Аносов Ю.М. и др. Основы отраслевых технологий и организации производства

Подождите немного. Документ загружается.

65. Какие виды предварительной термообработки сталей Вы знаете?

66. Какие виды окончательной термической обработки стй применяют в ма

шиностроения?

67. Каковы основные виды деформационно-термической обрботки?

68. Приведите основжwе способы поверхностного упрочнения металличес

ких материалов.

69. Каковы новные потребительские свойства промытленных матеиа

лов?

70. Какие применяют методы оценки потребительских свойств промыт

ленных материалов?

РА З

ДЕЛ

ЕХН

ГИЧЕ

КИЕ

ОЦ

СС

МЫШЛЕ

ННОС

ТИ

В разделе изложены основы технологий металлургическог

машиностроительного и химического производств - базовых от

раслей промышленности. Кратко описаны основы технологии по

лучения черных и цветных металлов, методы и способы изготовле

ния заготовок, деталей, конструкций, узлов, блоков и машин в це

лом, закономерности и способы производства основных видов про

дукции химических производств.

Металлургия, машиностроение и химическая промышленность

являются наиболее значимыми базовыми отраслями промышлен

ности, определяющими технический прогресс общества и его реаль

ную экономику.

ГЛАВА 4

ОСНОВЫ

ТЕХНОЛОГИИ

МЕТАЛЛУ

РГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛ

РГИЧЕСКОГО ПРОИ3ВОДСТВА

Основное назначение металлургии - производство металлов,

материал

ов, наиболее распространенн

х для изго·овления промыт

ленных

изделий. Металлы получают в основном восстановлением

ИЗ

руд.

Многие

материалы получают путем осуществления химичес

ких реакций в специальных агрегатах при высоких температурах.

В частности, подавляющее большинство черных и цветных метал

лов выплавляют из руд. Выплавка металлов производится в не

сколько стадий. Черные металлы первоначально выплавляют

в домнах, где получают чугун. Как побочные прод

укты

в доменной

печи (домне) образуются шлак и доменный газ. При дальнейшем

переделе из чугуна удаляют избыток углерода и он превраща

ется в сталь. Стали выплавляют в мартенах, конверторах, электро

дуговых и индукционных печах. Для получения цветных метал

лов также используется многостадийная переработка, основными

этапами которой являются обогащение руд, получение промежу

точных продуктов и выплавка или электролиз с последующим

рафинированием чистых металлов. На последних этапах выплав

ки металлов корректируют их химичесi<ий состав по легирующим

добавкам и примесям.

Побочные прод

кты, возникающие при производстве цветных

металлов, содержат большое количество ценных компонентов и

используются, в том чиеле, для извлечения из них золота, серебра,

редкоземельных элементов.

Для получения металла используются методы прямого восста

новления металлов из руд. Эти методы при производстве железа

и стали дают возможность исключить доменный процесс. Техно

логия прямого восстановления железа состоит из след

ющих эта

пов: измельчение р

ды - восстановление железа из руды водоро

дом или углеродом (мелким углем или коксом) при

температуре 500-1300 °С. Железо не переводится в жидкое со

стояние, а получается в виде губчатой массы или крицы

(сварившиеся куски железа размером 5-30 мм). Этот прод

укт

идет

в дальнейшую переработку в виде лома для сталеплавиль

ных процессон или на измельчение до порошка в порошковой

металлургии.

Наиболее чистые металлы, а также материалы со строго регла

ментированным составом получают методами их осаждения из

газовых, паровых, жидких сред, а также путем электролиза, зонной

плавки или спеканием при высокой температуре в защитной ат

мосфере или в вакууме. Осаждение из различны

х сред производит

ся за счет разложения неустойчивых соединений с выделением

получаемого элемента в атомарном состоянии и последующей его

конденсацией на подложку. При спекании первоначально из

мельченный материал окусковывается или сваривается в монолит

В порошковой металлургии предварительно отпрессованные бри

кеты спекаются в защитной атмосфере для предотвращения оi<ис

ления. В процессе зонной плавки производится очистка исходного

материала от ненужных примесей п

тем многократного прогон

(перемещения) зон

ы расплавленного металла по длине первона

чального полуфабриката.

Металлургические процессы по типу производимых материалов

делятся на производство черных и цветных металлов. К черным

еталлам относят сплавы на основе железа.

По виду технологии эти процессы разделяют на методы:

пираметаллургический (обжиг, прокаливание,

выплавка и

испарение металлов, восстановление веществ в твердом состоянии,

электролиз расплавов);

- гидрометаллургический (растворение, выщелачивание, кон

центрирование, разделение, электролиз водных растворов);

- порошковой металлургии (получение порошка, формование

изделий, спекание);

- электрометаллургический (электролиз, выплавка в электри

ческих печах и пр.).

Пир

металлургические методы используются для получения

и рафинирования металлов (Ме) при повышенных температу

рах в расплавленном, твердом или газообразном состоянии.

К НОВНМ nиметаллургическим процесс-ам Оосятся

плаение, г. испарение, дистилляция, воссковление в:е

дом сои, ектролиз расплавов.

Плавление мет пизводиться методом окислит.ельной (Ме1 +

+ MezO �Ме10 + Mez)

;

восстановительной

(МеО

+ € �· + €0).;

или альной (Me1S + Mez � Ме

+ MezS) плавкw.

Обжиг ож быть окислительным, восстанови�ельным, суфа

тизи

ующим, хлорирующим или приводящим•к термическому

раз

ложению.

имеры обжига:

окислительный 2MeS + 30z � 2Ме0 + 2SOz

;

восстановительный Ме

+ СО � 2Ме0 + COz;

сульфатизирующий МеО + S0

� MeS04;

хлорирующий

MeS + 20

+ 2NaCI � MeClz. + Na2S04 ;

термическое разложение МеСО

� МеО+ СО2.

Примерам восстановления в твердом Стоянии мот служить

реакции:

МеО + С � Ме + СО; МеО + СО � Ме + СО

•

Гидрометаллургические етоды осповалы на использовании

преимущественно водных растворителей с целью отделения пустой

породы или перевода металлов в раствор.

гидрометаллургии используются следующие основные прие

мы:

выщелачивание, концентрирование, еление, осаждение. При

выщелачивании производится раствоние металлических компо

нентов; при

концентрировании

- уменьшение количества раство

рителя за счет возгонки или испарения; nри разделении - удале

ние нерастворимых компонентов оаиванием (осветлением), филь

трацией, центрифугированием, экстрацией; при осаждении - полу

чение металлов электролизом, осаждением, кристаллизацией, выпа

риванием и испарением раство

ител

я.

Технологические процессы порошковой еталлургии состоят

из операций получения пороов (механическое измельчение, рас



пыление, разбрызгивание, химическое осаждение, восстановление,

карбонильный метод), формования заготовок (холодное, горячее,

гидравлическое непрерывное прессование, плавка порошков в обой

мах, прокатка, шликеркое литье) и спекания (с жидкой фазой или

без нее). После указанных операций спеченное изделие подвергает

окончательной обработке - резанию, калибровке, прокатке, на

несению защитных покрытий и пр.

4.2. ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

В природе металлы существуют в составе руд, представляющих

собой химические соединения (например, бурый железняк Fe

магнитный железняк

04, шпатовый железняк FеСОз и др.

корые

при начревании разлагаются с образованием

и

ов.

ваемая руда,содержит пустую породу

Для удаления 'ее .др

об

ла

�р�далодвергается

обогащению путем промьmки, г м

ОЙ

сепарациц, флотации

и гравитации. При

t вод

увосит рыхлую. легкую пустую породу. При гр авитации струя вод

проскается через вибрирующее сито, на котором леж

руд

а;

и :втом .легкая .пустая порода вытесняется в верхний

отся водой. и гравитации в тяжелых средах

ру

ду погру

  жидкость, .плотность которой больше, чем у

пус

то по

; тюследнля всплывает и удаляется. Обжиг слабомагнную

и-съ FеОз яревращает в магнитную Fe

после чего произ

во

Д-m·н:·сепарация, т. е. отделение Fe

от немагн

тн

ой

Й �д. oce обогащения получают концентрат

, мелкие

акци

KO одвергают

окускованию до необходимых

раз

ев nм .oмepaции или окатывания.



оерация чается в спекании руды, известняка,

мелкого

конце

ата, коксовой мелочи,

лаги, причем в процессе

пека

ия

при

пной ера удяются вредные при;

пол





кусковой nористый люсованй материал - ломерат.

Ока

тывание проиодится  тарельчатых чашах-гра

нулято

рах

и применяея дл тонко

из•ельченных концтратов

в смеси

с флюсом

и топливом. Здесь шихта приобрета форму

шариков

диаметром

около 30 мм. После ки и обжига окатыши

приоб

ретают высокую прочнть при датоной порисrоа

и.

При

производстве металлов широко применяютс

различны

вид

ы топлива: уголь, кокс, горючие газ ы, мазут и . Кокс

получа

ется

нагревом каменного

оксующея

угля без до

сту

воздуха.

Кокс

обладает большей

прочностью ( позволяет строит

ь выс



кие

домны, имеющие большую эффект

вность) и содерж

меньше

(по сравнению с углем) вредных прим�ей.

Флюсы

применяются при производве чугуна, стали и

мате

риалов

для связывания пустой породы и вредных примес

в со



ед инения, удаляемые со шлаком. Основны

флюс состоит и

з и

вест



няка CaCOg; кислы

- из SI0

(песок).

Рабочее пространство плавильных печей выкладываетс

ог

не

упорными материалами, которые подразделяются на

кислые

(д



нас

овый кирпич, состоящий в основном из Si

02),

основные:

маг

е

зитовые

(основа MgO) и доломитовые (основа Са

О)

кирпич

и и по

рошок,

глиноземистые (нейтральный шамотный кирпич

из Si02 и

Аl

Оз), углеродистые кирпичи.

Пе

рвым переделом при производстве железных сплавов

является

доменная

плавка. Домна (рис. 4.1J - шахтная печь

высотой

до

0 м, полезным объемом до 5000 м ,

вн

утри железного

кожуха

ко



торой

выполнена огнеупорная кладка. Домна работает

без

переры

на

в течение кампании (5-10 лет) до остановки на ремонт

. Неск

ль



о выше дна домны - лешади 6 имеются форсунки

(фурмы)

через

которые внут

ь подается дутье: подогретый воздух, часто

обога

щенный кислородом и содержащий иногда газообразное, жид

кое или пылевидное топливо, что позволяет уменьшить расход де

фицитного кокса. Кокс, флюс, руда загружаются сверху, через за

сыпной аппарат 3 порциями (колошами). Таким образом, горячие

газы подымаются вверх и уходят в газаотвод 2, а шихта (руда, кокс,

флюс) по мере плавления опускается вниз (принцип противотока).

Жидкий чугун собирается внизу, шлак выше. По мере надобности

чугун выпускается через летку 1, шлак - через летку 5.

Отметим основные процессы, происходящие в домне.

Горение топлива С+ 0

�СО.

2. Восстановление железа: FeO + СО( или С) � Fe + СО

Шлакованне вредной примеси серы: S + СаО � CaS + 80

•

Рис. 4.1. Доменная печь:

Все три реакции носят, есте-

ственно, положительный характер,

они желательны. Однако из-за

наличия

большого количества уг

лерода (кокс) и высокой темпера

туры происходит нежелательное

насыщение железа углеродом Fe+

+С� FезС, вследствие чего в дом

не получается не железо или сталь,

а чугун.

Продукты доменного передела ·

1. Передельный чугун, выпус

кают в утепленных сосудах (тер

мосы) (по железнодорожной вет

ке) и перемещают в сталепла

вильные цехи, где чугун залива

ют в печи для выплавки стали.

2. Чушковый чугун заливают

в металлические формы; в даль

нейшем служит материалом для

получения фасонных отливок на

машиностроительных заводах.

3. Колошниковый газ исполь

зуют в качестве топлива, напри

мер в кауперах, стоящих рядом

с домной и служащих для нагре

ва доменного дутья.

4. Доменный шлак применя

ют например, для получения шла

коблоков, цемента, шлаковаты.

1 - летка; 2 - газоотвод; 3 - засыпной

аппарат;

4-фурмы; 5-лa (фоунка);

6-лешадь

5. Ферросплавы ( ферросилиций

и ферромарганец) - для раскис

ления стали (см. ниже).

Домна

в год может производить до 4 млн т чугуна, удельный

расход кокса - около 0,4 т на 1 тонну чугуна. Коэффициент

использования полезного объема печи (КИПО), равный отношению

полезного объема домны к среднесуточной производительности, обыч

но имеет значение, равное 0,56.

В связи с дефицитностью кокса, повышением капиталаемкости

доменных печей, трудностями получения качественной стали из чу

гуна, необходимостью уменьшения количества вредных выбросов

в атмосферу имеется потребность в замене доменного производства

бескоксовой металлургией, по которой работает, например, Оскальс



кий

электрометаллургический комбинат. Восстановление железа из

окислов руды производится в шахтных печах восстановительным

газом, получаемым обработкой природного газа паром и содержа

щим СО и Н

• Продукцией являются металлизированные материа

лы,

подразделяемые на шихту для доменного (70-85 % Fe), или

сталеплавильного (90-98 % Fe) производства, а также продукт для

производства железного порошка (99% Fe).

СТАЛЕПЛАВИЛЬН

Е ПРОИ3ВОДСТВО

Сравнение

составов чугуна и стали показывает, что задачей ста

леплавильного процесса является уменьшение в сплаве содержа

ния углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и других элементов

(табл. 4.1).

Содержание примесей уменьшается за счет их окисления и пе

ревода

в шлак. Сталеплавильные печи делятся на основные (обли

цованные основными огнеупорами - магнезитом и доломитом) и

кислые (облицованные кислыми огнеупорами - динасом). Основ

ные печи позволяют навести высокоизвестковый шлак, способству

ющий удалению из стали вредных примесей - серы и фосфора в ви

де

соединений CaS и (Р

)

Са0. В кислой печи этого сделать

нельзя, так как при появлении СаО начнется реакция, разрушаю

щая

кислую кладку СаО + Si0

� CaSI03• Однако при окислении

примесей по закону действующих масс окисляется и железо. На

личие в стали FeO ухудшает ее свойства. Сталь становится кр асно

ломкой, т. е. обладает пониженной вязкостью при температуре

красного каления, что ведет к образованию трещин при прокатке и

ко

вке. Поэтому после окисления примесей производят раскисле

ние стали введением ферросилиция, ферромарганца, алюминия Mn,

8i, Al + FeO � Fe + (Mn, Si, Al)O.

Таблица 4.1

кие со

ставы передел

о чу

гуна

и среднеу

лерод

ист

ст

али

Став в%

атериал

с Si Mn s

гун пере

ельный

4,4

0,8

1 0,07

0,3

Ст

ь

0,45

0,17-0,3

0,5-0,8

0,04

о О, 035

Кисл

ые сталепла

вильные печи

позволяют лучше

(чем основ

ные)

раскислить

сталь

путем добавки

кислого флюса

Si0

. Окись

желез

а уходит

в шл

ак в виде соединения

FeO · Si0

•

Для произв

одства

стали

применяются

кислородные

конвертеры

мартеновск

ие

печи и электропечи.

Кислород

пый копвертер (рис.

4.2) - грушевидный сосуд вы

ложенный

огнеупорным кирпичом. Он состоит из конической гор

ловины

3 с леткой 1 для слива готовой стали, цилиндрической

части 4

и сферического днища 6 и может наклоняться, поворачи

ваясь

вокруг оси 5. Вместимость конвертера от 50 до 500 т. После

загрузки металлолома и заливки жидкого чугуна (70-85 % от об

ф8б00

Рис. 4.2. Кислородный 500-тонный конвертер:

1 -лка для

лива 

ово

тали; 2 -

вод

хлаж

ае

мая ф

ма; 3 - г

орло

вина;

-цилиндрич

ес

кая

час

ть; 5 -

ос

ь; 6 -

дни

щей массы загрузки) конвер

тер поворачивается в верти

кальное положение и по

верхность чугуна продувает

ся кислородом, подводимым

через водаохлаждаемую фур



Температура завалки

за счет выгорания примесей

повышается, что способству

ет ускорению процесса. Пос

ле получения пробы удовлет

ворительного состава произ



водится выпуск стали с од

новременным ее раскисле

нием; затем сливают шлак.

Производительность конвер

тера емкостью 300 т дости

гает 500 тjч - э·rо самый вы

сокопроизводительный метод

выплавки стали. Однако не

возможность работы кон

вертера на металлоломе без

жидкого чугуна - недоста

ток этого метода.

М а ртеиов

кая

пеь

(рис.

4.3) имеет плавильное

пространство 4, ограничен

ное снизу подом 7 (на ко·rо



ром находится ванна вы

плавляемого металла), свер

ху

- сводом 3. По сторо

нам плавильного простран

ства находятся головки 1 и

5 с каналами 2 для подвода

природного газа и воздуха.

Завалка шихты (жидкий чу

гун, лом, руда, флюс) произ-

Рис.

.3. Мартеновская п

ечь:

1, 5-голоки;

2-каналы; 3-свод; 4-плавильное

простран

ство; 6-

регенераторы; 7

под; 8-окно; 9 - регенераторы

водится через окна

8 в передней стенке печи. Природн

й газ и воз

дух

проходят через

регенераторы 6 нагреваются и

сме

иваются

плавильном пространстве,

газ сгорает, плавит

шихту,

а про

укты

горения

через каналы 2 головки

1 поступают в

реге

нераторы

нагревают их, после

чего уходят в трубу.

После

охлаждения

регенераторы

6 меняются ролями с регенераторам

Мартены

могут

работать как с жидким чугуном, так и с метал

лоломом, од



нако

значительно уступают

конвертерам по произв

одительности

(около

80 т/ч), капитальным затратам

и трудоемкост

и.

Оптимальны

мартеновские печи емкостью 500-600

т. Средний

съем

стали с 1 м

площади пода марте

нов составляет около 10 т;м

сутки, расход

условного топлива 80-120 кг на 1 т стали.

Дуговые

сталеплавильпые с поворотным

сводом печи

(рис. 4.4) ДСП-50,

... , ДСП-400

(цифры указывают

на номиналь



ную емкость в тонна

х) плавят металл за счет

теплоты

трех элек

трических

дуг 2, горящих между

графитовыми

элект

родами 1 и

расплавленным

металлом 3. Длина дуг

поддержива

ется в задан

ных

пределах системой

автоматического

регулирова

ния. Свод при

поднятых

электродах,

поворачиваясь относительно

вертикальной

оси,

открывает печь

сверху для

загрузки шихты.

Для выпуска

металла по желобу

7 и удаления шлака ванна

печи

может пово

рачиваться

на роликах приводом. Рабочее окно с кры

шкой

8 слу



жит

для удаления

шлака

, наблюдения за

ходом

плавки, проведе

ния необходимых

операций в ходе плавки (взят

ие

проб, введе



ние

легирующи

х присадок и

др.) и заправки стен

и порогов.

Рис.

Схема

лектро

уг

овой п

ечи:

1 - электроды; 2 - электрическая дуга; 3 - ванн

а расnлавлен

ного металла; 4 - свод печи; 5 - под печи, вращающийся

относительно основания 6; 7-желоб (летка) для слива метал-

ла

; 8-крышка, закрывающая загрузочное окно

Огнеупорная кладка печи заключена в кожух из стального листа.

Дуговые печи позволяют создавать в области дуг высокие темпера

туры, необходимые для восстановления окислов, расплавления ту

гоплавких металлов и отделения металлов от тугоплавких шла

ков. В дуговых печах можно создать нейтральную или восста

новительную атмосферу и хорошо раскислить сталь из-за отсут

ствия окислительного пламени. Эти печи позволяют создать

Рис.

Схема индукционной печи:

1 - съемная крышка; 2 - индуктор; 3 - защит

ный кожух: 4 - скрап; 5 - огнеуnорный тигель

100

высокоизвестковые шлаки

для более полного удаления

серы и фосфора. Возмож

ность легкого управления

плавкой позволяет более

точно выдержать состав ста

ли. Дуговые печи применя

ют для выплавки высокока

чественных сталей. Их не

достатками являются не

значительное задымление

и шум, большой угар и боль

шая неравномерность тем

пературы металла. Расход

электро-энергии для ДСП-50

составляет 440 кВт·ч/т,

продолжительность плавки

2,8-5, 7 ч.

В ипдукциопп

й печи

(рис. 4.5) рабочее тепло со

здается внутри металличес



кой шихты вихревыми тока



ми, инруемыми перемен

ным электрическим полем

промышленной (50 Гц) или

высокой (6 000-10 000 Гц)