Часть 1. Литейная технология

Задачей литейного производства является получение изделий путем заливки жидкого металла в специальные литейные формы. Различают заливку в земляные формы, оболочковые и металлические. В большинстве случаев при производстве чугунного и, тем более, стального литья форма из «земли», т.е. смеси песка и глины, используется один раз.

При выплавке сплавов с низкой температурой плавления даже формы, изготовленные из огнеупорных смесей используются несколько раз.

Литье в металлические формы является более прогрессивным, но, как правило, требует подпрессовки металла, что в случае разливки чугуна и стали осуществлять непросто. Поэтому при литье стали в металлические формы их поверхность покрывают огнеупорными красками.

В промышленности металлы применяются в основном в виде сплавов: черных (чугун, сталь) и цветных (бронза, латунь, дюралюминий и др.)

Сталь и чугун — это сплавы железа с углеродом. Но в стали содержание углерода немного меньше, чем в чугуне.

Сталь, как и чугун, имеет примеси кремния, фосфора, серы и других элементов, но в меньшем количестве. Сталь не только прочный, но и пластичный металл. Благодаря этому она хорошо поддается механической обработке. Сталь бывает мягкой и твердой.

Более твердая сталь используется для изготовления проволоки, гвоздей, шурупов, заклепок и других изделий.

Для производства металлов используются руды, флюсы, топливо. Эти материалы перерабатываются в плавильных агрегатах, внутренняя поверхность которых покрыта огнеупорами.

Руды являются природным минеральным сырьем. Они содержат примешанные и растворенные компоненты. Руды черных металлов являются оксидами. Отделение примесных компонентов достигается обогащением руд, методами флотации и обжиг-магнитным обогащением. Флотация основана на различии смачиваемости водой различных компонентов (минералов), входящих в состав руд. Различия смачиваемости минералов добиваются предварительной обработкой их маслами. Обжиг-магнитное обогащение применяется для обработки немагнитных железных руд. Из множества оксидных соединений железа лишь магнетит (Fe₃O₄) может отделяться от остальных компонентов руд в магнитном поле.

Сульфидные руды цветных металлов перед плавкой в основном обогащаются флотацией.

Для получения металла из оксидов железа применяются как методы прямого восстановления, когда смеси порошков руды и восстановителя (углерода в виде измельченного кокса) окатываются в гранулы и восстанавливаются в потоке газов, нагретых до 900⁰С. В этом случае получают окатыши. Окатыши охлаждают без доступа воздуха, и восстановленное железо не проходит стадии плавления.

Получение деталей из железа прямого восстановления осуществляют или путем прессования порошков или путем переплава окатышей в различных плавильных агрегатах (конвертерах, дуговых и индукционных электропечах).

Основную массу железных руд сначала перерабатывают в чугун. Плавку руд проводят в доменных печах с использованием кокса и флюсов.

Кокс – это спеченный в пористый материал коксующийся уголь. Кокс используется и как восстановитель руды и как источник тепла.

На получение одной тонны чугуна расходуется от 0,5 до 0,7 тонны кокса. Кокс содержит 80-88% углерода.

В состав чугуна, кроме железа входят углерод, кремний, марганец, а также «вредные» примеси – сера и фосфор.

Чугун является основным материалом, применяющимся для изготовления стали.

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Руду вместе с коксом (специально обработанным углем, который дает при горении высокую температуру) загружают в доменную печь сверху. Снизу в домну все время вдувают чистый горячий воздух, чтобы кокс лучше горел. Внутри печи образуется высокая температура, руда плавится, и полученный чугун стекает на дно печи. Расплавленный металл вытекает из отверстия домны в ковши. Из смеси чугуна со стальным ломом в мартеновских печах, конверторах и электропечах получают сталь.

Стали от чугуна отличаются меньшим содержанием углерода, а также кремния, марганца и примесей. Для снижения содержания углерода в расплаве используется металлический лом или скрап.

Скрапом называются металлические отходы производства стали. В промышленности ежегодно образуется около 40% металлолома от массы производимой стали. Такое его количество перерабатывается в электрических и мартеновских печах, а также в конвертерах.

В электропечах может перерабатываться до 100% металлолома, в мартеновских печах – до 65%, а в конвертерах – до 32%.

Электропечи разделяют на дуговые и индукционные. В дуговых печах в качестве источника теплоты используется электрическая дуга, возникающая между электродами и металлической шихтой.

Питается эта печь трехфазным током, электроды изготовлены из графитизированной массы. Изнутри кожух печи футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом.

Плавку в дуговых печах осуществляют двумя методами: 1) методом переплава шихты из легированных отходов; 2) на углеродистой шихте с окислением примесей.

Электроиндукционные печи состоят из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого расположен тигель с металлической шихтой. Через индуктор проходит переменный ток повышенной частоты (500-1000 кГц). Создаваемый электромагнитный поток разогревает и расплавляет шихту.

Существенное влияние на качество стали оказывает атмосфера, в которой ведут плавку. Поэтому наиболее качественные стали получают в вакуумных индукционных печах, либо обработкой готовой стали в вакууме.

Вследствие возможности регулирования температуры расплавов и состава стали при выплавке в электропечах, качество металла более высокое, чем при выплавке в мартеновских печах, либо в конвертерах.

Мартеновские печи – это агрегаты, в которых металлолом переплавляется путем нагрева в потоке горячих газов.

Газы эти состоят из продуктов горения природного газа, либо мазута, смешиваемых с воздухом. При работе на газообразном топливе мартеновская печь для подогрева воздуха имеет два регенератора, т.е. камеры с насадкой из огнеупорного кирпича. Температура отходящих из печи газов – 1500-1700⁰С.

По сравне6нию с чугуном сталь содержит меньше серы и фосфора. Однако, примеси, поступающие в шихту с металлоломом (олово, мышьяк и др.) ухудшают потребительские и эксплуатационные характеристики готовой стали. Существенно влияют на качество стали также растворенные в ней газы (кислород, азот, водород).

При продувке чугуна воздухом в бессемеровских конвертерах, готовая сталь содержит больше азота, придающего ей хрупкость. Мартеновская сталь также содержит азота и водорода больше, чем конвертерная.

Легирование стали возможно присадками лигатур. В мартенах и электропечах легирование производят как при нахождении металла в печи, так и после выпуска в ковш. Конвертерная сталь легируется практически всегда в ковшах.

В индукционных электрических печах нагрев расплава не связан с поступлением углерода из электродов, характерных для дуговых печей. Их применение особенно целесообразно при изготовлении малоуглеродистых мартенситно-стареющих, а также электротехнических сталей.

После выплавки в плавильных агрегатах, сталь выпускается в сталеразливочные ковши, где она подвергается раскислению – удалению из стали растворенного кислорода.

Плавка цветных металлов требует более глубокого обогащения руд, так как содержание в них извлекаемых металлов на 1-2 порядка меньше, чем в железных рудах.

Наиболее широко в машиностроении применяют медь, алюминий, магний, титан, никель, олово, свинец и др. металлы, которые используются как в чистом виде, так и в качестве основы сплавов.

Для производства меди используют руды, содержащие ее от 1 до 6%, а для получения серебра – содержащие лишь 0,02% Ag. Перед плавкой медные руды обогащают. Сульфидные руды сначала переплавляются в специальных печах для расслоения расплава на тяжелую фазу (штейн) и легкую фазу – шлак. Разделение фаз производят поочередным их выпуском через отверстия в печи, расположенные на разных уровнях.

Медный штейн, состоящий в основном из Cu₂S и Fe, конвертируют в оксиды железа и черновую медь. Конвертирование медного штейна проводят для окисления сульфидов и железа и перевода окислов в шлак, а окислов серы в SО₂. Для этого через штейн пропускают сжатый воздух. В конвертере получают только черновую медь МК1, содержащую 98,4-99,4% Cu, с примесями серы, железа и небольших количеств никеля, олова, серебра.

Для удаления вредных примесей черновую медь рафинируют огневым методом путем их окисления и перевода в шлак. При этом в штейн выделяются и вышеуказанные (Ni, Co, Ag, Au, Pt и др. элементы). Иногда их рыночная стоимость превышает стоимость меди.

Указанные примеси выделяются в виде шламовых осадков при электролитическом рафинировании, черновой меди. Дальнейшая очистка меди производится повторным электролизом, после которого возможно получить медь с чистотой 99,95%. Еще более высокую чистоту меди достигают вакуумным переплавом.

Основным сырьем для производства алюминия служат алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Наиболее широко используются бокситы. Получают алюминий из руд методами электролиза, но не из водных растворов, а из расплавов. Расплавы Al₂O₃ в криолите (соединение Na₃AlF₆) выдерживают при температурах порядка 1000⁰С. Процесс электролиза производят в электролизере, имеющем анодное и катодное пространства.

Иногда электролизер называют алюминиевой ванной. На катоде высаживается алюминий, а на аноде – кислород. Осаждаемый на дне ванны алюминий извлекают вакуум-ковшом. Полученный в результате электролиза алюминий называют алюминием-сырцом, который затем рафинируют. Рафинирование проводят путем продувки хлором, и затем отстаиванием. После рафинирования чистота алюминия достигает 99,5-99,85%.

Сырьем для производства титана является ильменит – FeOТiО₂, рутил -ТiО₂, и другие руды. Содержание титана в различных рудах колеблется от 10 до 60%. Поэтому титановые руды обогащаются, и концентраты титановых руд обычно содержат от 42 до 68% ТiО₂.

Полученные концентраты титановых руд смешивают с углеродистым восстановителем, в результате которого оксиды железа восстанавливаются полностью, а оксиды титана образуют шлак и отделяются от оксидов железа, поскольку они легче. Полученный титановый шлак хлорируют. В результате реакции TiO₂ + 2C + 2Cl₂ TiCl₄ + 2CO.

Полученный четыреххлористый титан сжижается при более высоких температурах, чем окись углерода и поэтому смесь газообразных ТiС₄ и СО разделяется. Сконденсированную жидкость нагревают до 1000⁰С и восстанавливают парами магния, кипящего при 1107⁰С.

После восстановления получают титановую губку, которая используется для приготовления сплавов на основе титана, а также в качестве геттеров для поглощения Н₂, N₂ и О₂.

Как правило, титан и магний производят на одном заводе, так как хлористый магний, являющийся побочным продуктом производства титана.

Из цветных сплавов наиболее широко применяются бронза, латунь и дюралюминий.

Бронза — желто-красный сплав на основе меди с добавлением олова, алюминия и других элементов. Отличается высокой прочностью, стойкостью против коррозии. Из бронзы отливают художественные изделия, делают сантехническую арматуру, трубопроводы, детали, работающие в условиях трения и повышенной влажности.

Латунь — сплав меди с цинком, желтого цвета. Имеет высокую твердость, пластичность, коррозийную стойкость. Выпускается в виде листов, проволоки, шестигранного проката и применяется чаще всего для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности.

Дюралюминий — сплав алюминия с медью, цинком, магнием и другими металлами, серебристого цвета. Обладает высокими антикоррозийными свойствами, хорошо обрабатывается. Дюралюминий широко применяют в авиастроении, машиностроении и строительстве, где требуются легкие и прочные конструкции.

Основные свойства металлов

Металлы обладают различными свойствами. Одни из них мягкие, вязкие, другие твердые, упругие или хрупкие. Знать свойства металлов необходимо для того, чтобы правильно определить наиболее подходящий для того или иного изделия материал.

Физические свойства.

К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления.

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. Металлы различаются по цвету. Например, сталь — сероватого цвета, цинк — синевато-белого, медь — розовато-красного. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета. Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см3. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.

Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. У стали, например, температура плавления гораздо более высокая, чем у олова.

Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.

Механические свойства.

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость. Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела. Если ударить молотком по кернеру, поставленному на стальную пластинку, образуется небольшая лунка. Если то же самое сделать с пластинкой из меди, лунка будет больше. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов. Попробуйте одновременно растянуть и отпустить пружины из стальной и медной проволоки. Вы увидите, что первая вновь сожмется, а вторая останется в том же положении. Значит, сталь более упругий материал, чем медь.

Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Например, если наносить удары по чугунной плите, она разрушится. Чугун — хрупкий металл. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).