- •Введение
- •Часть I Материаловедение
- •1. Строение и свойства материалов
- •1.1. Классификация материалов
- •Плазма газ жидкость твердое тело
- •1.2. Кристаллическое строение материалов
- •1.3. Дефекты кристаллического строения
- •1.3.1. Точечные дефекты
- •1.3.2. Линейные дефекты
- •1.3.3. Поверхностные и объемные дефекты
- •2. Крсталлизация металлов и сплавов
- •2.1. Межатомное взаимодействие
- •2.2. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация
- •2.3. Строение металлического слитка
- •2.4. Аморфные металлические сплавы
- •3. Деформация и разрушение металлов
- •3.1. Упругая и пластическая деформация
- •3.2 Деформация моно- и поликристаллов
- •3.3. Влияние нагрева на структуру деформированного металла
- •3.4. Свойства материалов и методы их испытаний
- •4. Основы теории двойных сплавов
- •4.1. Строение сплавов
- •4.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •5. Железоуглеродистые сплавы
- •5.1. Компоненты и фазы
- •5.2. Превращения в сплавах системы железо–цементит
- •5.2.1. Первичная кристаллизация сталей
- •5.2.2. Вторичная кристаллизация сталей
- •5.2.3. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •5.2.4. Кристаллизация белых чугунов
- •5.3. Превращения в сплавах системы железо–графит
- •6. Основы термической обработки сталей
- •6.1. Основные превращения в стали
- •6.2. Отжиг стали
- •6.3. Закалка и отпуск
- •7. Поверхностное упрочнение деталей
- •7.1. Упрочнение методом пластической деформации
- •7.2. Упрочнение методом поверхностной закалки
- •7.3. Химико-термическая обработка
- •8. Легированные стали
- •8.1. Маркировка легированных сталей
- •8.2. Классификация легированных сталей
- •8.2.1. Конструкционные стали
- •8.2.2. Инструментальные стали
- •8.2.3. Стали и сплавы с особыми свойствами
- •9. Цветные металлы и сплавы
- •9.1. Титан и его сплавы
- •9.2 Алюминий и его сплавы
- •9.3. Магний и его сплавы
- •9.4. Медь и ее сплавы
- •9.5. Другие цветные металлы и сплавы
- •10. Неметаллические и композиционные материалы
- •10.1. Полимеры
- •10.2. Пластмассы
- •10.3. Композиционные материалы
- •10.3. Керамические материалы
- •Часть 2 Технология конструкционных материалов
- •11. Металлургическое производство
- •11.1. Основные сведения о производстве чугуна
- •11.2. Производство стали
- •11.3. Разливка стали
- •12. Литейное производство
- •12.1. Литейные свойства сплавов
- •12.2. Литье в песчано-глинистые формы
- •12.3. Плавильные печи
- •12.4. Специальные способы литья
- •12.5. Сплавы для изготовления отливок
- •13. Обработка металлов давлением
- •13.1. Прокатка
- •13.2. Волочение и прессование
- •13.3. Ковка
- •13.4. Штамповка
- •14. Обработка металлов резанием
- •14.1. Основы резания металлов
- •14.2. Обработка на токарных станках
- •14.3. Обработка на сверлильных станках
- •14.4. Обработка на фрезерных станках
- •14.5. Обработка на строгальных и долбежных станках
- •14.6. Обработка на шлифовальных и отделочных станках
- •14.7. Точность и качество поверхности при обработке
- •15. Сварка, резка и пайка
- •15.1. Сварка металлов плавлением
- •15.2. Сварка металлов давлением
- •15.3. Термическая резка металлов
- •Области применения способов термической резки
- •15.4. Пайка металлов
- •16. Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов
- •16.1. Электрофизические способы
- •16.2. Электрохимические способы
- •17. Основы рационального выбора материалов
- •17.1. Выбор материала
- •17.2. Основные направления экономии материалов
- •Литература
- •Оглавление
- •Евгений Петрович Чинков
- •Андрей Геннадьевич Багинский
- •Материаловедение и технология
- •Конструкционных материалов
- •Подписано к печати.
Часть 2 Технология конструкционных материалов
11. Металлургическое производство
Основой металлургического производства является двухступенчатая схема, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов его передела в сталь. При доменной плавке происходит восстановление из руды железа и некоторых примесей (фосфора, кремния, марганца). Восстановленное железо насыщается углеродом, кислородом и серой. В результате из руды в доменных печах получают чугун – сплав железа с углеродом, в который также входят примеси марганца, кремния, фосфора и серы. При переделе чугуна в сталь происходит окисление углерода и примесей и удаление их в шлак в конвертерах, мартеновских и электрических печах.
11.1. Основные сведения о производстве чугуна
Материалы. Для выплавки чугуна в доменных печах необходимы железная руда, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Руда. Железо составляет более 5 % массы земной коры. В природе оно находится в виде окислов, входящих в состав различных минералов. Руда состоит из минералов и пустой породы (песок, глина). В руде присутствуют такие примеси как фосфор, кислород, водород и азот. Они называются вредными, поскольку ухудшают свойства выплавляемого чугуна и частично удаляются до плавки. Промышленная руда – горная порода, из которой при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы. Промышленное содержание железа в рудах – 30–50 %, меди – 3–5 %. Богатые железные руды – красный (Fe2O3) и магнитный (Fе3O4) железняк – содержат до 60–70 % железа. Перед плавкой руду обогащают. Пустая порода удаляется путем дробления, промывания. После обогащения железорудный концентрат подвергают окускованию двумя способами. Агломерация заключается в спекании при 1300–1500 С шихты, состоящей из крупных фракций концентрата, известняка, кокса и влаги. Окатывание применяют для обработки тонко измельченного концентрата: во вращающихся барабанах шихта приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. После этого окатыши сушат и обжигают.
Флюсы. Пустая порода состоит, в основном, из кислого окисла кремния (SiO2) и нейтрального окисла алюминия (Al2O3). Для нормальной плавки необходимо, чтобы соотношение кислых и основных окислов в печи было одинаковым: в этом случае образуются легкоплавкие соединения с хорошей текучестью – шлаки. В печь загружают флюсы – обычный известняк СаСО3 или доломитизированный с добавкой MgСО3. При их термическом разложении образуются основные окислы и в результате химический состав шлака выравнивается.
Топливо. Для доменной плавки требуется твердое неспекающееся топливо, которое служит для нагрева и расплавления шихты, а также химическим реагентом для восстановления окислов железа, примесей из руды и пустой породы. Обычно применяют кокс, который получают сухой перегонкой каменного угля при 1000 С без доступа воздуха. При нагревании из него выделяются газообразные продукты, он размягчается и превращается в пористую массу – кокс. Требования к качеству кокса: содержание золы (8–10 %), серы (до 2 %) и фосфора (до 0,2 %).
О гнеупорные материалы. Плавка ведется при высоких температурах. Внутреннюю облицовку (футеровку) печей делают из огнеупорных материалов. Они делятся на кислые, основные и нейтральные в зависимости от того, какие окислы преобладают в их составе. Динасовый кирпич на 95 % состоит из кислого кремнезема SiО2 (огнеупорность 1700 С); доломитовый, магнезитовый кирпич содержат основные окислы СаО и MgO (2000 С); нейтральный шамотный кирпич – до 40 % Аl2O3 и 60 % SiО2 (1750 С).
Д
Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса вступает в реакцию с кислородом и сгорает с образованием углекислого газа и выделением большого количества тепла (Q):
С + О2 = СО2 + Q.
Температура в этой зоне печи достигает 2000 С. Углекислый газ поднимаясь вверх реагирует с новыми порциями кокса. Реакция идет с образованием угарного газа и поглощением тепла:
СО2 + С = 2СО – Q.
При 400–600 С в верхней части печи окись углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихте:
2СО = СО2 + С.
Восстановление железа. Восстановление оксидов Fe2O3 и Fe3O4 происходит путем последовательного отщепления кислорода:
Fе2О3 Fe3O4 FеО Fе.
Процесс восстановления железа газами (окисью углерода, водородом) называют косвенным, твердым углеродом – прямым. Окислительно-восстановительные реакции представлены ниже:
3Fе2О3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 3Fе2О3 + С = 2Fe3O4 + СО
Fе3О4 + СО = 3FеО + СО2 Fе3О4 + С = 3FеО + СО
FеО + СО = Fе + СО2 FеО + С = Fе + СО.
Косвенное восстановление железа начинается при прогреве шихты до 600 С и интенсивно протекает при 750–900 C. Из руды образуется твердое губчатое железо. Частично закись железа FеО восстанавливается сажистым углеродом и твердым углеродом кокса.
Образование чугуна происходит при температуре 1000–1100 C путем насыщения твердого железа углеродом при взаимодействии с окисью углерода и углеродом кокса, с образованием карбида Fe3C:
2Fe + 2CO = Fe3C + CO2 3Fe + C = Fe3C.
Твердое железо переходит в жидкое состояние. Стекая по кускам раскаленного кокса, дополнительно насыщается углеродом (до 4 %), кремнием, марганцем, фосфором и в жидком виде накапливается в печи.
Кремний восстанавливается твердым углеродом из пустой породы, где находится в виде SiO2. Реакции идут с поглощением тепла:
SiO2 + 2С = Si + 2СО SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO.
Mарганец содержится в руде в виде окислов и карбонатов (MnO2, Mn2O3, MnCO3) и восстанавливается до MnO газами с выделением тепла. Далее MnO восстанавливается до Mn углеродом. Часть марганца растворяется в железе, часть в виде MnO переходит в шлак:
МnO + С = Мn + СО.
Одновременно идет взаимодействие марганца с твердым углеродом с образованием карбида Mn3C, который растворяется в железе.
Фосфор содержится в руде в виде фосфатных соединений. Фосфид железа (Fe3P) и фосфор восстанавливаются как окисью углерода, так и твердым углеродом. Они полностью растворяются в железе.
Сера присутствует в руде в виде органической серы и соединений. Она летуча, удаляется при нагреве шихты, частично, в виде S и FeS, растворяется в железе.
Шлакообразование. При термическом разложении известняка (флюса) образуется оксид кальция (CaO) и углекислый газ:
CaCO3 CaO + CO2.
Оксид кальция взаимодействует с твердой пустой породой и образует шлак, который содержит силикат и алюминат кальция:
CaO + SiO2 = CaSiO3 CaO + Аl2O3 = CaAl2O4.
Удаление серы в шлак также происходит при взаимодействии с продуктами термического разложения известняка:
CaO + FeS = CaS + FeO.
Кроме того, в шлаке содержатся окислы SiO2, MnO, Аl2O3, FeO а также CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания вниз. Он легче чугуна, поэтому скапливается на поверхности чугунной ванны. По мере скопления чугун и шлак выпускают из печи. В ковшах емкостью до 140 тонн чугун транспортируется в сталеплавильный цех для передела в сталь или в литейный цех на разливочные машины. Шлак для удобства использования подвергают мокрой грануляции: под действием струи воды он рассыпается на мелкие гранулы.
Продукты доменной плавки. В доменных печах получают чугун разного химического состава. По содержанию фосфора чугуны делятся на классы, по сере – на категории.
Передельный чугун, чугун который перерабатывают в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он бывает коксовый, фосфористый и высококачественный. Содержание: 4 % C; 0,3–1 % Si; 0,2–1 % Mn; 0,15–0,3 % P и 0,03–0,07 % S.
Литейный чугун, его используют для производства отливок деталей. Для увеличения жидкотекучести добавляют до 3 % кремния.
Доменные ферросплавы, их применяют для легирования и раскисления стали. К ним относятся: доменный ферромарганец (70–75 % Mn и до 2 % Si); доменный ферросилиций (9–13 % Si и 3 % Mn); зеркальный чугун (2 % Mn и Si).
Побочные продукты доменной плавки. Гранулированный шлак используют для производства цемента, строительных кирпичей и блоков, щебня, шлаковаты, литых шлаковых изделий и других строительных материалов. Колошниковый газ, содержащий горючие составляющие: окись углерода и водород, после очистки от пыли используется для нагрева воздуха (в воздухонагревателях) и как топливо. Технико-экономические показатели: коэффициент использования полезного объема печи – отношение полезного объема к среднесуточной выплавке чугуна – 0,4 м3 / тонна; расход кокса – 450–550 кг / тонна.