Металлургия черных и цветных металлов

Металлургия (от греч. metallurgeo – обрабатываю металлы, добываю руду) – область науки, техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава и строения (структуры), а, следовательно, и свойств металлических сплавов в соответствии с их назначением. К металлургии относятся:процессы обработки руд с целью их подготовки к извлечению металлов (дробление, обогащение, окускование и прочее); процессы извлечения металлов из руд и других материалов; очистка металлов от нежелательных примесей (рафинирование); производство металлов и сплавов.

Основной продукцией черной металлургии являются: чугуны -передельный (для передела в сталь) и литейный (для производства фасонных отливок); ферросплавы; стальные слитки – для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, полос, проволоки, листов,труб и т.д.) и кузнечные слитки – для производства крупных кованых деталей машин (валов, роторов, турбин, дисков и т.д.).

Основной продукцией цветной металлургии являются: слитки цветных металлов для сортового проката (уголков, полос, прутков и т.д.); слитки (чушки) цветных металлов для фасонных отливок на машиностроительных заводах; лигатура – для производства сложных легированных сплавов для фасонных отливок; слитки чистых и особочистых металлов для нужд машиностроения.

Основные понятия и терминология металлургии

Плавкой называется процесс обработки материалов, главным образом металлов, в плавильных печах с получением конечного продуктав жидком виде. Плавку литейных сплавов иногда называют вторичной в отличие от первичной плавки, т.е. металлургического процесса получения металлов и сплавов из руды. Для чугуна, например, первичнойявляется доменная плавка, вторичная – плавка в вагранках или электропечах. Исходными материалами для вторичной плавки служат не руды, как в металлургии, а металлы и сплавы как первичные, так и вторичные.

В плавильный агрегат загружают твёрдые материалы, а получают жидкий металл или сплав. Смесь твёрдых материалов, загруженных в плавильный агрегат, называют шихтой; состав шихты, естественно, определяется требуемым составом готового материала или сплава. Например, в доменном процессе шихта – смесь определенного соотношения руды, топлива и флюсов, а указанные ее составляющие называются колошами.

Первичные металлы являются продукцией металлургической промышленности, их получают из рудных материалов и поставляют, как правило, в чушках. Вторичными металлами называют лом и отходы чёрных

и цветных металлов и сплавов в соответствии с ГОСТ 2787-75 и ГОСТ 1639-93.

Вторичные чёрные металлы – стальной и чугунный лом, отходы производства (стружка, окалина, сварочный шлак и др.), используемые в качестве металлургического сырья при выплавке стали и чугуна, при изготовлении стальных и чугунных отливок, а также для переработки их в брикеты и пакеты с целью последующего использования в металлургических печах.

Вторичными цветными металлами называют лом и отходы металлов и сплавов, но иногда этим же термином обозначают цветные сплавы в чушках, полученные на специализированных предприятиях «Вторцветмета» путем переплава лома цветных металлов.

Рафинирование металлов – очистка металлов и сплавов (обычно в жидком виде) от ненужных и вредных примесей и включений (оксидов, нитридов, сульфидов), а также газов (водорода, азота и др.), резко снижающих прочностные и эксплуатационные характеристики. Применяют пирометаллургический, химический и электролитический методы рафинирования.

Легирование – введение в состав металлических сплавов легирующих элементов (Ni, Cr, Mn, Mo, V, W, Ti и др.) для изменения строения сплавов, придания им определенных физических, химических или механических свойств. Легирующие добавки обычно вводят в расплавленный металл.

Модифицирование – введение в расплавленные металлы и сплавы модификаторов (магния, ферросилиция, силикокальция, алюминия, титана и др.) – веществ, которые в малых количествах способствуют кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме, что улучшает физико-механические свойства металла.

Передельный чугун – чугун, выплавляемый в доменных печах и предназначен для дальнейшего передела в сталь (на переработку в сталь чугун поступает в жидком виде или в виде чушек).

Литейный чугун – чушковый чугун, выплавляемый в доменных печах и предназначен для переплавки в чугунолитейных цехах при производстве отливок.

Такие понятия как “лом и отходы” имеют (по содержанию) не значительное различие, исходя из литературных источников: отходы – это металлическое и металлосодержащее вторичное сырье, включающее в себя все отходы при производстве и обработке металла, а также выбывшие из сферы производственного и непроизводственного потребления различные металлоизделия; лом – шихтовой материал для плавки чёрных и цветных металлов в виде металлических отходов обрабатывающих производств, изношенных деталей машин, конструкций, бытовых предметов и др. (обрезки листового и сортового проката, отходы кузнечного производства, литники, брак, стружка, различные детали и т.д.). В зависимости от источника образования лома, его химсостава и габаритов различают: амортизационный лом (старый лом от списания физически и морально устаревших машин, станков, оборудования, предметов бытового использования и т.д.); военный, судовой, бытовой, бесхозный лом; стальной и чугунный лом и отходы, углеродистые и легированные лом и отходы; габаритный и негабаритный металлолом и т.д.

Скрап – отходы чёрных и цветных металлов, образующиеся при выпуске, транспортировании и разливке (всплески, сливы остатков металла и настылей на ковшах, заусенцы, удаляемые с отливок и др.).

Шлам (нем. - грязь) – осадок в виде мелких частиц, выделяющихся при отстаивании, фильтрации и др.

Схема металлургического производства, его продукция и кругооборот металла

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных производств, базирующийся на месторождениях руд, коксующихся углей, энергетических мощностях. Оно включает следующие комбинаты, заводы, цеха, рис. 1, 2:

- шахты и карьеры по добыче руд, известняка и каменных углей;

- горно-обогатительные комбинаты, где подготовляют руды к

плавке, т. е. обогащают их;

- коксохимические заводы или цехи, где осуществляют подго-

товку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических

продуктов;

- энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для ду-

тья доменных печей), кислорода, а также очистки газов металлургиче-

ских производств;

- доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;

- заводы для производства ферросплавов;

- сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электро-

сталеплавильные) для производства стали;

- прокатные цеха, в которых слитки стали перерабатывают в

сортовой прокат – балки, рельсы, прутки, проволоку, и т.д.

Основой современной металлургии стали является двухступенчатая схема, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов его передела в сталь. При доменной плавке, осуществляемой в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из руды, но одновременно из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; железо науглероживается и частично насыщается серой. В результате из руды получают чугун – сплав железа с углеродом (свыше 2%), кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь производят в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В этих агрегатах происходит избирательное окисление примесей чугуна таким образом, что в процессе плавки они переходят в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава. Содержание углерода в сталях менее 2%; и как следует из вышесказанного, сталь отличается от чугуна по химическому составу только уровнем содержания примесей (C, Si, Mn). Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении части этих примесей с помощью окислительных процессов.

В зависимости от назначения и места дальнейшей переработки различают чугуны переделъные (примерно 80% от всего выпуска – основной вид чугуна), предназначенные для переработки в сталь, и литейные (порядка 20%), поступающие на машиностроительные заводы и используемые для переплава и получения фасонных отливок. Общая схема металлургического процесса показана на рис. 1.

Производство металлических и металлосодержащих изделий на основе использования первичного сырья состоит из ряда технологических стадий, включая геологическое освоение, добычу, переработку сырья, производство металла и изготовление соответствующей конечной продукции.

Такое последовательное движение металла характеризуется следующими чертами:

- первоначально входящее в оборот количество металла значительно уменьшается на отдельных производственных стадиях, поэтому масса конечного продукта содержит только часть металла, содержащегося в исходном сырье;

- на всех стадиях производства неизбежны те или иные потери металла;

- конечные продукты (машины, станки, бытовые изделия и др.) по окончании периода их производственного или непроизводственного потребления могут сами быть исходным сырьем (металлоломом) для производства металла.

Так возникает кругооборот металла. Кругооборот металла состоит из нескольких стадий:

- стадия 1 представляет собой добычу первоначального сырья (руды), его транспортировку и подготовку;

- стадия 2 – это металлургическая переработка полученных железорудных концентратов. Произведённые металлы подвергаются обработке различными способами и образующиеся отходы металлургического процесса (при разливке металла, шлаки, золы и др.) снова возвращаются в производство;

- стадия 3 – произведённые металлы и сплавы (стадия 2) идут на последующую переработку: изготовление прокатной продукции (лента, листы, проволока и др.); литьё отливок, а образующиеся при этом отходы используются в данном металлургическом производстве;

- стадии 4 и 5 – соответствуют этапам изготовления машин, аппаратов, строительных конструкций и предметов потребления. Если отходы, образующиеся на этих стадиях, имеют достаточно высокое качество, они возвращаются на стадию 3, а при несоответствии этому условию на стадию 2;

- стадия 6 – состоит в использовании машин, аппаратов, предметов потребления, зданий и сооружений в производственных и непроизводственных сферах; содержащийся в них металл является составной частью металлофонда народного хозяйства;

- стадия 7 – по истечении определенного периода использования металлоизделий наступает их физический и моральный износ. Они выбывают из эксплуатации, но благодаря содержащемуся в них металлу обладают потребительской стоимостью и используются в металлургическом производстве в качестве сырья.

Методы формообразования при производстве деталей машин. Литье.

Методы формообразования при производстве деталей машин подразделены на четыре вида:

- литейное производство;

- обработка давлением;

- сварка;

- обработка резанием.

Особенности технологических методов производства заготовок влияют на конструкцию, кинематические и прочностные данные отдельных деталей и механизмов. Вариантность любого технологического процесса определяется многими факторами (назначением детали, размерами, массой, количеством деталей, материалом и их строением).

Литейное производство (ЛП)—отрасль машиностроения, изготовляющая заготовки или детали (отливки) и это технологический процесс изготовления фасонных деталей или заготовок заливкой расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. При охлаждении после затвердевания залитый металл сохраняет конфигурацию полости формы. Отливки могут быть деталями или заготовками, которые в дальнейшем подвергаются обработке.

Литейное производство позволяет получать разнообразные по конфигурации и свойствам фасонные отливки из чугуна, стали и из сплавов цветных металлов. Высокие механические и эксплуатационные свойства отливок обуславливают их широкое применение в различных отраслях промышленности. Литьем изготовляют отливки, как простой, так и сложной формы, которые нельзя получить другими технологическими методами. Например, корпусные детали приборов и машин чаще всего изготовляют литьем.

Важной задачей литейного производства является получение отливок, по форме и размерам приближающихся к готовой детали, что существенно

сокращает обработку резанием. Получение заготовок начинают с разработки технологии, решив вопрос о возможности выполнения заказа, с учетом таких характеристик как масса, габаритные размеры и серийность отливки, а также - материал литой заготовки и возможность обеспечения требуемой точности от назначения литой детали.

Типы литейного производства

Литейное производство разделяют на три основных типа: массовое, серийное

и единичное. Массовое производство характеризуется непрерывным выпуском отливок ограниченной номенклатуры большими партиями. Примером могут служить литейные цехи автомобильных, тракторных и других подобных предприятий.

Массовое производство позволяет механизировать и автоматизировать технологический процесс в целом и организовать его более экономично. Серийное производство характеризуется определенной периодичностью выпуска отливок ограниченной или широкой номенклатуры партиями (сериями). Примером является выпуск литых заготовок станкостроительными заводами.

При серийном производстве можно выделить сходные группы отливок по габаритным размерам и массе, а также механизировать и автоматизировать отдельные операции. Эти условия являются наиболее благоприятными для внедрения передовой технологии при изготовлении определенной группы отливок.

Единичное производство характеризуется выпуском разнообразных отливок в небольших количествах, а иногда отдельных сложных литых деталей для опытных образцов станков, приборов, машин. В единичном производстве значительный процент технологических операций выполняют вручную, так как различная номенклатура выпускаемых отливок не позволяет механизировать их производство. Примером единичного производства может служить выпуск уникальных корпусов турбин, станин, деталей экскаваторов, мощных прессов и других машин.

Основным производственным подразделением предприятия является цех, в котором изготовляется продукция (или часть ее) или выполняется определенная стадия производства. В машиностроении цехи, как правило, подразделяют на основные, вспомогательные и побочные. Задачей основных цехов является изготовление основной продукции, предназначенной для реализации. Основные цехи машиностроительных заводов делят на заготовительные (литейные (чугунолитейный, сталелитейный, цех литья под давлением), кузнечный или кузнечно-прессовый, термический и др.), механические и сборочные.

Остальные характеристики литейной формы (объемная, оболочковая, опочная, безопочная, кесонная и т. д.), составы и свойства формовочных смесей, способы их уплотнения или упрочнения, характеристики отливок и сплавов для их изготовления, типы производства и другие характеристики, определяют лишь варианты этого технологического процесса и оборудование для выполнения конкретных операций.

Среди отливок до 80 % по массе занимают детали, изготовляемые литьем в песчаные формы. Метод является универсальным применительно к литейным материалам, а также к массе и габаритам отливок. Специальные способы литья значительно повышают стоимость отливок, но позволяют получать отливки повышенного качества с минимальным объемом механической обработки.

Теоретически, литьем можно получить сколь угодно сложное по форме изделие. На практике, литьё, как и все методы формообразования, имеет существенные ограничения.

Они связаны:

- с трудностями изготовления формы для заливки жидкого металла;

- с невозможностью заполнения жидким металлом сколь угодно тонкого рельефа; это технологическое свойство металла, называемое "жидкотекучестью", связано с вязкостью жидкого металла, его поверхностным натяжением, смачиваемостью материала формы жидким металлом и рядом других факторов;

- с усадкой металла при застывании, которая определяется разностью объемов, занимаемых жидким и затвердевшим металлом и изменением его объема (размеров) при охлаждении до комнатной температуры. Усадка, а особенно неравномерное охлаждение отливки в форме, приводит к ее короблению, возникновению внутренних напряжений, а, иногда, даже к разрушению.

Литье в песчано-глинистые формы

Одним из первых методов литья, освоенных человечеством, было литье в песчано-глинистые смеси, "землю". При этом виде литья, в данной смеси, состоящей из песка, глины и воды образуют форму.

Используется свойство смеси при уплотнении сохранять приданную ей форму, для придания которой используется модель. Модель обычно изготавливается из дерева, но в тех случаях, когда она используется часто (серийное производство) из алюминиевых сплавов.

Особенностью такого метода получения формы (рис.4.1) является необходимость извлечения модели. Поэтому формовка обычно осуществляется в двух полуформах, для чего используются специальные ящики без дна (опоки). Для извлечения модели из смеси на ней выполняют специальные (литейные) уклоны. Поэтому модель изготавливается по специальному чертежу, учитывающему особенности формовки, изменение размеров в процессе остывания, припуски на последующую обработку, и т.д. Модель всегда больше изделия на величину усадки и выполняется разъемной по одной или нескольким плоскостям.

Рисунок 1.

При изготовлении формы необходимо образовать канал, через который жидкий металл будет заполнять полость формы (литниковая система). При застывании металла объем его уменьшается и внутри отливки образовалась бы усадочная раковина. Для предотвращения этого в форме делают специальную полость, объем которой может быть достаточно велик (иногда больше, чем объем самой формы для изделия). Этот объем тоже будет заполнен металлом, но должен застыть в последнюю очередь и раковина образуется в нем. Эта часть отливки называется " прибыль" и после извлечения отливки из формы должна быть отрезана или удалена при последующей механической обработке.

Литье в песчано -глинистые формы самый распространенный вид литья (более 90% по массе всех , получаемых в промышленности, отливок). Этот вид литья применяется как в индивидуальном, так и массовом производстве.

Его технологические возможности:

1.В основном, в качестве материала отливок используется серый чугун, обладающий хорошей жидкотекучестью и малой усадкой (1%), малоуглеродистая сталь (< 0,35%С). Весьма ограничено производятся таким способом отливки из медных и алюминиевых сплавов.

Качество металла отливок весьма низкое, что связано с возможностью попадания в металл неметаллических включений, газовой пористостью (из за бурного газообразования при заливки металла во влажную форму).

2.Форма отливок может быть весьма сложной, но все же ограничена необходимостью извлечения модели из формы.

3.Размеры отливки теоретически неограничены. Таким способом получают самые крупные отливки (до сотни тонн). Это станины станков, корпуса турбин и т.д.

4. Точность получаемых отливок обычно грубее 14 квалитета и определяется специальными нормами точности.

5. Шероховатость поверхности отливок превышает 0,3мм, на поверхности часто наличествуют раковины и неметаллические включения. Поэтому сопрягаемые поверхности деталей, заготовки которых получают таким методом, всегда обрабатывают резанием.

Специальные виды литья

Низкие технологические возможности литья в песчано-глинистые формы привели к разработке ряда специальных видов литья, наиболее распространенными из которых являются литье в кокиль (металлические формы), под давлением, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы

Литье в кокиль

Особенностью литья в металлическую форму (в кокиль) (рис. 2) является невозможность разрушения формы после заливки, поэтому кокиль проектируется так, чтобы отливку можно было извлечь простым переворачиванием формы или разьемом ее по плоскостям стыка.

Это определяет ограничение по форме получаемых отливок: форма должна быть достаточно простой, иметь уклоны для легкого извлечения.

Естественно, материал формы должен обладать достаточной жаростойкостью.

Обычно таким способом производятся отливки из медных сплавов (температура плавления менее 1000°С) и из алюминиевых сплавов (температура плавления менее 650°С).

Поэтому кокили изготавливают из стали (Тпл=1559° С) или чугуна.

Масса отливок ограничена возможностью изготовления крупногабаритных кокилей и обычно не превышает 250кг.

Преимуществом является многократное использование формы, простота автоматизации процесса, низкая себестоимость отливок, большая точность получаемых отливок, низкая шероховатость поверхности, отсутствие в металле отливки неметаллических включений.

Рис.2.

Центробежное литьё.

Заполнение формы жидким металлом определяется его жидкотекучестью и силами, действующими на частицы жидкости. При обычных методах литья такие силы создаются за счет гравитационного поля земли (силы тяжести).

Однако, в ряде случаев, этих сил недостаточно, чтобы обеспечить проникновение жидкости в тончайшие каналы формы. За счет быстрого вращения формы можно создать дополнительные, центробежные силы, действующие на расплав, которые могут значительно превышать силы тяжести и обеспечивать заполнение жидкостью тонких элементов формы. С помощью этих сил можно даже производить формообразование отливки, как, например, при литье труб, втулок, дискообразных изделий (рис. 3).

Центробежное литье широко применяется в ювелирной промышленности, когда требуется получение тонкого профиля на поверхности отливок, а сами они достаточно ажурны и форма для их отливки имеет тонкие каналы, куда, при обычных условиях заливки, жидкий металл просто не проникнет.

Рис.3.

Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы появилось как попытка автоматизировать изготовление разрушаемых форм. На нагретую модель, выполненную из металла, насыпается смесь песка с частицами неполимеризованного термореактивного материала (рис. 4). Выдержав эту смесь на поверхности нагретой заготовки определенное время, получают слой смеси, в котором частицы пластмассы расплавились и полимеризовались, образовав твердую корку (оболочку) на поверхности модели. При переворачивании резервуара излишняя смесь ссыпается, а корка, с помощью специальных выталкивателей, снимается с модели (а). Далее, полученные таким образом оболочки, соединяют между собой склеиванием силикатным клеем, устанавливают в опоках и засыпают песком, для обеспечения прочности при заливке металла (в). Также получают керамические стержни для формирования внутренних полостей отливок (б).

Основное преимущество этого вида литья по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы - простота автоматизации получения форм.

Но надо отметить, что таким способом невозможно получать крупногабаритные отливки, изделия особо сложной формы. Таким способом отливают, например, радиаторы парового и водяного отопления, детали автомобилей и ряда машин.

Рис.4.

Литьё по выплавляемым моделям

Обычно, трудности создания формы связаны с необходимостью извлечения модели из формы после ее уплотнения или затвердевания. Понятно, что не любая модель может быть извлечена и в ряде случаев желательно, чтобы после формовки модель как бы исчезла,"испарилась", освободив полость под заливку жидкого металла. С древнейших времен известно литье по выжигаемым моделям, когда модель, выполненная из дерева или другого органического материала, выжигалась из формы при ее прокаливании на огне. Но такой метод литья может быть оправдан только при создании уникальных художественных отливок, так как изготовление новой модели было бы чрезвычайно трудоемко.

В настоящее время модели изготавливаются из легкоплавкого материала - смеси стеарина и парафина, которая извлекается из формы выплавлением.

Изготовление модели осуществляется отливкой в специальной металлической форме (2) (рис.4.5), которая выполняется с высокой точностью и поверхность ее полируется.

Полученные модели (восковки) (3) собираются в куст на модель литниковой системы (4) выполненной также из лекгоплавкой смеси парафинов. Сборка их весьма проста, так как они легко соединяются местным расплавлением контактных зон, что производится нагретым ножом (шпателем) (5).

Полученная групповая модель погружается в суспензию, состоящую из мелкомолотого кварцевого песка и связующего (этилсиликат) (6). На поверхности модели многократным окунанием в суспензию и взвесь песка (7) и высушиванием создается толстая (4-8мм) керамическая корка. Извлечение модели из корки производят выплавлением (9) в горячей воде, а остатки парафина удаляются при последующем прокаливании формы (10). Перед заливкой металла форма устанавливается в ящик и засыпается песком (11).

Рис.5.

Преимуществом данного вида литья является возможность получения чрезвычайно сложных по форме отливок (например, турбинных лопаток). Так как форма может быть получена из любой жаропрочной керамики, то нет ограничений по температуре плавления заливаемого металла. Высокая точность и низкая шероховатость поверхности получаемых изделий обеспечивается применением тонкодисперсных материалов для изготовления керамической формы. В основном применяется для отливки изделий из стали, жаропрочных сплавов (детали двигателестроения, турбин и т.д..). Метод не позволяет получать крупногабаритные изделия, хотя в художественном литье возможности метода при создании уникальных изделий неограничены. В этом случае модель (восковку) изготавливает художник вручную.