Достижения отечественной науки в металлургии и металлообработке составляют надёжный задел для масштабной модернизации промышленности.
Обосновывая необходимость ускоренной индустриализации страны, Сталин сказал в 1931 году: "Мы отстали от передовых стран на 50-100 лет. Мы должны пробежать это расстояние в десять лет. Либо мы сделаем это, либо нас сомнут".
Индустриализация была ориентирована на создание мощной и самой современной металлургии. Ведь металл, особенно качественные стали - это основа любого производства.
Было бы неверно говорить, что передовая советская металлургия создавалась на пустом месте. Уральские заводы некогда поставляли чугун и сталь всей Европе. Сабли из златоустовской стали не уступали знаменитым булатным. Златоуст сравнивали с Золингеном. А на стыке 19-го и 20-го веков на базе высококачественной криворожской железной руды и лучшего в мире донецкого угля возникла современная южнорусская металлургия.
Было чем гордиться и российской металлургической науке и изобретательству. Говоря о научно-технических достижениях нашей страны, нужно вспомнить о Ползунове, который еще в 18-м веке первым в мире построил доменную воздуходувку, приводившуюся в движение силой пара. Нужно сказать об Аносове, создавшем металлургию легированных сталей, о Чернове, который основал науку металловедения и разработал теорию и технологию термической обработки металлов. Нужно назвать Соболевского, создавшего порошковую металлургию, в которой так преуспела потом Россия, братьев Горяиновых, разработавших и внедривших в производство передовую технологию мартеновской плавки на жидком чугуне. Перечень можно было бы расширить.
В считанные годы индустриализации самоотверженным трудом советского народа были воздвигнуты гигантские и самые современные по тому времени металлургические комбинаты - Магнитогорский, Кузнецкий, был построен Челябинский завод легированных сталей.
Легированным сталям придавали особое значение. Это сторицей оправдалось в годы второй мировой войны.
* Знаменитая "тридцатьчетверка" - советский средний танк Т-34, по общему признанию, лучший танк времен войны - обладал исключительной маневренностью. Маневренность же объяснялась тем, что "тридцатьчетверка" была гораздо меньше весом, чем немецкие боевые машины. Броня советского танка была тоньше, но в то же время много прочнее - за счет легированной стали.
* Легированная броня спасла жизнь тысячам и тысячам танкистов. Броня немецких танков от попадания снарядов раскалывалась - нехватка в стали легирующих металлов. В броне "тридцатьчетверки" снаряд оставлял только вмятину - сталь была "мягкой" именно благодаря легирующим металлам.
После войны металлургия СССР продолжала бурно развиваться. Уже с акцентом на качественную сторону. Один за другим вступали в строй заводы всевозможных специальных сталей и сплавов. Особенно титановых, обладающих исключительной прочностью. Металлургия Советской России вырвалась вперед и до сих пор не сдает своих позиций.
После войны СССР стал мировым лидером и в разработке передовых технологий в металлургии. Базой для проведения научных исследований и опытно-конструкторских разработок в отрасли был Новотульский металлургический завод.
* Факт. Из 13 крупнейших нововведений в металлургии послевоенного периода 8 принадлежали СССР.
* Факт. Ученые и инженеры на Новотульском заводе разработали и внедрили в производство технологию непрерывной разливки стали, которая революционизировала сталелитейную промышленность. Сегодня по этой технологии производят свыше 90% всей стали в мире.
* Факт. "Переворотом в литейном производстве" назвали в Японии изобретенные советскими социалистами так называемые самотвердеющие формовочные смеси. Принципиально новая технология на порядок повысила качество отливок, что резко подняло производительность труда. Кроме того, новшество свело к минимуму ручной труд, шум и запыленность в литейных цехах.
* Факт. Именно в СССР были впервые применены в доменных, конверторных, электрических печах методы поддува кислорода. Они тоже, по общему признанию специалистов, революционизировали металлургическое производство.
РОССИЙСКИЕ ПАТЕНТЫ И ЛИЦЕНЗИИ
В числе советских приоритетов Джон Кайзер, советник президента США Рейгана по проблемам науки и техники, называл "технологии обработки металлов и материалов".
В перечне крупнейших российских научно-технических достижений - термическая обработка металлов, в которой преуспел наш выдающийся металлург Чернов. Он вел свои научные исследования и опытно-конструкторские разработки в первой половине 19-го века. Дело Чернова продолжала плеяда его талантливых учеников. Российские "термисты" первенствовали в своей сфере.
Но основательных успехов в металлообработке Россия стала добиваться позднее - когда заработали ее современные машиностроительные заводы в Петербурге, Нижнем Новгороде, Брянске, других промышленных центрах. На этих заводах присущая русским мастеровым сметка сочеталась с современной европейской техникой и технологией.
В СССР парк металлообрабатывающего оборудования стал самым многочисленным в мире. Заводы Ивановского станкостроительного объединения выпускали высокоточные металлообрабатывающие станки с программным управлением, пользовавшиеся исключительным спросом на мировом рынке. Иностранные заказчики стояли за ними в очереди.
Россия - признанный лидер в производстве тяжелого металлообрабатывающего оборудования. В Японии, США, ФРГ, Франции, Англии, Италии и других странах, например, работают гигантские токарно-карусельные станки, изготовленные Коломенским заводом тяжелого машиностроения. Эти 20-метровые станки обрабатывают заготовки в сотни тонн с микронной точностью.
Особенно преуспела Россия в изготовлении тяжелых прессов. Пожалуй, в этой сфере у нее вообще нет серьезных конкурентов. Один конкретный пример. В 1977 году из СССР во Францию был поставлен гигантский гидравлический пресс усилием 65 тысяч тонн. Французские специалисты и инженеры отзываются о российском прессе самым лестным образом. Прошло уже почти полвека, а этот пресс остается самым мощным в Европе.
А недавно, в 1999 году, Россия поставила тяжелый пресс в США. Его усилие гораздо меньше - 15 тыс. тонн. Тем не менее, и он поразил американцев своей мощью. Они прозвали его "Большим медведем".
Область обработки металлов и других материалов чрезвычайно широка и многогранна. И чем дальше развиваются высокие технологии, в частности, в электронике, тем важнее становится для промышленности миниатюризация обработки.
Среди крупнейших научно-технических достижений России значится одно из великих открытий современности - .
совершили переворот в обработке металлов и материалов. Один только факт. Сверление лазером алмазов сокращает время обработки с 48 часов до... 2 минут, т.е. в 1500 раз!
Среди научно-технических достижений России - ряд открытий в физике и химии. Казалось бы, как могут быть связаны чисто теоретические работы в ядерной физике с практикой промышленности. Но жизнь еще и еще раз подтверждает парадоксальную мысль: нет ничего практичнее хорошей теории.
Приоритетные исследования наших ученых в области физики плазмы закономерно привели к разработке промышленных технологий плазменной обработки металлов и материалов. В этой области СССР и Россия тоже добились впечатляющих результатов.
Россия до сих пор лидирует в сфере плазменной обработки металлов. Чтобы закрепить лидерство, был создан специальный межотраслевой научно-технический комплекс, была разработана программа ускоренного внедрения плазменных технологий в промышленность. Главное же - построили мощный завод по производству плазменного оборудования.
Успехи не замедлили появиться. К примеру, на Электростальском заводе тяжелого машиностроения обработка всех крупных и особо ответственных деталей связана уже с давних пор с плазменной технологией. Экономический эффект оказался огромным. Качество обработки улучшилось на порядок. Экономится очень много электроэнергии, высокосортной стали, а главное - человеческого труда.
Давнее признание Джоном Кайзером, советником президента США, лидерства нашей страны в обработке металлов и материалов стократно подтверждалось потом другими иностранными отзывами. В частности, отзывами из США.
Американская компания "Малти Арк" в свое время приобрела право на выпуск советской вакуумно-плазменной установки "Булат" для упрочняющего покрытия инструментов. Руководители компании дали такую оценку установке: "Это не просто усовершенствование. Это технологическая революция. Это технология завтрашнего дня для сегодняшней промышленности".
Подобных примеров - множество. И сегодня потенциал российской экономики остается очень высоким. У России находится крупнейший "портфель идей", определяющих развитие высоких технологий и самой передовой техники, они станут востребованы тогда, когда в стране начнётся реальная модернизация промышленности.
Металлургия сегодня, как и 30 лет назад, делится условно по своему назначению на две группы: первая работает для массового производства, вторая - это спецметаллургия. Соответственно, и материалы делятся на те, к которым не предъявляется особых требований, кроме цены. И на те, для которых очень важны особые характеристики. Одна из главных задач спецматериалов - быть не конструкционными в традиционном понимании, так как их несущая способность не очень важна, а быть частью или основой для ресурсного изделия.
Функциональные характеристики стальных материалов во многом основаны на покрытиях, которые на них нанесены. Они придают материалам новые свойства - жаростойкость и трибологические качества.
Еще одна важная особенность современной металлургии заключается в том, что она должна служить основой для вторичной переработки, то есть необходимо учитывать весь жизненный цикл материалов. Сегодня в качестве сырья используются более сложные и дорогостоящие рудные базы, чем прежде. Поэтому необходимо вовлекать в переработку и иные источники ресурсов, которые прошли восстановление из нетрадиционного сырья, прежде всего вторичного. При этом требования к качеству получаемых из вторсырья материалов остаются очень высокими.
Одной из главных тенденций современной металлургии становится борьба за "чистоту" материала - удаление грубых загрязнений и вредных примесей, исключение появления трещин в процессе эксплуатации. Появившийся в конце 1970-х - начале 1980-х термин "чистая сталь" на какое-то время пропал, а теперь появляется вновь. Но если раньше мы говорили о размерах включения в 20-40 микронов, то сейчас это не более 2-3 микронов, а чаще и нулевой уровень загрязнения. В результате даже традиционные сплавы по своим служебным свойствам становятся новыми.
Классический современный металлический материал обладает двумя основными характеристиками. Во-первых, это конструкционный материал, который предсказуем как по своим свойствам, так и по стоимости, которой можно управлять. Экономические соображения, конечно, говорят о том, что металл своих позиций не сдает.
За последние несколько лет в технологиях обработки металлов произошли две незаметные революции. Одна из них была основана на появлении пятикоординатных станков и твердосплавного инструмента на основе карбида вольфрама. Вторая связана с появлением так называемых аддитивных технологий, основанных на совершенно новых для металлургии принципах. Пятикоординатные станки стали сегодня уже привычными. А вот аддитивные технологии проявят себя в ближайшие три-пять лет.
И это существенно меняет традиционную металлургию. Можно представить, что многие качественные изделия и качественные материалы могут поменять свою форму существования - в основном они будут производиться в виде порошка. И детали будут изготавливаться из них фактически прямым методом. Подтверждением серьезности таких тенденций является и опубликованная несколько дней назад информация о том, что General Electric собирается вложить 1,4 миллиарда долларов в объединение известных компаний, специализирующихся на 3D-печати: шведской Arcam AB и германской SLM Solutions Group AG. Заявленная цель объединения - начать производить изделия для двигателестроения и энергетики на основе 3D-технологий. Нет сомнений, что это сильно встряхнет рынок и даст дополнительный импульс развитию этих технологий.
Ученые разрабатывают материалы, которые могут работать в условиях экстремальных температур
Говоря о новых материалах, нельзя не упомянуть полимеры. Уже давно известно углеволокно: корпус самолета "Боинг 787" полностью сделан из этого материала. В таких изделиях, где требуются одновременно хорошие механические свойства и легкость, конечно, подобные материалы будут заменять металлы, особенно если они эксплуатируются в экстремальных условиях. Но сейчас взаимопроникновение в конструкционных материалах металла и полимера настолько сильное, что уже сложно сказать, что это на самом деле: по толщине это полимер, по свойствам - полимер на металле.
Сегодня индустрия работает по нескольким направлениям. Во-первых, это разработка материалов, которые могут работать в условиях экстремальных температур. Во-вторых, важная работа идет над продлением срока службы материалов, которые могут с гарантией простоять 100 лет. Это актуально, например, для ядерной энергетики. Также многие компании и научные коллективы разрабатывают биосовместимые материалы и особенно композиты, так как мы уже научились сочетать металлы с неметаллами и получать новые прочные материалы. Они требуются современной медицине для производства имплантируемых устройств, протезирования и т.п.
Кстати
Создан материал, не уступающий по прочности металлу, и при этом в 100 раз легче пенополистирола. Материал, известный как "микрорешетка", разработан учеными из HRL Laboratories (США), которая принадлежит Boeing и General Motors. Он на 99,9 процента состоит из воздуха и организован в виде сетки из крошечных полых трубок. Толщина их стенок составляет всего 100 нанометров - в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Видео, продемонстрированное разработчиками, показывает, что фрагмент микрорешетки лежит на опушенном одуванчике, не приминая его.
Микрорешетку сделали из хорошо известного металла никель-фосфора, но с необычной архитектурой и с использованием инновационного производственного процесса по принципу 3D-печати. Эта технология имеет большие перспективы в авиастроении, создании космических кораблей и в других сферах производства, где требуются сверхлегкие, но при этом очень прочные материалы. Свойства микрорешетки основаны на тех же принципах, которые позволили создать Эйфелеву башню - сооружение высотой в 324 метра, но при этом невероятно легкое. А Эйфель и его инженеры, как известно, применили в своем шедевре знания того, как устроены кости человека. Современные технологии позволили перевести те же принципы в очень мелкий масштаб.
На сегодняшний день металлопрокат является основной огромного количества производств. Арматура, швеллер, листовая сталь, уголок – все это абсолютно незаменимо в строительстве, автомобилестроении, производстве мебели и дверей. Если потратить немного времени и попытаться составить список направлений, где используют металлопрокат, то становится понятно, что список этот на самом деле бесконечный.
Соответственно, нет ничего удивительного, что металлообрабатывающая отрасль всячески старается внедрять достижения науки и техники в процесс обработки металла – чтобы убыстрить и улучшить производство. Это касается и резки металла. Например, если ваша компания занимается изготовлением металлоконструкций, то недостаточно просто купить арматуру , зачастую ее нужно правильно порезать. Самые часто встречаемые станки для такой резки – токарные и фрезерные. Однако в последнее время все более популярными становятся лазерные технологии.
Лазерные станки позволяют не только получить качественный рез, но и произвести деталь очень сложной формы. Это становится возможным потому, что управление процессом идет через компьютерную систему. Как результат – исключаются этапы «доведения» детали и финиширования, что в общей сложности удешевляет производство.
Еще одно преимущество лазерной резки – возможность работы с объемными или листовыми заготовками. Например, резка труб относится к объемным заготовкам. И что самое главное – деталей вы можете изготовить сколь угодно много, и все они будут идентичны и по внешнему виду, и по размеру.
Само собой, лазерные станки также отличаются своими параметрами, характеристики и мощностями. Это вполне оправдано, поскольку продажа металлопроката тоже носит различный по интенсивности и сортаменту характер. Если фирма торгует только листовой сталью, то нет смысла приобретать лазерный станок для объемной резки за повышенную цену. Гораздо эффективнее приобрети станок для лазерной листовой резки, с одной стороны, сэкономив деньги, с другой – существенно расширив спектр услуг для клиентов.
Сегодня лазерная технология дает возможность быстро получить нужное количество деталей при вполне адекватных затратах на их изготовление. А поскольку управление происходит на уровне компьютера, достаточно всего одного специалиста, контролирующего процесс.
Общие сведения. Черные и цветные металлы. Основные металлургические процессы.
Металлургия
Общие сведения о металлах и сплавах
Металлы - кристаллические вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим. Свойства металлов обусловлены наличием в их кристаллической решетке большого числа перемещающихся электронов. Металлы составляют около 75 % элементов периодической системы Д. И. Менделеева.
Обычно металлы используют не в чистом виде, а в виде сплавов.
Металлические сплавы - это вещества, образовавшиеся в результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов. К компонентам, образующим сплав, относятся химически индивидуальные вещества или их устойчивые соединения. Металлические сплавы состоят либо только из металлов (например, сплав меди и цинка - латунь), либо из металлов с небольшим содержанием неметаллов (сплавы железа с углеродом - чугун и сталь). Изменяя компоненты и соотношения между ними, получают сплавы с самыми разнообразными физическими, механическими или химическими свойствами. После затвердевания в составе сплавов могут образоваться твердые растворы, химические соединения или механические смеси.
Твердые растворы возникают в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла (растворителя) атомов другого металла или неметалла (растворимого компонента). По типу расположения атомов растворимого компонента в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения и внедрения.
Твердый раствор замещения возникает в результате замены части атомов в кристаллической решетке основного металла атомами растворяемого компонента. Примерами твердых растворов замещения служат сплавы меди с никелем, железа с никелем, хромом, кремнием, марганцем.
В твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента размещаются в свободных промежутках между атомами основного металла. Обычно твердый раствор внедрения возникает в системе, состоящей из металла и неметалла, например в сплаве железа с углеродом. При образовании твердых растворов металлов повышаются прочность, твердость и электрическое сопротивление, но понижается пластичность в сравнении с основным металлом. Твердые растворы составляют основу технических сплавов: конструкционных, нержавеющих и кислотоупорных сталей, латуней, бронз.
Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов. К химическим соединениям относится, например, карбид железа (цементит), входящий в состав сплавов железа с углеродом:
3Fe + С = Fe3C.
Цементит отличается высокой прочностью и твердостью, но весьма хрупок. Химические соединения металла с металлом называют интерметаллическими. Сюда входят, например, соединения алюминия с медью СиА12, магния с цинком MgZn2 и др. Интерметаллические соединения чаще всего не подчиняются правилу нормальной валентности. Присутствие химических соединений упрочняет сплавы, но одновременно снижает их пластичность.
Механические смеси возникают в результате срастания кристаллов компонентов, одновременно выпадающих из жидкого расплава при его охлаждении. В кристаллах, входящих в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Таким образом, каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов или химических соединений.
Все металлы и сплавы подразделяют на черные и цветные.
Чёрные и цветные металлы
Чугун содержит углерода от 2 до 4,3%, в специальных чугунах (ферросплавах) количество углерода может достигать 5% и более.
Чугун выплавляют в доменных печах из железных руд. Железные руды представляют собой природную смесь окислов железа и минеральной части, называемой пустой породой (кремнезема, глинозема). В процессе плавки руды железо восстанавливается из окислов, освобождается от вредных примесей и отделяется от пустой породы.
Чугуны, получаемые при доменной плавке, в зависимости от состава и назначения делятся на серые, белые и ковкие.
Серый, или литейный, чугун получают в результате медленного остывания жидкого чугуна при значительном содержании в руде углерода и кремния. Этот вид чугуна имеет от 1,7 до 4,2% углерода и до 4,25% кремния. Серый чугун хорошо заполняет формы и легко обрабатывается режущими инструментами. После переплавки чугуна в печи он пригоден для разливки в заранее приготовленные, формы.
В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде чешуек графита. Такое строение чугуна придает ему в местах излома серый цвет.
Белый, или передельный, чугун содержит до 4,5% углерода. В зависимости от способа.получения в чугун вводят следующие добавки; кремний, марганец, фосфор, серу. Этот вид чугуна получается при быстром остывании жидкого чугуна. Углерод находится в белом чугуне в связанном состоянии в виде цементита. В местах излома чугун имеет белый цвет. Белый чугун тверд и хрупок; его используют главным образом как сырье для производства стали.
Ковкий чугун содержит от 2 до 2,2% углерода. Его получают из белого чугуна. Отливки закладывают в стальные ящики с чистым песком и томят в печах, т. е. подвергают длительному нагреванию, а после этого медленно охлаждают.
Сталь (ГОСТ 5157—53) содержит углерода до 2%. Сталь обладает высокими механическими показателями и технологическими свойствами.
Сталь получают из чугуна различными способами. Независимо от способа сущность процесса сталеварения заключается в окислении нежелательных примесей, содержащихся в чугуне, и уменьшении содержания в нем углерода, кремния, марганца, фосфора, серы.
Бессемеровский конвертерный метод получения стали из чугуна осуществляется в конвертере.
В конвертере через толщину чугуна продувают сжатый атмосферный воздух при давлении до 2,5 кгс/см2, в результате чего углерод выжигается и чугун превращается в сталь. Выделяющееся при этом тепло повышает температуру металла до 1600° С. В последнее время на многих металлургических заводах через чугун в конвертерах продувают воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Это повышает качество выплавляемой стали.
Мартеновский процесс получения стали из чугуна заключается в следующем. Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа1 или руды плавят на поду мартеновской печи. Требуемая температура при этом создается за счет горения подогретой смеси газообразного топлива и воздуха.
Назначение мартеновского процесса состоит в том, чтобы удалить (выжечь) из расплавленного металла те элементы, которые не должны быть в готовой стали и которые попадают в расплавленный металл из шихты или из газовой среды, а также в том, чтобы снизить до требуемой нормы содержание тех элементов, которые являются" необходимой составной частью стали. В случае надобности процесс завершается введением в сталь легирующих элементов.
Мартеновская сталь по качеству выше конвертерной, однако конвертерный способ более производительный.
Электроплавильный способ получения стали является наиболее совершенным по сравнению с описанными выше методами. По сущности протекающих процессов электроплавильный способ не отличается от мартеновского. Но электроплавка позволяет получить высококачественные стали и упростить технологический процесс выплавки. Широкое применение этого способа пока еще ограничивается высокой стоимостью электроэнергии.
По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные; оба эти вида сталей применяются в строительстве. К углеродистым сталям относятся: машиностроительная (конструкционная) с содержанием марганца до 1,1% при содержании углерода до 0,75%, инструментальная с пониженным содержанием марганца (до 0,4%) при содержании углерода выше 0,6%. Легированные стали бывают низколегированные с содержанием легирующих элементов не более 2,5%, среднелегированные с общим содержанием легирующих элементов от 2,5 до 5,5%, высоколегированные с общим содержанием легирующих элементов более 5,5%.
В зависимости от назначения сталь имеет четыре класса: строительная — используется в виде проката без термической обработки для конструкций мостов, зданий, вагонов и т. д.; машиностроительная — применяется для изготовления деталей машин; инструментальная— для изготовления различного металлорежущего и другого инструмента; специального назначения— нержавеющая кислотоупорная, жаропрочная, окалиностойкая и др.
К черным металлам относят железо и сплавы на его основе - сталь и чугун. На долю черных металлов приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции. С целью придания черным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на стали и чугуны.
Сталь - ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Это один из основных конструкционных строительных материалов. Из стали изготовляют строительные конструкции, трубопроводы, арматуру для железобетона.
По способу получения тали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные.
Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит до 1 % марганца, до 0,4 % кремния, а также примеси серы и фосфора. Если количество примесей не превышает заданного верхнего предела, их называют нормальными.
Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2...4,3 %. В его состав входят также марганец, сера, кремнийд фосфор. Основная масса чугуна идет на производство стали. Кроме того, его используют как самостоятельный конструкционный материал В зависимости от формы связи углерода различают белый и серый чугун.
Белый чугун содержит углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C.
В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде графита.
Чёрная металлургия
Отрасль тяжёлой индустрии, включающая комплекс взаимосвязанных подотраслей: собственно металлургическое (доменное, сталеплавильное, прокатное), трубное и метизное производства, добычу, обогащение и окускование рудного сырья, коксохимическое производство, производство ферросплавов и огнеупоров, добычу нерудного сырья для чёрной металлургии и вторичную обработку чёрных металлов. Важнейшие виды продукции чёрной металлургии: горячекатаный и холоднокатаный прокат, стальные трубы и металлоизделия.
Чёрная металлургия — основа развития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукции химической промышленности, цветной металлургии, промышленности стройматериалов, чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве. Так, удельный вес чёрных металлов в общем объёме конструкционных материалов, потребляемых ведущими отраслями машиностроения СССР, превышал в 1976 96%. Отрасль потребляет примерно 20% топливно-энергетических ресурсов страны.
На протяжении тысячелетий развитие человеческого общества неразрывно связано с использованием железа как основного материала для изготовления орудий труда. В. И. Ленин называл железо одним из фундаментов цивилизации, одним из главных продуктов современной промышленности.
Производство железа на территории России известно с древнейших времён. Железные руды плавили вначале в сыродутных горнах, затем (примерно с 9 в.) в специальных наземных печах-домницах с дутьём ручными мехами. Заводское производство чугуна и железа началось в 1632—37, когда близ Тулы был построен первый завод с доменной печью, выплавлявшей до 120 пудов чугуна в сутки. В 1700 было выплавлено около 150 тыс. пудов чугуна. Увеличив за первую четверть 18 в. его выплавку в 5 раз, Россия заняла по производству чёрных металлов 1-е место в мире и до начала 19 в. удерживала его. Однако в последующие годы темп роста Ч. м. снизился, и к 1913 страна занимала лишь 5-е место в мире, а её доля в мировой выплавке чугуна и стали составляла 5,3%.
Технология промышленного получения стали
Железо — один из наиболее распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится около 5 %. Однако в чистом виде оно не встречается, так как легко соединяется с кислородом, образуя оксиды. Наиболее известные железные руды, из которых получают железо, — магнетит FeeCU (содержащий более 70 % железа), гематит Fe3C>3 (30—50%), лимонит FeO(OH) и др. Наряду с чистым железом в руде содержатся углерод, другие металлы, а также вредные примеси — сера, фосфор, азот и т. п.
Первичный продукт, получаемый из руды, — чугун (сплав железа с углеродом). Чугун производят в доменных печах путем плавления при Т=1600°С железной руды с добавлением кокса и известняка; В процессе сжигания кокса происходит восстановление железа, в то же время известняк предназначен для более легкого отделения неметаллических примесей вместе со шлаком. Расплавленный чугун как более тяжелая составная часть собирается на дне печи и затем выпускается наружу в специальные изложницы. Полученный серый чугун крупнозернистой структуры с 4 %-ным содержанием углерода применяется для литья, белый чугун мелкозернистой структуры — для производства стали.
Сталь — сплав железа с углеродом, процентное содержание которого благодаря особой обработке (легированию) уменьшено до количества, не превышающего 1,2 %. В современной металлургии для получения стали из чугуна используются три способа: мартеновский, бессемеровский и томасовский
. Основным сырьем, для получения стали служат белый чугун, металлолом и отходы (стальной скрап), а также добавки в виде кремния, марганца, хрома, никеля, меди и др. для получения сортов стали с заранее заданными свойствами.
Наиболее распространенный способ получения строительных сталей — мартеновский.
Этот способ заключается в том, что на расплавленный чугун, помещенный в специальную печь, обложенную огнеупорами, непрерывным потоком подается воздух с горячим газом, поддерживающим t =2000 °С. Под воздействием такой температуры из расплавленной массы в течение 4—12 ч (в зависимости от требуемого качества стали) сгорает углерод, процентное содержание которого строго контролируется.
Кислородно-конвертерный способ получения стали, получающий в последнее время все большее распространение в мировой практике, состоит в продувке через расплавленный чугун горячей смеси воздуха с кислородом под давлением. В результате в расплавленном чугуне сгорают углерод и вредные примеси. В зависимости от состава внутренней огнеупорной обкладки конвертера способ называется бессемеровским (кислая обкладка) либо томасовским (основная футеровка). Томасовский способ выплавки стали не гарантирует требуемые качества, поэтому данная сталь для строительных конструкций в стране не применяется.
Наиболее качественные многократно легированные стали получают в специальных электрических печах. Максимальная температура около 2200 °С достигается с помощью электродуги, возникающей между двумя угольными электродами. Достоинство способа в том, что на расплавленный металл не попадают вредные элементы из воздуха и газа, как это имеет место в первых двух способах. Сталь, полученная любым методом, отливается в специальные формы и отправляется в таком виде для дальнейшей обработки по производству проката, литья и других изделий.
Цветные металлы. К цветным (нежелезным) относят все металлы, кроме железа. Чаще всего в строительстве используют металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка и титана.
Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и др.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако, с точки зрения строителя, металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб народному хозяйству наносит коррозия металлов. И наконец, металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.
Металлургия (от греческого «металлон»— «рудник», «металл» и «эргон»—«работа») — в первоначальном, узком значении «искусство выплавлять металлы из руд». В современном значении — это область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие все процессы получения металлов и сплавов и придания им определенных форм и свойств.
Исторически сложилось разделение металлургии на цветную и черную. К черной металлургии относятся сплавы на основе железа — чугун, сталь, ферросплавы (на долю черных металлов приходится около 95% всей произведенной в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. Кроме того, металлургические процессы применяются и для получения неметаллов и полупроводников (кремний, германий, селен, теллур и др.). А в целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.
Стремительно развивается наука о металлах — металловедение, основы которой заложили русские ученые П. П. Аносов и Д. К. Чернов. Металловеды познают структуру металлов, находят пути для улучшения ях свойств, создают новые сплавы, позволяющие конструкторам разрабатывать принципиально новые машины — особо легкие, особо прочные и т. д.
Основу современной черной металлургии составляют заводы, каждый из которых по территории и количеству работающих равняется небольшому городу. Сложный путь проходит здесь металл. Сначала на горно-обогатительных комбинатах (ГОК) обогащают руду, затем на заводах черной металлургии ее обжигают, превращая в агломерат или окатыши. Из них в доменных печах выплавляют чугун. Затем чугун попадает в сталеплавильный цех, где его переплавляют в сталь в мартеновских печах, кислородных конверторах или электропечах (см. Электрометаллургия). Стальные слитки транспортируют в прокатные цехи, где из них делают металлические изделия: рельсы, балки, листы, трубы, проволоку (см. Прокатка, прокатный стан). Между цехами проложены рельсы, по которым ходят железнодорожные составы, развозя руду и жидкий чугун, стальные слитки и готовый прокат.
Такой же, а в ряде случаев и более сложный путь проходят металлы и на заводах цветной металлургии. Технологический процесс получения некоторых цветных металлов включает десятки операций.
А что же ждет металлургию в будущем? Неужели человечеству, чтобы удовлетворить свои потребности в металле, придется постоянно строить гигантские заводы? Ведь не следует забывать, что металлургия в основном имеет дело с огнем: чтобы расплавить руду или сталь, их нужно нагреть до высокой температуры. А пирометаллургия (так называется отрасль металлургии, которая использует нагрев металла: от греческого слова «пир»—«огонь») сжигает кислород воздуха, засоряет атмосферу отходами сгорания, тратит много пресной воды на охлаждение агрегатов. Короче говоря, наносит вред природе. Поэтому ученые разработали новые пути развития металлургии. Это, прежде всего, прямое восстановление железа из руды, минуя доменный процесс. Установки прямого восстановления, которые полностью автоматизированы и надежно герметизированы, будут выплавлять из руды металлические слитки или чистый железный порошок. А потом слитки или порошок, упакованный в контейнеры, доставят на машиностроительные заводы, где из них изготовят изделия либо обычным методом, либо методом порошковой металлургии. Эти заводы вовсе не обязательно делать такими огромными, как существующие. Наоборот, они будут маленькими и, как предполагают ученые, иногда мобильными, т. е. подвижными. На баржах или с помощью вертолетов их будут доставлять к небольшим месторождениям руды, разработка которых сейчас считается невыгодной. Мини-заводы, полностью автоматизированные, сделают разработку этих месторождений экономически целесообразной.
Быстрыми темпами развивается электрометаллургия, все более широкое применение находит электричество на всех последующих стадиях обработки металлов. На очереди — создание полностью автоматизированного металлургического производства, управляемого ЭВМ,— металлургические цехи-автоматы.
Коррозия металлов
Процессы разрушения материалов, вызванные действием на них различных химических веществ, называются коррозией. Химические вещества, разрушающие строительные материалы, называются агрессивными. Агрессивной средой может служить атмосферный воздух, вода, различные растворы химических веществ, газы.
Атмосферная коррозия происходит в обычных атмосферных условиях при взаимодействии кислорода воздуха, влаги и металла. Этой коррозии подвергаются изделия, имеющие большую поверхность, например кровли, металлические фермы, стропила, мосты.
Подводной коррозии подвергаются различные сооружения, находящиеся в воде, причем процесс усиливается при наличии в воде даже незначительного количества кислот или солей.
Почвенная коррозия возникает при воздействии почвы на металл водопроводных и канализационных сетей. Коррозия усиливается при наличии в почвенной воде солей и колебаниях уровня грунтовых вод.
В зависимости от природы агрессивной среды коррозия металла может происходить химическим и электрохимическим путем.
Химический коррозионный процесс возникает при действии на металлы сухих газов при высоких температурах или жидких неэлектролитов (жидкостей, не проводящих электрический ток). К химической коррозии относится также разрушение металла кислородом сухого воздуха и другими газами (углекислым, сернистым) .
Электрохимический коррозионный процесс вызывается действием на металл электролитов — жидкостей, nposoдящих электрический ток. При электрохимической коррозии разрушение металла связано с возникновением и протеканием электрического тока с одних участков металла на другие. При действии на металл растворов кислот и щелочей металл отдает свои ионы электролиту, а сам постепенно разрушается. Электрохимический коррозионный процесс может возникать также при контакте двух разнородных металлов. Например, при контакте железа с хромом будет разрушаться хром, железа с медью — железо.
В некоторых случаях коррозионный процесс вызывают блуждающие токи, растекающиеся в грунте от рельсов электрифицированных железных дорог и проходящие через толщу земли, а также по различным металлическим устройствам, уложенным в земле (электрокабелям, трубам водопровода). Блуждающие токи, попав на металлические трубопроводы и другие подземные устройства, находящиеся во влажной и подсоленной почве, создают условия для электролиза. Ионы (электрически заряженные частицы металла), переходят в почвенный раствор (электролит); в результате потерь элементарных частичек металла на подземных кабелях, водопроводных и канализационных трубах возникают коррозионные язвы.
Коррозионный процесс может быть местным, когда разрушение металла происходит на некоторых участках, равномерным, когда металл одинаково разрушается по всей поверхности, и межкристаллитным, когда разрушение происходит по границам зерен металла. Чистая незащищенная поверхность металла в большинстве случаев подвергается коррозионным процессам различных видов. Образующаяся при этом на поверхности некоторых металлов окис-ная пленка может приостановить развитие коррозионного процесса. Такие защитные пленки появляются,на поверхности меди, бронзы, алюминия. Сталь принадлежит к металлам, которые плохо сопротивляются коррозионному процессу; разрушения поверхности стальных изделий, вызванные коррозионным процессом, быстро распространяются и на внутренние слои металла,
Потери от коррозионных процессов приносят народному хозяйству большой материальный ущерб. Бороться с этим явлением можно различными средствами.
Где возможно, металлы заменяют другими материалами, которые менее восприимчивы к коррозии. Е-сли металлические конструкции, заменить нельзя, их покрывают лаками, эмалями. Образующаяся при этом пленка предохраняет металл от действия внешней среды. Для защиты от коррозии металлические конструкции покрывают красками, оцинковывают, лудят, хромируют. Кроме того, для изготовления конструкций используют металлы, наибрлее стойкие в данной агрессивной среде. Например, низколегированные стали используют в условиях низкой влажности и воздействия щелочей, высоколегированные - в условиях повышенной влажности и высокоагрессивных газов.. Легирование -никелем резко повышает стойкость стали против атмосферной и,подводной коррозии.
Металлические строительные конструкции защищают, от коррозионных процессов способом газопламенного напыления на их поверхность порошкообразных пластичных полимеров, в том числе полиэтилена, полипропилена, капрона, а также специальными.составами из этих материалов с добавкой или без добавки порошкообразных наполнителей и красителей.
История человечества насчитывает не одну тысячу лет. На протяжении всего периода существования нашей расы отмечается стабильный технический прогресс, немаловажную роль в котором сыграло умение человека обращаться с металлом, создавать и добывать его. Поэтому вполне логично, что металлургия - это то, без чего невозможно представить наш быт, нормальное выполнение рабочих обязанностей и многое другое.
Определение
Прежде всего стоит разобраться с тем, как по-научному, с технической точки зрения, называют современную сферу производства.
Итак, металлургия - это раздел науки, техники, который охватывает процесс получения различных металлов из руды или иных материалов, а также все процессы, имеющие связь с трансформацией химического состава, свойств и структуры сплавов.
Структура
На сегодняшний день металлургия - это мощнейшая отрасль промышленности. Кроме того, она - обширное понятие, которое включает в себя:
- Непосредственное производство металлов.
- Обработку металлических изделий как в горячем, так и холодном виде.
- Сварку.
- Нанесение различных металлических покрытий.
- Раздел науки - материаловедение. Данное направление в теоретическом изучении физико-химических процессов ориентируется на познание поведения металлов, сплавов и интерметаллидов.
Разновидности
Во всем мире существует две основные отрасли металлургии - черная и цветная. Такая градация сложилась исторически.
Черная металлургия заключается в обработке железа и всех сплавов, в котором оно присутствует. Также эта отрасль подразумевает извлечение из недр земли и последующее обогащение руд , сталелитейное и чугунолитейное производство, прокат заготовок, производство ферросплавов.
К цветной металлургии причисляют работу с рудой любого металла, кроме железа. Кстати, условно делят на две большие группы:
Тяжелые (никель, олово, свинец, медь).
Легкие (титан, магний, алюминий).
Научные решения
Несомненно, что металлургия - это деятельность, требующая внедрения инновационных технологий. В связи с этим многие страны нашей планеты активно ведут исследовательские работы, целью которых является изучение и применение на практике самых разнообразных микроорганизмов, которые помогли бы решить, например, такой злободневный вопрос, как очистка сточных вод, являющихся обязательной составляющей металлургического производства. Помимо этого, уже стали реальностью такие процессы, как биологическое окисление, осаждение, сорбция и прочие.
Разделение по технологическому процессу
Заводы металлургии можно условно причислить к двум основным группам:
Пирометаллургии, где процессы протекают при очень высоких температурах (плавка, обжиг);
Гидрометаллургии, которая заключается в извлечении металлов из руд при помощи воды и прочих водных растворов с использованием химических реактивов.
Принцип выбора места постройки металлургического завода
Для того чтобы понять, на основе каких выводов принимается решение о возведении предприятия в том или ином месте, стоит рассмотреть основные факторы размещения металлургии.
В частности, если вопрос касается дислокации завода цветной металлургии, то здесь на первый план выходят такие критерии, как:
- Наличие энергоресурсов. Производство, связанное с обработкой легких цветных металлов, требует колоссального количества электрической энергии. Поэтому подобные предприятия возводят максимально близко к гидроэлектростанциям.
- Требуемое количество сырья. Разумеется, что чем ближе находятся залежи руды, тем, соответственно, лучше.
- Экологический фактор. К сожалению, страны постсоветского пространства не могут быть отнесены в категорию, где предприятия металлургии являются экологически безопасными.
Таким образом, размещение металлургии - сложнейший вопрос, решению которого следует уделять самое пристальное внимание с учетом всевозможных требований и нюансов.
Для формирования максимально подробной картины в описании обработки металлов важно указать на ключевые участки данного производства.
Предприятия черной металлургииимеют в своем составе несколько так называемых переделов. Среди них: аглодоменный, сталеплавильный, прокатный. Рассмотрим каждый из них детальнее.
Доменное производство
Именно на этом этапе осуществляют освобождение железа непосредственно из руды. Происходит это в доменной печи и при температуре свыше 1000 градусов Цельсия. Таким образом происходит выплавка чугуна. Свойства его будут напрямую зависеть от протекания процесса плавки. Регулируя плавление руды, можно в конечном счете получить один из двух передельный (используют в дальнейшем для производства стали) и литейный (из него отливают чугунные заготовки).
Производство стали
Соединяя железо с углеродом и, при необходимости, с различными легирующими элементами, в итоге получают сталь. Методов ее выплавки достаточно количество. Особо отметим кислородно-конверторный и электроплавильный, которые являются самыми современными и высокопродуктивными.
Конверторная плавка характеризуется своей скоротечностью и получением в итоге стали с требуемым химическим составом. Основу процесса составляет продувка кислородом через фурму, в результате чего чугун окисляется и трансформируется в сталь.
Электросталеплавильный способ - самый эффективный. Именно благодаря использованию дуговых печей можно выплавить самые качественные легированные марки стали. В подобных агрегатах нагрев загруженного в них металла происходит очень быстро, при этом есть возможность добавлять необходимое количество легирующих элементов. Кроме того, получаемая таким методом сталь имеет низкое содержание неметаллических включений, серы и фосфора.
Легирование
Этот процесс заключается в изменении состава стали посредством внедрения в нее рассчитанных концентраций вспомогательных элементов для последующего придания ей определенных свойств. В числе наиболее часто применяемых легирующих компонентов значатся: марганец, титан, кобальт, вольфрам, алюминий.
Прокат
Многие заводы металлургииимеют в своем составе прокатную группу цехов. В них производят как полуфабрикаты, так и уже полностью готовую продукцию. Сущность процесса заключается в пропуске металла в зазоре между вращающимися в противоположных направлениях стана. Причем ключевым моментом является то, что расстояние между валками должно быть меньше, чем толщина пропускаемой заготовки. За счет этого металл втягивается в просвет, перемещается и в итоге деформируется до заданных параметров.
После каждого пропуска зазор между валками делают меньше. Важный момент - зачастую металл недостаточно пластичен в холодном состоянии. И потому для обработки его заранее подогревают до требуемой температуры.
Потребление вторичного сырья
В современных условиях рынок потребления вторсырья как черных, так и цветных металлов неуклонно развивается. Во многом это обусловлено тем, что ресурсы руды, к огромному сожалению, не являются возобновляемыми. Каждый год их добычи существенно снижает запасы. Учитывая тот факт, что потребности в металлопродукции в машиностроении, строительстве, авиастроении, судостроении и прочих отраслях народного хозяйства неуклонно растут, вполне разумным выглядит решение развивать переработку уже отработавших свой ресурс деталей и изделий.
Можно с уверенностью утверждать, что развитие металлургии в некоторой степени объясняется и позитивной динамикой сегмента отрасли - использованием вторичного сырья. При этом переработкой металлолома занимаются и крупные, и мелкие компании.
Мировые тенденции развития металлургии
В последние годы наблюдается чёткое повышение объемов выпуска металлопроката, стали и чугуна. Во многом это объясняется настоящей экспансией Китая, который стал одним из ведущих планетарных игроков на рынке металлургического производства.
При этом различные факторы металлургии позволили Поднебесной отвоевать себе практически 60% всего мирового рынка. Остальную десятку основных производителей составили: Япония (8%), Индия и Соединенные Штаты Америки (6%), Россия и Южная Корея (5%), Германия (3%), Турция, Тайвань, Бразилия (2%).
Если же рассматривать отдельно 2015 год, то наблюдается тенденция снижения активности производителей металлопродукции. Причем самый большой спад отмечен в Украине, где был зафиксирован результат, который на 29,8% ниже прошлогоднего.
Новые технологии в металлургии
Как и любая другая промышленность, металлургия просто немыслима без разработки и внедрения на практике инновационных разработок.
Так, сотрудники Нижегородского государственного университета разработали и начали внедрять в практику новые наноструктурированные износостойкие твердые сплавы, в основе которых лежит карбид вольфрама. Основное направление применения новшества - производство современного металлообрабатывающего инструмента.
Кроме того, в России был модернизирован колосниковый барабан со специальной шаровой насадкой с целью создания новой технологии переработки жидкого шлака. Это мероприятие было выполнено на основе государственного заказа Министерства образования и науки. Такой шаг полностью себя оправдал, поскольку его результаты в итоге превзошли все ожидания.
Крупнейшие предприятия металлургии в мире
- Arcelor Mittal - компания с главным офисом в Люксембурге. Ее доля составляет 10% всего мирового производства стали. В России компании принадлежат шахты Березовская, Первомайская, Анжерская, а также "Северсталь-групп".
- Hebei Iron & Steel - гигант из Китая. Он полностью принадлежит государству. Помимо производства, компания занимается добычей сырья, его транспортировкой и проведением научно-исследовательских работ. На заводах компании используются исключительно новые разработки, и самые современые технологические линии что позволило китайцам научиться производить ультратонкие стальные плиты и сверхтонкий холоднокатанный лист.
- Nippon Steel - представитель Японии. Менеджмент компании, которая начала свою работу еще в 1957 году, стремится к объединению с другим предприятием, именуемым Sumitomo Metal Industries. По мнению экспертов, такое слияние позволит достаточно быстро выйти японцам на первое место в мире, обогнав всех своих конкурентов.
