Найважливішим промисловим металом є залізо (Fe), що у сплавах з вуглецем та іншими елементами належить до групи чорних металів. Важливими сплавами на основі заліза є чавун, сталь і феросплави. Ці сплави є основними конструкційними матеріалами для будівництва, машинобудування та інших галузей. Технічний рівень народного господарства країни, її могутність визначаються кількістю виплавлених чорних металів.

Велике промислове значення мають і кольорові метали, такі як: А1, Cu, Mg, Zn, Ті, Sn. Крім того, для легування сталей мають значення Ni, W, V, Сг, Мо та інші, однак виробляють їх порівняно з чорними небагато.

Для одержання чорних і кольорових металів використовують наступні основні способи.

1. Пірометалургійні, що ґрунтуються на виплавленні металів із руд. Ці процеси потребують застосування високих температур, а отже, використання палива.

2. Гідрометалургійні, при яких метали одержують із водних розчинів без нагріву до високих температур.

3. Електрометалургійні і електрохімічні, при яких потрібне використання електричної енергії.

В металургії кольорових металів часто користуються сублімацією металів або їх сполук з метою відокремлення основного компонента від домішок, з якого потім дістають метал. Сублімація - це перехід речовини із кристалічного стану в газоподібний (без плавлення).

Основою сучасної чорної металургії є двоступінчаста схема, що складається з виплавляння чавуну в доменних печах і різних способів його переплавляння на сталь. При виплавлянні чавуну відбувається відновлення заліза з руд (та одночасне відновлення з руд інших хімічних елементів), насичення заліза вуглецем та іншими домішками. При одержанні сталі з чавуну відбувається окислення домішок і їх перехід у шлак і гази. Сталь, таким чином, містить менше вуглецю й домішок і має кращі від чавуну конструкційні властивості, проте і чавун, і сталь є важливою продукцією металургійної промисловості.

1. Одержання чавуну

Чавуном називають сплав заліза з вуглецем, марганцем, кремнієм, сіркою та фосфором, в якому вуглецю більше, ніж 2,14%. Приблизно 80% чавуну використовують для одержання сталі. Його також використовують як конструкційний матеріал.

Сировиною для одержання чавуну є руди (залізні, марганцеві та комплексні), паливо і флюси. Основна сировина -це залізні руди. Вони містять залізо у вигляді оксидів або солей.

Вміст заліза коливається від 25 до 72%. Україна має достатню кількість залізних руд, проте вміст заліза в них постійно знижується і становить в середньому близько 35%. Ці руди містять також марганець (часто 1-2%, іноді й до 18%), інші метали (хром, титан, нікель, мідь, молібден, кобальт, ванадій та ін.). Такі руди сприяють поліпшенню властивостей чавуну. Найбільші запаси залізних руд у Криворізькому залізорудному родовищі. Із залізних руд найважливіше значення мають бурий, червоний, магнітний, шпатовий залізняки й залізисті кварцити. Пуста порода залізних руд містить кварц, кальцит, глину, вапняк, польові шпати, сульфіди тощо.

Для ефективної роботи доменної печі, зменшення витрат палива потрібно, щоб руда містила не менше 55% заліза, вміст сірки і фосфору має бути мінімальний. Тому руди перед використанням подрібнюють, збагачують, рудний пил спікають.

При виплавленні доменних феросплавів застосовують марганцеві руди, що містять 25-55% марганцю (у вигляді оксидів).

Основним паливом при одержанні чавуну є кам'яновугільний кокс, що бере також участь у відновленні заліза та домішок. Крім коксу, як паливо використовують природний та інші гази, вугільний пил, деревне вугілля (дуже рідко). Лише 15% коксу замінюють іншими видами палива, оскільки жоден із замінників коксу не може розпушувати шихту для збільшення її газопроникності.

Флюси -- речовини, що сплавлюють пусту породу, золу палива, виводять шкідливі домішки. В якості флюсів використовують вапняк або доломіт. їх також подрібнюють.

Суміш вихідних матеріалів в певному співвідношенні називають шихтою. Завантажують шихту в доменну піч певними порціями - колошами.

Виплавляють чавун у печах шахтного типу заввишки 30-50м, котрі називають доменними. Внутрішній обрис стін, що обмежують робочий простір печі - це її профіль (рис. 1). Корпус печі виготовлений із товстолистової сталі, з середини піч викладена шамотною цеглою. За допомогою спеціальних холодильників піч охолоджується водою.

Основні частини робочого простору доменної печі - колошник І, шахта ІІ, розпар ІІІ, за плечики IV і горн V. Над колошником розміщений спеціальний засипний апарат, призначений для завантаження печі сировиною. У верхній части ні горна розміщені отвори (фурми), через які в доменну піч вдувають нагріте до 1100-1200°С повітря. Повітря може бути збагачене киснем (до 30%), може бути зволожене. Залежно від розміру печі фурм може бути до 60-и. Дно горна називають подом. На рівні поду розміщені льотки для випускання чавуну. Нижче фурмених отворів є льотки для випускання шлаку. Кількість льоток також залежить від розміру печі. Повітря нагрівають в повітронагрівниках, розміщених біля доменної печі. Доменна піч працює безперервно 6-8 років. Цей період називається компанією. Потім піч ставлять на капітальний ремонт.

В доменній печі мають місце наступні процеси.

1. Горіння палива. Кисень дуття вступає у взаємодію з вуглецем палива, утворюючи вуглекислий газ. При цьому виділяється велика кількість теплоти:

Рис. 1. Схема доменної печі

С+02 > С02 + Q.

Температура в горні в зоні фурм підвищується до 1800°С. Діоксид вуглецю піднімається вгору, зустрічає вуглець (розжарений кокс) і відновлюється, утворюючи оксид вуглецю:

С02 + С > 2СО - Q.

2. Відновлення заліза

Залізо з руди відновлюється оксидом вуглецю, твердим вуглецем і частково воднем, який утворюється від розкладання вологи повітря. Оксид вуглецю - сильний відновник і відновлює залізо з його оксидів у верхній частині шахти при порівняно невисокій температурі (400-500°С). З підвищенням температури процеси відновлення прискорюються. Оксиди заліза відновлюються послідовно від вищих оксидів до нижчих і до чистого заліза:

Fe203 > Fe304 > FeO > Fe.

У більш гарячих зонах доменної печі (в розпарі) відновлення заліза відбувається за допомогою твердого вуглецю (вище 950°С).

FeO + С>Fe + CO - Q.

Відновлене залізо перебуває у твердому стані і називається «губчастим» залізом.

3. Відновлення домішок.

За допомогою оксиду вуглецю і твердого вуглецю відновлюються марганець, кремній, фосфор і сірка. Якщо в сировині є інші домішки (титан, хром, кобальт, ванадій та ін.), вони також відновлюються. Усі вони розчиняються у чавуні.

4. Насичення заліза вуглецем.

Губчасте залізо, що утворилося після відновлення (твердий і пористий продукт), при температурах 400-500°С і до температур 1100-1200°С інтенсивно взаємодіє з вуглецем, утворюючи карбід заліза:

Fe + С > Fe3C,

3Fe + 2CO >Fe3C + C02.

Навуглецьоване залізо переходить у рідкий стан, розчиняє відновлені домішки і стікає в горн доменної печі. Це вже чавун.

5. Утворення шлаку.

Вапняк при температурі близько 900°С розпадається з утворенням оксиду кальцію і вуглекислого газу:

СаС03 >СаО + С02.

Оксид кальцію при температурах вище 1000°С взаємодіє з кремнеземом, глиноземом та іншими складовими пустої породи і коксової золи, утворюючи шлак, який в рідкому стані також стікає в горн. Процес шлакоутворення і хімічний склад шлаку впливають на якість виплавленого чавуну.

Чавун - основна продукція доменного виробництва. Його із печі випускають через кожні 3-4 години у спеціальні ковші. Далі чавун подається або до сталеплавильного цеху, або на розливну машину для виливання спеціальних заготовок (чушок). У доменній печі виплавляють переробний, ливарний і спеціальний чавуни. Так їх поділяють залежно від хімічного складу і призначення, від швидкості охолодження. Властивості цих чавунів також різні.

Найбільше виплавляють переробного чавуну (близько 80%). Він є основною сировиною для одержання сталі. З нього також одержують ковкий чавун, котрий використовують для виготовлення деталей машин. Сірий чавун має добрі ливарні властивості, його застосовують як конструкційний матеріал. Шляхом модифікації з нього одержують високоміцний чавун -добрий конструкційний матеріал.

Спеціальні чавуни - це феросплави (або леговані чавуни), в яких є підвищений вміст (більш як 10%) одного або декількох елементів (Si, Мn та in.). Феросплави використовують для розкислення сталі та її легування.

Другим продуктом доменного виробництва є шлак, якого утворюється 0,6т на 1т чавуну. Нині в Україні доменний шлак майже повністю використовують. Найбільше - у будівництві - для одержання шлакопортландцементу (на 30-40% він дешевший від звичайного), шлакової вати, пемзи, шлакоблоків, шлакоситалів, шлакового литва та ін. Зі шлаку виробляють мінеральні добрива. Повне використання доменного шлаку істотно підвищує економіку чорної металургії.

В доменному процесі на 1 т чавуну утворюється близько 3000 м3 доменного газу. Він містить значну кількість горючих речовин (оксид вуглецю, водень) і пил, має значну теплотворну здатність. Після очищення від пилу використовується як паливо.

Ефективним є використання доменного газу в доменних печах як палива і для нагріву повітря в повітронагрівниках.

Для оцінки ефективності роботи доменної печі і самого процесу плавки використовують такі техніко-економічні показники:

1. Продуктивність доменної печі - це кількість виплавленого чавуну за добу (місяць, рік). Середня продуктивність доменних печей України становить 2500-3000 т/добу. Для підвищення продуктивності потрібно: використовувати високоякісну сировину, застосовувати кисневе дуття, створювати вищий тиск під колошником, підвищувати рівень механізації й автоматизації роботи доменної печі.

2. Коефіцієнт використання корисного об'єму доменної печі, що визначається відношенням корисного об'єму печі до середньої виплавки чавуну за добу :

KBКО = ,

де V - корисний об'єм печі;

Р - продуктивність печі за добу.

Чим менший цей показник, тим краще працює доменна піч. Середнє значення цього коефіцієнта в Україні 0,5-0,8.

3. Витратні коефіцієнти. На 1 т чавуну потрібно: 1,7-2 т руди, 500-700 кг коксу, 300-700 кг флюсів, 3,3 т повітря.

4. Рівень механізації й автоматизації - дуже важливий аспект на всіх етапах виробництва й особливо при завантаженні шихти, при автоматизованому регулюванні тиску, температури, вологості газу на колошнику.

Крім того, важливими показниками процесу є якість і собівартість чавуну

2. Одержання сталі

Сталь - сплав заліза з вуглецем, кремнієм, марганцем, сіркою і фосфором, де вуглецю менше 2,14%. Сталі такого складу називають вуглецевими. Є також леговані сталі. До складу таких сталей входять легуючі елементи (Cr, Mo, V, W, Ni та ін.), котрі додають під час виплавки сталі або її розливання. Леговані сталі мають спеціальні властивсті.

Порівняно з чавуном механічні й технологічні властивості сталі кращі: її можна обробляти під тиском, з неї можна виготовляти відливки, вона добре обробляється різанням, має високу міцність, а тому є основним конструкційним матеріалом.

Щоб із чавуну одержати сталь, з нього потрібно видалити надлишок вуглецю, кремнію, марганцю, сірки і фосфору шляхом окислення. Окислювачем є кисень елементарний і кисень, розчинений у металі, що перебуває в сполуці із залізом.

Сировиною для одержання сталі є: переробний (рідкий або твердий) чавун, скрап (стальний або чавунний лом, обрізки, стружка), металізовані грудки, залізна руда, розкислювачі, легуючі елементи, флюси, паливо, кисень. Процентне співвідношення вихідних матеріалів і їх агрегатний стан залежать від способу переробки.

Основними способами одержання сталі є мартенівський, киснево-конвертерний та електрометалургійний (в електодугових та індукційних печах). Кожний із цих способів має свої особливості та забезпечує різну якість сталі. Водночас технології одержання сталі мають спільні процеси і перетворення, що дає змогу розглядати їх, на основі цих спільних позицій.

При одержанні сталі застосовують один із двох процесів - основний або кислий. При основному печі футерують основним вогнетривким матеріалом (магнезит, доломіт, магнезитохроміт), а сировина може містити підвищену кількість шкідливих домішок, тому що для їх виведення використовують флюси. Основний процес дешевший, але якість сталі невисока. При кислому процесі печі футерують кислим (динас, кварцовий пісок) або шамотним вогнетривом. У такому процесі є підвищені вимоги до сировини щодо шкідливих домішок, тому що тут вони не виводяться. Якість сталі висока, але висока і собівартість. Такі процеси використовують менше.

Основні стадії технологічного процесу такі:

1.Окислення вуглецю і домішок. Найпершим окислюється залізо (його в розплаві найбільше, і воно найактивніше щодо кисню при порівняно низьких температурах):

2Fe + 02 > 2FeO + Q.

Далі окислюються інші елементи в послідовності щодо їх сполучуваності з киснем:

Si + 02 > Si02 + Q,

2Мn + 02 > 2MnO + Q,

2С + 02 > 2СО - Q,

2СО + 02 > 2С02 + Q,

4Р + 502 >2Р205 + Q.

Оксиди, що утворилися, спливають на поверхню у вигляді шлаку. Під шаром шлаку продовжується окислення домішок, але уже киснем із закису заліза:

2FeO + Si > 2Fe + Si02 + Q,

FeO + Mn > Fe + MnO + Q.

Одночосно за допомогою флюсів виводиться фосфор і сірка.

2. Розкислення сталі - це виведення з неї кисню і відновлення заліза з оксиду. Оксид заліза спричинює червоноламкість і погіршення механічних властивостей сталі. Розкислюють сталь при плавці, під час розливання, і в ковші. Залежно від ступеня розкислення вона може бути спокійною (добре розкисленою), напівспокійною і киплячою. Для розкислення сталі використовують феросплави зі збільшеним вмістом марганцю або кремнію та алюміній.

3. Легування - процес насичення сталі легуючими елементами з метою поліпшення її властивостей. Легуючі елементи додають у вигляді феросплавів або під час плавки, або в кінці, або у ківш. Це залежить від того, яким способом одержують сталь, яке відношення легуючих елементів до кисню.

Після виплавлення проводять розливання сталі. Похибка при розливанні замість поліпшення якості сталі може зіпсувати і добре зварену сталь. Тому проведенню цього процесу приділяють велику увагу.

Зі сталеплавильної печі сталь розливають у розливні ковші (металеві посудини, футеровані всередині вогнетривом). Далі сталь у ковші переносять до місця її розливання і розливають. Ковші мають місткість до 400 т. Із ковша сталь виливається через отвір у днищі. Сталь розливають у виливниці та на машинах безперервного розливання.

Розливання у виливниці

Виливниці - це чавунні або стальні форми, що мають квадратний, прямокутний або круглий поперечний переріз. їх заповнюють сталлю зверху або знизу. При заповненні зверху кожна виливниця заповнюється окремо. При цьому сталь розбризкується і поверхня виливка неякісна. Такий спосіб вигідний при виготовленні великих виливків. При заповненні знизу виливниці з'єднані блоком до центрального ливника спеціальними каналами. Сталь потрапляє спочатку в центральний ливник, а далі каналами підводиться до виливниць (усіх одночасно) знизу (плавно і без розбризкування). Одночасно можливо заповнювати до 60 виливниць. Цей спосіб високопродуктивний зливки мають відносно чисту поверхню. Він дає змогу одержувати дрібні виливки. Однак має недоліки -великі втрати металу на ливники і небезпека забруднення сталі в ливнику та каналах неметалевими домішками.

Безперервне розливання

Процес відбувається на спеціальних машинах безперервного лиття, що є нині одним із важливих досягнень науково-технічного прогресу в металургії. Сталь із розливного ковша 1 (рис. 2) через проміжний розливний пристрій 2 безперервно надходить у кристалізатор 3, який охолоджується водою. У кристалізаторі формується виливок. Із кристалізатора виливок проходить зону додаткового охолодження (дрібно розбризкується вода). Затверділий виливок безперервно витягується роликами 4, дістаючи профіль. Далі газовий різак 5 розрізає його на куски потрібної довжини. Відрізані куски є заготовками для подальшої обробки.

Техніко-економічні показники такі: висока продуктивність при безперервному розливанні (у 2-2,5 рази вища, ніж при розливанні у виливниці), виливки мають високу якість поверхні, дрібнозернисту структуру, певний профіль (економія прокату становить 2-5%). Маса придатних виливків 96-98% від маси рідкої сталі. На таких машинах можна одночасно отримувати до восьми виливків. Недоліком цих машин є їх значна висота (до 44 м). Тому останнім часом застосовують машини з вигином виливка або із зігнутим (радіальним) кристалізатором - це радіальні і горизонтальні машини.

Техніко-економічне порівняння різних способів одержання сталі

Із використовуваних трьох способів одержання сталі найперспективнішими є два способи - киснево-конвертерний та електрометалургійний. В окремих розвинених країнах світу вже сьогодні до 90% сталі виплавляють киснево-конвертерним способом. Причини цього такі: висока продуктивність (у 250-тонному конвертері за рік можна виплавити до 1200 тис. т сталі); висока якість сталі; низька собівартість; капітальні витрати на будівництво і витрати на обслуговування значно менші від інших способів; для плавки можна використовувати до 30% твердої шихти. Якість киснево-конвертерної сталі не поступається якості мартенівської. Перспективним є використання кисневих конвертерів з донним дуттям, при якому зменшується вигоряння заліза та різко підвищиться якість сталі, є можливість збільшити вміст у шихті скрапу.

Рис. 2. Схема безперервного розливання сталі

Електрометалургійний спосіб хоч і дорогий, проте забезпечує дуже високу якість сталі. Електрометалургійним способом не тільки виплавляють, а й переплавляють сталь, виплавлену в мартенівських печах або в кисневих конвертерах. При цьому вона очищається від домішок і набуває дуже високої якості. При електрометалургійному способі можна одержувати сталь із твердої та рідкої шихти. Процес високопродуктивний.

Мартенівський спосіб має тенденцію до скорочення. Процес виплавки в мартенівській печі триває іноді 3-4 години (для малих печей), іноді до 12 і більше годин (для великих печей). Капітальні витрати на будівництво і витрати на обслуговування є значними, тому мартенівська сталь дорога. Нижчою є продуктивність. Наприклад, продуктивність 900-тонної печі становить близько 1000 тис. т на рік, що менше, ніж у кисневому конвертері.

З метою покращення якості сталі, її після виплавки звичайними способами рафінують. Для цього застосовують: переплав (плазмовий, електрошлаковий, вакуумно-індукційний, вакуумно-дуговий), позапічне вакуумування, обробку синтетичними шлаками, інертними газами.

Електрошлаковий переплав

Цей спосіб рафінування сталі було розроблено у Науково-дослідному інституті електрозварювання АН України ім. Є. О. Патона. За допомогою цього способу рафінують сталі, виплавлені конвертерним, мартенівським і електрометалургійним способами. В електродотримачі закріплюють стальний електрод 1 (рис. 3), частково опущений в охолоджуваний водою кристалізатор 2. На дно кристалізатора насипають флюс (плавиковий шпат, глинозем, оксид кальцію). При включенні електричного струму між електродом і флюсами запалюється електрична дуга, флюси плавляться. Далі дуга гасне і струм проходить через розплавлений шлак. Температура сягає до 2000°С. Електрод 1 плавиться, і краплі сталі, проходячи через розплавлений шлак, очищаються від домішок. У кристалізаторі очищена сталь кристалізується, утворюючи виливок З круглої, квадратної чи іншої форми. Можна одержати виливок у вигляді труби.

Вакуумування.

При обробці у вакуумі сталь розкислюють, очищають від неметалевих включень (сірки, фосфору), від водню, азоту. Крім того випаровуються домішки, такі як свинець, олово та ін. Сталь стає пластичнішою, підвищується її рідкотекучість, зменшується крихкість. Вакуумування проводять у ковші, у вакуумних камерах, при розливанні. Розрізняють об'ємне, порційне, циркулярне вакуумування.

Рис. 3. Схема електрошлакового переплаву

При порційному вакуумуванні (рис. 4) у ківш 2 опускають забірну трубу вакуум-камери 1, розміщеної над ковшем. Вакуум у камері 1 створюється періодично, сталь засмоктується в неї порціями. При цьому зі сталі бурхливо виділяється гази та неметалеві включення.

Дуже важливе значення в чорній металургії має процес виробництва сталі із металізованої сировини (відновленого заліза) без доменного процесу. Суть бездоменного виробництва полягає в тому, що спочатку зі збагаченої залізної руди у відновлювальних шахтних печах одержують металізовану шихту (вміст заліза 90-95%), котру далі використовують в електропечах для одержання високоякісної сталі. Впровадження такої схеми виробництва дає змогу підвищити продуктивність, знизити витрати палива, флюсів, електроенергії, підвищити якість сталі, зменшити забрудненість навколишнього середовища.

Рис. 4. Схема порційного вакуумування

Важливим напрямком удосконалення сталеплавильного виробництва є сталеплавильні агрегати безперервної дії. Досвід багатьох виробництв показав, що заміна періодичного процесу безперервним сприяє підвищенню продуктивності, зниженню експлуатаційних витрат, підвищенню якості та однорідності продукції, зменшенню технологічних відходів, ефективнішому використанню додаткових матеріалів. Проблеми організації безперервного сталеплавильного процесу, вибору зручної для практичного використання конструкції агрегату безперервної дії та відпрацювання технології виплавляння сталі в цьому агрегаті досі ще не вирішені. Проте є запропоновано багато різних варіантів конструкцій САБД і технологій виплавлення в них сталі.

Основною продукцією сталеплавильного виробництва є сталь. Сьогодні це основний конструкційний матеріал.

Сталі класифікують за наступними показниками.

1.3а способом виробництва їх поділяють на киснево-конвертерні, мартенівські, електросталі.

2.3а хімічним складом сталі є вуглецеві і леговані. У свою чергу вуглецеві є низько-, середньо- і високовуглецеві, леговані -низько-, середньо- і високолеговані. Різний вміст вуглецю та легуючих елементів впливає на їх властивості.

3.3а якістю сталі поділяють, враховуючи вміст у них шкідливих домішок. Вуглецеві сталі є звичайної якості, якісні та високоякісні. Леговані - якісні, високоякісні та особливої якості.

4.3а призначенням вуглецеві сталі поділяються на конструкційні та інструментальні, леговані - на конструкційні, інструментальні та спеціальні. Конструкційні сталі - це низько-і середньовуглецеві сталі, інструментальні - високовуглецеві. Принцип маркування сталей..

Конструкційні вуглецеві сталі містять до 0,65% вуглецю. їх маркують залежно від якості таким чином:

- звичайної якості - Ст 0, Ст 1 ... Ст 6, де літери Ст означають сталь, цифри - умовний порядковий номер;

- якісні - 08, 10, 15, 25, 30, 35...65 (числа вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка), 45 Г, 60 Г, 65 Г (літера вказує на підвищений вміст марганцю).

Залежно від ступеня розкислення, після позначення марки сталі додають літери: кп - кипляча, пс - напівспокійна, сп -спокійна.

Інструментальні вуглецеві сталі містять 0,65-1,35% вуглецю, їх маркують також залежно від якості таким чином:

- якісні - У7, У8...У13 - літера У означає, що це вуглецева інструментальна сталь, число показує вміст вуглецю в десятих частках відсотка;

- високоякісні - У8А, У10А...У13А (літера А означає, що сталь високої якості). Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних і вимірювальних інструментів, штампів, пресформ тощо.

Леговані сталі маркують за допомогою великих літер і цифр. Легуючі елементи позначають літерами: С - кремній, X - хром, М - молібден, Г - марганець, Н - нікель, В - вольфрам, Ф -ванадій, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюміній, Д - мідь.

Цифри перед літерами означають процентний вміст вуглецю (дві цифри - в сотих частках, одна - в десятих). При вмісті вуглецю більше 1% цифру не ставлять. Цифри після літер - середній вміст легуючих елементів (у відсотках). Якщо цифру після літери не проставляють, вміст легуючого елементу - 1-1,5%.

Деякі сталі спеціального призначення мають особливе маркування, наприклад:

Р - швидкорізальна сталь, Ш - шарикопідшипникова та ін.

Найбільш поширені леговані сталі такі: а) конструкційні -15Х, 20Х, 40Х, 45Х; б) інструментальні - ХВГ, 9ХС, ХВ5; в) швидкорізальні - Р12, Р9, Р18, Р6МЗ, Р6С5; г) жаростійкі -Х8СМ; д) жароміцні - Х23Н18, Х23Р20С2; е) нержавіючі - 2X13.

Використання легованих сталей дає можливість зменшити матеріаломісткість машин, конструкцій, збільшити їх довговічність. Проте такі сталі є дорогими, оскільки складніший є процес їх одержання. Тому найефективніше використовувати низьколеговані сталі. Використання їх забезпечує зниження витрат металу на 18-20%.

3. Одержання алюмінію

Серед усіх кольорових металів, що виробляються в Україні, алюміній займає перше місце.

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору, температура його плавлення 660°С, густина 2,7 г/см3. Це корозієстійкий метал з високими тепло- та електропровідністю. У земній корі його близько 8%. Майже всі гірські породи містять сполуки алюмінію. Він дуже хімічно активний, а тому у вільному стані в природі не зустрічається. Міцність і твердість алюмінію порівняно невисокі. Алюміній володіє високою пластичністю і добре піддається обробці тиском уже в холодному стані. Алюміній добре зварюється. На основі алюмінію можна виготовляти різні сплави.

Сферами найширшого використання алюмінію та його сплавів є електротехніка, ракето- та літакобудування, космічна техніка, харчова промисловість, хімічна, а також будівництво, транспорт, машинобудування та інші галузі. Практично немає жодної галузі, де б не використовували цей метал.

Сировиною для одержання алюмінію є боксити, нефеліни, каоліни, алуніти. Це руди, що містять не менше 10% оксиду алюмінію (глинозему). Найефективнішою рудою є боксит. Він містить глинозему до 50-60%. Цю руду Україна купує. В Україні є значні запаси каолінів. А тому у нас при виробництві алюмінію широко їх використовують. Перед використанням руди подрібнюють і встановлюють їх хімічний склад.

Технологічний процес одержання алюмінію поділений на три наступні стадії.

1. Одержання глинозему.

Глинозем із руд можна одержувати декількома способами - лужним (сухим, мокрим, електролітичним), кислотним та електротермічним. Найпоширенішим є мокрий лужний спосіб (спосіб Байєра). Він найдешевший і найбільш економний.

При цьому способі руду обробляють лугом - NaOH при температурі 250-300°С і тиску 2,5-3,0 МПа в автоклавах. За таких умов утворюється алюмінат натрію - NaA102. Розчин далі кристалізують і одержують кристалічний гідрооксид алюмінію, а з нього при нагріві (кальцинуванні) одержують глинозем.

2. Одержання алюмінію з глинозему.

Глинозем - А12О3 - стійка хімічна сполука з температурою плавлення 2050°С і температурою кипіння 2980°С. Одержують алюміній із глинозему шляхом електролізу. Як електроліт використовують спеціальний кріоліт Na3AlF6 (фторид алюмінію і натрію). При використанні водних розчинів солей на катоді першим буде розряджатися водень, а не алюміній. Процес електролізу відбувається в електролізних ваннах (рис. 5). Зовні ванна 4 стальна, із середини викладена шамотною цеглою 3. Подина 5 і стіни 2 складені з вуглецевих блоків, куди підведені катодні шини 6. Аноди 1 виготовлені з вуглецевої маси і самовипалюються. У міру згоряння вони опускаються і нарощуються напіврідкою анодною масою.

Рис. 5. Схема одержання алюмінію з глинозему

Спочатку ванну прогрівають. Поступово завантажують кріоліт і після його розплавлення засипають глинозем (10-12% від маси кріоліту), маса якого періодично поповнюється новими порціями. Температура електролізу 930-950°С. Кріоліт і глинозем дисоціюють. При дисоціації глинозему утворюються іони алюмінію і кисню. Іони алюмінію прямують до катода і там розряджаються, іони кисню прямують до анода і спалюють вуглець, утворюючи оксиди вуглецю:

А1203>А13+ + АlOз3;

на катоді:

Al3+ + 3e> А1,

на аноді:

2А1033- - 6е > А1203 + 1,502.

Рідкий алюміній, що нагромаджується на полині ванни, періодично (кожні 1-2 доби) відбирають сифоном або вакуумним ковшем.

3. Рафінування алюмінію.

Первинний алюміній містить домішки заліза, кремнію, міді, цинку, вуглецю, глинозему, газів. Для очищення від цих домішок алюміній рафінують. Найчастіше використовують спосіб хлорування.

Хлорування - продування первинного алюмінію хлором у ковші протягом 10-15 хв. при температурі 650-770°С. При цьому утворюється пароподібний АlС13, який, проходячи через розплав, адсорбується на частинках глинозему, фтористих солей, вугілля. Ці частинки спливають на поверхню і видаляються у вигляді сірого порошку. Одночасно хлор розкладає хімічні сполуки з натрію, кальцію, магнію й утворює їх хлориди, що також спливають. Після хлорування рідкий алюміній відстоюють у ковші 30-45 хв. Виділяються гази і неметалеві включення. Чистота алюмінію після хлорування 99,5-99,75%.

Для одержання алюмінію вищої чистоти застосовують більш дорогі способи - електролітичне рафінування і зонну перекристалізацію. При цьому можна одержати алюміній чистотою 99,999%.

Розрізняють такі види алюмінію:

- технічно чистий А85, А8, А7, А6, А5 (вміст домішок 0,15-1%);

- високої чистоти А995, А99, А97, А95 (вміст домішок 0,005-0,05%);

- особливо чистий А999 (вміст домішок не більше 0,001).

З метою поліпшення механічних властивостей і розширення сфер використання алюмінію, його легують і одержують сплави. Для легування алюмінію застосовують мідь, кремній, марганець, магній, цинк, нікель, хром, титан та ін. Є деформівні і ливарні сплави.

Деформівні - такі, що мають високу пластичність і добре піддаються обробці тиском. Для їх легування використовують магній, марганець і мідь. Спеціальні деформівні сплави можуть додатково містити цинк, хром, кремній, нікель та інші елементи.

Ливарні - такі, що мають добрі ливарні властивості. Із цих сплавів деталі виготовляють литтям. Для їх легування використовують кремній а також магній, мідь та інші елементи.

Ефективність алюмінієвого виробництва оцінюється його техніко-еко помічними показниками. До них належать такі показники:

1. Витратні коефіцієнти. Так, для 1 т глинозему потрібно 2,0 -2,5 т бокситу, 70-90 кг лугу, 160-180 кг мазуту (в перерахунку на умовне паливо). Для 1 т алюмінію потрібно 2 т глинозему, 40-50 кг кріоліту, 600 кг вугільних анодів, 1500 т води.

2. Витрати енергії. Для 1 т глинозему потрібно близько 280 квт. год. електроенергії. Для 1 т алюмінію потрібно 14-16 тис.квт.год електроенергії.

3. Продуктивність апаратів. Продуктивність електролізерів 350 - 600 кг/добу.

Важливими показниками алюмінієвого виробництва є також якість алюмінію, собівартість, ступінь механізації та автоматизації тощо.

Висновок

З метою підвищення ефективності процесів одержання чорних і кольорових металів і сплавів передбачено наступне:

1. Поліпшення структури і якості металів і сплавів.

2. Реконструкція і переозброєння металургійних підприємств, модернізація металургійного обладнання.

3.Інтенсифікація технологічних процесів, підвищення рівня їх механізації й автоматизації.

4. Впровадження нових технологічних схем.

5. Збільшення частки киснево-конвертерної та електросталі.

6. Ширше використання безперервного розливання сталі.

7. Впровадження нових технологічних схем, сталеплавильних агрегатів безперервної дії, безвідхідних технологій.

8. Комплексне використання сировини.

Література

1. Колотило Д.М. Системи технологій і екологія промисловості - К., НМКВО, 1992 - 143 с.

2. Основы технологии важнейших отраслей промышленности. Ч.I, II/ Под ред. И.В. Ченцова - Минск, Вышейшая шк., 1989

3. Технологічні процеси галузей промисловості: Навч. посіб. / За ред.. Д.М. Колотила, А.Т. Соколовського - К, КНЕУ, 2008 - 372 с.

4. Дичковська О.В. Системи технологій: навч. посіб. - Тернопіль, Економічна думка, 2008 - 251 с.