Как делают сплавы металлов

Обновлено: 13.06.2024

МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ, получение металлических изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в литейную форму. Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой материал, затвердевая при охлаждении, приобретает конфигурацию и размеры нужного изделия.

МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ

Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью – способностью заполнять литейную форму любой конфигурации. Литейные свойства зависят главным образом от химического состава и структуры металла. Важное значение имеет температура плавления. Металлы с низкой температурой плавления легко поддаются промышленному литью. Из обычных металлов наивысшая температура плавления у стали. Металлы делятся на черные и цветные. Черные металлы – это сталь, ковкий чугун и литейный чугун. К цветным относятся все другие металлы, не содержащие в значительных количествах железа. Для литья применяются, в частности, сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка.
См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ; СПЛАВЫ.

Черные металлы.

Стали.

Различают пять классов сталей для промышленного литья: 1) малоуглеродистые (с содержанием углерода менее 0,2%); 2) среднеуглеродистые (0,2–0,5% углерода); 3) высокоуглеродистые (более 0,5% углерода); 4) низколегированные (менее 8% легирующих элементов) и 5) высоколегированные (более 8% легирующих элементов). На среднеуглеродистые стали приходится основная масса отливок из черных металлов; такие отливки представляют собой, как правило, промышленную продукцию стандартизованной сортности. Различные виды легированных сталей разработаны для достижения высокой прочности, пластичности, ударной вязкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и усталостной прочности. Литые стали по своим свойствам близки к кованой стали. Предел прочности такой стали при растяжении составляет от 400 до 1500 МПа. Масса отливок может изменяться в широком диапазоне – от 100 г до 200 т и более, толщина в сечении – от 5 мм до 1,5 м. Длина отливки может превышать 30 м. Сталь – универсальный материал для литья. Благодаря своей высокой прочности и пластичности она представляет собой превосходный материал для машиностроения.

Ковкий чугун.

Существуют два основных класса ковкого чугуна: обычного качества и перлитный. Делают отливки также из некоторых легированных ковких чугунов. Предел прочности при растяжении ковкого чугуна составляет 250–550 МПа. Благодаря своей усталостной прочности, высокой жесткости и хорошей обрабатываемости он идеален для станкостроения и многих других массовых производств. Масса отливок составляет от 100 г до нескольких сот килограммов, толщина в сечении обычно не более 5 см.

Литейный чугун.

К литейным чугунам относят широкий диапазон сплавов железа с углеродом и кремнием, содержащих 2–4% углерода. Для литья применяются четыре основных вида литейного чугуна: серый, белый, отбеленный и половинчатый. Предел прочности при растяжении литейного чугуна составляет 140–420 МПа, а некоторых легированных литейных чугунов – до 550 МПа. Для литейного чугуна характерны низкая пластичность и низкая ударная прочность; у конструкторов он считается хрупким материалом. Масса отливок – от 100 г до нескольких тонн. Отливки из литейного чугуна применяются практически во всех отраслях промышленности. Их себестоимость невелика, и они легко обрабатываются резанием.

Чугун с шаровидным графитом.

Шаровидные включения графита придают чугуну пластичность и другие свойства, выгодно отличающие его от серого чугуна. Шаровидность включений графита достигается путем обработки чугуна магнием или церием непосредственно перед литьем. Предел прочности при растяжении чугуна с шаровидным графитом составляет 400–850 МПа, пластичность – от 20 до 1%. Правда, для чугуна с шаровидным графитом характерна низкая ударная прочность образца с надрезом. Отливки могут иметь как большую, так и малую толщину в сечении, масса – от 0,5 кг до нескольких тонн.

Цветные металлы.

Медь, латунь и бронза.

Существует много различных сплавов на основе меди, пригодных для литья. Медь применяется в тех случаях, когда необходима высокая тепло- и электропроводность. Латунь (сплав меди с цинком) используется, когда желателен недорогостоящий, умеренно коррозионностойкий материал для изготовления разнообразных изделий общего назначения. Предел прочности при растяжении литой латуни составляет 180–300 МПа. Бронза (сплав меди с оловом, к которому могут добавляться цинк и никель) применяется в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. Предел прочности при растяжении литых бронз составляет 250–850 МПа.

Никель.

Медно-никелевые сплавы (типа монель-металла) обладают высокой коррозионной стойкостью. Для сплавов никеля с хромом (типа инконеля и нихрома) характерно высокое тепловое сопротивление. Молибдено-никелевые сплавы отличаются высокой стойкостью к соляной кислоте и окисляющим кислотам при повышенных температурах.

Алюминий.

Литые изделия из алюминиевых сплавов в последнее время применяются все шире благодаря их легкости и прочности. Такие сплавы обладают довольно высокой коррозионной стойкостью, хорошей тепло- и электропроводностью. Прочность на растяжение литых алюминиевых сплавов находится в пределах от 150 до 350 МПа.

Магний.

Магниевые сплавы применяются там, где на первом месте стоит требование легкости. Предел прочности при растяжении литых магниевых сплавов составляет 170–260 МПа.

Титан.

Титан – прочный и легкий материал – плавится в вакууме и отливается в графитовые формы. Дело том, что в процессе охлаждения поверхность титана может загрязняться вследствие реакции с материалом формы. Поэтому титан, отлитый в какие-либо другие формы, кроме форм из механически обработанного и прессованного порошкового графита, оказывается сильно загрязненным с поверхности, что проявляется в повышенной твердости и низкой пластичности при изгибе. Титановое литье применяется главным образом в авиакосмической промышленности. Прочность на растяжение литого титана – свыше 1000 МПа при относительном удлинении 5%.

Редкие и драгоценные металлы.

Отливки из золота, серебра, платины и редких металлов применяются в ювелирном деле, зубоврачебной технике (коронки, пломбы), литьем изготавливаются также некоторые детали электронных компонентов.

СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

Основные способы литья таковы: статическая заливка, литье под давлением, центробежное литье и вакуумная заливка.

Статическая заливка.

Чаще всего применяется статическая заливка, т.е. заливка в неподвижную форму. При таком способе расплавленный металл (или неметалл – пластмасса, стекло, керамическая суспензия) просто заливается в полость неподвижной формы до ее заполнения и выдерживается до затвердевания.

Литье под давлением.

Литейная машина заполняет металлическую (стальную) литейную форму (которая обычно называется пресс-формой и может быть многогнездной) расплавленным металлом под давлением от 7 до 700 МПа. Преимущества такого метода – высокая производительность, высокое качество поверхности, точные размеры литого изделия и минимальная потребность в его механической обработке. Типичные металлы для литья под давлением – сплавы на основе цинка, алюминия, меди и олова-свинца. Благодаря низкой температуре плавления такие сплавы весьма технологичны и позволяют обеспечить малые допуски на размеры и превосходные характеристики отливок.

Сложность конфигурации отливок в случае литья под давлением ограничивается тем, что при отделении от пресс-формы отливка может быть повреждена. Кроме того, несколько ограничена толщина изделий; более предпочтительны изделия тонкого сечения, в котором расплав быстро и равномерно затвердевает.

Литейные машины для литья под давлением бывают двух типов – с холодной и горячей камерой прессования. Машины с горячей камерой прессования применяются в основном для сплавов на основе цинка. Горячая камера прессования погружена в расплавленный металл; под небольшим давлением сжатого воздуха или под действием поршня жидкий металл вытесняется из горячей камеры прессования в пресс-форму. В литейных машинах с холодной камерой прессования расплавленный алюминиевый, магниевый или медный сплав заполняет пресс-форму под давлением от 35 до 700 МПа.

Отливки, полученные литьем под давлением, применяются во многих бытовых приборах (пылесосах, стиральных машинах, телефонных аппаратах, светильниках, пишущих машинках) и очень широко – в автомобильной промышленности и в производстве компьютеров. Отливки могут быть массой от нескольких десятков граммов до 50 кг и более.

Центробежное литье.

При центробежном литье расплавленный металл заливается в песочную или металлическую литейную форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Под действием центробежных сил металл отбрасывается от центрального литника к периферии формы, заполняя ее полости, и затвердевает, образуя отливку. Центробежное литье экономично и для некоторых видов изделий (осесимметричных типа труб, колец, обечаек и т.д.) более подходит, нежели статическая заливка.

Вакуумная заливка.

Такие металлы, как титан, легированные стали и жаропрочные сплавы, плавятся в вакууме и заливаются в многократные формы, например графитовые, помещенные в вакуум. При этом методе значительно снижается содержание газов в металле. Слитки и отливки, получаемые вакуумной заливкой, весят не более нескольких сот килограммов. В редких случаях большие количества стали (100 т и более), выплавленной по обычной технологии, разливают в вакуумной камере в установленные в ней изложницы или литейные ковши для дальнейшего литья на воздухе. Металлургические вакуумные камеры больших размеров откачиваются многонасосными системами. Получаемая таким методом сталь используется для изготовления специальных изделий ковкой или литьем; этот процесс называется вакуумной дегазацией.

ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ

Литейные формы делятся на многократные и разовые (песочные). Многократные формы бывают металлические (изложницы и кокили), либо графитовые или керамические огнеупорные.

Многократные формы.

Металлические формы (изложницы и кокили) для стали делают обычно из чугуна, иногда – из жаростойкой стали. Для литья цветных металлов, таких, как латунь, цинк и алюминий, пользуются чугунными, медными и латунными формами.

Изложницы.

Это наиболее распространенный вид многократных литейных форм. Чаще всего изложницы делают из чугуна и применяют для получения стальных слитков на начальном этапе производства кованой или катаной стали. Изложницы относятся к открытым литейным формам, поскольку металл заполняет их сверху самотеком. Применяются также «сквозные» изложницы, открытые и сверху, и снизу. Высота изложниц может составлять 1–4,5 м, диаметр – от 0,3 до 3 м. Толщина стенки отливки зависит от размеров изложницы. Конфигурация может быть разной – от круглой до прямоугольной. Полость изложницы несколько расширяется кверху, что необходимо для извлечения слитка.

Готовая к заливке изложница располагается на толстой чугунной плите. Как правило, изложницы заполняются сверху. Стенки полости изложницы должны быть гладкими и чистыми; при заливке нужно следить за тем, чтобы металл не расплескивался и не разбрызгивался на стенки. Залитый металл затвердевает в изложнице, после чего слиток вынимают («раздевают слиток»). После остывания изложницы ее чистят изнутри, опрыскивают формовочной краской и используют снова. Одна изложница позволяет получить 70–100 слитков. Для дальнейшей обработки ковкой или прокаткой слиток нагревают до высокой температуры.

Кокили.

Это закрытые металлические литейные формы с внутренней полостью, соответствующей конфигурации изделия, и литниковой (заливочной) системой, которые выполняются путем механической обработки в чугунном, бронзовом, алюминиевом или стальном блоке. Кокиль состоит из двух или большего числа деталей, после соединения которых остается лишь небольшое отверстие сверху для заливки расплавленного металла. Для формования внутренних полостей в кокиль закладываются гипсовые, песочные, стеклянные, металлические или керамические «стержни». Литьем в кокиль получают отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка, магния, олова и свинца.

Литье в кокиль применяется лишь в тех случаях, когда требуется получить не менее 1000 отливок. Ресурс кокиля достигает нескольких сотен тысяч отливок. Кокиль идет в скрап, когда (из-за постепенного выгорания от расплавленного металла) начинает недопустимо снижаться качество поверхности отливок и перестают выдерживаться расчетные допуски на их размеры.

Графитовые и огнеупорные формы.

Такие формы состоят из двух или большего числа деталей, при соединении которых образуется требуемая полость. Форма может иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную поверхность разъема либо разбираться на отдельные блоки; это облегчает извлечение отливки. После извлечения форму можно собрать и использовать снова. Графитовые формы допускают сотни отливок, керамические – лишь несколько.

Графитовые многократные формы можно изготовить путем механической обработки графита, а керамические легко формуются, так что они значительно дешевле металлических форм. Графитовые и огнеупорные формы могут использоваться для повторного литья в случае неудовлетворительных отливок, полученных литьем в кокиль.

Огнеупорные формы делают из фарфоровой глины (каолина) и других высокоогнеупорных материалов. При этом используются модели из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразный или гранулированный огнеупор замешивают с глиной на воде, полученную смесь формуют и заготовку литейной формы обжигают так же, как кирпичи или посуду.

Разовые формы.

На песочные литейные формы налагается гораздо меньше всяческих ограничений, нежели на любые другие. Они пригодны для получения отливок любых размеров, любой конфигурации, из любого сплава; они наименее требовательны к конструкции изделия. Песочные формы изготавливают из пластичного огнеупорного материала (обычно кремнистого песка), придавая ему нужную конфигурацию, чтобы залитый металл по затвердевании сохранил эту конфигурацию и мог быть отделен от формы.

Формовочную смесь получают, замешивая на воде в специальной машине песок с глиной и органическими связующими.

При изготовлении песчаной формы в ней предусматривают верхнее литниковое отверстие с «чашей» для заливки металла и внутреннюю литниковую систему каналов для питания отливки расплавленным металлом в процессе затвердевания, так как иначе из-за усадки при затвердевании (свойственной большинству металлов) в отливке могут образовываться пустоты (усадочные раковины).

Оболочковые формы.

Такие формы бывают двух типов: из материала с низкой температурой плавления (гипс) и из материала с высокой температурой плавления (на основе тонкого порошка диоксида кремния). Гипсовую оболочковую форму изготавливают, замешивая на воде гипсовый материал с крепителем (быстроотверждающимся полимером) до тонкой консистенции и облицовывая такой смесью модель отливки. После того как материал формы затвердеет, ее разрезают, обрабатывают и сушат, а затем «спаривают» две полуформы и заливают. Такой способ литья пригоден только для цветных металлов.

Литье по восковым выплавляемым моделям.

Такой метод литья применяется для драгоценных металлов, стали и других сплавов с высокой температурой плавления. Сначала изготавливают пресс-форму, соответствующую отливаемой детали. Ее обычно выполняют из легкоплавкого металла или (механической обработкой) из латуни. Затем, заполняя пресс-форму парафином, пластмассой или ртутью (после этого замораживаемой), получают модель для одной отливки. Модель облицовывают огнеупорным материалом. Материал оболочковой формы получают из тонкого порошка огнеупора (например, пудры диоксида кремния) и жидкого связующего. Слой огнеупорной облицовки уплотняют вибрацией. После того как он затвердеет, форму нагревают, парафиновая или пластмассовая модель расплавляется и жидкость вытекает из формы. Затем форму обжигают для удаления газов и в нагретом состоянии заливают жидким металлом, который поступает самотеком, под давлением сжатого воздуха или под действием центробежных сил (в машине для центробежного литья).

Керамические формы.

Керамические формы изготавливаются из фарфоровой глины, силлиманита, муллита (алюмосиликаты) или других высокоогнеупорных материалов. При изготовлении таких форм обычно пользуются моделями из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразные или гранулированные огнеупорные материалы смешивают с жидким связующим (этилсиликатом) до студнеподобной консистенции. Только что изготовленная форма пластична, так что модель можно извлечь из нее, не повредив полость формы. Затем форму обжигают при высокой температуре и заливают расплавом нужного металла – стали, твердого хрупкого сплава, сплава на основе редких металлов и пр. Такой метод позволяет изготавливать формы любых типов и пригоден как для мелкосерийного, так и для крупносерийного производства.
См. также КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ.

Юдкин В.С. Производство и литье сплавов цветных металлов. М., 1967–1971
Бауман Б.В. и др. Литейное производство. М., 1971
Степанов Ю.А. и др. Технология литейного производства. М., 1983

Выплавка стали: технология, способы, сырье

Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.

Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.

Что такое сталь?

Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.

В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн - это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.

Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.

В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.

Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное

Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.

Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.

Вода - важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.

Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.

Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.

Чугун для стали

Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун - это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.

Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.

Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.

Железная руда для стали

Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.

В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.

Технология выплавки

Плавление - процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Кислородно-конвекторный способ

Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.

Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.

Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:

Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.

Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO₂, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.

Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки

Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 - 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.

Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.

Мартеновский способ

Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.

Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.

Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.

Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.

Достоинства и недостатки данного способа

К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.

К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.

Электросталеплавильный способ

Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.

Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).

Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.

Печь в основном разделена на три секции:

Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).

Достоинства и недостатки способа

Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.

Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.

Получение металлов и их применение

Несмотря на то что все чаще в промышленности и быту используются искусственно созданные материалы, отказаться от применения металлов пока не представляется возможным. Они обладают уникальным сочетанием свойств, а сплавы позволяют максимально использовать их потенциал. В каких областях происходит получение и применение металлов?

Характеристика группы элементов

Под металлами понимают совокупность неорганических химических веществ, обладающих характерными свойствами. Как правило, они включают следующее:

высокая теплопроводность;
пластичность, относительная легкость механической обработки;
сравнительно высокая температура плавления;
хорошая электропроводность;
характерный "металлический" блеск;
роль восстановителя в реакциях;
высокая плотность.

Разумеется, не все элементы этой группы обладают всеми этими свойствами, например, ртуть при комнатной температуре жидкая, галлий плавится от тепла человеческих рук, а висмут вряд ли можно назвать пластичным. Но в общем и целом все эти черты прослеживаются в совокупности металлов.

Внутренняя классификация

Металлы условно делят на несколько категорий, каждая из которых объединяет элементы, наиболее близкие друг другу по различным параметрам. Различают следующие группы:

щелочные - 6;
щелочноземельные - 4;
переходные - 38;
легкие - 7;
полуметаллы - 7;
лантаноиды - 14+1;
актиноиды - 14+1;

Вне групп остается еще два: бериллий и магний. Таким образом, на данный момент из всех открытых элементов 94 ученые относят к металлам.

Кроме того, стоит упомянуть, что есть и другие классификации. Согласно им, отдельно рассматриваются благородные, металлы платиновой группы, постпереходные, тугоплавкие, черные и цветные и т. д. Такой подход имеет смысл лишь при определенных целях, так что удобнее использовать общепринятую классификацию.

История получения

Человечество на протяжении всего своего развития было тесно связано с обработкой и использованием металлов. Помимо того что они оказались наиболее распространенными элементами, из них можно было изготавливать различные изделия лишь с помощью механической обработки. Поскольку навыков работы с рудой еще не было, сначала речь шла лишь об использовании самородков. Сначала это был мягкий металл, давший название медному веку, сменившему каменный. В этот период был разработан метод холодной ковки. В некоторых цивилизациях стала возможной выплавка. Постепенно люди освоили получение цветных металлов, таких как золото, серебро, олово.

Позднее на смену медному пришел бронзовый век. Он продлился примерно 20 тысячелетий и стал переломным моментом для человечества, поскольку именно в этот период стало возможным получать сплавы. Происходит постепенное развитие металлургии, совершенствуются способы получения металлов. Однако в 13-12 вв. до н. э. произошел так называемый бронзовый коллапс, который положил начало железному веку. Это предположительно произошло из-за истощения запасов олова. А свинец и ртуть, открытые в это время, не смогли стать заменой бронзе. Так что людям предстояло развивать получение металлов из руд.

Следующий период продлился относительно недолго - меньше тысячелетия, но оставил яркий след в истории. Несмотря на то что железо было известно гораздо раньше, оно почти не применялось из-за своих недостатков по сравнению с бронзой. Кроме того, последнюю было гораздо проще получить, в то время как выплавка руды была более трудоемким занятием. Все дело в том, что самородное железо встречается довольно редко, так что неудивительно, что отказ от бронзы происходил настолько медленно.

Значение навыков выделения металлов

По аналогии с тем, как предок человека впервые изготовил орудие труда, привязав острый камень к палке, переход к новому материалу оказался настолько же грандиозен. Основные преимущества металлических изделий состояли в том, что их было легче сделать, а также существовала возможность починки. Камень же не обладает пластичностью и ковкостью, так что любые орудия из него можно было сделать только заново, отремонтировать их не получалось.

Таким образом, именно переход к использованию металлов привел к дальнейшему совершенствованию орудий труда, появлению новых предметов быта, украшений, изготовить которые было ранее невозможно. Все это дало толчок техническому прогрессу и заложило фундамент для развития металлургии.

Современные методы

Если в древности людям было знакомо лишь получение металлов из руд, либо они могли довольствоваться самородками, то в настоящее время существуют и другие способы. Они стали возможными благодаря развитию химии. Таким образом, появилось два основных направления:

Пирометаллургия. Она начала свое развитие раньше и связана с высокими температурами, необходимыми для обработки материала. Современные технологии в этой области позволяют также использование плазмы.
Гидрометаллургия. Это направление занимается извлечением элементов из руд, отходов, концентратов и т. д. с помощью воды и химических реактивов. Например, крайне распространен способ, предполагающий получение металлов электролизом, также довольно популярен метод цементации.

Есть и еще одна интересная технология. Получение драгоценных металлов высокой чистоты и с минимальными потерями стало возможно именно благодаря ей. Речь об аффинаже. Этот процесс - один из видов рафинирования, то есть постепенного отделения примесей. Например, в случае с золотом используется насыщение расплава хлором, а платину растворяют в минеральных кислотах с последующим выделением реагентами.

Кстати, получение металлов электролизом чаще всего применяется, если выплавка или восстановление экономически невыгодны. Именно так происходит с алюминием и натрием. Есть и более инновационные технологии, делающие возможных получение цветных металлов даже из достаточно бедных руд без значительных затрат, но речь об этом пойдет чуть позднее.

О сплавах

Большая часть металлов, известных в древности, не всегда отвечала некоторым потребностям. Коррозия, недостаточная твердость, ломкость, хрупкость, недолговечность - у каждого элемента в чистом виде есть свои недостатки. Поэтому стало необходимо найти новые материалы, объединяющие в себе преимущества известных, то есть найти способы получения сплавов металлов. На сегодняшний день существует два основных метода:

Литье. Расплав смешанных компонентов охлаждается и кристаллизуется. Именно этот способ позволил получить первые образцы сплавов: бронзу и латунь.
Прессование. Смесь порошков подвергается высокому давлению, а потом спекается.

Дальнейшее совершенствование

В последние десятилетия наиболее перспективным кажется получение металлов с применением биотехнологий, в первую очередь с помощью бактерий. Уже стало возможным извлечение из сульфидного сырья меди, никеля, цинка, золота, урана. Ученые надеются подключить микроорганизмы к таким процессам, как выщелачивание, окисление, сорбции и осаждение. Кроме того, крайне актуальной является проблема очистки глубоких сточных вод, для нее тоже пытаются найти решение, предполагающее участие бактерий.

Применение

Без металлов и сплавов была бы невозможна жизнь в том виде, в котором она сейчас известна человечеству. Высотные дома, самолеты, посуда, зеркала, электроприборы, автомобили и многое другое существует лишь благодаря далекому переходу людей от камня к меди, бронзе и железу.

Из-за своей исключительной электро- и теплопроводности металлы используются в проводах и кабелях самого различного назначения. Золото применяется для изготовления неокисляемых контактов. Благодаря своей прочности и твердости металлы широко используются в строительстве и для получения самых разных конструкций. Еще одна область применения - инструментальная. Для изготовления рабочей, например, режущей части часто используются твердые сплавы и специальные виды стали. Наконец, благородные металлы высоко ценятся как материал для ювелирных изделий. Так что областей применения предостаточно.

Интересное о металлах и сплавах

Использование этих элементов настолько широко и имеет такую длинную историю, что неудивительно возникновение различных курьезных ситуаций. Их и просто пару любопытных фактов и стоит привести напоследок:

Способы получения металлов. Виды сплавов. Получение щелочных металлов

Современный человек в своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.

Что такое металлы

Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:

• тепло- и электропроводностью;

Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск – это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.

На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:

Получение металлов

Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы – это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.

Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда – это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.

Методы получения металлов:

• восстановление оксидов углем;

• получение олова из оловянного камня;

• обжигание сернистых соединений в специальных печах.

Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.

При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки – флотация, магнитный и гравитационный способ.

Щелочные металлы

Массовое получение щелочных металлов – более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:

• Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.

• Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.

• Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.

• Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700–800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.

Различия между металлами и сплавами

Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.

Сплавы

Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:

• основа, состоящая из одного или нескольких металлов;

• малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;

• неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).

Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.

Виды сплавов

Несмотря на такое многообразие сплавов, наибольшее значение для людей играют те, основу которых составляет железо и алюминий. Именно они чаще всего встречаются в повседневной жизни. Виды сплавов бывают различными. Причем их разделяют по нескольким критериям. Так применяются различные способы изготовления сплавов. По данному критерию их делят на:

• Литые, которые получены путем кристаллизации расплава смешанных компонентов.

• Порошковые, созданные при помощи прессования смеси порошков и последующего спекания при высокой температуре. Причем зачастую компонентами таких сплавов являются не только простые химические элементы, но и их различные соединения, такие как карбиды титана или вольфрама в твердых сплавах. Их добавление в тех или иных количествах изменяет свойства металлических материалов.

Способы получения сплавов в виде готового изделия или заготовки разделяют на:

• литейные (силумин, чугун);

• порошковые (титан, вольфрам).

Типы сплавов

Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами. В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:

• Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.

• Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.

Свойства сплавов

Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.

Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).

Разновидности сплавов

Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов, обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:

• Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.

• Для заливки подшипников (баббит).

• Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).

• Для производства режущих инструментов (победит).

В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).

Железные сплавы

Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и легированных сталей. Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами. Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.

Улучшение свойств сплавов

Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, предел текучести чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.

Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.

Стали и чугуны

Эти сплавы получаются путем соединения железа и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:

• малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;

• высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.

Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.

Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.

Цветные металлы

Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:

• Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%– желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.

• Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.

• Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.

Способы получения

Основные способы получения металлов и сплавов:

• Литейный, при котором происходит затвердевание однородной смеси разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов. При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах. При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.

• Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.

Читайте также: