Вопросы для самопроверки

1. Чем вызвано снижение прочности металлических кристаллов по сравнению с теоретически рассчитанной?

2. Чем кристаллиты отличаются от кристаллов?

3. Назовите основные механические свойства машиностроительных материалов.

4. Назовите основные технологические характеристики материалов.

5. Перечислите основные фазы железоуглеродистых сплавов.

6. Перечислите основные принципы классификации сталей.

7. Вспомните особенности маркировки углеродистых, легированных и инструментальных сталей.

Раздел 2 производство черных и цветных металлов

Глава I Современное металлургическое производство

1. Структура металлургического производства и его продукция

Металлургическое производство - это область науки, техники и отрасль промышленности, охватывающая различные процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов. Введение в расплав в определенных количествах легирующих элементов позволяет изменять состав и структуру сплавов, улучшать их механические свойства, получать заданные физико-химические свойства. Оно включает шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат: балки, рельсы, прутки, проволоку, лист.

Основная продукция черной металлургии: чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Мn, Si, V, Ti и т.д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства сортового проката, листа, труб и т.д.; стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производства сортового проката (уголка, полосы, прутков); слитки (чушки) цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.

2. Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленная руда - это природное минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько металлов в концентрациях, при которых экономически целесообразно их извлечение. Руда состоит из рудного минерала, содержащего один ценный элемент (например, железо, марганец) или несколько ценных металлов - комплексные руды (полиметаллические), например, медно-никелевые руды, железомарганцевые, хромоникелевые и др. Кроме рудных минералов в состав руды входит пустая порода - минералы, которые отделяются от рудных минералов при обогащении или переходят в шлаки при плавке.

В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и бедные. Перед использованием руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования шлаков - легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентратом и золой топлива.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе отношение основных оксидов (CaO, MgO и др.) к кислотным оксидам (SiO₂, Р₂О₅) не более 1,5, и основным, если это отношение составляет 2,15 ... 4.

Топливо - это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, которые применяются с целью получения при их сжигании тепловой энергии. В металлургических печах используют кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре > 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80 ... 88 % углерода, 8 ... 12 % золы, 2 ... 5 % влаги, 0,5 ... 0,8 % серы, 0,02 ... 0,2 % фосфора и 0,7 ... 2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25 ... 60 мм. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90 ... 98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и 1 % азота. Мазут содержит 84 ... 88 % углерода, 10 ... 12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ - побочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы - это материалы и изделия преимущественно на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °С. Их применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорность материала - это способность противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Количественно огнеупорность характеризуется температурой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO₂, называют кислыми (динасовые, кварцеглинистые), например кварцевый песок (95 % SiO₂), динасовый кирпич, огнеупорность которых до 1700 °С; материалы, содержащие основные оксиды (CaO, MgO), - основными (магнезитовый кирпич и металлургический порошок, магнезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более 2000 °С); содержащие большое количество А1₂О₃ и Сr₂О₃ - нейтральными (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные, например шамотный кирпич, содержащий 50 ...60 % SiO₂ и 30 ... 40 % А1₂О₃). Его огнеупорность достигает 1750 °С.

При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шлаками. Если в печи, выложенной основным-огнеупорным материалом, применять кислые флюсы, то взаимодействие шлака и футеровки приведет к ее разрушению. То же произойдет, если в печи, выложенной огнеупорными материалами из кислых оксидов, применить основные шлаки. Поэтому в печах с кислой футеровкой используют кислые шлаки, а в печах с основной - основные.

Углеродистые кирпич и блоки содержат до 92 % С в виде графита и обладают высокой огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.