- •Технологические процессы в машиностроении
- •Раздел 1. Производственный процесс изготовления машины.
- •Глава 1. Теоретические основы технологии
- •Глава 2. Конструкционные материалы, применяемые в машиностроении
- •Лекция 7. Неметаллические материалы. Композиционные материалы. Полимеры. Области применения различных материалов
- •Лекция 8. Основы термической обработки
- •Раздел 2. Структура и продукция металлургического и литейного производства
- •Глава 3. Металлургия металлов
- •Лекция 9. Производство чугуна. Производство стали
- •Лекция 10. Особенности производства цветных металлов
- •Глава 4. Технологические процессы литья Лекция 11. Основы литейного производства. Классификация литых заготовок. Способы литья
- •Раздел 3. Технологические процессы обработки пластическим де- формированием
- •Глава 5. Основы теории обработки металлов давлением (омд)
- •Лекция 12. Сущность и основные способы обработки металлов давлением
- •Лекция 13. Нагрев металла и нагревательные устройства
- •Лекция 14. Технологические операции обработки металлов давлением
- •Раздел 4. Сварка, пайка, склеивание материалов
- •Глава 6. Сварочное производство
- •Глава 7. Пайка материалов
- •Глава 8. Клеевые соединения
- •Раздел 5. Технологические процессы обработки резанием
- •Глава 9. Основы технологии формообразования поверхностей деталей
- •Часть 8 направляет развертку в отверстии и обеспечивает необходимую точ-
- •Глава 10. Отделочная обработка поверхностей
- •Раздел 6. Производство деталей из неметаллических материалов и металли-
- •Глава 11. Способы изготовления композиционных материалов
- •Раздел 7. Технологические процессы сборки
- •Глава 12.Особенности технологического процесса сборки
Раздел 2. Структура и продукция металлургического и литейного производства
Глава 3. Металлургия металлов
Лекция 9. Производство чугуна. Производство стали
Структура и продукция металлургического производства. Металлы и
сплавы на их основе являются основными конструкционными материалами,
основой современного машино- и приборостроения. Объем производства чер-
ных и цветных металлов и сплавов всегда является важнейшим показателем
уровня развития экономики, мощи и обороноспособности государства.
Металлургия – наука об извлечении металлов из природных соединений
(руд) и дальнейшей их переработки с целью придания металлу определенных
свойств.
Различают черную металлургию, занимающуюся производством железа и
его сплавов, и цветную – производство всех остальных металлов и их сплавов.
Металлургическое производство – сложная система производств, базирую-
щихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах.
Структура металлургического производства включает: шахты и карьеры
по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты (ГОК), где
обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осу-
ществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных хи-
мических продуктов; энергетические цеха для получения сжатого воздуха и ки-
слорода, очистки металлургических газов; доменные цеха для выплавки чугуна
и ферросплавов; сталеплавильные цеха (мартеновские, конвертерные, электро-
плавильные) для производства стали; прокатные цеха для переработки выплав-
ленного металла в сортовой, трубный, листовой и специальный прокат.
Основная продукция черной металлургии: предельный (белый) чугун для
переработки на сталь; литейный (серый) чугун для получения фасонных отли-
вок на машиностроительных заводах; ферросплавы (ферромарганец, ферроси-
лиций, феррованадий и другие) для выплавки легированных сталей; стальные
слитки для производства проката; кузнечные слитки для изготовления крупных
кованых валов, роторов турбин, дисков и т. п.
Продукция цветной металлургии: слитки (чушки) цветных металлов для
прокатки различных профилей; лигатуры – сплавы из цветных металлов для
получения легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для
приборостроения, электронной техники и других отраслей.
Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы,
топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой на данном
уровне целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в на-
стоящее время целесообразно извлекать металлы, если их содержание в руде
составляет: железа не менее 30 – 60%, меди 1– 6%, молибдена 0,005– 0,02%.
Бедные руды обогащают на ГОКах, то есть удаляют из руды часть пустой
породы и получают концентрат с повышенным содержанием металла.
Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образова-
ния легкоплавкого соединения (сплавления) пустой породы, золы из топлива и
других веществ, которые нужно удалить из конечного продукта. Такое соеди-
нение называется шлаком. Обычно шлак легче металла, располагается в печи
сверху (всплывает) и может быть удален (слит) в процессе плавки. Шлак защи-
щает расплавленный металл от контакта с воздухом и печными газами. Шлак
бывает кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2; P2O5)
и основным, если преобладают основные оксиды (CaO; MgO; FeO).
Топливом в металлургических печах служат кокс, природный газ, мазут,
печные газы. Кокс получают на коксохимических заводах путем сухой пере-
гонки при температуре 1000°С (без доступа воздуха) каменного угля специаль-
ных коксующихся сортов.
Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футе-
ровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. По хи-
мическим свойствам огнеупоры разделяют на кислые, основные и нейтральные.
Кислые огнеупоры содержат большое количество кремнезема SiO2 (динасовые,
кварцеглинистые, кварцевый песок). Основные огнеупоры содержат основные
оксиды CaO, MgO (магнезитовый, магнезитохромитовый кирпич). Нейтральные
огнеупоры состоят из оксидов А12О3; Сr2О3 (шамотный кирпич, высокоглино-
земный, углеродистые блоки из графита).
При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и
шлаками, поэтому в основной печи нельзя применять кислые флюсы и наобо-
рот, в печи с кислой футеровкой – основные флюсы, так как это приведет к раз-
рушению футеровки печи. Для выплавки чугуна в доменных печах используют
железные руды, топлива и флюсы.
Железные руды содержат железо в различных соединениях (чаще всего
оксидах и карбонатах): магнитный железняк Fe3O4 (50–70% Fe); красный же-
лезняк Fe2O3 (50– 60% Fe); бурый железняк, содержащий гидраты оксидов же-
леза Fe2O3·H2O (30–50% Fe); шпатовый железняк FeCO3 (30–50% Fe).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получить не-
обходимую температуру и создать условия для восстановления железа из руды.
В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевид-
ным топливом.
Флюсом при доменной плавке служит известняк CaCO3. Это необходимо
для удаления серы и фосфора из металла, в который они переходят из кокса и
руды.
Сущность выплавки чугуна в доменных печах заключается в восста-
новлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водоро-
дом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.
Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный внутри шамотным
кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, за-
плечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппа-
рат, через который в печь загружают шихту.
При работе печи шихта, проплавляясь, опускается вниз. В верхней части
горна находятся фурмы, через которые в печь поступает горячий воздух (ду-
тье), необходимый для горения топлива.
Воздух нагревается (для уменьшения потерь тепла и снижения расхода
кокса) в воздухонагревателях за счет тепла отходящих из домны горячих газов.
Воздухонагревателей три: один подает горячий воздух в домну, второй в это
время сам нагревается, третий находится в резерве (или на ремонте). Периоди-
чески воздухонагреватели переключаются.
Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает.
В результате выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО,
СО2, N2, H2, СH4 и другие газы.
Горячие газы, поднимаясь навстречу опускающейся шихте, нагревают ее,
охлаждаясь у колошника до температуры 300–400°С (в районе фурм темпера-
тура достигает 2000°С). При нагреве шихты до температуры 570°С начинается
восстановление оксидов железа. По признаку убывания кислорода оксиды же-
леза можно расположить в следующий ряд: Fe2O3; Fe3O4; FeO; Fe.
Восстановление оксидов до чистого железа идет по следующим реакци-
ям: 3Fe2O3 + СО; 2Fe3O4 + СО2; Fe3O4+ СО ; 3FeO + СО2; FeO + СО; Fe + СО2.
Аналогично восстанавливаются марганец, кремний, фосфор, сера, содер-
жащиеся в руде, топливе, флюсах, огнеупорах. Часть серы благодаря основно-
му флюсу переводится в шлак .На уровне распара и заплечиков железо (точнее
сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором, серой) расплавля-
ется и каплями, протекая по кускам кокса и насыщаясь углеродом, стекает на
лещадь печи. Шлак, имея меньшую плотность, располагается сверху металла
(всплывает). Чугун выпускают через чугунную летку каждые 3–4 часа, а шлак
через шлаковую летку (она расположена выше чугунной) каждые 1–1,5 часа.
Основной продукцией доменной плавки является чугун (предельный или
литейный) разного химического состава (например, 4–4,5% С; 0,8–1,2% Si;
0,15–0,3% Р; 0,03–0,07% S), а также ферросплавы (ферросилиций, ферромарга-
нец, феррохром, феррованадий и др.).
Побочные продукты доменного процесса – шлак (дорожное строительст-
во, шлаковата, цемент, шлакоблочные изделия и пр.) и доменный газ (топливо
для воздухонагревателей, для отопления и т. п.).
Доменная печь – агрегат непрерывного действия. Она с момента ввода в
эксплуатацию (задувки) работает непрерывно от 5–7 до 12–15 лет.
В технической литературе описан случай, когда домна проработала непрерывно
38 лет. При остановке печи на ремонт прекращают засыпку материалов. Ос-
тавшаяся шихта опускается вниз, верхняя часть печи, освобождаясь, сильно на-
гревается горячими газами. Для предохранения засыпных устройств от разру-
шения их необходимо интенсивно охлаждать.
Производство стали. Сущность передела чугуна в сталь заключается в
снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисле-
ния и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
Основными исходными материалами для производства стали служат пе-
редельный (белый) чугун и стальной лом (скрап). Сталь отличается от чугуна
значительно более низким содержанием углерода и примесей .
Нагрев в процессе выплавки стали осуществляется двумя способами:
а) внешним теплом, вводимым в плавильное пространство печи (марте-
новская, электропечь). Так можно перерабатывать жидкий и твердый чугун, а
также скрап в любом количестве;
б) химическим теплом, получаемым от реакции окисления примесей в чу-
гуне (конвертеры). В этом случае чугун должен быть жидким, а количество
скрапа ограничено (не более 30% от массы загрузки агрегата).
Окислителем служат технически чистый кислород, продуваемый через
жидкую массу чугуна, а также железная руда.
Процесс может быть основным (достаточно полно удаляются сера и фос-
фор, но трудно раскислить сталь непосредственно в печи) или кислым (сталь
очень полно раскисляется, но сера и фосфор не удаляются). При использовании
основного процесса раскисление возможно только в ковше.
При окислении примесей кислородом выделяются большое количество
тепла, поэтому при продувке жидкого чугуна не только не нужно применять
внешние источники нагрева, а наоборот, приходится охлаждать агрегаты по из-
бежание перегрева.
Основные реакции окисления примесей:
2Fe + O2 = 2FeO + 264кДж;
2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + 330 кДж;
5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 226 кДж;
FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж;
FeO + С = CO + Fe - 154 кДж.
Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут перехо-
дить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно добиться того,
что нежелательные примеси (например, вредные сера и фосфор) будут удалять-
ся из металла в шлак. Например, сера, входящая в сталь в виде сульфида FeS,
растворяется в основном шлаке: FeS + СаО = CaS + FeO.
Таким образом, регулирование состава шлака с помощью флюсов являет-
ся одним из основных путей управления металлургическим процессом.
Завершающим этапом выплавки стали является ее раскисление (восстановление
железа из оксида FeO). Раскисление осуществляют введением в жидкую сталь
раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия) непосредственно в
сталеплавильном агрегате (при использовании кислого процесса) и (или) в ков-
ше при разливке (в любом процессе). Сталь выпускают спокойной или кипя-
щей, иногда – полуспокойной. Готовую сталь разливают в изложницы.
В настоящее время сталь выплавляется в мартеновских печах, конвертерах и
электропечах.
Мартеновская печь – пламенная отражательная регенеративная печь.
Она имеет плавильное пространство, ограниченное сверху сводом, снизу по-
дом, с боков – стенками, имеющими загрузочные окна. Футеровка печи может
быть кислой или основной. В нашей стране работают мартеновские печи вме-
стимостью 200–900 тонн жидкой стали.
Отапливается печь газом (реже мазутом). Смесь газа и воздуха подогре-
вается в регенераторах (их два – один нагревает смесь газа и воздуха, а второй –
нагревается сам отходящими газами) и поджигается, образуя факел. Факел име-
ет температуру 1700–1800°С и нагревает футеровку печи и шихту, а также спо-
собствует окислению примесей шихты при плавке.
В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают:
1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа)
и твердого чушкового чугуна. Такой процесс применяют на заводах, где нет
доменного производства (нет жидкого чугуна), но много металлолома (то есть
на машиностроительных заводах);
2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна
(до 75%), скрапа и железной руды (для окисления примесей). Преимуществен-
но он применяется на металлургических заводах.
Наибольшее количество стали производят в мартеновских печах с основ-
ной футеровкой скрап-рудным процессом.
Кислородный конвертер – это сосуд грушевидной формы из стального
листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130–350
тонн жидкого чугуна. Конвертер в процессе работы может поворачиваться на
цапфах вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, слива
стали и шлака. Шихта состоит из жидкого предельного чугуна, стального лома
(не более 30%), извести для наведения шлака, железной руды для окисления,
боксита (А12О3) и плавикового шпата (СаF2) для разжижения шлака.
Сначала конвертер наклоняют для завалки шихты, затем поворачивают в
вертикальное положение и через охлаждаемую водой фурму подают сверху ки-
слородное дутье. Струя кислорода (под давлением 1–1,5 МПа) вызывает пере-
мешивание шихты и ее интенсивное окисление.
Когда содержание углерода и примесей достигает заданного значения, по-
дачу кислорода прекращают, конвертер наклоняют и выпускают сталь в разли-
вочный ковш, где ее раскисляют. После этого сливают шлак.
Конвертирование стали самый производительный способ (плавка длится
25–50 мин), однако трудно получить сталь строго заданного состава.
Электросталь – самая лучшая по качеству, так как в электропечах можно
получить высокую температуру металла, создать окислительную, восстанови-
тельную, нейтральную атмосферу, вакуум, хорошо раскислить сталь. Поэтому
электропечи используют для получения высококачественных легированных,
инструментальных, специальных сталей и других сплавов. Из-за значительного
расхода электроэнергии сталь получается более дорогой, чем при использова-
нии других способов.
Плавильные печи бывают дуговыми и индукционными. Дуговая электро-
печь питается трехфазным током и имеет три электрода из графитизированной
массы. Между электродами и металлической шихтой возникает электрическая
дуга, теплота которой передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напря-
жение 150–600 В, сила тока 1000–10 000 А. Футеровка печи – основная или
кислая (реже).
В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:
а) без окисления примесей. По сути дела это переплав легированных от-
ходов машиностроительных заводов. В ходе плавки удаляют вредные примеси,
доводят металл до требуемого химического состава; раскисляют;
б) плавка на углеродистой шихте с окислением примесей. В печь загру-
жают шихту: стальной лом, чушковый чугун, известь. Электроды опускают и
включают ток; шихта плавится. Кислородом воздуха, оксидами шихты и ока-
лины окисляются железо и примеси.
Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной шлак, спо-
собствующий удалению фосфора и серы. После доведения металла до нужного
состава сливают шлак и подают раскислители и ферросплавы (для получения
легированной стали).