Технология конструкционных материалов: Курс лекций (2003)

Нечаев, А.И. и др.
Технология конструкционных материалов: Курс лекций.Красноярск, 2003.
ВВЕДЕНИЕ
Технология конструкционных материалов является комплексной дисциплиной, содержащей
основные сведения о способах получения металлов и сплавов, применяемых в различных отраслях
промышленности и техники, и о способах обработки металлов и сплавов для получения из них
заготовок или готовых деталей и изделий различного назначения.
Развитие и современное состояние технологии получения и обработки металлов основывается на
трудах и достижениях многих поколений, как отечественных, так и зарубежных ученых,
инженеров и практиков.
Курс "Технология конструкционных материалов" состоит из следующих разделов:







металлургия черных и цветных металлов;
литейное производство;
обработка металлов давлением;
сварка и огневая резка металлов;
обработка металлов резанием;
абразивные материалы;
электрофизические и электрохимические методы обработки.
Полученные знания необходимы при изучении последующих дисциплин, а также в практической
В изложении материала учтены рекомендации Государственного образовательного стандарта
Лекция 1. СУЩНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
В технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы; к
цветным - все остальные металлы. Вначале железо получали 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 ХШ века чугун начали
переплавлять в сталь - сплав с меньшим, чем в чугуне, содержанием углерода, кремния, марганца
и других элементов, обладающий высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадийная
схема используется и в настоящее время.
1.1. Материалы для производства металлов
Для производства металлов используют руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.
Рудой называют горные породы, содержащие металлы в количествах, обеспечивающих
рентабельность производства. Содержание железа в железных рудах 30-60%. Содержание цветных
металлов в рудах составляет 0,2-5%.
Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак - легко плавкие соединения с пустой
породой руды, золой топлива и другими неметаллическими включениями. Шлак обладает
меньшей плотностью, чем металл, поэтому он располагается над ним и может быть слит в
процессе плавки.
Топливом служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут. Кокс получают путем
сухой перегонки коксующихся каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000-1100°С.
Природный газ состоит в основном из метана СH4. Доменный газ содержит до 32% СО и до 4% Н2.
Мазут - тяжелый остаток перегонки нефти, содержит до 88% С, 9-10% Н2.
Огнеупорные материалы применяют для футеровки плавильных печей. Огнеупорные материалы
подразделяют на кислые, основные и нейтральные. К кислым относятся динасовый кирпич,
кварцевый порошок и другие материалы с высоким содержанием кремнезема SiO2; к основным доломитовые, магнезитовые и другие материалы с большим содержанием основных оксидов MqO
и СаО; к нейтральным - материалы, состоящие из оксидов Аl2О3, Сr2О3, MqO и других (шамот,
хромомагнезит), а также углеродистый кирпич.
Контрольный вопрос
Какие материалы применяют для производства сплавов? Приведите краткую их характеристику.
1.2. Материалы, применяемые для производства чугуна
Чугун выплавляют из железных руд в доменных печах, используя для этого - кокс и флюсы.
Железные руды содержат железо в виде оксидов, гидратов оксидов, карбонатов. Пустой породой
являются кварцит, глинистые вещества. К основным железным рудам относятся:
магнитный железняк - содержит до 65% железа в виде оксида Fe3O4 (Соколовское и Сорбайское
месторождения, Курская магнитная аномалия и др.);
красный железняк - содержит до 60 % железа в виде оксида Fe2O3 (Криворожское и Атасуйское
месторождения, Курская магнитная аномалия);
бурый железняк - содержит до 55% железа в виде гидратов оксидов n · Fe2O3 · m H2O (Керченское,
Лисаковское и другие месторождения);
шпатовый железняк - содержит до 40 % железа в виде углекислой соли FeCO3 (Бакальское и
Криворожское месторождения).
Топливо в процессе выплавки чугуна выполняет роль не только горючего, но и восстановителя
железа из руды. Этим требованиям удовлетворяет твердое топливо - кокс.
4
Флюсами в доменном производстве чугуна служат известняк СаСО3 или доломит CaCO3 · MqCO3.
Их назначение - перевод пустой породы ( в основном SiO2 и Аl2О3) в шлак, а также связывание и
удаление находящейся в топливе и руде сет ры.
Контрольный вопрос
Какие материалы применяют для производства чугуна? Приведите их краткую характеристику
1.3. Выплавка чугуна
Чугун выплавляют в доменных шахтных печах, выложенных огнеупорным кирпичом и
заключенных в кожух из листовой стали толщиной до 35 мм.
В домну загружают шихту - смесь определенного соотношения руды, топлива и флюсов.
Отдельные порции шихты называются калошами. Калоши из бункера 1 (рис. 1) подаются
вагонетками 2 по скиповому подъемнику 8 в приемную воронку 9 засыпного аппарата. При
опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11 и при опускании большого конуса 12 - в
колошник 13 и далее в шахту 14 печи. Поочередное открытие конусов предотвращает выход газов
в атмосферу. Шихта загружается в домну периодически по мере сгорания топлива и выпуска
чугуна и шлака.
Рис. 1. Схема работы доменного цеха
Цилиндрическая часть 7 домны называется распаром. Ниже его находятся заплечики 6 и горн 4,
ограниченный лещадью 19. В нижней части горна расположены летки для выпуска чугуна 3 и
шлака 18. Через ряд расположенных по окружности фурм 5 вдувается под давлением до 0,25 МПа
воздух. Расход воздуха на 1 т чугуна составляет от 3000 до 7000 м3/мин. Воздух предварительно
нагревают до 1000-1200°С в воздухонагревателях регенеративного типа. Воздухонагреватель
5
представляет собой футерованный кирпичом стальной цилиндр диаметром 6-8 и высотой 30-40
метров, имеющий внутри камеру сгорания 15 и насадку 20 из огнеупорного кирпича. При домне
обычно имеется 3-4 воздухонагревателя, которые работают попеременно следующим образом.
В воздухонагреватель (Б) подается через отверстие 17 очищенный колошниковый газ и через
отверстие 16 воздух. Продукты горения газа из камеры 15 проходят по вертикальным каналам
насадки 20, нагревают ее и уходят через отверстие 21 в дымовую трубу 22. Когда насадка
воздухонагревателя (Б) достигнет определенной температуры, подачу газа прекращают и в
обратном направлении подают воздух, который, проходя насадку, нагревается и затем вдувается в
домну. Пока один из воздухонагревателей нагревается, работает другой, предварительно нагретый
воздухонагреватель.
Применяют обогащение воздушного дутья кислородом (до 30 %), а также используют в качестве
топлива природный газ.
Контрольный вопрос
Какие части составляют доменную печь?
1.4. Доменный процесс
Доменная печь работает по принципу противотока: шихта движется сверху вниз, а навстречу ей
течет поток горячих газов. При этом протекают следующие процессы: горение топлива,
восстановление и науглераживание железа, восстановление сопутствующих химических
элементов, образование шлака.
В области воздушных фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает, в
результате чего температура в этой области печи достигает 1800-2000°С. В этих условиях
углекислый газ СО2 взаимодействует с углеродом кокса и образует оксид углерода СО,
являющийся главным восстановителем железа. Несколько выше, в зоне печи с температурой 700450°С, часть оксида углерода разлагается с образованием сажистого углерода
Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку газов, нагреваются, из них испаряется влага,
выделяются летучие вещества. При достижении температуры 750-900°С в шихте
восстанавливается железо:
3 Fe2O3 + СО = 2Fe3O4+ CO2; Fe3O4 + СО = 3FеО + СО2;
FeO + СО = Fe +CO2.
Часть закиси железа опускается до распара и заплечиков и восстанавливается углеродом кокса.
В восстановлении железа участвуют также сажистый углерод и водород.
В результате этих реакций образуется твердое губчатое железо. При температуре 1000-1100°С
губчатое железо науглераживается:
3Fe + 2СО = Fe3C + СО2; 3Fe + C = Fe3C.
Углерод понижает температуру плавления железо-углеродистого сплава, поэтому, опускаясь в
нижнюю часть шахты, сплав начинает плавиться, дополнительно
6
насыщаясь углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды, - марганцем,
кремнием, фосфором, серой.
Марганец содержится в руде в виде окислов, легко восстанавливается до оксида МпО, который
затем частично восстанавливается твердым углеродом.
Кремний содержится в пустой породе руды в виде кремнезема SiO2, также восстанавливается
углеродом. Не восстановленные оксиды марганца и кремния переходят в шлак.
Фосфор находится в руде в виде соединения P2Os · 3CaO, восстанавливается оксидом углерода и
твердым углеродом и почти полностью переходит в сплав.
Сера вносится в доменную печь в составе руды и кокса в виде соединений FeS, FeS 2, CaSO2, CaS.
Значительная часть серы удаляется в виде летучих соединений (SO2, H2S и др.), другая часть
переходит в сплав (FeS) или в шлак (CaS).
В результате восстановления железа, марганца, кремния, фосфора, серы и их растворения в железе
в горне печи образуется чугун, и шлак - сплав пустой породы, золы и части не восстановленных
оксидов.
По мере накопления чугуна и шлака их выпускают из печи: чугун через 3-4 часа через летку 3
(рис. 1), а шлак - через 1-1,5 часа через летку 18.
Контрольный вопрос
Какие реакции протекают в доменной печи при производстве чугуна?