МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.И. Белокопытов

В.П. КАТРЮК

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Красноярск

2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. СЫРОДУТНЫЙ ПРОЦЕСС ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЖЕЛЕЗА……………………………………………………… История возникновения сыродутного процесса……………………… Краткие сведения о технике сыродутного процесса…………………. Анимационный фрагмент. Сыродутный процесс получения железной крицы………………………………………………………… Удаление шлака………………………………………………………… Извлечение крицы……………………………………………………… Анимационный фрагмент. Сыродутный горн………………………... Средневековые сыродутные печи……………………………………... Анимационный фрагмент. Каталонский горн………………………... Анимационный фрагмент. Каталонский горн с тромпой……………. Китайская сыродутная металлургия…………………………………... Анимационный фрагмент. Китайская вагранка……………………… Методика проведения работы…………………………………………. Контрольные вопросы………………………………………………….. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ………………………………………………………………………. История процесса получения чугуна и стали………………………… Процесс получения пудлингового железа……………………………. Основные исторические этапы процесса получения стали………….. Учебный фильм. Получение чугуна и стали………………………….. Методика проведения работы…………………………………………. Контрольные вопросы………………………………………………… ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. КОВКА………………………………….. История развития кузнечно-штамповочного производства…………. Краткие теоретические сведения……………………………………… Методика проведения работы………………………………………… Контрольные вопросы………………………………………………… ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ВОЛОЧЕНИЕ…………………………… История волочильного производства…………………………………. Краткие теоретические сведения……………………………………… Методика проведения работы………………………………………… Контрольные вопросы…………………………………………………. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. ПРОКАТКА…………………………….. История прокатного производства…………………………………….. Краткие теоретические сведения……………………………………… Методика проведения работы…………………………………………. Контрольные вопросы………………………………………………… ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ПРЕССОВАНИЕ……………………….. История прессового производства…………………………………….. Краткие теоретические сведения……………………………………… Методика проведения работы…………………………………………. Контрольные вопросы………………………………………………….. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В ЗЕМЛЯНЫХ (ПЕСЧАНЫХ) ФОРМАХ……………………………………... История развития литейного производства в России………………... Краткие теоретические сведения……………………………………… Методика проведения работы…………………………………………. Контрольные вопросы…………………………………………………. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФОРМАХ……………………………………………… История литья в металлические формы………………………………. Краткие теоретические сведения……………………………………… Методика проведения работы…………………………………………. Контрольные вопросы…………………………………………………. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………...

4 6 6 8 10 10 11 12 12 12 14 14 15 15 16 16 16 19 20 22 22 22 23 23 30 32 32 33 33 38 40 40 41 41 43 43 45 46 46 47 49 49 50 50 52 57 58 58 58 59 61 61 62

Введение

По мере развития цивилизации на земле человек прошел, начиная с VIII–VII тыс. до н. э., длинный путь в 10 тыс. лет освоения, выплавки, литья и обработки металлов. Вначале камнем, вручную обрабатывали ковкой самородки из золота, серебра и меди, а также метеоритное железо, найденное в земле. Становление металлургии и металлообработки начиналось с интуитивного опыта человека, но развития металлургических процессов из этого опыта не происходило.

Только анализ опытов и научные обобщения экспериментальных исследований позволили двигаться вперед. Новые знания о металлах позволили разрабатывать и развивать новые металлургические технологии. Причем в основе получения металлов, создания процессов их обработки, конструирования машин легли фундаментальные естественнонаучные знания о строении и свойствах металлов, физико-химических процессах, тепломассообмене, сопротивлении материалов и механике сплошной среды, а также теории машин и механизмов. Применение знаний химических и физико-химических взаимодействий металлов с кислородом воздуха, древесным и каменным углем, другими материалами позволили разработать металлургические технологии и плавильные агрегаты для производства металлов и сплавов, получения отливок из цветных, благородных и черных металлов заданного химического состава.

Большинство элементов в периодической системе Менделеева являются металлами – химическими элементами, без которых сложно представить развитие цивилизации. Металлические изделия необходимы во всех видах человеческой деятельности: в строительстве, в машиностроении, в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и т. д. Людей окружает множество металлических вещей, большую часть из которых они используют каждый день. Ножи, посуда, автомобили, самолеты, оборудование и многое другое невозможно без применения металлов.

Особый интерес представляет путь, который проходят металлы, превращаясь из сырья в изделия, используемые в сфере человеческой деятельности. В самородном виде металлы встречаются очень редко, и к ним относятся, например, драгоценные металлы золото, серебро, платина, палладий, а также медь. Чистое железо находят в метеоритах, а в основном металлы в природе содержатся в виде разнообразных химических соединений – минералов. Поиски минералов ведут геологи. После этого месторождениями, разведанными геологами, начинают заниматься горняки, которые добывают металлические руды открытым, если они залегают близко к поверхности земли, или закрытым, если руды находятся под землей, способами. Далее руды подвергают обогащению, которое проводится для отделения всех ценных минералов от пустой породы, а также взаимного разделения ценных минералов. Затем этими обогащенными минералами занимаются металлурги, которые различными способами получают из руд металлы.

Металлургическое производство делят на производство черных и цветных металлов.

Процесс металлургического производства наиболее распространенных металлических материалов – железоуглеродистых сплавов, называемый черной металлургией, заключается в последовательном проведении этапов обработки (переделов). Первый передел – получение чугуна из железной руды в доменных печах. Второй передел – преследует цель переработать чугун в сталь. Третий передел – это обработка металлов давлением для получения металлических полуфабрикатов и изделий заданных форм и размеров, где основными операциями являются прокатка, прессование, ковка и штамповка. Четвертым переделом называется дополнительная обработка деформированных полуфабрикатов – холодная прокатка полосового и листового металла, профилирование полосы (производство гнутых профилей), калибровка, волочение, нанесение защитных покрытий, а также производство метизов. Последний передел в общем цикле металлургического производства приобретает все большее значение, так как промышленности нужен не просто металл, а разнообразный прокат, пригодный для выпуска высококачественных надежных изделий с минимальными издержками. В результате возникают новые виды проката, их разнообразие возрастает, все обширнее спектр их технических и физико-химических параметров. Продукция черной металлургии на этой стадии по соблюдению размеров и формы, чистоте отделки уже не уступает изделиям точных производств. Четвертый передел может служить показателем научно-технического прогресса государства в металлургии, потому что состояние этой стадии и ее возможности наглядно отражают степень проникновения инноваций во все стадии металлургического процесса.

Цветная металлургия производит различные цветные, редкие, тугоплавкие и драгоценные металлы. В качестве наиболее развитых производств можно выделить производство меди, алюминия, никеля, титана, вольфрама и молибдена, золота, серебра, платины, палладия и др. цветных металлов.

Помимо обработки давлением для получения металлических изделий применяют также различные способы литья и обработку металлов резанием.

Литье – это простой, высокопроизводительный и дешевый способ получения металлической продукции практически из всех металлов и сплавов. Литые изделия могут быть как простой, так и очень сложной формы, которую, например, имеют изделия, полученные художественным литьем. Однако для отливок характерны такие дефекты, как пористость, неметаллические включения, крупнозернистая структура. Кроме того, в результате неравномерного охлаждения в них возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому литые детали по уровню механических свойств уступают деталям, изготовленным обработкой давлением, и их не применяют в условиях эксплуатации, сопровождающихся значительными силовыми нагрузками.

Обработкой резанием получают разнообразные детали, имеющие высокую точность размеров и чистоту поверхности. Но при этом, в масштабах мирового производства, за год в отход в виде стружки идут миллионы тонн металла, а сами эти операции характеризуются сложностью и трудоемкостью. Снизить объем металлорежущих операций можно за счет использования заготовок, близких по своим размерам к готовым изделиям.

Обработка металлов давлением объединяет указанные способы получения изделий из металлов. Так, в качестве заготовок для обработки давлением чаще всего используются отливки. В процессе их деформирования меняется их структура: измельчается зерно, завариваются поры, устраняется химическая неоднородность и т. д. Изменения литой структуры способствуют улучшению уровня механических свойств: повышаются прочность и пластичность металлических заготовок. Кроме того, деформированный полуфабрикат становится максимально приближенным к готовой детали по своей форме и размерам, что значительно снижает количество отходов при обработке резанием и упрощает технологию этих процессов.