Классификация и происхождение (производство) материалов

Ключевые слова: классификация материалов, производство стали, чугуна и цветных металлов, сплавов, неметаллических материалов

В общем случае технические материалы классифицируются по схеме, которая представлена на рис. 2. (будет представлен на лекции)

Применяемые в технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, к цветным - все остальные металлы.

Вначале железо получали непосредственно из руды восстанов­лением в горнах. С увеличением высоты горнов железо насыщалось углеродом, получался сплав хрупкий, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. С XIII в. чугун начали перерабатывать в сталь - сплав с меньшим, чем в чугуне, содержа­нием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов. Сталь обладала высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадий­ная схема производства стали - выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь - является и в настоящее время основной.

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим спосо­бом (получение тепла за счет сжигания топлива) в доменных печах, используя для этого твердое топливо - кокс и флюсы.

Кокс выполняет еще и роль восстановителя железа из руды, а флюс - позволяет переводить пустую породу в шлак, связывать и удалять находящуюся в топливе и руде серу. В качестве флюса слу­жит известняк СаСО₃.

Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, - выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-900^ОС вступают в химическую реакцию с восстановлением железа.

Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, обра­зуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1OOO - 11OO^ОC науглероживается.

Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, крем­нием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи.

Сталь получают различными способами: в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах. Физико-химическая сущность производства стали заключается в переделе чугуна, уменьшения в нем содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

Кислородно-конверторный процесс получения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислоро­дом дутья, так и оксидом железа FeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертора раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si, Mn, Al). Взаимодействуя с FeO, они образуют нерастворимые оксиды MnO, SiO₂, Аl₂ O₃, переходящие в шлак.

Мартеновский процесс получения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома):

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью: FeS + СаO = FeO + CaS. Оксиды SiO₂, MnO, P₂O₅, CaO, a также сульфид CaS образуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи.

Производство стали в электропечах обладает рядом преиму­ществ: способностью быстрого нагрева и поддержания заданной тем­пературы в пределах до 2000^OC, возможностью создания окислитель­ной, восстановительной или нейтральной атмосферы, а также вакуу­ма. Это позволяет получать стали с минимальным количеством приме­сей и оптимальным содержанием нужных компонентов. Эти стали отличаются высоким качеством и обладают специальными свойствами. Восстановительный период включает раскисление стали, удаление серы и доведение со­держания всех компонентов до заданного уровня. Физическая сущность хими­ческих реакций аналогична предыдущим с некоторыми особенностями. Плавка без окисления применяется для получения легированной стали из скрапа и отходов соответствующего состава.

Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокой­ные и пулуспокойные.

Кипящейназывают сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, ко­торые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наи­более дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.

Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно умень­шает выход годного металла.

Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарган­цем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В ниж­ней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верх­ней – кипящей.

Производство цветных металлов отличается большим разнообра­зием технологических процессов выплавки и определяется особеннос­тями состава их руд.

Медь получают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S, CuFeS₂ и др. Процесс выплав­ки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта – штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой – рафинированием.

Алюминий получают из бокситов, апатитов и других руд. Алюми­ний входит в них в виде глинозема Al₂O₃ Производство алюминия состоит из двух процессов: выделения глинозема из руды и его электролиза.

Титан получают из ильменитовой руды TiO₂*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным спосо­бом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуго­вой печи для удаления оксидов железа.

Подробнее производство цветных металлов см. в [рекомендованной литературе, Док. 5и по ссылке: http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].

Производство неметаллических материалов основано на исполь­зовании в основном синтетических полимеров, являющихся продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Кроме этого полимеры встречаются и в природе: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками. В судостроении и судоремонте нашли применение следующие не­металлические материалы: пластмассы, резина, асбест, клеи, лакок­расочные материалы и др.

Пластмассы получают из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. Они способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы.

Резину получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Как технический ма­териал она отличается высокими пластическими свойствами.

Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные плен­ки. Хорошо прилипающие к различным материалам.

Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразую­щих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластифика­торы и др.

Асбестом называют группу минералов волокнистого строения, представляющих собой скопление тончайших волокон в виде кристал­ликов, удлиненных по одной из своих осей. По специальной техноло­гии асбестовые минералы расщепляют на эластичные и прочные волок­на. Эти волокна являются исходным сырьем для производства ряда асбестовых материалов; нитей, шнуров, листовых и фрикционных ма­териалов, сальниковой набивки и т.д. В настоящее время использование асбестовых материалов запрещено в большинстве развитых стран.

Более подробно о неметаллических материалах см. [рекомендованную литературу, Док. 5и по ссылке:http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].