Материалы для производства металлов и сплавов

Сырье для производства конструкционных материалов

Прежде чем приступить к изучению структуры и свойств металлов, сплавов и неметаллических материалов, необходимо получить краткие сведения о сырье и принципах получения из него данных материалов.

Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов ис­пользуют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно из-

влекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: железа на менее 30—60 %, меди 3—5 %, молибдена 0,005—0,02 %.

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соеди­нения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называ­ют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д.

В зависимости от содержания добываемого металла, руды бы­вают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добывае­мого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой по­роды. В результате получают концентрат с повышенным содержа­нием добываемого металла. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шла­ком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в про­цессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).

Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80—88 % углерода, 8—12 % золы, 2—5 % влаги, 0,5—1,8 % серы, 0,02— 0,2 % фосфора и до 1—2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25—60 мм. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90—98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и 1 % азота. Мазут содержит 84—88 % углерода, 10—12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, ис­пользуют доменный или колошниковый газ, побочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутрен­него облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ков­шей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны

выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материа­лы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO₂, называют кислыми, например, квар­цевый песок (95 % SiO₂), динасовый кирпич, огнеупорность которых 1690—1700 °С; материалы, содержащие основные оксиды (СаО, MgO) — основными (магнезитовые, кирпич и металлургический по­рошок, магнезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более 2000 °С); содержащие большое количество Аl₂О₃ и Сr₂О₃ — нейтраль­ными (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные, напри­мер шамотный кирпич, содержащий 50—60 % SiO₂ и 30—40 % Аl₂0₃).

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % С в виде гра­фита, обладают высокой огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.