрия   подвергают гидролизу: 

         В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия  . Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре   и получают обезвоженный глинозем  .

         Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят  , в результате чего образуется вторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок:  .

         Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

         Электролиз глинозема   проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

         Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000С

         Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF3 и NaF. Криолит и

глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al3+ и

образуется алюминий, а на аноде—ион О^2-, который окисляет углерод

анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему.

Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически

извлекают, используя специальное устройство.

Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

         Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом.

В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы.

Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через

расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий,

 проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей,

которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование

алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в

алюминии. Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в

течение 30—45 мин при температуре 690— 730° С для всплывания

неметаллических включений и выделения газов из металла. После

рафинирования чистота первичного   алюминия   составляет 99,5—99,85%.

14