68
Некоторые группы сталей специального назначения
имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди цифр: А – автоматная (применяется для последующей обработки на станках-автоматах), Ш – шарикоподшипниковая (для изготовления шариковых и роликовых подшипников1), Р – быстрорежущая (для изготовления резцов, выдерживающих высокие температуры и применяемых при скоростном резании металлов), Е
–магнитотвердая (для изготовления магнитов), Э – электротехническая (для изготовления сердечников трансформаторов), Св
–сварочная (для изготовления сварочных электродов) и др. В этом случае в буквенной части марки не указываются или указываются не все легирующие элементы, например сталь Р18, используемая для изготовления режущих инструментов, содержит вольфрам, хром и ванадий, но в марке стали это не отражено. Химический состав таких сталей можно определить только по ГОСТу или по Техническим условиям.
3.3.Цветная металлургия
3.3.1.Общая характеристика отрасли, ее состояние и роль в народном хозяйстве. Понятие толлинга и его влияние на состояние отрасли. Экспорт цветных металлов.
Цветные металлы и их сплавы применяются в значительно меньших объемах и реже, чем черные металлы. По физическим и химическим свойствам применяемые в промышленности металлы можно подразделить на следующие группы: легкие – алюминий, магний, титан и др., тяжелые – медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк, ртуть и др., тугоплавкие – вольфрам, молибден и др., легкоплавкие (цинк, олово, свинец и др.), благородные (драгоценные) – золото, серебро, платина и платиноиды (рутений, родий, палладий осмий, иридий).
Далее из каждой группы мы рассмотрим те металлы и сплавы, которые наиболее широко применяются в народном хозяйстве и имеют существенное значение во внешней торговле России.
1 Подшипники – часть опоры вала, воспринимающая от него нагрузки и уменьшающая трение при его вращении. По принципу работы различают подшипники качения, в которых между вращающимися поверхностями вала и цилиндра расположены кольца с вставленными между ними шариками или роликами и подшипники скольжения, в которых поверхность вала скользит непосредственно по поверхности цилиндра. Для уменьшения трения в подшипники скольжения вставляют вкладыши из антифрикционного (от греч. anti – против и лат. friсtio–трение), т.е. имеющего небольшое трение, материала – баббиты, бронзы, чугуны, пластмассы и др.
69
Сплавы металлов. Основная масса цветных металлов используется в виде сплавов, так как они обладают более широким спектром физических, механических и химических свойств.
Название сплавов цветных металлов в большинстве случаев соответствует их основе. Так, сплавы на основе меди называют медными, на основе алюминия – алюминиевыми и т. д. Иногда в название сплава входит основной и главный легирующий элемент: медно-никелевые, оловянно-свинцовые и др.
При маркировке цветных металлов и их сплавов обозначение отдельных элементов отличается от принятых в марках легированных сталей. В большинстве случаев – это первая буква русского названия элемента, а для элементов, названия которых имеют одинаковую начальную букву, добавляется еще одна буква: алюминий (А), железо (Ж), кремний (К), медь (М), магний (Мг), марганец (Мц), никель (Н), олово (О), свинец (С), титан (Т), фосфор (Ф), хром (X), цинк (Ц). Буквы, соответствующие элементам, входящим в состав марки сплава, располагаются в убывающем порядке, и после каждой из них ставится цифра, указывающая количество этого элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то это значит, что содержание этого элемента находится в пределах одного процента.
Состояние отрасли. Цветную металлургию можно считать одной из немногих относительно благополучных отраслей, хотя в целом общая тенденция реструктуризации отрасли за последние два десятилетия принципиально мало отличается от других отраслей (рис. 3.8, 3.9).
Относительное благополучие некоторых подотраслей цветной металлургии связано с ростом экспорта. Доля России в мировом производстве цветных металлов (алюминия, никеля, меди, цинка, свинца, олова) составляет около 8,5%, при этом на экспорт отправляется около 80% их производства и 70% редких металлов1. Цветные металлы в составе экспорта составляют порядка 12%, основными экспорт составляющими цветными металлами являются: алюминий – около 8%, медь – около 2% и
никель – более 1%. Переориентация цветной металлургии с
внутреннего рынка на экспорт косвенно отражает падение уровня отечественной обрабатывающей промышленности и, прежде всего, машиностроения.
До 1999 г. значительная доля цветных металлов производилась на условиях толлинга. Например, в 1996 г. удельный вес выплавленного из давальческого сырья алюминия составлял 43%, цинка – 51%, свинца – 29%2. В последние годы при-
1Металлы Евразии.– 2001.– № 3.
2Известия.– 1997.– 19 февр.
70
менение толлинга сокращается, и в 2002 г. была предпринята законодательная попытка от него отказаться, однако из-за дефицита оборотных средств у предприятий эта попытка была блокирована.
Толлинг – экономический механизм переработки давальческого сырья, т.е. сырья, передаваемого его собственником без оплаты, на договорной основе, перерабатывающим предприятиям для производства готовой продукции. При такой схеме завод получает от трейдеров оборотные средства и импортное сырье, перерабатывает его и оставляет себе премию – определенный процент от стоимости металла на лондонской бирже металлов. Толлинг был одобрен Президентом и утвержден Правительством в 1993 году как вынужденная временная мера для предотвращения остановки алюминиевых заводов, лишившихся после распада СССР традиционных источников основного сырья (глинозема). Предполагалось, что за счет предоставления временных льгот (в частности, освобождения от уплаты НДС и таможенных пошлин) алюминиевые заводы, укрепив собственные ресурсы, смогут постепенно перейти на прямые закупки сырья и экспорт металла.
Рис. 3.8. Динамика производства основных
видов продукции цветной металлургии в 1989–2007г.,
1989=100% см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф
71
По толлинговым схемам в России работало 11 алюминиевых заводов. В целом, толлинг также применялся и в других производствах цветной металлургии. В России с применением толлинга работало около половины производственных мощностей легкой и химической промышленности, цинковой и медной отраслей цветной металлургии.1
Особенностью экспорта цветных металлов из России является их неполная обработка, о чем свидетельствует резкое снижение выпуска проката и структура экспорта – 80% приходится на первичные металлы и лишь 20% – на прокат и металлоизделия. Это связано с тем, что качество отечественного проката уступает требованиям международного рынка, а внутренние цены по мере обработки металла растут быстрее, чем при аналогичной обработке за рубежом, т.е. технологическая себестоимость в России выше зарубежной. Это объясняется высокой долей амортизации оборудования и использованием устаревших технологий.
Рассмотрим свойства и производство наиболее часто применяемых металлов.
3.3.2. Медь и ее сплавы. Медь, свойства и примене-
ние. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны человечеству с доисторических времен, когда они были единственным металлом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда (бронзовый век).
Медь имеет красновато-розовый цвет, химически мало активна, обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в парах воды. Характерными физическими свойствами меди являются ее высокие тепло- и электропроводность. По электропроводности медь занимает первое место среди других технических металлов. Медь – очень пластичный металл, но имеет невысокую механическую прочность.
Основная часть меди идет на приготовление сплавов и легирование других металлов. Значительная часть меди идет на изготовление электропроводов и используется в электроэнергетике, в радиоэлектронике и приборостроении, однако, как показывает график (рис. 3.9), большая часть меди в настоящее время поступает на экспорт в виде рафинированной, т.е. чистой меди.
1 http://www.tolling.ru/
72
рис. 3.9 Динамика производства, внутреннего
потребления и экспорта меди в 1991–2007 г. По методике
ОКВЭД в расчет не вошли: производство электронного и электрооборудования (рост: 45–151%), производство транспортных средств (рост38,7-63,2%)
см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф
73
На графике видно, как по мере падения выпуска продукции машиностроения снижается внутреннее потребление меди и увеличивается ее экспорт.
Согласно ГОСТу 859-78 товарная медь выпускается с содержанием меди от 99,0% (М4) до 99,99% (М00).
Сплавы меди. Структура сплавов, свойства, при-
менение. Обладая замечательными свойствами, медь, в то же время, как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т.е. вводят в ее состав такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и др., за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства. Наиболее широко используются латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунями называются сплавы меди с цинком. Различают двухкомпонентные латуни и специальные, в которые дополнительно введены другие легирующие элементы. Цинк повышает прочность и пластичность меди, но в определенных пределах содержания цинка.
Максимальной пластичностью обладает латунь, содержащая 40% цинка. Основная масса латуни идет на изготовление катанного полуфабриката: полос, труб, проволоки и различных профилей. Латунь обрабатывается в холодном состоянии. Она дешевле меди. В обозначении марок латуней принята буквенно-цифровая система: первая буква "Л" – означает «латунь», затем – перечень символов, входящих в сплав компонентов, затем – их процентное содержание. Первая цифра указывает на содержание меди, остальные – на содержание других легирующих элементов. Содержание цинка в обозначении марки не указывается – для того чтобы его определить, необходимо от 100% вычесть процентное содержание меди и других химических элементов, входящих в данную латунь. Например: томпак Л90 – это латунь, содержащая 90% меди, остальное – цинк; латунь алюминиевая ЛА77-2 содержит 77% меди, 2% алюминия, остальное – цинк; латунь ЛАНКМц75-2- 2,5-0,5-0,5 содержит 75% меди, 2% алюминия, 2,5% никеля, 0,5% кремния, 0,5% марганца, остальное – цинк.
По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабатываются литьем, давлением и резанием. По технологическому назначению их подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные.
Бронзы (название произошло от королевства Бурунди в Италии, откуда в древности поставлялась медь в Европу) –
сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием, свинцом, хромом и с другими элементами. Как и латуни, бронзы под-
74
разделяются на литейные и деформируемые. Марка бронзы состоит из букв "Бр.", после них – символы компонентов, затем их процентное содержание. Например, Бр. А7– бронза с содержанием алюминия 7% (старые монеты), Бр.ОЦС4–4–2 содержит 4, 4
и2% олова, цинка и свинца. Бронзы подразделяются на оловянистые – на основе олова и безоловянистые – сплавы с другими металлами. Некоторые типы бронз хорошо обрабатываются давлением и резанием. Бронзы применяются при изготовлении антифрикционных деталей (вкладышей подшипников скольжения), арматуры, работающей в пресной воде, жидком топливе и паре при температурах до 250°С; используются в химической и пищевой промышленности. Оловянистые бронзы хорошо льются
иприменяются в художественном литье.
Медно-никелевые сплавы маркируются буквой М, затем – по легирующим элементам аналогично бронзам. Например, мельхиор МНЖМц 30–08–1 содержит 30% никеля, 0,8% железа, 1% марганца. Он имеет высокую коррозионную стойкость, применяется для теплообменных аппаратов, работающих в морской воде, и для украшений.
Константан МНМц40–1,5 – имеет большое электрическое сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в реостатах, электроизмерительных приборах.
Монель-металл НМЖМц29–2,5–1,5 – сплав на основе меди с высоким содержанием никеля, отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, широко применяется в судостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.
Общая схема получения меди (рис. 3.10). Медные ру-
ды представляют собой различные сернистые соединения. Наряду с медью они содержат никель, цинк, свинец, золото, серебро и другие металлы. Медь из руды получают преимущественно пирометаллургическим (с применением высоких температур) способом.
Технологическая система получения меди состоит из процессов:
1. Обогащение руды методом флотации, основанном на различной смачиваемости соединений меди и пустой породы. Размельченная руда помещается в суспензию с флотационным агентом, например, пихтовым маслом, который создает пленку на поверхности рудных частичек. При продувке воздухом образуемые пленкой пузырьки собираются на поверхности руды и увлекают ее наверх в виде пены. Пустая порода, которая не смачивается маслом, опускается на дно. Собранная и высушенная пена – концентрат содержит до 30% меди.
75
2.Концентрат обжигается, в результате получается сернистый газ, который идет на получение серной кислоты, и обожженный медный концентрат. Обожженный концентрат переплавляется в отражательных печах с получением медного штейна – продукта, состоящего из меди и сульфидов железа.
3.Штейн продувается в конвертерах кислородом с получением черновой меди, содержащей 1,5% примесей. При продувке в присутствии кварцевого песка сульфиды железа переходят в окись железа и уходят в шлак, а получающийся сернистый газ также идет на приготовление серной кислоты.
4.Очистка (рафинирование) черновой меди осуществляется огневым или электролитическим методом. При огневом методе в расплав меди кладутся деревянные (осиновые) жерди
ипропускается воздух. Кислород воздуха в присутствии жердей окисляет и выводит примеси.
При электролитическом методе черновая медь устанавливается в качестве анода, катодом служат медные листы. При пропускании тока анод растворяется, и медь оседает на катоде
–
на дне. За 10 дней получается лист меди весом 60-90 кг. При этом примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама. Иногда в
шламе содержится до 35% серебра, 6% селена, 1% золота. Поэтому шламы обычно перерабатывают для получения этих элементов.
Как видно из схемы получения меди, ее производство сопряжено с высокими затратами энергии и экологически вредно.
3.3.3. Алюминий и его сплавы: свойства, производ-
ство и применение. Алюминий сравнительно молодой металл. Название его происходит от латинского слова alumen – так 500 лет до н.э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.
Алюминий как элемент был открыт в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу XIX столетия – после открытия технологии его получения путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Этот принцип лежит и в основе современного промышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира.
76
Пустая порода
Газы
Шлак
Газы
Газы
Шлам
Переработка на Ag и Au
Руда
Обогащение методом флотации
Концентрат
Плавка на штейн
Штейн
Конвертирование Черновая 
медь
Огневое рафинирование
Медь 99,0- 99,5%
Электролитическое рафинирование
Катодная медь
Рис. 3.10. Блок-схема технологического процесса производства меди
В России над технологией получения алюминия во второй половине прошлого века работал известный ученый-химик Н.Н. Бекетов, трудами которого воспользовались немцы, построившие первый алюминиевый завод в Гмелингине. Первый алюминиевый завод в нашей стране был пущен в эксплуатацию в 1932 г. на базе Волховской гидроэлектростанции. Строительство Днепрогэса позволило запустить в 1933 г. второй
77
алюминиевый завод. Развитие электроэнергетического комплекса в 60-70 гг. позволило построить большое количество мощных алюминиевых заводов и занять ведущее место на мировом рыке алюминия.
Алюминий представляет собой серебристо-белый пластичный металл. В воздушной среде он быстро покрывается окисной пленкой, которая защищает его от коррозии. Алюминий химически стоек против азотной и органических кислот, но разрушается щелочами, а также соляной и серной кислотами. Важнейшее свойство алюминия – небольшая плотность, он в три раза легче железа. Механические свойства алюминия невысоки: сопротивление на разрыв – 5–9 кгс/мм2, относительное удлинение – 25–45%. Высокая пластичность (достигается отжигом при температурах 350–410°С) этого металла позволяет прокатывать его в очень тонкие листы, например, фольга может иметь толщину до 0,005 мм. Алюминий хорошо сваривается, однако трудно обрабатывается резанием. Для повышения прочности в алюминий вводят кремний, марганец, медь и другие компоненты. Значительные природные запасы алюминия, его небольшая плотность, высокие антикоррозионные свойства и хорошая электропроводность способствовали широкому распространению этого металла в различных отраслях техники. Алюминий и его сплавы применяются в самолето- и машиностроении, при строительстве зданий и линий электропередач, во многих отраслях промышленности. Из него изготовляют различные емкости и арматуру для химической промышленности, в пищевой промышленности применяется упаковочная фольга из алюминия и его сплавов (для обертки кондитерских и молочных изделий). Широкое признание получила алюминиевая посуда. Алюминий хорошо подвергается различным тонким покрытиям и окраске, поэтому его используют и как декоративный материал.
Алюминий всех марок содержит более 99% чистого алюминия. В зависимости от химического состава он подразделяется на алюминий особой, высокой и технической чистоты, обозначается буквой А и цифрой, показывающей десятые и сотые доли процента после 99%, например, А85 – содержит 99,85% алюминия.
Алюминиевые сплавы. Так как прочность алюминия очень незначительна, то в качестве конструкционных материалов применяют его сплавы. Сплавы подразделяются на дефор-
мируемые – в основном, дюралюминий и литейные – главным образом силумин.
Дюралюминий, дюраль (от нем. Düren – город, где впервые было начато промышленное производство сплава) –
78
сплав алюминия с медью (2,2–5,2%), магнием (2–2,7%) и марганцем (0,2–1,0%). Его подвергают закалке в воде после нагрева до температуры около 500 °С и упрочняющему старению. По своим механическим свойствам он приближается к среднеуглеродистым сталям. Применяется, главным образом, в виде различного проката – листы, уголок, трубы и т.д. Как конструкционный материал он используется для транспортного и авиационного машиностроения.
Силумин – сплав алюминия и кремния, обладает хорошими литейными свойствами, мягкий, применяется для изготовления неответственных деталей методом литья и давления. Кроме алюминия (основа) и кремния (10–13%) в этот сплав вхо-
дят: железо – 0,2–0,7%, марганец – 0,05–0,5%, кальций – 0,07– 0,2%, титан – 0,05–0,2%, медь – 0,03% и цинк – 0,08%. Могут использоваться также сплавы алюминия с цинком, магнием и т.д.
Производство алюминия. Производство алюминия – сложный технологический процесс. В свободном виде алюминий, вследствие своей активности, не встречается. Его получают из минералов – бокситов, нефелинов и алунитов, при этом сначала производят глинозем, а затем из глинозема путем электролиза получают алюминий. Технологическая схема производства алюминия состоит из процессов:
1.Получение глинозема Al2O3 путем выщелачивания концентрированным раствором щелочи измельченного боксита
иего последующего прокаливания.
2.Растворение глинозема в расплаве криолита (Na3AlF6)
иего электролиз в ванне с угольным анодом и покрытым угольными блоками катодом (рис. 3.11). Катионы алюминия нейтрализуются на катоде и выпадают в расплав. На производство 1 т алюминия уходит 17–18 тыс. кВт электроэнергии.