Краткий курс по материаловедению

Краткий курс по материаловедению

И технологии конструкционных

Материалов

Учебное пособие для профессионально-педагогических

образовательных организаций

Екатеринбург

РГППУ

УДК 669.018.29+621.7/.9(075.8)

ББК Ж3я73-1+К5я73-1

Г93

Гузанов, Борис Николаевич.

Краткий курс по материаловедению и технологии конструкционных материалов: учебное пособие / Б. Н. Гузанов, В. В. Бухаленков. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2017. 2017. 208 с.

ISBN

В учебном пособии изложены основы материаловедения и технологии изготовления заготовок и деталей машин из металлических и неметаллических материалов, классификация и правила маркировки конструкционных и машиностроительных материалов.

Предназначено для высшего профессионально-педагогического образования образования для подготовки бакалавров по направлению 44.03.04 Профессиональное обучение (по отраслям), а также направлениям 15.03.01 Машиностроение и 22.03.02 Металлургия.

УДК 669.018.29+621.7/.9(075.8)

ББК Ж3я73-1+К5я73-1

Рецензенты: доктор технических наук, профессор А. А. Попов (ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»), доктор технических наук, профессор О. С. Лехов (ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет»).

ISBN

© ФГАОУ ВО «Российский

государственный профессионально-

педагогический университет», 2017

© В.В. Бухаленков, 2017

© Б.Н. Гузанов, 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………...…5

Раздел первый

Основы металлургического производства

1 Сущность и способы металлургического производства……………………….…..7

2. Исходные материалы для металлургического производства……………………..9

3.Технология выплавки чугуна………………………………………………………..12

3.1 Подготовка руд к плавке…………………………………………………………...12

3.2 Устройство доменной печи и ее работа…………………………………….…….13

3.3 Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи……………….16

3.4 Продукты доменной плавки и технико-экономические показатели

Производства чугуна……………………………………………………………….....19

4 Технология выплавки стали……………………………………………………..…20

4.1 Физико-химические процессы при выплавке стали…………………………….20

4.2 Способы выплавки стали…………………………………………………………23

5 Способы разливки стали……………………………………………………………31

6. Особенности производства цветных металлов и сплавов……………………….33

6.1. Последовательность получения меди…………………………………………..35

6.2 Получение титана…………………………………………………………………37

6.3 Получение алюминия и магния…………………………………………………..41

Раздел второй

Основы получения металлических заготовок

7 Технология литейного производства………………………………………………43

8 Технология обработки металлов давлением………………………………………56

9 Технологические основы сварочного производства…………………………...…65

10 Основы размерной обработки заготовок деталей машин……………………….72

Раздел третий

Основы технологии производства заготовок и деталей машин

из неметаллических материалов

11 Особенности строения и классификация неметаллических материалов………80

12 Полимеры и их классификация…………………………………………………..82

13Технология производства изделий из пластмасс………………………………..85

14 Резины и детали из неё……………………………………………………………88

15 Композиционные материалы и их применение………………………………….90

Раздел четвертый

Теоретическое материаловедение

16 Строение и свойства чистых металлов………………………………………….94

17 Кристаллизация металлов и сплавов………………………………………..…..104

18 Полиморфные и магнитные превращения в металлах…………………………107

19 Пластическая деформация и разрушение металлов и сплавов. Механические свойства………………………………………………………………………………110

20 Фазы в сплавах…………………………………………………………………....124

21 Диаграммы состояния двойных систем…………………………………………129

22 Железо и его сплавы. Диаграмма состояния Fe-C(Fe₃C)………………………138

Раздел пятый

Практическое материаловедение

23 Элементы теории термической обработки стали……………….……………..149

24 Технология термической обработки……………………………………………165

25 Технология химико-термической обработки…………………………………..168

26 Классификация и правила маркировка сталей…………….…………………...181

27 Классификация и правила маркировка цветных металлов и их сплавов……..192

Заключение…………………………………………………………………………...203

Список литературы…………………………………………………………………..204

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение и технология конструкционных материалов (ТКМ) относятся к числу основополагающих учебных дисциплин отраслевой (общетехнической) подготовки инженерных специальностей. Это обусловлено тем, что современный уровень производства во многом определяется применением новых экономичных и технологичных материалов, что в конечном итоге определяет научно-технический и экономический потенциал страны.

Цели изучения данной дисциплины:

- познание природы машиностроительных и конструкционных материалов, изучение их свойств в зависимости от химического состава, структуры и последующей обработки;

- ознакомление с традиционными и новыми технологическими процессами получения металлических и неметаллических материалов, а также технологиями получения заготовок и готовых изделий, в том числе с последующим восстановлением и ремонтом.

Задачами изучения дисциплины являются:

-ознакомление с современными конструкционными материалами машиностроения, их наиболее характерными свойствами и классификацией;

- изучение физико-химических основ и технологии процессов производства конструкционных материалов;

- ознакомление с основными способами получения заготовок и изделий из конструкционных материалов;

- формирование умения выбора вида заготовки или полуфабриката, рационального способа их получения, исходя из формы конечного изделия, его назначения и условий эксплуатации.

Технология конструкционных материалов включает четыре основных вида:

1 – металлургическое производство, предназначенное для получения металла заданного состава;

2 – технология получения металлических заготовок (литейное производство, обработка металлов давлением, сварочное производство);

3 – механическая обработка для получения из заготовок изделий заданных размеров и внешней формы;

4 – термическая обработка, предназначенная для получения заданных свойств металлов и сплавов (прочности, износостойкости и т.п.).

Многие конструкции и детали машиностроения выполняют из неметаллических и композиционных материалов. Прежде всего, это железобетонные плиты для строительства зданий, в которых бетон (неметаллический материал) армирован стальными прутками для придания конструкции максимальной прочности. Технология изготовления таких конструкций имеет свои особенности, которые рассматривает данная дисциплина.

Раздел первый

Исходные материалы для металлургического производства

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. В природе большинство металлов находятся в связанном виде, в виде химических соединений, которые входят в состав минералов, образующих руды или горные породы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне техники экономически выгодно и целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Руда состоит из минералов, содержащих металл (окислов и гидроокисей), силикатов, карбонатов, сернистых соединений), и пустой породы (окислов кремния, алюминия, кальция и магния). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д. Целесообразность извлечения металлов из руды определяется их содержанием в руде. Например, для железных руд – не менее 30-50 % Fe, для медных – не менее 3-5 % Cu, для молибденовых – не менее 0,005 – 0,02 % Mo.

В зависимости от концентрации добываемого металла, руды бывают богатыми, которые сразу используют в металлургическом производстве, и бедные, которые поступают в металлургическое производство после обогащения или удаления пустой породы. После обогащения получают концентрат или продукт с повышенным содержанием металла по сравнению с исходной рудой.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe₃O₄, Fe₂O₃; гидроксидов Fe₂O₃ ·H₂O, карбонатов FeCO₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃O₄ (55 – 60 % Fe), красный железняк Fe₂O₃ (55 – 60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃·3H₂O и Fe₂O₃·H₂O (37 – 55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO₃ (30–40 % Fe).

Кроме железной руды используют марганцевые руды для выплавки ферромарганца (10 – 82 % Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Mn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов. Хромовые руды используют для выплавки феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов. Комплексные руды, содержащие никель, ванадий, кобальт используют для выплавки легированного чугуна.

Топливо – это органические соединения, которые выделяют при сжигании тепло, необходимое для поддержания металлургического процесса. В металлургических печах топливом являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой каменного угля коксующихся сортов при температуре 1000⁰С (без доступа воздуха).Угольная масса при коксовании размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, затем она спекается в пористую массу. При выделении газов масса растрескивается и распадается на куски. Длительность коксования 14-16 часов. Затем кокс выталкивают из печи и сушат водой.

Важным показателем качества кокса является зольность и содержание серы, которые должны быть минимальны. Оптимальный размер кусков кокса – 25-60 мм. Кокс должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушаться под действием массы шихтовых материалов в доменной печи.

При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, который содержит 90 – 98 % углеводородов (CH₄ – метан, C₂H₆ - пропан), мазутом (тяжелый остаток крекинга нефти, содержит до 85 % углерода и водород с малым количеством серы и фосфора), доменным газом (побочный продукт доменного производства) или пылевидным топливом. Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в печи, что приводит к экономии кокса.

Флюс – это материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавких соединений с пустой породой руды, концентрата, золой топлива. Эти соединения называют шлаком. Назначение флюса: 1 – удаление окислов пустой породы; 2 – удаление золы топлива; 3 – удаление вредных примесей (серы, фосфора).

Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому в печи располагается над металлом и не перемешивается с ним. Назначение шлака – защита металла от печных газов воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе кислые окислы (SiO₂, Р₂О₅), и основным – если основные (CaО, MgO, FeO). При высоких температурах рабочего пространства печи шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи: основная футеровка с кислым шлаком и наоборот. Для предотвращения разрушения футеровки в печи с основной футеровкой вводят основные флюсы, с кислой – кислые. Выбор флюсов определяется также составом пустой породы руды. Если пустая порода представляет из себя песчано-глинистую, то в качестве флюса используют CaCO₃ или даломит. В случае известковой пустой породы в качестве флюса применяют кварцит и другие песчаные составы, главным образом, на основе SiO₂.

Изменяя состав шлака, можно менять соотношение примесей между металлом и шлаком, т.е. удалять нежелательные примеси (серу и фосфор) из этого шлак металла в шлак. Для этого убирают шлак с поверхности металла и добавляют новый нужного состава.

Огнеупорные материалыприменяют для внутренней облицовки (футеровки) печей и ковшей для разливки. Основное требование – выдерживать нагрузки при высоких температурах, а также резкие перепады температур, химическое воздействие шлаков и печных газов. Огнеупорность материала определяется в °С. Обычно в качестве футеровки используют кирпичи, а также порошки или растворы, предназначенные для заполнения швов между кирпичами в кладке. По химическим свойствам огнеупочные материалы подразделяются на кислые, основные и нейтральные.

Кислые (динасовые, кварцеглинистые) – на основе кремнезема SiO₂. Содержат не менее 90 % SiO₂ и имеют огнеупорность до 1700 ⁰С.

Основные (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые) –на основе основных окислов CaO, MgO.Магнезитовый кирпич содержит до 95 % MgO и его огнеупорность достигает 2000 – 2400 ⁰С. Доломитовый кирпич представляет собой горную породу, состоящую из MgCO₃ и CaCO₃, содержащий до 60 % CaCO₃. Его огнеупорность достигает 1800 – 1850 ⁰С.

Нейтральные (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные) –на основе окислов Al₂O₃ и Cr₂O₃. Шамот представляет из себя наиболее широко применяемый в теплотехнике материал, который содержит SiO₂ и Al₂O. Теплостойкость его не высока, но он самый дешевый.

Все эти огнеупорные материалы используются для футеровки металлургических комбинатов в различных комбинациях, как правило, многослойных.

Технология выплавки чугуна

Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2, 14 до 6,67 мас. %. Кроме углерода чугун всегда содержит кремний до 4 мас. %, марганец – до 2 мас. %, а также серу и фосфор (вредные примеси). В процессе получения чугуна от серы и фосфора стремятся избавиться с использованием различных приемов.

Подготовка руд к плавке

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки состоит в увеличении содержания железа в шихте и уменьшении в ней вредных примесей – серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.

Первый этап- дробление и сортировка рудпо крупности для оптимизации плавки. Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах. Затем проводят обогащение для повышения содержания железа, которое основано на различных физических свойствах минералов (плотности, магнитной восприимчивости и т.д.). Применяют следующие способы обогащения:

- Промывка руды водой – для отделения плотных составляющих руды от рыхлой породы (песка, глины).

- Гравитация основана на отделении руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда. При этом пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а тяжелые рудные минералы опускаются вниз.

- Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Следующая операция– окускование,которое производят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в куски необходимых размеров. С этой целью выполняют агломерацию и окатывание. Агломерация - спекание шихты при 1300-1500⁰С в агломерационных машинах. В результате из руды удаляется вредные примеси (сера, частично мышьяк), карбонаты разлагаются, получается кусковой пористый материал – агломерат. Окатываниеприменяют для обработки тонко измельченных концентратов. Шихта из измельченных концентратов, флюса и топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, в результате, приобретает форму шариков – окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при 1200-1350⁰С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. При подаче агломерата и окатышей не надо добавлять флюс – известняк, повышается производительность доменной печи и снижается расход кокса.

Технология выплавки стали

Сталь- это сплав железа с углеродом с содержанием углерода менее 2,14 мас. %. Поэтому сущность выплавки стали заключается в окислении углерода и вредных примесей, содержащихся в передельном чугуне.

Способы выплавки стали

Кислородно-конвертерный процесс включает в себя выплавку стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Кислородный конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера – 130 - 350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360° для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.

а - загрузка скрапа; б - заливка чугуна; в - продувка кислородом, г - разливка стали; д - слив шлака

Рисунок 2. - Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой, осматривают футеровку, ремонтируют. Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (1 а), заливают чугун при температуре 1250…1400 ⁰C (рис. 1 б). После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 1 в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через неё подают кислород под давлением 0,9 - 1,4 МПа.

Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 °C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении. Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера. Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному марочным составом. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 1 г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 1 д).

В кислородных конвертерах выплавляют малоуглеродистые конструкционные стали, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130 - 300 т заканчивается через 25 - 30 минут.

Мартеновская печь – это пламенная отражательная регенеративная печь (рис. 3). Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками.

Рисунок 3 - Схема мартеновской печи

Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора (1).

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов. Отходящие от печи газы имеют температуру 1500 - 1600 °C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 °C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 °C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образует факел (7), направленный на шихту (6).

Размеры плавильного пространства зависят от емкости печи. В нашей стране работают печи емкостью 20 - 900 т жидкой стали. Важной характеристикой печи является площадь пода, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Для подогрева воздуха в печи при работе на газообразном топливе печь имеет два регенератора – это камера с выложенным в клетку кирпичом. Отходящий из печи воздух с температурой 1000-1500 °С нагревает кипричи до 1250 – 1280 °С, а попадающий атмосферный воздух, соответственно, нагревается до температур 100 – 1200 °С, а потом только попадает в рабочее пространство печи, где смешивается с топливом.

Шихта– стальной скрап, жидкий и твердый чугун. В зависимости от состава шихты различают: 1) скрап-процесс, шихта – скрап и чушковый передельный чугун, применяют на заводах, далеко расположенных от доменного производства, и в крупных промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, основная часть шихты состоит их жидкого чугуна; наиболее экономичен, производство должно быть расположено вблизи домны.

В зависимости от футеровки печи различают кислый и основной процесс. Наибольшее количество сталей получают в печах с основной футеровкой, т.к. можно использовать различные шихтовые материалы (скрап-рудный процесс). Качественные стали, содержащие меньшее количество растворенных газов, выплавляют кислым мартеновским процессом.

Технология плавки основным скрап-рудным процессом: 1) осмотр и ремонт пода печи; 2) загрузка железной руды и известняка, прогрев; 3) подача скрапа, прогрев; 4) подача жидкого чугуна и продувка кислородом для ускорения процесса; 5) окисление примесей чугуна – кремния и фосфора, марганца и частично углерода; 6) кипение ванны – главный процесс в мартеновской печи, окисление углерода, отключение подачи топлива и воздуха в печь, 7) вспенивание шлака окисью углерода, выпуск шлака в чаши (скачивание шлака), удаление фосфора и серы; 8) процесс оканчивается при получении заданного содержания углерода и минимального содержания серы и фосфора., что определяют по пробам металла, которые берут постоянно в процессе плавки; 9) раскисление металла в два этапа: первый этап – в период кипения путем прекращения подачи руды в печь и одновременно подачей только раскислителей, второй этап – подача алюминия и ферросилиция в ковш перед разливкой стали; 10) выпуск плавки через сталевыпускное отверстие в задней стенке в ковш.

Производство стали в электропечах.Использование для разогрева и расплавления материалов энергии электрического тока осуществляется в электропечах. Преимущества – быстрый нагрев; точная регулировка температуры; возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферы или вакуум, выплавлять стали и сплавы любого состава, более полно раскислять сталь, получать высококачественные стали и сплавы.

В дуговых электроплавильных печах в качестве источника тепла используется электрическая дуга, возникающая между электродами и металлической шихтой. Печь питается трехфазным электрическим током и имеет три графитовых электрода. Емкость дуговых электропечей 0,5 - 400 т. В металлургических цехах обычно используют дуговые электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой (рис. 4).

Первый (окислительный) период начинается сразу после завалки шихты и пропускания тока через электроды. За счет кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляются кремний, марганец, углерод, железо. После нагрева металла и шлака до 1500 – 1540 °С в печь загружают руду и известь. Происходит интенсивное окисление углерода, начинается кипение ванны жидкого металла. Печь наклоняют и выпускают вспенившийся шлак в чашу. Руду и известь добавляют 2-3 раза. Содержание фосфора в стали снижается до 0,01 мас. %. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1 мас. %, кипение прекращают и полностью уда лают из печи шлак.

Рисунок 4 - Схема дуговой плавильной электропечи

Второй период – восстановительный – это раскисление стали, удаление серы и доведения стали до заданного химического состава в соответствии с маркой. В печь подают ферромарганец, в требуемом по химическому составу количестве, производят при необходимости науглероживание. Затем нагружают флюс: известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После его расплавления вводят раскислительную смесь: известь, плавиковый шпат, молотый кокс, ферросилиций. При этом в шлаке происходят реакции: FeO + C = Fe + CO, 2FeO + Si = Fe + SiO₂. Количество закиси железа в шлаке снижается и она из металла переходит в шлак по закону распределения (диффузионное раскисление). Из металла удаляется сера по следующей химической реакции: FeS + CaO = CaS + FeO.

По ходу восстановительного периода берут пробы для определения химического состава стали. Когда химический состав соответствует марочному, проводят окончательное раскисление стали и выпускают металл в ковш.

При выплавке легированных сталей легирующие элементы вводят в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующего элемента к кислороду: никель и молибден вводят в период плавления или в окислительный период, поскольку они обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо; хром легко окисляется, поэтому его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий и титан легко окисляются, поэтому их вводят перед выпуском металла в ковш.

Индукционные печи состоят из водоохлажлаемого индуктора (3), внутри него тигель (4) с металлической шихтой (рис. 5). Тигель изготовлен из огнеупорных материалов: кислый – кварцит или основной – магнезит.

Рисунок 5 - Схема индукционной тигельной плавильной печи

Через индуктор проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-100 кГц), который создает переменный магнитный поток, пронизывающий куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи Фуко, металл (1) нагревается до расплавления (рис. 5). В электропечах выплавляют высоколегированные стали, к которым предъявляются особые требования по качеству.

Технико-экономические показатели – емкость печи, расход электроэнергии (чем больше емкость, тем расход электроэнергии на 1 т выплавляемого металла меньше). Для интенсификации выплавки используют: электромагнитное перемешивание металла, кислород для продувки ванны стали в окислительный период. Для выплавки легированных марок сталей применяют дуплекс-процесс: выплавка стали в основном кислородном конвертере с последующим рафинированием и доводкой по химическому составу в электропечи.

Способы разливки стали

Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, в результате получают слитки, которые затем подвергаются обработке давлением.

Изложницы– это чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями. Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок. Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5 - 7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.

Сталь разливают в изложницы сверху (рис. 6 а), снизу (сифоном) (рис.6 б) и на машинах непрерывного литья. В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.

Рисунок 6 - Разливка стали в изложницы: а – сверху; б – снизу (сифоном)

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша (1). При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы. Применяется для разливки углеродистых сталей.

Присифонной разливкеодновременно заполняются несколько изложниц (от 4 до 60). Изложницы устанавливаются на поддоне (6), в центре которого располагается центровой литник (3), футерованный огнеупорными трубками (4), соединённый каналами (7) с изложницами. Жидкая сталь (2) из ковша (1) поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу (5). Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц. Используют этот способ для легированных и высококачественных сталей.

Непрерывная разливкастали состоит в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток.

Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку – стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тяговых роликов, постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов, затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал. Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком, на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, отсутствуют усадочные раковины. Этот метод используют для высоколегированных сталей и цветных сплавов.

Получения титана

Наиболее распространенным сырьем для получения титана являются следующие руды: ильменит FeO · TiO₂; рутил TiO₂; титаномагнетит FeTiO₃ · Fe₃O₄. Наибольшее количество титана получают из минерала ильменит (FeO · TiO₂), содержащего до 60 % TiO₂.

Сущность процесса получения металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана (TiCl₄) магниетермическим способом.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, так как хлористый магний (MgCl₂) – побочный продукт при получении титана, служит сырьем для получения магния.

Производство титана осуществляется в следующей последовательности (рис. 8):

1. Руда титана содержит от 10% TiO₂ (титаномагнетит) до 90 – 100% TiO₂ (рутил). Поэтому бедные руды обогащают магнитной сепарацией или флотацией. Получают ильменитовый концентрат, содержащий: 40 – 45% TiO₂, около 30% FeO, около 20% Fe₂O₃, остальное примеси. Рутил используют без обогащения.

Рисунок 7 - Схема технологических операций получения меди

Рисунок 8 - Схема технологических операций получения титана

2. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом (восстановителем) в специальных руднотермических печах (электродуговых). При Т = 1600 – 1800⁰С оксиды Fe восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Основной продукт – титановый шлак содержит до 80 – 90% TiO₂, 2 – 5 % FeO и примеси – SiO₂, Al₂O₃, CaO и др. Шлак совместно с древесным углем брикетируют, спекают и отправляют на хлорирование. Побочный продукт – чугун используют в металлургическом производстве.

3. Хлорирование титанового шлака проводят в специальных печах с электронагревом и герметизацией рабочего пространства. Брикеты титанового шлака через специальные фурмы продуваются газообразным хлором. При Т = 800 – 1250⁰С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, также другие хлориды: CaCl₂, MgCl₂ и др. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от других хлоридов благодаря различию температур кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют. Жидкий тетрахлорид титана направляют на восстановление.

4. Титан восстанавливают в реакторах при Т = 950 – 1000⁰С. В реактор загружают чушковый магний, откачивают воздух и заполняют реактор аргоном. Затем внутрь подают парообразный TiCl₄. Жидкий Mg и TiCl₄ взаимодействуют по реакции: 2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂ с образованием чистого титана в виде спеченной массы – губки с оченьвысокой пористостью. Губка титана пропитана Mg и MgCl₂ в количестве до 35 – 40 %, поэтому ее подвергают последующему вакуумированию. Жидкий MgCl₂ через летку удаляют из реактора.

5. Для удаления из губки MgCl₂ и других примесей ее нагревают до Т = 900 – 950⁰С в вакууме. Все примеси возгоняются и в виде паров конденсируются в специальных конденсаторах реактора.

6. Титановую губку на слитк