книги / Металлургические технологии
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Ю.Н. Симонов, С А Белова, М.Ю. Симонов
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета 2013
УДК 669.021.09(075.8) С37
Рецензенты:
заместитель главного металлурга В.А. Дубровский
(ОАО «Протон-ПМ»);
доцент Т.В. Ольшанская
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Симонов, Ю.Н.
С37 Металлургические технологии : учеб, пособие / Ю.Н. Симонов, СА . Белова, М.Ю. Симонов. - Пермь Изд-во Перм. нац. исслед. политехи, ун-та, 2013. - 305 с.
ISBN 978-5-398-01075-6
Рассмотрены технологические процессы производства железа, чу гуна, сталей. Описаны основные технологические приемы получения сталей высокого и особо высокого качества Кратко изложены основы литейного производства и принципы обработки металлов давлением.
Предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению 150100.62 «Металлургия», а также по смежным направ лениям подготовки бакалавров.
УДК 669.021.09(075.8)
ISBN 978-5-398-01075-6 |
©ПНИПУ, 2013 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................................................................................... |
8 |
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................ |
10 |
Часть I. МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА И ЧУГУНА.................................................................... |
17 |
ГЛАВА 1. Исходные материалы для производства железа и чугуна.... |
17 |
1.1. Железные руды..................................................................................... |
17 |
1.2. Подготовка железных руд................................................................... |
19 |
1.2.1. Дробление и измельчение............................................................ |
20 |
1.2.2. Рассев и усреднение..................................................................... |
23 |
1.2.3. Обогащение.................................................................................. |
24 |
1.2.4. Окускование................................................................................. |
28 |
1.3. Флюсы................................................................................................... |
33 |
1.4. Металлургический кокс....................................................................... |
34 |
ГЛАВА 2. Технология получения железа................................................... |
36 |
2.1. Процесс Мидрекс................................................................................. |
37 |
2.2. Процесс ХИЛ....................................................................................... |
39 |
ГЛАВА 3. Технология получения чугуна................................................... |
41 |
3.1. Устройство и работа доменной печи................................................... |
41 |
3.2. Состав доменного цеха........................................................................ |
48 |
3.3. Доменный процесс (физико-химические процессы |
|
в доменной печи)......................................................................................... |
58 |
3.3.1. Горновые процессы...................................................................... |
59 |
3.3.2. Колошниковые процессы............................................................. |
62 |
3.3.3. Процессы восстановления железа................................................ |
62 |
3.3.4. Процессы восстановления примесей........................................... |
65 |
3.3.5. Науглероживание железа и образование чугуна........................ |
67 |
3.3.6. Образование шлака...................................................................... |
69 |
3.3.7. Поведение серы в доменной печи................................................ |
70 |
3.3.8. Внедоменная десульфурация....................................................... |
72 |
3.4. Продукты доменной плавки................................................................ |
72 |
3.5. Основные технико-экономические показатели |
|
|
работы доменных печей............................................................................. |
|
74 |
3.6. Перспективы развития доменного процесса...................................... |
|
77 |
3.7. Новые процессы и технологии получения |
|
|
первичного жидкого чугуна....................................................................... |
|
79 |
Часть II. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ..................................................................... |
|
85 |
ГЛАВА 4. Общие теоретические основы сталеплавильного |
|
|
производства................................................................................................... |
|
85 |
4.1. Некоторые положения термодинамики |
|
|
и кинетики процессов сталеварения........................................................... |
|
85 |
4.2. Сталеплавильные шлаки...................................................................... |
|
89 |
4.3. Процессы окисления углерода в сталеплавильных агрегатах............ |
91 |
|
4.4. Процессы окисления и восстановления примесей............................. |
94 |
|
4.5. Сера и ее удаление из жидкой стали................................................... |
|
97 |
4.6. Раскисление сталей.............................................................................. |
|
99 |
4.6.1. Глубинное раскисление.............................................................. |
|
100 |
4.6.2. Диффузионное раскисление....................................................... |
|
101 |
4.6.3. Раскисление синтетическим шлаком......................................... |
|
103 |
4.6.4. Вакуумно-углеродное раскисление............................................ |
|
103 |
4.7. Легирование сталей............................................................................. |
|
104 |
4.8. Неметаллические включения в сталях............................................... |
|
106 |
4.9. Газы в сталях....................................................................................... |
|
109 |
4.9.1. Кислород в сталях........................................................................ |
|
109 |
4.9.2. Водород в сталях.......................................... |
'............................. |
110 |
4.9.3. Азот в сталях................................................................................ |
|
113 |
ГЛАВА 5. Классификация и маркировка сталей.................................... |
|
114 |
5.1. Классификация сталей....................................................................... |
|
114 |
5.2. Маркировка сталей в России............................................................. |
|
117 |
ГЛАВА 6. Конвертерное производство сталей......................................... |
|
121 |
6.1. Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем................... |
121 |
|
6.2. Кислородно-конвертерный процесс.................................................. |
|
123 |
6.3. Технология кислородно-конвертерной плавки................................. |
|
126 |
6.4. Устройство конвертерного цеха........................................................ |
|
129 |
6.5. Современные разновидности конвертерных процессов. |
|
|
Перспективы развития конвертерных процессов.................................... |
|
131 |
ГЛАВА 7. Мартеновское производство сталей |
134 |
7.1. Устроено и работа мартеновской печи.......................................... |
134 |
7.2. Разновидности и особенности технологии |
|
мартеновского процесса............................................................................ |
137 |
7.3. Технология выплавки сталей в мартеновских печах........................ |
138 |
ГЛАВА 8. Электрометаллургия сталей.................................................... |
142 |
8.1. Устройство дуговых электропечей |
142 |
8.1.1. Трехфазные дуговые электропечи............................................. |
143 |
8.1.2. Дуговые печи постоянного тока................................................ |
147 |
8.2. Электроды дуговых печей................................................................. |
148 |
8.3. Технологии выплавки сталей в дуговых электропечах.................... |
149 |
8.3.1. Технология выплавки сталей сложного состава |
|
в печах средней емкости....................................................................... |
150 |
8.3.2. Технология выплавки сталей в дуговых печах |
|
большой емкости.................................................................................. |
154 |
8.3.3. Технология выплавкисталей вмалыхдуговых электропечах.... |
155 |
8.4. Устройство индукционных электропечей......................................... |
155 |
8.5. Перспективы развития электрометаллургии сталей......................... |
160 |
ГЛАВА 9. Дуплекс-процессы...................................................................... |
161 |
9.1. Дуплекс-процесс «кислая мартеновская печь на основную |
|
мартеновскую печь».................................................................................. |
162 |
9.2. Дуплекс-процессы для переработки |
|
природно-легированных чугунов |
162 |
9.3. Дуплекс-процесс «кислородный конвертер |
|
на дуговую электропечь» |
163 |
ГЛАВА 10. Технологии получения сталей высокого |
|
и особо высокого качества.......................................................................... |
165 |
10.1. Ковшовая металлургия..................................................................... |
166 |
10.1.1. Методы перемешивания........................................................... |
166 |
10.1.2. Методы введения порошковых реагентов............................... |
167 |
10.1.3. Вакуумная обработка...................................................................... |
169 |
10.1.4. Методьгкомплексной обработки |
|
на установках «ковш-печь» |
174 |
10.2. Переплавные процессы..................................................................... |
176 |
10.2.1- Плавка в вакуумно-индукционных печах................................ |
176 |
10.2.2. Вакуумная дуговая плавка....................................................... |
177 |
10.2.3. Электронно-лучевая плавка..................................................... |
178 |
10.2*4. Электрошлаковый переплав..................................................... |
179 |
ГЛАВА 11. Разливка сталей........................................................................ |
180 |
11.1. Сталеразливочные ковши................................................................ |
180 |
11.2. Способы разливки сталей................................................................ |
182 |
11.3. Строение стальных слитков............................................................. |
184 |
11.4. Непрерывная разливка сталей.......................................................... |
186 |
Часть III. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА........................................................ |
195 |
ГЛАВА 12. Металлургические основы литейного производства........ |
195 |
12.1. Закономерности процесса кристаллизации металлов.................... |
195 |
12.1.1. Термодинамика процесса кристаллизации............................... |
196 |
12.1.2. Кинетика процесса кристаллизации......................................... |
197 |
12.1.3. Дендритная схема роста кристаллов........................................ |
199 |
12.2. Литейные свойства металлов и сплавов......................................... |
200 |
12.2.1. Жидкотекучесть........................................................................ |
200 |
12.2.2. Усадка........................................................................................ |
203 |
12.2.3. Ликвация.................................................................................... |
209 |
12.2.4. Горячеломкость........................................................................ |
214 |
ГЛАВА 13. Основы технологии литья в песчаные формы................... |
216 |
13.1. Формовочные материалы................................................................. |
216 |
13.2. Литейная оснастка............................................................................ |
221 |
13.3. Получение форм (формовка)........................................................... |
226 |
13.3.1. Ручная формовка...................................................................... |
227 |
13.3.2. Заливка форм и завершающие операции................................. |
236 |
13.3.3. Машинная формовка................................................................ |
238 |
13.3.4. Автоматическая формовка....................................................... |
239 |
ГЛАВА 14. Получение отливок специальными способами литья....... |
241 |
14.1. Литье в кокиль................................................................................. |
241 |
14.2. Центробежное литье........................................................................ |
242 |
14.3. Литье под давлением (жидкая штамповка).................................... |
244 |
14.4. Литье в оболочковые формы........................................................... |
245 |
14.5. Литье по выплавляемым моделям................................................... |
247 |
ГЛАВА 15. Литейные сплавы.................................................................... |
249 |
15.1. Производство отливок из чугуна..................................................... |
249 |
15.2. Производство стальных отливок..................................................... |
251 |
15.3. Производство отливок из цветных сплавов.................................... |
253 |
15.3.1. Производство отливок из медных сплавов.......................... |
253 |
15.3.2. Производство отливок из алюминиевых сплавов.................. |
254 |
15.3.3. Производство отливок из магниевых сплавов....................... |
255 |
Часть IV. ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ............................... |
259 |
ГЛАВА 16. Теоретические основы обработки металлов давлением.... |
260 |
16.1. Силы и напряжения......................................................................... |
260 |
16.2. Напряженное состояние.................................................................. |
262 |
16.3. Коэффициент мягкости напряженного состояния......................... |
264 |
16.4. Схемы напряженного состояния..................................................... |
265 |
16.5. Деформации. Деформированное состояние.................................... |
267 |
16.6. Пластичность металлов. Механические схемы |
|
деформации при обработке металлов давлением................................... |
270 |
ГЛАВА 17. Технология обработки металлов давлением...................... |
272 |
17.1. Технологические параметры обработки металлов давлением...... |
272 |
17.1.1. Температура деформации........................................................ |
272 |
17.1.2. Степень деформации................................................................ |
279 |
17.1.3. Скорость и дробность деформации.......................................... |
280 |
17.2. Виды обработки металлов давлением............................................ |
281 |
17.2.1. Прессование............................................................................. |
281 |
17.2.2. Волочение................................................................................. |
283 |
17.2.3. Прокатка................................................................................... |
288 |
17.2.4. Ковка и штамповка................................................................... |
293 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ |
.302 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное состояние нашей цивилизации однозначно свиде тельствует о том, что мы живем в период бурного развития теоретиче ского и практического материаловедения. В XX веке к традиционным материалам, уже давно используемым человечеством, прибавились керамика, пластмассы, силикаты, углерод, композиты, широчайшая гамма цветных металлов и сплавов, полупроводники, диэлектрики, сверхпроводники, опто-, пьезо-, нано- и многие другие материалы.
В то же время следует подчеркнуть, что главными конструкцион ными материалами XXI века останутся металлы и сплавы и, в первую очередь, сплавы на основе железа - стали и чугуны. На протяжении многих столетий чугун и сталь были и еще долго будут являться глав ными конструкционными материалами нашей цивилизации. Более то го, на рубеже нового тысячелетия стало совершенно очевидно, что металлургическая отрасль в целом и металлургия сталей в частности является стратегическим национальным ресурсом.
Вместе с тем в последние десятилетия наметились кардинальные изменения в стратегии производства сталей: мировой рынок требует увеличения выпуска высококачественных сталей с высоким уровнем эксплуатационных характеристик.
В связи с этим предмет данного учебного пособия является акту альным и востребованным в программах подготовки специалистов, будущая деятельность которых связана с производством и обработ кой металлов и сплавов на их основе.
Учебное пособие написано в соответствии с программой дисци плины «Основы производства и обработки металлов», которая пре подается студентам, обучающимся на курсе подготовки бакалавров по направлению 150100.62 «Металлургия».
Цель данного пособия состоит в том, чтобы познакомить читате ля с общими принципами получения железа, чугуна, сталей, наибо лее широко применяемых цветных металлов, некоторых ферроспла-
BOB, а также дать общие представления о производстве деталей и за готовок методами обработки давлением, литья, порошковой метал лургии и принципах термической обработки.
Более детальную информацию о технологиях и оборудовании, используемых для производства и обработки металлов, студенты мо гут получить в учебниках и монографиях, указанных в перечне реко
мендуемой литературы. |
|
Учебное пособие предназначено для |
студентов, обучающихся |
в бакалавриате по направлению 150100.62 |
«Металлургия», а также |
по смежным направлениям подготовки бакалавров. Кроме того, по собие может оказаться полезным при составлении общих разделов курсовых проектов и выпускных бакалаврских работ студентами других специальностей и направлений.
ВВЕДЕНИЕ
Среди известных в настоящее время химических элементов большая часть - металлы.
Металлы в твердом и, частично, в жидком состоянии обладают ярко выраженными металлическими свойствами: высокой электро- и теплопроводностью, хорошей отражательной способностью (харак терным металлическим блеском), повышенной способностью к пла стической деформации. Еще в XVIII веке М.В. Ломоносов, отмечая металлический блеск и высокую пластичность металлов, давал такое определение: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно».
Этот уникальный комплекс свойств металлов обусловлен нали чием в них особого, металлического типа межатомных связей. Ме таллическую связь, в самом простом приближении, можно предста вить себе как систему упорядоченно расположенных положительно заряженных ионов и множество свободных - «коллективизирован ных» электронов.
Все металлы и металлические сплавы являются кристаллически ми телами, т.е. характеризуются закономерным расположением ато мов (ионов) в пространстве, образующих пространственную кри сталлическую решетку.
Совокупность минимального числа атомов, характеризующую решетку в целом, называют элементарной кристаллической ячейкой.
Кристаллические решетки металлов и сплавов могут быть раз ных типов. Наиболее часто встречаются следующие типы решеток (рис. В.1): объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецен трированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП).
В элементарной кристаллической ячейке решетки ОЦК атомы расположены в вершинах и на пересечении пространственных диа гоналей куба (рис. В.1, а). Решетку ОЦК имеют Li, Na, К, V, Nb, W, Мо и другие металлы и сплавы.