1. Производство чугуна.

Чугун-железоуглеродистый сплав, содержащий более 2%углерода.Также в нем присутствуют кремний(до 4%), марганец(до 2%), фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали.

Исходные материалы для получения чугуна:

1. Железная руда- горная минеральная порода, содержащая металл.

Железосодержащие руды:

1)красный железняк( 55-60% Fe)

2)магнитный железняк(55-60%Fe)

3)бурый железняк( 50-55% Fe)

4)шпаковый железняк( до 40% Fe)

2. Флюсы- вещества, которые используются вместе с рудой для образования легкоплавкого шлака в результате соединения при высокой температуре с пустой породой. Необходимы для удаления из печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива. Известняк- CaCO3, MgCO3.

3. Топливо используется как для получения высоких температур при окислении оксидов, так и для восстановления железа и его оксидов. Главное топливо-кокс-твердое топливо, которое получается путем спекания высококачественных коксующихся углей при высокой темп.

Подготовка руд:

1)Для выравнивания размеров руды, она подвергается дроблению. Оно осуществляется в дробилках. После дробления руда классифицируется по размерам. Куски меньше 8 мм используют для агломерации. Остальную руду усредняют по составу и свойствам.

2) Дробленая руда обогащается: удаление густой породы. Используется в основном магнитное обогащение руд.

3) После обогащения руда подвергается агломерации- получение кусков определенных размеров руды.

Шихта-смесь материалов.

Физико-химические процессы:

1)Сгорание топлива. СО+О2=СО2

2)Восстановление железа из оксидов. Правило Байкова: восстановление железа из оксида происходит по направлению от высших оксидов к нижним. FeO+CO=Fe+CO2 Выделенное железо при высоких температурах поглощает углерод и образуется Fe3C(карбид железа, представл-щий структуру получившегося чугуна). 3Fe+C=Fe3C

Кроме железа в состав руды попадают оксиды марганца. Марганец улучшает свойства чугуна,повышает прочность. MnO+C=Mn+CO2

Кремний окисляет раствор в железе, является полезной примесью, повыш жидкотекучесть чугуна. Вредными примесями являются сера и фосфор.

Продукция доменного производства(чугуны):

1)белый чугун

2)ферросплав(сплав железа с различными металлами)

3)доменный шлак(явл исходным продуктом для строит материалов

4)доменный(колошниковый) газ(имеет высокую температуру ,его используют для нагрева производственных помещений

Недостатки: доменный процесс требует много энергии, воды

4. Электродуговая печь - электрическая печь для плавки ме и др мат-ов, в которой использ тепловой эффект эл дуги. Вместимость 0,5-200т В металлургических цехах плавку ведут в основных, а в литейных –в кислых печах. После загрузки шихтовых мат-ов электроды опускают и подключают к источнику тока. между шихтой и электродами образ дуга с Т более 3000 С. Плавление ме и окисление примесей. Во время плавки 2-3 раза сливают шлак, удаляя вредные примеси. Проводят раскисление стали. Легирование неокисляющимися примесями (Ни, Мо) проводят во время плавки, вводя эти элементы с шихтой. Перед выпуском стали производят легирование легкоокисляющимися (хром, титан) примесями, вводя их в виде ферросплавов.

Процесс плавки металла сост из след стадий:

1- подготовка печи, заключается в устранении дефектов, полученных в предыдущих плавках

2- Плавка металла, заключается в полной расплавке шихты, процесс можно ускорить с помощью газовых горелок, вмонтированных в стены плавильного пространства.

3- Окисление, слив шлака, после чего добавка флюсов и других элементов для удаления вредных примесей и получения эффекта кипения

4-Восстановительная стадия- добавка раскислителей которые позволяют вывести кислород, который способствует коррозии металла

2. Производство стали.

Сталь-сплав железа с углеродом, с углер до 2,14%. Сталь-конструкционный материал, кот используют для производства машин, приборов. Чем меньше углерода, тем меньше прочность стали. В стали по сравнению с чугуном(6,67%) содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора.

Исходными материалами являются передельный чугун и стальной скрап (лом). Ос­новная задача передела чугуна в сталь состоит в удале­нии избытка углерода и примесей с помощью окисли­тельных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах.

Первыми массовыми способами получения расплавленной стали явились бессемеровский и томасовский процессы. Для передела в сталь расплавленный чугун продували воздухом (снизу). Но было невысок качество стали, и использовались только чугуны с опред содержанием Si, S, P. Был разработан мартеновский процесс- менее производительный, но позволяет производить более качественную сталь.

3.Производство стали в кислородных конверторах.

Конве́ртер-аппарат (вид печи) для получения стали из передельного расплавленного чугуна и шихты продувкой воздухом или технически чистым кислородом. 

Кислородно-конвертерный процесс. Сущность: в конвертер загружают стальной скрап, заливают расплавленный чугун и продувают струей кислорода сверху(рис. 1). В металлической шихте примеси окисляются. Продукт плавки: расплавленная сталь.

Кислородное дутье – широко распространенный процесс производства стали, при котором кислород под высоким давлением продувают над поверхностью расплава сцелью удаления примесей. Этот процесс пришел на смену БЕССЕМЕРОВСКОМУ ПРОЦЕССУ  и МАРТЕНОВСКОМУ ПРОЦЕССУ.

Технологические операции кислор-конвертерной плавки (рис 2): 1-загрузка стального скрапа,2-заливка расплавленного чугуна, 3-продувка кислородом,4-загрузка извести и железной руды,5-выпуск металла,6-выпуск шлака.

5. Индукционные печи. В инд сталеплавительных печах выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и др стали и сплавы. Плавку металлов проводят в тигле,изгот-ом из огнеупорных мат-ов. Вокруг тигля спиральный индуктор из медной трубки,в которой циркулирует вода. При пропускании тока через индуктор в металле, нах-ся в тилге, индуктируются вихревые токи, что приводит к нагреву и плавлению металла. Шихт мат-лы загружают сверху.Для выпуска плавки печь наклоняют в сторону сливного желоба.В конце проводят раскисление смесью из извести,кокса и др.

Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.

6. Производство стали электрошлаковым переплавом.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержанием углерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

Электрошлаковый переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих.

Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока.

7. . Вакуумно-дуговой переплав применяется для улучшения свойств стали вследствие обработки ее вакуумом. При вакуумном дуговом переплаве под воздействием высоких температур, возникающих в зоне электрической дуги между переплавляемым электродом и поддоном кристаллизатора, сталь на нижнем торце электрода расплавляется и капли расплавленного металла падают в ванну, где под воздействием охлаждения кристаллизатора формируется слиток. До начала операции печь вакуумируют; вакуумные насосы продолжают работать в течение всей плавки. Таким образом, капли металла падают через вакуумированное пространство, при этом обеспечивается очень полное очищение металла от газов, оксидных неметаллических включений (общее содержание кислорода снижается до очень низких пределов), от примесей некоторых цветных металлов и получается плотный слиток.

8. Электронно-лучевой переплав. Используют для глубокого рафинирования стили и сплавов. Металл при этом нагревается потоком электронов, которые бомбардируют металл, передают его частицам часть своей кинетической энергии. Источниками электронов в электронно-лучевых установках являются кольцевой катод, радиальная или аксиальная электронная пушка.

В установке используется аксиальная пушка 1, в которой фокусируется конусообразный электронный луч. Электронная пушка в установке не зависит то плавильного пространства. В плавильной вакуумной камере 2 помимо электронной пушки размещается расходуемый электрод 3, водоохлаждаемый кристаллизатор 4 и входящие в механизм вытягивания наплавляемого слитка 5 затравка 6 и охлаждаемый водой шток 7.

Для получения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.

9. Производство меди.

Медь- один из важнейших металлов. По электроповодности он уступает лишь сребру и является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике, потребляющих 40-50% всей меди.

Медь встречается в природе главным образом в виде сернистых соединений CuS,Cu2S в составе сульфидных руд, реже в виде соединений Cu(OH)2, Cu2О, углекислых соединений CuCO3и самородной металлической меди. Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды, из которых получают около 80% всей меди.

Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, 

гидрометаллургия и электролиз.

1.Пирометаллургический метод состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на штейн

2.Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:

3.Электролизом получают чистую медь

11. Производство магния.

В чистом виде магний в природе не встречается вследствие своей высокой химической активности. В качестве руд для производства магния обычно используют магнезит), доломит, карналлит.

Электролитический способ получения магния. По этому способу сначала получают безводный хлорид магния (MgCl2), который затем, при помощи высококлассного электротехнического оборудования подвергают электролизу с целью получения магния.

Получение хлорида магния из карналлита производится путем их обезвоживания нагревом. Получение хлорида магния из каустического магнезита производится путем обработки его при температуре 800° газообразным хлором в присутствии углерода в электрической печи:

MgO + Сl2 + С = MgCl2 + СО2

Термические способы получения магния. Сущность термических способов состоит в восстановлении окиси магния или нефтяным коксом в смеси с каменноугольным пеком, или металлами, сплавами и карбидами металлов (например, алюминием, ферросилицием, карбидом кальция и др.)

Магний получают термическими методами путем восстановления кремнием, углеродом магнезита. Процесс проводят в стальных ретортах в вакууме.

12. Производство Титана.

Титановые сплавы имеют наиболее высокую удельную прочность среди всех метал мат-ов, а также выс жаропрочность и коррозионную стойкость. Титан используют для легирования сталей. Титан образует химические соединения и твердые растворы со многими элементами. Поэтому при производстве титана требуются особые условия, обеспечивающие достаточную чистоту производимого металла.

Для получения титана применяют магнитермический способ, осуществляемый по след схеме: титановая руда-обогащение-плавка на титановый шлак-получение четыреххлористого титана-восстановление тит магнием.

Получение титановых слитков.

Титановые слитки получают переплавкой титановой губки в вакуумн элекрт дуговых печах. Расходуемый электрод изготавл. прессованием и измельченной титановой губки. Электрическая дуга горит между расходуемым электродом и ванной расплавленного металла, постепенно заполняющего изложницу, затвердевающего и образующего слиток.Наличие вакуума предожраняет металл от окисления и способствует его очистке от поглощенных газов и примесей. Для получения слитков может быть использована дробленная титановая трубка, загружаемая в печь дозатором.в этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом, поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом. Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют два раза. При второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой плавке. Титановые сплавы выплавляют в электрических дуговых вакуумных печах, аналогичных применяемым для переплавки титановой губки. В качестве шихтовых материалов используют титановую губку и легирующие элементы в соответствии с заданным хим составом сплава.

10. Производство алюминия.

Алюминий наиболее распространенный металл в природе. Наиболее важные алюм руды: бокситы, нефелины.

Технологический процесс получения алюминия

1). Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд;

2). Получение алюминия из глинозема;

3). Рафинирование алюминия.

Глинозем получают щелочным,электролитическим и др способами. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера).

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170оС может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1). Подготовка боксита-дробление его крупных кусков, затем измельчен е в шаровых мельницах.

2). Выщелачивания боксита , заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

AlO(OH)+NaOH → NaAlO2+H2O

понижении температуры на 100°С;

3). Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют).

4). Выкручивание- разложение раствора алюмината натрия с выделен Al(OH)3: NaAlO2+2H2O=Al(OH)3+NaOH

5). Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах:

2Al(OH)3=Al2O3+3H2O

6)Электролиз глинозема для получения металлического алюминия проводят в электролизерах- ваннах с различным устройством анодной части.

4. Изготовление отливок в оболочковые формы.

Литьё в оболочковые формы — способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зёрен (обычно кварцевых) и синтетического порошка.

Литейная оболочковая форма- разовая форма, состоящая из формовочной смеси со связующими реактивными смолами.

Технология литья:

1)на металлической плите устанавливают полумодель отливки с литниковой системой 3 и выталкиватели;

2)готовят модельную смесь 1, заполняют смесью бункер;

3)нагретую модельную плиту с моделью опрыскивают жидкостью,устанавливают на бункер и закрепляют. Поворачивают бункер, образуется полуформа 4;

4)модельную плиту снимают и прокаливают для упрочн;

5)выталкивателями 5 снимают оболочку. После изготовления второй такой оболочки их склеивают.

Собранную форму устанавливают в ящик с песком или дробью и заливают расплавленным металлом.

Достоинства: качество пов-ти отливок. Недостатки: выделение вредных газов, дорогая оснастка.

1.Классификация способов изготовления отливок.

Литье-метод производства, при котором изготавливают фасонные заготовки деталей путем заливки расплавленного металла в заранее приготовленную литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки детали. После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали.

Основными способами изготовления металлических заготовок и деталей являются литье, обработка давлением и обработка резанием. Изделия, сложной формы могут быть получены также сваркой, пайкой или клепкой деталей, полученных предварительно литьем или обработкой давлением. Все большее количество заготовок и деталей машин производят с использованием методов порошковой металлургии.

Задача литейного производства – изготовление изделий любой массы, разнообразных по форме и размерам (в том числе с внутренними полостями) из металлов и сплавов, обладающих жидкотекучестью.

При литье металлический расплав заливают в заранее приготовленные литейные формы, которые бывают разовыми или постоянными.

Большая часть отливок изготовляется литьем в песчаные формы. В некоторых случаях применяют специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в постоянные металлические формы – кокили, под давлением, центробежное, электрошлаковое и др.

Литниковая система- совокупность каналов , по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.

2.Физические основы производства отливок.

Физическая сущность процесса литья определяется тремя важнейшими понятиями: «жидкотекучесть», «кристаллизация», «усадка».

Жидкотекучесть- способность материала заполнять форму в жидком состоянии. Жидкотекучесть зависит от вязкости и удельной теплоты плавления материала, а также от теплопроводимости и начальной температуры пресс-формы.Испытание материала на жидкотекучесть проводят по спиральной пробе

Кристаллизация- образование и рост кристаллов в затвердевающем металле. Процесс происходит в направлении, перпендикулярном поверхности теплоотдачи. Вследствие этого образовавшиеся зерна – монокристаллы в наружных областях мельче (рис. 3).

Усадка- Свойство литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

Объемная усадка- уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.

Ликвация возникает в рез-те того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной темп-ре, а в интервале темп-р. При этом состав кристаллов, образ, в начале затвердевания, может существ, отличаться от состава последних порций кристаллиз. маточного р-ра. Чем шире темп-рный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает л., причем наиб, склонность к ней проявляют те компонеты сплава, к-рые наиб, сильно влияют на ширину интервала кристаллизации

7. Изготовление отливок центробежным литьем.

Центробежное литье – это способ формирования отливок под действием центробежных сил при свободной заливке металла во вращающиеся формы. Центробежным способом получают отливки из чугуна, стали, сплавов на основе меди, алюминия, цинка, магния, титана и др.

При этом способе отливка охлаждается в поле центробежных сил.

Формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.

Центробежное литье осуществляют на центробежных машинах с горизонтальной и вертикальной осями вращения в металлических, песчаных, оболочковых формах и формах для литья по выплавляемым моделям.

Центробежным литьем изготавливают отливки из чугуна, стали, сплавов титана, алюминия, магния и цинка (трубы, втулки, кольца, подшипники качения, бандажи железнодорожных и трамвайных вагонов).

Способ центробежного литья имеет след особенности. Металл заливается и кристаллизуется в форме под действием центробежных сил. Центробежные силы создают благоприятные условия для затвердевания отливки. Отливки получаются плотными. Недостатком является ликвация.