Возникновение и развитие металлургии. История развития металлургии в России. Возникновение и развитие высшего металлургического образования

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАО ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Направление 150.400.62 - металлургия

Екатеринбург

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..……… 2

1. Возникновение и развитие металлургии………………….………………………………… 4

История развития металлургии в России. Возникновение и развитие высшего

металлургического образования….………………………………………...………………… 5

1.2. Выдающиеся российские ученые металлурги………………..……………...……….…..… 8

История развития металлургии и металлургического образования на Урале.

Подготовка персонала для металлургических предприятий…..…...………………….. 29

Основатель Уральской научно-педагогической школы по обработке металлов

2.2. Развитие теории обработки металлов давлением и работа на заводах………………. 30 2.3. Создание новых методов расчета формоизменения и силы деформации………..……… 2.4. Кафедра "Обработка металлов давлением"……………………………………………… 35

Кристаллическое строение металлов. Аллотропические или полиморфные превра-

щения…………..………………………………………………………………………..……… 50

3.4. Структура реальных кристаллов…………………………………………………….…….. 54

3.5. Кристаллизация металлов…………………………………………………………………... 55

3.6. Сплавы…………………………………………………………………………………………. 59

3.6.1. Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь компонентов……...... 60

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твер-

3.6.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы…...…… 62 3.6.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения……………….…… 3.7. Свойства и деформация металлов и сплавов………………………………….…………. 64

ВВЕДЕНИЕ

Абсолютное большинство изделий, машин, сооружений, которыми поль­зуется человек, изготовлено из металлов. Это машиностроение: автомобильный, железнодо­рожный, авиационный, водный и трубный виды транспорта, станки, сельскохозяйственные машины; приборостроение: аппаратура связи, радиоэлектроники и др.; объекты энергетики: атомные, тепло- и гидроэлектростанции, линии электропередач, предприятия нефтегазового комплекса, магистральные газо- и нефтепроводы; объекты промышленного и гражданского строительства, а также многие предметы быта. Без металлов жизнь современного человека невозможна.

Такая всеобъемлющая роль металлов обусловлена не только тем, что они составляют большинство элементов, существующих в природе - 90 из 108, но, главным образом, благодаря многообразию их свойств, позволяющих удовлет­ворять разнообразные требования потребителей. Не прекращается разработка сплавов с новыми, уникальными физическими и химическими свойствами.

Почти все металлы активно вступают в химические взаимодействия с другими элементами, в связи с чем в природе металлы, как правило, находятся в виде разнообразных химических соединений, к тому же смешанных с другими, не содержащими данного металла, соединениями. Такие природные вещества, служащие исходным сырьем для получения металлов, называют рудами.

Металлургия (от греческого metallurgeo) - в первоначальном значении - искусство извлечения металлов из руд.

В современном, более широком смысле металлургия - область науки и техники и отрасль промышленности, занимающаяся извлечением металлов из руд, переработкой металлоотходов и изготовлением из полученных металлов и сплавов разнообразных металлических изделий. В наши дни металлургическое производство представляет сложный комплекс разнообразных технологий, которые можно разделить на три этапа:

I - подготовка добытой из недр земли руды, её обогащение с целью повышения технических и экономических показателей при дальнейшей металлургической пере­работке;

II - извлечение металла из руды методами высоко- и низкотемпературной металлургии; производство сплавов;

III - изготовление из металлов и сплавов изделий способами обработки давлением, литья и сварки, улучшение свойств металлов и сплавов путем термической, термомеханической, химикотермической обработки.

В качестве примера ниже приведена типичная схема металлургического передела железных руд.

Этапы металлургического передела железных руд

 

 

 

Металлургические процессы применяются также для производства полу­проводников и некоторых неметаллов (кремния, фосфора, серы, мышьяка, германия, селена, теллура и др.).

Объем производства черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития той или иной страны.

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, энергетики, сельского хозяйства и транспорта в металле. Развитие металлургии идет по пути совершенствования способов плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства, внедрения новых энерго- и материалосберегающих, экологически безопасных технологических процессов, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей и качества выпускаемой продукции.

 

 

 

Возникновение и развитие

Металлургии

Люди умели плавить медь ещё в 7-6-м тысячелетиях до н.э. Во втором тысячелетии до н.э. человек научился производить сплавы меди с оловом - брон­зы,… Представление о печах для выплавки меди (а также золота, серебра, свин­ца),…  

Рис. 1.1. Плавильная печь

Первые попытки производства меди в России относятся к XIII веку (Ар­хангельская обл.). Промышленное производство меди было освоено через три столетия. Первый медеплавильный завод на Урале был построен в 1640 г. Бур­ный рост выплавки меди в России начинается с 1900 гг.

Кардинально улучшились технико-экономические показатели переработ­ки сульфидных медных руд (а также сульфидных руд других цветных метал­лов) в результате использования двух технических решений (в конце XIX века):

- флотационного метода обогащения сульфидных руд, благодаря чему ста­ло возможным вовлечение в рентабельную переработку бедных руд (с содержа­нием металла менее 1%);

- продувки расплавленных штейнов воздухом, обеспечивающим эффектив­ное отделение меди от железа и серы.

 

Результаты проведения больших работ в нашей и других странах в последние десятилетия прошлого века позволили существенно улучшить технологический процесс производства меди: повысить степень извлечения меди из руд, разработать схему комплексной переработки медных руд с извлечением других цветных и драгоценных металлов и попутным получением большого количества различных химических веществ.

По мере освоения человеком методов получения металлов из руд и изготовления изделий из них медь уступила ведущее положение железу.

Железо среди других металлов занимает особое положение. Развитие материальной культуры, технический прогресс человеческого общества напрямую связаны с развитием, совершенствованием способов производства железа.

Следует отметить, что в практике используется не чистое железо, а его сплавы с другими элементами и в первую очередь с углеродом. Эти сплавы получили название черные металлы. По свойствам - в зависимости от содержания углерода - черные металлы делят на три группы: железо (техни­ческое) - до 0,02% С, сталь - 0,02-2,14% С и чугун - 2,14-7% С.

Доля черных металлов составляет примерно 95% от общего объема производства металлов. Черные металлы, и прежде всего стали, широко применяют в промышленности, транспорте, строительстве и в быту. Такое широкое распространение черных металлов обусловлено двумя обсто­ятельствами.

Во-первых, в земной коре содержатся большие запасы железорудного сырья, а стоимость извлечения железа из руд сравнительно невелика. По распространенности в земной коре железо занимает четвертое место (после кислорода, кремния, алюминия). Многие месторождения железных руд имеют запасы в сотни миллионов и даже в несколько миллиардов тонн, что позволяет строить крупные горнорудные предприятия, благодаря чему затраты на добычу 1 г руды оказываются невысокими. Стоимость производства черных металлов значительно ниже, чем цветных и редких металлов вследствие высокой концентрации железа в рудах (40-65%) и сравнительно небольшой энергии связи железа с кислородом в рудных минералах. Последнее позволяет применять для восстановления железа относительно недорогие и широко распространенные химические реагенты: углерод, монооксид углерода (из кокса, природного газа).

Во-вторых, черные металлы удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к конструкционным материалам в машиностроительной, электротехнической, строительной и других отраслях промышленности. Разнообразные свойства, которыми обладают различные стали (механические, магнитные, электрические, химические и др.), обусловлены введением в сплавы легирующих элементов и применением способов термической обработки.

Отрасль промышленности, которая занимается извлечением железа из руд и переработкой черных металлов, называется черная металлургия.

 

История развития металлургии в России.

Возникновение и развитие высшего металлургического образования

Появление в середине XIV века доменных печей открыло возможности для значительного увеличения выпуска металла. В России широкое развитие горного… Наиболее бурное развитие металлургия и железоделательное производство получили… В XVIII веке значительную часть чугуна и железа (30-80%) Россия вывозила за границу, главным образом в Англию, где…

Выдающиеся российские ученые металлурги

Бурному развитию металлургической промышленности в России способствовали исследования и научные разработки выдающихся русских ученых в области металлургии: М.В. Ломоносова, П.П. Аносова, П.М. Обухова, Д.К. Чернова, А.С. Лаврова, Н.В. Калакуцкого, В.Е. Грум-Гржимайло, М.А. Павлова, А.А. Байкова, Е.О. Патона, Б.Е. Патона, Н.Т. Гудцова, И.П. Бардина, А.Ф. Головина, С.И. Губкина, А.П. Чекмарева, А.И. Целикова, П.Т. Емельяненко, П.И. Полухина, В.С. Смирнова и других.

 

Ломоносов Михаил Васильевич

В XVIII веке были заложены основы науки о металле, созданы первые технические школы - начальные, средние и высшие - для подготовки квалифицированных… В 1741 году молодой ученый возвращается на Родину.  

Михаил Васильевич

Ломоносов

  С этого времени начинается его кипучая и необыкновенно разносторонняя… Однако наиболее активная деятельность Ломоносова в области металлургии началась лишь спустя два десятка лет после…

Аносов Павел Петрович

  В истории русской металлургии, пожалуй, нет личности более легендарной, чем… Родился Павел Петрович в Твери, а всемирно известным металлургом стал на Южном Урале, в Златоусте – городе, по сути,…

Обухов Павел Матвеевич

 

Павел Матвеевич Обухов

  Известный русский инженер и ученый-металлург П.М. Обухов родился в г.…  

Чернов Дмитрий Константинович

Дмитрий Константинович

Чернов

(1839 – 1921 гг.)

 

 

Дмитрий Константинович Чернов – русский учёный в области металлургии, металловедения, термической обработки металлов. Родился в семье фельдшера. В 1858 году окончил Петербургский практический технологический институт, затем работал в механическом отделении Петербургского монетного двора. В 1859 –1866 годах преподаватель, помощник библиотекаря и хранитель музея Петербургского практического технологического института. С 1866 года инженер молотового цеха Обуховского сталелитейного завода в Петербурге, в 1880 –1884 годах занимался разведкой месторождений каменной соли в Бахмутском районе (Донбасс); найденные им залежи получили промышленное значение. С 1884 года, по возвращении в Петербург, работал в Морском техническом комитете, с 1886 года (одновременно) главный инспектор министерства путей сообщения по наблюдению за исполнением заказов на металлургических заводах. С 1889 года профессор металлургии Михайловской артиллерийской академии.

В 1866—1868 годах в результате практического изучения причин брака при изготовлении орудийных поковок, а также глубокого анализа работ своих предшественников П.П. Аносова, П.М. Обухова, А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого по вопросам выплавки, разливки и ковки стальных слитков Чернов установил зависимость структуры и свойств стали от её горячей механической и термической обработки. Чернов открыл критические температуры, при которых в стали в результате её нагревания или охлаждения в твёрдом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Эти критические температуры, определённые Черновым по цветам каления стали, были названы точками Чернова. Чернов графически изобразил влияние углерода на положение критических точек, создав первый набросок очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо—углерод» (Железоуглеродистые сплавы). Результаты своего исследования, положившего начало современной металлографии, Чернов опубликовал в «Записках Русского технического общества» (1868, № 7), назвав его «Критический обзор статей гг. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д. К. Чернова исследования по этому же предмету». В другом крупном научном труде «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок» (1879) Чернов изложил стройную теорию кристаллизации стального слитка. Он детально исследовал процесс зарождения и роста кристаллов (в частности, дендритных стальных кристаллов, которые иногда называются кристаллами Чернова), дал схему структурных зон слитка, развил теорию последовательной кристаллизации, всесторонне изучил дефекты литой стали и указал эффективные меры борьбы с ними. Этими исследованиями Чернов во многом способствовал превращению металлургии из ремесла в теоретически обоснованную научную дисциплину.

Большое значение для прогресса металлургии стали имели труды Чернова в области интенсификации металлургических процессов и совершенствования техники производства. Он обосновал значение полноты раскисления стали при выплавке, целесообразность применения комплексных раскислителей, рекомендовал систему мероприятий, обеспечивающих получение плотного, беспузыристого металла. Чернов выдвинул идею перемешивания металла в процессе кристаллизации, предложив для этого вращающуюся изложницу.
Чернов многое сделал для совершенствования конвертерного способа производства литой стали. В 1872 году он предложил подогревать в вагранке жидкий малокремнистый чугун, считавшийся непригодным для бессемерования, перед продувкой его в конвертере; в дальнейшем этот способ нашёл распространение на русских и зарубежных заводах. Чернов применил спектроскоп для определения окончания бессемеровского процесса, одним из первых указал на целесообразность применения обогащенного кислородом воздуха для продувки жидкого чугуна в конвертере (1876). Чернов работал также над проблемой прямого получения стали из руды, минуя доменный процесс. Ему принадлежит ряд важных исследований в области артиллерийского производства: получение высококачественных стальных орудийных стволов, стальных бронебойных снарядов, изучение выгорания каналов орудий при стрельбе в результате действия пороховых газов и других факторов. Чернов известен также рядом работ по математике, механике, авиации.

Чернов – основоположник современного металловедения, основатель крупной научной школы русских металлургов и металловедов. Его научные открытия получили признание во всём мире. Чернов был избран почётным председателем Русского металлургического общества, почётным вице-председателем английского института железа и стали, почётным членом американского института горных инженеров и ряда других русских и иностранных научных учреждений.

 

Лавров Александр Степанович

 

Калакуцкий Николай Вениаминович

Николай Вениаминович Калакуцкий (1831 – 1889) – русский ученый в области металлургии и артиллерийского производства, генерал-майор артиллерии…  

Грум-Гржимайло Владимир Ефимович

Российский и советский изобретатель, инженер-металлург, педагог и организатор производства, член-корреспондент АН СССР (1927). Владимир Грум-Гржимайло родился в Петербурге, в семье экономиста. Закончил… С 1907 года Грум-Гржимайло – адъюнкт, а с 1911 по 1918 год – ординарный профессор Петербургского политехнического…

Владимир Ефимович

Грум-Гржимайло

    Грум-Гржимайло доказал экономическую целесообразность так называемого русского бессемерования, теоретически обосновал…

Павлов Михаил Александрович

Михаил Александрович

Павлов

(1863 – 1958гг.)

 

Родился в местечке Божий Промысел Ленкоранского уезда Бакинской губернии. Ученый-металлург. Член-кор-респондент АН СССР (1927). Академик АН СССР (1932). Герой Социалистического Труда(1945). Лауреат двух Сталинских премий(1943, 1947). Кавалер пяти орденов Ленина.

Учился в школе в Ленкорани, затем в Бакинском реальном училище. В 1885 году окончил Санкт-Петербургский горный институт. Работал инженером на металлургических заводах (Омутнинском, Кирсинском, Климковском) Омутнинского горного округа Вятской губернии; в 1896 – 1900 гг. – заведующий доменным производством на Сулинском заводе близ Ростова-на-Дону. С 1900 года – заведующий кафедрой чугуна только что созданного Высшего горного училища в Екатеринославе.

В 1904 – 1941гг. – профессор, декан металлургического факультета Санкт-Петербургского политехнического института; одновременно в 1921 – 1930 годах – профессор, создатель и руководитель кафедры металлургии чугуна Московской горной академии, затем (1930 – 1941) – Московского института стали, выделившегося из академии в самостоятельный институт (1930).

С первых шагов своей производственной деятельности Павлов занялся улучшением пудлинговых печей, газогенераторов, проводил опыты по применению в доменных печах го-рячего дутья. На Климковском заводе (в бывшей Вятской губернии) с двумя небольшими древесно-угольными печами и примитивным оборудованием Павлов выполнил работу, опи-санную затем под названием "Исследование плавильного процесса доменных печей Клим-ковского завода" (1902), где высказал новые взгляды на ряд важнейших факторов доменного процесса (температура дутья, развитие прямого восстановления окислов железа, экономия горючего при плавке на горячем дутье).

На Сулинском заводе Павлов впервые в России освоил и усовершенствовал доменную плавку на антраците. Активно сотрудничал в научных журналах; с момента основания (1910) "Журнала Русского металлургического общества" был его редактором. С 1902 года начал выпускать "Атлас чертежей по доменному производству". В дополнении к "Атласу" Павлов опубликовал (в 1911) свой способ определения размеров доменных печей, получивший всеобщее призвание. Широкую известность имела работа Павлова "Размеры мартеновских печей по эмпирическим данным" (1910). Книга Павлова "Расчет доменных шихт" (1914) стала настольным пособием каждого металлурга-доменщика. Павлов – автор курса "Металлургия чугуна" (1924). Многочисленные экспериментальные работы по исследованию доменного процесса, проведенные под руководством Павлова, показали ошибочность мнения о нецелесообразности увеличения размеров доменных печей и оказали влияние на современное доменное строительство. Павлов принимал активное участие в создании мощных доменных печей.

В годы Советской власти принимал активное участие в проектировании крупнейших металлургических заводов, доменных печей и сталеплавильных агрегатов. Большое внимание уделял расширению железорудных и топливных ресурсов металлургического производства, возглавлял экспериментальные работы по использованию торфа для доменной плавки, освоению выплавки чугуна из уральских титаномагнетитов и природно-легированных руд Халиловского района, руководил работами по агломерации и обогащению бедных железных руд, осуществил первые плавки на офлюсованном агломерате. Сделал крупный вклад в области экспериментальных исследований по внедрению кислородного дутья в металлургию.

Cоздал кафедру металлургии чугуна (ныне - кафедра экстракции и рециклинга чёрных металлов) МИСиС. Его интересы были обширны, знания - многогранны. Кроме собственно доменного производства, основного предмета научных изысканий М.А. Павлова, в сферу его интересов входили процесс пудлингования и мартеновские печи, процесс в бессемеровских конвертерах и функционирование различных топочных и нагревательных устройств и многое другое. М.А. Павлов многое в металлургической науке сделал впервые. Первым составил сводку термохимических данных по металлургическим реакциям и первым показал, как и почему ими надо постоянно пользоваться; впервые в России рассчитал полные тепловые балансы доменной плавки, исследовал и определил составы "нормальных" доменных шлаков, разработал методику расчета профиля доменной печи. Его учебник "Металлургия чугуна" выдержал шесть (!) изданий. Академик И.П. Бардин, не щедрый на комплименты, назвал М.А. Павлова "отцом российской металлургии". Другой, не менее известный ученый, ученик Анри Ле-Шателье академик А.А. Байков считал "честью называть себя учеником М.А. Павлова в вопросах металлургии". М.А. Павлов стоял во главе кафедры более 20 лет.

БАЙКОВ Александр Александрович

 

 

Александр Александрович

Байков

(1870 – 1946гг.)

 

Химик, материаловед, металлург. Член-корреспондент АН СССР (1928). Академик АН СССР (1932). Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1934). Лауреат Сталинской премии (1943). Кавалер трех орденов Ленина (1940, 1945), двух орденов Трудового Красного Знамени (1944). Герой Социалистического Труда (1945).

Родился в уездном городе Фатеже Курской губернии в большой семье, где был пятым ребенком. Его отец, получивший университетское образование и служивший в Курске присяжным поверенным, достиг чина надворного советника. Байков учился в Курской классической гимназии, после которой в 1889 году поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Оставленный при университете после его окончания (досрочного – за 4 года), он работал лаборантом университетской химической лаборатории.

А.А. Байков неоднократно бывал на Обуховском заводе (Санкт-Петербург), который считал «академией металлургических знаний». Здесь он общался с Д.К. Черновым, А.А. Ржешотарским, другими крупными и авторитетными металлургами. В 1896 году был командирован за границу, где, находясь во Франции, работал в частной лаборатории Г.Н. Вырубова (1899, исследования по кристаллографии) и в лаборатории профессора Анри Ле-Шателье (1899–1900). Вернувшись, Байков продолжал работу в институте, но некоторое время спустя оставил ее, будучи послан Петербургским политехническим институтом (где преподавал с 1902 г.) за границу для подготовки к профессорскому званию. Вернувшись на родину, сдал экзамены, защитил диссертацию под названием «Исследование сплавов меди и сурьмы и явлений закалки, в них наблюдаемых» и получил степень адъюнкта.

Байков был одним из основателей Русского Металлургического общества. В конце 1903 года он был избран экстраординарным профессором Политехнического института по кафедре металлургии. Он читал лекции по общей металлургии и металлографии (впервые вводившихся в учебный план), металлургии цветных металлов, технологии вяжущих веществ, технологии строительного искусства, неорганической химии. Организовал лаборатории металлургическую, металлографическую (первую этого профиля в высшей школе), технического и горнозаводского анализа, использовавшиеся как в учебном процессе, так и для научных исследований. В 1909 году был избран ординарным профессором по кафедре металлургии. Считался одним из лучших лекторов института.

Из наиболее ценных работ – исследование сплавов системы медь–сурьма (в том числе игольчатых структур в них), полиморфных превращений в никеле, шлаковых включений. В 1909 г. Байков разработал метод выявления зерна аустенита при высокой температуре (путем травления хлористым водородом в атмосфере азота), благодаря его применению наглядно доказал факт существования аустенита. В дальнейшем он нашел применение и при решении других вопросов.

Помимо педагогической деятельности энергично занимался научной работой, преимущественно в области металлургии и цементного дела.

Важнейшие достижения связаны с изучением превращений в металлах и разработкой актуальных вопросов теории металлургических процессов. С увлечением занимался металлографией. Изучал высокоуглеродистые фазы в сплавах системы железо–углерод, высказал ряд оригинальных идей в отношении графита и цементита. Им проведено более 40 фундаментальных исследований в области металлургии и металловедения. Эти работы имели многообразные практические приложения, в частности, в области разработки качественных сталей. В качестве работника высшей школы Байков сыграл важную роль в постановке в ней преподавания металловедения.

Для черной металлургии большое значение имеют работы А.А. Байкова, касающиеся физико-химических условий превращения оксидов железа, развитие им теории окислительных и восстановительных процессов; для цветной – разработка теории пиритной плавки.

Заслуги А.А. Байкова неоднократно высоко оценивались и до революции, и в Советской России. В 1940 году он получил первый орден Ленина, в 1943 году – Сталинскую премию I степени. В 1944 г. к наградам прибавился орден Трудового Красного Знамени (его он был удостоен дважды), в 1945 году – второй орден Ленина. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 10 июня 1945 года за выдающиеся заслуги в области металлургии и в укреплении оборонной мощи государства ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина (третьего) и Золотой медали «Серп и молот». Неоднократно награждался медалями, в их числе – «За оборону Ленинграда».

Являлся общественным деятелем. Избирался депутатом Верховного Совета СССР 1-го и 2-го созывов.

Патон Евгений Оскарович

 

Евгений Оскарович

  Родился в городе Ницца (Франция). Из дворян. Сын русского дипломата, бывшего… Окончил Дрезденский политехнический институт в Германии (1894) по специальности инженер-строитель и Петербургский…

Патон Борис Евгеньевич

 

 

Борис Евгеньевич

Патон

 

Родился 27 ноября 1918 года в семье профессора Киевского индустриального института Евгения Оскаровича Патона, который в то время заведовал кафедрой мостов и был известным специалистом в своей области, ставшим в 1929 году действительным членом Академии наук Украинской ССР.

В 1941 году Б.Е. Патон окончил Киевский политехнический институт и был направлен в Горький на завод "Красное Сормово", а в следующем году переведен на работу в Институт электросварки, находившийся в то время на Уралвагонзаводе в Нижнем Тагиле. На этом прославленном заводе в 1942 году началась производственная и научная деятельность Б.Е. Патона. С тех пор в течение одиннадцати лет Борис Евгеньевич работал вместе с отцом — это были годы его становления как научного работника и исследователя, а затем и как руководителя большого научного коллектива. Борис Евгеньевич оказался одним из наиболее одаренных учеников и достойным последователем своего отца.

В 1942 году Б.Е. Патон стал младшим, а затем старшим научным сотрудником, заведующим отделом, заместителем директора. С 1953 года по настоящее время Борис Евгеньевич возглавляет Институт электросварки имени Евгения Оскаровича Патона.

В 1945 году Б.Е. Патон защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук, а в 1952 году – доктора технических наук. В 1951 году был избран членом-корреспондентом, а в 1958 году – действительным членом (академиком) Академии наук Украины. С 1962 года Борис Евгеньевич является действительным членом Академии наук СССР (с 1992 года – Российской академии наук).

Выдающийся учёный в области электросварки, металлургии и технологии металлов. Научные исследования посвящены процессам автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, разработке теоретических основ создания автоматов для сварки и сварочных источников питания; проблемам управления сварочными процессами, создания новых перспективных конструкций и функциональных материалов будущего. Под его руководством создан принципиально новый способ сварки – электрошлаковый. Применение электрошлаковой сварки внесло коренные изменения в технологию производства таких изделий, как барабаны котлов высокого давления, станины тяжелых прессов и прокатных станов, колеса и валы гидротурбин и т. д. Вместо литых и кованых крупногабаритных деталей появились значительно более экономичные – сварные и сварно-кованые. Б.Е. Патон возглавил исследования по применению сварочных источников теплоты в целях повышения качества выплавляемого металла, основана новая отрасль металлургии – спецэлектрометаллургия. Впервые им были начаты и активизированы исследования в области применения сварки и родственных технологий в космосе, созданы космические конструкций. Б.Е. Патон является признанным лидером в этой сфере научно-технической деятельности. Он главный инициатор уникальной технологии сварки живых тканей, используемой в хирургии.

Автор и соавтор более 720 изобретений (500 иностранных патентов), более 1200 разнообразных публикаций, в том числе 20 научных монографий.

Мировой авторитет Б.Е. Патону принесли разносторонняя и чрезвычайно плодотворная научная и инженерная деятельность, стремление направить фундаментальные научные исследования на решение проблем общества.

Под руководством Б.Е. Патона выполнены исследования в области сварочных источников питания, в первую очередь сварочных трансформаторов. В эти годы автоматическая сварка под флюсом была одним из самых высокопроизводительных процессов. Промышленность нуждалась в новых разработках в этой области. В институте развернулись исследования металлургических процессов сварки под флюсом. В короткое время были созданы основы теории металлургии сварки и наплавки под флюсом, разработана гамма флюсов различного назначения. Созданы новые технологии и мощное производство плавленных флюсов.

В институте был создан новый процесс дуговой сварки под флюсом швов, расположенных в различных пространственных положениях. Этот способ позволил механизировать сварочные работы на строительных площадках.

Большой вклад внес Борис Евгеньевич в развитие контактной стыковой сварки. Впервые изучено влияние сопротивления короткого замыкания машин для контактной сварки на стабильность плавления и нагрева и свариваемость металла. Установлена высокая эффективность обратной связи по сварочному току. Предложены оригинальные конструкции трансформаторов, разработаны теоретические основы их расчетов. Под руководством Б.Е. Патона и при его непосредственном участии были созданы впервые в мировой практике системы многофакторного управления процессом контактной сварки оплавлением. Создано несколько поколений оригинальных машин, которые эксплуатируются в течение десятков лет во многих странах мира. Среди них — машины для сварки рельсов, уникальные комплексы внутритрубных контактных машин "Север", машины для сварки узлов ракет из алюминиевых сплавов и многие другие.

Способ дуговой сварки вольфрамовым электродом по слою активированного флюса-пасты, получившей впоследствии название А-ТИГ, был разработан в Институте электросварки им. Е.О. Патона в середине 60-х годов. Благодаря испарению флюса-активатора удается сжать столб дуги, в несколько раз увеличить глубину провара, повысить производительность сварки и улучшить форму швов. Эта оригинальная технология получила развитие в СССР и СНГ. Патоновская технология ПАТИГ нашла признание также в странах дальнего зарубежья.

Под руководством Б.Е. Патона Институт электросварки стал крупным материаловедческим центром, в котором работают и проводят самые сложные материаловедческие исследования высококвалифицированные специалисты по физике металлов, металловедению, электронной микроскопии, масс-спектроскопии, Оже-спектрометрии, анализу газов в металлах и сварных швах, рентген-спектральному элементному анализу и другим специальностям.

В 1954 году Б.Е. Патон возглавил исследование по использованию электрошлакового процесса для улучшения качества металлов и сплавов. В итоге возникло принципиально новое направление в металлургии — электрошлаковый переплав, который в короткие сроки нашел широкое применение и получил мировое признание. Лицензии на этот процесс приобрели фирмы многих стран мира. Он используется для улучшения свойств жаропрочных, нержавеющих, инструментальных, шарикоподшипниковых и других сталей и специальных сплавов. Металл электрошлакового переплава применяется в настоящее время при производстве роторов мощных турбин, валков прокатных станов, сосудов высокого давления, запорной арматуры тепловых и атомных станций, литого штампового инструмента и других ответственных изделий.

Еще в 1959 году были начаты работы по рафинированию металлов и сплавов с помощью электронного луча. Электронно-лучевая плавка оказалась эффективным способом повышения качества специальных сталей и сплавов на основе никеля и железа, эффективным технологическим процессом получения особо чистых ниобия, титана и многих сплавов на их основе. Успешно развивается электроннолучевая технология получения слитков титана. Разработаны новые высокопрочные титановые сплавы, легированные алюминием, цирконием, ниобием, железом, конструкции промышленных электронно-лучевых установок с промежуточной емкостью. Многие из них не имеют аналогов в мировой практике.

Развиты способ, оборудование и технологии плазменно-дугового переплава металлов и сплавов. Возможности применения плазменно-дуговой технологии особенно расширились после разработки плазмотронов переменного тока, что позволило существенно повысить надежность конструкций плавильных агрегатов и источников питания.

В последние годы в мировой металлургической практике широко используется внепечная обработка металлургических расплавов. В Институте электросварки им. Е.О. Патона созданы новые типы порошковых проволок, которые содержат высокоактивные элементы для микролегирования, модификации и десульфурации сталей и чугуна. Разработаны технология и оборудование для изготовления порошковых проволок большого диаметра.

Сегодня метод инжекционной металлургии широко применяется на металлургических заводах Украины и России. С его помощью обработаны десятки миллионов тонн стальных расплавов.

 

ГУДЦОВ Николай Тимофеевич

 

 

Николай Тимофеевич

Гудцов

(1885 – 1957гг.)

 

 

Родился в г. Мещовске Калужской губернии в семье учителя. Крупнейший советский учёный-металловед, специалист в области строения, свойств, термической обработки и легирования стали. Академик АН СССР (1939). Заслуженный деятель науки и техники РСФСР. Лауреат Сталинской премии (1943). Кавалер двух орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени, ордена Красной Звезды.

В 1902 году окончил курское реальное училище и поступил на металлургическое отделение только что основанного Санкт-Петербургского политехнического института. В первые же годы существования института во главе металлургического отделения становятся крупнейшие учёные России А.А. Байков (с 1902 г.), М.А. Павлов (с 1904 г.), В.Е. Грум-Гржимайло (с 1907 г.). Под их руководством Н.Т. Гудцов получил всестороннее глубокое образование. В 1910 г. он защитил дипломную работу на тему «Исследование строения стали, нагретой до высоких температур» и был зачислен стипендиатом Политехнического института

в лабораторию профессора А.А. Байкова, продолжая под его руководством исследования по металлографии стали. В течение всей жизни Н.Т. Гудцов сохранил интерес к этой области металловедения, что нашло выражение в его известных работах по жаропрочным сплавам и основанию вакуумной металлографии.

Тогда же, в 1912 г., он был избран членом Русского металлургического общества, участвовал в издании «Журнала Русского металлургического общества» и до конца жизни был активным участником и председателем оргбюро Всесоюзного научно-технического общества черной металлургии.

В 1913 г. Н.Т. Гудцов поступил на работу в лабораторию Путиловского завода. Под его руководством здесь были созданы хорошо оборудованные лаборатории металлографии и механических испытаний. Путиловский завод, один из передовых заводов России, в годы восстановления стал своеобразной творческой лабораторией по подготовке развёртывания отечественного машиностроения. На заводе осваиваются и создаются новые марки легированных сталей, разрабатываются новые методы термической обработки, строится первый механизированный чугуно-литейный цех, ведутся исследования процессов плавки и разливки качественной стали.

Максимально приближенная к производству исследовательская деятельность предопределила главную особенность всего последующего творческого пути учёного – обусловленность получения новых знаний запросами практики. Основными направлениями изысканий Н.Т. Гудцова в период работы на производстве были исследования процессов плавки и разливки металла, создание новых марок легированной стали, совершенствование методов её термической обработки. Полученными результатами Николай Тимофеевич заявил о себе как талантливый и перспективный учёный. Его работы привлекли внимание ведущих металлургов и металловедов страны.

В 1928 г. Н.Т. Гудцов возглавил отделение металлографии Всесоюзного института металлов, основанного в 1919 г. Институт стал одной из первых научно-исследовательских организаций широкого профиля в области технических наук. В 1934–1935 гг. по его инициативе здесь была организована первая специальная лаборатория по изучению стального слитка.

Н.Т. Гудцов и возглавляемый им коллектив значительно расширили границы познания и в сфере фундаментальной науки, создания теоретических моделей, описывающих структуру и свойства металлов в различных фазовых состояниях. Он исследовал генезис тетрагональных решёток железа; разработал физические теории превращений в стали при охлаждении и деформации кристаллических тел; описал виды взаимодействия атомов железа и углерода в стали; сформулировал принципы применения рентгеновского анализа к изучению строения закалённой стали; предложил новую трактовку диаграммы железоуглеродистых сплавов; провёл лабораторные изыскания величины зерна в стали и её изотермической закалки; всесторонне проанализировал процессы, протекающие в различных сортах стали при их закалке, отпуске, нагреве и охлаждении. По итогам проведённых научных исследований, новизне полученных результатов и их большому прикладному значению в 1939 г. Н.Т. Гудцов был избран действительным членом АН СССР по Отделениям технических и химических наук. Тогда же он возглавил Отдел металловедения Института металлургии АН СССР. 30-е гг. были творческой вершиной в деятельности учёного. Под его руководством велись исследования в области специальных сталей и сплавов, по термической обработке, общим вопросам металловедения, разрабатывались способы улучшения свойств быстрорежущей стали, изучалось влияние содержания хрома на магнитные свойства вольфрамовой стали.

В предвоенные годы Н.Т. Гудцов и его ученики выполнили цикл работ по расширению сортаментов стали и поиску новых легирующих добавок. Это направление определялось стремительным индустриальным рывком Советского Союза и возникновением новых отраслей производства. Станкостроение, энергомашиностроение, приборостроение, оборонная промышленность остро нуждались в новых марках стали с высокой термоустойчивостью и надёжными прочностными характеристиками. Проведённые Николаем Тимофеевичем исследования охватывали все виды легированной стали – строительную, нержавеющую, износоупорную, конструкционную, инструментальную и др.

В годы Великой Отечественной войны, находясь на Урале, учёный и его коллеги по заданию ГКО провели огромную работу по созданию специальных марок сталей для оборонной промышленности. За эти изыскания Н.Т. Гудцов в 1943 г. был удостоен Сталинской премии I степени.

После возвращения в Москву Николай Тимофеевич возглавил кафедру термической обработки и металловедения Московского института стали и сплавов и одновременно Отдел металловедения Института металлургии АН СССР.

Большое внимание Н.Т. Гудцов уделял подготовке инженерных кадров. Педагогика была его вторым, после науки, призванием. Он отдал ей более сорока лет. Начало педагогической деятельности учёного восходит к 1915 г. С 1920 г. он преподаёт в Ленинградском политехническом институте (с 1926 г. – доцент, с 1930 г. – профессор, заведующий созданной им кафедрой термической обработки стали). В 30-е гг. на основе собственного педагогического опыта он подготовил для металлургических факультетов вузов страны курсы лекций «Специальная сталь, её свойства, обработка и применение», «Сталь, её природа и свойства», «Металлография и термическая обработка стали», «Физическая металлография». Николай Тимофеевич – автор учебника «Основы физической металлографии стали» (1934), ставшего настольной книгой нескольких поколений студентов. Ленинградская металловедческая школа, основателем которой по праву считается Н.Т. Гудцов, представлена десятками докторов и кандидатов наук, руководителями крупнейших сталелитейных предприятий, выдающимися учёными-металловедами, организаторами и преподавателями высшей технической школы.

 

БАРДИН Иван Павлович

 

Иван Павлович

Бардин

(1883 – 1960 гг.)

 

Академик АН СССР (1932). Вице-президент АН СССР (1942). Лауреат двух Государственных премий (1942, 1949), Ленинской премии (1958). Герой Социалистического Труда. Кавалер семи орденов Ленина.

Его путь в металлургию, которой он посвятил все свои сознательные годы, был непростым. В 1902 году, окончив земледельческое училище и получив звание ученого управителя, Бардин поступает в Новоалександровский институт сельского хозяйства, из которого его дважды – в 1904 и 1905 гг. – исключали за участие в студенческих волнениях и «неблагонадежность». В 1906 году ему удается поступить в Киевский политехнический институт, где под влиянием профессора В.П. Ижевского окончательно определился его интерес к химии и металлургии. После окончания института Бардин не смог найти работу на родине и был вынужден уехать в Америку.

Но и там он не нашел работу по специальности и стал рабочим-подсобником. Вскоре, оценив бесперспективность дальнейшего пребывания в Америке, он возвратился на родину и по рекомендации Ижевского поступил на Юзовский завод конструктором.

Здесь молодой инженер знакомится со знаменитым металлургом-доменщиком М.К. Курако, под руководством которого проходит отличную школу доменного дела.

Революция застала Бардина на Енакиевском металлургическом заводе, где он работал начальником доменного цеха, а после национализации тяжелой промышленности – главным инженером завода.

Работая в 20-х гг. на заводах Донбасса и Приднепровья, Бардин завоевал авторитет как крупный инженер и организатор металлургического производства. Под его руководством осуществлялось строительство и реконструкция ряда металлургических агрегатов и цехов. В 1929 году он был назначен главным инженером строительства Кузнецкого металлургического комбината. В 1932 году он был избран действительным членом Академии наук СССР. С тех пор в его жизни сочетается огромная практическая работа в металлургии на постах главного инженера Главного управления металлургической промышленности (ГУМП), председателя Технического совета Народного комиссариата тяжелой промышленности (НКТП), заместителя наркома черной металлургии, Государственного советника Совета Народных Комиссаров СССР и научная деятельность в Академии наук СССР.

И.П. Бардин – председатель Президиума Уральского филиала Академии наук СССР, директор Института металлургии Академии наук СССР, заместитель председателя Комиссии Президиума Академии наук СССР по мобилизации ресурсов Урала, Западной Сибири и Казахстана на нужды обороны страны, академик-секретарь Отделения технических наук Академии наук СССР.

Становление Бардина как ученого происходило в период, когда разрабатывались теоретические основы металлургии, активно развивались новые научные направления, объектом которых являлись металлы во всем многообразии их состояний и свойств. Он глубоко понимал роль теории в дальнейшем развитии науки о металлах. «Всякая наука вообще, следовательно и теоретическая металлургия, – писал он, – должна идти вперед техники, освещая последней путь развития, подготавливая принципиальные решения новых задач для их технического осуществления. Поэтому разработка самых общих теоретических вопросов имеет не только познавательную ценность, но и определенное практическое значение».

В своей повседневной работе Бардин был поборником комплексного проведения исследований. Наиболее полно задачи разработки теории металлургических процессов и комплексного использования результатов различных наук в интересах металлургической практики в довоенное время решались в основном в Академии наук СССР. В 1939 году Бардин возглавил вновь созданный Институт металлургии АН СССР. Формулируя его задачи, он говорил: «Для того, чтобы новейшая физика и химия раздвинули горизонты металлургии, необходима большая научно-исследовательская работа по приложению данных современных физических теорий к наукам о металлах и сплавах… Лишь после этого создадутся контакты, линии переходов от теоретической физики и химии к практической металлургии». В то же время ученый добивается и четкого разграничения функций академических и отраслевых институтов, а также заводских лабораторий.

В 1942 году И.П. Бардин избирается вице-президентом Академии наук СССР. Он совмещал деятельность на этом посту в 1942–1945 гг. с работой заместителя министра черной металлургии СССР.

Стремясь не только в теории, но и на практике реализовать идею четкого взаимодействия и одновременно разграничения деятельности академических и отраслевых институтов, И.П. Бардин в 1944 году создает и возглавляет до конца жизни уникальное по своей структуре научное учреждение – Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии (ЦНИИчермет), носящий его имя. ЦНИИчермет был задуман Бардиным как «своего рода научно-исследовательский комбинат» с единой производственной и экспериментальной базой, сочетавший теоретические и прикладные исследования по основным направлениям металлургии.

Многие годы Бардин занимался проблемой интенсификации металлургических процессов путем использования кислорода, придавая этому направлению исследований первостепенное значение. Как и при оценке других проблем, ученый стремился комплексно обосновать эффективность применения кислорода. В том, что в последующие годы страна получила многие дополнительные миллионы тонн чугуна и стали за счет применения кислорода в доменном и сталеплавильном производствах, большая личная заслуга академика. В 1949 году за работы по интенсификации мартеновского процесса при помощи кислорода он был удостоен Государственной премии.

Рассматривая деятельность Бардина как организатора металлургической науки, следует отметить его отношение к так называемому «заводскому сектору науки», к научным ячейкам, работающим непосредственно в составе промышленных предприятий. В своей практической деятельности Бардин много внимания уделял созданию крупной научно-экспериментальной базы черной металлургии на Новотульском металлургическом заводе. По его идее, это сравнительно небольшое предприятие должно было развиваться путем строительства стендовых корпусов и установок, позволяющих в сжатые сроки осуществлять проверку и отработку новых технологических процессов по всем основным металлургическим проблемам.

В дальнейшем в своей практической работе на руководящих постах в Наркомате черной металлургии он всемерно способствовал созданию четкой системы проектирования металлургических заводов и других отраслевых объектов, заботился о связи научной работы и проектного дела как непременного этапа на пути внедрения результатов науки в практику.

Во многих работах Бардина мы находим имена выдающихся ученых, внесших свой вклад в развитие металлургической науки, восстановление и развитие отечественного металлургического производства, в их числе основоположника научного металловедения Д.К. Чернова, академиков А.А. Байкова, М.А. Павлова и Н.П. Чижевского, автора гидравлической теории печей В.Е. Грум-Гржимайло и других. Бардин всегда стремился отметить успехи и заслуги ученых-металлургов, дать объективную оценку их вкладу в развитие теории и практики металлургических процессов.

Под его руководством И.П. Бардина были разработаны первые в мире установки непрерывной разливки стали. Эта работа Бардина и возглавляемой им группы ученых и инженеров была удостоена в 1958 году Ленинской премии. В дальнейшем этот процесс, являющийся детищем отечественной науки и техники, завоевал широкое признание в мировой металлургии.

Бардин обращал внимание на возможность и необходимость широкого использования вакуумной техники при плавке и разливке стали, нацеливал исследователей на разработку методов использования бедных руд, вместе со своими учениками и последователями работал над процессами прямого восстановления железа, инициировал научные работы и всемерно способствовал становлению и развитию ряда новых отраслей – порошковой металлургии, производства титана и др.

Одним из первых он сформулировал проблему «безотходной технологии», в частности задачу рационального использования металлургических шлаков.

Задачи металлургической науки он видел в обосновании путей интенсификации металлургических процессов, создании новых сплавов, «отвечающих требованиям прогресса техники, изучении закономерностей превращений в металлах и сплавах при различных условиях и под воздействием различных факторов (высокие давления и температуры, введение легирующих добавок и т.п.) и определении методов управления этими закономерностями».

И.П. Бардин пользовался огромным авторитетом не только в нашей стране. Высокий международный авторитет позволял ему эффективно решать многие сложные вопросы международного научного сотрудничества. Он был избран членом ряда зарубежных академий наук. За советом к нему обращались американские металлурги, специалисты Италии, Канады, Индии и многих других стран. Крупный ученый и организатор науки, Бардин был и государственным деятелем. Он избирался членом ВЦИК СССР, депутатом Верховного Совета СССР. Научная и государственная деятельность Бардина неоднократно отмечалась высокими наградами Родины. Ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, он был награжден семью орденами Ленина, удостоен звания лауреата Ленинской и Государственных премий.

 

ГУБКИН Сергей Иванович

Сергейй Иванович

Губкин

(1898 – 1955гг.)

Академик Сергей Иванович Губкин родился в г. Санкт-Петербурге, ученый в области пластичности и обработки металлов давлением. Академик Национальной академии наук Беларуси (1947), доктор химических наук (1936), профессор (1945). Заслуженный деятель науки и техники Беларуси (1954).

Окончил Московскую горную академию (1928). В 1930-1948 гг. доцент, профессор, заведующий кафедрой Московского института цветных металлов и золота. В 1944-1948 гг. заместитель директора по научной работе Института металлургии АН СССР, одновременно заведующий отделом этого института. С 1948 г. директор Физико-технического института АН БССР, одновременно заведующий кафедрой Белорусского политехнического института.

Широко известны его работы по теории пластической деформации и обработки металлов давлением.

Академик С.И. Губкин разработал математические методы изучения процессов течения металла при прокатке, ковке и штамповке. Ввел понятие о механических схемах деформации, на основании которого создал классификацию технологических процессов, исходя из их влияния на пластические свойства металлов.

Автор более 120 научных работ, в т.ч. 8 монографий.

Награжден орденом Трудового Красного Знамени (1949), медалями.

Основные труды:

1. Теория течения металлического вещества. М.; Л.: ОНТИ, 1935.

2. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947.

3. Фотопластичность. Мн.: Изд-во Акад. наук БССР, 1957 (совм. с С.И. Добровольским, Б.Б. Бойко).

4. Пластическая деформация металлов. Т.1-3. М.: Металлургиздат, 1960-61.

 

Чекмарев Александр Петрович

 

Александр Петрович

  Родился в селе Большая Знаменка (Запорожская область, Украина) – советский… Лауреат Государственной премии СССР (1941, 1949), Государственной премии УССР (1970). Награжден двумя орденами Ленина,…

ЦЕЛИКОВ Александр Иванович

Академик Академии наук СССР, дважды Герой Социали- стического Труда, Лауреат Ленинской и Сталинских премий. Родился в Москве. После окончания в 1928 году Мос-

Емельяненко Павел Терентьевич

Окончил Днепропетровский металлургический институт (1931), после чего там же учился в аспирантуре. С 1934 года преподавал в ДМетИ, кандидат наук… В 1941 году из Днепропетровска на Первоуральский новотрубный завод был… С 1943 по 1945 гг. по заданию правительства работал в Советской закупочной комиссии в США. С 1945 по 1947 гг.…

Полухин Петр Иванович

В 1935 году окончил Московский институт цветных металлов и золота. Работал на заводе “Серп и молот” (1935-1937), аспирант, ассистент, доцент… Возглавлял работы в области пластической деформации и технологии обработки… Основные научные работы:

Смирнов Василий Сергеевич

Сочинения: Теория прокатки, М., 1967; Применение ЭЦВМ для расчета параметров прокатки, М., 1970 (совместно с А.К. Григорьевым); Метод подобия в…  

История развития металлургии и металлургического образования на Урале. Подготовка персонала для металлургических предприятий

 

Основатель Уральской научно-педагогической школы

По обработке металлов давлением

Головин Аким Филиппович

Аким Филиппович Головин родился 09.09.1880 в с. Дмитриевское Коротоякского уезда Воронежской губернии. Выпускник Санкт-Петербургского горного… Ему принадлежит энергетическая трактовка и разработанные им кинематически…  

Развитие теории обработки металлов давлением

И работа на заводах

Энергетическая теория прокатки. Первые научные работы А.Ф. Головина были связаны с изучением деформации и силовых параметров процесса прокатки. Для… Большую практическую ценность и широкое распространение в заводской практике… В 1928-1932 гг. на кафедре появилось пополнение - ассистенты А.И. Сахаров, А.Ф. Ермаков, Е.В. Пальмов, Б.Н. Бухвалов,…

Наук, профессор, основатель Уральской наук, руководитель специализации

научно-педагогической школы механиков «Прокатка черных и цветных металлов»

Металлургического оборудования

   

Тягунов В.А. доктор технических наук, Дунаев П.А. доктор технических наук,

Профессор, заведующий кафедрой профессор, создал и руководил кафедрой

МОМЗ в УПИ «Машины и технология ОМД» в

Челябинском политехническом институте

 

Швейкин В.В. доктор технических наук, Стукач А.Г. кандидат технических наук,

Профессор, руководитель специализации доцент, руководитель специализации

металлов»   В 1938 г. году А.Ф. Головину была присуждена ученая степень доктора технических наук. В этом же году на кафедре было…

Выдрин В.Н. доктор технических наук, Тарновский И.Я. доктор технических наук, профессор, основатель кафедры профессор, заведующий кафедрой

прокатки в Челябинском политехническом «Обработка металлов давлением»

Институте

Создание новых методов расчета формоизменения

И силы деформации

Разработанная А.Ф. Головиным методология научного исследования процессов обработки металлов давлением, базирующаяся на эвристическом подходе и… А.А. Поздеев впервые применил вариационный принцип изменения деформированного…

Красовский Н.Н. и Поздеев А.А. выпускники 1949 г., отличные студенты и спортсмены,

Стали членами Академии наук СССР

Примечательно, что в монографии "Формоизменение при пластической…  

Наук, член-корреспондент РАН,

Заместитель директора института машиноведения УрО РАН, руководитель

Уральской научно-педагогической школы

По обработке металлов давлением

 

 

Гун Г.Я. доктор технических наук,

Профессор, заведующий кафедрой

В конце 50-х и начале 60-х годов В.Л. Колмогоров разработал методологию определения тензорных полей напряжений, применяя вариационный принцип… Необходимо отметить большой вклад в развитие новых методов решения задач… Под руководством И.Я. Тарновского, А.А. Поздеева и В.Л. Колмогорова были решены задачи кузнечно-штамповочного…

Фото 1. Чл.-корр. РАН В.Л. Колмогоров совместно с учениками создал теорию

Гидродинамической подачи смазки при обработке давлением

  Фото 2. Под руководством профессора В.К. Смирнова и профессора В.А. Шилова…  

Фото 4. Доцент С.П. Буркин - автор идеи перевода прокатных станов на гидравлический

Привод, прокатный стан с гидравлическим приводом в лаборатории кафедры

 

 

Фото 5. Профессор Богатов А.А. и доцент В.В. Харитонов совместно с сотрудниками Уралгипромеза, кафедры и ОАО "Омутнинский металлургический завод" участвовали в разработке и внедрении малооперационной технологии производства холоднодеформированных подшипниковых труб малого диаметра

 

 

 

Фото 6. Доцент Ал.В. Серебряков и инженер Ан.В. Серебряков успешно разрабатывают проблему адгезионного взаимодействия металла с инструментом и разрушения поверхностного слоя металла. Благодаря этому создана и внедрена технология производства труб с субмикронной чистотой поверхности канала. Применение таких труб в энергетическом и химическом машиностроении обеспечивает повышение ресурса и надежности агрегатов ответственного назначения

 

 

Фото 7. Профессор Богатов А.А. и доцент Орлов Г.А. в соавторстве с сотрудниками кафедры и работниками ПНТЗ, РЗОЦМ и СинТЗ разработали новые способы холодной прокатки и волочения труб с целью повышения их точности. Разработки защищены 6 авторскими

Свидетельствами и патентами

 

 

 

Фото 8. На технологию производства магнитов на основе редкоземельных металлов и сплава марганец-алюминий-углерод профессору Ю.Н. Логинову с сотрудниками кафедры и ИФМ УрО РАН выдано 15 патентов СССР и РФ.

Основы материаловедения

Металлы. Классификация, потребительские свойства

И область применения

Разделение существующих в природе элементов на металлы и неметаллы и открытие новых металлов шло в течение последних двух столетий. Так, в XVIII… Если в длинном или полудлинном варианте системы элементов Менделеева провести… В настоящее время под металлами понимают простые вещества, имеющие в обычных условиях кристаллическое строение, с…

Таблица 3.1

Классификация металлов

 

Принята следующая (хотя и не очень последовательная и логичная) классификация металлов.

Все металлы делят на две группы: черные и цветные.

К группе черных металлов относят железо и его сплавы, а также марганец, ванадий, хром.

Все остальные металлы составляют группу цветных.

В свою очередь цветные металлы подразделяются на следующие подгруппы:

а) тяжелые цветные металлы: медь, никель, свинец, олово, цинк, кадмий, кобальт, мышьяк, сурьма;

б) легкие цветные металлы: алюминий, магний, натрий, а также бериллий, литий, барий, кальций, стронций, калий;

в) благородные металлы: золото, серебро, платина, осьмий, иридий, родий, рутений, палладий;

г) редкие металлы:

тугоплавкие: титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, рений;

рассеянные: галлий, таллий, германий, селен, теллур, индий, рубидий, цезий;

редкоземельные: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды (14 элементов от церия до лютеция);

радиоактивные: радий, актиний, актиноиды (торий, протактиний, уран и заурановые элементы), полоний.

Следует иметь в виду, что редкие металлы не обязательно (как иногда ошибочно представляют) содержатся в земной коре в малых количествах. Как видно из табл.3.2, содержание, например, титана, циркония, лития в земной коре больше, чем цинка, олова, свинца. Металлы этой подгруппы получили название «редкие» главным образом потому, что они рассеяны в большом количестве других пород. Отсюда невелика концентрация этих металлов в рудах, а месторождения руд редких металлов имеют небольшие размеры (запасы).

Таблица 3.2

Средний химический состав земной коры

  Элемент Содер- Элемент Содер- Элемент Содер- Элемент Содер- …    

Потребительские свойства некоторых металлов и сплавов.

Область применения

Материальный фундамент, на котором стоит современная человеческая цивилизация, образует железо. Из сплавов железа - сталей - изготовлена и построена… Второе место по масштабам использования занимает алюминий, хотя его история… В последние годы интенсивно развивается индустрия строительных конструкций из алюминиевых сплавов. Крупный потребитель…

Таблица 3.3

Примерные объемы мирового годового производства

Некоторых металлов

  Нанопорошки – только один из многих имеющихся на сегодняшний день…  

Диаграмма 3.1.

Разбивка нанопорошков по типам

  Почти все твердые металлические элементы выпускаются серийно в виде порошков…

Диаграмма 3.2.

 

 

Диаграмма 3.3.

 

 

Металлофонд России

При всем этом важно учитывать и вторичные ресурсы. Детальное планирование использования отходов лома черных металлов является сложной экономической… Объем металлофонда России по оценкам экспертов достигает приблизительно 1,5… Потенциальный объем металлургического сырья за год можно оценить в 3 % от всего металлофонда России. В ценовом…

Кристаллическое строение металлов.

Аллотропические или полиморфные превращения

  Как известно, атомы всех элементов состоят из положительно заряженного ядра (с… Электроны каждого атома распределены по электронным слоям (с различными радиусами). В каждом слое может находиться не…

Рис. 3.1. Схема взаимодействия двух атомов в зависимости

От расстояния между ними

Таким образом, в твердом металле атомы (ионы) располагаются равно­мерно, на строго определенном расстоянии друг от друга, образуя трехмерную…    

Элементарной ячейки.

Минимальный объем решетки, характеризующий свойства всего кри­сталла, называется элементарной ячейкой (на рис. 3.2 ячейка выделена жирными прямыми).… Кристаллические решетки разных веществ различаются по форме и размеру… В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Этот тип решетки…

А - кубической объемно-центрированной; б - кубической гранецентрированной;

В - гексагональной плотноупакованной

Гипотеза регулярного решетчатого строения кристаллов в начале XX века была подтверждена экспериментально рентгеноструктурным анализом. В результате… Кроме трех видов кристаллографических плоскостей, параллельных плоскостям… Положение кристаллографической плоскости в пространстве задается величиной отрезков, которые отсекает эта плоскость на…

Таблица 3.4

Аллотропические формы некоторых металлов

Полиморфное превращение аналогично процессу кристаллизации, т.е. вначале образуется зародыш, а затем происходит рост зерен новой модификации, и… На рис. 3.5. приведена кривая охлаждения железа, характеризующая изменение его… Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называют изоморфными: Al, Cu, Ni, Cr, W и др.

ВРЕМЯ

 

Рис. 3.5. Аллотропические формы железа

 

 

Структура реальных кристаллов

Различают следующие дефекты строения кристаллов: точечные, линей­ные, поверхностные и объемные. К точечным дефектам решетки (размер которых не превышает несколь­ких атомных… Вакансии представляют собой сво­бодные от атомов узлы решетки. Вакансии могут образоваться либо в результате миграции…

Рис. 3.6. Схема кристалла с винтовой дислокацией

 

К двумерным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы между кристаллами. Границы между отдельными зернами представляют собой переходную область шириной 8-10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристал­лографическую ориентацию, переходит в ре­шетку другого кристалла с иной кристаллогра­фической ориентацией. В связи с этим на границе атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что в еще большей степени нарушает правильный распорядок расположения атомов. На рис. 3.7 приведены примеры различных нарушений кристаллической структуры ре­шетки железа.

 

Рис. 3.7. Дефекты строения кристалла:

О - атом Fe; - атом элемента замещения; _●- атом элемента внедрения (С; В; H; O; N)

Трехмерные дефекты представляют, ско­рее, макроскопические дефекты металличес­кого кристалла. К ним, в частности, относятся неметаллические включения.

 

Кристаллизация металлов

Чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения, тем при более низкой температуре кристаллизуется данный металл (рис. 3.8).    

ВРЕМЯ

 

 

Площадки на кривых охлаждения обусловлены тем, что отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделением теплоты кристаллизации. Время существования горизонтальных площадок на кривых и является временем протекания процесса кристаллизации металла.

В ходе кристаллизации одновременно идут два процесса: 1) возникновение зародышевых центров (или центров кристаллизации) и 2) рост кристаллов во­круг этих центров.

Возникновение зародышевых центров. Расплавленный металл пред­ставляет беспорядочное скопление атомов, постоянно перемещающихся относительно друг друга. Вместе с тем в расплавах существует так называемый ближний порядок*, когда в каких-то микрообъемах размером в несколько меж­атомных расстояний случайно возникают группировки атомов, напоминающие расположение атомов в кристалле. Вследствие теплового движения такие группировки неустойчивы: возникнув в одном месте, они затем распадаются, чтобы вновь возникнуть в каких-то других объемах жидкой фазы. Чем ниже температура расплава, тем меньшей кинетической энергией обладают атомы, тем медленнее становится их движение, тем большего размера образуются микрообъемы с упорядоченным расположением частиц и тем больший период времени они существуют. Наконец, при охлаждении металла ниже тем­пературы кристаллизации такие упорядоченные объемы становятся устой­чивыми, так как их внутренняя энергия становится меньше, чем в жидком состоянии. Возникшие таким образом микрочастицы кристалла металла начинают играть роль зародышей - центров кристаллизации.

Образование зародышей по описанному механизму - спонтанному или самопроизвольному происходит только при кристаллизации высоко чистых ме­таллов. Чаще, в промышленных металлах, источником образования зародышей являются всевозможные твердые частички (неметаллические включения, оксиды и др.), которые всегда присутствуют в расплаве. Эти частицы выполняют роль зародышевых центров кристаллизации, особенно если параметры решеток примеси и металла близки. Такие зародыши называются гетерогенными.

Рост кристаллов происходит путем присоединения к поверхности возник­ших зародышей новых атомов из жидкого металла. При этом ориентировка в пространстве кристаллографических осей растущего зерна сохраняется та же, что и у зародыша. Сначала кристаллы растут свободно, образуя правильную ге­ометрическую форму. Но как только соседние кристаллы приходят в сопри­косновение, в этом месте рост их прекращается и развиваются другие участки кристаллов. Таким образом, металлы в твердом состоянии представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (1000-0.1мкм), неправильной формы зерен, или кристаллитов (рис.3.9).

 

Рис. 3.9. Микроструктура малоуглеродистой стали, увеличение xl00

 

Изменяя условия кристаллизации, можно в определенной степени влиять на качество твердого металла. Это влияние проявляется в основном через размер зерна - чем мельче

зерно, тем лучше механические свойства металла. Размер зерна можно регулировать следующими технологическими факторами:

- скоростью охлаждения жидкого металла: чем больше скорость охлаждения, тем

больше степень переохлаждения, тем больше возникает в единицу времени центров

кристаллизации - тем мельче зерно**;

- степенью перегрева металла над линией ликвидуса: чем выше степень перегрева, тем меньше остается в металле нерасплавившихся твердых частичек, тем сильнее изменится структура жидкого металла, которая будет изменять и структуру закристаллизовавшегося металла;

- введением в расплав модификаторов - мелких тугоплавких частичек, которые вы­полняют роль дополнительных центров кристал­лизации; так, при модифицировании магниевых сплавов (магнезитом, мелом, графитом, карби­дами алюминия или кальция) размер зерен умень­шается в десять раз (с 0,2-0,3 до 0,02-0,03 мм).

В некоторых случаях вводимые в металлы модификаторы изменяют не только размер, но и форму зерна. Так, при охлаждении чугуна, моди­фицированного магнием, графит вместо обычной пластинчатой формы выделяется в виде глобулей (рис. 3.10). В этом случае существенно повышаются механические свойства чугуна.

 

 

Рис. 3.10. Основные формы выделений графита в чугунах:

а – грубый пластинчатый в сером литейном чугуне; б - тонко-пластинчатый в модифицированном сером чугуне; в - хлопьевидный в ковком чугуне; г- шаровидный в высокопрочном чугуне.

 

При медленном охлаждении расплава рост кристалла от своего зародыша происходит равномерно во всех направлениях. При ускоренном охлаждении, которое имеет место в практике, образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы - дендриты. Рост кристалла в этом случае происходит с неодинаковой скоростью в разных направлениях.

Для металлов, образующих кубическую решетку, первоначально обра­зуются длинные ветви - так называемые оси первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярно к ним ветви второго порядка. В свою очередь на осях второго порядка появляются и растут оси третьего порядка (рис. 3.11, а). В конечном счете образуются кристаллы в форме дендритов, между ветвями которых находится еще не затвердевшая часть металла. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания зерен на поздних этапах процесса. Когда все промежутки между ветвями дендрита заполнены, наблюдать дендритное строение трудно - его можно выявить только после специального травления.

 

 

Рис. 3.11. Дендритиая кристаллизация металлов:

А - схема образования дендрита; б - дендритная структура металлов

 

При заливке металла в металлическую форму (например, при разливке стали в изложницу) кристаллическая структура слитка в различных частях его оказывается неодинаковой.

Процесс кристаллизации стального слитка состоит из трех стадий (рис. 3.12).

 

 

 

Рис. 3.12. Схема строения стального слитка малоуглеродистой стали

 

 

На первой на поверхности слитка образуется зона мелких кристаллов 1 вследствие влияния холодной металлической формы, которая обеспечивает в первые моменты кристаллизации высокую скорость охлаждения, а следо­вательно, и большую степень переохлаждения. На второй стадии образуется зона вытянутых кристаллов 2, называемых столбчатыми; рост таких кристаллов происходит в направлении отвода тепла. На заключительной, третьей, стадии в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуется зона равноосных кристаллов больших размеров 3. В случае сильного перегрева и быстрого охлаждения металла зона столбчатых крис­таллов может заполнить

весь объем слитка. Этот вид кристаллизации называют транс­кристаллизацией.

Относительное распределение в объеме слитка зоны столбчатых и равноосных крис­таллов имеет большое практическое значение. Зона столбчатых кристаллов обладает высо­кой плотностью и прочностью. Однако в местах стыка столбчатых кристаллов скап­ливается большое количество неметал­лических включений, нерастворимых при­месей, металл имеет малую пластичность, и при последующей горячей обработке давлением в этих местах могут появиться трещины.

В связи с этим для малопластичных материалов, в том числе и стали, необходимо ограничивать образование зоны столбчатых кристаллов. Для пластичных металлов и сплавов (меди, алюминия и др.) желательно развитие транскристаллизации.

Кристаллизация сплавов сопровождается ликвацией - возникновением химической неоднородности в объеме металла в результате перераспределения фаз. По достижении охлаждающимся расплавом температуры ликвидуса в нем появляются кристаллы наиболее тугоплавкой фазы, которые в зависимости от плотности могут либо всплывать, либо наоборот осаждаться в оставшемся жидком металле. На завершающем этапе кристаллизации ликвация идет по другому механизму - растущие кристаллы основной фазы «оттесняют» легкоплавкие составляющие сплава в ту часть слитка (отливки), которая застывает последней. Этот процесс называют зональной ликвацией.

При кристаллизации стали ликвация из-за увеличения химической неоднородности слитка (отливки) снижает качество металла. Но в некоторых технологиях явление ликвации используют для повышения качества металла.

Кроме зональной существует еще дендритная ликвация, при которой центральные оси дендритов состоят в основном из чистого, более тугоплавкого, металла, а промежутки между осями и ветвями заполняются металлом, содержащим повышенное количество легкоплавких составляющих.

Важной особенностью процесса кристаллизации является уменьшение объема металлов при переходе их из жидкого состояния в твердое. Для различных металлов и сплавов усадка составляет 0,5-6,0%. В начальный момент кристаллизации на поверхности слитка, отливки (в изложнице, в литейной форме) образуется корочка застывшего металла, фиксирующая первоначальный объем жидкого металла. В ходе последующего охлаждения внутри него за счет усадки образуется пустое пространство - усадочная раковина, которая распо­лагается в той части металлического тела, которая кристаллизуется последней. На рисунке 3.12 усадочная раковина 4 находится в головной части слитка.

Технологи-литейщики и прокатчики обязательно учитывают явление усадки металла и образования усадочной раковины при разработке технологий получения металлических изделий.

 

Сплавы

 

За исключением сравнительно небольшого числа случаев, когда в технике используются чистые металлы U; Th; Zr; Li; Be - в ядерной энергетике; Ge; Ag; Сu (в электро- и радиотехнике), подавляющее количество изделий, конструкций, машин изготовлено из металлических сплавов, как правило, более дешевых и часто с лучшими физико-химическими и технологическими свойствами по срав­нению с чистыми металлами.

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух и более элементов. Сплав, приготовленный преимущественно из металлов и обла­дающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

В расплаве все компоненты (из которых был получен сплав) находятся обычно в атомарном (ионном) состоянии, образуя однородный жидкий раствор. При кристаллизации расплава образуются новые вещества - фазы сплава.

Фазой называют однородную составляющую часть системы, имеющую определенный состав, кристаллическое строение, свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностями раздела.

Достаточно полную информацию о сплавах дают результаты экспери­ментальных исследований, обобщенные в виде так называемых диаграмм состояния. Диаграммы состояния позволяют определить фазовый состав сплавов при различных температурах и концентрациях компонентов.

По диаграммам можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить равновесные температуры плавления (и затвердевания) сплавов различных составов.

В диаграммах состояния двойных систем по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс - концентрации компонентов (конечные точки оси абсцисс соответствуют чистым компонентам).

Строятся диаграммы состояния на основе данных термического анализа - с помощью кривых охлаждения сплавов различного состава (рис. 3.13).

 

 

 

Рис. 3.13. Схема построения диаграммы состояния системы

«А-В» (б) по кривым охлаждения сплавов (а)

На участке кривой «А» от t_H до t_A происходит охлаждение расплавленного компонента А. Площадка при t_A свидетельствует о кристаллизации компонента А. Ниже температуры t_A идет охлаждение отвердевшего компонента А.

Сплавы кристаллизуются в интервале температур. На кривой охлаждения сплава «1» в интервале температур t_m - t_n скорость охлаждения меньше, чем на других участках этой линии, что связано с выделением тепла при кристал­лизации. Таким образом, t_m - температура начала, a t_n - температура конца кристаллизации сплава «1». Кривые охлаждения других сплавов имеют аналогичный вид. Исключение составляет сплав состава «Э», который кристал­лизуется подобно чистым компонентамА и В - при постоянной температуре t_Э. Таким образом, ниже температуры t_Эвсе сплавы системы «А-В» находятся в твердом – закристаллизовавшемся состоянии. Если установленные экспери­ментально точки t_m и t_n нанести на график (б) при соответствующих составах, то получим диаграмму состояния.

Ниже рассмотрены основные типы диаграмм состояния металлических сплавов.

 

Диаграмма состояния сплавов, образующих

Механическую смесь компонентов

Диаграмма системы приведена на рис.3.14. Характерной особенностью такой системы является снижение температуры плавления каждого из ком­понентов при…    

Рис. 3.14. Диаграмма состояния сплавов, образующих

механическую смесь компонентов:

t_A; t_B - температуры плавления компонентов А и В; t_{эвт -} температура плавления

(крис­таллизации) эвтектики

Линия P-S-R обозначает температуры начала процесса затвердевания спла­вов соответствующих составов и называется линией ликвидуса. Прямая M-S-Nсоответствуеттемпературе конца затвердевания и называется линией солидуса. Таким образом, все сплавы, находящиеся выше линии ликвидуса, жидкие; ниже линии содидуса все сплавы находятся в твердом состоянии. В области фигур PSM и RSM часть сплава находится в твердом состоянии, а часть в жидком.

Если сплав имеет состав, соответствующий точке Е (слева от точки S), то при охлаждении ниже линии ликвидуса в точке «а» в расплаве начнут появляться твердые кристаллы компонента А. При дальнейшем снижении температуры (t₁; t₂; t₃) растет количество кристаллов компонента А, соответственно уменьшается количество жидкой фазы, а ее состав изменяется в направлении, обозначенном стрелкой на линии ликвидуса, - обогащается компонентом В. При достижении температурыt_ЭBT система представляет твердые зерна компонента А, между которыми затвердевает последнее количество расплава состава, соответ­ствующего точке В_Э. Этот состав называется эвтектикой. По структуре эвтек­тика представляет тонкодисперсную смесь кристаллов обоих компонентов.

Если сплав имеет состав справа от эвтектики (заэвтектический), то при ох­лаждении процессы кристаллизации идут аналогично, с той только разницей, что первыми в расплаве появятся кристаллы компонента В, количество которых по мере падения температуры будет увеличиваться; последним будет затвердевать расплав эвтектического состава.

Наглядно процесс кристаллизации двухкомпонентного сплава представлен на рис. 3.14.

Специалистами разработан метод, с помощью которого можно при любой температуре определять не только качественный состав твердой и жидкой фаз, но и их количественное соотношение.

Подобного рода сплавы образуют пары: Sn-Zn; Pb-Sn; Al-Si.

В сплаве, представляющем механическую смесь компонентов, каждый из них при кристаллизации образует зерна со своим типом кристаллической решетки. Свойства такого сплава будут средними из свойств элементов, его образующих.

В сплавах - твердых растворах - один из компонентов, растворитель, обра­зует свою кристаллическую решетку, а атомы растворенных компонентов либо внедряются в межузельные пространства (образуются растворы внедрения), либо частично замещают в узлах решетки атомы основного компонента (растворы замещения). Твердые растворы являются фазами переменного состава, с широким диапазоном растворимости, от незначительной (порядка сотых- десятых долей процента) до неограниченной взаимной растворимости компонентов друг в друге.

 

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной

Растворимостью компонентов в твердом состоянии

Как видно из рисунка 3.15, в этих системах отсутствует эвтектика, а температуры ликвидуса и солидуса монотонно увеличиваются от легкоплавкого…   Рис. 3.15. Диаграмма состояния сплавов

Диаграмма состояния сплавов, образующих

Ограниченные твердые растворы

  Рис. 3.16. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы:

Предельно насыщенных

    Ярким примером этого типа диаграмм является диаграмма системы «железо-углерод» - рис. 3.17. При медленном охлаждении…

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Химическое соединение образуется при строго определенном соотношении количеств компонентов А и В, которое на диаграмме обозначается вертикальной… На рисунке 3.18. приведена диаграмма состояния двухкомпонентной системы Mg-Pb,… Многие двойные сплавы имеют более сложные диаграммы состояния (например, Cu-Zn на рис. 3.19). Они рассматриваются в…

Рис. 3.18. Диаграмма состояния

Системы Mg-Pb

 

 

 

Рис. 3.19. Диаграмма состояния

Системы Cu-Zn

Необходимо отметить, что анализ диаграмм состояния дает важную информацию, позволяющую специалистам прогнозировать физико-химические и… Так, для литейного производства весьма благоприятны эвтектические сплавы;…

Свойства и деформация металлов и сплавов

Физико-химические и физико-механические свойства металлов и сплавов

Плотность металлов закономерно увеличивается от левых верхних к нижним правым местам в таблице элементов 3.1- от Li; Be; Na; Mg к Os; Jr; Pt. В… Наилучшей теплопроводностью обладает серебро. Если ее принять за 1, то… Металлы сильно различаются по температурам плавления. Самым легкоплавким металлом является ртуть, затвердевающая при…

Рис. 3.20. Температуры плавления металлов; п - порядковый номер элемента

В таблице Менделеева

Таблица 3.5

Физические и механические свойства важнейших металлов

  Таблица составлена по данным справочников: - по физическим константам – Смайлз К. Дж. Металлы. М: Металлургия, 1980. С. 447;

Таблица 3.6

Ряд стандартных электродных потенциалов при Т = 298 К

Металлы от лития по натрий легко реагируют с кислородом на холоде; последующие члены ряда соединяются с кислородом только при нагревании, а иридий, платина, золото в прямое взаимодействие с кислородом не вступают.

Оксиды металлов от лития по алюминий, титан, цирконий трудно вос­становимы. По мере продвижения к концу ряда восстановимость оксидов улучшается, а оксиды последних его членов - серебра, ртути - разлагаются на металл и кислород при небольшом нагревании.

Металлы, имеющие переменную валентность, образуют оксиды неодина­кового характера: низшие оксиды обладают основными свойствами, высшие с валентностью Fe³⁺; Мп⁷⁺; Сг⁶⁺ являются ангидридами кислот.

Как показывает анализ табл. 3.5, различные металлы обладают разно­образными механическими свойствами. Однако в наиболее полной мере удовлетворяют требованиям конструкторов различные металлические сплавы, свойства которых можно дополнительно улучшать в результате термообработки.

При выборе материала для изготовления требуемой детали или конструкции учитывают также технологические свойства металлов и сплавов: ковкость, сва­риваемость, обрабатываемость (в том числе - резанием), коррозионную стой­кость, износоустойчивость и др. Эти свойства позволяют судить о поведении металла в ходе его обработки и эксплуатации.

Эффективным средством улучшения свойств металлов является леги­рование - введение в них (в расплавленном состоянии) нескольких процентов других элементов. Легирование стали Мn повышает ее износоустойчивость; легирование Сг и Ni улучшает антикоррозионные свойства; легирование V значительно повышает прочность и вязкость (высококачественная инстру­ментальная сталь, легированная 2% V, сохраняет свои режущие свойства при достаточно высоких температурах); железнодорожные рельсы, изготовленные из стали, легированной Ti, имеют стойкость в 3-5 раз выше обычных. При легировании алюминия 3-5% Сu прочность повышается в 5-8 раз. Широко используются в качестве легирующих элементов W; Mo; Zr; Со; А1.

 

Механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства металлов и сплавов зависят от следующих основных факторов: - от природы металла - типа кристаллической решетки и величины межатомных… - от химического состава сплавов, имеющих как полезные компоненты (обеспечивающие повышение механических свойств),…

Рис. 3.22. Схема определения ударной вязкости металлического образца

Длительное воздействие повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение тела даже при напряжениях ниже а_{0 2}. Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок называется усталостью металла. Около 80% всех разрушений происходит в результате возникновения очага разрушения, обусловленного усталостью металла. Предел выносливости металла зависит от тщательности обработки поверхности изделия, наличия концентраторов (очагов повышенных напряжений); усталостное разрушение наступает быстрее при наличии растягивающих усилий, в результате коррозии.

Работа всех механизмов неизбежно сопровождается износом соприка­сающихся поверхностей деталей в результате трения (подшипники скольжения и качения, зубья шестерен, детали двигателей внутреннего сгорания, режущие инструменты и др.). Для таких узлов очень важно подбирать металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением износу. Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое, электро-эррозионное. С целью изучения износостойкости металлов проводят испытания на специальных установках, где измеряется скорость поверхностного разрушения металлических образцов под действием трения при различных нагрузках и степенях шероховатости соприкасающихся поверхностей.

Реальная прочность металлов, полученных по обычным промышленным технологиям, - так называемая техническая прочность, во много раз ниже теоретической - той, которую имеют эти же металлы с бездефектной кристал­лической структурой. Как видно из рис. 3.23, прочность находится в сложной зависимости от степени нарушений правильности кристаллической решетки - плотности дислокаций. Минимальная прочность в области «а» с плотностью дислокаций 10⁶- 10⁸ см^-2 характерна для отожженных металлов. Повышать проч-

ПЛОТНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ

ность металлов можно путем применения двух групп технологий, одна из которых имеет цель снизить до минимума плотность дислокаций - получать металлы с идеальной кристаллической структурой. Другая группа технологий, наоборот, направлена на увеличение плотности дислокаций в металле.

 

Рис. 3.23. Зависимость сопротивления деформации

от количества дефектов в кристаллах металлов:

I - теоретическая прочность; 2-4 - техни­ческая проч-

Ность (2-усы; 3 - чистые неупрочненные металлы;

4-сплавы, упроч­ненные легированием, наклепом, терми­-

Ческой или термомеханической обработкой)

В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содер­жащие дислокаций. Это нитевидные кристаллы небольших размеров: длиной 2-10 мм и… Повышение прочности металлов в результате увеличения плотности дислокаций до…  

Деформация металлов и сплавов

Способность кристалла к пластической деформации тем больше, чем больше в его решетке плоскостей и направлений сдвига (см. 3.3). К числу легко… Вначале, при малых сдвигающих нагрузках, происходит только упругая деформация.…     Рис. 3.24. Схема упругой (б) и пластической (в) деформации; а - кристалл в исходном…

Рис. 3.25. Схема перемещения краевой дислокации АВ (а) в результате частичного

сдвига в положение А'В' (б); в - выход дислокации на поверхность кристалла

 

 

Таким образом, сдвиг происходит не путем разрыва связей и одновременного перемещения всех атомов, лежащих в плоскости сдвига (как на рис. 3.24), а в результате последовательной эстафетной смены положения экстра-плоскости в кристалле в направлении вектора сдвига. Если не возникнет препятствий, скольжение дислокаций под действием сдвигающего напряжения будет продолжаться через весь кристалл; в конечном итоге часть кристалла окажется сдвинутой относительно другой части на величину периода решетки (рис. 3.25, в). На полированных образцах после небольшой пластической дефор­мации под микроскопом наблюдаются следы скольжения* в виде прямых параллельных линий с расстоянием между ними примерно 0,2 мкм (около 100 межатомных расстояний). При большой деформации в результате процессов скольжения зерно меняет свою форму: округлое до деформации оно становится вытянутым (рис. 3.26).

 

Рис. 3.26. Изменение формы зерна в

результате пластической деформации:

а - до и б - после деформации

 

 

Эксперименты показывают, что в результате пластической деформации плотность дислокаций металла не только не уменьшается (как можно было бы ожидать на основании рассмотренной выше схемы), а увеличивается. Причиной «размножения» дислокаций являются другие несовершенства кристаллической решетки - часто движению дислокации по кристаллу мешает расположенная на ее пути другая дислокация. Стремясь преодолеть это препятствие, первая дислокация дробится на две-три новых.

Подвергаемые пластической обработке металлические заготовки являются поликристаллическими. Деформация их протекает аналогично деформации монокристалла - путем сдвига (скольжения) каждого отдельного зерна. Поскольку все они ориентированы по-разному, то и их деформация протекает в неодинаковой степени. С увеличением степени деформации зёрна металлического образца вытягиваются и ориентируются определенным образом (рис. 3.26). Структура металла становится волокнистой или слоистой (рис. 3.27).

 

tn.р. температура t1 Рис. 3.27. Изменение при нагревании структуры и свойств металла, упрочненного холодной деформацией:

t_n.p. - температурный порог рекристаллизации

Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна упруго напряжены, а кристаллическая решетка по границам и близ плоскостей скольжения искажена. Пластическая деформация приводит к изме­нению физических свойств металла: повышается электросопротивление, изменяются магнитные свойства, уменьшается плотность и растет прочность (на рис. 3.23, участок 3-4) - происходит деформационное упрочнение металла, которое называют наклепом. Это явление широко используют как способ упрочнения деталей, изготовление которых включает холодную обработку давлением.

 

Возврат и рекристаллизация

При рекристаллизации существенно меняется структура и свойства металла (рис.3.27). В ходе первичной рекристаллизации (при Т = 0,4Тпл, К) происходит образование… Размер зерен металла оказывает большое влияние на его свойства. Для получения высокой прочности и вязкости следует…

Температуры отжига на величину зерна металла

 

Если деформация проводится при высоких температурах (0,60-0,75Т_пл) - горячая деформация - процессы рекристаллизации идут одновременно с деформацией.

 

Основы металлургии

Принципиальные основы производства металлов

В практике применяются сотни разнообразных технологических схем получения металлов. Однако принципиальная сущность всех этих схем одна и та же –… Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс… 1) шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

Рис. 4.1. Схема современного металлургического производства

 

Как правило, на первой стадии технологического процесса производят отделение от рудного минерала максимально возможного количества пустой породы механическими способами, используя различия рудного минерала и минералов пустой породы в плотности, магнитной восприимчивости, электрических свойствах, смачиваемости поверхности частиц жидкостью. При этом руда разделяется на две части: концентрат, куда переходит основное количество природного рудного минерала, и хвосты, состоящие главным образом из пустой породы.

При механическом обогащении руд невозможно полное отделение металла от сопутствующих соединений - в концентрате всегда имеется достаточно большое количество частиц, представляющих сростки рудного минерала с пустой породой. Содержание пустой породы в концентратах изменяется примерно от 10% для железных руд и до 80-90% для руд цветных металлов.

Удаление оставшегося количества пустой породы руды производят на второй стадии технологической схемы химико-металлургическими методами, используя различия в растворимости рудного минерала и пустой породы в химических реагентах или различия в плотностях расплавленных металлической и шлаковой фаз. В тех случаях, когда не удаётся найти эффективный способ разделения пустой породы и природного рудного минерала, последний путем химической обработки преобразуют в другое соединение, существенно отличающееся по своим физико-химическим свойствам от пустой породы.

Итогом процессов второй стадии технологической схемы является получение либо химического соединения данного металла (содержащего небольшое количество примесей), либо металлический сплав.

Иногда для краткости вторую стадию называют стадией получения «химического» концентрата.

На третьей стадии в одних технологических схемах получают «черновой» металл (загрязненный примесями), в других - чистое химическое соединение металла, которое обычно служит исходным материалом для получения чистого металла на следующей стадии.

На последней, четвёртой стадии, получают чистый металл восстановлением соответствующего химического соединения или путем очистки «чернового» металла.

Разнообразные операции, которые осуществляют на различных стадиях металлургического передела (указанные на схеме на с. 74), в зависимости от особенностей их проведения можно разделить на три группы:

- пирометаллургические, протекающие при высоких температурах (700- 2000°С): обжиг, восстановительные и окислительные плавки, возгонка, дистилляция;

- гидрометаллургические, когда проводят обработку рудного сырья водными растворами кислот, щелочей или солей, при которой извлекаемый металл переводится в раствор, а пустая порода остается в виде твердого остатка, Обработку ведут при относительно невысоких температурах: 20-300°С;

- электрометаллургические, при которых используют электрический ток для проведения окислительно-восстановительных процессов в водных растворах или расплавленных солях, в результате чего на одном из электродов выделяется целевой металл.

В большинстве технологических схем получения металлов используются комбинации указанных выше трех методов.

Технологические схемы получения металлов оказываются тем сложнее, чем меньше концентрация данного металла в сырье и чем больше в нём примесей, чем ближе физико-химические свойства примесей к свойствам извлекаемого металла, чем чище по содержанию примесей требуется получить металл или его химическое соединение.

Во многих случаях для получения данного металла разработано по нескольку вариантов технологических схем на отдельных стадиях передела:

- в зависимости от того, в виде какого рудного минерала присутствует металл в руде;

- какую конечную цель преследовали разработчики схем: добиться максимальной простоты или экономичности схемы, получить металл с минимальным содержанием примесей.

Конечной продукцией металлургического производства могут быть чистые металлы, их сплавы с другими элементами, а также химические соединения (например, оксиды). При этом металлы и их сплавы получают в большинстве случаев в виде расплава, который разливают в различной величины и формы слитки. Но тугоплавкие металлы получаются в виде порошков или пористой массы - губки, которые превращают в компактные образцы либо с помощью дуговой или электронно-лучевой плавки, либо методом порошковой металлургии.

 

Руды, подготовка руд к металлургическому переделу

Металлы в рудах, за исключением нескольких самородных (золота, платины, меди), присутствуют в виде химических соединений с другими элементами:… Металлургическая ценность рудного материала, которая определяет затраты в цехе…  

Рис 4.2. Влияние содержания металла

В рудном материале на стоимость руды (С),

энергетические затраты (С_эн),

себестоимость металла (С_мет )

СОДЕРЖАНИЕ МЕТАЛЛА В РУДЕ

Чем полнее осуществляют подготовку руды к металлургическому переделу, тем меньше оказываются энергетические затраты на ее переработку, но тем дороже получается такой подготовленный рудный материал. На рис. 4.2 приведен характер изменения указанных параметров, а также конечной себестоимости металла только в результате одной операции по подготовке - обогащения руды.

При увеличении содержания металла в руде от α до β сравнительно небольшие затраты на ее обогащение +∆С_р существенно перекрываются экономией в энергетических затратах при металлургическом переделе (на плавление меньшего количества шлака, на меньший расход химических реагентов и др.) -∆С_эн. Очевидно, что для каждого типа руды должна быть найдена оптимальная глубина обогащения, при которой получается минимальная себестоимость металла.

Предварительная подготовка значительно расширяет запасы рудного сырья, так как становится рентабельным извлекать металлы из таких горных пород, которые в «сыром» - естественном - состоянии непригодны для металлурги­ческого передела по экономическим соображениям.

Из различных операций по подготовке руды главной является обогащение, в результате которого значительно (в несколько раз) уменьшается содержание в рудном материале пустой породы и резко повышается концентрация полезного элемента.

Однако обогащение руд возможно только после предварительного дробления и измельчения. Как правило, эти операции сопровождаются разделением дроблёных и измельчённых материалов на фракции методами грохочения и классификации.

В ряде случаев значительно удешевляет металлургический передел предварительное удаление из руды гидратной влаги, СO₂ карбонатов, серы в результате обжига.

На рудоподготовительных фабриках руду и концентрат подвергают усреднению с целью повышения однородности по химическому составу.

В случае плавки в шахтных печах рудный концентрат окусковывают.

Таким образом, в общем случае подготовка руд к металлургическому переделу представляет следующий комплекс операций:

1) дробление 5)обжиг

2) измельчение 6) обогащение

3) грохочение 7)усреднение

4) классификация 8) окусковывание

 

Дробление и измельчение руд. Машины, которые применяют для дробления, дробилки, могут уменьшать размер кусков до 5-6 мм. Более мелкое дробление называют измельчением, его осуществляют в мельницах.

Хотя принципиально возможно дробление в одном агрегате от 1500 до 1-2 мм и меньше, практика показывает, что это экономически не выгодно. Поэтому на дробильно-обогатительных фабриках дробление осуществляют в несколько стадий, используя для каждой стадии наиболее подходящий тип дробилки. Обычно дробление осуществляют в три стадии: крупное - от 1500 до 250 мм, среднее - 250-50 мм, мелкое - 50-5 мм; измельчение - от 5 мм до нескольких микрометров. Таким образом, степень дробления, т.е. отношение максимальных размеров кусков до и после дробления для каждой стадии дробления составля­ет 5-10.

Большинство применяемых дробилок работает по принципу раздавливания кусков руды между двумя стальными сближающимися поверхностями. Для дробления руд применяются щековые дробилки (крупное и среднее дробление).

Щековая дробилка (рис. 4.3) состоит из трёх основных частей: непод­вижной вертикальной стальной плиты, называемой неподвижной щекой; подвижной щеки, подвешенной в верхней части, и кривошипно-шатунного механизма, сообщающего подвижной щеке колебательные движения. Материал в дробилку загружают сверху. При сближении щёк происходит разрушение кусков. При отходе подвижной щеки от неподвижной раздробленные куски опускаются под действием собственного веса и выходят из дробилки через разгрузочное отверстие.

 

 

Рис. 4.3. Схема щековой дробилки:

1 – подвижная щека; 2 – неподвижная щека

3 – разгрузочное отверстие; 4 – привод;

Распорные плиты;

Регулировочные пластины.

Кроме того применяются конусные дробилки (крупное, среднее и мелкое дробление), валковые и молотковые дробилки (среднее и мелкое дробление) и др. … Для измельчения руд обычно используют шаровые (рис. 4.4) или стержневые… Как правило, измельчение производят в водной среде, благодаря чему не только устраняется пылевыделение, но и…

Рис. 4.5. Поперечный разрез

Шаровой мельницы

Обогащение руд. Целью обогащения руд является повышение в них концентрации полезного элемента в результате удаления максимально возможного… Содержание железа в рудном материале, % 45 65 Расход на выплавку 1 т чугуна, кг:

Рис. 4.6. Схема барабанно магнитного

сепаратора для мокрого обогащения:

1 – электромагнит; 2 – барабан;

3 - водяные форсунки

 

 

Главным методом обогащения многих руд цветных металлов является флотация - способ, основанный на различии в смачиваемости поверхности частичек рудного минерала и частичек пустой породы.

Сульфиды металлов относятся к категории плохо смачивающихся водой - к гидрофобным материалам. Минералы пустой породы (силикаты, оксиды, карбонаты) хорошо смачиваются водой - являются гидрофильными.

На рисунке 4.7 приведена схема механической флотационной машины.

Флотационная ячейка представляет собой камеру 1 объемом около 2 м³, заполненную водой. В нижнюю часть камеры подают пульпу и поток воздуха.

В результате вращения импеллера 2 воздух диспергирует на мелкие пузырьки, которые сталкиваются с мелкими (0,2-0,3 мм) частичками руды. Пузырьки воздуха прилипают к гидрофобным частичкам и поднимают их на поверхность жидкости, где минерализованная пена вращающимися лопастями 3 перебрасывается через сливную перегородку в желоб. Гидрофильные частички не взаимодействуют с воздушными пузырьками и под действием силы тяжести опускаются на дно, а затем удаляются из машины через отверстие в стенке.

С целью усиления различия смачиваемости отдельных минералов и для улучшения Рис. 4.7. Схема флотационной машины других условий процесса обогащение флота- механическим перемешиванием пульпы: цией производят не в чистой воде, а в во-

о - пузырьки воздуха; _• - рудный минерал; де со специальными веществами-реагентами.

▲- пустая порода

 

Обезвоживание концентрата. Для осуществления последующих технологических операций: дозирования, смешивания, окомкования - в концентратах не должно содержаться влаги более 10-12%. В то же время в результате мокрого обогащения получается пульпа, содержащая до 80% воды. Влажность концентратов снижают в два этапа: сгущением (до 40-50% воды) и фильтрацией (до 9-20%).

 

Сгуститель-отстойник (рис. 4.8) представляет собой невысокий (~2м) железобетонный или металлический бак или чан 1 диаметром до 30 м с коническим днищем. Пульпа после обогащения подается в сгуститель по желобу 2. В центре сгустителя находится подвесной вал, к нижнему концу которого прикреплены гребки 3. В результате медленного вращения вала с гребками осевшие твердые частицы концентрата перемещаются к центральному разгрузоч-

Рис. 4.8. Схема отстойника-сгустителя ному отверстию 4. Осветленная вода сливается

через край сгустителя в кольцевой желоб 5 и воз-

вращается в технологический процесс.

На ряде фабрик сгущение пульпы производят в гидроциклонах, в барабанных вакуум- фильтрах, в дисковых вакуум-фильтрах и др.

Электрическое обогащение основано на различии электрических свойств разделяемых минералов. Применяется для обогащения зернистых сыпучих (подсушенных) материалов крупностью 0,05-0,3 мм в тех случаях, когда другие способы обогащения оказываются малоэффективными. Принцип обогащения состоит в том, что в электрическом поле происходит разделение частичек, имеющих различные электрические свойства: частички-проводники тока и частички-непроводники (изоляторы).

Перед собственно процессом разделения частички должны получить электрические заряды. Для этой цели используют три метода: касание заряженного электрода, индукцию и ионизацию (с помощью коронного разряда). На рисунке 4.9 приведена схема коронного сепаратора барабанного типа. При вращении барабана 2 частицы руды поступают в зону «а-б», где приобретают электрические заряды в результате бомбардировки газовыми ионами от коронирующего электрода 3.

 

 

Рис. 4.9. Схема барабанного коронного

сепаратора:

1 - бункер с рудой; 2 - заземлённый барабан;

Коронирующий электрод;

4 - отклоняющий электрод; 5 – устройство

Для очистки барабана;

Н - бункер для непроводников;

ПП - бункер для полупроводников;

П - бункер для проводников

  Частицы-непроводники сохраняют полученный заряд до точки «е», а…  

Рис. 4.10. Упругости паров ряда металлов и оксидов

 

Хлорирующий обжиг. В металлургии цветных металлов хлор и хлориды впервые начали применять для извлечения из руд золота, серебра (1786 г.), а затем меди (1844 г.).

Элементарный хлор обладает высокой реакционной способностью и может при относительно невысоких температурах (800-1000°С) превращать в хлориды очень прочные и трудно восстановимые оксиды (магния, титана, циркония).

Используя широкий температурный диапазон кипения хлоридов различных металлов - от 60 до 2000°С (табл. 4.1), удаётся отделять хлориды цветных металлов от железа и пустой породы, а также осуществлять селективное разделение металлов-спутников (методом ректификации). Хлорирующий обжиг используют в технологиях получения Mg, Ti, Zr, Hf, Sn.

 

Таблица 4.1

Температуры плавления и кипения хлоридов металлов

  В технологиях производства некоторых металлов (урана, бериллия) используют…  

Вакуум-камеры; 2 - полеты; 3 - направляющие движения полет; 4 - привод;

Загрузочное устройство; 6 - зажигательный горн; 7 - дробилка агломерата;

Пылеуловитель; 9 - эксгаустер; 10- труба; 11 - виброгрохот; 12 - охладитель

Наиболее целесообразным способом окускования тонкоизмельченных концентратов (-0,07 мм) является получение окатышей - шариков диаметром 15-20 мм,… Технология производства железорудных окатышей состоит из двух стадий: 1)… Шихта для получения окатышей включает три компонента: рудный концентрат; бентонит (особый сорт глины, повышающей…

Рис. 4.13. Тарельчатые грануляторы

Для производства железорудных окатышей

Сложная система газопотоков на обжиговой машине обусловлена стремлением в максимальной степени использовать тепло отходящих газов (снизить удельный… Рис. 4.14. Схема фабрики по производству окатышей: 1 – шаровые мельницы; 2 – смеситель; 3 – тарельчатые грануляторы;

Рекуперации и охлаждения

Основы технологии производства важнейших металлов и сплавов

В соответствии с приведенной в разделе 4.1 схемой металлургического производства, производство железа, а точнее – стали включает в себя следующие… I стадия: механическое обогащение и окускование железных руд, II стадия: восстановление оксидов железа и отделение железа от пустой породы пи-

Рудная база черной металлургии

1. красные железняки - рудный минерал - гематит – Fe2О3, 2. магнитные железняки - рудный минерал - магнетит - Fe3О4, 3. бурые железняки - рудный минерал - гидроксиды железа - Fe2О3•nH2О.

I стадия - подготовка железных руд к плавке

 

Современное доменное производство предъявляет к железорудным материалам очень высокие требования по гранулометрическому и химическому составам, по содержанию вредных примесей, по прочности, восстановимости. Поэтому практически все добываемые железные руды подвергаются полному комплексу подготовки: дробление, измельчение, грохочение, классификация, обогащение, усреднение, окускование (см. раздел 4.2).

Таблица 5.1

Важнейшие железорудные месторождения России

Примечание. Числитель - в руде, знаменатель - в концентрате.   Самым распространенным способом обогащения железных руд является электромагнитное. Реже применяется гравитационное. На…

II стадия - доменное производство

Верхняя ее часть называется колошником (К). Основной частью печи по объему является шахта (Ш), представляющая усеченный конус. Самая широкая часть -… В верхней части горна имеется большое число (30-40) равномерно распределенных… Загрузка доменной печи шихтовыми материалами производится скипами 1 сверху с помощью засыпного аппарата 2, который при…

Рис. 5.1. Технологическая схема обогащения магнетитов Оленегорского

Месторождения

 

 

Рис. 5.2. Доменная печь

 

Шихта доменной печи состоит из трех основных частей, взятых в заранее рассчитанном строго определенном соотношении:

1 - железорудный материал - агломерат или окатыши;

2 - кокс - главный источник тепловой энергии, он выполняет также роль реагента-восстановителя;

3 - флюс - материал, снижающий температуры плавления пустой породы рудного материала и золы кокса. Чаще всего в качестве флюса используют известняк, содержащий 96-98% СаСО₃. В этом случае СаО флюса увеличивает также переход серы из металла в шлак, улучшая качество металла.

Общая схема доменного процесса (рис. 5.3). Существо доменного процесса заключается в том. что в верхней половине печи при умеренных температурах - 400-1100°С восстанавливаются оксиды железа из твердых кусков рудного материала. В расположенной ниже зоне с температурами 1100-1300°С - в так называемой зоне шлакообразования - происходит расплавление образующегося из восстановленного железа чугуна и пустой породы рудного материала. Жидкие чугун и шлак стекают вниз и скапливаются в горне, разделяясь по плотности на две несмешивающиеся жидкие фазы.

Доменный процесс относится к типу противоточных: сверху вниз под действием силы тяжести непрерывно опускаются заполняющие всю печь шихтовые материалы, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и одновременно участвует в восстановительных процессах. Горновой газ образуется в результате горения кокса перед фурмами, куда под давлением подается подогретый до 1000-1200°С воздух. Поскольку горение кокса в до-менной печи происходит при большом избытке углерода - при недостатке кислорода, то конечным продуктом сгорания углерода является не СО₂, а СО.

 

 

Рис. 5.3. Распределение по высоте печи основных химических процессов:

Зона твердофазного восстановления железа; 2 - зона шлакообразования;

Зона кокса и жидких продуктов плавки; 4 - зоны горения кокса

Образующиеся продукты горения содержат около 35% СОи имеют температуру 2100-2300°С. В результате горения кокса (его газификации) в горне непрерывно… Получение малоуглеродистого сплава в доменной печи невозможно, так как на всем… Одна из характерных особенностей доменного процесса заключается в том, что формирование химического состава чугуна…

III стадия - сталеплавильное производство

Получаемый в результате доменной плавки чугун имеет ограниченную область применения, так как он хрупок, не обладает пластичностью, имеет низкую ударную прочность. Задачей сталеплавильного производства является, используя чугун как исходный материал, получить сплавы - стали - со значительно лучшими механическими свойствами.

Принципиальные основы сталеплавильного производства

Из сопоставления химических составов передельного чугуна и конструкционной стали (табл. 5.2) видно, что для получения стали требуется удалить из металла большую часть углерода, кремния, фосфора, снизить концентрацию серы.

Таблица 5.2

Химические составы чугуна и стали

  Сделать это можно путем окисления чугуна: углерод переходит в газ (в виде СО),… Таким образом, первое принципиальное отличие сталеплавильного производства от доменного - это окислительный характер…

Шлаковый режим сталеплавильного процесса

Главным источником поступления в шлак SiО2 является окисление[Si]. При взаимодействии SiО2 с FeO шлака образуются легкоплавкие силикаты железа.… В начале периода окисления при сравнительно невысоких температурах идет… Несмотря на высокую основность сталеплавильных шлаков (СаО : SiО2 = 2,0 - 2,5), сера из стали удаляется значительно…

Кислородно-конвертерный способ производства стали

Этот способ является сейчас главным в массовом производстве стали в мире и в России: - передел в сталь идет без расхода топлива - необходимое для разогрева металла… - высокая производительность;

Кожух; 4 - опорное кольцо; 5 - ведомое колесо; 6 - электродвигатель;

Опорная станина; 8 - летка

Футеровка конвертера двухслойная. Арматурный слой, примыкающий к кожуху, толщиной около 200 мм, делают из магнезитового кирпича. Рабочий слой… Технология плавки. Кислородно-конвертерный процесс осуществляется следующим…  

Выплавка стали в конвертерах дуплекс-процессом

На НТМК совместно с Уральским институтом металлов впервые в мировой практике был разработан и внедрен дуплекс-процесс производства природнолегированной чистой стали транспортного назначения (рис. 5.6).

 

 

 

Рис. 5.6. Схема технологического процесса производства стали

Транспортного назначения

Высокая чистота железорудного сырья, а также других материалов, применяемых в доменном и сталеплавильном производствах, обеспечивает в полученной…    

Рис. 5.7 Установка десульфурации

а – установка для вдувания; б – стенд обработки

 

Уровень механических свойств стали зависят от неметаллических включений [1, с. 88]: оксидов (FeO, MnO, Al₂O₃, TiO, FeO∙MnO, TiO₂), шпинелей (FeO ∙ Al₂O₃, MnO ∙ Al₂O₃), силикатов (FeO ∙ SiO₂, MnO ∙ SiO₂), сульфидов (FeS, MnS, TiS), двухфазных включений (оксид – сульфид) и др. Внедрение внепечной обработки сталей на агрегате ковш-печь (рис. 5.8) и в циркуляционном вакууматоре (рис. 5.9) обеспечило уменьшение количества всех видов неметаллических включений.

Кроме того, удалось исключить образование скоплений включений, а также малопластичных оксидов Al₂O₃, шпинелей FeO ∙ Al₂O₃ и MnO ∙ Al₂O₃, обладающих высоким сопротивлением деформации. Регламентация содержания углерода после продувки во втором конвертере и применение продувки аргоном при выпуске в ковш и во время внепечной обработки, а также обработка на циркуляционном вакууматоре способствовали уменьшению газонасыщенности стали: содержание водорода перед разливкой не превышает 1 – 1,6 ppm, кислорода – до 15 ppm, азота – до 50 ppm. Внедрение в конвертерном цехе безалюминиевого раскисления стали, обработки ее синтетическими шлаками, применение микролегирования и модифицирования позволили исключить появление алюминатов и алюмосиликатов кальция. Содержание алюминия в готовой стали не превышает 0,005 %.

 

 

Рис. 5.8. Схема установки «печь-ковш»

 

Рис. 5.9. Схема производства заготовок на МНЛЗ №1

На МНЛЗ (рис. 5.9) возможно вторичное окисление стали из-за неплотностей стыковки огнеупоров на участках сталеразливочный ковш – промежуточный ковш и промежуточные ковш – кристаллизатор.

Сравнение способов герметизации металлопровода путем подачи аргона и применение эластичных огнеупорных материалов (адаптеров) показали преимущество последних. Технология использования стартовых смесей для открытия сталеразливочного ковша и разливка с защитной трубой, исключающая применение кислорода, также способствовали уменьшению вторичного окисления стали. Создание благоприятных условий всплывания неметаллических включений в кристаллизаторе и внедрение системы автоматического контроля параметров разливки, в частности регламентация температурного интервала, предусматривающая перегрев металла в промежуточном ковше на 20° C выше температуры ликвидуса, также направлены на улучшение чистоты стали. Внедрение перечисленных технических решений способствовало уменьшению количества всех видов неметаллических включений и повышению их дисперсности.

Длину зоны вторичного охлаждения круглого слитка на МНЛЗ увеличили с 4,5 до 5,3 м. Плоскофакельные форсунки заменили на двухщелевые, формирующие объемный водовоздушный факел, и увеличили его размеры. Для равномерного теплоотвода по периметру заготовки использовали теплозащитные экраны. Вследствие этого удалось уменьшить в 2,5 раза зону столбчатых кристаллов со стороны малого радиуса слитка, исключить образование осевых трещин и улучшить качество макроструктуры заготовки.

Благодаря разработке и освоению технологии производства транспортного металла в полной мере был использован способ направленного воздействия на структуру и свойства стали – карбонитридное упрочнение высокодисперсными карбонитридами ванадия, измельчение зерна и образование заданной субзеренной структуры. Карбонитриды ванадия размером 4 – 5 нм выделяются в процессе охлаждения после прокатки и после термической обработки (закалка с отпуском).

Совершенствование технологии раскисления стали компонентами, содержащими кальций взамен алюминия, в сочетании с вакуумированием способствовало повышению чистоты по неметаллическим включениям.

Производство стали в электрических печах

Все более широкое применение электроплавки в металлургии обусловливается рядом существенных преимуществ перед конвертерным и мартеновским… - возможность создания в печи любой газовой атмосферы: окислительной,… - возможность концентрировать высокую тепловую мощность в сравнительно небольшом объеме печи, благодаря чему а)…

Рис. 5.12. Электродуговая сталеплавильная печь с эркерным выпуском

Таблица 5.3

Технические характеристики ДСП

Рис. 5.13. Ковш-печь – Современный агрегат Рис. 5.14. Камерный вакууматор

Для получения стали заданного качества

Отделение подготовки металлолома сблокировано с электропечным отделением. В электропечном отделении размещены две позиции выдачи скраповозов из… Отделение внепечной обработки (рис. 5.15) располагается в электропечном… Пролет участка ремонта футеровки сталеразливочных и промежуточных ковшей выделен в отдельное помещение и располагается…

Рис. 5.15. Внепечная обработка стали на УКП и камерном вакууматоре

В комплекс включена самая современная система автоматизации, состоящая из трех уровней автоматики, которая позволяет производить постоянную оптимизацию управления технологическим процессом. Вся информация по ЭСПЦ доступна соответствующему технологическому персоналу в любое время и в любом месте с целью своевременного предупреждения возможных нарушений технологического процесса.

Такое размещение основных агрегатов позволило уменьшить затраты на строительство здания более чем на 15 %.

Технологическая схема производства стали в ЭСПЦ включает в себя три этапа:

Этап №1 – Выплавка полупродукта в дуговой сталеплавильной печи (ДСП). В процессе выплавки полупродукта в ДСП производится расплавление металлошихты, удаление фосфора и окисление углерода (до нижнего предела марочного состава);

Этап №2 – Внепечная обработка стали на на агрегате печь-ковш (АКП) и установке вакуумной обработки стали (УВО. В процессе внепечной обработки производится доводка металла по химическому составу, удаление серы, удаление неметаллических включений, а также модифицирование металла. Ферросплавы и шлакообразующие материалы в ковш отдаются по специальной системе подачи сыпучих материалов, а порошковая и алюминиевая проволока подается в ковш через трайб-аппараты. В процессе внепечной обработки также постоянно производится непрерывная продувка металла в сталь-ковше аргоном для усреднения расплава по химическому составу стали и температуры.

В процессе вакуумирования стали производится дегазация – удаление из стали газов (водород, азот и кислород). Возможно также производить доводку стали по химическому составу (АКП) и её дальнейшее вакуумирование (УВОС);

Этап №3 – Разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ №1 или МНЛЗ №2). Технологический процесс непрерывной разливки стали почти всегда выполняется автоматически (за исключением начальной фазы – запуск машины). Режим разливки стали на МНЛЗ серийный «плавка на плавку». Серийность обеспечивается контактным графиком выпуска полупродукта из ДСП, внепечной обработки стали на АКП и УВОС и наличием двухпозиционного подъемно-поворотного стенда (ППС) на МНЛЗ №1 и 2 для установки сталеразливочных ковшей с металлом перед началом разливки плавки.

Рис. 5.16. Сортовая МНЛЗ №1 в ЭСПЦ ОАО «ПНТЗ»

 

Рис. 5.17. Сортовая МНЛЗ №2 в ЭСПЦ ОАО «ПНТЗ»

После окончания внепечной обработки металла на АКП или на УВОС сталеразливочный ковш устанавливается на свободную позицию ППС. На ковш устанавливается гидроцилиндр шиберного затвора, ковш накрывается теплоизоляционной крышкой, после чего ППС перемещает ковш в позицию разливки.

Жидкая сталь из сталеразливочного ковша разливается, равномерно распределяясь по литьевым ручьям посредством распределительной системы, именуемой «промежуточный ковш» – промковш; каждый ручей функционально независим от остальных ручьев. Перед первой плавкой в серии из позиции разогрева в позицию разливки специальной тележкой перемещается промежуточный ковш, футеровка которого должна быть разогрета более 1100ºС.

 

Таблица 5.4

Технические характеристики МНЛЗ №1

Таблица 5.5

Технические характеристики МНЛЗ №2

Промежуточный ковш представляет из себя емкость дельтообразной формы с установленными в днище стаканами-дозаторами и стопорами-моноблоками для… Кристаллизатор предназначен для приема и удержания жидкой стали и для… Узел качания кристаллизатора обеспечивает:

Рис. 5.18. ЗВО сортовой МНЛЗ

Конструкция системы вторичного охлаждения основывается на математической модели затвердевания и теплопередачи. Система охлаждения подразделяется на ряд независимых зон. Каждая зона контролируется системой автоматизации 2-го уровня по отдельности. Такая конструкция позволяет постепенно снижать коэффициент теплопередачи к концу зоны охлаждения и предотвращает появления как поверхностных, так и внутренних дефектов. Охлаждение в ЗВО производится с помощью расположенных в ней водораспылительных форсунок.

По завершению кристаллизации, слиток заготовки выводится и правится с помощью правильного узла (ТПА) (рис. 5.19), обеспечивающего правку его искривленной формы в прямую, и непрерывность резки на машинах газовой резки (МГР) (рис. 5.20 и 5.21), в процессе которой выводимый слиток не приостанавливается, но продолжает свое движение: по завершению своего выхода слиток заготовки разгружается на участок отгрузки.

 

 

Рис. 5.19. Вытягивания НЛЗ с помощью ТПА

 

 

Рис. 5.20. МГР МНЛЗ №1 Рис.5.21. МГР МНЛЗ №2

 

Для идентификации заготовок они автоматически клеймятся механическим клеймом на специальных машинах.

В процессе разливки стали обеспечиваются требуемые геометрические размеры заготовки, а так же её макроструктура.

Классификация сталей

Отечественная черная металлургия производит широкий сортамент сталей, различающихся по механическим, электрическим, магнитным свойствам, стойкости против химического воздействия, высоких температур.

Классификацию сталей можно провести по нескольким признакам:

1) по способу производства: кислородно-конвертерные, мартеновские, электродуговые, вакуумно-индукционные;

2) степени раскнсленности: спокойные, полуспокойные, кипящие (в которых выгорание углерода продолжается даже в период разливки в изложни¬цы);

3) качеству (по концентрации серы и фосфора): обыкновенная (содержаниеS и Р до 0,06%), качественная и высококачественная (S и Р менее 0,03%);

4) химическому составу: углеродистые и легированные;

5) назначению: конструкционные (< 0,6% С), инструментальные (0,7-1,5% С) и стали специального назначения: рессорно-пружинные, подшипниковые, штамповые, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные и др.

Для удобства пользования ГОСТом установлена маркировка сталей. Так, например, Ст3 обозначает - сталь обыкновенная, конструкционная, содержание углерода 0,3%; У12А - сталь углеродистая, 1,2% С, качественная.

Легирующие элементы в сталях обозначаются буквами русского алфавита: Ni- H; Cr- Х: Со- К; Mn- Г; Si- C; W- B; Ti- T; V- Ф; Al- Ю; Cu- D. Цифра перед буквами обозначает содержание Св сотых долях процента; цифры после буквы - содержание элемента в процентах. Так, в стали 8Х22Н6Т содержится С - 0,08%;Сг - 22%; Ni - 6% и Ti- 1%.

 

Бездоменные способы получения железа

Вместе с тем, этот метод содержит серьезные внутренние противоречия, так как осуществляется по принципу «два шага вперед - один назад»: на первой… Вторым противоречием доменной плавки является то, что полученные в результате… Следующий недостаток традиционной технологии заключается в том, что первая стадия - доменная плавка - невозможна без…

Рис. 5.22. Технологическая схема цеха металлизации окатышей ОЭМК

 

На ОЭМК в качестве топлива и восстановительного газа используется природный газ после конвертирования. Во избежание выхода из строя никелевых катализаторов реформера природный газ предварительно очищается от серосодержащих компонентов вначале фильтрацией через «молекулярное сито» с помощью адсорберов, а затем химическим взаимодействием с ZnO. Окончательное содержание серы в газе 0,0001%.

Реформер природного газа представляет стальную камеру 41x11x9 м, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. В реформере укреплены вертикально 288 реакционных труб (РТ), заполненных катализатором.

В днище между трубами расположены горелки, с помощью которых реакционные трубы нагреваются до 1100°С. Конвертированный газ, состоящий из Н₂и СО₂, выходит из реформера с температурой 900°С.

Шахтная печь для металлизации окатышей работает в непрерывном режиме по схеме противотока. Сверху из бункера (Б) окисленные окатыши через труботечку с помощью специального устройства равномерно распределяются по окружности колошника диаметром 5 м. Примерно на середине печи находится фурменный пояс, через который вдувается восстановительный газ с темпера-турой около 760°С, представляющий смесь конвертированного газа с небольшой добавкой природного. Поднимаясь вверх, восстановительный газ нагревает окатыши и восстанавливает оксиды железа. Высота этой зонывосстановления около 10 м. Колошниковый газ с температурой 400°С покидает печь и направляется на участок обработки колошникового газа, где он охлаждается, очищается от пыли и воды и частично используется в качестве газообразного топлива в реформере, а остальная часть возвращается в процесс. В таблице 5.6 приведены составы восстановительного и колошникового газов.

Восстановленные окатыши из восстановительной зоны опускаются в зону охлаждения, где продуваются холодным газом, состоящим в основном из восстановительных компонентов, %: 15 СО, 30 Н₂, 30 СН₄ и 15 N₂ Одновременно с охлаждением идет науглероживание железа. Движение окатышей в шахтной печи обеспечивается работой питателей (П), представляющих трубы, проходящие через печь, с наваренными пластинами.

Таблица 5.6

Составы восстановительного и колошникового газов

Питатели совершают возвратно- вращательные движения (+45°-30°) и расположены на выходе из зон восстановления и охлаждения. Специальные газовые… Регулирование технологическим режимом восстановления окатышей, их охлаждения и… Металлизованные окатыши, содержащие FeО ≥ 88%, Feмeт = 79-80%, SiО2 ≤ 5%; S ≤ 0,005%; P ≤…

Получение особо чистого железа

Железо, выделенное электролизом из растворов хлорида или сульфата железа, содержит около 0,1% С; 0,1-0,2% О, а также 0,015 -0,05% S, если осаждение… При такой обработке содержание серы в железе снижается до 0,004%. Путем… Высоко чистое железо получают также карбонильным методом - разложением Fe(CO)5 при 200-300°С. Однако и в этом случае…

Производство ферросплавов

Поскольку легирующий металл находится в руде или концентрате в виде оксида, то процесс получения ферросплавов сводится к восстановлению данного… В настоящее время основными способами получения ферросплавов являются… При электротермическом процессе плавку ведут в мощных дуговых рудовосстановительных печах, работающих обычно в…

Таблица 5.7

Удельные расходы шихтовых материалов и электроэнергии

При выплавке ферросплавов

Примечание. Содержание в сплавах, %: Si – 75; Mn – 75; Cr – 65.   В FeMn и FeCrдовольно активно растворяется углерод шихты, содержание которого в этих сплавах достигает 7-8%. Такие…

IV стадия - методы повышения качества стали

Стали, получаемые по описанным выше давно и широко применяемым технологиям - «классическим» (мартеновскому, конвертерному, в открытых дуговых… Идея внепечной обработки (внепечного рафинирования) жидкой стали заключается в… 1) в процессе внепечной обработки быстро понижалась температура жидкого металла в ковше, поэтому приходилось…

Производство алюминия

Рудная база

Основным рудным сырьем для производства алюминия являются бокситы. В качестве примера на рис. 5.24 приведена технологическая схема производства…    

Рис. 5.24. Технологическая схема получения алюминия

Из высококремиземистых бокситов

 

По сравнению с месторождением железных руд месторождений бокситов, пригодных для промышленной разработки, меньше и размеры их меньше. В России алюминий получают также из нефелинов. В таблице 5.8 приведены составы некоторых типов бокситов и нефелина, %.

Таблица 5.8

Руда	А12О3	SiO2	Fe2O3	Na2O+K2O	CaO
Боксит богатый	60,0	1,6	11,0	-	4,0
Боксит бедный	44,5	13,0	16,7	-	4,0
Нефелин	27,3	40,3	5,2	11,9	7,6

 

В связи с тем что оксид алюминия является трудно восстановимым, порядок извлечения алюминия из руд принят обратным по сравнению с порядком при металлургии железа - вначале А1₂О₃ отделяют от пустой породы, затем глинозем восстанавливают электролизом.

Бокситы плохо обогащаются, поэтому часто процесс их переработки начинается сразу со II стадии - химического обогащения.

 

II стадия - получение А1₂О₃

Важнейшей характеристикой качества бокситов является отношение Al₂О₃/SiО₂, которое называют кремневым модулем; для богатых руд он равен 10-15, для бедных 3-4. Практикой установлено, что различные по качеству бокситы целесообразно перерабатывать разными методами.

Из богатых бокситов глинозем извлекают по способу Байера - схема переработки приведена на рис. 5.25.

Идея способа заключается в том, что гидроксиды алюминия при воздействии на них концентрированной NaOH образуют растворимый алюминат натрия:

А1₂О₃•nН₂0 + 2NaOH = 2NaAIО₂ + (n + 1 )Н₂О,

в то время как Fe₂О₃ и значительная часть SiО₂ пустой породы остаются в твердом остатке (шламе).

 

Рис. 5.25. Технологическая схема получения А1₂О₃ по способу Байера

 

При выщелачивании боксита одновременно с А1₂О₃ в раствор может переходить некоторое количество SiО₂: SiO₂ +2NaOH = Na₂SiО_3(р-p) + H₂О. При взаимодействии силиката натрия Na₂SiO₃ с алюминатом натрия NaAlO₂образуется нерастворимая соль, выпадающая в осадок. Этот побочный процесс уменьшает извлечение из боксита алюминия, увеличивает потери щелочи, ухудшает обезвоживание пульпы. Измельчение боксита совместно с опре-деленным количеством СаО значительно снижает этот отрицательный эффект благодаря образованию нерастворимого силиката кальция.

Растворимость глинозема значительно повышается с ростом концентрацииNaOHи температуры (до 200-300°С). Как известно, проведение процессов с участием водных растворов при температурах выше 100°С возможно только при повышенных давлениях. В данном случае выщелачивание бокситов ведут при температурах 250°С и давлении до 3 МПа в особых герметических стальных сосудах - автоклавах емкостью 24-30 м³ (рис. 5.26).

Автоклав работает в непрерывном режиме. Подводимый снизу пар подогревает пульпу и перемешивает ее.

Для обеспечения необходимого времени выщелачивания (2,0-2,5 ч) и соответственно полноты выщелачивания процесс ведут в нескольких последовательно расположенных автоклавах (рис.5.27).

Рис. 5.26. Схема автоклава для

выщелачивания бокситов:

1 - вывод пульпы; 2 – теплоизоляция

 

Рис.5.27. Схема установки для непрерывного

выщелачивания бокситов:

1 - трубчатые подогреватели: 2 - автоклавы;

Сепараторы

После выщелачивания пульпа из автоклавов подается в сепараторы, где в результате снижения давления газа происходит интенсивное парообразование и… Отделенный от шлама раствор подают на декомпозицию - процесс, в ходе которого…  

Рис. 5.28 .Схема цепи аппаратов участка декомпозиции

алюминатного раствора:

Декомпозер с аэролифтным

Перемешиванием; 2- гидроциклон;

Сгуститель;

Вакуум-фильтр;

Репульпатор

Процесс кристаллизации ускоряется в результате введения в раствор затравки - мелких кристаллов А1(ОН)3. Осаждение из раствора гидроксида алюминия… Обезвоживание гидроксида алюминия - так называемую кальцинацию осуществляют…

III стадия - получение металлического алюминия

Алюминий отличается высоким сродством к кислороду. СО и Н2 не в состоянии восстановить А1 из А12O3. Восстановление же углеродом может идти только… Однако из водных растворов восстановить алюминий электролизом невозможно. так… Температура его плавления 1008°С. Эвтектическая температура системы криолит-глинозем 937°С. Обычно присутствующие в…

Углеродистая футеровка; 2 - огнеупорная футеровка; 3 - застывший электролит; 4 - расплавленный электролит; 5 - угольный анод; 6 - самообжигающаяся углеродистая масса; 7 - газоотвод; 8 - слой глинозема; 9 - токоподводы

 

 

Для обеспечения достаточной электропроводности и жидкоподвижности электролита температуру его поддерживают в пределах 930-970°С. Получающийся в результате электролиза жидкий алюминий (t_пл = 660°С) скапливается на углеродистой подине, выполняющей роль катода. Над ним располагается слой расплавленного электролита (с плотностью примерно 2,1 г/см³; плотность алюминия 2.3 г/см³).

По ходу электролиза концентрация глинозема в электролите снижается. Для её восстановления периодически разбивают корочку застывшего электролита на поверхности ванны и в образовавшееся отверстие загружают порцию А1₂О₃. Раз в сутки накопившийся в ванне алюминий отсасывают с помощью вакуумного насоса.

По мере расходования анода его опускают, поддерживая постоянным межполюсное расстояние 4-5 см. При этом верхнюю часть анода наращивают, используя самообжигающуюся углеродистую массу. Один из типоразмеров электролизных ванн имеет внутренние размеры: ширина 3,8, длина 10,0 м; размеры анода в горизонтальном сечении 2,8 х 9,0 м. Электролизеры обычно объединяют в серии по 100-150 штук.

Показатели процесса электролиза: удельный расход на 1 т алюминия - глинозема 1,92-1,93 т; анодной массы 550 кг; криолита и других добавок 50 кг. Рабочее напряжение на электродах промышленных ванн составляет 4,0-4,5В. Удельный расход электроэнергии при этом получается равным

W_Ф == 13,910³ кВт • ч/т Аl

(0,90 выход по току). Стоимость электроэнергии составляет примерно 30% себестоимости алюминия. Производительность ванны 550-1200 кг/сут.

 

IV стадия - получение чистого алюминия

Обычно очистку алюминия от примесей производят продувкой слоя металла хлором. Образующиеся в результате хлорирования соединения всплывают на… Алюминий высокой чистоты получают более сложными приемами: электролитическим… А1С13 +2AI →3А1С1 или AIF3 + 2А1 →3A1F.

Производство меди

Рудная база

Таблица 5.9

Химический состав медных руд, %

Руда	Cu	Fe	S	SiO2	Al2O3	Zn	Pb
Порфировая Колчеданная Полиметаллическая Медистые песчанники	0.9 - 1,5 2 - 3 0,5 - 5 1,9 -7	1 - 3 38 - 42 15 - 30 1 - 2	1 - 2 36 - 44 20 - 32 0,4	50 - 80 5 - 10 12 - 30 67 - 75	5 - 15 1 - 2 2 - 3 12 - 18	- - 5 - 8 -	- - 3 - 7 -

I стадия передела - механическое обогащение руд

Химические составы некоторых типов медных концентратов приведены в табл. 5.10.  

II стадия - выплавка штейна (химическое обогащение)

Наиболее целесообразным способом освободиться от основного коли-чества пустой породы оказалась плавка медных концентратов с получением двух расплавов: штейна, содержащего сульфиды меди и железа, и шлака, состоящего из оксидов Si02, А1203, СаО. Благодаря существенному различию по плотности (у штейна - 3,5-4,5, а у шлака - около 3,0 г/см³) происходит практически полное разделение штейна и шлака.

Таблица 5.10

Химический состав медных концентратов, %

Концентрат	Cu	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO+MgO
Богатый сульфидный Бедный сульфидный Богатый малосернистый Бедный малосернистый Окисленный	25 - 30 12 - 18 25 - 40 10 - 15 10 -20	32 - 36 26 - 38 10 - 14 15 - 20 2,5 - 5	28 - 40 36 - 42 15 - 21 20 - 25 до 1,5	3 - 5 6 - 15 16 - 25 20 - 32 40 - 50	1 - 2 4 - 8 2 - 9 5 - 10 13 - 20	0,7 - 1,2 0,5 - 1 1 - 2 2 – 3 1 – 3,5

 

Рис. 5.30. Технологическая схема обогащения полиметаллической сульфидной руды

 

Принципиальная технологическая схема получения меди из концентратов пирометаллургическим способом, наиболее широко распространенная в металлургической практике, приведена на рис. 5.31.

Рис. 5.31. Принципиальная технологическая схема производства меди

Пирометаллургическим способом

Для выплавки штейна из медных руд применяют разнообразные печи. В течение длительного времени основным металлургическим агрегатом для плавки руд на…   Рис. 5.32. Отражательная печь для плавки медных концентратов:

Окна для горелок (форсунок); 2- подвесной свод; 3 - загрузочные окна; 4 - шлаковое окно;

Боров для отвода газов (аптейк); 6 - лещадь; 7 - летки для выпуска штейна; 8 - фундамент

Тепло, необходимое для нагрева и плавления шихты, выделяется в результате сжигания пылеугольного, жидкого или газообразного топлива в горелках… Шлак содержит, %:FeO - 40; SiО2 - 38; СаО- 8;А12О3 - 6; в шлаке имеется… Расход условного топлива 15-20%.

Колошник; 2 - шахта; 3 - внутренний горн; 4 - наружный горн (отстойник);

Гарнисаж

Для обеспечения более равномерного нагрева материалов от горения топлива печь в области внутреннего горна имеет небольшие размеры в поперечном… Выпуск жидких продуктов плавки: штейна, шлака, металла из внутреннего горна -… Плавка в печи Ванюкова относится к группе процессов, где окисление и плавка шихты происходят в объёме расплава.…

III стадия - получение черновой меди

В результате протекания экзотермических реакций окисления железа и серы на первом этапе конвертирования выделяется тепло, количества которого… По окончании первого периода (продолжительностью 8-20 ч) сливают… В эту так называемую черновую медь (97-99%Си) переходят и все благородные металлы.

Опорные бандажи; 2 - зубчатый венец; 3 - воздушный коллектор с фурмами; 4 - роликоопоры; 5 - привод вращения; 6 - огнеупорная футеровка; 7 - горловина;

Напыльник для отвода газов

Загрузку конвертера (заливку штейна и завалку кварцита и добавок) осуществляют через горловину. Поворотом конвертера также через горловину выпускают… Выходящие из конвертера газы (N2 + SО2) выносят пыль, содержащую кроме меди…  

IV стадия - получение чистой меди

Черновая медь содержит от 0,8 до 2,5% примесей, ухудшающих ее механические и особенно - электрические свойства. Наиболее эффективным способом… В первый период расплавленную медь продувают воздухом, в результате чего… Во второй период проводят раскисление меди путем продувки металлической ванны природным газом. Образующиеся при…

Производство титана

Рис. 5.36. Технологическая схема получения TiO2  

I стадия - механическое обогащение ильменитовых руд

Основное сырьё для получения титана - ильменитовые руды. Вначале гравитационным методом обогащают ильменитовые пески с получением… В результате обогащения получают концентрат состава, %:

II стадия - химическое обогащение

Плавку ведут в трехфазных дуговых электрических печах. Количество углерода в шихте рассчитывают на получение в шлаке 3-5% FeO. Шлаки с меньшим… TiO2 FeO SiO2 CaO А12О3 MgO 82-87 3-5 2,8-5,6 0,3-1,2 2-6 2,0-5,6

Рис. 5.37. Схема шахтного хлоратора

непрерывного действия:

1 – корпус хлоратора; 2 – бункер с брикетами для хлорирования;

3 – питатель; 4 – шнековый питатель

 

Шихта для приготовления брикетов состоит из измельченного титанового шлака, нефтяного кокса, сульфитно-спиртового щелока, каменноугольного или нефтяного пека. Для повышения прочности брикеты обжигаются при 850-950°С без доступа воздуха. Вместе с брикетами в хлоратор загружается 20-25% кокса.

Подаваемый в фурмы хлор поднимается вверх и в реакционной зоне высотой 0,8-1,0 м расходуется практически полностью. Брикеты размером 50x40x35 мм хлоратора непрерывного действия: хлорируются за 3,0-3,5 ч. При установившемся режиме требуемая температура процесса - 900-1000°С - сохраняется за счет теплоты экзотермических реакций. Образующиеся в установке газы удаляются через газоотвод, а твёрдый остаток брикетов - огарок, представляющий пустую породу, опускается в зону охлаждения (ниже горизонта фурм) и непрерывно выгружается из печи питателем.

В ходе процесса титан распределяется между продуктами хлорирования следующим образом: извлекается в ТiCl₄(газ) - 92-93%; уносится с пылью - 6-7%; теряется с огарком около 1%.

Удельная производительность шахтного хлоратора диаметром 1,8 и высотой 10 м составляет в час 1,8-2,0 т TiCl₄с 1 м³ объёма.

Пылеулавливание и конденсация хлоридов. Газовая фаза, выходящая из хлоратора, имеет сложный состав. Она содержит:

- неконденсируемые газы: СО, СO₂, СОС1₂, N₂, HCI, С1₂;

- низкокипящие хлориды - в нормальных условиях жидкости: TiCI₄, SiCI₄; VOCl₃, NbCl₅, ТаС1₅;

- низкокипящие хлориды - в нормальных условиях твердые вещества:FeCl₃, A1Cl₃;

- высококипящие хлориды СаС1₂, MgCI₂, FeCl₂, а также КС1 и NaCl; эти вещества уносятся из реактора в виде мелких твердых частичек и капелек жидкости.

Схема пылеулавливания и конденсации приведена на рис. 5.38.

Установка состоит из пылевых камер, в которых в результате охлаждения газа с 500-600 до 140-180°С конденсируются и осаждаются частицы твердых хлоридов; рукавного фильтра для дополнительной очистки газа от твердых частиц; двух оросительных конденсаторов, где в результате дальнейшего охлаждения хлориды SiCI₄ и TiCl₄ переходят в жидкое состояние и отделяются от газа. В качестве охлаждающего агента используют охлажденный до -10°С TiCl₄. Перед выбросом в атмосферу газы проходят через санитарный скруббер, орошаемый известковым молоком для улавливания остатков хлора, фосгена, хлористого водорода. На ряде предприятий вместо рукавного фильтра используют солевой фильтр. Основное количество жидкого тетрахлорида титана насосом отсасывается из оросительных конденсаторов и направляется на дальнейшую обработку, а некоторая часть его возвращается в холодильники, из которых затем подается в оросительные конденсаторы.

 

Рис. 5.38. Схема раздельной конденсационной системы:

Пылевые камеры (кулера); 2 - сборник твердых хлоридов; 3 - рукавный фильтр;

Оросительные конденсаторы; 5 - водяной холодильник; 6 - погружной насос;

  Технический TiCl4 содержит довольно много примесей - хлоридов Ge, А1, Та, Nb;… Из рисунка 5.39 видно, что большинство хлоридов-примесей имеет температуры кипения, существенно отличающиеся от…

Рис. 5.39. Температуры плавления (нижняя горизонталь)

И кипения (верхняя горизонталь) некоторых хлоридов; штриховкой показан

Температурный диапазон, в котором производится ректификация TiCl4

 

Ректификация технического TiCl₄. Очистка TiCl₄ осуществляется последовательно в двух ректификационных колоннах (рис. 5.40). В первой из смеси газов выделяют хлориды с более низкими температурами кипения, чем у TiCl₄:SiCl₄; GeCl₄; СС1₄. Во второй колонне разделяют TiCl4 и высококипящие хлориды: А1С13; FeCl₃; NbCl₅; ТаС1₅.

 

Рис. 5.40. Схема ректификационной установки для очистки TiCl4

от примесей:

1 - колонна для отделения легколетучих хлоридов; 2 - колонна для отделения высококипящих хлоридов; 3 - подогреватели; 4 - дефлегматоры; 5 - насос: б - бак для сбора низкокипящих

Хлоридов; 7 - бак для сбора высококипящих хлоридов; 8 - запорные и регулирующие краны;

  Процесс ректификации ведут в колоннах из нержавеющей стали с дырчатыми… Кубовый остаток, содержащий TiCl4 и примеси высококипящих хлоридов, подают во вторую колонну, в верхней части которой…

Получение конечной продукции

Конечной продукцией в титановом производстве могут быть TiO₂, чистый металлический титан и ферротитан.

Основное количество титана производят магниетермическим восстановлением хлорида титана в вакууме или в атмосфере инертных газов: TiCl_4(г) + 2Mg_(ж) = Ti_(тв) + 2MgCl_2(ж).

Принципиальная схема производства титана приведена на рис. 5.41.

 

 

Рис. 5.41. Технологическая схема получения титана магниетермическим

восстановлением TiCl₄

 

В производственных условиях восстановление ведут в реакторах (ретортах) из жаропрочной стали диаметром 1-2 м и высотой 2-3 м. В герметизированную реторту, заполненную аргоном, заливают магний (t_пл = 651°С). Из напорного бачка с регулируемой скоростью подают жидкий TiCl4, пары которого вступают в реакцию с жидким или парообразным Mg. Выделяющегося при экзотермических реакциях восстановления тепла хватает для поддержания температуры 800-900°С. В начальный период в реторте возникает три слоя. Восстанавливающиеся частички титана (плотностью 4,5 г/см³) опускаются на дно реторты и спекаются в пористую губку. Над ней располагается слой MgCl₂ (ρ= 1,67 г/см³), и на самой поверхности - слой жидкого магния (ρ = 1,47 г/см3). В последующем титановая губка образуется и на стенках реактора над поверхностью расплава (гарнисаж). Образующийся MgCl₂ периодически удаляют через донный слив. После того как большая часть магния прореа¬гировала, скорость процесса восстановления значительно снижается. Прекращают подачу в ретору TiCl₄. После выдержки в течение некоторого времени (для завершения восстановления низших хлоридов) реактор извлекают из печи и охлаждают водой на специальном стенде.

Образовавшаяся титановая губка содержит в порах значительное количество неизрасходованного Mg (25-35%) и 9-12% MgCl₂. Для их отделения от титана применяют вакуумную дистилляцию. При длительном нагревании (50-60 ч) титановой губки в вакууме при 850-950°С магний и хлористый магний испаряются и осаждаются в конденсаторе. По окончании процесса реторту заполняют аргоном и охлаждают.

Извлеченную из реторты титановую губку дробят до 5-70 мм. Максимально допустимое содержание примесей в губке первого сорта (хлора, железа, водорода, кислорода, угле-

рода, кремния) не более 0,02-0,08% каждого. Титановые сплавы получают вакуумнодуговым переплавом прессованных электродов (рис. 5.41).

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

2. На передовых рубежах науки и производства. /А.А. Богатов. //Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 85 с. 3. А.В. Кушнарев.Разработка и теоретическое исследование новых способов… 4. Ю.А. Гудим.Производство стали в дуговых печах.Конструкции, технология, материалы: монография/ Ю.А. Гудим, И.Ю.…