Экономическое основы технологического развития

    Производительность  доменной печи характеризуется коэффициентом использования полезного объема печи – КИПО – отношение полезного объема печи к средней выплавке  чугуна за сутки. Технико-экономические показатели (ТЭП) печи зависят от содержания железа в руде, степени ее подготовки, качества топлива, степени интенсификации процесса, конструкции  печи и полезного объема печи, степени  автоматизации и механизации процессов.

    Производство  стали. В чугуне содержание углерода 2 – 6,6%, сталь – сплав железа с углеродом до 2%. Суть процесса – удаление углерода и др. элементов (Si, Mn, S, P). Сталь выплавляют в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах.

    Кислородно-конвертерный способ – суть способа заключается  в продувке кислорода  через расплавленный  чугун, при этом выгорает углерод  и в  виде дымовых газов выходит, а др.  примеси переходят в шлак. Время плавки 30 – 60 мин.

      Мартеновский способ в качестве сырья использует чугун, металлолом с добавкой руды. Процесс идет 4 – 12 ч., себестоимость на 3 – 5% выше, а по удельным капвложениям выше на 20  -30 % В конверторном способе не используется топливо, процесс идет за счет тепла расплавленного чугуна. В мартеновском – используется мазут или газ а также подается кислород для окисления  примесей . Мартеновский способ обеспечивает возможность переработки лома.

    Производство  стали в электропечах – дуговых  и индукционных, из-за отсутствия  окислительного пламени и незначительного  доступа воздуха создается восстановительная  атмосфера и обеспечивается тщательное раскисление стали. Из-за дороговизны  электроэнергии в качестве шихты используют не чугун, а сталь низкого  качества, получается нержавеющая, жаропрочная сталь.

    К новым технологическим процессам  в черной металлургии относятся: получение синтетического чугуна в  индукционных печах и безкоксовый, бездоменный процесс прямого восстановления железа.

    Кроме того, сталь очень высокого качества дают такие  способы, как электрошлаковый  переплав, вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой, электронно-лучевой переплав, вакуумная  индукционная и плазменная плавка. Общая особенность процессов специальной электрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные для рафинирования жидкой  стали с использованием токопроводящего шлака, вакуума, инертной атмосферы или перегрева жидкой стали в любом процессе. 

    Тема 4. Экономическая оценка базовых технологий в цветной металлургии

    - Базовые технологии  в производстве  меди, алюминия, магния  и титана. – Технико-экономическая  эффективность применения  цветных металлов 

    Цветная металлургия – одна из важнейших  отраслей. Технический прогресс, начиная от освоения космического пространства и кончая электротехникой, химическим оборудованием и радиоэлектроникой, тесно связан с развитием производства цветных металлов.

    Производство  меди. Сырьем служит сульфидные руды. Они содержат 1 - 5% меди и вначале обогащаются методом флотации до содержания меди 15 – 30%, после чего  рудный концентрат подвергают обжигу для уменьшения содержания серы и др. примесей. Затем идет плавка на штейн при 1600^оС – это  сульфиды  меди (80%) и железа. Далее идет передел штейна на черновую медь путем продувки воздухом в ковертере. Черновую медь рафинируют огневым (окисление примесей кислородом) или электролитическим способом.

    Сплавы  на основе меди – это бронзы и  латуни. Бронзы – сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. Бронзы обладают свойствами, хорошо обрабатываются.

    Латуни  – сплавы меди с цинком с небольшими добавками др. элементов. Латунь прочнее  меди, имеет высокую электро- и  теплопроводность, хорошо поддается  прокатке, волочению, штамповке, резанию, поэтому  широко применяется   в машиностроении, электротехнике.

    Производство  алюминия – легкий металл с высокой тепло- и электропроводностью, мало окисляется, высокая пластичность позволяет получать фольгу до 0,008 мм толщиной. Алюминий  распространен  в виде глинозема Al₂О₃, который связываясь с оксидами кремния, железа и др. образуют минералы – бокситы,  алуниты, нефелины, каолины и др. Две стадии производства: выделение глинозема и получение металлического алюминия из глинозема. Выделение глинозема методом спекания: боксит, известняк и кальцинированную соду спекают при 1200^оС, при этом  образуется алюминат натрия, хорошо растворяющийся в воде. Спек промывают, удаляя примеси, а оставшийся раствор продувают углекислотой. При этом образуется гидроксид алюминия, который выпадает в осадок. Осадок прокаливают  при 1200^о, получая глинозем, который подвергают электролизу в расплаве криолита, криолит понижает температуру плавления глинозема с 2050^о до 935^о, экономя электроэнергию.

    ТЭП: удельный расход электроэнергии (квт.ч. на 1 m Al); выход по току, выход металла по энергии (57 – 64 г. на 1 квт.ч.).

    Сплавы  на основе алюминия – дюрали и силумины. Дюралюминий – сплав алюминия с медью, по прочности близок к  стали, но значительно легче, хорошо обрабатывается прокаткой, штамповкой, резанием. Силумин – сплав алюминия с кремнием (9 – 13%)    - высокие механические  свойства, стойкость против коррозии, хорошие литейные свойства.

    Производство  мания. Магний легче алюминия, применяется  как основа легких сплавов, используемых в  авиа – и ракетостроении, приборостроении. Сырьем служит горные породы и минералы магнезит, доломит, карналлит.

    Электролитический способ – электролиз  хлоридов магния. После обжига сырья его хлорируют, а полученный хлорид магния подвергают электролизу - черновой магний рафинируют  переплавкой с флюсами или возгонкой (испарение твердого вещества в вакууме).

    Термические способы – вытеснение магния из соединений др. элементами: кремнием, карбидом кальция, углеродом.

    Производство  титана. Сырьем являются  рутиловые и ильменитовые руды, титанит.

    Получение состоит из двух стадий. На первой производится хлорирование оксида титана, а затем  восстановление Ti при помощи натрия, магния или водорода.

    Сплавы  титана применяют в судостроении, химической и атомной промышленности, самолето-, приборо- и ракетостроении.

    Тема 5. Металлы и славы

    - Свойства и строение  металлов и сплавов  – Диаграммы состояния  – Термическая  обработка металлов  – Химико-термическая  обработка металлов  – Коррозия металлов  и методы защиты. 

    Многообразные свойства, присущие металлам и сплавам, можно разбить на четыре группы: физические, механические, химические, технологические. Которые определяют отношение материала к физическим явлениям (удельный вес, тепло- и электропроводность, плавкость), к действию внешних сил (прочность, твердость, вязкость, упругость, пластичность). Химические свойства – окисляемость, растворимость, коррозийная стойкость. Технологические свойства обуславливают способность металла подвергаться различным выдам обработки: ковкость, свариваемость, текучесть, обрабатываемость резанием.

    Свойства  зависят от состава и строения. Чистые металлы  имеют    правильное кристаллическое строение. Сплавы могу быть в виде твердых  растворов (одни элементы растворены в другом), химических соединений и механических смесей (перемешаны чистые элементы, твердые растворы и химические соединения).

    Диаграммы состояния характеризуют структурные изменения сплава при изменении температуры и позволяют выбрать режимы горячей и термической обработки  для технологических процессов  ковки, штамповки, прокатки и т.п.

    Термическая обработка применяется для улучшения  свойств стали, заключается в  нагреве, выдержке и охлаждении металла  с определенной скоростью.

    Отжиг повышает пластичность, устраняет структурную неоднородность, улучшает обрабатываемость  (нагрев до 600^о и медленное охлаждение вместе с печью).

    Нормализация  более твердую сталь, менее пластичную, чем при отжиге, более производительна, т.к.  остывание происходит на воздухе.

    Закалка заключается в нагреве и резком  охлаждении, в результате  чего при структурной перестройке углерод не успевает выйти  из кристаллической решетки, придавая металлу  высокую твердость.

    Высокочастотная  закалка позволяет прогревать металл на заданную глубину и упрочнять этот слой.

    Отпуск  – вид отработки, при котором  снимаются напряжения, вызванные  закалкой, делает сталь менее хрупкой.

    Химико-термическая обработка производится главным образом для поверхностного упрочнения.

    Цементация  – науглероживание поверхностного слоя металла на 0,5 – 2 мм. С дальнейшей термообработкой.  Сердцевина остается вязкой и хорошо работает на ударные нагрузки, а поверхностный слой становится твердым и хорошо работает на истирание.

    Азотирование  – насыщение поверхностного слоя азотом на 0,3 – 0,5 мм., образующиеся соли (нитриды) придают металлу твердость еще большую, чем при закалке.

    Цианирование -  насыщение слоя и азотом и  углеродом, придает износоустойчивость и усталостную прочность.

    Другие  виды – алитирование   (Al) увеличивает жаростойкость, хромировние придает коррозийную стойкость, силицирование (Si) повышает износоустойчивость и кислотоупорность.

    Коррозия  металлов – процесс разрушения металлов, возникающий от химического или электрохимического воздействия.

    Химическая  коррозия – разрушение металлов при действии на них сухих газов и неэлектролитов (бензин, масла).

    Электрохимическая коррозия протекает при действии на металл электролитов – водных  растворов солей, кислот, щелочей, природных  вод, атмосферного воздуха.

    Защита  от коррозии осуществляется легированием хромом, никелем, фосфатированием,  горячим покрытием (Zn, Cd, Ni, Cr), шоопированием (обрызгиванрем другим  металлом), плакированием (созданием биметаллического покрытия).

    Тема 6. Анализ  и экономическая  оценка базовых технологий заготовительного производства

    - Технологические  процессы получения  заготовок методом  литья – Процессы  изготовления заготовок  методами пластической  деформации –  прокатка, ковка,  штамповка, волочение,  прессование. 

    Литье – один из важнейших способов получения заготовок различной  конфигурации, размеров и массы из различных металлов и сплавов.  Литье – это наиболее простой и дешевый, а иногда и единственный способ получения изделий.

    Суть  способа – расплавленный металл заливается в литейную форму, после затвердения отливка извлекается из формы.

    60% отливок получают методом литья  в разовые песчано-глинистые формы. Процесс включает приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление модельной оснастки. Модель, часто состоящая из двух половинок, заформовывается в опоки, после  выемки образуется полость, в которую и заливается металл. Если в отливке должны быть получены отверстия, то в полость формы устанавливается  стержни. После затвердевания металла песчаная форма разрушается. Способ трудоемкий, используется как единичном, так и в  массовом производстве, где создаются автоматические поточные линии.

    Литье в кокиль – получение отливок  в постоянных металлических формах из чугуна, стали, алюминия. Здесь более  высокая точность размеров и качество поверхностей отливок, лучшие механические свойства, что связано с повышенной скоростью охлаждения отливки и получением более мелкозернистой структуры; более высокая производительность.

    Литье под давлением – высокопроизводительный  метод получения отливок высокой точности из алюминиевых, цинковых, медных, магниевых сплавов. Металлическая пресс-форма заполняется жидким металлом под давлением. Металл получается  мелкозернистой структуры большой плотности, высокой прочности.

    Центробежное  литье – производительный метод изготовления отливок, имеющих  поверхности тел вращения – трубы, втулки, стволы орудий. Но  можно получать и фасонное литье. Жидкий металл заполняет вращающуюся форму, под действием  центробежных сил металл отбрасывается к стенкам формы и затвердевает, получается плотная структура без усадочных раковин.