Некоторые сведения о современной металлургии

Рассмотрим в самых общих чертах тот путь, который проходит металл от руды до готового металлического изделия. Еще из школьного курса известно, что большая часть металлов, имеющих промышленное значение, таких как железо, алюминий, медь, цинк, титан, марганец, никель, хром, молибден, вольфрам, магний, кальций, калий, натрий, олово и многие другие, в свободном виде в природе не встречается. Будучи химически активными, они соединяются с другими элементами — прежде всего с кислородом, а также с кремнием и серой, образуя сложные химические соединения, встречающиеся в земной коре. Они называются рудами. Лишь небольшое число металлов находят в чистом виде (в виде самородков): к ним относятся золото, серебро, платина и некоторые другие. Чаще всего руда представляет собой соединение не одного, а сразу нескольких металлов, соединенных с неметаллическими элементами.
Металлические руды в земной коре находят геологи. Они же исследуют возможности их промышленного применения; при этом оценивают прежде всего качество руды, т. е. процентное содержание основного металла, которое главным образом и определяет пригодность руды для промышленной разработки. Например, пригодными для металлургии железными рудами считают содержащие железа не менее 50—60%, медными — 1 % меди, алюминиевыми — около 50 % оксида алюминия (Al2O3) и т. д. При оценке пригодности рудного месторождения, принимается во внимание также количество руды, отдаленность месторождения от транспортных средств и источников энергии. Учитывается и наличие различных нежелательных примесей в руде, которые могут оказать вредное воздействие на качество металла или наоборот, улучшить его свойства. Например, в железных рудах вредными являются сера или фосфор, а полезным — никель. Однако некоторые руды содержат такие минералы, из которых получить основной металл очень трудно, поэтому такие руды, несмотря на значительное содержание в них металлов, пока не используют.
Металлические руды залегают в земле в виде массивных тел или слоев различной толщины, которые называют рудными жилами. Эти рудные залежи чаще располагаются под поверхностью земли, и чтобы добраться до них, роют шахты (подземная разработка) или снимают поверхностный слой земли (открытая разработка) и создают рудник. Современный рудник оснащен мощными горнодобывающими машинами. В зависимости от характера разработки рудного тела — подземного или открытого применяют различные горнопроходческие комбайны и землеройную технику.
Рудник оснащен разветвленной сетью подъездных путей. Перед отправлением руды на металлургические заводы ее подвергают обогащению. Обогащение заключается в извлечении различными способами частиц пустой породы и повышению за счет этого процентного содержания основного металла. Кроме того, руду обрабатывают таким образом, чтобы металлургические процессы проходили более полно и с наименьшими затратами материалов и энергии.
Общую технологическую схему извлечения металла из руды выбирают в зависимости от химического состава содержащихся в ней основных рудных минералов. Железо и некоторые другие металлы получают на заводах черной металлургии, большую часть цветных металлов — на заводах цветной металлургии. В настоящее время при переработке руд все большее значение приобретает извлечение из руд и использование не только основного металла, но и тех металлов, которые находятся в руде в небольших количествах в качестве примесей. Например, при производстве меди из руд извлекают серебро, золото и другие металлы. Получаемые из руд в чистом виде металлы редко используются как конструкционные материалы. Конструкционные материалы — это главным образом сплавы основных металлов с небольшими количествами других металлов или неметаллов, которые значительно повышают их свойства. Например, в технике применяют широко известные сплавы — сталь, (сплав железа с углеродом, другими металлами и неметаллами); дюралюминий (высокопрочный сплав алюминия с медью); латунь (сплав меди сцинком) и т. д. Рассмотрим схемы получения двух важнейших металлов — железа и алюминия.
Мировое производство железа в настоящее время составляет около 800 млн. тонн в год, причем на долю СССР приходится около 1/5 этого количества. При извлечении железа из руды по традиционной технологии вначале получают чугун — сплав железа с углеродом, которого содержится более 1,7%. Затем чугун перерабатывают в сталь, в которой углерода становится меньше 1,7 %. В сталь при ее получении, кроме того, добавляют целый ряд других металлов и неметаллов, которые называют легирующими элементами. В качестве таких легирующих элементов применяют марганец, кремний, никель, хром, ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, титан и др. Содержание отдельных легирующих достигает 30%, а общее содержание их в стали иногда доходит до 50 %. Легирующие элементы повышают прочностные и пластические характеристики, жаропрочность, коррозионную стойкость, электрические, магнитные и другие свойства сталей. В зависимости от основных легирующих элементов и назначения сталей различают, например, наиболее распространенные углеродистые стали (основная составляющая, повышающая ее свойства, углерод), нержавеющие стали (в качестве легирующих применяют в основном хром и никель), жаропрочные стали (содержат никель и другие элементы), инструментальные стали (с хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием) и др.
Основное исходное сырье для получения чугуна — различные железные руды, являющиеся соединениями железа главным образом с кислородом. Для выделения металла из руды необходимо отобрать кислород у его оксидов — восстановить железо. Эту роль в металлургическом процессе выполняет углерод, который превращается в оксид (CO) и диоксид (CO2) углерода. Для проведения реакции восстановления требуется значительное количество энергии, поэтому в процессе получения чугуна из руды сжигается определенным образом переработанный уголь, называемый коксом. Выплавку чугуна осуществляют в домнах — металлургических печах, представляющих собой сложные автоматизированные металлургические агрегаты. Сверху в домну послойно загружают сырье — шихту, состоящую из железной руды, кокса и некоторых других материалов, называемых флюсами, например, известняка. Флюсы необходимы для перевода нежелательных составляющих в шлак с целью, очистки от них выплавляемого металла. После заполнения домны шихтой зажигают кокс. Для поддержания его горения через специальное устройство — фурмы, опоясывающие домну в ее нижней части, в рабочее пространство подают воздух. Образующийся в результате неполного сгорания газообразный оксид углерода, проникая через поры в шихте, поднимается и восстанавливает оксиды железа до чистого железа. Под действием высокой температуры в рабочем пространстве восстановленное железо расплавляется и в жидком виде стекает вниз — в ту часть печи, которая называется горном. На своем пути железо растворяет в себе некоторое количество углерода кокса и становится чугуном. Различные неметаллические составляющие руды также расплавляются, превращаются в шлак, который будучи более легким по сравнению с металлом всплывает вверх. Когда чугуна накопится достаточно много, его сливают из печи через нижнее отверстие — летку, а шлак — через верхнюю летку.
По мере освобождения рабочего пространства доменной печи его заполняют шихтой сверху с помощью специального подъемника. Таким образом процесс идет непрерывно длительное время — несколько лет. Получающийся чугун либо разливают на заготовки для последующего передела, которые называются чушками, либо отправляют на дальнейший передел в жидком виде.
Доменная печь представляет собой крупное сооружение: ее высота превышает 30 м, наибольший диаметр достигает 10 м. Для обеспечения ее работы ежесуточно необходимы несколько тысяч тонн шихты. Для транспортировки такого количества шихты и подачи ее в печь требуется полная механизация всех операций. Бесперебойная работа домны обеспечивается и контролируется автоматикой.
Большая часть получаемого чугуна перерабатывается в сталь, относительно небольшая идет на фасонное чугунное литье. Обычно сталеплавильные цехи расположены в непосредственной близости к доменным цехам. Сталь в значительных количествах получают в сталеплавильных мартеновских печах. В эти печи заливают жидкий чугун из домен и, кроме того, закладывают стальной металлолом, называемый скрапом, железную окалину или руду и флюсы. Упрощенно мартеновский процесс производства стали можно рассматривать как выгорание части углерода и нежелательных примесей из чугуна. При производстве легированных сталей в мартеновских печах Проводится, кроме того, присадка в металл легирующих элементов. После того, как сталь заданного химического состава готова, ее выливают из печи в ковш, а из ковша— по формам, называемым изложницами. Застывшую в изложницах сталь — слитки направляют на дальнейшую переработку.
Современная мартеновская печь представляет собой печь ванного типа, вмещающая до 500 тонн жидкой стали. Печь отапливается жидким или газообразным топливом; температура в ее рабочем пространстве достигает 1700—1800 °С. Печь полностью механизирована и автоматизирована. Одним из недостатков мартеновского производства является высокая длительность процесса — несколько часов. Поэтому в последние годы все большее значение приобретает получение стали в конвертерах.
В конвертер заливают жидкий чугун и продувают его воздухом или кислородом. При этом углерод и примеси быстро выгорают — чугун превращается в сталь. Главное преимущество конвертерного производства стали перед мартеновским — высокая производительность, одна заливка чугуна обрабатывается в течение 20—30 мин.



Алюминия во всем мире в настоящее время выплавляют около 15 млн. тонн. Технология его получения коренным образом отличается от технологии производства стали. Основными рудами для выплавки алюминия служат бокситы, которые содержат значительное количество оксида алюминия. Вначале из бокситов получают глинозем — чистый оксид алюминия (Al2O3), для чего их измельчают и обрабатывают щелочами. При этом оксид алюминия переходит в раствор. Из раствора его осаждают в виде гидроксида алюминия Al(OH)3 и затем прокаливают в специальных печах. При прокаливании из гидроксида алюминия удаляется вода и получается глинозем, который отправляется в цехи электролитического производства алюминия (электролизные цехи). Процесс электролиза осуществляют в электролизных ваннах — электролизерах. Глинозем загружают в расплавленный криолит (химическое соединение натрия, фтора и алюминия) и через этот криолито-глиноземный расплав пропускают электрический ток. В результате электролиза на катоде собирается чистый алюминий, который разливают на слитки или чушки. Для производства алюминия требуется большое количество электроэнергии — около 15 тыс. киловатт-часов на тонну алюминия. Поэтому алюминиевые заводы часто строят в непосредственной близости к крупным электростанциям.
Другие цветные металлы получают по различным технологическим схемам. При этом всегда чем меньше содержит руда металла, тем сложнее и длительнее цикл обработки.
Получением слитка нужного химического состава обработка металла не заканчивается. Слитку еще следует придать такую форму, в которой он будет использован потребителем, т. е. из слитка следует получить металлическое изделие. Для этого применяются следующие процессы: фасонное литье, обработка резанием, порошковая металлургия и обработка давлением. Каждый процесс имеет свои преимущества и недостатки.
Фасонное литье применяется для получения изделий весьма сложной формы. Методом фасонного литья отливают детали из самых различных металлов и сплавов — чугуна, стали, алюминия, магния и многих других. Этим способом у нас в стране получают несколько миллионов тонн различных деталей. Всем известны, например, литые отопительные батареи из чугуна, картеры автомобильных моторов из алюминиевых сплавов, водопроводные краны из медных сплавов и т. д.
Для литья сначала готовят форму: изготавливают из какого-либо мягкого материала (например, дерева) модель отливаемого изделия по конфигурации и размерам одинаковую с готовым изделием, устанавливают ее в формовочный ящик и со всех сторон засыпают пластичной формовочной массой, которую уплотняют. Форму изготавливают разъемной, чтобы после формовки, сняв верхнюю половину формы, можно было удалить модель. После удаления модели в форме остается полость, по конфигурации и размерам соответствующая отливаемой детали. В эту полость и заливают жидкий металл, который, остывая, затвердевает. Полученное изделие называется отливкой. Такова общая, упрощенная схема фасонного литья.
Основное преимущество литья — возможность получения деталей, имеющих конфигурацию любой сложности. Однако литые детали обладают пониженной пластичностью и низким сопротивлением ударным нагрузкам.
Обработка резанием производится на различных металлорежущих станках — токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных и других. Для получения детали нужной формы с заготовки удаляют лишний металл — стружку. Этот метод обработки металла широко распространен и применяется как для получения деталей целиком, так и для их частичной обработки. Метод универсален и высокоточен, им можно получить поверхность обработки высокого качества. Его главные недостатки — относительно невысокая производительность, особенно при обработке высокопрочных сплавов, а также трудности утилизации образующихся в виде стружки отходов. Примеры деталей, обработанных резанием — вращающиеся оси самых различных машин — от часового механизма до мощного судового двигателя; кольца и шарики шарикоподшипников качения, резьбовая нарезка разнообразных винтов, болтов и др.
Порошковая металлургия — это производство металлических порошков и изделий из них различной конфигурации. Метод заключается в формовании и спекании сравнительно мелких порошков или литых гранул или в штампе, или пресс-форме, или в специальной капсуле. Размеры отдельных порошинок или гранул, подвергаемых формованию, обычно не превышают одного миллиметра. В результате спекания образуется монолитное изделие заданной формы. Процесс осуществляется на прессах различной мощности или в изостатах, где равномерное всестороннее давление на обрабатываемую деталь оказывает сжатый горячий газ или горячая жидкость.
Порошковая металлургия в ее традиционном исполнении или ее новые разновидности (например, гранульная металлургия), выгодно отличается от других методов обработки металлов повышенным коэффициентом использования металла и меньшей трудоемкостью. Кроме того, в ряде случаев улучшаются свойства металла. Порошковая металлургия наиболее быстро развивается в последние годы.
Обработка металлов давлением (ОМД) — самый распространенный вид обработки в металлургии. Таким способом металлу придают заданную форму. Качество металла в детали, полученной ОМД, значительно выше, чем полученной литьем. При обработке давлением металл становится более плотным, механические характеристики его, в том числе и пластические, значительно повышаются. Наиболее тяжелонагруженные в конструкциях детали ответственного назначения изготавливают методами ОМД: коленчатые валы всех двигателей, диски и валы турбин, колеса железнодорожных вагонов, самый различный инструмент, тяжелонагруженные детали сельскохозяйственных машин, стволы огнестрельного оружия и др. Применяют несколько методов ОМД (рис. 1): прокатку, ковку, штамповку, прессование и др.

Рис. 1. Схемы некоторых основных методов обработки металлов давлением (стрелками показано направление движения инструмента и металла): а — прокатка; б — объемная штамповка; в — волочение

Прокатка различается плоская (листовая) и фасонная (сортовая). Примерами изделий, полученных плоской прокаткой, являются стальные листы различной ширины, длины и толщины (например лист, из которого штампуют кузова автомобилей); стальные плиты (например для корпусов судов), алюминиевая лента (для изготовления консервных банок). Сортовой прокаткой получают разнообразные профили, главным образом из стали — например, строительные балки, железнодорожные рельсы. Заготовкой для прокатки служит плоский или квадратный слиток, который нагревают и в горячем виде прокатывают на прокатных станах до тех пор пока заготовка не приобретет форму и размеры готового изделия. В последние годы все большее распространение приобретает процесс так называемой совмещенной бесслитковой прокатки, при котором жидкий металл кристаллизуется под давлением непосредственно в готовое изделие, минуя стадию получения слитка.
Ковка и штамповка заключаются в объемном формоизменении чаще всего нагретой заготовки. Эти операции проводятся на молотах и прессах с помощью инструмента, называемого штампом. Штамп обычно состоит из двух половинок — верхней и нижней, которые крепятся соответственно к верхней (подвижной) части пресса или молота и к нижней (неподвижной) его части.
В штампе имеются полости, по конфигурации соответствующие готовой детали. В нижнюю полость штампу закладывают заготовку, например, кусок круглого прутка, объем которой равен объему будущей детали. После этого опускают подвижную часть пресса или молота с закрепленной на ней половиной штампа, и заготовка сжимается между верхней и нижней частями штампа, деформируется, заполняя всю его полость и превращаясь в изделие — штамповку. Штамповки изготавливают из самых различных металлов и сплавов размером от нескольких миллиметров (например, для часовой промышленности) до нескольких метров (несущая часть корпуса современного крупного самолета). Мощность штамповочных прессов достигает 75 тыс. тонн; на них штампуют заготовки, которые весят несколько тонн.
Волочение — операция обработки металлов давлением, которая заключается в протягивании заготовки через форму, называемую матрицей (или фильерой) для уменьшения размеров поперечного сечения и повышения его точности. Пусть, например, нам нужно получить тонкую медную проволоку диаметром 0,1 мм. Заготовкой для такой проволоки может служить пруток диаметром 10 мм. Чтобы из прутка получить заданного диаметра проволоку, его нужно многократно, за несколько проходов протянуть через ряд матрицы. Матрица на каждом последующем проходе установлена меньшего диаметра, чем на предыдущем. Передний конец заготовки заводят в матрицу и тянущим устройством волочильного стана протягивают последовательно через все матрицы. При этом диаметр заготовки после каждого прохода уменьшается на определенную величину, а длина ее соответственно увеличивается. Полученная проволока обычно сматывается в бухты.
Волочение применяют не только для получения проволоки, но и для изготовления тонкостенных труб малого диаметра, а также повышения точности (калибровки) профилей. Например, уголковый профиль, полученный горячей прокаткой, имеет размеры поперечного сечения, которые не вполне удовлетворяют заказчика — ему нужны более точные размеры, более узкие допуски. Калибровкой волочением профиль получается более точным.
Прессование — наиболее «молодой» процесс обработки давлением, так как получил промышленное распространение только в прошлом веке. Прежде чем перейти к рассмотрению особенностей прессования, ознакомимся с некоторыми понятиями и терминами, которыми пользуются в обработке металлов давлением вообще и в прессовании — в частности.
Деформацией металла называют изменение его формы под воздействием нагрузки. Чтобы из слитка получить какое-либо изделие — лист, проволоку, штамповку или прессованный профиль, металл нужно подвергнуть деформации. В обработке металлов давлением рассматривают главным образом пластические деформации, т. е. такие, при которых металл под действием усилий, передаваемых от металлургического оборудования, не разрушаясь, приобретает заданную форму.
Пластическая деформация металла — весьма сложный процесс. Всякий металл или сплав представляет собой кристаллическое тело, состоящее из громадного количества мелких кристалликов. В эти кристаллики он застывает из расплавленного состояния. При пластической деформации как отдельные кристаллики, так и вся металлическая заготовка в целом изменяют форму. Пластическая деформация сопровождается глубокими изменениями и в свойствах металла: характерная для литья рыхлая, неоднородная структура, в которой преобладают крупные ветвистые кристаллы, становится однородной, мелкозернистой и плотной. Это приводит к тому, что металл из хрупкого, малопластичного становится пластичным и более прочным.
Пластичность металла — способность подвергаться деформациям без разрушения. Она изменяется в зависимости от различных условий деформации, например, от температуры, скорости, вида процесса обработки давлением. В частности, пластичность значительно повышается при нагреве металла, поэтому большая часть процессов обработки металлов давлением осуществляется  в горячем состоянии, т. е. заготовку перед обработкой нагревают.
Процесс пластической деформации происходит так. Рабочий инструмент, установленный на технологическом оборудовании, передает на заготовку усилие. Под его воздействием в обрабатываемом металле возникает напряженное состояние. Интенсивность нагрузки, отнесенной к единице площади заготовки, или напряжение зависит как от величины приложенного усилия, так и от размера поперечного сечения заготовки, к которому это усилие приложено. Если напряжение в металле достигает некоторой) определенного значения, характерного для данного металла и условий деформации, то металл начинает пластически деформироваться и приобретает форму, которая определяется инструментом. Если же напряжение этой величины не достигает, то пластическая деформация не наступает, а происходит упругая деформация, при которой нет необратимых изменений формы металла. При упругой деформации после снятия нагрузки он принимает те же формы и размеры, которые имел до нагружения.
Сопротивление деформации — характеристика металла, которая прямо связана с величиной напряжения, необходимого для осуществления деформации, т. е. чем больше сопротивление деформации, тем напряжение должно быть выше.
При разработке технологии обработки металла давлением важно не только определить условия, при которых пластическая деформация будет осуществляться, но и условия обработки, при которых металл не будет разрушаться даже при очень больших деформациях.
Для характеристики формоизменения существуют различные показатели пластической деформации или степени деформации. В зависимости от конкретного процесса обработки металлов давлением применяют ряд показателей: вытяжку, обжатие, уширение. Для процесса прессования чаще всего применяют показатель пластической деформации — вытяжку. Вытяжка или, вернее, коэффициент вытяжки, обычно обозначается греческой буквой μ, (мю) и определяется отношением площади поперечного сечения заготовки, F3 к площади поперечного сечения пресс-изделия Fи: μ=F3/Fи, а потому является безразмерной величиной.


Профессия — прессовщик