Основы технологии получения и обработки металлических материалов


И. А. Матвеев, П. В. Ковалев, Р. А. Паршиков









            ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ


Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.79:669
ББК 34.3+34.641
М33

                 Печатается по решению совета по издательской деятельности ученого совета Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Высшей школы физики и технологий материалов СПбПУ А. М. Золотов; президент «Ассоциации литейщиков СПб и ЛО» доктор технических наук, профессор С. С. Ткаченко



     Матвеев, И. А.
М33    Основы технологии получения и обработки металлических материалов :
     учебное пособие / И. А. Матвеев, П. В. Ковалев, Р. А. Паршиков. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 196 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0928-5

     Рассмотрены принципы производства металлов и изделий из них. Приведены классификация сплавов и способы производства изделий. Указаны свойства сварных соединений, области применения материалов.
     Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Технология художественной обработки материалов». Может быть полезно специалистам в области металлургии и сварочного производства.

УДК 621.79:669
ББК 34.3+34.641










ISBN 978-5-9729-0928-5  © Матвеев И. А., Ковалев П. В., Паршиков Р. А., 2022
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                       © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



    ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ..................5
    1.1. Основы производства чугуна..............................5
        1.1.1. Сырьевые материалы доменной плавки...................5
        1.1.2. Подготовка железных руд к доменной плавке.........7
        1.1.3. Топливо для доменных печей.......................14
        1.1.4. Производство чугуна в доменных печах.............16
    1.2. Производство стали.....................................21
        1.2.1. Сырьевые материалы сталеплавильного производства.24
        1.2.2. Основные способы выплавки стали..................27
        1.2.3. Внепечная обработка стали........................38
        1.2.4. Строение стального слитка........................47
        Вопросы для самоконтроля по разделу 1...................49
    ГЛАВА 2. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО..............................50
    2.1. Общая характеристика...................................50
    2.2. Формовочный инструмент.................................53
    2.3. Материалы и технологическая оснастка для получения отливок.55
    2.4.     Технологический процесс ручного изготовления форм и его особенности...................................................66
    2.5. Специальные способы литья..............................84
        Вопросы для самоконтроля по разделу 2...................96
    ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ...........................97
    3.1. Физико-механические основы обработки металлов давлением....97
    3.2. Прокатное производство................................103
    3.3. Прессование...........................................112
    3.4. Волочение.............................................121
    3.5. Ковка.................................................128
    3.6. Объемная штамповка....................................133
    3.7. Холодная листовая штамповка...........................141

3

        Вопросы для самоконтроля по разделу 3..............145
    ГЛАВА 4. ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА................146
    4.1. Классификация способов сварки и сварных соединений.....147
    4.2. Особенности структуры и свойств сварных соединений.....149
    4.3. Сварка плавлением.................................151
    4.4. Сварка давлением..................................156
    4.5. Пайка.............................................159
    4.6. Материалы для сварки различных сплавов............160
    4.7. Дефекты сварных соединений........................161
        Вопросы для самоконтроля по разделу 4..............162
    ГЛАВА 5. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ...................164
    5.1. Инструментальные материалы........................164
    5.2. Металлорежущие станки.............................172
    5.3. Электрофизические и электрохимические методы обработки.181
    5.4. Дефекты, возникающие при обработке деталей резанием....185
        Вопросы для самоконтроля по разделу 5..............186
    СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................188

4

            ГЛАВА 1


            ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ


    Металлургия (от греч. metallurgeo - обрабатываю металлы, добываю руду) -область науки, техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или других материалов, придания им определенных свойств.
    К металлургии относятся процессы обработки руд с целью их подготовки к извлечению металлов, процессы извлечения металлов из руд и других материалов, очистка металлов от нежелательных примесей и другие процессы.
    Исторически сложилось так, что металлургическое производство подразделяют на черную металлургию (металлургию железа и его сплавов) и цветную металлургию (металлургию всех остальных металлов).
    Черная металлургия - основа развития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукции химической промышленности и цветной металлургии, черные металлы и сплавы на их основе остаются главным конструкционным материалом в современной промышленности.
    С химической точки зрения процессы в черной металлургии делятся на восстановительные и окислительные. Производство чугуна - процесс восстановления железа из оксидов. Производство стали - окислительный процесс, по ходу которого окисляют примеси металлической завалки.

        1.1. Основы производства чугуна

        1.1.1. Сырьевые материалы доменной плавки

    Для производства черных металлов применяют различные сырьевые материалы, являющиеся полезными ископаемыми, а также специально приготовленные материалы. К сырьевым материалам производства чугуна прежде всего относят железные руды, топливо и флюсы. Железная руда - это горная порода, из которой при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать железо.
    Железо, как известно, обладает сравнительно большим сродством к кислороду. И в силу этого, в земной коре железо не обнаруживается в самородном виде, а находится главным образом в соединениях с кислородом и двуоксидом углерода.
    Из большого числа встречающихся в земной коре железосодержащих минералов промышленное значение имеют минералы, в которых железо в основном представлено магнитным оксидом БезОд, безводным оксидом БезОз, водными оксидами БезОз’НзО с различным количеством воды, а также карбонатом железа БеСОз.


5

     Магнитный оксид железа в рудах представлен минералом магнетитом -l''c;,Oi. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком или магнетитовой рудой (содержание железа до 60 %). Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки пригодны для электромагнитного обогащения, являющегося одним из наиболее эффективных и распространенных способов обогащения железных руд.
     Безводный оксид железа представлен в рудах минералом гематитом -Ре20э. Руды, содержащие в основном гематит, относят обычно к красным железнякам или гематитовым рудам. Красный железняк - это продукт выветривания магнитных железняков, то есть в значительной мере окисленный магнетит. Красный железняк, применяемый в металлургии, содержит обычно до 55 % железа. В ряде случаев в рудах содержится мало серы и фосфора. Руды бывают кусковые, а иногда пылевидные. Цвет красных железняков колеблется от красного до светло-серого.
     Водные оксиды железа представлены в рудах главным образом минералом лимонитом 2Ге2Оз’3Н2О. Руды, содержащие в основном эти минералы, называют бурыми железняками (содержание железа составляет до 50 %). Бурый железняк образуется при выветривании и окислении железных руд других типов. Обычно бурый железняк смешан с глиной или кварцем. Бурый железняк наиболее распространен в земной коре. Обычно он беден железом и влажен, к тому же трудно поддается обогащению, поэтому его используют сравнительно в небольшом количестве.
     Карбонат железа (БеСОз) представлен в руде минералом сидеритом. Руды, содержащие в основном сидерит, называют шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или глинистых железняков. В шпатовых железняках содержится до 30-40 % железа.
     Флюсы используют при доменной плавке для перевода пустой породы железосодержащей шихты и золы кокса в шлак требуемого химического состава, обладающего определенными физическими свойствами. Таким образом, в зависимости от состава пустой породы руды и вида топлива нужно применять основные, кислые или глиноземистые флюсы. Добываемые руды, как правило, содержат кислую пустую породу и характеризуются приемлемым соотношением SiO2 и АБОз, поэтому по технологическим причинам обычно применяют основной флюс - известняк, состоящий из карбоната кальция СаСОз, или доломи-тизированный известняк, содержащий кроме СаСОз еще МдСОз.
     Если раньше (до 50-х годов XX века) известняк вводили непосредственно в доменную печь, то теперь его вводят на этапе окускования железных руд или железорудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки и прежде всего, к сокращению расхода дорогостоящего топлива доменной печи - кокса.
     При доменной плавке используют также некоторые отходы металлургического производства, содержащие Fe, Мп, СаО и MgO и являющиеся замените


6

лями железных руд и флюса. К ним относят колошниковую пыль, сварочный шлак, окалину нагревательных печей и шлаки мартеновского производства.

        1.1.2. Подготовка железных руд к доменной плавке

    Чем тщательнее подготавливают руду к доменной плавке, тем выше производительность доменной печи, ниже расход топлива и выше качество выплавляемого чугуна. В конечном итоге стремятся снабжать доменную печь шихтой, состоящей только из двух компонентов: офлюсованного железорудного сырья и кокса определенной кусковатости, и не содержащих мелких фракций (ниже 5-8 мм для железосодержащей шихты и ниже 20-30 мм для кокса).
    Для обеспечения хорошей газопроницаемости плавильных материалов в доменной печи желательно, чтобы шихта была однородной по кусковатости. Рекомендуется, чтобы диаметр самого крупного куска не превышал диаметр самого мелкого куска более чем в два раза, то есть целесообразно давать руду или окускованную шихту кусковатостью 10-20 мм или 20-40 мм.
    Важным резервом повышения производительности доменных печей и снижения расхода топлива является увеличение содержания железа в шихте. Увеличение железа в составе шихты на 1 % позволяет снизить расход кокса на 2-2,5 % и на столько же увеличить производительность печи. Расчеты показывают, что для многих руд оптимальное содержание железа в концентратах доменной плавки находится в пределах 64-67 %.
    В зависимости от характеристики добываемой руды применяют следующие методы подготовки железной руды:
    1) Дробление;
    2) Сортировку;
    3) Обогащение;
    4) Усреднение;
    5) Окускование.

    Дробление

    Размеры добываемых железных руд при открытой добыче достигают до 1000-1200 мм. Такие крупные куски использовать в доменном производстве нельзя, поэтому для дальнейшего использования крупные массивы требуется раздробить. Дробление - процесс уменьшения размера кусков твердого материала его разрушением под действием внешних сил. Цель операции - придание кускам материала определенной крупности. Для доменной плавки размеры кусков руды должны составлять не более 100 мм.
    Как предварительную операцию дробление применяют для всех обогащаемых руд. Руду надо разрушить, чтобы появилась возможность отделить пустую породу. Чем мельче дробление, тем полнее рудные зерна отделяются от пустой породы. Более глубокое дробление достигается последующим помолом до 1 мм, а до 0,1 мм и менее - измельчением.
    Первичное дробление обычно проводят на горнорудных предприятиях.

7

    Дробление производят следующими способами: раздавливанием, истиранием, раскалыванием, ударом. Крупное и среднее дробление обычно осуществляется по принципу раздавливания или раскалывания. Для этого используют щековые дробилки (производительностью до 800 т/час), конусные дробилки (производительностью до 2200 т/час), валковые и роторные (молотковые) (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Основные типы дробилок:
а - щековая (1, 2 - соотв. неподвижная и подвижная щеки); б - конусная
(1, 2 - соотв. неподвижный и качающийся конусы, 3 - вал); в - валковая;
г - роторная (1 - ротор с молотками либо битами, 2 - статор, 3 - колосники)

    Дробление и измельчение достаточно дорогостоящий процесс и составляет до 50-70 % расходов на весь цикл обогащения. Поэтому желательно не дробить понапрасну. Для этого процесс дробления разделяют на несколько стадий и перед каждым проводят классификацию с целью выделения готовых по размеру кусков и мелочи.

    Сортировка

    Разделение или сортировку материалов на классы крупности с помощью решеток или механических сит называется грохочением. Грохочением обычно разделяют материалы крупностью до 1-3 мм, а более мелкие - классификацией. Применяемые для грохочения устройства называются грохотами, а их основным рабочим элементом является решето или сито.

8

    Наиболее простым и надежным, но и наименее эффективным (КПД = 50 %) является неподвижный колосниковый грохот. Он состоит из параллельных, скрепленных болтами и расположенных под углом 45-50° к горизонту колосников, образующих неподвижную решетку с величиной щели от 15 до 50 мм.
    Плоский качающийся грохот более эффективен (КПД = 85-90 %). Качание сита осуществляется при помощи эксцентрикового механизма и шатуна. Производительность грохота достигает 250 т/час. На рисунке 1.2 представлен наклонный инерционный грохот с механическим вибратором.


Исходным материал

Рисунок 1.2 - Наклонный инерционный грохот с механическим вибратором: 1 - электродвигатель; 2 - шкивы с дебалансами; 3 - вал с подшипниками;
4 - короб; 5 - рабочая поверхность; 6 - упругая опора; 7 - опорная плита


    Обогащение

    Обогащением называется процесс обработки железной руды, целью которого является повышение содержания железа и снижение содержания вредных примесей путем отделения рудного минерала от пустой породы или отделения одного ценного минерала от другого. В результате обогащения получают концентрат, хвосты и промежуточный продукт. Концентрат - это продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого минерала. Хвосты - отходы при обогащении материала, в которых содержится незначительное количество металла. Промежуточный продукт - продукт предварительного обогащения, в котором содержание металла больше, чем в хвостах, и меньше, чем в концентрате.
    Существуют различные технологии обогащения, которые определяются совокупностью свойств руды: ее минералогическим составом, характером распределения рудных и нерудных минералов, их физическими свойствами, а также требованиями к качеству готовой продукции и условиям производства.
    Все применяемые на практике способы обогащения руд являются по существу их механической обработкой и основаны на использовании различий в физических и физико-химических свойствах слагающих руды минералов. При хорошей размываемости минерала водой применяют промывку, при различной

9

плотности минералов используют гравитационное обогащение, при различии в магнитной восприимчивости концентрата и пустой породы применяется магнитное обогащение. На использовании различных физико-химических поверхностных свойств основана флотация.
    Наибольшее распространение в отечественной металлургической практике нашли процессы магнитного обогащения. Процессы магнитного обогащения основаны на различии магнитных свойств разделяемых компонентов. Магнитное обогащение применяют главным образом для магнетитовых и магнитногематитовых руд. Магнитное обогащение осуществляют в аппаратах, называемых магнитными сепараторами, в которых магнитное поле создается электромагнитами постоянного тока. Принципиальная схема магнитного сепаратора представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Электромагнитный сепаратор:
1 - вибрационный питатель; 2 - магнит; 3 - магнитный валок (барабан)

    Окускование - это процесс превращения мелких железорудных материалов (руд, концентратов, колошниковой пыли) в кусковые, применение которых значительно улучшает показатели работы металлургических агрегатов. Для подготовки сырья к доменной плавке широко применяются два способа окускования: агломерация и окомкование.

    Агломерация

    Агломерация (от лат. agglomero - присоединяю, накопляю) - это процесс спекания мелких руд, колошниковой пыли в результате сжигания топлива (кокса) в слое спекаемого материала. Продукт спекания - агломерат представляет собой кусковой пористый продукт черного цвета. Упрощенно данный материал

10

можно характеризовать как спеченную руду или спеченный рудный концентрат.
    Процесс спекания ведут на агломерационных фабриках, в состав которых входят комплекс оборудования для подготовки шихты, ленточные (конвейерные) агломерационные машины и комплекс оборудования для дробления и охлаждения полученного агломерата и отсева его мелочи.


Рисунок 1.4 - Схема установки для спекания шихты на агломерационной конвейерной машине

    Главной частью агломерационной машины (рис. 1.4) является конвейер, состоящий из отдельных тележек 1 с колосниковой решеткой. Тележки движутся по замкнутым направляющим путям. На верхнем и нижнем путях тележки движутся плотно прижатыми друг к другу, образуя рабочую и холостую ветви. Движение тележек по рабочей ветке осуществляется за счет их подъема с холостой ветви и проталкивания приводными звездочками 7.
    В начале рабочей ветки конвейера на движущиеся тележки укладывается питателем 2 постель (подстилочный материал), состоящая из крупных кусков шихты и затем основная шихта питателем 3 (одним или двумя) слоем 150-500 мм. Слой постели толщиной 30-50 мм предохраняет колосники тележек от перегрева и уменьшает просыпь шихты через щели колосниковой решетки.
    Для зажигания входящего в шихту твердого топлива (коксика) установлен горн 4, работающий на газе или мазуте. Под слоем шихты в вакуум-камерах 5 создается разрежение, благодаря чему продукты сгорания проходят через шихту, зажигая частицы твердого топлива. Газы через вакуум-камеры, газовые тракты и пылеуловители 6 отводят в дымовую трубу 9. Необходимое для этого разрежение 10-25 кПа создается нагнетателем (эксгаустером) 8.
    Формирование агломерата заканчивается на горизонтальном участке движения ленты. Готовый агломерат при огибании лентой холостой звездочки ссыпается вниз. Он попадает в валковую дробилку горячего дробления и затем на грохоты, где от дробленого продукта отсеивают горячий возврат.


11

    Далее агломерат поступает на охладитель (пластинчатый конвейер либо круглый вращающийся охладитель), где он в течение 40-60 минут охлаждается до 100 °C просасываемым воздухом. После этого годный агломерат конвейером транспортируют в доменный цех, а мелочь - в бункер возврата. Этот возврат, также как и горячий, вновь направляются на агломерацию. Выход годного агломерата (фракции крупностью > 5 мм) из шихты не превышает 70-80 %.
    Вторым распространенным способом окускования является окомкование или производство окатышей.

    Производство окатышей

    Расширение использования бедных руд и особенно стремление к более глубокому их обогащению привели к получению тонкоизмельченных железорудных концентратов (менее 0,07 мм), для которых появилась необходимость найти новые пути окускования. В связи с этим начал развиваться так называемый процесс окатывания или окомкования.
    Процесс производства окатышей состоит из двух стадий:
    а) получения сырых (мокрых) окатышей;
    б)     упрочнения окатышей (подсушка при 300-600 °C и обжиг при 12001350 °C).


Рисунок 1.5 - Схема производства окатышей:
I, II - зоны сушки; III - зона подогрева; IV - зона обжига;
V - зона рекуперации; VI, VII - зоны охлаждения;
1 - шихтовые бункеры; 2 - сборный конвейер; 3 - смесительный барабан;
4 - тарельчатый гранулятор; 5 - загрузочная часть обжиговой машины;
6 - разгрузочная часть обжиговой машины; 7 - горелки

    Схема производства окатышей на современной фабрике показана на рисунке 1.5. Исходную шихту: возврат (некондиционные окатыши), концентрат и в случае производства офлюсованных окатышей - известняк, загружают в бункеры 1, откуда она при помощи дозаторов выдается на сборный конвейер 2 и

12