- •Содержание
- •Введение
- •Возникновение и развитие металлургии
- •История развития металлургии в России. Возникновение и развитие высшего металлургического образования
- •Выдающиеся российские ученые металлурги
- •Павел Петрович Аносов (1799 – 1851 гг.)
- •Павел Матвеевич Обухов
- •Дмитрий Константинович Чернов
- •Владимир Ефимович Грум-Гржимайло
- •Михаил Александрович Павлов
- •Евгений Оскарович Патон (1870 – 1953 гг.)
- •Борис Евгеньевич Патон
- •Николай Тимофеевич Гудцов
- •Иван Павлович Бардин
- •Сергейй Иванович Губкин
- •История развития металлургии и металлургического образования на Урале. Подготовка персонала для металлургических предприятий
- •2.1. Основатель Уральской научно-педагогической школы по обработке металлов давлением
- •Головин Аким Филиппович
- •Развитие теории обработки металлов давлением и работа на заводах
- •Выдрин в.Н. Доктор технических наук, Тарновский и.Я. Доктор технических наук, профессор, основатель кафедры профессор, заведующий кафедрой
- •Создание новых методов расчета формоизменения и силы деформации
- •Красовский н.Н. И Поздеев а.А. Выпускники 1949 г., отличные студенты и спортсмены, стали членами Академии наук ссср
- •Кафедра "Обработка металлов давлением"
- •Основы материаловедения
- •3.1.1. Классификация металлов
- •Средний химический состав земной коры по а.П. Виноградову (мощность 16 км без океана и атмосферы), % мас.
- •3.1.2. Потребительские свойства некоторых металлов и сплавов. Область применения
- •Примерные объемы мирового годового производства некоторых металлов
- •Разбивка нанопорошков по типам
- •3.2. Металлофонд России
- •Кристаллическое строение металлов. Аллотропические или полиморфные превращения
- •От расстояния между ними
- •Элементарной ячейки.
- •Аллотропические формы некоторых металлов
- •3.4. Структура реальных кристаллов
- •3.5. Кристаллизация металлов
- •3.6.1. Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь компонентов
- •Механическую смесь компонентов:
- •(Кристаллизации) эвтектики
- •3.6.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
- •3.6.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы
- •3.6.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения
- •Системы Mg-Pb
- •Системы Cu-Zn
- •Свойства и деформация металлов и сплавов
- •Физико-химические и физико-механические свойства металлов и сплавов
- •В таблице Менделеева
- •Физические и механические свойства важнейших металлов
- •3.7.2. Механические свойства металлов и сплавов
- •Деформация металлов и сплавов
- •Сдвига в положение а'в' (б); в - выход дислокации на поверхность кристалла
- •Возврат и рекристаллизация
- •Основы металлургии
- •4.1. Принципиальные основы производства металлов
- •4.2. Руды, подготовка руд к металлургическому переделу
- •4.2.1. Способы добычи руд
- •4.2.2. Цель подготовки руд к металлургическому переделу
- •4.2.3. Дробление и измельчение руд
- •4.2.4. Грохочение и классификация
- •А) в открытом цикле; б) в закрытом
- •4.2.5. Обогащение руд
- •Сепаратора:
- •Для очистки барабана;
- •4.2.6. Обжиг руд
- •Температуры плавления и кипения хлоридов металлов
- •4.2.7. Усреднение
- •4.2.8. Окускование
- •Рекуперации и охлаждения
- •Основы технологии производства важнейших металлов и сплавов
- •5.1. Производство железа – чугунов и сталей
- •5.1.1. Рудная база черной металлургии
- •5.1.2. I стадия - подготовка железных руд к плавке
- •Важнейшие железорудные месторождения России
- •Химические составы железной руды Оленегорского месторождения и полученного из нее концентрата
- •Месторождения
- •5.1.3. II стадия - доменное производство
- •5.1.3.1. Химические процессы в доменной печи
- •5.1.3.2. Управление доменным процессом
- •Калькуляция себестоимости передельного чугуна (в ценах 1985 г.)
- •Калькуляция себестоимости передельного чугуна (в ценах 1985 г.)
- •5.1.3.3. Мероприятия по повышению количества воздуха, вдуваемого в печь
- •5.1.3.4. Устройство и оборудование доменной печи
- •Ленточными конвейерами (галереи обозначены стрелками)
- •В доменную печь:
- •5 .1.3.5. Устройства для подачи и нагрева дутья
- •И «на дутье» (б):
- •5.1.3.6. Устройства для обслуживания горна и уборки чугуна и шлака
- •Огнеупорной массы; 6 - механизм поворота пушки к летке; 7 - защелка; 8 - люк для загрузки огнеупорной массы
- •Доменной печи:
- •5.1.3.7. Использование продуктов доменной плавки
- •5.1.4. III стадия - сталеплавильное производство
- •5.1.4.1. Принципиальные основы сталеплавильного производства
- •Химические составы чугуна и стали
- •5.1.4.2. Шлаковый режим сталеплавильного процесса
- •5.1.4.3. Мартеновское производство стали
- •5.1.4.4. Кислородно-конвертерный способ производства стали
- •Элементов в металле по ходу продувки в кислородном конвертере
- •Конвертерных газов:
- •5.1.4.5. Выплавка стали в конвертерах дуплекс-процессом
- •Транспортного назначения
- •5.1.4.6. Производство стали в электрических печах
- •5.1.4.6. Разливка стали
- •5.1.4.7. Классификация сталей
- •5.1.4.8. Бездоменные способы получения железа
- •Составы восстановительного и колошникового газов шахтиой восстановительной печи, %
- •5.1.4.9. Получение особо чистого железа
- •5.1.4.10. Производство ферросплавов
- •Удельные расходы шихтовых материалов и электроэнергии при выплавке ферросплавов
- •5.1.5. IV стадия - методы повышения качества стали
- •5.1.6. Современный электросталеплавильный цех по производству трубной непрерывнолитой заготовки
- •Технические характеристики мнлз №1
- •5.2. Производство алюминия
- •5.2.1. Рудная база
- •Из высококремиземистых бокситов
- •5.2.2. II стадия - получение а12о3
- •Выщелачивания бокситов:
- •Алюминатного раствора:
- •Перемешиванием; 2- гидроциклон;
- •5.2.3. III стадия - получение металлического алюминия
- •Р ис. 5.50. Схема электролиза для получения алюминия:
- •5.2.4. IV стадия - получение чистого алюминия
- •5.3. Производство меди
- •5.3.1. Рудная база
- •Химический состав медных руд, %
- •5.3.2. I стадия передела - механическое обогащение руд
- •5.3.3. II стадия - выплавка штейна (химическое обогащение)
- •Пирометаллургическим способом
- •Р ис. 5.56. Схема распределения химических процессов по высоте шахтной печи при полупиритной плавке
- •Тепловой баланс полупиритной плавки
- •Р ис. 5.58. Схема печи для взвешенной плавки:
- •Р ис. 5.59. Схема печи Ванюкова:
- •5.3.4. III стадия - получение черновой меди
- •Р ис. 5.60. Схема горизонтального конвертера:
- •5.3.5. IV стадия - получение чистой меди
- •Распределение элементов медных анодов в процессе электролиза, %
- •5.4. Производство титана
- •5.4.1. I стадия - механическое обогащение ильменитовых руд
- •5.4.2. II стадия - химическое обогащение
- •5.4.3. Ill стадия - получение чистых TiCl4 и то2
- •Непрерывного действия:
- •И кипения (верхняя горизонталь) некоторых хлоридов; штриховкой показан температурный диапазон, в котором производится ректификация TiCl4
- •От примесей:
- •Хлоридов; 7 - бак для сбора высококипящих хлоридов; 8 - запорные и регулирующие краны;
- •5.4.4. Получение конечной продукции
- •Восстановлением TiCl4
- •Для алюмотермического производства ферротитаиа:
- •Производство изделий из металлов и сплавов металлургическими методами
- •6.1. Обработка металлов давлением
- •Классификация процессов обработки металлов давлением. Методы омд
- •Классификация процессов листовой штамповки
- •6.1.1.1. Прокатка
- •6.1.1.2. Ковка
- •Боёк; 3 - обрабатываемое изделие; 4 и 5 - верхний и нижний штампы;
- •6.1.1.3. Штамповка
- •6.1.1.4. Прессование
- •6.1.1.5. Волочение
- •6.1.2. Элементы теории обработки металлов давлением
- •Оценка степени деформации металлического тела
- •Напряженное состояние
- •Принцип минимума энергии деформации (наименьшего сопротивления)
- •Элементы теории продольной прокатки
- •Очаг деформации, угол захвата
- •Опережение и отставание
- •Уширение при прокатке
- •Усилие и давление при прокатке
- •Механическое оборудование прокатных цехов
- •Главная линия прокатного стана и ее элементы
- •Вспомогательное оборудование
- •Классификация прокатных станов
- •Для холодной прокатки жести:
- •И рельсобалочных станах:
- •И трамвайные рельсы; 8 - двутавровая балка; 9 - швеллер; 10 - z-образный профиль
- •Технология прокатного производства
- •Нагрев металла перед омд
- •Калибровка прокатных валков
- •Для упрощения рисунка из девяти калибров приведено только четыре
- •Производство заготовок
- •Стана 900/700/500
- •Производство рельсов и балок
- •Производство листового проката
- •Стана холодной прокатки
- •Обозначения те же, что и на рис. 6.23
- •Производство труб
- •6.2. Литейное производство
- •Принципиальная схема изготовления отливок
- •6.2.2. Формовочные материалы и смеси
- •6.2.2.1. Требования, предъявляемые к формовочным и стержневым смесям
- •Свойства компонентов формовочных и стержневых смесей
- •6.2.3. Изготовление форм
- •6.2.4. Заливка форм металлом
- •Основные элементы литниковых систем
- •Типы литниковых систем
- •6.2.5. Литейные сплавы
- •6.2.6. Дефекты отливок
- •6.2.7. Специальные методы литья
- •6.2.7.1. Литье по выплавляемым моделям
- •С выплавляемыми моделями
- •Литье в металлические формы
- •Литье под давлением
- •Литье под регулируемым давлением
- •Центробежное литье
5.1.5. IV стадия - методы повышения качества стали
Стали, получаемые по описанным выше давно и широко применяемым технологиям - «классическим» (мартеновскому, конвертерному, в открытых дуговых печах), часто не удовлетворяют по качеству требованиям конструкторов, разрабатывающих установки для новых отраслей промышленности: ядерной, космической, современного высокоскоростного транспорта и др. Поэтому стали, предназначенные для изготовления ответственных изделий, подвергаются дополнительной обработке, направленной на дальнейшую очистку металла от нежелательных (вредных) элементов, растворенных газов, неметаллических включений. Для подтверждения высокой эффективности так называемых «внепечных» способов обработки стали можно привести следующие данные. Долговечность подшипников, изготовленных из обработанной внепечными способами стали, увеличилась в 10 раз; в 7 раз выросла ударная прочность стали после внепечной десульфурации (с 0,025 до 0,002% S).
Идея внепечной обработки (внепечного рафинирования) жидкой стали заключается в том, чтобы с помощью специальных агрегатов или специальных устройств осуществить необходимое рафинирование от вредных примесей и доводку металла не в печи, а в сталеразливочном ковше, причем намного быстрее, чем в печи. Основные способы внепечного рафинирования стали (вакуумирование, обработка шлаком, инертным газом) в промышленных условиях начали применяться с конца 1950-х годов, несколько позднее внедрена в производство внепечная обработка порошкообразными материалами (продувка порошками). Первоначально внепечная обработка широко не использовалась в производстве стали, да и эффект от ее применения был не очень велик. Основные причины этого заключались в следующем:
1) в процессе внепечной обработки быстро понижалась температура жидкого металла в ковше, поэтому приходилось перегревать металл в печи (на 50 - 70°С), что было совершенно невыгодно;
2) сильно нагретый металл приходилось интенсивно перемешивать в ковше, очень часто вместе со шлаком, в таких условиях традиционная шамотная футеровка сталеразливочных ковшей быстро разрушалась;
3) отдельные операции внепечного рафинирования (например, обработка шлаком, вакуумирование, продувка порошками) осуществлялись в разных местах разливочного пролета, что требовало частых и многочисленных перемещений сталеразливочного ковша с жидким металлом, увеличивало загруженность кранов и существенно затрудняло и осложняло организацию работ в разливочном пролете;
4) классическая технология электроплавки и ее видоизменения плохо сочетались с идеей и практикой внепечного рафинирования металла.
Потребовались определенное время и усилия металлургов и конструкторов, чтобы органично вписать внепечную обработку жидкого металла в технологическую схему работы современного электросталеплавилыюго цеха. Для этого пришлось отказаться от классической технологии плавки; изменить планировку цеха и использовать выпуск плавки в ковш, установленный на сталевозной тележке; создать специальные агрегаты комплексной внепечной обработки стали с обязательным подогревом металла (ковш-печь); заменить шамотную футеровку сталеразливочных ковшей на более стойкую, с повышенной огнеупорностью (высокоглиноземистый кирпич, смолодоломитовый кирпич, магнезитхромитовый кирпич и т.д.). Благодаря этому уже с 1970-х годов внепечная обработка жидкой стали все шире применяется в электросталеплавильных цехах со сверхмощными дуговыми печами. В настоящее время трудно представить эффективно работающий высокопроизводительный электросталеплавильный цех без агрегатов внепечной обработки стали, ставших неотъемлемым элементом современной технологии производства электростали. (См. раздел 5.1.6). Современные установки внепечной обработки стали типа ковш-печь в сочетании с установками внепечного вакуумирования позволили не только значительно сократить длительность плавки в дуговой печи, повысить качество металла, организовать эффективную разливку стали на МНЛЗ, но и освоить производство легированных сталей в сверхмощных печах при относительно низком и стабильном расходе легирующих материалов.
В практике применяют следующие виды внепечной обработки.
Обработка стали синтетическими шлаками. В сталеразливочный ковш перед выпуском стали из конвертера или печи заливают предварительно подготовленный расплавленный шлак в количестве 5-8% от массы стали. Затем в ковш с высоты 3-4 м выпускают сталь небольшой струей. В результате интенсивного перемешивания и эмульгирования резко возрастает поверхность контакта стали со шлаком, что обуславливает высокие скорости процессов десульфурации и раскисления металла. Наилучшими физико-химическими свойствами обладают шлаки состава: СаО = 50 - 55%; А12О3 = 40 - 45%, при минимальном содержании FeO (<1%) и SiО2 (<5%).
Обработка металла вакуумом. Во время обработки вакуумом происходит выделение из жидкой стали СО, СО2, N2 и особенно активно Н2, оксидных неметаллических включений. Из различных способов вакуумной обработки стали (рис. 5.34) наиболее эффективны вариант а и особенно б. Струя металла, падающая из ковша в ковш или в изложницу, в вакууме (100-400 Па) распадается на отдельные капли. Благодаря увеличению удельной поверхности металла значительно ускоряется процесс дегазации. В варианте б исключено насыщение стали газами в период ее разливки в слитки. Варианты в и г применяют для обработки больших масс металла.
Продувка стали инертными газами. При этом способе происходит интенсивное перемешивание стали, благодаря чему ускоряются процессы удаления газов и неметаллических включений (в результате укрупнения мелких капель оксидов при столкновениях). Расход газа (обычно аргона) составляет 0,5- 2,5 м3/т стали.
Рис.5.34. Схемы установок внепечного вакуумирования стали:
а - при переливе из ковша в ковш: б - при разливке металла; в - с применением циркуляционной камеры; г - с применением камеры для порционного вакуумирования;
д - в ковше, устанавливаемом в стационарную камеру
Продувка стали газо-порошковыми струями. Для удаления фосфора вдувают воздухом в сталь измельченные известь, железную руду и полевой шпат. Для удаления серы вдувают аргоном порошкообразную смесь извести с полевым шпатом. С целью науглероживания вдувают инертным газом порошки графита, кокса, древесного угля. За короткое время обработки удается достичь хороших результатов.
Электрошлаковый переплав металла. При прохождении электрического тока через слой жидкого шлака, обладающего значительным электрическим сопротивлением, в нем выделяется тепло, которого хватает для расплавления конца переплавляемого электрода, погруженного в шлак. Капли металла, проходя через шлак, очищаются от серы и оксидных неметаллических включений и, накапливаясь в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе, образуют слиток. Быстрое застывание предотвращает образование в слитке дефектов, связанных с ликвацией вредных элементов. Расходуемый электрод готовят из слитка обычной стали путем ковки, прокатки или полунепрерывной разливки.
В процессе электрошлакового переплава содержание в стали Сu; Мn; Ni; Cr; V; W, Мо не изменяется; Si; Ti; AI частично выгорают. Степень десульфурации достигает 80%; содержание серы в стали составляет 0,005-0,006%. Расход электроэнергии 1400 кВт/т стали.
Этим способом обрабатывают шарикоподшипниковые, жаропрочные стали, конструкционные стали авиационного назначения и др.