Лекція 7

Тема 2.3. Металургійна промисловість

План лекції

1. Загальна характеристика галузі

2. Основи технологій чорної металургії. Виробництво чавуну: загальна характеристика і основні процеси

3. Виробництво сталі. Технологічні процеси отримання сталі. Ефективність технологічних процесів отримання сталі

1. Загальна характеристика галузі

Металургія - галузі науки і промисловості, які охоплюють процеси отримання металів та сплавів, зміни їх хімічного складу, структури і властивостей, надання їм певної форми.

Перші історичні згадки про металургійне отримання бронзи належать до ІІІ—ІІ тис. до н.е. Металургія чавуну набула свого розвитку починаючи з XIII ст. н.е, сталі — XIX ст., а алюмінієвих та магнієвих сплавів — лише в середині XX ст.

Вітчизняна металургійна галузь — основний виробник конструкційних матеріалів (металів, сплавів, композитних матеріалів), деяких видів металопродукції тощо.

Металургійна галузь включає:

• чорна металургія;

• кольорова металургія;

• порошкова металургія.

Галузь споживає велику кількість сировини, матеріалів, енергії і в сучасному стані є найбільшим забруднювачем навколишнього середовища.

Україна належить до країн Європи і світу з найбільш розвиненою металургією. Навіть в умовах економічної кризи вона поступається за показниками виробництва металів і сплавів в Європі тільки Німеччині. На металургію припадає близько 25 % вартості продукції основних галузей промисловості країни.

Продукція галузі займає провідне місце у зовнішній торгівлі України. Вона забезпечує близько 50 % всіх валютних надходжень від експорту.

Вона вирізняється значною концентрацією виробничого процесу — величиною підприємств і формуванням їх територіальних осередків. У місцях розміщення її основних підприємств зосереджується важке машинобудування, коксохімія, хімія, виробництво вогнетривких матеріалів тощо; формуються великі транспортні вузли, швидко виростають великі міста.

Таким чином, металургійний комплекс має надзвичайно велике комплексо- та районоутворююче значення в територіальній структурі господарства України і відіграє відчутну роль у міжнародному поділі праці.

Продукція металургії:

• збагачена рудна і нерудна сировина;

• продукти коксохімічного (кокс) і вогнетривкого виробництва;

• чорні метали та сплави на їх основі;

• кольорові метали та сплави на їх основі;

• прокат чорних та кольорових металів;

• деякі види металевих виробів (металоконструкції та інше)

Прокат - балки, рельси, труби, штаби (полоси), листи та інше.

Основна продукція металургійної промисловості - метали та сплави на їх основі. Вони є найпоширенішими з-поміж конструктивних матеріалів сучасної індустрії, сільського господарства, техніки і предметів вжитку, витримуючи гостру конкуренцію з боку пластмас, кераміки, композитів та інших сучасних матеріалів.

Метали в техніці прийнято поділяти на чорні (залізо) і кольорові (всі інші).

Класифікація кольорових металів

(за фізичними, хімічними властивостями та характером залягання в земній корі поділяють):

- важкі (кобальт, нікель, мідь, цинк, кадмій, ртуть, свинець тощо);

- легкі (літій, берилій, алюміній, титан, натрій, калій тощо);

- благородні (золото, срібло, платина тощо);

- важкоплавкі (ванадій, хром, молібден, вольфрам, ніобій тощо);

- розсіяні (гелій, індій, талій);

- рідкісноземельні (ітрій, скандій і всі лантаноїди);

- радіоактивні (уран, радій, плутоній, полоній тощо).

Чисті метали використовують у ракетній техніці, надзвуковій авіації, хімічній, електронній та медичній промисловості, але їх використання як конструкційних матеріалів обмежене.

Найчастіше використовують сплави на основі металів - металічні однорідні системи, які отримують сплавленням металів з металами, неметалами, оксидами, органічними сполуками та іншими компонентами.

Отримання сплавів дає змогу утворювати необмежену кількість конструкційних матеріалів різних по структурі та властивостям. Найпоширеніші сплави на основі заліза (чавуни і сталі); алюмінію (дюралюмін і сілюмін), міді (бронза і латунь), титану, нікелю, свинцю, олова та ін.

Сплави, як і метали, поділяють на чорні (на основі заліза) та кольорові (всі інші).

Класифікація сплавів за властивостями:

- важкі (на основі свинцю, олова тощо);

- легкі (на основі берилію, алюмінію тощо);

- легкоплавкі (на основі натрію, калію тощо);

- важкоплавкі (на основі ванадію, хрому, молібдену, вольфраму тощо);

- жаростійкі, що витримують нагрівання до високих температур без навантаження;

- жароміцні, теж з навантаженням;

- магнітні (мають магнітні властивості);

- немагнітні;

- аморфні - нові конструкційні матеріали отримані при дуже швидкому охолодженні розплавів, нагрітих потужними електронними або іонними пучками.

Поки що аморфні (некристалічні) метали і сплави виробляють у вигляді фольги, тонких стрічок та дроту з товщиною аморфного шару, що не перевищує десятків мікрометрів. Вони мають високі механічні властивості, велику твердість, зносостійкість, корозостійкість, з них вже виготовляють леза різальних інструментів і таке інше. Винайдення промислових способів виробництва аморфних сплавів дасть змогу отримувати на їх основі нові композиційні матеріали з унікальними властивостями.

Керування технологічними параметрами металургійного виробництва дає можливість отримувати метали і сплави різні за структурою, складом та властивостями.

Основними властивостями металів і сплавів, що визначають їх застосування та якість, є фізичні, хімічні, механічні і технологічні.

Основні фізичні властивості сплавів:

- щільність (маса одиниці об’єму);

- температура плавлення;

- теплопровідність;

- електропровідність;

- магнітні властивості;

- розширення при нагріванні, стискання при охолодженні.

Основні хімічні властивості:

- корозійна стійкість (здатність матеріалу чинити опір дії зовнішнього середовища - іржавленню, роз’їданню);

- розчинність;

- окислюваність (здатність до поєднання з киснем).

Основні механічні властивості:

- міцність (здатність чинити опір руйнуванню і появі залишкових деформацій під дією зовнішніх сил);

- твердість (здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого більш твердого тіла);

- в’язкість (здатність матеріалу чинити опір дії ударних навантажень);

- пластичність (здатність матеріалу змінювати форму під дією зовнішнього навантаження і зберігати її після припинення його дії);

- пружність (здатність матеріалу змінювати форму під дією зовнішнього навантаження і відновлювати її після припинення його дії).

Основні технологічні властивості:

- ливарні (температура плавлення, плинність розплаву, усадка, ліквація тощо);

- ковкість (визначається пластичністю і здатністю оброблятися тиском);

- зварюваність;

- здатність працювати за умов різних некритичних температур, тисків, радіації тощо).

Серед металів та сплавів, що виробляються, близько 90 % становлять сталі і чавуни. Дедалі більше використання отримують композитні метали та сплави на основі металів (металокомпозити).

Композитами називають матеріали, основа яких (матриця) зміцнена армуючими елементами (нитковидними кристалами, волокнами, дротинами та дрібними порошками).

Основні способи отримання металів та сплавів:

Пірометалургійний - виробництво з використанням теплової енергії полуменевих печей (отримання чавунів у доменних печах (домнах), сталі у мартенівських печах (мартенах);

Електрометалургійний - електротермічне отримання сталей у дугових, індукційних та інших типах електричних печей та електрохімічне (електролізом) – алюмінію;

Гідрометалургійний - вилучення металів з руд за допомогою розчинників і електролізу (отримання міді, цинку);

Плазмовий - перетворення оксидів металів на високотемпературну плазму (іонізований газ) і магнітного вилучення з неї металу (отримання вольфраму, молібдену тощо);

Хіміко-металургійний - поєднує хімічні і металургійні процеси (отримання титану);

Космічна металургія - безтиглеве* плавлення металів і отримання надчистих і композиційних сплавів в умовах невагомості.

* Тигель — посудина з тугоплавких або вогнестійких матеріалів для плавлення чи нагріву різних матеріалів.