Дополнительная

6. Ковальчук Я.О., Ясной П.В. Материалы машино- и приборостроение. Учебное пособие. –Тернополь: Астон, 2001. – 132с.

7. Молодцов М.С. Восстановление изношенных деталей судовых меха-низмов. - М.: Транспорт, 1988. -184 с.

8. Справочник по современным судостроительным материалам/ В.Р. Аб-рамович и др.; под ред. Л.Я.Попилова. – Л.: Судостроение, 1989. – 584 с.

9. Техническое обслуживание судна в рейсе: Справочник/ А.А.Фока и др.; Под ред. А.А. Фока. -М.:Транспорт, 1984.- 320 с.

2. Кинофильмы

1) Производство черных металлов, меди и алюминия. 2) Основы металловедения и термической обработки металлов. 3) Дислокации и дефекты кристаллической решетки. 4) Деформация кристаллов. 5) Пластическая деформация металлов. 6) Методы испытания материалов на прочность. 7) Усталость металлов. 6) Конструкционные полимерные композиционные материалы. 9) Формирование изделий из полимерных композиционных материалов. 10) Электрическая сварочная дуга.

3. Диафильмы

1)Кристаллическое строение веществ, дислокации в кристаллах. 2) Цветные металлы и сплавы. 3) Пластмассы. 4) Производство лаков, красок, технология покрытия. 5) Электросварка в судостроении. 6) Геометрия резцов. 7) Способы обработки цилиндрических, торцовых поверхностей и канавок на токарных станках. 8) Способы обработки конических поверхностей на токарном станке. 9) Износ и способы восстановления деталей при ремонте промышленного оборудования. 10) Ремонт осей, валов, шпинделей, подшипников. 11) Восстановление деталей гальваническими покрытиями.

3. Плакаты

1)Некоторые типы кристаллической решетки. 2) Влияние содержания углерода на механические свойства стали. 3) Преобразование при отпуске стали. 4) Химико-термическая обработка. 5) Цементация. 6) Легированные стали.7) Классификация способов сваривания.8) Сварочная дуга.9) Схема изменения структуры в зоне термического влияния при сваривании низкоуглеродистой стали. 10) Деформация и напряжения при сварке. 11) Дефекты сварных швов. 12) Основные схемы резания металлов на станках. 13) Процесс образования стружки. 14) Тепловые явления при резании металлов. 15) Износ инструмента. 16) Технологическая карта. 17) Зависимость микротвердости образцов с сталью 20ХМЛ от глубины поверхностного слоя и его микроструктура при разных способах укрепления.

Контрольные вопросы.

1. Что понимают под материаловедением и технологией материалов и какая связь между этими науками?

2. В чем состоит основная задача дисциплины при подготовке судового инженера-механика?

2. Что должны знать и уметь курсанты после изучения дисциплины МиТМ?

Лекция 2. Общие сведения о производстве черных и цветных металлов и неметаллических материалов.

План лекции: Структура металлургического производства и его продукция. Производство чугуна и стали. Производство цветных металлов и неметаллических материалов

Применяемые в технике металлические материалы (металлы) принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, к цветным - все остальные металлы.

Металлические материалы получают в основном непосредственно из руды. В большинстве случаев руды представляют собой оксиды, сульфиды или карбонаты: магнитная железная руда –Fe₃O₄, серный колчедан –FeC₂, железный шпат –FeCO₃, боксит - смесь из 55 – 65% Al₂O_3, до 28% Fe₂O_3, до 24%SiO₂, медный колчедан –CuFeS₂,

Металлосодержащие полезные ископаемые в земной коре содержат одновременно и нежелательные минеральные составные части, безрудную или жильную породу. Поэтому методами флотации, измельчения, агломерации руды должны быть сначала приведены к состоянию, удобному для дальнейшей металлургической переработки.

Чтобы добыть чистые металлы из руд, их подвергают соответствующему химическому разложению. В качестве примера возьмем оксид, из которого путем восстановления вначале получают черновой загрязненный материал, который далее путем рафинирования перерабатывают до чистого или особо чистого металла.

Далее оксиды металлов можно восстановить веществом, обладающим большим сродством к кислороду, чем получаемый материал. К ним относятся, например, углерод или его оксид при высоких температурах (карбометрический метод), алюминий (алюмотермия) или кремний (кремнетермия). Эти способы объединены под общим понятием пирометаллургии. Существует и ряд других методов: избирательного окисления, электролитические, выпариванием и и др.

На основании этих принципов были разработаны самые разнообразные технологические варианты получения металлов.

Таким образом, металлургическое производство - это сложная система различных производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку 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) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали пере-рабатывают в сортовой прокат - балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т. д.

Основная продукция черной металлургии: чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; железорудные металли-зованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Mn, Si ,V ,Ti и т.д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства сортового проката, листа, труб и т.д.; стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производства сортового проката (уголки, полосы, прутки и т.д.); слитки цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок.

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если их содержание в руде составляет: железа не менее 30-60%, меди - 3-5%, молибдена 0,005-0,02%.

Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т.д.

В зависимости от содержания добываемого металла, руды бывают богатые и бедные. Бедные руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи 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 оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO, и др.).

Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000⁰C (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80-88% углерода, 8-12% золы, 2-5% влаги, 0,5-1,8% серы, 0,02-0,2% фосфора и до 1-2% летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

Огнеупорность кислых составляет 1700⁰С, основных – 2000⁰С, нейтраль-ных, содержащих большое количество Al₂O₃ и Cr₂O₃ – 2000⁰C.

В начале железо получали непосредственно 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 ХIII в. чугун начали перерабатывать в сталь - сплав с меньшим, чем в чугуне, содержанием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов, обладающий высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадийная схема производства стали - выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь - является и в настоящее время основной.

Для производства чугуна используются преимущественно оксидные руды в виде агломерата (кусковой пористый офлюсованный материал, полученный спеканием шихты, состоящей из железной руды, известняка, возврата, коксовой мелочи, влаги), или кусков, которые восстанавливают в доменных печах с помощью углерода или его оксида.

Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-900⁰С вступают в реакцию с восстановлением железа по следующим формулам:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + CO₂; Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO +CO = Fe + СO₂.

Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, образуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1000-1100⁰С науглероживается:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂; 3Fe + C = Fe₃C.

Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, кремнием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают. Доменный чугун поступает либо в чугуносмеситель и перерабатывается дальше в жидком виде на сталеплавильных заводах, либо в литьевую машину, в которой получают твердые чугунные чушки, поступающие далее на сталелитейные заводы или на литейное производство.

Доменная печь имеет высоту до 40 м; в ее самом широком месте, распаре, диаметр достигает от 3,5 до 10 м. Она работает непрерывно 10 - 15 лет. Из нее получают чугун, содержащий 3,5-4,3% С, 1-3% Si, 0,5-1,5% Mn, 0,05-0,1% серы, фосфора, а также шлаки. Этот побочный продукт используют при производстве гравия, мелкого щебня, материала для мостовых, цемента, шлаковой ваты.

Сущность получения стали состоит в том, что путем избирательного окисления из доменного чугуна удаляют часть углерода и другие нежелательные элементы. Важным процессом в производстве стали поэтому является так называемая переделка чугуна. Под этим понятием объединены все реакции окисления углерода и других спутников железа (кремний, марганец, фосфор, сера), происходящие внутри металлургической печи в полученном там или введенном расплаве доменного чугуна и металлолома. К необходимому для окисления углерода воздуху примешиваются топочные газы и кислород.

Сталь получают различными способами: в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах.Все важнейшие в настоящее время способы производства стали можно разделить на: горновые (мартеновский и электроплавильный), конверторный (нижнего дутья:Томаса, Бессемера) и прямое восстановление (верхнего (кислородного) дутья).

Кислородно-конверторный процесс получения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железа FeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертора раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si, Mn, Al). Взаимодействуя с FeO, они образуют нерастворимые оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃, переходящие в шлак.

Мартеновский процесс получения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома) по формулам:

3Si + 2Fe₂O₃ = 3SiO₂ + 4Fe, 3Mn + Fe₂O₃ = MnO + 2Fe,

6P +5Fe₂O₃ = 3P₂O₅ + 10Fe, 3C + Fe₂O₃ = 3CO + 2Fe.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью: FeS + CaO= FeO + CaS. Оксиды SiO₂, MnO, P₂O₅, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи. Вместимость мартеновских печей составляет от 10 до 600 т. стали, которую в зависимости от размеров печи и особенностей технологии выпускают из печи в виде готового расплава через 5 - 20 часов.

Производство стали с помощью электроэнергии происходит чаще всего в электродуговых и реже в индукционных печах. Между тремя вводимыми сверху графитовыми электродами и металлической шихтой возникают электрические дуги. В конвертере металлическая шихта постоянно находится в жидком состоянии. Кислород поступает либо из воздуха, который продувается снизу через расплав (нижнее дутье), либо в виде чистого кислорода через небольшую форсунку нагнетается поверх металла (верхнее или кислородное дутье). Вследствие очень интенсивной окислительной реакции необходимая теплота выделяется в ходе процесса в конвертере так, что отпадает необходимость в подводе дополнительного горючего. Вместимость таких конвертеров лежит в пределах от 5 до 100 т, а время изготовления стали составляет от 20 до 60 минут.

Производство стали в электропечах обладает рядом преимуществ: способностью быстрого нагрева и поддержания заданной температуры в пределах до 2000⁰С, возможностью создания окислительной, восстановительной или нейтральной атмосферы, а также вакуума. Это позволяет получать стали с минимальным количеством примесей и оптимальным содержанием компонентов, отличающуюся высоким качеством и обладающую специальными свойствами. Восстановительный период включает раскисление стали, удаление серы и доведение содержания всех компонентов до заданного. Физическая сущность химических реакций аналогична предыдущим с некоторыми особенностями. Плавка без окисления применяется для получения легированной стали из скрапа и отходов соответствующего состава.

Большая часть нелегированной стали производится в настоящее время мартеновским способом. Вместе с этим современные способы воздушного или кислородного дутья позволяют получать стали, не уступающие по качеству мартеновским. Методы с использованием электричества дают возможность получать нелегированные высококачественные стали, а также низко- и высоколегированные.

Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса, флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют более экономичные процессы прямого восстановления железа из руд с последующей его плавкой в электропечах для получения стали. Добытую в карьерах руду обогащают и получают окатыши (шихта из измельченных концентратов, флюсов, топлива - шарики диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200–1350⁰С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми). Окатыши поступают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу подают смесь природного и доменного газов, подвергнутого конверсии. В результате этого смесь разлагается на водород и окись углерода. В восстановительной зоне печи создается температура 1000–1100⁰С, при которой водород и окись углерода восста-навливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа, содержащего 90 - 95% железа. Охлажденные окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах.

Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные.

Кипящей называют сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, которые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наиболее дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.

Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно уменьшает выход годного металла.

Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В нижней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верхней - кипящей.

Производство цветных металлов, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми разнообразными способами. Однако каждый из них основан на одном из перечисленных выше принципов получения металлов.

Алюминий получают из бокситов - руды, содержащей около 55-65% Al₂O_3, не более 28% Fe₂O₃ и до 24% SiO₂. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного, либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах. Из раствора алюмината можно осадить гидроксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300- 1400°С превращается в чистый глинозем (Al₂O₃). После растворения глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава. При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% алюминия). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% алюминия).

Медь получают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S, CuFeS₂ и др. Процесс выплавки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта - штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой - рафинированием.

Титан получают из ильменитовой руды TiO₂*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным способом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуговой печи для удаления оксидов железа.

Производство неметаллических материалов основано на использовании в основном синтетических полимеров, являющихся продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Кроме этого полимеры встречаются и в природе: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, природный графит. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

В судостроении и судоремонте нашли применение следующие неметаллические материалы: пластмасса, резина, клей, лаки и краски.

Пластмассы получают из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. Они способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы.

Резину получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Как технический материал она отличается высокими эластическими свойствами.

Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.

Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразующих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластификаторы и др.

Более полная информация о производстве материалов приведена в следующих диафильмах.

15. Производство чугуна

486. Производство стали в электропечах

52. Производство стали в конверторах

28. Дуговая сталеплавильная электропечь, 2 части

494. Основное технологическое оборудование и плавильные печи для производства цветных металлов , 2 части

783. Разливка стали

7. Непрерывная разливка стали

23. Ведение мартеновской плавки

462. Методы и средства контроля электросталеплавильного производства и др.

Диафильмы выделенные курсивом рекомендуются курсантам для просмотра