Для производства металлов используются руды, флюсы, топливо. Эти материалы перерабатываются в плавильных агрегатах, внутренняя поверхность которых покрыта огнеупорами.

Руды являются природным минеральным сырьем. Они содержат примешанные и растворенные компоненты. Руды черных металлов являются оксидами. Отделение примесных компонентов достигается обогащением руд, методами флотации и обжиг-магнитным обогащением. Флотация основана на различии смачиваемости водой различных компонентов (минералов), входящих в состав руд. Различия смачиваемости минералов добиваются предварительной обработкой их маслами. Обжиг-магнитное обогащение применяется для обработки немагнитных железных руд. Из множества оксидных соединений железа лишь магнетит (Fe3O4) может отделяться от остальных компонентов руд в магнитном поле.

Сульфидные руды цветных металлов перед плавкой в основном обогащаются флотацией.

Для получения металла из оксидов железа применяются как методы прямого восстановления, когда смеси порошков руды и восстановителя (углерода в виде измельченного кокса) окатываются в гранулы и восстанавливаются в потоке газов, нагретых до 900C. В этом случае получают окатыши. Окатыши охлаждают без доступа воздуха, и восстановленное железо не проходит стадии плавления.

Получение деталей из железа прямого восстановления осуществляют или путем прессования порошков или путем переплава окатышей в различных плавильных агрегатах (конвертерах, дуговых и индукционных электропечах).

Основную массу железных руд сначала перерабатывают в чугун. Плавку руд проводят в доменных печах с использованием кокса и флюсов.

Кокс – это спеченный в пористый материал коксующийся уголь. Кокс используется и как восстановитель руды и как источник тепла.

На получение одной тонны чугуна расходуется от 0,5 до 0,7 тонны кокса.

Кокс содержит 80-88% углерода.

Теоретически по грубой оценке на восстановление руды для получения 950 кг железа, содержащегося в тонне чугуна, требуется лишь 255 кг кокса.

Остальная часть кокса расходуется на разогрев и плавление шихтовых материалов. И это, несмотря на то, что отходящие газы из доменной печи используются для подогрева воздуха.

В состав чугуна, кроме железа входят углерод, кремний, марганец, а также «вредные» примеси – сера и фосфор.

Чугун является основным материалом, применяющимся для изготовления стали.

Стали от чугуна отличаются меньшим содержанием углерода, а также кремния, марганца и примесей.

Для снижения содержания углерода в расплаве используется металлический лом или скрап.

Скрапом называются металлические отходы производства стали. В промышленности ежегодно образуется около 40% металлолома от массы производимой стали. Такое его количество перерабатывается в электрических и мартеновских печах, а также в конвертерах.

В электропечах может перерабатываться до 100% металлолома, в мартеновских печах – до 65%, а в конвертерах – до 32%.

Электропечи разделяют на дуговые и индукционные.

В дуговых печах в качестве источника теплоты используется электрическая дуга, возникающая между электродами и металлической шихтой. Питается эта печь трехфазным током, электроды изготовлены из графитизированной массы. Изнутри кожух печи футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом.

Плавку в дуговых печах осуществляют двумя методами: 1) методом переплава шихты из легированных отходов; 2) на углеродистой шихте с окислением примесей.

Электроиндукционные печи состоят из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого расположен тигель с металлической шихтой. Через индуктор проходит переменный ток повышенной частоты (500-1000 кГц). Создаваемый электромагнитный поток разогревает и расплавляет шихту.

Существенное влияние на качество стали оказывает атмосфера, в которой ведут плавку. Поэтому наиболее качественные стали получают в вакуумных индукционных печах, либо обработкой готовой стали в вакууме.

Вследствие возможности регулирования температуры расплавов и состава стали при выплавке в электропечах, качество металла более высокое, чем при выплавке в мартеновских печах, либо в конвертерах.

Мартеновские печи – это агрегаты, в которых металлолом переплавляется путем нагрева в потоке горячих газов.

Газы эти состоят из продуктов горения природного газа, либо мазута,

смешиваемых с воздухом. При работе на газообразном топливе мартеновская печь для подогрева воздуха имеет два регенератора, т.е. камеры с насадкой из огнеупорного кирпича. Температура отходящих из печи газов – 1500-1700C. Они, попадая в регенераторы нагревают насадку до 1250-1280C. Расплавление шихты производится факелом. В последнее время используются двухванные мартеновские печи, позволяющие более полно использовать тепло отходящих газов. Без регенераторов температура газов не превышает 1450C, и металл не может быть расплавлен. Подогретый воздух повышает температуру горящих газов (факела до 1700C). Расход топлива составляет от 80 до 120 кг на тонну стали.

При кислородно-конвертерном переделе чугуна в сталь сжигаются часть углерода и марганца, почти весь кремний и около 3% железа, содержащихся в чугуне.

Кислородно-конвертерный передел чугуна является более дешевым, по сравнению с мартеновским, но ограничением является относительно меньшее количество перерабатываемого металлолома.

По сравне6нию с чугуном сталь содержит меньше серы и фосфора. Однако, примеси, поступающие в шихту с металлоломом (олово, мышьяк и др.) ухудшают потребительские и эксплуатационные характеристики готовой стали. Существенно влияют на качество стали также растворенные в ней газы (кислород, азот, водород).

При продувке чугуна воздухом в бессемеровских конвертерах, готовая сталь содержит больше азота, придающего ей хрупкость.

Мартеновская сталь также содержит азота и водорода больше, чем конвертерная.

Легирование стали возможно присадками лигатур. В мартенах и электропечах легирование производят как при нахождении металла в печи, так и после выпуска в ковш. Конвертерная сталь легируется практически всегда в ковшах.

Так как имеются ограничения количества присадок, охлаждающих расплав, то обычно в конвертерах производится менее легированная сталь. В настоящее время конвертерные цехи оборудуются специальными агрегатами типа ковш-печь, позволяющими расширить диапазон легирования сталей.

В индукционных электрических печах нагрев расплава не связан с поступлением углерода из электродов, характерных для дуговых печей. Их применение особенно целесообразно при изготовлении малоуглеродистых мартенситно-стареющих, а также электротехнических сталей.

После выплавки в плавильных агрегатах, сталь выпускается в сталеразливочные ковши, где она подвергается раскислению – удалению из стали растворенного кислорода.

Из сталеразливочных ковшей сталь выпускается либо в изложницы, либо более экономично разливается на установках непрерывной разливки стали – УНРС. Существенным усовершенствованием метода непрерывной разливки сталей является замена стопоров шиберами. Бесстопорный метод позволяет проводить разливку многих ковшей (до восьми) один за другим по принципу плавка за плавкой.

Плавка цветных металлов требует более глубокого обогащения руд, так как содержание в них извлекаемых металлов на 1-2 порядка меньше, чем в железных рудах.

Наиболее широко в машиностроении применяют медь, алюминий, магний, титан, никель, олово, свинец и др. металлы, которые используются как в чистом виде, так и в качестве основы сплавов.

Для производства меди используют руды, содержащие ее от 1 до 6%, а для получения серебра – содержащие лишь 0,02% Ag. Медь производят из сульфидных руд (1-6% Cu, 9-46% FeO, до 55% SiO2 и 12% АlО3), окисленных руд (до 2% Cu, 0,1-0,2% S, до 68% SiO2 и до 16% Ai2O3).

Перед плавкой медные руды обогащают. Сульфидные руды сначала переплавляются в специальных печах для расслоения расплава на тяжелую фазу (штейн) и легкую фазу – шлак. Разделение фаз производят поочередным их выпуском через отверстия в печи, расположенные на разных уровнях.

Медный штейн, состоящий в основном из Cu2S и Fe, конвертируют в оксиды железа и черновую медь. Конвертирование медного штейна проводят для окисления сульфидов и железа и перевода окислов в шлак, а окислов серы в SО2. Для этого через штейн пропускают сжатый воздух. В конвертере получают только черновую медь МК1, содержащую 98,4-99,4% Cu, с примесями серы, железа и небольших количеств никеля, олова, серебра.

Для удаления вредных примесей черновую медь рафинируют огневым методом путем их окисления и перевода в шлак. При этом в штейн выделяются и вышеуказанные (Ni, Co, Ag, Au, Pt и др. элементы). Иногда их рыночная стоимость превышает стоимость меди.

Указанные примеси выделяются в виде шламовых осадков при электролитическом рафинировании, черновой меди. Дальнейшая очистка меди производится повторным электролизом, после которого возможно получить медь с чистотой 99,95%. Еще более высокую чистоту меди достигают вакуумным переплавом.

Основным сырьем для производства алюминия служат алюминиевые руды:

бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Наиболее широко используются бокситы. Получают алюминий из руд методами электролиза, но не из водных

растворов, а из расплавов. Расплавы Al2O3 в криолите (соединение Na3AlF6) выдерживают при температурах порядка 1000C. Процесс электролиза производят в электролизере, имеющем анодное и катодное пространства.

Иногда электролизер называют алюминиевой ванной. На катоде высаживается алюминий, а на аноде – кислород. Осаждаемый на дне ванны алюминий извлекают вакуум-ковшом. Полученный в результате электролиза алюминий называют алюминием-сырцом, который затем рафинируют. Рафинирование проводят путем продувки хлором, и затем отстаиванием. После рафинирования чистота алюминия достигает 99,5-99,85%.

Сырьем для производства титана является ильменит – FeO.ТiО2, рутил – ТiО2, и другие руды. Содержание титана в различных рудах колеблется от 10 до 60%. Поэтому титановые руды обогащаются, и концентраты титановых руд обычно содержат от 42 до 68% ТiО2.

Полученные концентраты титановых руд смешивают с углеродистым восстановителем, в результате которого оксиды железа восстанавливаются полностью, а оксиды титана образуют шлак и отделяются от оксидов железа, поскольку они легче. Полученный титановый шлак хлорируют. В результате реакции TiO2 + 2C + 2Cl2 ® TiCl4 + 2CO.

Полученный четыреххлористый титан сжижается при более высоких температурах, чем окись углерода и поэтому смесь газообразных ТiС4 и СО разделяется. Сконденсированную жидкость нагревают до 1000C и восстанавливают парами магния, кипящего при 1107C.

После восстановления получают титановую губку, которая используется для приготовления сплавов на основе титана, а также в качестве геттеров для поглощения Н2, N2 и О2.

Как правило, титан и магний производят на одном заводе, так как хлористый магний, являющийся побочным продуктом производства титана.

При магниетермическом методе получения титана MgCl2, является основным сырьем для получения магния.

Из четыреххлористого титана чистый титан получают восстановлением в реакторах. В реактор загружают чушковый магний, воздух из реактора откачивают и заполняют реактор аргоном. Температура в реакторе поддерживается в пределах 950-1000C. Титановую губку нагревают в вакууме при 900-950C. Затем титановую губку переплавляют в вакуумных дуговых печах. После двукратного переплава чистота титана достигает 99,6-99,7%. Слитки эти используют в виде проката на лист для штампованных деталей и др. изделий.