Технология металлов и сварка

Московский 

государственный 

горный 

университет 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С 
О 
В 
Е 
Т 

Председатель 

Л.А.ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

л.хгитис 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

Э.М. СОКОЛОВ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор МГГУ, 

чл.-корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАН ВШ 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

В.С. Квагинидзе 

ТЕХНОЛОГИЯ 

МЕТАЛЛОВ 

И СВАРКА 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного 

дела в качестве учебного пособия для 

студентов вузов, обучающихся по направлению пОдготовки диwюмированньtх специШiистов «Горное дело» и по 

специШiьности <<Горные машины и 

КОМ/V/е~«:ьт направления подготовки 

ди/V/аwированнЬLХ специШiистов <<Техналогические машины и оборудование)) 

Москва 

Издательство 
Московского 

государственного 

горного 

университета 
2004 

УДК 621.7/9+621.791 

ББК 30.61 

К32 

к 32 

Экспертиза проведеиа Учебио-.иетодическим объедииеиие,и высших учебиы-у; заведеиий Российской Федерации по образоваиию в области гориого дела (пис&-ио Nu 5189/6 от 20. 10. 2004) 

Kuwa соответствует «Гиzиеиическим mpeбoii(JifWiМ к издаиин.w Кltu:Ж'I/ЬLW д/IJ/ взросЛЬL'I:. 

СаиПиН 1.2.1253-{)3», утверждеииым Главиьw государствеm/ЬLИ саиитариьLи 

врачом России 30 .иарпш 2003 г. 

Рецензенты: 
• 
д-р техн. наук, проф. Н. Н. Гриб [НТИ(Ф)ЯГУ], 

• 
канд. техн. наук С.Н. Григорьев (зам. ген. директора гл. инженер 
ОАО ХК «Якутуголы>) 

Кваrинндзе В.С. 

Технология металлов и сварка: Учебное пособие для вузов. 

М.: Издательство Московского государственного горного 

университета, 2004.- 566 с.: ил. 

ISBN 5-7418-0348-2 (в пер.) 

Описаны процессы проюводсrва чуrуна, сrали, цв~т~ых металпов и их 

crumвoв. Раскрыта связь между строением и свойсrвами материалов, изложены 

основы теории сплавов, даны характериСПU<а различных типов сталей и crumвoв, 

а также технология их обрабтхи. 

Основная часrь книm посвящена теории сварки (сущносrь, классификация, 

физико-химические процессы, деформации и напряжения. свариваемосrь металлов). Приведсны устройсrва, оборудование и аппараrура д11Я различных видов 

сварки и наrumвки; рассмотрены приемы вьшо!Пiения различных сварных швов. 

Даны сведения о сварочных материалах, современном оборудовании, показаны 

особенности технолоmи сварки различных металпов и crumвoв. Рассмотрены дефеюы сварных соединений, способы их предупреждения, контроля и устранения. 

Изложены вопросы техники безопасности. 

Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов <<Горное дело» и по специальности «Горные машины и 

комплексы» направления подготовки дипломированных специалистов «Технолоmческие машины и оборудование>>. 

УДК 621.7/9+621.791 

ББК 30.61 

ISBN 5-7418-0348-2 
© В.С. Квагинидзе, 2004 
© Издательство МГГУ, 2004 

©Издательство «Горная книга», 2004 
© Дизайн книги. 

Издательство МГГУ, 2004 

основы 
ЧЕРНОЙ 

И ЦВЕТНОЙ 

МЕТАЛЛУРГИИ 

Часть 
1 

Глава 1 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ 

МЕТАЛЛОВ 

Отрасль промышленности, занимающаяся производством 

металлов и сплавов из руд и другого сырья, и наука о способах 

получения и очистки металлов, называются металлургией. 

История развития человеческого общества неразрывно связана с производством и использованием металлов. Уже в V-VI 

тысячелетиях до н. э. люди использовали самородные металлы, 

в IV-111 тысячелетиях до н. э. научились выплавлять металлы 

из руд, получать бронзу, а во 11 тысячелетии до н. э. сумели 

восстановить железо из железной руды. С тех пор железо занимает главенствующее положение, более 90 % мирового производства металлов составляют его сплавы. 

Уровень индустриализации любой страны во многом определяется состоянием производства металлов и сплавов. С развитием радиоэлектроники, вычислительной и космической техники, атомной энергетики и других отраслей промышленности все 

большее применение находят W, Мо, NЬ и другие цветные металлы 

и их сплавы, производство которых растет из года в год, при этом 

совершенствуются существующие и создаются новые способы их 

получения. 

1.1. Сырье и вспомогательные материалы 

Руды. Только химически стойкие металлы (Ag, Au, Pt, Cu) 

встречаются в самородном виде. Остальные металлы ввиду высокой химической активности находятся в виде соединений 

(оксидов, сульфидов, карбидов и др.), входящих в состав минералов, образующих горные породы. 

Те горные породы, из которых на данном уровне развития 

промышленности экономически целесообразно получать тот 

или иной металл, называются рудами. Часть руды, содержащая 

металл, называется рудным минералом, не содержащая пустой породой. 

7 

Руды называются по основному металлу, содержащемуся в 

них: железными, алюминиевыми и т. д. Встречаются также полиметаллические (комплексные) руды, в состав которых входит 

несколько металлов. Пустая порода содержит преимущественно кремнезем (Si02), глинозем (АЬОз), известковые (СаО, СаСОз), магнезиальные (MgO) соединения и др. 

В зависимости от содержания металла руды делятся на богатые и бедные: первые сразу идут на переработку, а вторые 

предварительно обогащаются. Процесс обогащения разделение рудных минералов и пустой породы осуществляется 

флотацией, магнитным, гравитационным, электростатическим 

и другими способами. Обогащенную часть называют концентратами, а отходы хвостами. Полученные концентраты перерабатываются в металл, а отходы отбрасываются. Обогащение служит подготовительным, но очень важным процессом, 

особенно при производстве цветных металлов. Содержание металла в рудах часто очень мало, а некоторые из них (например, 
Ge) вообще не имеют самостоятельных месторождений. Поэтому допустимый промышленный минимум содержания металла 

в руде зависит от многих факторов и примерно составляет: не 

менее 30%- для железных, 0,4%- для медных руд, 0,00001 % 

-для золотых россыпей и т. д. 

Флюсы. Для удаления из расплава пустой породы руды или 

концентрата, а также вредных примесей в состав сырья вводят 

флюсы материалы, образующие с пустой породой легкоплавкие соединения эвтектического типа. Расплав пустой породы с флюсами и золой кокса при производстве чугуна, флюса с 

оксидами, сульфидами и другими соединениями при варке стали 

называется шлаком. Как правило, шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому и происходит расслоение расплава: 

шлак располагается вверху, металл внизу. Это расслоение 

позволяет сравнительно просто избавляться от шлака, сливая 

его в процессе плавки. 

lllлаки и флюсы подразделяются на кислые (содержат преимущественно Si02, P20s) и основные (преобладают СаО, MgO 

и др.). В качестве кислых флюсов применяют кварцевый песок, 

плавиковый шпат, в качестве основных- известняк, доломит. 

При высоких температурах, достигаемых при плавке, шлаки 

могут вступать в химическую реакцию с футеровкой -кладкой 

8 

внутренних пространста плавильных печей. В связи с этим, когда применяется основная футеровка, нельзя вводить кислые 

флюсы, а когда кислая футеровка- основные. 

Шлаки играют большую роль при производстве металла с 

заданным химическим составом. Регулируя состав шлака, можно удалять вредные примеси, предохранять металл от взаимодействия с печными газами и воздухом. 

Топливо. В металлургической промышленности используют естественное (природное) и искусственное топливо в твердом, жидком и газообразном состояниях. Основные горючие 

составляющие топлива углерод, водород, углеводороды и 

др. Качество топлива характеризуется его теплотворностьюколичеством теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы топлива. Кроме того, качество топлива зависит от 

его зольности, содержания вредных примесей и др. В металлургии, в основном, используют кокс, мазут, природный, доменный и коксовый газы. 

Кокс пористый продукт спекания коксующихся углей, 

получаемый при удалении из них летучих веществ. Процесс спекания ведется в течение 15- 18 ч при температуре 950- 1000 ос 

без доступа воздуха в специальных коксовальных печах. Кокс 
дорогое и дефицитное топливо с высокими прочностью, теплотой сгорания (27 ,2 31,4 МДж/кг), хорошей газопроницаемостью, малой зольностью и др. В среднем, кокс содержит: 
85-90% С, 0,5-2% S, до 0,2% Р, до 1,25% летучих веществ, 

до 13 %золы, до 6 %влаги. В качестве топлива кокс широко 

применяется при производстве чугуна, в литейном производстве, при агломерации, в цветной металлургии и др. 

При выплавке стали в мартеновских и меди в отражательных печах применяется мазут тяжелый остаток, получаемый 

после перегонки из нефти бензина, керосина и различных масел. К достоинствам мазута относятся его высокая теплотворность (37,6-43,9 МДж/кг), отсутствие зольности. 

Природный газ -высококалорийное дешевое топливо, находящее все большее применение в доменном и мартеновском 

производствах, в производстае цветных металлов и др. Его теплотворная способность (35 56 МДж/мЭ) выше, чем у коксового и доменного газов. Наряду с этим, природный газ почти 

9 

не содержит серы и сажистых частиц углерода, что делает его 

применение экономически выгодным и уменьшает загрязненность атмосферы. 

Коксовый газ получают при производстве кокса. Теплотворная способность коксового газа 15- 19 МДжtмз. Основной недостаток- повышенное содержание S (5- 20 г/мЗ)- устраняют предварительной очисткой газа (до 2- 3 г/м 3 серы). В 

мартеновском производстве коксовый газ используют в смеси с 

доменным газом или мазутом, им отапливают коксовые и прочие печи. 

Доменный газ имеет низкую теплоту сгорания (3,6 3,8 

МДж/мЗ). Обычно его применяют в смеси с другими газами. 

Оmеупорные материалы. Для кладки (футеровки) внутренних пространств плавильных и нагревательных печей, разливочных ковшей и других устройств применяют огнеупорные материалы, которые должны обладать рядом свойств: огнеупорностью 
способностью, не расплавляясь, противостоять действию высоких температур; термостойкостью устойчивостью к резким колебаниям температур; механической прочностью при высоких 

температурах; химической стойкостью способностью сопротивляться действию металлов, шлаков и печных газов при высоких температурах и др. Огнеупорным материалом служат 

кирпичи, порошки и фасонные изделия. По химическим свойствам огнеупорные материалы делят на кислые, основные и нейтральные. 

К кислым огнеупорным материалам относятся динасавый 

кирпич, кварцевый порашок и песок материалы, содержащие 92- 97 % Si02. Динас огнеупорен до температуры 1700 °С, 

достаточно прочен, но имеет низкую термостойкость. Он применяется для футеровки кислых мартеновских и электрических 

печей, конвертеров, отражательных печей в цветной металлургии и т. д. 

К основным огнеупорным материалам относятся магнезит, 

доломит, хромомагнезит. 

Магнезит содержит 80 85% MgO. Он обладает высокой 

огнеупорностью (до температуры 2000 °С), прочен, но дорог и 

мало термостоек, широко применяется для футеровки основных печей в производстве черных и цветных металлов. 

10 

Доломитовые изделия и порошки, содержащие до 40 % 
MgO и до 58 % СаО, применяют для тех же целей, что и магнезит, хотя их огнеупорность несколько ниже (1800-1950 °С). 

Хромамагнезит содержит 65 -70 % MgO и 20 % Сr2Оз. Оксид хрома придает ему термостойкость при высокой огнеупорности (не ниже 2000 °С). Используется в мартеновском производстве и др. 

Нейтральные огнеупорные материалы-шамот, хромистые 

огнеупоры, высокоуглеродистые (графитовые) огнеупоры. 

Шамот самый дешевый огнеупорный материал, получаемый из огнеупорных глин. Он содержит 30- 40 % АЬОз, 50 
60 % Si02 и 1 ,5- 3,0 % Fе2Оз. Шамот выдерживает большие 

давления, обладает огнеупорностью до температуры 1750 °С. 

Широко применяется для футеровки доменных печей, конвертеров в производстве Cu и др. 

Хромистые огнеупоры содержат не менее 25 % Сr2Оз и отличаются высокой огнеупорностью -до 1800-2000 °С. 

Углеродистые огнеупоры применяют в виде блоков при 

кладке горна доменной печи, футеровки электролизных ванн 

при производстве алюминия. Их отличает высокая огнеупорность свыше 2000 ос. 

1.2. Металлургические процессы 

Схематически производство черных и цветных металлов из 

руд можно разбить на два этапа. Первый- отделение минерала, содержащего металл, от пустой породы и разложение рудных минералов с целью извлечения металла. Второй этап предполагает обязательное химическое воздействие на минералы. 

Различают несколько основных способов такого воздействия. 

Самый распространенный пирометаллургический (огневой) основан на том, что тепло, необходимое для протекания 

химических реакций в жидком расплаве (плавка) и для испарения металлов и их соединений (дистилляция), обеспечивается 

сжиганием топлива. Наиболее широко применяется восстановительная (доменный процесс) или окислительная (производство стали) плавка. Дистилляция используется при производстве Zn, Mg, Sn и др. 

Гидрометаллургический способ (выщелачивание и осаждение). Основан на получении металлов из водных растворов. 

11