Цветная металлургия – это не только комплекс мероприятий по получению цветных металлов (добыча, обогащение, металлургический передел, получение отливок чистых металов и сплавов на их основе), но и переработка лома цветных металлов.

Научно-технический прогресс не стоит на месте, и цветные металлы на сегодняшний день широко используются для разработки инновационных конструкционных материалов. Только отечественная металлургическая промышленность выпускает порядка 70 видов сплавов, используя разнообразное сырье.

В связи с низким содержанием необходимого компонента в руде и примесей других элементов, цветная металлургия является энергозатратным производством и имеет сложную структуру. Так, меди в руде содержится не более 5%, а цинка и свинца не более 5,5%. Колчеданы, добываемые на Урале, многокомпонентные, и в их составе находится порядка 30 химических элементов.

Цветные металлы подразделяются на шесть категорий, согласно своим физическим свойствам и предназначению:

1. Тяжелые. Имеют высокую плотность, соответственно, и вес. К ним относятся Cu, Ni, Pb, Zn, Sn.
2. Легкие. Имеют малый вес из-за незначительной удельной плотности. К ним относятся: Al, Mg, Ti, Na, Ka, Li.
3. Малые: Hg, Co, Bi, Cd, As, Sb.
4. Легирующие. В основном используются для получения сталей и сплавов с необходимыми качествами. Это W, Mo, Ta, Nb, V.
5. Благородные. Широко известны и используются для изготовления ювелирных украшений. Среди них Au, Ag, Pt.
6. Редкоземельные, рассеянные: Se, Zr, Ga, In, Tl, Ge.

Специфика отрасли

Руды цветных металлов, как было выше сказано, содержат малое количество добываемого элемента. Поэтому на тонну той же меди необходимо до 100 т руды. Из-за большой потребности в сырье цветная металлургия, по большей части, располагается вблизи своей сырьевой базы.

Цветные руды для своей переработки требуют большого количества топлива или электроэнергии. Энергетические затраты достигают половины общих затрат, связанных с выплавкой 1 т металла. В связи с этим металлургические предприятия располагаются в непосредственной близости от производителей электроэнергии.

Производство редких металлов в основном основано на восстановлении из соединений. Сырье поступает с промежуточных этапов обогащения руд. Из-за небольших объемов и трудности производства получением редких металлов занимаются лаборатории.

Состав отрасли

Виды цветной металлургии включают в себя отрасли, связанные с получением определенных видов металлов. Так, укрупнено можно выделить следующие отрасли:

• производство меди;
• производство алюминия;
• производство никеля и кобальта;
• производство олова;
• производство свинца и цинка;
• добыча золота.

Получение никеля тесно связано с местом добычи никелевых руд, которые расположены на Кольском полуострове и в Норильском районе Сибири. Многие отрасли цветной металлургии отличаются многоступенчатым металлургическим переделом промежуточных продуктов.

На этом основании эффективен комплексный подход. Это сырье для получения других сопутствующих металлов. Утилизация отходов сопровождается получением материалов, использующихся не только в других отраслях тяжелого машиностроения, но и в химической и строительной отраслях.

Металлургия тяжелых металлов

Получение меди

Основными этапами получения чистой меди являются выплавка черновой меди и ее дальнейшее рафинирование. Черновая медь добывается из руд, а низкая концентрация меди в уральских медных колчеданах и большие ее объемы не позволяют перенести производственные мощности с Урала. В качестве резерва выступают: медистые песчаники, медь-молибденовые, медь-никелевые руды.

Рафинирование меди и переплавка вторичного сырья производится на предприятиях, которые удалены от источников добычи и первичной плавки. Благоприятствует им низкая стоимость электричества, так как для получения тонны меди расходуется до 5 кВт энергии в час.

Утилизация сернистых газов с последующей переработкой послужила стартом для получения серной кислоты в химической промышленности. Из остатков апатитов производит фосфатные минеральные удобрения.

Получение свинца и цинка

Металлургия цветных металлов, таких как свинец и цинк, имеет сложную территориальную разобщенность. Добычу руды ведут на Северном Кавказе, в Забайкалье, Кузбассе и на Дальнем Востоке. А обогащение и металлургический передел проводится не только возле мест выемки руды, но и на других территориях с развитой металлургией.

Свинцовые и цинковые концентраты богаты на химическую элементную базу. Однако сырье имеет разное процентное содержание элементов, из-за чего не всегда цинк и свинец можно получить в чистом виде. Поэтому технологические процессы в районах различны:

1. В Забайкалье получают только концентраты.
2. На Дальнем Востоке получают свинец и цинковый концентрат.
3. На Кузбассе получают цинк и свинцовый концентрат.
4. На Северном Кавказе ведут передел.
5. На Урале производят цинк.

Металлургия легких металлов

Наиболее распространенным легким металлом является алюминий. Сплавы на его основе обладают свойствами, присущими конструкционным и специальным сталям.

Для получения алюминия сырьем являются бокситы, алуниты, нефелины. Производство разделено на две стадии:

1. На первой стадии получают глинозем и необходим большой объем сырья.
2. На второй стадии электролитическим методом производят алюминий, на что требуется недорогая энергия. Поэтому этапы производства находятся на разных территориях.

Получение алюминия и сплавов сосредоточено в промышленных центрах. Сюда же поставляется лом на вторичную переработку, что в итоге снижает себестоимость готовой продукции.

Металлургический комплекс включает в себя промышленные виды экономической деятельности, продукцией которых являются разнообразные металлы. Металлургия занимается не только выплавкой металлов и производством различных видов металлопроката, но также добычей и подготовкой руд, производством вспомогательных материалов – огнеупоров, кислорода и др. То есть в состав металлургического комплекса входят как добывающие, так и обрабатывающие виды экономической деятельности.

Используемые в настоящее время металлы делятся на черные (железо, марганец, хром) и цветные (все остальные металлы) – соответственно, различают черную и цветную металлургию. Металлургический комплекс играет большую роль в экономике Российской Федерации в целом и ее отдельных субъектов. На него приходится около 12% промышленных основных фондов страны, около 10% производства промышленной продукции, 6% занятых в промышленности. Комплекс играет значимую роль во внешней торговле России – металлы составляют около 20% объема экспорта страны в денежном выражении. То есть черная и цветная металлургия – это важная отрасль специализации экономики России в мировом хозяйстве, вторая по значению после топливной промышленности.

Металлургия включает ряд процессов, основные из которых образуют главную технологическую цепочку: 1) добыча руд металлов; 2) обогащение руд; 3) производство (выплавка) чернового металла – обычно с помощью кокса, т.е. специально переработанного каменного угля; 4) производство чистого металла (рафинирование); 5) производство металлического проката разных видов (листы, проволока и т.д.). Кроме этого к металлургии относится изготовление изделий из металлических порошков, производство различных сплавов металлов и получение слитков, изготовление простых металлических изделий для конечных потребителей и другие процессы. При этом основная часть продукции металлургии потребляется не населением, а другими видами экономической деятельности, прежде всего машиностроительным комплексом и строительством.

Главными факторами, определяющими территориальную организацию металлургии, являются следующие:

• высокая степень сырье- и топливоемкости. Для изготовления 1 т стали расходуется до 7 т сырья и топлива. Еще больше расход сырья и топлива в цветной металлургии. Для производства 1 т свинца или цинка требуется 16 т руды и 3 т топлива; для производства 1 т олова нужно более 300 т руды и 1 т топлива и т.д. Поэтому подавляющее большинство крупных металлургических предприятий располагаются вблизи месторождений руды, источников топлива или между ними;
• высокая трудоемкость производства – обычно на крупном металлургическом заводе работают 20–40 тыс. человек, что при среднем коэффициенте семейности даст численность населения города не менее 90 тыс. человек. Черная металлургия – более трудоемкая отрасль, чем цветная металлургия. Поэтому поддерживать функционирование крупных металлургических предприятий можно только в больших городах;
• значительная энергоемкость производства. Доля затрат на электроэнергию в себестоимости стального проката составляет 30–40%. Большинство производств цветной металлургии являются еще более энергоемкими, особенно выплавка алюминия, титана, магния. Поэтому для металлургических предприятий важна близость мощных источников дешевой электроэнергии;
• значительное негативное воздействие на окружающую среду. Металлургия – один из самых главных загрязнителей атмосферного воздуха и поверхностных вод. Отходы металлургических предприятий могут занимать огромные площади. В итоге почти все города – крупные центры металлургии России имеют очень загрязненную атмосферу и нарушенные природные системы в своих окрестностях;
• высокий уровень комбинирования и концентрации производства – основная часть продукции производится па крупных предприятиях-комбинатах. Руды металлов часто содержат, кроме основного, большое количество сопутствующих элементов. При этом на одном предприятии производятся разные виды продукции, отходы металлургических предприятий используются для производства химических продуктов и строительных материалов. В итоге металлургические предприятия, как правило, производят большой набор продукции, и не только металлургической.

Снизить значение этих факторов может повсеместное внедрение технологических новаций. Применение современных технологий (конверторного способа получения стали, непрерывной разливки и др.) позволяет значительно сократить потребление сырья и энергии, снизить загрязнение окружающей среды, увеличить качество продукции, сократить трудоемкость производства. В конечном итоге инновации могут резко повысить экономическую эффективность металлургического производства, обеспечить рост его конкурентоспособности на международных рынках металлов. Но для этого необходимы очень значительные инвестиции, которые окупятся в лучшем случае только через 15–20 лет.

Черная металлургия включает в себя:

• – добычу руд черных металлов (железа, марганца, хрома);
• – их обогащение;
• – производство огнеупоров;
• – добычу нерудного сырья для черной металлургии;
• – производство чугуна, стали, проката черных металлов, а также ферросплавов, вторичную переработку черных металлов.

Динамика производства основных видов продукции за последние 50 лет показана в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Динамика производства продукции черной металлургии в России за период 1970–2010 гг., млн т

Технологическим стержнем черной металлургии является металлургический передел, т.е. последовательная цепочка; руда – концентрат – чугун – сталь – прокат. Остальные производства являются смежным, сопутствующими; одни из них необходимы или способствуют основному технологическому процессу (производство огнеупоров и др.), другие имеют самостоятельное хозяйственное значение, функционируя на базе побочных результатов основного технологического процесса, отходов сырья и топлива (производство строительных материалов и др.). Особенно важно для России производство стальных труб, так как по трубопроводам транспортируется основная часть российского экспорта – нефть и природный газ. На территории России черная металлургия получила значительное развитие с начала XVIII в., когда реформы Петра I потребовали для оснащения армии, развития экономики большое количество чугуна и стали. Первые относительно крупные предприятия возникли в Туле и на Урале, они работали на местных рудах и древесном угле. В советский период были построены новые мощные комбинаты на Урале (около месторождений руды), в Кузнецком угольном бассейне, вблизи месторождений железной руды Курской магнитной аномалии (КМА), на севере европейской части России.

Самыми большими объемы производства черных металлов в стране были в 1980-х гг., но это определялось в основном чрезмерно высокой металлоемкостью отечественного машиностроения. В развитых странах еще с 1950-х гг. использование стали как конструкционного материала стало сокращаться. Другим недостатком развития черной металлургии в России в советский период было широкое использование отсталых технологий. До 1990-х гг. главным был мартеновский метод производства стали, от которого уже в 1970-е гг. отказались США, Япония и страны Западной Европы из-за низкого качества получавшейся продукции. Чрезмерно большими были потери металла на стадии передела "сталь – прокат". Во время кризиса начала 1990-х гг. объемы производства в отрасли сократились примерно в 2 раза, но с 1995 г. объемы производства в черной металлургии стали расти, в значительной степени за счет экспортных поставок. В последние годы на экспорт поступает около половины продукции российской черной металлургии. В настоящее время Россия на мировом рынке стали и проката занимает второе место (после Японии), а по общему производству черных металлов – четвертое место в мире (после Китая, Японии и США).

Существует три основных типа предприятий черной металлургии:

• 1) комбинат полного цикла, где осуществляется полная цепочка технологических процессов, в результате получают чугун, затем – сталь, затем – прокат;
• 2) заводы неполного цикла: доменные заводы (на которых выплавляют чугун), сталелитейные заводы (выплавляют сталь), сталепрокатные заводы (выпускают прокат), в том числе трубопрокатные заводы, заводы по производству ферросплавов (сплавов чугуна с легирующими металлами – марганцем, хромом и др.), электрометаллургические заводы (производство стали и проката из железорудного концентрата без стадии чугуна);
• 3) "малая металлургия" – металлургические цеха в составе машиностроительных заводов. При этом в России производство сильно сконцентрировано на крупных комбинатах полного цикла – на 30 предприятиях производится более 3/4 всей продукции отрасли.

Территориальная концентрация производства черных металлов в России также высока. В наибольшей степени она проявляется в добыче железной руды – 2/3 приходится на месторождения КМ А в Белгородской (Лебединское, Стойленское, Яковлевское) и Курской (Михайловское) областях. По 10–15% железной руды добывается в Северо-Западном (Костомукша и др.) и Уральском (Качканарское и др. месторождения) федеральных округах. Остальная часть железной руды добывается в Сибирском федеральном округе (области Кемеровская, Иркутская и др. регионы). Производство стали, проката и стальных труб по федеральным округам представлено в табл. 4.4. По всем главным видам продукции лидирует Уральский федеральный округ. Слабо развито производство на Северном Кавказе и Дальнем Востоке, хотя последний обладает большими запасами металлургического сырья, позволяющими организовать мощное эффективное производство металлов.

Таблица 4.4

Производство основных видов продукции черной металлургии по федеральным округам Российской Федерации в 2010 г., млн т

Территориально в России можно выделить три основные металлургические базы – группы предприятий, которые используют общие рудные или топливные ресурсы и обеспечивают главные потребности страны в черных металлах.

• 1. Уральская металлургическая база (Свердловская и Челябинская области Уральского федерального округа, прилегающие районы Оренбургской области, Республики Башкортостан, Пермского края) – самая старая в России, на нее приходится около 1/2 производства стали, проката и труб. Мощнейшие комбинаты полного цикла расположены в Магнитогорске, Челябинске, Нижнем Тагиле, Новотроицкс. Самые крупные в стране трубные заводы находятся в Челябинске, Первоуральске, Полевском, Каменск-Уральском. Имеются собственные месторождения железных руд, но основную массу сырья приходится завозить с месторождений КМА и из Казахстана. Есть небольшие месторождения марганцевых и хромовых руд, но их также не хватает. Коксующийся уголь в основном поступает из Сибири (Кузнецкий бассейн). В итоге базу можно считать неперспективной, так как предприятия не обеспечены ни сырьем, ни топливом, которые являются главными факторами производства в черной металлургии.
• 2. Сибирская металлургическая база сформировалась в 1930-е гг. около месторождений коксующегося угля Кузнецкого бассейна. Главный центр – Новокузнецк. База наиболее обеспечена сырьем, так как располагает необходимыми месторождениями железной и марганцевой руды. Не хватает только хрома (завозится из Казахстана). Недостатком базы является се территориальная удаленность от основных потребителей продукции в России и зарубежных странах, что значительно удорожает стоимость продукции для конечных потребителей из-за транспортировки сравнительно дорогим железнодорожным транспортом.
• 3. Центральная металлургическая база сформировалась в 1960-е гг. в европейской части страны. Главные комбинаты полного цикла расположены в Череповце ("Северсталь") и Липецке (НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат). В Старом Осколе действует мощный электрометаллургический завод, производящий сталь сразу из железорудного концентрата. На территории этой базы находятся крупнейшие в стране месторождения железных руд. Но уголь приходится завозить из Кузнецкого и Печорского бассейнов, а марганец и хром – из других государств. Тем не менее, эта база является наиболее перспективной, так как здесь расположены самые современные предприятия вблизи основной сырьевой базы, а также сравнительно близко от экспортных портов и основных потребителей продукции внутри страны.

Цветная металлургия включает добычу руд цветных металлов, их обогащение, выплавку черновых металлов, рафинирование (очистка черновых металлов), производство сплавов и проката, а также добычу алмазов и других драгоценных камней. Технологическая цепочка в цветной металлургии, как правило, выглядит следующим образом: добыча руд – обогащение руд (получение концентрата руд) – плавка в печах обогащенной руды (получение чернового металла) – рафинирование (очищение от вредных примесей, получение рафинированного (очищенного) металла) – изготовление различных сплавов и видов проката.

В состав цветной металлургии входят производства, связанные с получением отдельных металлов и их групп: промышленность медная, свинцово-цинковая, никелькобальтовая, алюминиевая, титано-магниевая, вольфрам- молибденовая, а также производство благородных, редких металлов, алмазов и драгоценных камней. Распределение цветных металлов по группам показано на рис. 4.1.

Российская цветная металлургия развивается, в основном, на собственной сырьевой базе, но обеспеченность отрасли разными видами сырья неодинаковая, особенно при перспективной оценке. Например, разведанных запасов медных руд при современных масштабах добычи хватит на 85 лет, руд олова – на 55 лет, молибденовых руд – примерно на 130 лет. Не хватает в России высококачественных бокситов.

За последние 20 лет состояние сырьевой базы цветной металлургии ухудшалось, так как:

• выбытие мощностей по добыче руды не компенсировалось вводом новых;
• наблюдается истощение запасов руд во многих крупных месторождениях из-за их чрезмерной длительной эксплуатации;
• сократились масштабы геологоразведочных работ;
• ужесточились экологические нормативы, что сделало экономически невыгодным освоение некоторых месторождений.

Рис. 4.1.

Руды тяжелых металлов, как правило, имеют низкий процент содержания металла в руде, поэтому их обогащение обязательно. Например, медные руды содержат 5% и менее процентов меди, а в концентрате содержание меди увеличивается до 35%. Содержание металла в свинцово-цинковых рудах максимум 5–6%, а в концентрате – 78%. Содержание олова в оловянных рудах – менее 1%, а в концентрате – 65%. Получение концентратов руд цветных металлов позволяет транспортировать их на большие расстояния и тем самым территориально разобщить процессы добычи руды и производства металлов.

Производство многих цветных металлов требует большого количества электроэнергии. Особенно высокая энергоемкость характерна для выплавки легких металлов. Так, для выплавки 1 т титана требуется 30–60 тыс. кВт ч электроэнергии, магния и алюминия – 17–20 тыс. кВт-ч. Поэтому размещение предприятий по выплавке легких металлов определяется, в первую очередь, электроэнергетическим фактором. Крупнейшие заводы размещаются около мощных ГЭС, которые вырабатывают самую дешевую электроэнергию.

Производство цветных металлов и драгоценных камней в Российской Федерации сильно монополизировано. На долю 8 компаний, составляющих менее 1% от количества организаций, действующих в цветной металлургии, приходится почти половина всего объема выпускаемой продукции. Компании "Русал" и "Алроса" обеспечивают до 99% российского производства алюминия и алмазов соответственно. Компания "Норильский никель" выпускает более 40% российских металлов платиновой группы, свыше 70% меди, около 90% никеля. "Русал" и "Норильский никель" являются крупнейшими в мире производителями алюминия и никеля соответственно. На внешние рынки они поставляют до 90% производимой продукции. В советский период эти металлы (как и большая часть других цветных металлов) потреблялись внутри страны в основном предприятиями военно-промышленного комплекса. В настоящее время спрос на цветные металлы внутри России невелик, что и обуславливает большую зависимость производства от конъюнктуры мирового рынка металлов.

Максимальными объемами производства в российской цветной металлургии отличается алюминиевая промышленность – около 3 млн т металла в год. По объемам производства Россия занимает второе место в мире (после Китая). Сырьем для получения алюминия в России являются: а) бокситы (месторождения в Северо-Западном и Уральском федеральных округах); б) нефелины (в Северо-Западном и Сибирском федеральных округах). При этом российским сырьем отечественные предприятия обеспечены лишь на 40%. По этой причине в России используются такие бедные алюминием руды, как нефелины, которые в других странах мира не добываются. Большую часть сырья (бокситов и глинозема) приходится импортировать, в основном из Австралии. Из алюминиевых руд вначале выделяют окись алюминия – глинозем (Бокситогорск, Ачинск и др. центры). Размещение предприятий по производству глинозема определяется преимущественно сырьевым фактором, но некоторые российские предприятия расположены возле уже исчерпанных месторождений. Затем глинозем доставляют в районы, где вырабатывается большое количество дешевой электроэнергии.

Производство металлического алюминия – очень энергоемкое производство. Поэтому большинство алюминиевых заводов функционируют около мощных ГЭС. Почти 90% выплавки алюминия в России приходится на Сибирский федеральный округ (Красноярск, Братск, Саяногорск, Шелехов, Новокузнецк). В Красноярском крас строятся новые алюминиевые заводы – в Тайшете и около Богучанской ГЭС. Важные алюминиевые заводы расположены также в Волгограде, Волхове (Ленинградская область), Надвоицах (Республика Карелия), Кандалакше (Мурманская область), Краснотурьинске и Каменск-Уральском (Свердловская область). В последнем регионе, испытывающем дефицит электроэнергии, производство алюминия наименее эффективно с экономической точки зрения – оно возникло в годы Великой Отечественной войны, когда резко возросла потребность в алюминии для авиационной промышленности, а экономические факторы были несущественны.

Медная промышленность использует небогатые руды, поэтому основные предприятия расположены около месторождений медесодержащих руд. В настоящее время самые крупные месторождения по объемам добычи находятся в районе Норильска (Красноярский край). Большое количество месторождений, но небольших, в значительной степени уже выработанных, находится на Урале – около городов Медногорск, Гай, Сибай, Карабаш, Красноуральск, Ревда, Кировград. В Забайкальском крае находятся крупнейшие по запасам, по пока не разрабатываемые месторождения медных руд (Удоканское и др.), так как они расположены в транспортно неосвоенных районах.

В настоящее время уральские заводы – Медногорский в Оренбургской области, Карабашский в Челябинской области, Ревдинский, Красноуральский и Кировградский в Свердловской области – не обеспечиваются местной рудой и частично работают на концентратах из Казахстана. Производят черновую медь также в Норильске (Красноярский край) и, в основном из норильского концентрата, в Мончегорске (Мурманская область). Рафинирование меди размещается вблизи производств чернового металла – в городах Норильск, Мончегорск, Кыштым (Челябинская область) и Верхняя Пышма (Свердловская область).

Производство никеля размещено на территории России в тех же регионах, что и медная промышленность. Самые крупные заводы около крупных месторождений находятся в Норильске. Руды здесь добывается больше, чем имеется мощностей по производству металла, кроме никеля из руды извлекают кобальт, платину и другие металлы. Избыточные медно-никелевые концентраты направляются в Мончегорск (Мурманская область), где имеется и собственная небольшая добыча руды (Псченга). На третьем месте находится Урал с никелевыми заводами в городах Орск (Оренбургская область), Верхний Уфалей (Челябинская область) и Реж (Свердловская область), расположенных возле небольших месторождений. Перспективной сырьевой базой для никелевой промышленности являются Восточная Сибирь и Дальний Восток.

Свинцово-цинковая промышленность использует полиметаллические руды, месторождения которых находятся в горных районах. В России это Кавказ (Садон), предгорья Алтая (Салаирское и Орловское месторождения), Сихотэ- Алинь (Дальнегорск) и хребты Забайкалья (Нерчинский Завод и др.). Производство металлов, как правило, привязано к месторождениям, но одновременно свинец и цинк производят лишь во Владикавказе (Республика Северная Осетия – Алания). В Забайкальском крае производят только свинцовые и цинковые концентраты, которые поступают в другие районы страны. В Приморском крае (Дальнегорск) производят свинец и цинковые концентраты, а в Кемеровской области (Белово) – цинк и свинцовые концентраты. Цинк из привозных концентратов (российских, казахстанских и среднеазиатских) производят в Челябинске. Российские свинец и цинк, в отличие от алюминия, меди и никеля, не пользуются спросом на мировом рынке, так как используемые месторождения истощены, применяются устаревшие технологии производства.

Оловянная промышленность в России сконцентрирована на Дальнем Востоке, где расположены основные месторождения – Депутатское и Эсэ-Хайя в Республике Саха (Якутия), Солнечное в Хабаровском крае, Перевальное и Хрустальненское (Кавалерово) в Приморском крае. Самое западное месторождение олова Шерловая Гора находится уже в Забайкальском крае. Производство металлического олова расположено в Новосибирске по пути следования концентратов из районов добычи (восточных) в районы потребления (западные). Российское олово также не пользуется спросом на мировом рынке, поэтому объемы его производства за последние 20 лет сильно сократились вместе с сокращением внутреннего потребления.

Производство легирующих металлов вольфрама и молибдена привязано к месторождениям, так как содержание металлов в руде составляет десятые доли процента. И вольфрам, и молибден одновременно добываются на Джидинском (Республика Бурятия) месторождении. Кроме этого молибден добывается в Забайкальском крае и Республике Хакасия, а вольфрам – в Приморском крае. Российские легирующие металлы также не пользуются спросом на мировом рынке, поэтому объемы производства за последние 20 лет сократились почти в 10 раз, многие предприятия (Тырныаузский вольфрамо-молибденовый комбинат в Кабардино-Балкарской Республике и др.) в настоящее время не действуют.

Добыча и производство золота также территориально совпадают из-за низкого содержания металла в руде. Основные запасы золота на территории России сосредоточены в коренных месторождениях, но их освоение требует значительных затрат. Поэтому разрабатываются в основном россыпные месторождения, на освоение которых требуется значительно меньше средств и времени. Около 2/3 добычи золота в России дает Дальневосточный федеральный округ, в котором больше всего производится этого металла в Республике Саха (Якутия), Магаданской области и Чукотском автономном округе. В основном это небольшие прииски, многие из которых разрабатываются еще с 1930-х гг. Но открыты и крупные коренные месторождения – Нежданинское и др. На втором месте по производству золота находится Сибирский округ, в котором выделяются Иркутская область (с крупными месторождениями около города Бодайбо) и Красноярский край. На третьем месте – Уральский округ с Кочкареким (Челябинская область) и Березовским (Свердловская область) месторождениями, самыми старыми в России, где золото добывают еще с XVIII в.

К цветной металлургии относится также добыча алмазов и других драгоценных камней. В настоящее время 99% добычи алмазов приходится на западную часть Республики Саха (Якутия), где расположены месторождения Айхал, Эбеляхское и др. Кроме этого имеется добыча алмазов на севере Пермского края. Крупные, но пока не разрабатываемые, месторождения открыты в Архангельской области (Ломоносовское и др.) – их освоение замедлилось из-за снижения мирового спроса на алмазы после глобального кризиса 2008 г., который во многих странах еще не преодолен.

Значительная часть алмазов и золота, добываемых в России, поступает на внешние рынки. Но эти рынки очень неустойчивые, так как драгоценные металлы и камни имеют не только промышленное, но и большое инвестиционное значение – цены на них могут колебаться в широких пределах в течение коротких промежутков времени. Большая волотильность (неустойчивость) мирового рынка является серьезным препятствием для стабильного развития российских металлургических компаний.

• Российский статистический ежегодник. 2001. М.: Госкомстат, 2001; Российский статистический ежегодник. 2011. М.: Росстат, 2011.
• Регионы России. 2011. М.: Росстат, 2011. С. 506–508.

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

Расплавление породы

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием - оксидом кальция (CaO) - распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Раскисление металла

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

• спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
• полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

• системы обеспечения аргоном;
• сосуды конверторов и их несущие кольца;
• оборудование для фильтрации пыли;
• система для удаления конверторного газа.

Участок электропечей:

• печи индукционного типа;
• дуговые печи;
• емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
• участок складирования металлического лома;
• преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

• очищение стали от серы;
• гомогенизация стали;
• электрошлаковый переплав;
• создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

• LF-оборудование;
• SL-оборудование.

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

• крышки ковшей;
• ковши литейного и разливочного типа;
• шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

• поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
• оборудование для осуществления непрерывной разливки;
• вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
• лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
• промежуточные ковши и площадки для складирования;
• пробочный механизм;
• мобильные мешалки для чугуна;
• оборудование для обеспечения охлаждения;
• участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
• внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольные вопросы к экзамену по курсу «Технология производства цветных металлов»

1.Сущность получения сплавов совместным восстановлением из руд

сплав литейный алюминиевый магниевый

Сырьём для производства стали служит передельный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь сводится к удалению (выгоранию) части углерода и примесей. Получают сталь также прямым восстановлением железа из руды, минуя доменный процесс.

Сталь -- широко распространённый конструкционный материал. Путем легирования и специальной обработки (термической, химико-термической, термомеханической и др.) стали можно придать нужные свойства, удовлетворяющие самым разнообразным требованиям современной техники.

Сталь обладает высокой прочностью и твёрдостью, достаточной пластичностью и вязкостью. Её можно обрабатывать резанием и давлением, отливать.

Развитие техники предъявляет всё новые требования к качеству и свойствам стали, поэтому непрерывно совершенствуются технологические процессы её получения, разрабатываются и внедряются новые марки.

Единой мировой классификации сталей не существует. Обычно сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре, методу формообразования изделий из стали.

По способу производства сталь разделяют на мартеновскую, конверторную (кислородно-конверторную, бессемеровскую, томасовскую), электросталь и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащённой руды (окатышей). Мартеновский способ производства, бывший в свое время наиболее распространённым, сейчас утратил первостепенное значение и вытесняется более простым и экономичным, с точки зрения технологии производства, кислородно-конверторным способом. Предпочтение отдаётся также электроплавильным способам, которые позволяют получать сталь самого высокого качества.

По химическому составу сталь делят на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь -- железоуглеродистый сплав (0,02--2,14% С) с неизбежными примесями марганца (до 0,8%), кремния (до 0,5%), серы (до 0,06%), фосфора (до 0,07%) и газов (кислорода, водорода, азота), присутствующих в очень малых количествах -- тысячных долях процента. Железо и углерод являются основными компонентами, определяющими структуру и свойства стали.

Марганец, кремний, сера и фосфор относятся к постоянным, или обычным, примесям. Марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки стали -- их вводят в расплав для её раскисления. Вредные примеси -- сера и фосфор -- попадают в сталь из руд и печных газов и не поддаются полному удалению на стадии металлургического передела.

Кислород, водород, азот также постоянно присутствуют в стали и относятся к скрытым вредным примесям.

Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-- 0,60% С) и высокоуглеродистые (свыше 0,60% С).

Легированными называют стали, в состав которых кроме железа, углерода, обычных и скрытых примесей входят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам и другие элементы, которые специально вводятся в сталь для придания ей требуемых свойств. Сталь также считается легированной, если содержание в ней кремния превысит 0,5%, а марганца -- 1%. Легированные стали в зависимости от системы легирования делят на марганцевистые, хромистые, хромоникелевые и т.д.

В зависимости от содержания легирующих элементов различают стали низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (2,5--10%) и высоколегированные (более 10%). Если суммарное содержание легирующих элементов превышает 50%, т.е. преобладает над железной основой, то такой материал называется сплавом. Например, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, жаропрочные сплавы и многие другие.

По назначению стали классифицируют на конструкционные, инструментальные и специального назначения (с особыми свойствами).

Конструкционные стали применяют в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, элементов конструкций и сооружений. В зависимости от назначения и требуемых свойств содержание углерода в различных марках конструкционной стали изменяется в пределах от 0,05 (листовая) до 1% (подшипниковая). Важнейшими характеристиками сталей, по которым осуществляется их выбор, являются механические свойства и прокаливаемость.

Среди конструкционных сталей различают цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, автоматные, рессорно-пружинные, подшипниковые и некоторые другие.

Инструментальные стали служат для изготовления режущих, измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования. Основным требованием, предъявляемым к инструментальным сталям, является высокая твёрдость, в связи с чем они отличаются повышенным содержанием углерода (исключение -- стали для горячештампового инструмента, подвергаемого в процессе эксплуатации значительным динамическим нагрузкам). При выборе марки инструментальной стали в первую очередь учитывается её теплостойкость (красностойкость), т.е. способность стали длительно сохранять структуру и свойства при повышенных температурах в результате нагрева инструмента в процессе работы. Теплостойкость создают специальной системой легирования инструментальных сталей и применением особых режимов термической обработки.

Стали и сплавы специального назначения делят на две группы: с особыми химическими и с особыми физическими свойствами.

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные) предназначены для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные, с зданным температурным коэффициентом линейного расширения и др.) применяются в основном в приборостроении, электротехнической, радиотехнической и электронной промышленности.

2. сущность получения сплавов металлотермическим способом

Различные исследователи изучали восстановление галоидных солей (хлоридов, фторидов), а также окислов лантаноидов щелочными металлами, алюминием, магнием и щелочноземельными металлами.

Из теплот и свободной энергии образования галогенидов лантаноидов и распространенных металлов-восстановителей, можно заключить, что для хлоридов подходящими восстановителями могут служить натрий и кальций, а для фторидов -- кальций. При восстановлении хлоридов натрием, однако, не удалось получить редкоземельные металлы в виде слитка, хорошо отделяющегося от шлака.

При восстановлении галогенидов магнием и алюминием получаются сплавы редкоземельных элементов с восстановителями, причем выход в сплав недостаточно высокий. Магний может быть отделен от редкоземельного металла вакуумной дистилляцией при температуре выше температуры плавления лантаноидов, но алюминий достаточно полно этим способом не удаляется.

Лучшие результаты в отношении выхода, выплавки слитка и чистоты металлов получены при восстановлении галогенидов кальцием.

Этим методом могут быть получены все лантаноиды за исключением самария, европия и иттербия, восстановление которых протекает только до низших галогенидов. Для получения самария, европия и иттербия разработан метод восстановления их окислов лантаном, с одновременной вакуумной возгонкой этих металлов.

3. Сущность получения сплавов путем электролиза

Электролиз - это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока. Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии.

Электролиз получил широкое распространение в металлургии цветных металлов и в ряде химических производств. Такие металлы, как алюминий, цинк, магний, получают главным образом путем электролиза. Кроме того, электролиз используется для рафинирования (очистки) меди, никеля, свинца, а также для получения водорода, кислорода, хлора и ряда других химических веществ.

Сущность электролиза заключается в выделении из электролита при протекании через электролитическую ванну постоянного тока частиц вещества и осаждении их на погруженных в ванну электродах (электроэкстракция) или в переносе веществ с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование). В обоих случаях цель процессов - получение возможно более чистых незагрязненных примесями веществ.

Если в электролите имеются ионы разных металлов, то первыми на катоде выделяются ионы, имеющие меньший отрицательный нормальный потенциал (медь, серебро, свинец, никель), щелочноземельные металлы выделить труднее всего. Кроме того, в водных растворах всегда имеются ионы водорода, которые будут выделяться ранее, чем все металлы, имеющие отрицательный нормальный потенциал, поэтому при электролизе последних значительная или даже большая часть энергии затрачивается на выделение водорода.

Путем специальных мер можно воспрепятствовать в известных пределах выделению водорода, однако металлы с нормальным потенциалом меньше 1 В (например, магний, алюминий, щелочноземельные металлы) получить электролизом из водного раствора не удается. Их получают разложением расплавленных солей этих металлов.

Нормальные электродные потенциалы веществ, указанные в табл. 1, являются минимальными, при них начинается процесс электролиза, практически требуются большие значения потенциала для развития процесса.

Разность между действительным потенциалом электрода при электролизе и нормальным для него потенциалом называют перенапряжением. Оно увеличивает потери энергии при электролизе.

4. Сущность процесса получения сплавов непосредственным сплавлением металлов.

Плавление - это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление - процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, при кристаллизации выделяется теплота. Между теплотой Q и температурой кристаллизации Тк существует определенная связь. Степень перегрева при плавлении металлов не превышает нескольких градусов. В жидком состоянии атомы вещества из-за теплового движения перемещаются беспорядочно, в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в их пределах расположение атомов аналогично расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и снова появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые крупные группировки становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами). Для осуществления процесса плавления необходимо наличие некоторого перегрева над равновесной температурой, т. е. термодинамического потенциала. Выше равновесной температуры более устойчив жидкий металл, он имеет меньший запас свободной энергии. Ниже этой температуры более устойчив твердый металл. При равновесной температуре свободные энергии жидкого и твердого состояния одинаковы, поэтому при этой температуре обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно и притом бесконечно долго. Равновесная температура очень близка к температуре плавления Тпл, с которой ее часто сравнивают. При охлаждении переход из жидкого состояния в твердое сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить до температуры ниже температуры плавления.

Жидкости, находящиеся при температуре, близкой к температуре плавления называются расплавами. Расплавы бывают металлическими, ионными, полупроводниковыми, органическими и высокополимерными. В зависимости от того, какие химические соединения образуют расплавы, выделяют солевые, оксидные, оксидно-силикатные и другие расплавы.

Большинство расплавов имеют в составе искосаэдрические частицы.

В процессе плавления химические связи в расплавах подвергаются видоизменению. В полупроводниках наблюдается образование металлической проводимости, у некоторых галогенидов вместо ионной проводимости происходит снижение электрической проводимости из-за образования расплава с молекулярным составом. Уровень температуры также влияет на тип связи в расплавах.

Среднее координационное число и межатомные расстояния также являются характеристиками расплавов. В процессе плавления металлов происходит уменьшение координационного числа примерно на 10-15 %. В тоже время межатомные расстояния остаются прежними. При плавлении полупроводников происходит увеличение их координационного числа в 1,5 раза, расстояние между атомами также увеличивается. Многокомпонентные расплавы характеризуются неравновесными, метастабильными состояниями, которые имеют взаимосвязь со структурой первоначальных твердых фаз.

5. Назначение литейных и деформируемых литейных сплавов

Деформируемые сплавы. Эти сплавы алюминия могут быть подвергнуты упрочнению закалкой с послед. старением - естественным (при комнатной температуре) или искусственным (при повышенной температуре). В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. из которого при старении выделяется избыток растворенных элементов в виде зон, метастабильных фаз и стабильных интерметаллидов. Некоторые сплавы алюминия, в частности содержащие хром, марганец, цирконий и железо, способны закаливаться из жидкого состояния; при этом концентрация элементов в пересыщенном твердом растворе может существенно превосходить максимальную равновесную для твердого состояния.

Дополнительное упрочнение деформируемых сплавов алюминия достигается применением нагартовки-холодной прокатки или растяжения полуфабрикатов. Эта операция используется для улучшения механических свойств термически неупрочняемых сплавов, при этом повышаются прочностные свойства и особенно предел текучести, а пластичность снижается. Для термически упрочняемых сплавов алюминия нагартовка производится после закалки перед старением либо после старения; в результате повышаются прочностные свойства при сохранении прежней вязкости разрушения. Полуфабрикаты из деформируемых сплавов алюминия изготавливают из слитков, получаемых методом непрерывной отливки с непосредственным охлаждением водой.

Деформируемые сплавы алюминия по величине разделяют на сплавы низкой (менее 300 МПа), средней (300-480 МПа) и высокой (выше 480 МПа) прочности. К первым относят А1 - Мn, большинство магналиев, Al-Mg-Si. Из них изготавливают фольгу для консервных банок, пробок, молочных фляг, электропровода, оконные рамы, окантовки дверей и др. Сплавы средней прочности - дуралюмины, ковочные Al-Cu-Mg и Al-Cu-Mg-Si, жаропрочные ковочные Al-Cu-Mg-Fe-Ni, криогенные и жаропрочные свариваемые Al-Cu-Mn, сплавы пониженной плотности Al-Li-Mg. Эти сплавы используют для изготовления осн. элементов несущих конструкций (работающих при комнатной и повышенной температурах и в криогенной технике), элементов двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей и др. Высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu -- Mg-Li и Al-Cu-Li используют в сильно нагруженных конструкциях.

Порошковые и гранульные сплавы алюминия получают распылением жидкого Аl в воздухе или инертной атмосфере в специальных установках, обеспечивающих сверхвысокую скорость охлаждения (сотни тысяч - миллионы градусов в секунду). Размер частиц порошковых сплавов 5-500 мкм, гранульных - 1-2 мм.

Наибольшее применение имеют порошковые сплавы алюминия - САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). В САП упрочняющая фаза - мельчайшие частицы А1 2 О 3 , образующегося при размоле в мельницах в окислительной атмосфере. Этот материал отличается высокой термической и коррозионной стойкостью. Он сохраняет прочность при температурах до 660°С (т-ра плавления А1) и даже несколько выше. САС содержит 25-30% Si и 5-7% Ni. Упрочняющая фаза - мельчайшие частицы интерметаллидов и А1 2 О 3 . Этот сплав имеет более низкий температурный коэффициент линейного расширения [(11,5-13,5)*10 -6 К -1 ], чем большинство остальных сплавов алюминия сплавы.

Благодаря тому, что скорость охлаждения при получении порошковых и гранульных сплавов очень велика, удается создать материалы, представляющие собой пересыщенные твердые растворы. К ним относятся высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg-Cu, жаропрочные Al-Fe-Ce, сплавы пониженной плотности А1-Mg-Li, пластичные Al-Cr-Zr. Св-ва порошковых и гранульных сплавов, особенно пластичность, улучшаются после вакуумной дегазации. Заготовки из порошковых сплавов алюминия сплавы имеют форму брикетов, из которых обработкой давлением получают полуфабрикаты. Порошковые сплавы применяют для изготовления деталей и узлов малонагруженных конструкций, работающих в интервале 250-500°С, высоконагруженных конструкций, работающих при комнатной температуре, в приборостроении.

Высокомодульные деформируемые сплавы Al-Be-Mg -- двухфазные гетерогенные системы. Они превосходят по модулю упругости пром. легкие сплавы в 2-3 раза; их плотн. 2,0-2,4 г/см 3 , модуль упругости 45 000-220 000 МПа, относит. удлинение 15-10%. Такие сплавы обладают также повыш. теплоемкостью и теплопроводностью. более высокой усталостной прочностью (в т.ч. уникальной акустич. выносливостью), меньшей скоростью роста усталостных трещин. Применяют их преим. для изготовления тонких жестких элементов несущих конструкций, что позволяет уменьшить массу изделия до 40%.

При получении изделий из сплавов алюминия обработкой давлением возможно использование сверхпластичности этих сплавов, которая реализуется при размере зерна в структуре сплава менее 10 мк, причем эта структура должна изменяться при температуре, превышающей половинное значение температуры плавления. Большая группа сплавов алюминия сплавы обладает эффектом сверхпластичности и находит промышленное применение. По свойствам различают три группы литейных сплавов: высокопрочные и средней прочности; жаропрочные (для работы до 200-400°С); коррозионностойкие (для работы в морской воде). Сплавы высокопрочные и средней прочности малопроницаемы для газов и жидкостей (могут выдерживать без утечки жидкости давление до 15-25 МПа); из них изготавливают отливки практически любых конфигураций и размеров всеми существующими методами литья. Для измельчения структуры и улучшения свойств силуминов в их расплав перед разливкой вводят небольшие кол-ва Na (в виде солей). Возникающая при этом пористость подавляется кристаллизацией под давлением в автоклавах.

Наибольшей жаропрочностью среди литейных сплавов обладают Al-Cu-Mg-Ni и Al-Cu-Ni-Mn; из них изготавливают литые поршни.

6. Маркировка алюминиевых сплавов

Состав промышленных алюминиевых сплавов регулируется ГОСТ 4784-97, ГОСТ 1583-93, ГОСТ 114-78 и др.

Для маркировки деформируемых алюминиевых сплавов применяют смешанную буквенную и буквенно-цифровую маркировки. Примеры приведены в таблице:

Вид алюминия (сплава алюминия)	Маркировка
Алюминий чистый, нелегированный	А999, А995, А99, А97, А95, А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е, А0, АД0, АД1, АД00
Деформируемые алюминиевые сплавы с низким содержанием магния (до 0,8%)	Д1, В65, Д18, Д1П, АД31, АД
Деформируемые алюминиевые сплавы с повышенным содержанием магния (до 1,8%)	Д12, Д16, АМг1, Д16П
Литейные алюминиевые сплавы с низким содержанием меди (до 1,5%)	АЛ5, АЛ32, АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9, АЛ9-1, АЛ34, АК9 (АЛ4В), АК7 (АЛ9В), АЛ5-1
Литейные алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди (более 1,5%)	АЛ3, АЛ6, АК5М2 (АЛ3В), АК7М2 (АЛ14В), АЛ7, АЛ19, АК5М7 (АЛ10В), АЛ33 (ВАЛ1)
Литейные алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния	АЛ1, АЛ21, АЛ25, АЛ30, АК21М2,5Н2,5, АК18, КС-740
Деформируемые алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния	АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМг5п, АМг6
Литейные алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния	АЛ8, АЛ27, АЛ27-1, АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ28
Деформируемые алюминиевые сплавы с высоким содержанием цинка	В95, 1915 и 1925
Литейные алюминиевые сплавы с высоким содержанием цинка	АЛ11, АК4М4, АК4М2Ц6

7. Особенности плавки алюминиевых сплавов

Приготовление алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы легко окисляются при расплавлении, насыщаются водородом (содержание водорода может достигать 0,5-,0 см 2 сна 100 г металла) и другими неметаллическими включениями.

Основные окислители - кислород и пары воды. В зависимости от температуры, парциального давления кислорода и паров воды, а также кинетических условий взаимодействия при окислении образуется оксид алюминия (Аl 2 O 3) и субоксиды (Al 2 O и AlO).

В обычных условиях плавки термодинамически устойчивой фазой является оксид алюминия г - Аl 2 O 3 , который не растворяется в алюминии и не образует легкоплавких соединений.

Кроме оксидов алюминия в расплавах могут присутствовать: оксид магния (MgO), магнезиальная шпинель MgAl 2 O 4 , нитриды алюминия, магния, титана (AlN , Mg 3 N 3 , TlN0, карбиды алюминия (Al 2 C), бориды алюминия и титана (AlB 2 . TlB 3) и др.

Большинство легирующих элементов (Сu, Si, Mn) не оказывают влияния на процесс окисления алюминия; щелочные и щелочно - земельные металлы (К, Na, Li, Ba, Ca, Sr, Mg), а также цинк увеличивают окисляемость алюминия из-за образования рыхлых оксидных плен.

Порядок загрузки шихтовых материалов: чушковый алюминий, крупногабаритные отходы, отходы литейных и механических цехов (литники, некачественные отливки, брикетизированная стружка и т.п.), переплав, лигатуры (чистые металлы). Компоненты шихты вводят в жидкий металл при температуре, о С: 730 (не выше) - стружку и мелкий лом; 740-750 - медь, при 700-740 - кремний, 700-740 - лигатуры; цинк загружают перед магнием к концу плавки. Температура нагрева литейных алюминиевых сплавов не должна превышать 800-830 о С.

Обязательной операцией является рафинирование от неметаллических включений и растворенного водорода.

Основным источником водорода являются пары воды, оксидные пленки на шихтовых материалах, легирующие элементы и лигатуры. Максимальная скорость плавки и минимальная длительность выдержки в печи перед разливкой способствуют повышению его чистоты.

Уменьшение компактности и увеличение удельной поверхности шихтовых материалов оказывают существенное влияние на степень загрязнения алюминиевых сплавов неметаллическими включениями и водородом.

При плавке алюминиевых сплавов, содержащих кремний, следует предусмотреть меры от загрязнения сплавов железом. Перед плавкой необходимо очистить печь (тигель) от остатков шлака предыдущей плавки. Чугунный тигель и плавильный инструмент очищают от следов расплава и окрашивают защитной краской.

При плавке алюминиевых сплавов, содержащих магний, медь и марганец, вначале в печь загружают чушковый алюминий и силумин, затем лигатуры и чушковые отходы. Магний вводят после рафинирования при 720-730 о С с помощью окрашенного колокольчика, после чего сплавы модифицируют и разливают.

Плавку сложнолегированных алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния проводят только в графитовых тиглях в связи с минимально допустимым содержанием вредных примесей железа и кремния.

Применяемый плавильно - разливочный инструмент должен быть из графита или титана.

При использовании для приготовления сплавов возврата собственного производства порядок плавки должен быть следующий: расплавление чистого алюминия и лигатуры Аl - Be; введение при 670-700 о С возврата собственного производства. После расплавления возврата порядок загрузки остальных составляющих шихты и режимы плавки сохраняются такими же, как и при приготовлении на чистых металлах. Температура перегрева сплавов не должна превышать 750 о С.

8. Рафинирование расплава алюминия

Алюминий высокой чистоты в промышленном масштабе получают методом электролитического рафинирования по трехслойному способу. Этот процесс осуществляется в электролизерах для рафинирования алюминия. Серия электролизеров для рафинирования располагается, как правило, в одном корпусе, аналогичном по своей конструкции корпусу электролиза алюминия.

Основным сырьем для электролитического рафинирования служит расплавленный алюминий технической чистоты, поэтому корпуса электролитического рафинирования входят в состав электролизного цеха. Обычно они называются отделением рафинирования.

Электролитическое рафинирование алюминия по трехслойному методу основано на способности алюминия в процессе электролизаего сплава с медью к электрохимическому растворению на аноде и восстановлению на катоде: на аноде Al--Зе>Al 3+ ; на катодеAl 3+ +3e>Al.

В результате электролиза более электроположительные элементы (железо, кремний, медь и др.) накапливаются в анодномсплаве. Более электроотрицательные элементы (натрий, барий, кальций и др.) переходят в электролит, не выделяясь на катоде,так как потенциал их выделения выше потенциала алюминия.

Для создания условий протекания этого процесса приготавливают анодный сплав алюминия с 30--40 % Сu, плотность которого3,2--3,5 г/см 3 , и он располагается на подине шахты электролизера. Катодом служит рафинированный алюминий, имеющий притемпературе протекания процесса электролиза плотность 2,3 г/см 3 . Между анодным сплавом и катодным металлом находится слойэлектролита плотностью 2,7 г/см 3 , который состоит из криолита, хлористого бария и хлористого натрия.

В настоящее время применяются электролизеры для производства алюминия высокой чистоты на силу тока до 100 кА (рис. 136).Габариты и конструкция этих электролизеров зависят от их мощности. Величина катодной и анодной плотностей тока при рафинировании в зависимости от мощности электролизеров составляет 0,5--0,7 А/см 2

Рафинировочные электролизеры монтируют в сварном металлическом кожухе прямоугольной формы с днищем. С наружнойстороны к кожуху для увеличения жесткости приваривают вертикальные и горизонтальные “ребра” жесткости из профилированной стали. Футеровка кожуха до уровня подины аналогична футеровке электролизеров для производства алюминия; боковые стенки кожуха футерованы токонепроводящими материалами: листовым асбестом, шамотным и магнезитовым кирпичом, стойким к действию электролита, применяемого при рафинировании. С одной из сторон электролизера смонтирован футерованный магнезитовымкирпичом загрузочный карман, который на уровне подины соединен каналом с шахтой ванны.

Перед началом эксплуатации нагревают шахту ванны и обжигают межблочные швы теплом от сжигания газообразного или жидкого топлива, подаваемого в зону обжига форсунками. Прогрев подины и боковых стенок шахты необходимо вести равномерно по всей поверхности, так как местные перегревы могут привести к образованию трещин в подовых блоках и боковой футеровке.

Пуск рафинировочного электролизера производят в следующем порядке. На очищенную подину устанавливают предварительно подогретые графитированные катоды, соединенные через алюминиевую штангу с катодными шинами. Затем на подину через карман заливают анодный сплав, и электролизер включают в электрическую цепь. После этого в ванну заливают электролит и одновременно поднимают катодное устройство. При включении электролизера в цепь обязательно проверяют равномерность распределения тока по катодам; при обнаружении нарушения обычно заменяют катоды. Для создания нормальных условий протекания процесса электролиза катоды поднимают из электролита на необходимую высоту.

Для создания катодного слоя алюминия в начале работы электролизера применяют высокосортный алюминий-сырец, который заливают в ванну до создания слоя не менее 100 мм.

9. Модифицирование сплавов алюминия

Модифицирование. Для измельчения макрозерна и различных фаз, а также для придания им благоприятной формы алюминиевые сплавы модифицируют. Доэвтектические и эвтектические силумины модифицируют с целью измельчения кристаллов эвтектического кремния. Для этого вводят 0,05... 0,1 % натрия или стронция в виде солей NaF и NaCl на поверхность металла, очищенную от шлака. В результате реакций, происходящих в металле, выделяется натрий, производящий модифицирующее воздействие:

6NaF + Al = Na3AlF6 + 3Na.

С целью ускорения этого процесса металл следует перемешивать. Эффект модифицирования сохраняется 20...30 мин, в течение которых металл должен быть залит в формы. Модифицирующее действие стронция сохраняется в течение 2...3 ч.

Стронций вводят в виде лигатуры алюминий--стронций, содержащей 10 % Sr. Заэвтектические силумины модифицируют для измельчения первичных кристаллов кремния. В качестве модификатора используют фосфор в виде лигатуры Си--Р (10% Р), смеси красного фосфора с фторцирконатом калия и хлористым калием, а также смеси фосфорорганических веществ. Следует заметить, что модифицирование фосфором в виде лигатуры Си--Р требует повышенной температуры (880...920°С) и длительной выдержки (20...30 мин).

Широкое распространение получили так называемые универсальные флюсы, выполняющие функции рафинирующих флюсов и модификаторов. В составе этих флюсов кроме КС1, NaCl и Na3AlF6 содержится свыше 25 % NaF, обеспечивающего модифицирующее действие флюса.

Расход дегазирующих и модифицирующих добавок зависит от способа их применения. Так, по данным ВАЗа расход порошкообразного гексахлорэтана составляет 0,2 %, а при использовании его в виде таблеток расход не превышает 0,05 % от массы расплава. Модифицирующие средства в прессованном виде также расходуются в меньшем количестве, чем порошковые (0,1 против 1 %). Это объясняется отсутствием просыпи при вводе таблетки, а, кроме того, постепенное разложение таблетки исключает возможность выброса непрореагировавшего реагента на поверхность металла, что характерно при усвоении порошкообразного вещества.

В последние годы разработаны модификаторы для сплавов алюминия, содержащих до 26 % Si. Это смеси фосфористой меди и гидрата лития, лигатуры А1--(10... 50 %) Sr, Al--Ti--В и др.

10. Особенности технологии производства фасонных отливок из алюминиевых сплавов

Литье в кокиль

Литье в кокиль - это процесс изготовления фасонных отливок в формах, изготовляемых из чугуна, стали или других сплавов. Метод литья в кокиль имеет ряд преимуществ перед литьем в песчаные формы: металлическая форма выдерживает большое количество заливок (от нескольких сот до десятков тысяч) в зависимости от сплава, заливаемого в форму.

Отливки, залитые в кокиль, имеют большую точность размеров и лучшую чистоту поверхности, чем при литье в песчаные формы, и требуют меньшего припуска на механическую обработку. Структура металла получается более мелкозернистой, вследствие чего повышаются его механические свойства; кроме того, устраняется необходимость в формовочной смеси, улучшаются технико-экономические показатели производства и санитарно-гигиенические условия труда. Литье в кокиль имеет и свои недостатки. К ним относятся большая стоимость изготовления формы, повышенная теплопроводность формы, что может привести к пониженной заполняемости форм металлом вследствие быстрой потери жидкотекучести, частое получение поверхностного отбела (образование ледебуритного цементита) у чугунных отливок, что затрудняет их механическую обработку.

Фасонные отливки при литье в кокиль изготовляют из стали, чугуна, медных, алюминиевых, магниевых и других сплавов.

Конструкции кокилей чрезвычайно разнообразны. Кокиль для простых отливок изготовляют из двух частей, соответствующих верхней и нижней опокам при литье в песчаные формы. Для сложных отливок форму изготовляют из нескольких разъемных частей; каждая из них образует часть отливки; поверхность разъема форм определяется конструкцией отливки.

Для получения внутренней полости отливки применяют песчаные и металлические стержни. Для отливок из легкоплавких сплавов преимущественно применяют металлические стержни, а для чугунных и стальных отливок -- песчаные.

Алюминиевые поршни отливают с металлическим стержнем. Корпус кокиля состоит из трех частей (1, 2 и 3). Литниковая система 4 расположена в плоскости разъема. Внутреннюю полость отливки образует металлический стержень. Для обеспечения возможности выемки металлического стержня из отливки его делают разъемным (из нескольких частей). На рис.1 показан металлический стержень из трех частей. После заливки и затвердевания сплава сначала вынимают центровую конусообразную часть 1, а затем боковые части 2 и 3.

Форма для изготовления алюминиевого поршня.

Схема технологии отливки поршня в кокиль на заводе-автомате: 1 -- транспортер для загрузки чушек алюминиевых сплавов; 2 -- загрузочная площадка; 3 -- плавильный агрегат; 4 -- дозирующее устройство; 5 -- литейная машина с шестью металлическими формами; 6 -- механическая рука; 7 -- перегрузочное устройство; 8 -- фрезерный станок для обрезки литников; 9 -- склиз; 10 -- конвейер отпускной печи; 11 -- отпускная печь; 12 -- конвейер для охлаждения поршней воздухом до температуры цеха; 13 -- склиз для подачи поршней к прессу Бринеля; 14 -- пресс Бринеля; 15 -- склиз для подачи поршней в бункер на хранение; 16 -- бункер; 17--19 -- транспортеры для подачи литников и отходов на загрузочную площадку.

11. Состав и свойства магниевых сплавов

Магний и магниевые сплавы

Литейные и деформируемые магниевые сплавы в отечественных стандартах (ГОСТ) обозначаются следующим образом:

МЛ - магниевые литейные сплавы (ГОСТ 2856); МА - магниевые деформируемые сплавы (ГОСТ 14957); пч - повышенной чистоты; он - общего назначения.

Литейные магниевые сплавы подразделяются в зависимости от способа литья: в песчаные формы, в кокиль, литье под давлением и др.

Деформируемые магниевые сплавы классифицируются следующим образом: сплавы для прессования, ковки, штамповки, для горячей и холодной прокатки.

Кроме того, литейные и деформируемые магниевые сплавы классифицируются по прочности при нормальных и повышенных температурах, коррозионной стойкости и плотности.

По уровню прочности и ряду других основных свойств (жаропрочности, плотности) магниевые деформируемые сплавы подразделяются на 4, а литейные - на 3 группы.

По предельно допустимым рабочим температурам и длительности работы при них магниевые сплавы подразделяются следующим образом:

	Марки литейных сплавов	Марки деформируемых сплавов
	Длительно до 150°С, кратковременно до 200°С	МЛ3, МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6, МЛ8	МА1, МА2, МА2-1, МА5, МА2-1пч, МА15, МА19, МА20
	Длительно до 200°С, кратковременно до 250°С
	Длительно до 200-300°С, кратковременно до 300-400°С	МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19
	Длительно до 125°С
	Длительно до 60°С

По коррозионной стойкости во всех климатических атмосферных условиях магниевые сплавы можно разделить на 3 основные группы:

По степени свариваемости магниевые сплавы можно классифицировать:

В США и некоторых других странах магниевые сплавы обозначаются по системе, разработанной Американским обществом по испытаниям материалов (ASTM), включающей основные данные по химическому составу и состоянию поставки. Обозначение сплавов начинается с двух букв, представляющих два основных легирующих элемента. Буквы располагаются по убыванию содержания элементов или, при равных их количествах - по алфавиту. За буквами следуют цифры, указывающие содержание элементов в целых процентах. Последующие буквы (А, В, С) отражают модификацию сплава по содержанию второстепенных легирующих элементов или примесей. Чистота сплава увеличивается от С до А, т.е. А - наиболее чистый. Символ "Х" обозначает, что сплав новый и пока не стандартизирован, т.е. так называемый "временно стандартизированный сплав", например АZ81ХА.

12. Особенности плавки магниевых сплавов

Для плавки магниевых сплавов применяют тигельные печи с выемным или стационарным тиглем вместимостью 200-450 кг или отражательные печи большой вместимости. При этом после расплавления всей шихты сплав переливают в тигельные раздаточные печи, в которых производится его рафинирование.

В разогретый тигель или печь загружают небольшое количество размолотого флюса и около половины всего количества магния, поверхность которого также засыпается флюсом. После расплавления первой порции магния постепенно загружают остальное количество магния. Затем, когда расплавится весь магний, в сплав при температуре 680-700 °С вводят предварительно мелко раздробленную лигатуру алюминий-марганец.

Марганец в магниевые сплавы вводят при температуре 850 °С в виде смеси металлического марганца или хлористого марганца О флюсом ВИЗ. Затем в тигель постепенно загружают возврат. В течение всего процесса плавки поверхность сплава должна быть покрыта слоем флюса ВИЗ.

Цинк присаживается в конце плавки при температуре расплава 700-720 °С. При той же температуре в сплав присаживается бериллий в виде лигатур магний - бериллий или марганец-алюминий-бериллий или в виде фторбериллата натрия NaBeF4. Лигатуры, содержащие бериллий, вводят в сплав до рафинирования, а фторбериллат натрия - во время рафинирования.

Церий, являясь компонентом некоторых новых магниевых сплавов, входит в состав мишметалла, имеющего следующий состав (%): 45-55 церия, до 20 лантана, 15 железа, остальное- редкоземельные элементы первой группы. При расчете шихты учитывают суммарное содержание всех редкоземельных элементов. Мишметалл добавляют в расплав после рафинирования при помощи железного сетчатого стакана, погружаемого на глубину 70-100 мм от зеркала сплава.

Цирконий вводят в сплав в виде фторцирконата натрия Na2ZrFe при температуре 850-900 °С.

Если в магниевый сплав необходимо ввести значительное количество циркония, как, например, в новый теплопрочный литейный сплав МЛ12, содержащий 4-5% Zn, 0,6-1,1% Zr, остальное- магний, приходится пользоваться так называемой шлак-лигатурой, Для приготовления шлак-лигатуры используют шихту следующего состава, %: 50 фторцирконата калия; 25 карналлита; 25 магния. Шлак-лигатуру приготавливают одновременно в двух тиглях. В одном тигле расплавляют карналлит и после прекращения бурления при температуре 750-800 °С замешивают фторцирконат калия до получения однородной расплавленной массы. Затем в эту смесь вливают расплавленный в другом тигле магний, нагретый до 680-750 °С. Полученная шлак-лигатура содержит 25-50% циркония.

Заключительной стадией плавки любого магниевого сплава является обработка его в жидком состоянии с целью рафинирования, а также модифицирования структуры. Рафинирование магниевого сплава проводят после введения всех легирующих добавок и доведения температуры расплава до 700-720 °С. Лишь в случае обработки магниевого сплава фторбериллатом натрия температура нагрева сплава перед рафинированием повышается до 750-760 °С. Обычно рафинирование производят путем перемешивания сплава железной ложкой или шумовкой в течение 3-6 мин; при этом поверхность расплава посыпают размолотым флюсом ВИЗ. Перемешивание начинают с верхних слоев сплава, затем ложку постепенно опускают вниз, не доходя до дна примерно на 1/2 высоты тигля. Рафинирование считается законченным, когда поверхность сплава приобретает блестящий, зеркальный вид. По окончании рафинирования с поверхности сплава счищают флюс, а зеркало сплава вновь покрывают ровным слоем свежей порции размолотого флюса ВИЗ. Затем магниевые сплавы, кроме сплавов МЛ4, МЛ5 и МЛ6, нагревают до 750-780 °С и выдерживают при этой температуре в течение 10-15 мин.

Магниевые сплавы марок МЛ4, МЛ5 и МЛ6 перед разливкой подвергают модифицированию. После снятия с поверхности сплава загрязнений, образовавшихся при модифицировании, и после засыпки поверхности расплава свежей порцией флюса эти сплавы выдерживают, при этом температура понижается до 650-700 °С, затем производят заливку форм.

В ходе плавки тщательно наблюдают за состоянием поверхности жидкого сплава. Если сплав начинает гореть, его необходимо засыпать порошкообразным флюсом при помощи пневматического флюсораспылителя.

13. Рафинирование и модифицирование расплавов из магния

Рафинирование под флюсами проводят путем перемешивания расплава движениями мешалки вниз -- вверх в течение 5...6 мин при температуре 700...720°С. При этом на поверхность металла добавляют порции сухого измельченного флюса. Расплавленный флюс обволакивает нежелательные примеси, содержащиеся в металле, и при последующей выдержке металла осаждает их на дно тигля. Рафинирование считается законченным, когда поверхность металла приобретает блестящий зеркальный вид. После этого наносят свежий флюс и выдерживают под ним металл в течение 10... 15 мин при 750...800°С. Затем снижают температуру до 700 °С и выдают металл из печи.

Для рафинирования магниевых сплавов используют также продувку аргоном при 720...740°С или фильтрацию через сетчатые и зернистые фильтры. Зернистые фильтровальные материалы (магнезит, графит, кокс в смеси с другими веществами) обеспечивают наиболее полную очистку расплава. Стальные сетчатые фильтры снижают загрязненность приблизительно в пять раз. Для связывания водорода в устойчивые гидриды в расплав перед разливкой иногда вводят до 0,1 % Са.

При ответе на вопросы желательно привести примеры и иллюстрации.

Литература

1. Б.В. Захаров. В.Н. Берсенева «Прогрессивные технологические процессы и оборудование при термической обработке металлов» М. «Высшая школа» 1988 г.

2. В.М. Зуев «Термическая обработка металлов» М. Высшая школа 1986 г.

3. Б.А. Кузьмин «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Машиностроение» 1981 г.

4. В.М. Никифоров «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Высшая школа» 1968 г.

Размещено на Allbest

Подобные документы

Применение деформируемых алюминиевых сплавов в народном хозяйстве. Классификация деформируемых алюминиевых сплавов. Свойства деформируемых алюминиевых сплавов. Технология производства деформируемых алюминиевых сплавов.

курсовая работа , добавлен 05.02.2007


Механические свойства, обработка и примеси алюминия. Классификация и цифровая маркировка деформируемых алюминиевых сплавов. Характеристика литейных алюминиевых сплавов системы Al–Si, Al–Cu, Al–Mg. Технологические свойства новых сверхлегких сплавов.

презентация , добавлен 29.09.2013


Исследование основных литейных свойств сплавов, изучение способа получения отливок без дефектов и описание технологии отлива детали под давлением. Изучение схемы прокатного стана и механизма его работы. Анализ свариваемости различных металлов и сплавов.

контрольная работа , добавлен 20.01.2012


Химико-физические свойства медных сплавов. Особенности деформируемых и литейных латуней - сплавов с добавлением цинка. Виды бронзы - сплавов меди с разными химическими элементами, главным образом металлами (олово, алюминий, бериллий, свинец, кадмий).

реферат , добавлен 10.03.2011


Особенности медных сплавов, их получение сплавлением меди с легирующими элементами и промежуточными сплавами - лигатурами. Обработка медных сплавов давлением, свойства литейных сплавов и область их применения. Влияние примесей и добавок на свойства меди.

курсовая работа , добавлен 29.09.2011


Зависимость свойств литейных сплавов от технологических факторов. Основные свойства сплавов: жидкотекучесть и усадка. Литейная форма для технологических проб. Графики зависимости жидкотекучести, линейной и объемной усадки от температуры расплава.

лабораторная работа , добавлен 23.05.2014


Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение. Методы исследования качества, структуры и свойств металлов и сплавов, определение их твердости. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов.

учебное пособие , добавлен 29.01.2011


Назначение и виды термической обработки металлов и сплавов. Технология и назначение отжига и нормализации стали. Получение сварных соединений способами холодной и диффузионной сварки. Обработка металлов и сплавов давлением, ее значение в машиностроении.

контрольная работа , добавлен 24.08.2011


Общие сведения о трубопроводах. Технологические трубопроводы. Сложность изготовления и монтажа технологических трубопроводов. Трубы и детали трубопроводов из цветных металлов и их сплавов, их конфигурация, техническая характеристика, области применения.

курсовая работа , добавлен 19.09.2008


Основные сварочные материалы, применяемые при сварке распространенных алюминиевых сплавов. Оборудование для аргонно-дуговой сварки алюминиевых сплавов. Схема аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом. Электросварочные генераторы постоянного тока.

Цветная металлургия - одна из важнейших отраслей промышленности. Технический прогресс, начиная от освое­ния космического пространства и кончая электротехникой, химическим оборудованием и радиоэлектроникой, тесно связан с развитием технологии производства цветных металлов. Некоторые, давно освоенные металлы и сплавы, например, алюминиевые и титановые, ранее применявшиеся преимущественно в авиационной технике, теперь становятся одним из основных конструкционных материалов в строительстве, машиностроении и других отраслях.

По плотности цветные металлы подразделяют на тяжелые (4,5 г/см3) и легкие (4,5 г/см3). Тяжелые металлы - свинец, медь, олово, цинк и др., легкие - алюминий, титан, магний и др.

По температуре плавления металлы разделяются на легкоплавкие и тугоплавкие. К легкоплавким относятся металлы с температурой плавления до 1000°С (свинец, олово, цинк, алюминий и др.), остальные - к тугоплавким (вольфрам, молибден, ниобий и др.).

По степени окисления металлы подразделяются на благо­родные и обыкновенные. К благородным металлам относятся: золото, серебро, платина, к обыкновенным - все остальные.

Отличительной чертой руд цветных металлов является низкое содержание в них основного металла. Лишь в алюминиевых и магниевых рудах основного компонента находится от 10 до 30%. Второй отличительной чертой руд цветных металлов является их комплексный характер. Так, в медных и свинцово-цинковых рудах обычно содержатся кадмий, золо­то, серебро, селен, теллур, молибден, висмут и др. Присутствие столь ценных компонентов вызывает необходимость комплексной переработки руд для выделения всех элементов.

Медь - тяжелый цветной металл, плотность Сu - 8,94 кг/м3 , температура плавления 1083 °С. В чистом виде медь применяют для электротехнических целей (провода, шины, кабель). Более 50% чистой меди потребляет электротехническая про­мышленность и энергетика.

Сплавы на основе меди - это бронзы и латуни, которые широко применяются в технике в качестве конструкционных материалов.

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием марганцем, свинцом, бериллием. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянистыми и безоловянистыми - кремниевыми, алюминиевыми и т.д. Бронзы обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами. Оловянистые бронзы, содержащие до 6% Sn, хорошо обрабатываются давлением; бронзы, содержащие до 15% Sn, обладают хорошими литейными свойствами. Дефицитность и высокая стоимость олова - основной недостаток оловянистых бронз.

Бронзы маркируют следующим образом: буквы Бр означают бронзу, следующие буквы означают легирующий элемент (О - олово, Ц - цинк, Ф - фосфор, Б - бериллий, Н - никель, А - алюминий, Ж - железо, К - кремний, Mg -марганец, С - свинец), цифры показывают содержание элементов в сплаве. Например, БрОФ 10-1 (10% Sn, 1% Р, ос­тальное - медь).

Латуни - это сплавы меди с цинком. Применяют латуни с содержанием Zn до 45%. Сплавы, содержащие до 10% Zn, называют томпаксами. Если латунь, кроме цинка, не содер­жит легирующих элементов, то такая латунь называется про­стой. Латуни, содержащие алюминий, свинец, никель, мар­ганец, олово и другие элементы, называются сложными. До­бавки этих элементов повышают прочность латуни, а также придают им специальные свойства. Алюминий и никель по­вышают прочность и твердость латуни; олово, никель и мар­ганец увеличивают прочность и коррозионную стойкость, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатывае­мость латуни резанием.

Латуни маркируются следующим образом: Л - обознача­ет латунь, последующие две буквы обозначают легирующие элементы, цифры показывают содержание меди и легирующих элементов, например, ЛАЖМЦ 66-6-3-2 (66% Сu, 6% Аl, 2% Мn, остальное - Zn).

Около 90% извлекаемой из руд меди получают пирометаллургическим способом. Этот традиционный способ выплавки меди состоит из следующих операций:

1) флотация - обога­щение руды, так как все медные руды очень бедны медью;

2) обжиг рудного концентрата для уменьшения содержания серы и примесей в нем (образующийся при обжиге SO2 по­ступает в химическую промышленность для производства сер­ной кислоты);

3) плавка на штейн при температуре 1600 °С (штейн - расплав, состоящий из сульфидов меди около 80%);

4) передел штейна на черновую медь путем продувки воздухом в конвертере;

5) огневое рафинирование меди в от­ражательных печах;

6) электролитическое рафинирование меди в целях получения меди высокой степени чистоты и вы­деления драгоценных металлов.

Пирометаллургические процессы служат основой получения не только меди, но и свинца, никеля и других цветных металлов. Традиционные пирометаллургические процессы сопровож­даются образованием большого количества шлаков, в кото­рых содержатся окислы кремния, алюминия, кальция, магния, железа, марганца, меди, никеля, кобальта, цинка, свинца, кадмия, редких металлов. Вот почему переработка этих шлаков играет очень важную роль.

Новая технология извлечения цветных металлов из шла­ков называется "карбидотермическое обогащение" шлаков. Процесс идет в электропечах. Шлаковые расплавы, содержа­щие оксиды металлов, восстанавливаются смесью кокса и из­вести до металла. В качестве побочного продукта получают силикат кальция - прекрасное сырье для производства строительных материалов.

Наиболее прогрессивными процессами, применяемыми в ме­таллургии, являются автогенные процессы. Автогенный процесс - это процесс, протекающий без подвода внешнего тепла, источник тепла кроется в самой руде. Процесс идет с помощью экзотермических химических реакций. Автогенный процесс кардинально меняет технологию и многократно улучшает тех­нико-экономические показатели. Особенно эффективно его ис­пользование в цветной металлургии. Так, например, при выплавке свинца производительность труда по сравнению с традиционным методом увеличивается в два раза. На столько же снижается расход кокса, себестоимость свинца уменьшается на 20%. Кроме того, этот способ получения свинца позволяет полностью извлечь из руды серу, которая поступает в химическую промышленность для производства H2SO4. Такая техно­логия является практически безотходной. Автогенный про­цесс мало инерционен, что дает возможность мгновенно запускать и останавливать агрегат, который прост в обслуживании, герметичен, работает без шума. В результате приме­нения этой технологии происходит сокращение капитальных и эксплуатационных затрат на 30-35%.

Одной из разновидностей автогенных процессов является плавка в жидкой ванне (ПЖВ). Применение ПЖВ для выплавки меди позволяет без использования какого-либо топли­ва резко повысить производительность плавки, уменьшить размеры плавильных агрегатов. Кроме того, сокращается технологический цикл, так как ПЖВ позволяет отказаться от конвертерного производства и получать черновую медь уже на первом переделе, т.е. исключить из технологического процесса целый передел.

Суть технологического процесса ПЖВ состоит в следую­щем: шихту загружают прямо в расплавленный шлак. Идет эк­зотермическая реакция с выделением такого количества тепла, при котором расплав остается жидким, пока в него поступает шихта. Этим же способом можно получать цинк и никель.

Алюминий - легкий легкоплавкий металл с температурой плавления 659°С, плотностью 2,7 кг/м3. Чистый алюминий обладает высокой пластичностью, высокой тепло- и электро­проводностью и коррозионной стойкостью на воздухе. Алю­миний подразделяется на особо чистый А999 (99, 999% Аl), высокой чистоты А99, А995, А97, А95 и технически чистый А85, А8, А7, А6, А5 и т.д. Примеси значительно снижают электропроводность, теплопроводность и пластические свой­ства алюминия. Чистый алюминий применяют в электротех­нике в качестве заменителя дорогой меди.

В качестве конструкционных материалов в промышлен­ности широко применяют сплавы на основе алюминия. Спла­вы на основе алюминия подразделяют на две группы - деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, широко применяются в строительст­ве и мостостроении, для малонагруженных и ненагруженных элементов конструкций зданий, для несущих сварных кон­струкций (фермы, арки, балки и т.д.). Деформируемые алю­миниевые сплавы, упрочняемые термической обработкой, приобретают высокие механические свойства и хорошую со­противляемость коррозии после термической обработки - это авиали (АВ, АД31, АДЗЗ), дуралюмины (Д1, Д16, Ак6, Ак8), сплавы высокой прочности (В95, В96), жаропрочные сплавы (АК4, ВД17 и др.). Термическая обработка - закалка и старе­ние - эти сплавы применяется в авиации и судостроении.

Литейные алюминиевые сплавы находят в промышленнос­ти широкое применение. Это - сплавы на основе:

1) Al-Si; АЛ2, АЛ5, АЛ9 и др.;

Все эти сплавы обладают хорошими литейными и меха­ническими свойствами, хорошо обрабатываются резанием. Широко применяются в авиации, судостроении, строительст­ве и в быту.

В природе в чистом виде алюминий не встречается, но он широко распространен в виде окисла, называемого глинозе­мом Аl2Oз. Технология получения чистого алюминия из его руд включает две основные стадии: выделение из руд чистого глинозема и получение из глинозема металлического алюми­ния.

В настоящее время в промышленности применяется в ос­новном один технологический процесс получения алюминия из глинозема, основанный на электролизе расплава окиси алюми­ния. Глинозем Аl20з является тугоплавким соединением (tпл = 2050 °С), которое расплавить в чистом виде весьма сложно. В связи с этим выделение металлического алюминия осуществляют не из расплава чистого глинозема, а из расплава смеси, состоящей из 8-10% глинозема и 90-92% криолита Na2AlF6. Смесь тако­го состава плавится при температуре 935 °С.

Процесс электролиза осуществляют в ваннах - электро­лизерах, выложенных изнутри графитовыми плитами. Такая футеровка, кроме защитного действия, играет роль катода. В качестве анода используют графитовые или угольные пласти­ны, которые подвешивают внутри ванны. При прохождении через расплав постоянного тока глинозем разлагается на ионы, и у катода (на дне ванны) собирается расплавленный металлический алюминий, который периодически выпускают в специальные ковши.

В связи с тем, что производство меди и алюминия включает процесс электролиза, одним из основных технико-экономических показателей является удельный расход электроэнергии (кВт×ч.). Кроме того, технико-экономические показатели определяются на всех переделах. К ним отно­сятся такие, как: выход металла на 1 кВт×ч. затраченной энергии; продолжительность операции (ч), расход воздуха на 1 т металла и др.