Магний также не встречается в природе в чистом виде, но в виде соединений распространен широко (2,35%
Важнейшие магниевые руды -- магнезит (карбонат магния MgCO3) и доломит (MgCO3CaCO3). Кроме горных пород, источником добывания магния служит морская вода и вода некоторых соленых озер откуда извлекается хлорид магния --бишофит путем испарения и кристаллизации. В России основные месторождения магнезита находятся на Урале и в Оренбургской области, а доломита -- на Донбассе и в Московской области.
Титановые руды в основном бывают двух видов: рутил (TiO2) и ильменит (FeTiO3). Важнейшие месторождения титановых руд находятся на Урале и на Кольском полуострове. Рутиловые руды обогащают до содержания 90--95% Ti02, ильменитовые до содержания 40--42% TiO2.
Основные методы получения твердых тел
1. Кристаллизация. Факторы, обусловливающие формирование кристаллической структуры металла слитка. Взаимосвязь состава сплава, металлургических способов его получения с характером кристаллизации, микро- и макроструктурой слитка.
2. Стеклообразование (твердение расплавов). Изменение свойств трудно кристаллизующихся жидкостей. Определение понятия «стекло». Факторы, обусловливающие процесс стеклообразования.
3. Получение аморфных металлических материалов.
Рис. 1. Кривая нагрева и охлаждения
На рис. Приведены кривые нагрева и охлаждения.
Участок 1-2 - внешний подвод тепла сопровождается с повышением температуры металла, пока сохраняющую свою кристаалическую структуру.
Участок 2-3 подвод тепла продолжается, но не приводит повышения Т, энергия расходуется на разрушение крист. Решетки. Внешне проявляется в переходе от твердого состояния в жидкое.
В точке 3 полностью разрушается кристалл. структура и подвод тепла вызывает повышение Т жидкого Ме (3-4).
При охлаждении наблюдается обратная картина. На участке 5-6 происходит кристаллизация, сопровождаемая выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация происходит не в строгой Т крис, а при некотором Дt переохлаждении, значение которого зависит от
Природы самого Ме
- От степени его загрязненности различными включениями
- От скорости охлаждения. Чем меньше загрязнен Ме, тем больше степень переохлаждения при кристаллизации.
Разность между теоретической и фактической Температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения. Тпл-Т1
Кристаллизация. Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) когда в металле формируется кристаллическая решетка называют кристаллизацией.
Рисунок 2.
Механизм кристаллизации Ме состоит в том, что при понижении Т начинаются образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации и зародышами.
Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. По мере роста кристаллов, оставшимся еще в жидком состоянии возникают новые центры кристаллизации. Каждый из растущих новых кристаллов ориентируются в пространстве произвольно. Как видно из рис. Поверхности растущих кристаллов соприкасаются и их правильная форма нарушается, получается произвольной.
Кристаллы с неправильной формой называют зернами или кристаллитами. Твердые тела, в том числе Ме, состоящие из большого количества зерен называют поликристаллическими.
Величина зерен зависит
- от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.
- от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле.
Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются оксиды (например, Аl2O3,), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.
На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.
Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2--0,3 до 0,01-0,02 мм, т.е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, оксиды). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов -- марганец, титан, ванадий.
Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.
Строение металлического слитка. Впервые схема строения слитка была дана Черновым. Описывая процесс кристаллизации он привел схему роста первичных осей кристаллов, затем перпендикулярно к ним оси высших порядков (вторичные и третичные и т.д.).
Форма таких кристаллов напоминает дерево, поэтому от греческого дендрон, называют дендритами.
Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки.
1 - внешняя зона слитка состоит из мелкоориентированных зерен, формирующихся в начальный момент затвердевания, когда Ме соприкасаясь с холодными стенами формы, охлаждается в тонком слое с весьма большой скоростью. (На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.)
2 - условия затвердевания меняются, скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), поэтому зерна приобретают столбчатый вид.
3 -Внутренняя зона слитка формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого Ме. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления.
4 - В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина вследствие уменьшения объема металла при охлаждении.
Под усадочной раковиной металл в зоне 3 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор.
Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.
Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.
При достаточно медленном охлаждении жидкость кристаллизуется. Однако при очень быстром охлаждении зарождение и рост кристаллов подавляется и даже ниже т кристаллизации не происходит: образуется метастабильная переохлажденная жидкость. Переохлажденная жидкость находится в неравновестном состоянии, и иногда достаточно незначительных изменений внешних условий, чтобы вызвать в ней процесс кристаллизации.
При охлаждении жидкости увеличивается коэффициент вязкости и уменьшается энергия теплового движенеия. Это препятсвует перегруппировке молекул, необходимых для образования кристаллической решетки. Принекоторой температуре переохлажденная жидкость отвердевает, но кристаллической решетки не образуется - вещество переходит в стеклообразное состояние. Температуру при которой происходит затвердевание называют Температурой стеклования. Tg часто определяют как температуру при которой вязкость жидкости достигает значения з=1012 Па*с.
При стекловании все свойства вещества изменяются: теряются свойства, характерные для жидкого состояния, и вещество приобретает свойства твердого тела. Эти изменения происходят постепенно, поэтому Тст это не точка, а средняя температура этой области.
Стекло - твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава.
По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами.
Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким.
Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. При понижении температуры вязкость стекла непрерывно возрастает и происходит обратный переход в твердое хрупкое состояние.
Металлические стекла по химическому составу состоят из металлов и элементов аморфитизаторов, в качестве которых используют бор, углерод, кремний, азот и другие в количестве до 30%.
Методы получения металлических стекол
- метод закалки из жидкого состояния
- метод вакуумного напыления
- метод распыления
- металлизации
- Методы, связанные с протеканием химических связей в газовой фазе
Основным методом получения МС является закалка из жидкого состояния, фиксирующая структуру расплава.
Особенностью МС является сочетание высокой твердости и прочности, наряду с высокими упругими свойствами. Например, у обычных стекол крайне высокая твердость и относительно низкая прочность.
Аморфное состояние МС является метастабильным (неустойчивым). При температурах отжига, превышающей (0.4-0.65) Тпл материал кристаллизуется. МС применяются для изготовления пружин, малогаборитного режущего инструмента.
Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает:
- шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;
- горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;
- коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов);
- энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;
- доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей;
- заводы для производства ферросплавов;
- сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);
- прокатные цехи (слиток в сортовой прокат).
Основная продукция чёрной металлургии:
- чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок;
- железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;
- ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;
- стальные слитки для производства проката,
- стальные слитки для изготовления крупных кованных валов, дисков (кузнечные слитки).
Основная продукция цветной металлургии:
- слитки цветных металлов для производства проката;
- слитки для изготовления отливок на машиностроительных заводах;
- лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;
- слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.
Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.
Промышленная руда - горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30…60 % для железа, 3…5% для меди, 0,005…0,02 % для молибдена).
Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.
В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают - удаляют часть пустой породы.
Флюсы - материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (), и основным, если в его составе больше основных оксидов ()
Вводят в виде агломерата и окатышей.
Топливо - в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 0С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80…88 % углерода, 8…12 % золы, 2…5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25…60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.