Металлургия

13/12/2013 11:25am

Автор: редакционная статья

Категории: теория металлургических процессов

Общие сведения. Черные и цветные металлы. Основные металлургические процессы.

Металлургия

Metal

Общие сведения о металлах и сплавах

               Металлы - кристаллические вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим. Свойства металлов обусловлены наличием в их кристаллической решетке большого числа перемещающихся электронов. Металлы составляют около 75 % элементов периодической системы Д. И. Менделеева.
Обычно металлы используют не в чистом виде, а в виде сплавов.
               Металлические сплавы - это вещества, образовавшиеся в результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов. К компонентам, образующим сплав, относятся химически индивидуальные вещества или их устойчивые соединения. Металлические сплавы состоят либо только из металлов (например, сплав меди и цинка - латунь), либо из металлов с небольшим содержанием неметаллов (сплавы железа с углеродом - чугун и сталь). Изменяя компоненты и соотношения между ними, получают сплавы с самыми разнообразными физическими, механическими или химическими свойствами. После затвердевания в составе сплавов могут образоваться твердые растворы, химические соединения или механические смеси.
               Твердые растворы возникают в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла (растворителя) атомов другого металла или неметалла (растворимого компонента). По типу расположения атомов растворимого компонента в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения и внедрения.
               Твердый раствор замещения возникает в результате замены части атомов в кристаллической решетке основного металла атомами растворяемого компонента. Примерами твердых растворов замещения служат сплавы меди с никелем, железа с никелем, хромом, кремнием, марганцем.

Metal

            В твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента размещаются в свободных промежутках между атомами основного металла. Обычно твердый раствор внедрения возникает в системе, состоящей из металла и неметалла, например в сплаве железа с углеродом. При образовании твердых растворов металлов повышаются прочность, твердость и электрическое сопротивление, но понижается пластичность в сравнении с основным металлом. Твердые растворы составляют основу технических сплавов: конструкционных, нержавеющих и кислотоупорных сталей, латуней, бронз.
            Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов. К химическим соединениям относится, например, карбид железа (цементит), входящий в состав сплавов железа с углеродом:
3Fe + С = Fe3C.
               Цементит отличается высокой прочностью и твердостью, но весьма хрупок. Химические соединения металла с металлом называют интерметаллическими. Сюда входят, например, соединения алюминия с медью СиА12, магния с цинком MgZn2 и др. Интерметаллические соединения чаще всего не подчиняются правилу нормальной валентности. Присутствие химических соединений упрочняет сплавы, но одновременно снижает их пластичность.
               Механические смеси возникают в результате срастания кристаллов компонентов, одновременно выпадающих из жидкого расплава при его охлаждении. В кристаллах, входящих в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Таким образом, каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов или химических соединений.
                Все металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные.

Чёрные и цветные металлы

            Чугун содержит углерода от 2 до 4,3%, в специальных чугунах (ферросплавах) количество углерода может достигать 5% и более.
Чугун выплавляют в доменных печах из железных руд. Железные руды представляют собой природную смесь окислов железа и минеральной части, называемой пустой породой (кремнезема, глинозема). В процессе плавки руды железо восстанавливается из окислов, освобождается от вредных примесей и отделяется от пустой породы.
             Чугуны, получаемые при доменной плавке, в зависимости от состава и назначения делятся на серые, белые и ковкие.
Серый, или литейный, чугун получают в результате медленного остывания жидкого чугуна при значительном содержании в руде углерода и кремния. Этот вид чугуна имеет от 1,7 до 4,2% углерода и до 4,25% кремния. Серый чугун хорошо заполняет формы и легко обрабатывается режущими инструментами. После переплавки чугуна в печи он пригоден для разливки в заранее приготовленные, формы.
            В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде чешуек графита. Такое строение чугуна придает ему в местах излома серый цвет.
           Белый, или передельный, чугун содержит до 4,5% углерода. В зависимости от способа .получения в чугун вводят следующие добавки; кремний, марганец, фосфор, серу. Этот вид чугуна получается при быстром остывании жидкого чугуна. Углерод находится в белом чугуне в связанном состоянии в виде цементита. В местах излома чугун имеет белый цвет. Белый чугун тверд и хрупок; его используют главным образом как сырье для производства стали.
           Ковкий чугун содержит от 2 до 2,2% углерода. Его получают из белого чугуна. Отливки закладывают в стальные ящики с чистым песком и томят в печах, т. е. подвергают длительному нагреванию, а после этого медленно охлаждают.
            Сталь (ГОСТ 5157—53) содержит углерода до 2%. Сталь обладает высокими механическими показателями и технологическими свойствами.
Сталь получают из чугуна различными способами. Независимо от способа сущность процесса сталеварения заключается в окислении нежелательных примесей, содержащихся в чугуне, и уменьшении содержания в нем углерода, кремния, марганца, фосфора, серы.
           Бессемеровский конвертерный метод получения стали из чугуна осуществляется в конвертере.

          В конвертере через толщину чугуна продувают сжатый атмосферный воздух при давлении до 2,5 кгс/см2, в результате чего углерод выжигается и чугун превращается в сталь. Выделяющееся при этом тепло повышает температуру металла до 1600° С. В последнее время на многих металлургических заводах через чугун в конвертерах продувают воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Это повышает качество выплавляемой стали.
           Мартеновский процесс получения стали из чугуна заключается в следующем. Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа1 или руды плавят на поду мартеновской печи. Требуемая температура при этом создается за счет горения подогретой смеси газообразного топлива и воздуха.
Назначение мартеновского процесса состоит в том, чтобы удалить (выжечь) из расплавленного металла те элементы, которые не должны быть в готовой стали и которые попадают в расплавленный металл из шихты или из газовой среды, а также в том, чтобы снизить до требуемой нормы содержание тех элементов, которые являются' необходимой составной частью стали. В случае надобности процесс завершается введением в сталь легирующих элементов.
            Мартеновская сталь по качеству выше конвертерной, однако конвертерный способ более производительный.

Metal

              Электроплавильный способ получения стали является наиболее совершенным по сравнению с описанными выше методами. По сущности протекающих процессов электроплавильный способ не отличается от мартеновского. Но электроплавка позволяет получить высококачественные стали и упростить технологический процесс выплавки. Широкое применение этого способа пока еще ограничивается высокой стоимостью электроэнергии.
                По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные; оба эти вида сталей применяются в строительстве. К углеродистым сталям относятся: машиностроительная (конструкционная) с содержанием марганца до 1,1% при содержании углерода до 0,75%, инструментальная с пониженным содержанием марганца (до 0,4%) при содержании углерода выше 0,6%. Легированные стали бывают низколегированные с содержанием легирующих элементов не более 2,5%, среднелегированные с общим содержанием легирующих элементов от 2,5 до 5,5%, высоколегированные с общим содержанием легирующих элементов более 5,5%.
                 В зависимости от назначения сталь имеет четыре класса: строительная — используется в виде проката без термической обработки для конструкций мостов, зданий, вагонов и т. д.; машиностроительная — применяется для изготовления деталей машин; инструментальная— для изготовления различного металлорежущего и другого инструмента; специального назначения— нержавеющая кислотоупорная, жаропрочная, окалиностойкая и др.

              К черным металлам относят железо и сплавы на его основе - сталь и чугун. На долю черных металлов приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции. С целью придания черным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на стали и чугуны.

             Сталь - ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Это один из основных конструкционных строительных материалов. Из стали изготовляют строительные конструкции, трубопроводы, арматуру для железобетона.
              По способу получения тали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные.
               Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит до 1 % марганца, до 0,4 % кремния, а также примеси серы и фосфора. Если количество примесей не превышает заданного верхнего предела, их называют нормальными.
             Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2...4,3 %. В его состав входят также марганец, сера, кремнийд фосфор. Основная масса чугуна идет на производство стали. Кроме того, его используют как самостоятельный конструкционный материал В зависимости от формы связи углерода различают белый и серый чугун.
            Белый чугун содержит углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C.
           В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде графита.

 

Чёрная металлургия

             Отрасль тяжёлой индустрии, включающая комплекс взаимосвязанных подотраслей: собственно металлургическое (доменное, сталеплавильное, прокатное), трубное и метизное производства, добычу, обогащение и окускование рудного сырья, коксохимическое производство, производство ферросплавов и огнеупоров, добычу нерудного сырья для чёрной металлургии и вторичную обработку чёрных металлов. Важнейшие виды продукции чёрной металлургии: горячекатаный и холоднокатаный прокат, стальные трубы и металлоизделия.
           Чёрная металлургия — основа развития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукции химической промышленности, цветной металлургии, промышленности стройматериалов, чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве. Так, удельный вес чёрных металлов в общем объёме конструкционных материалов, потребляемых ведущими отраслями машиностроения СССР, превышал в 1976 96%. Отрасль потребляет примерно 20% топливно-энергетических ресурсов страны.
На протяжении тысячелетий развитие человеческого общества неразрывно связано с использованием железа как основного материала для изготовления орудий труда. В. И. Ленин называл железо одним из фундаментов цивилизации, одним из главных продуктов современной промышленности.

Metal

            Производство железа на территории России известно с древнейших времён. Железные руды плавили вначале в сыродутных горнах, затем (примерно с 9 в.) в специальных наземных печах-домницах с дутьём ручными мехами. Заводское производство чугуна  и железа началось в 1632—37, когда близ Тулы был построен первый завод с доменной печью, выплавлявшей до 120 пудов чугуна в сутки. В 1700 было выплавлено около 150 тыс. пудов чугуна. Увеличив за первую четверть 18 в. его выплавку в 5 раз, Россия заняла по производству чёрных металлов 1-е место в мире и до начала 19 в. удерживала его. Однако в последующие годы темп роста Ч. м. снизился, и к 1913 страна занимала лишь 5-е место в мире, а её доля в мировой выплавке чугуна и стали  составляла 5,3%.

Технология промышленного получения стали

              Железо — один из наиболее распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится около 5 %. Однако в чистом виде оно не встречается, так как легко соединяется с кислородом, образуя оксиды. Наиболее известные железные руды, из которых получают железо, — магнетит FeeCU (содержащий более 70 % железа), гематит Fe3C>3 (30—50%), лимонит FeO(OH) и др. Наряду с чистым железом в руде содержатся углерод, другие металлы, а также вредные примеси — сера, фосфор, азот и т. п.
              Первичный продукт, получаемый из руды, — чугун (сплав железа с углеродом). Чугун производят в доменных печах путем плавления при Т=1600°С железной руды с добавлением кокса и известняка; В процессе сжигания кокса происходит восстановление железа, в то же время известняк предназначен для более легкого отделения неметаллических примесей вместе со шлаком. Расплавленный чугун как более тяжелая составная часть собирается на дне печи и затем выпускается наружу в специальные изложницы. Полученный серый чугун крупнозернистой структуры с 4 %-ным содержанием углерода применяется для литья, белый чугун мелкозернистой структуры — для производства стали.
            Сталь — сплав железа с углеродом, процентное содержание которого благодаря особой обработке (легированию) уменьшено до количества, не превышающего 1,2 %• В современной металлургии для получения стали из чугуна используются три способа: мартеновский, бессемеровский и томасовский. Основным сырьем, для получения стали служат белый чугун, металлолом и отходы (стальной скрап), а также добавки в виде кремния, марганца, хрома, никеля, меди и др. для получения сортов стали с заранее заданными свойствами.
             Наиболее распространенный способ получения строительных сталей — мартеновский.

Metal

              Этот способ заключается в том, что на расплавленный чугун, помещенный в специальную печь, обложенную огнеупорами, непрерывным потоком подается воздух с горячим газом, поддерживающим t =2000 °С. Под воздействием такой температуры из расплавленной массы в течение 4—12 ч (в зависимости от требуемого качества стали) сгорает углерод, процентное содержание которого строго контролируется.

Metal

              Кислородно-конвертерный способ получения стали, получающий в последнее время все большее распространение в мировой практике, состоит в продувке через расплавленный чугун горячей смеси воздуха с кислородом под давлением. В результате в расплавленном чугуне сгорают углерод и вредные примеси. В зависимости от состава внутренней огнеупорной обкладки конвертера способ называется бессемеровским  (кислая обкладка) либо томасовским (основная футеровка). Томасовский способ выплавки стали не гарантирует требуемые качества, поэтому данная сталь для строительных конструкций в стране не применяется.
              Наиболее качественные многократно легированные стали получают в специальных электрических печах. Максимальная температура около 2200 °С достигается с помощью электродуги, возникающей между двумя угольными электродами. Достоинство способа в том, что на расплавленный металл не попадают вредные элементы из воздуха и газа, как это имеет место в первых двух способах. Сталь, полученная любым методом, отливается в специальные формы и отправляется в таком виде для дальнейшей обработки по производству проката, литья и других изделий.

 

Metal

             Цветные металлы. К цветным (нежелезным) относят все металлы, кроме железа. Чаще всего в строительстве используют металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка и титана.
             Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и др.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако, с точки зрения строителя, металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб народному хозяйству наносит коррозия металлов. И наконец, металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

              Металлургия (от греческого «металлон»— «рудник», «металл» и «эргон»—«работа») — в первоначальном, узком значении «искусство выплавлять металлы из руд». В современном значении — это область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие все процессы получения металлов и сплавов и придания    им    определенных    форм    и    свойств.

             Исторически сложилось разделение металлургии на цветную и черную. К черной металлургии относятся сплавы на основе железа — чугун, сталь, ферросплавы (на долю черных металлов приходится около 95% всей произведенной в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. Кроме того, металлургические процессы применяются и для получения неметаллов и полупроводников (кремний, германий, селен, теллур и др.). А в целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.
            Стремительно  развивается   наука   о  металлах — металловедение, основы которой заложили русские ученые П. П. Аносов и Д. К. Чернов. Металловеды познают структуру металлов, находят пути для улучшения ях свойств, создают новые сплавы, позволяющие конструкторам разрабатывать принципиально новые машины — особо легкие, особо прочные и т. д.

            Основу современной черной металлургии составляют заводы, каждый из которых по территории и количеству работающих равняется небольшому городу. Сложный путь проходит здесь металл. Сначала на горно-обогатительных комбинатах (ГОК) обогащают руду, затем на заводах черной металлургии ее обжигают, превращая в агломерат или окатыши. Из них в доменных печах выплавляют чугун. Затем чугун попадает в сталеплавильный цех, где его переплавляют в сталь в мартеновских печах, кислородных конверторах или электропечах (см. Электрометаллургия). Стальные слитки транспортируют в прокатные цехи, где из них делают металлические изделия: рельсы, балки, листы, трубы, проволоку (см. Прокатка, прокатный стан). Между цехами проложены рельсы, по которым ходят железнодорожные составы, развозя руду и жидкий чугун, стальные слитки и готовый прокат.
             Такой же, а в ряде случаев и более сложный путь проходят металлы и на заводах цветной металлургии. Технологический процесс получения некоторых цветных металлов включает десятки операций.
              А что же ждет металлургию в будущем? Неужели человечеству, чтобы удовлетворить свои потребности в металле, придется постоянно строить гигантские заводы? Ведь не следует забывать, что металлургия в  основном  имеет дело с огнем: чтобы расплавить руду или сталь, их нужно нагреть до высокой температуры. А пирометаллургия (так называется отрасль металлургии, которая использует нагрев металла: от греческого слова «пир»—«огонь») сжигает кислород воздуха, засоряет атмосферу отходами сгорания, тратит много пресной воды на охлаждение агрегатов. Короче говоря, наносит вред природе. Поэтому ученые разработали новые пути развития металлургии. Это, прежде всего, прямое восстановление железа из руды, минуя доменный процесс. Установки прямого восстановления, которые полностью автоматизированы и надежно герметизированы, будут выплавлять из руды металлические слитки или чистый железный порошок. А потом слитки или порошок, упакованный в контейнеры, доставят на машиностроительные заводы, где из них изготовят изделия либо обычным методом, либо методом порошковой металлургии. Эти заводы вовсе не обязательно делать такими огромными, как существующие. Наоборот, они будут маленькими и, как предполагают   ученые,   иногда   мобильными,   т. е. подвижными. На баржах или с помощью вертолетов их будут доставлять к небольшим месторождениям руды, разработка которых сейчас считается невыгодной. Мини-заводы, полностью автоматизированные, сделают разработку этих месторождений экономически целесообразной.
             Быстрыми темпами развивается электрометаллургия, все более широкое применение находит электричество на всех последующих стадиях обработки металлов. На очереди — создание полностью автоматизированного металлургического производства, управляемого ЭВМ,— металлургические цехи-автоматы.

Коррозия металлов

               Процессы разрушения материалов, вызванные действием на них различных химических веществ, называются коррозией. Химические вещества, разрушающие строительные материалы, называются агрессивными. Агрессивной средой может служить атмосферный воздух, вода, различные растворы химических веществ, газы.
              Атмосферная коррозия происходит в обычных атмосферных условиях при взаимодействии кислорода воздуха, влаги и металла. Этой коррозии подвергаются изделия, имеющие большую поверхность, например   кровли,  металлические фермы, стропила, мосты.
Подводной коррозии подвергаются различные сооружения, находящиеся в воде, причем процесс усиливается при наличии в воде даже незначительного количества кислот или солей.
               Почвенная коррозия возникает при воздействии почвы на металл водопроводных и канализационных сетей. Коррозия усиливается при наличии в почвенной воде солей и колебаниях уровня грунтовых вод.
             В зависимости от природы агрессивной среды коррозия металла может происходить химическим и электрохимическим путем.
Химический коррозионный процесс возникает при действии на металлы сухих газов при высоких температурах или жидких неэлектролитов (жидкостей, не проводящих электрический ток). К химической коррозии относится также разрушение металла кислородом сухого воздуха и другими газами (углекислым, сернистым) .
            Электрохимический коррозионный процесс вызывается действием на металл электролитов — жидкостей, nposoдящих электрический ток. При электрохимической коррозии разрушение металла связано с возникновением и протеканием электрического тока с одних участков металла на другие. При действии на металл растворов кислот и щелочей металл отдает свои ионы электролиту, а сам постепенно разрушается.                                    Электрохимический коррозионный процесс может возникать также при контакте двух разнородных металлов. Например, при контакте железа с хромом будет разрушаться хром, железа с медью — железо.

            В некоторых случаях коррозионный процесс вызывают блуждающие токи, растекающиеся в грунте от рельсов электрифицированных железных дорог и проходящие через толщу земли, а также по различным металлическим устройствам, уложенным в земле (электрокабелям, трубам водопровода). Блуждающие токи, попав на металлические трубопроводы и другие подземные устройства, находящиеся во влажной и подсоленной почве, создают условия для электролиза.  Ионы   (электрически заряженные частицы металла), переходят в почвенный раствор (электролит); в результате потерь элементарных частичек металла на подземных кабелях, водопроводных и канализационных трубах возникают коррозионные язвы.
             Коррозионный процесс может быть местным, когда разрушение металла происходит на некоторых участках, равномерным, когда металл одинаково разрушается по всей поверхности, и межкристаллитным, когда разрушение происходит по границам зерен металла. Чистая незащищенная поверхность металла в большинстве случаев подвергается коррозионным процессам различных видов. Образующаяся при этом на поверхности некоторых металлов окис-ная пленка может приостановить развитие коррозионного процесса. Такие защитные пленки появляются,на поверхности меди, бронзы, алюминия. Сталь принадлежит к металлам, которые плохо сопротивляются коррозионному процессу; разрушения поверхности стальных изделий, вызванные коррозионным процессом, быстро распространяются и на внутренние слои металла,
Потери от коррозионных процессов приносят народному хозяйству большой материальный ущерб. Бороться с этим явлением можно различными средствами.
            Где возможно, металлы заменяют другими материалами, которые менее восприимчивы к коррозии. Е-сли металлические конструкции, заменить нельзя,, их покрывают лаками, эмалями. Образующаяся при этом пленка предохраняет металл от действия внешней среды. Для защиты от коррозии металлические конструкции покрывают красками, оцинковывают, лудят, хромируют. Кроме того, для изготовления конструкций используют металлы, наибрлее стойкие в данной агрессивной среде. Например, низколегированные стали используют в условиях низкой влажности и воздействия щелочей, высоколегированные - в условиях повышенной влажности и высокоагрессивных газов.. Легирование -никелем резко повышает стойкость стали против атмосферной и,подводной коррозии.
Металлические строительные конструкции защищают, от коррозионных процессов способом газопламенного напыления на их поверхность порошкообразных пластичных полимеров, в том числе полиэтилена, полипропилена, капрона, а также специальными .составами из этих материалов с добавкой или без добавки порошкообразных наполнителей и красителей.


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

тел. +38 (056) 794-36-74, +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры