Основы современной металлургии черных и цветных металлов. Лекция №1. Часть I

1.

Основы
современной
металлургии черных
и цветных металлов
ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ И СВАРКА.
Ст. преподаватель кафедры МТД
А.В. Агузаров
Лекция №1. Часть I

2.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Из 107 элементов
Периодической системы
элементов Д. И. Менделеева
промышленность использует
74 элемента - металлов и
несколько неметаллов,
получаемых на предприятиях
металлургии.
Металлы – наиболее
распространенные и широко
используемые материалы в
производстве и в быту
человека. Особенно велико
значение металлов в наше
время, когда большое их
количество используют в
машиностроительной
промышленности, на
транспорте, в промышленном,
жилищном и дорожном
строительстве, а также в
других отраслях.

3.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Сортамент прокатных
сталей:
а – равнобокий уголок;
б – неравнобокий уголок;
в – швеллер;
г – двутар;
д – подкрановый рельс;
е – круглая;
ж – квадратная;
з – полосовая;
и – шпунтовая свая;
к – листовая;
л – рифленая;
м – волнистая

4.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Металлургия - область науки или отрасль промышленности, охватывающая различные
процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы,
способствующие улучшению свойств металлов и сплавов. Металлы являются основой
экономики страны. В природе очень редко металлы встречаются в чистом виде. К ним
относятся золото, серебро, медь. Остальные металлы находятся в виде соединений - руд,
которые принято называть полезными ископаемыми. На заре развития человеческого
общества люди научились получать и обрабатывать такие металлы, как медь, железо,
серебро, золото, олово и свинец. По мере развития культуры число используемых
человеком металлов увеличивалось. Металлы и сплавы условно принято подразделять на
две основные группы - черные и цветные. К черным металлам относят железо и его
сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы составляют группу цветных.
Объем производства черных металлов в значительной степени определяет уровень
технического развития той или иной страны. Современное машиностроение является
основным потребителем производимых металлургической промышленностью металлов. В
любой отрасли машиностроения - тяжелом машиностроении, станкостроении,
судостроении, автомобильной и авиационной промышленности, электронике и
радиотехнике из черных металлов изготовляют огромное число деталей машин и
приборов.
Значительная
доля
черных
металлов
потребляется
современным
промышленным и гражданским строительством.

5.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
В начальной стадии развития металлургии чугуна не производили. Металлические
изделия изготавливали из железа, которое получали в сыродутных горнах в
тестообразном состоянии. Горн выкладывали из камней и внутри обмазывали глиной. В
нижней части горна устраивали отверстия для подачи воздуха. В горн загружали куски
руды, древесный уголь в нижнюю часть горна через отверстия, мехами подавали воздух.
Древесный уголь, сгорая, развивал температуру до 1000 оС, при этом окислы руд
взаимодействовали с окисью углерода, твердым углеродом топлива и восстанавливались
до железа. Частички восстановленного железа сваривались между собой, образуя крицу,
которую извлекали из горна и проковывали. Кроме железа, получались шлаки, богатые
окислами железа.
Железо получалось неоднородного состава с наличием большого количества окислов.
Требовался большой расход топлива, производительность горна была низкой.
Производительность горнов повышалась за счет увеличения их высоты, таким образом,
появились так называемые домницы, В них в верхних зонах температура понижалась,
большая часть окислов железа восстанавливалась до металлического состояния раньше,
чем начиналось шлакообразование. Резко сокращалось количество железистого шлака,
присутствие которого препятствовало значительному науглероживанию железа в
сыродутных горнах. Железо в печи науглероживалось, плавилось при более низких
температурах и выпускалось из печи в жидком виде. Такой металл называли чугуном.

6.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
В начале полученный чугун не умели применять, так как он не поддавался ковке, затем использовали его способность плавиться
при более низкой температуре, чем железо и стали изготовлять несложные отливки. Позднее, из такого чугуна начали
получать ковкое железо.
Передел чугуна давал возможность получить малоуглеродистое железо более высокого качества, чем сыродутное железо.
Экономически целесообразным оказалось сначала выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его на ковкое железо.
Таким образом, возник двухстадийный процесс получения железа, сохранивший свое значение до настоящего времени.
Дополнительно повышение выпуска чугуна в домницах способствовало перевод воздуходувных мехов на движение водой.
На Руси было построено большое количество домниц в районах Новгорода, Тулы, Каширы, Серпухова, Костромы, Вычегды и
Приуралья.
Позднее домница была реконструирована в печь для выплавки чугуна. Реконструкция заключалась в уменьшении поперечных
размеров горна и увеличении высоты. Таким образом, домница превратилась в доменную печь. Возникновение доменного
производства относится к середине ХIV в ( 1340 г.)
В период ХV и XV в. доменное производство развивалось медленно. Горючим служил древесный уголь.
Начиная с конца ХVI в. Россия вырабатывала и поставляла на мировой рынок большое количество металла. Особенно
развивалась металлургия на Урале. В 1870 г. было выплавлено 150000 пудов чугуна, а в 1900 г. 9971000 пудов. Значительное
количество металла Россия продавала за границу. В Англию было вывезено железа в 1716 г. 2200 пудов, в 1782 г. 200000 пудов, в
1786 г. I737840 пудов и в 1793 г. 2199720 пудов.
К концу ХVIII в. в России были построены самые крупные доменные печи в мире. Исключительная заслуга в развитии
металлургии принадлежит М.В. Ломоносову, который впервые написал учебник "Первые основания металлургии и рудных дел".
М.В. Ломоносов на много лет опередил иностранных ученых в создании теории о движении газов в печах и рудниках. Основы
теории М.В. Ломоносова о движении газов по сей день остаются незыблемыми.

7.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов

8.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов

9.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Большое значение в современной технике имеют и цветные металлы, которые широко применяют во всех
отраслях народного хозяйства: в машиностроении, самолетостроении, радиомеханике и электронике. Все
большее производство и применение цветных металлов в технике объясняется их физико-механическими
и другими свойствами, которыми не обладают черные металлы и сплавы. Металлы в чистом виде
применяются очень редко, за исключением меди и алюминия.
Эти металлы используются в основном в электротехнической промышленности, как проводники
электрического тока. Чистые металлы широко используются как компоненты (легирующие элементы) для
получения сплавов. К таким металлам относятся медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а
также бериллий, германий, кремний.
Наша страна имеет мощную черную и цветную металлургию, обеспечивающие потребности
промышленности в металле в виде прокатной продукции. Развитие металлургии идет по пути
совершенствования методов плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства,
внедрения новых перспективных технологических процессов, обеспечивающих улучшение техникоэкономических показателей и качества выпускаемой продукции.
Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных
производств, базирующийся на месторождениях руд, коксующихся углей, энергетических мощностях. Оно
включает следующие комбинаты, заводы, цехи шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей.

10.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
горно-обогатительные комбинаты, где подготовляют руды к плавке, т. е.
обогащают их;
коксохимические заводы или цехи, где осуществляют подготовку углей, их
коксование и извлечение из них полезных химических продуктов:
энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных
печей), кислорода, а также очистки газов металлургических производств;
доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;
заводы для производства ферросплавов;
сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные)
для производства стали;
прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат балки, рельсы, прутки, проволоку, а также лист и т. д.

11.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Основой современной
металлургии стали является
двухступенчатая схема, которая
состоит из доменной выплавки
чугуна и различных способов его
передела в сталь. При доменной
плавке, осуществляемой в
доменных печах, происходит
избирательное восстановление
железа из руды, но одновременно
из руды восстанавливаются также
фосфор и в небольших количествах
марганец и кремний; железо
науглероживается и частично
насыщается серой. В результате из
руды получают чугун - сплав
железа с углеродом, кремнием,
марганцем, серой и фосфором.

12.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Передел чугуна в сталь производят в конвертерах, мартеновских и электрических
печах. В этих агрегатах происходит избирательное окисление примесей чугуна
таким образом, что в процессе плавки они переходят в шлак и газы. В результате
получают сталь заданного химического состава.
Основной продукцией черной металлургии являются:
1) чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный для
производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах;
основное количество (до 60 %) выплавляемого чугуна - передельный;
2) ферросплавы (сплавы железа с повышенным, содержанием марганца,
кремния, ванадия, титана) для производства легированных сталей;
3) стальные слитки для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков,
полос, проволоки), а также листа, труб и т, д.;
4) стальные слитки для производства крупных кованых деталей машин (валок,
роторов, турбин, дисков и т. д.), называемые кузнечными слитками.

13.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
ВИДЫ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ:
а – гладкая стержневая;
б – горячекатанная периодического профиля класса А-II;
в – то же класса А-III;
г – холодносплющенная с четырех сторон;
д – то же с двух сторон;
е – витая.

14.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Широкое применение нашли металлы при выполнении подвесных потолков в зданиях
промышленного и общественного назначения. Для несущего каркаса используют гнутые реечные
или прессованные профили, из алюминиевых сплавов или стали, защищенной
антикоррозионным покрытием. Лицевые элементы, которые обеспечивают потолку
декоративность и акустические свойства, представляют собой листовую сталь или листы из
алюминиевых сплавов, которые могут быть плоскими, объемными, гладкими и
гофрированными, с перфорацией и без нее.
С целью повышения износостойкости полов в производственных помещениях, где их
поверхность подвергается механическим воздействиям транспорта, верхнее покрытие
выполняют из металлоцементного состава, содержащего цемент, воду и дробленую стальную
обезжиренную стружку. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки,
для покрытия используют гладкие и рифленые чугунные дырчатые и стальные штампованные
плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены также для горячих цехов
(кузнечных, сталеплавильных, литейных, прокатных), где их применяют в зонах нагрева пола до
1000 –1400 °С (остывание на полу раскаленных металлических болванок и деталей, попадание
расплавленного металла в виде брызг).

15.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Широкое применение нашли металлы при выполнении подвесных потолков в зданиях
промышленного и общественного назначения. Для несущего каркаса используют гнутые реечные
или прессованные профили, из алюминиевых сплавов или стали, защищенной
антикоррозионным покрытием. Лицевые элементы, которые обеспечивают потолку
декоративность и акустические свойства, представляют собой листовую сталь или листы из
алюминиевых сплавов, которые могут быть плоскими, объемными, гладкими и
гофрированными, с перфорацией и без нее.
С целью повышения износостойкости полов в производственных помещениях, где их
поверхность подвергается механическим воздействиям транспорта, верхнее покрытие
выполняют из металлоцементного состава, содержащего цемент, воду и дробленую стальную
обезжиренную стружку. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки,
для покрытия используют гладкие и рифленые чугунные дырчатые и стальные штампованные
плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены также для горячих цехов
(кузнечных, сталеплавильных, литейных, прокатных), где их применяют в зонах нагрева пола до
1000 –1400 °С (остывание на полу раскаленных металлических болванок и деталей, попадание
расплавленного металла в виде брызг).

16.

Основы современной металлургии черных и цветных металлов
Для наружной отделки фасадов зданий все чаще применяют двух- и трехслойные панели и блоки, лицевая отделка
которых выполнена из стального листа, защищенного антикоррозионной краской, оцинкованной стали с пластиковым
покрытием или листов профилированного алюминия. Применение этих крупноразмерных материалов не только
улучшает внешний вид зданий, повышает их долговечность, но и обеспечивает надежную теплоизоляцию, так как
внутренний слой представляет собой пористый полимерный материал.
Практикой строительства доказана эффективность использования для ограждающих конструкций(наружные стеновые
панели, плиты покрытия) двух- и трехслойных панелей типа «сэндвич». В них внутренний и наружный слои выполнены
из листов оцинкованной стали или алюминиевых сплавов, между которыми расположен плитный утеплитель.
Для выполнения кровли в жилых зданиях применяют тонколистовую кровельную, оцинкованную сталь и
металлочерепицу, промышленных – профилированный стальной оцинкованный настил. Металлочерепица
представляет собой гофрированные стальные листы, реже – алюминиевые толщиной около 0,5 мм с защитным и
декоративным полимерными покрытиями (полиэстер, пластизоль и др.). В зависимости от геометрии профиля
выпускают изделия различного цвета с торговыми названиями «Монтерей», «Каскад» и др. площадью 8 – 10 кв.м или в
виде мелкоштучных изделий площадью около 0,5 кв.м.
Алюминиевую фольгу используют при изготовлении таких рулонных кровельных материалов, как фольгоизол,
фольгобитеп, фольгорубероид, которые обладают повышенной прочностью и огнестойкостью. Для устройства
монтируемой гидроизоляции подземных конструкций используют листовую низколегированную нержавеющую сталь.
Рулонную алюминиевую фольгу в сочетании с плитным или рулонным высокопористым материалом применяют
для теплоизоляции строительных конструкций, трубопроводов технологического оборудования. Алюминиевую пудру
используют в качестве пигмента для получения серебряной краски и как газообразующую добавку при производстве
ячеистого бетона

17.

Физикохимические основы
строения и
свойства металлов
ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ И СВАРКА.
Ст. преподаватель кафедры МТД
А.В. Агузаров
Лекция №1. Часть II

18.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Различают:
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
К физическим относят удельный вес, цвет, электропроводность. К характеристикам
этой группы относятся также теплопроводность, плавкость и плотность металла. К
механическим характеристикам относят пластичность, упругость, твердость,
прочность, вязкость. Химические свойства металлов включают в себя коррозийную
стойкость, растворимость и окисляемость. Такие характеристики, как
«жидкотекучесть», прокаливаемость, свариваемость, ковкость, являются
технологическими.

19.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Физические свойства
Цвет. Металлы не пропускают свет сквозь себя, то есть непрозрачны. В отраженном свете каждый элемент обладает
своим собственным оттенком – цветом. Среди технических металлов окраску имеет только медь и сплавы с ней. Для
остальных элементов характерным является оттенок от серебристо-белого до серо-стального.
Плавкость. Эта характеристика указывает на способность элемента под воздействием температуры переходить в
жидкое состояние из твердого. Плавкость считается важнейшим свойством металлов. В процессе нагревания все
металлы из твердого состояния переходят в жидкое. При охлаждении же расплавленного вещества происходит
обратный переход – из жидкого в твердое состояние.
Электропроводность. Данная характеристика свидетельствует о способности переноса свободными электронами
электричества. Электропроводность металлических тел в тысячи раз больше, чем неметаллических. При увеличении
температуры показатель проводимости электричества снижается, а при уменьшении температуры, соответственно,
повышается. Необходимо отметить, что электропроводность сплавов будет всегда ниже, нежели какого-либо
металла, составляющего сплав.
Магнитные свойства. К явно магнитным (ферромагнитным) элементам относят только кобальт, никель, железо, а
также ряд их сплавов. Однако в процессе нагревания до определенной температуры указанные вещества теряют
магнитность. Отдельные сплавы железа при комнатной температуре не относятся к ферромагнитным.
Теплопроводность. Эта характеристика указывает на способность перехода тепла к менее нагретому от более
нагретого тела без видимого перемещения составляющих его частиц. Высокий уровень теплопроводности позволяет
равномерно и быстро нагревать и охлаждать металлы. Среди технических элементов наибольшим показателем
обладает медь.

20.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Химические свойства металлов
Коррозийная стойкость. Коррозией называют разрушение вещества в результате электрохимического
или химического взаимоотношения с окружающей средой. Самым распространенным примером
считается ржавление железа. Коррозийная стойкость относится к важнейшим природным
характеристикам ряда металлов. В связи с этим такие вещества, как серебро, золото, платина
получили название благородных. Обладает высокой коррозийной сопротивляемостью никель и
прочие цветные металлы. Черные металлы подвержены разрушению быстрее и сильнее, нежели
цветные.
Окисляемость. Эта характеристика указывает на способность элемента вступать в реакцию с О2 под
влиянием окислителей.
Растворимость. Металлы, обладающие в жидком состоянии неограниченной растворимостью, при
затвердении могут формировать твердые растворы. В этих растворах атомы от одного компонента
встраиваются в кристаллическую решетку другого составляющего только в определенных пределах.

21.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Механические свойства
Характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным
механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость,
пластичность, хрупкость и др.
Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию
внешних сил.
Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более
твердого тела под действием нагрузки.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием
динамических нагрузок.
Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после
прекращения действия нагрузки.
Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под
действием внешних сил, не разрушаясь при этом.
Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без
остаточных деформаций.

22.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся
Жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость,
коррозионная стойкость и стойкость и др.
Жаростойкость характеризует способность металлического материала
сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические
свойства при высокой температуре.
Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его
поверхностных слоев при трении.
Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться
действию ядерного облучения.

23.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Элементарная кристаллическая ячейка –
наименьший комплекс атомов, повторяя
который многократно, можно построить весь
кристалл.
У металлов чаще всего встречаются три типа
элементарных кристаллических ячеек:
В кубической объемноцентрированной (ОЦК)
решетке восемь ионов располагаются по
вершинам и один в центре куба, на
пересечении диагоналей.
Объемноцентрированную кубическую
решетку имеют кристаллы железа при
комнатной температуре, хрома, вольфрама,
молибдена, ванадия и др. Эта решетка
характеризуется всего одним параметром
решетки – расстоянием между центрами двух
ионов, расположенных по одному ребру

24.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Многие металлы, используемые в
технике, имеют
гранецентрированную кубическую
решетку. В элементарной решетке
гранецентрированного куба ионы
расположены по вершинам куба и в
центре каждой грани (на
пересечении ее диагоналей). Центр
куба остается свободным. Такую
кристаллическую решетку имеют
кристаллы меди, никеля, алюминия,
свинца, серебра и др.
гранецентрированная решетка также
характеризуется одним параметром –
длиной ребра куба а.

25.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Гексагональная решетка
характеризуется двумя
параметрами: а и с. Наибольшая
плотность упаковки достигается
при соотношении параметров с/а =
1.633. Гранецентрированная
решетка с таким соотношением
параметров называется
гранецентрированной
плотноупакованной. Такую
решетку имеют титан, цирконий,
кобальт, цинк, магний и др.

26.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Диаграмма состояния
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния
сплава. Если изменится состав сплава, его температура, давление, то состояние
сплава изменится, и это находит отражение в диаграмме состояния.
Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, которые при данных
условиях обладают минимальным уровнем свободной энергии. Поэтому
диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, поскольку
показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.
Следовательно, и изменения в состоянии, которые отображены на диаграмме,
относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перенагрева или
переохлаждения. Так как превращения в отсутствии перенагрева или
переохлаждения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма
состояния представляет собой теоретический случай.

27.

Физико-химические основы строения и свойства металлов
Диаграмма железоцементит имеет двойную
концентрационную ось
абсцисс. Содержание
углерода и содержание
цементита.
Линия ABCD является
ликвидусом. Это линия –
геометрическое место
точек начала
кристаллизации. Линия
AHJECF – солидус.
Геометрическое место
точек конца
кристаллизации