VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лефтаева П.Н. 1Бабарыкина Е.Д. 1

---

1МАОУ "СОШ №154 г.Челябинска"

Магафурова Ф.Ф. 1

---

1МАОУ "СОШ №154 г.Челябинска"

Работа в формате PDF

611.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

«Урал!

Опорный край державы,

Ее добытчик и кузнец,

Ровесник древней нашей славы

И славы нынешней творец».

А. Твардовский.

Актуальность проблемы

Мы не представляем свою жизнь без автомобиля, труб для водоснабжения и водоотведения, самолетов, поездов, кораблей. Для создания любого типа транспортного средства необходим металл или сплав. Поистине грандиозным событием в истории человечества стало появление металлургии – умение человеком извлекать из различных руд металл или находить его в чистом виде. Человечество прошло долгий путь от кустарного производства металлов и сплавов к промышленному выпуску. Слово «металлургия» произошло от «ergon», что означает «работа» [1]. Переход от каменных орудий труда, охоты и военных завоеваний к орудиям и оружию из металла имел огромное значение в истории человечества. Произошло коренное изменение в укладе жизни человека, поменялись все основные сферы его жизнедеятельности и, наконец, изменилось само общество.

Академик Ферсман А.Е. назвал Уральские горы, а конкретно, Ильменский заповедник, минералогическим раем под открытым небом. Я считаю, что весь Урал – это «кладовая» минералов, значение и ценность которой трудно переоценить. Ценнейшие запасы полезных ископаемых, на мой взгляд, стали главной причиной развития черной и цветной металлургии в нашем регионе. Поэтому Урал и называют опорным краем российской державы.

Каковы современные технические системы и технологические процессы в металлургии?

Цель работы

Выявить преимущества и недостатки получения металлов методом порошковой металлургии

Задачи

Изучить состав некоторых месторождений минералов на Урале.

Создать коллекцию минералов для школьного музея.

Изучить литературу по исследованиям в Южно-Уральском государственном университете при помощи современной технологии – порошковой металлургии.

Методы исследования

Теоретический анализ литературы.

Исследовательско – практический синтез материала.

Описательно – сравнительный анализ.

Основная часть

Легенда о манси.

Народы манси, населявшие Урал, создали много красивых легенд о том, как однажды манси отбили атаку великанов людоедов. Людоеды с криком, ритуальными танцами, пожирая все на своем пути, продвигались все дальше вглубь Урала. Они хотели покорить мансийцев, но возмутился Мансийский Урал. Едва людоеды вступили в область священных мест, как земля вздрогнула. От испуга окаменели великаны… Так и стоят они доныне. А оружие великанов ушло в землю. Их доспехи превратились в медные жилы. Вот поэтому в наше время на Урале найдены богатые медные руды. Славится Урал запасами медной руды![1].

Месторождения медной руды на Урале

В настоящее время Урал является ведущим меднорудным регионом нашей страны. Уральские медные руды содержат примеси других цветных и редких металлов, в частности, цинка, ванадия, кобальта и других, что увеличивает их ценность.

В годы довоенных пятилеток благодаря исключительной энергии уральских геологов были разведаны крупные запасы меди в медноколчеданных месторождениях Среднего Урала (Дегтярское, Белореченское, Пьянко-Ломовское, Левихинское) и открыта новая колчеданная провинция на юге Уральского хребта (Блявинское, Сибайское, Учалинское месторождения). Они послужили базой для ускоренного восстановления Кировоградского (бывшего Калатинского) и Карабашского медеплавильных заводов, а также строительства новых — Красноуральского, Медногорского, Среднеуральского.

Послевоенные годы ознаменовались выявлением ряда новых месторожде­ний медных руд, особенно на Южном Урале: в 1958 г. в Оренбургской области, близ города Орска, у озера Гай (местные жители давно заметили целебные свойства его вод), было открыто Гайское месторождение. С 1959 г. гайская руда поступает на все медеплавильные заводы Урала. Использо­вание ее позволило значительно снизить себестоимость выплавляемой здесь меди.Руда Гайского месторождения кроме меди, содержит в промышленных концентрациях: цинк, свинец, сера, золото, серебро.

В начале 70-х гг. на Южном Урале разведано новое крупное месторождение меди — Подольское. Колчеданные залежи располагаются в виде пяти рудных тел, месторождение богато многими ценными примесями. Здесь же, на Южном Урале, с начала 80-х годов осваивается еще один медно­рудный район — Верхнеуральский: месторождения Узергинское, Молодежное (см. приложение).

В 1987 г. найдена медь в Режевском районе Свердловской области — Сафьяновское месторождение. Оно открывает перспективы поисков медноколчеданных руд в восточной полосе Урала (и в Зауралье). Стали известны месторождения меди и на Северном Урале — Валенторское, Тарньерское, Саумское, Ново-Шемурское, которые в последние годы подготовлены для промышленного освоения.

Перспективным районом развития цветной металлургии становится Полярный Урал. Здесь за последнее десятилетие разведано несколько месторождений: медно-молибденовые руды Лекын-Тальбейского района, медно-никелевые и хромовые хребта Рай-Из, Саурейское свинцовое, Харбейское молибденовое, Пай-Хойское медно-никелевое и другие. На западном склоне Урала широкой полосой с севера на юг распространены медистые песчаники. Эти руды имеют осадочное происхождение, залегают в виде отдельных гнезд, но из-за рассеянности залежей разработка их не производится. Исключение составляет Каргалинское крупное месторождение на юге Предуралья.

С учетом современного уровня добычи горнорудные предприятия Урала обеспечены медным сырьем на многие годы.

Производство меди

Производство меди издревле представляло собой очень трудоемкий многоступенчатый процесс, в котором широко распространенные в природе медные сернистые руды путем обжига переводились в оксиды. Далее обожженную медную руду плавили в шахтных печах с добавлением кокса. В результате получался штейн, металлургический продукт, содержащий до 45% меди в виде сульфидов. Дальнейшей переработкой штейна в пламенных печах получали черновую медь. Сейчас медь получают электролизом, хотя на этот процесс требуется огромное количество электроэнергии. Медь незаменима в электротехнике и электроэнергетике. На основе меди сейчас изготавливают бесчисленное количество сплавов, основными лигирующими элементами которых являются олово, никель, цинк. Медно-цинковые сплавы (латуни) широко применяются в автомобильной, химической промышленности, приборостроении. Медно-никелевые сплавы (монель) используются для работы в коррозионно-агрессивных средах, а также для изготовления ненамагничиваемых изделий. Медно-оловянные сплавы (бронзы) издавна славились своими литейными и антикоррозийными свойствами

Из-за нехватки олова, дороговизны и недостаточно прочностных характеристик бронзовых изделий перед людьми долгое время была проблема замены бронзы на более дешевый и прочный металлический материал. Им во втором тысячелетии до нашей эры оказалось железо. На протяжении многих столетий горные мастера выплавляли железо из соответствующей руды в примитивных горнах – сыродутных печах, которые были единственным способом получения металла из железной руды. После сыродутных печей людьми была создана более совершенная плавильная печь – штюкофен, ставшая первой ступенью на пути к созданию промышленной доменной печи, выплавляющей чугун. [6]

«… Что есть всем началам начало и всем силам сила, и под кем золото ходит…»[1]

Славу Уралу создали прежде всего железные руды, месторождения которых известны здесь с XVII в. Железорудные месторождения Урала в рудном потенциале нашей страны в настоящее время занимают значительное место. Большая часть уральских железных руд сравнительно легко обогащается, рудные тела неглубоко залегают, имеется ряд крупных скоплений, что дает возможность применять широкую механизацию работ и концентрировать металлургическое производство. Главные залежи железных руд приурочены к восточному склону Урала, к зоне Тагильско-Магнитогорского (Зеленокаменного) прогиба, где они образуют серию месторождений, особенно в пределах Среднего и Южного Урала.Еще в 30-х гг. была поставлена задача создания на востоке страны второго угольно-металлургического центра СССР на базе богатейших рудных месторождений Урала и угольных — Сибири. Тогда же начались интенсивное изучение и разработка железорудного месторождения горы Магнитной на Южном Урале. Первый советский рудник на горе Атач (Атачи) пущен 15 мая 1931 г. Сейчас запасы железной руды горы Магнитной исчерпаны, но в первые десятилетия Магнитогорского металлургического комбината, и особенно в годы Великой Отечественной войны, это месторождение имело огромное экономическое значение в развитии черной металлургии нашей страны. В годы первых пятилеток были доразведаны запасы руд старых месторождений — Алапаевского, Каменско-Синарского, Зигазино-Комаровского, Бакальского. Здесь выросли металлургические центры — в том числе и Челябинский. Шло активное изучение железных руд на Южном Урале. Помимо месторождений горы Магнитной была разведана Халиловская группа природно-легированных железо-хромо-никелевых руд. Природно-легированные руды содержат, наряду с железом, легирующие, т. е. улучшающие качества металла компоненты (никель, титан, хром).На базе их сооружен Орско-Халиловскийметаллургический комбинат.

В период Великой Отечественной войны Урал был основным центром черной металлургии страны.

После войны начата разведка и разработка титаномагнетитовых руд Качканарского месторождения — одного из крупных железорудных районов Урала. Железо здесь известно со времени Палласа, но освоение месторождения (Гусевогорского) начато в последнее двадцатипятилетие. Местные титаномагнетитовые руды содержат сравнительно небольшое количество железа (до 17 %), но зато в них мало серы и фосфора. На этом месторождении в Качканаре работает один из крупнейших в стране горно-обогатительных комбинатов. Известность получили и другие месторождения титаномагнетитов — Висимское, Первоуральское.

На Южном Урале разведочными работами в пределах Бакальского рудного поля (Челябинская область) были выявлены новые месторождения бурых железняков и сидеритов — Ново-Бакальское, Рудничное, Петлинское.

В конце 50-х гг. в Южном Зауралье, юго-восточнее Троицка (в области Зауральского плато), открыто крупнейшее месторождение магнетитовых руд — Качарское. В 80-е гг. начата его эксплуатация. Оно укрепит железорудную базу Южного Урала, так как Соколовско-Сарбайское месторождение почти на исходе. Железо Качарского месторождения залегает на большой глубине, и разработка его трудна, но трудности восполняются за счет хорошего качества железа ) (см. приложение, таблица).

С помощью магнита и компаса мы определили ферромагнитные свойства минералов. Получили следующие результаты: см.приложение, таблица.

Современные технические системы и технологические процессы в металлургии.

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них. В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов:

1) производство порошков 2) смешивание порошков3) уплотнение (прессование, брикетирование) 4) спекание. Применяется как экономически выгодное в массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом. Изделия порошковой металлургии сегодня используются в широком спектре отраслей, от автомобильной и аэрокосмической промышленности до электроинструментов и бытовой техники. Технология продолжает развиваться.

Основные промышленные способы изготовления металлических порошков:

Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.

Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом или в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.

Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.

Электролитическое осаждение металлов из растворов.

Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.

Изготовление порошковых изделий

Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: приготовление шихты (смешивание), формование, спекание и калибрование.

Приготовление смеси

Смешивание — это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.

Формование порошка

Формование изделий осуществляем путём холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.

Спекание

Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).

Калибрование

Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность

Исследования методом порошковой металлургии вЮжно-Уральском государственном университете

Группой ученых Южно-Уральского государственного университета (Шестаковым Александром Леонидовичем, Кариповым Рамзилем Салаховичем, Галимовым Дамиром Муратовичем, Кариповым Денисом Рамзилевичем) проведено исследование по подбору конструкции и режимов изготовления капиллярно-испарительного патрона (КИП), используемого в качестве насоса для транспортировки жидкости и последующего преобразования ее в пар в термосифонах и тепловых трубах. Использовался метод порошковой металлургии. В качестве металлического порошка применилась мелкодисперсная медь. В результате исследования ученые пришли к следующим выводам:

1. Изготовление капиллярно-испарительного патрона из мелкодисперсных медных порошков спеканием методом порошковой металлургии возможно.

2. При спекании для увеличения пористости структуры капиллярно-измерительного патрона, упрощения съёма заготовок фитилей из пресс-форм и снижения окисления можно добавлять мочевинув порошке с размером частиц 10–15 мкм в количестве не более 5–8 % по объёму к ПМС-1 с перемешиванием и последующим нормированным уплотнением полученного порошка в пресс-форме.

3. Оптимальной температурой спекания медного порошка, обеспечивающей достаточную механическую прочность, теплопроводность КИП, оптимальную пористость его структуры, придающей ему свойства капиллярного насоса и парообразователя, является 840–850 °С. [8] (см. приложение Д, Е).

Лазерное сплавление металлических порошков.
Недавно на базе Южно-Уральского государственного университета был создан Научно-образовательный центр «Машиностроение и металлургия».
Научно-образовательный центр оснащен суперсовременным оборудованием производства Японии, Германии, Австрии и США. Очень интересные исследования ведутся на лабораторной установке для лазерного сплавления порошковых материалов «SinterstationPro DM125 SLM System» (США). Здесь изготовлены изделия, способные заинтересовать отечественную медицину, и это – исключительно новаторская разработка.

Эта установка позволяет путем послойного наплавления с помощью лазерного луча формировать металлические детали из порошков. Есть ряд порошковых материалов, сертифицированных под эту машину, это порошки чистого титана, титаносодержащих сплавов, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, медных сплавов(см. приложение).

В машине на специальную площадку помещается слой порошка толщиной примерно в 0,05 миллиметра. Затем на порошок направляется лазерный луч мощностью 220 Вт, он  производит сплавление именно в тех местах, где это требуется. Процесс осуществляется в инертной среде – в аргоне, чтобы исключить реакции окисления металла. После того, как произведено сплавление в первом слое, платформа опускается, наносится новый слой материала, и процесс повторяется. Таким образом, изделие наращивается слой за слоем, высота его может быть разной. В результате получена мини-копия турбинки. Это сложно-профильная деталь. У нее каждый лепесточек имеет свою пространственную форму, но главное, чтобы лепесточки не рассыпались. Сама деталь сплошная. (см. приложение З). Турбинки используются в автомобильной промышленности, ракетостроении, авиастроении.

Эту машину можно использовать также для получения изделий из титаносодержащих сплавов для реконструктивно-восстановительной хирургии.Например, одним из возможных вариантов замещения костно-хрящевой ткани после удаления носа может быть титановый имплантат. Такие работы ведутся совместно с государственным лечебно-профилактическим учреждением «Челябинский областной клинический онкологический диспансер»

На компьютере можно спроектировать любую деталь, а за несколько часов ее можно изготовить на такой установке. Можно изготовить детали, из которых соберется законченное изделие, которое будет работать. Используется 3D-моделирование.[9]

Заключение

В процессе работы были выявлены преимущества и недостатки порошковой металлургии, а именно:

Благодаря структурным особенностям, продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят циклические перепады температур и напряжений деформации, а также радиоактивного излучения.

Однако порошковая металлургия имеет и недостатки, сдерживающие её развитие: сравнительно высокая стоимость металлических порошков, необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии, невозможность изготовления в некоторых случаях заготовок больших размеров, необходимость использования чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Изделия порошковой металлургии находят применение в автомобилестроении, ракето- и самолетостроении, а также в медицине (получение имплантантов для челюстно-лицевой хирургии), при лечении онкологических заболеваний.

Список литературы

Пермяк Е.А. Наш край –М. 1970. – С. 233-236

«Золотая нить» (Миасс в легендах и преданиях). Миасское краеведческое общество. Издание 2-е переработанное и дополненное. Миасс 1994.

http://urbibl.ru/Knigi/kak-otkriti-uralskie-gori/57.htm.

http://amurinform.ru/wp-content/uploads/2015/10/met.rek.-mednye-rudy.pdf

http://www.conatem.ru/tehnologiya_metallov/zheleznye-rudy-vidy-mestorozhdeniya-domennyj-process.html

antologiya-vydayuschihsya-dostizheniy-v-nauke-i-tehnike-chast-16-otkrytiya-i-izobreteniya-v-metallurgii (1).pdf

http://urbibl.ru/Knigi/kak-otkriti-uralskie-gori/57.htm.

https://vestnik.susu.ru/metallurgy/article/viewFile/3951/3550.

http://www.lastech.ru/specialisty-yuurgu.html.

Приложение 1 [4]

Приложение 2 [5]

Приложение 3

(нами проведено исследование ферромагнитных свойств некоторых минералов)

Приложение 4

Прессформы

Спекаемые заготовки капиллярно-испарительных патронов

Приложение 5

Капиллярно-испарительный патрон после механической обработки на токарном станке

Капиллярно-испарительный патрон полученный спеканием при 850⁰С

Приложение 6

Лабораторная установка для лазерного сплавления порошковых материалов «SinterstationPro DM125 SLM System» (США) [9]

Приложение

Сложно-профильная деталь. У нее каждый лепесточек имеет свою пространственную форму, но главное, чтобы лепесточки не рассыпались. Сама деталь сплошная. Турбинки используются в автомобильной промышленности, ракетостроении, авиастроении. [9]