Материаловедение и технология конструкционных материалов. Часть 2

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет»
Н.М. РОМАНЧЕНКО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИЯ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЧАСТЬ 2
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Рекомендовано Межрегио 
нальным учебно- 
методическим советом 
профессио 
нального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 
35.03.06 «Агроинженерия» (квалификация (степень) «бакалавр»)
(протокол № 8 от 19.10.2022)
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
Р69
Р е ц е н з е н т ы:
Носков Ф.М., доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии обработки материалов Политехнического 
института Сибирского федерального университета;
Петровский Н.В., кандидат технических наук, доцент, мастер производственного обучения Красноярского аграрного техникума
Романченко Н.М.
Р69 
 
Материаловедение и технология конструкционных материалов: 
учебное пособие: в 2 частях. Часть 2 / Н.М. Романченко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2025. — 263 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/
2056720.
ISBN 978-5-16-018777-8 (print)
ISBN 978-5-16-111677-7 (online)
Учебное пособие содержит основные теоретические сведения и методические указания по выполнению лабораторных работ и индивидуального 
расчетного задания по разделу «Технология конструкционных материалов» дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов». Для проверки полученных знаний предложены контрольные 
тестовые задания.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины 
и оборудование», 35.03.06 «Агроинженерия».
УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
© Романченко Н.М., 2024
© Красноярский 
ISBN 978-5-16-018777-8 (print)
ISBN 978-5-16-111677-7 (online)
государственный 
аграрный университет, 2024

Введение
Настоящее учебное пособие предназначено для изучения второй 
части дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов» студентами, обучающимися по направлениям 
подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» и 15.03.02 «Технологические 
машины и оборудование».
Материаловедение и технология конструкционных материалов 
является наукой о строении, свой 
ствах и технологии создания материалов. Эта область знаний относится к числу основополагающих 
инженерных дисциплин, поскольку изготовление традиционных 
и разработка новых материалов, изучение их свой 
ств и способы их 
обработки являются основой современного производства.
Достаточный уровень знаний в области материаловедения и технологии материалов является важным показателем образованности 
специалистов в области агроинженерии.
Дисциплина нацелена на формирование общепрофессио 
нальных 
компетенций выпускника:
 
– ОПК-1 —  
способен решать типовые задачи профессио 
нальной 
деятельности на основе знаний основных законов математических и естественных наук с применением информационно- 
коммуникационных технологий;
 
– ОПК-4 —  
способен реализовывать современные технологии 
и обосновывать их применение в профессио 
нальной деятельности.
В результате изучения второй части курса «Материаловедение 
и технология конструкционных материалов» студент будет:
 
– знать технологии формообразования и обработки заготовок 
для изготовления деталей заданной формы и качества, их 
технологические особенности;
 
– уметь выбирать рацио 
нальные технологии получения заготовок исходя из заданных эксплуатационных свой 
ств;
 
– владеть методикой выбора технологий изготовления 
элемен 
тов машин и механизмов, используемых в сельскохозяйственном машиностроении.
В предлагаемом учебном пособии представлен основной теоретический материал, расчетная и лабораторные работы.
При изучении раздела «Горячая обработка металлов» предусмотрено знакомство с оборудованием и материалами, применяемыми в металлургии, литейном, сварочном производствах, обра3

ботке металлов давлением, а также приобретение студентами навыков обработки и оформления полученных данных.
Отдельная глава посвящена металлургическому производству. 
В ней описаны методы получения черных и цветных металлов 
и сплавов, наиболее широко применяемых в сельскохозяйственном 
машиностроении.
В пособии приведены методические указания по выполнению 
индивидуального расчетного задания по проектированию технологического процесса ручной дуговой сварки.
Для проверки полученных знаний по каждой из глав предложены контрольные вопросы и образцы тестовых заданий для текущего контроля по всем разделам дисциплины.
4

Раздел I. 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Глава 1. 
ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНА
Металлургическое производство (МП) возникло на заре развития человеческого общества. Такие металлы, как железо, медь, 
серебро, золото, свинец, олово, находили широкое применение еще 
до нашей эры.
Современное производство черных металлов представляет 
собой комплекс следующих промышленных предприятий:
 
– шахты по добыче руд и каменных углей;
 
– горно- 
обогатительные комбинаты;
 
– коксохимические заводы;
 
– энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха (дутья) и очистки газов;
 
– доменные цехи для выплавки чугуна; заводы ферросплавов;
 
– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);
 
– прокатные цехи.
Современное металлургическое производство основано 
на глубоких теоретических исследованиях, на крупных открытиях, сделанных в разных странах мира, и на богатом практическом опыте.
Всемирную известность в области металлургии получили такие 
российские ученые, как П.П. Аносов, Д.К. Чернов, А.А. Байков, 
И.П. Бардин, А.А. Бочвар, Н.С. Курнаков и др.
Среди зарубежных ученых необходимо отметить Ф. Осмонда, 
А. Ле Шателье (Франция), У. Робертса- 
Остена (Англия), Э.К. Баррета (США), Э. Мартенса (Германия) и др.
К исходным продуктам металлургического производства относятся так называемые сырые материалы, являющиеся полезными 
ископаемыми (добываются в шахтах).
5

К сырым материалам МП прежде всего относятся руды, топливо 
и флюсы.
Руда —  
это горная порода или минеральное вещество, из которого при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения. Целесообразность 
определяется прежде всего концентрацией металлов в минералах 
(рудах).
Браковочный предел (%) различен даже для одного и того же металла: Fe = 20–60; Сu = 1–3; Ni = 0,3–1,0; Мо = 0,005–0,020, то есть 
железную руду целесообразно перерабатывать с содержанием железа не менее 20%, а молибден целесообразно извлекать из руды 
с содержанием металла всего лишь 0,005%.
1.1. ПОДГОТОВКА РУДЫ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ
В доменную печь загружают не сырые исходные материалы 
(руду и уголь), а шихту, состоящую из двух компонентов: офлюсованного железорудного концентрата и кокса.
Подготовка железной руды заключается в сортировке, дроблении, обогащении, окусковании и усреднении. Эти подготовительные операции проводятся на горно- 
обогатительных комбинатах с использованием специальной технологии и сложного оборудования.
Крупность отдельных кусков руды достигает 1000–1200 мм. Для 
доменной плавки размер кусков должен находиться в пределах 40–
100 мм, для агломерации 6–10 мм, а для обогащения и того меньше 
(до 0,1 мм).
Дробление руды может быть выполнено следующими способами, 
схематически показанными на рис. 1.1.
а
б
в
г
Рис. 1.1. Схематическое изображение основных способов дробления:
а —  
раздавливание; б —  
истирание; в —  
раскалывание; г —  
удар
6

На основе этих способов сконструированы сложные механизмы: 
щековая дробилка, конусная дробилка, шаровая мельница, стержневая мельница и др.
Дробление может быть основной операцией или подготовительной (для обогащаемых руд).
Под обогащением руд понимают процесс обработки с целью 
повышения содержания полезного компонента и снижения содержания вредных примесей путем отделения рудного минерала от пустой породы.
Все применяемые на практике способы обогащения руд 
в большинстве случаев являются по существу механической обработкой. Наиболее распространенными способами являются 
промывка, флотация, гравитационное обогащение, магнитное 
обогащение.
Пустая порода в железных рудах состоит в основном из окислов SiO2, Аl2О3, СаО, MgО, которые находятся в различных соединениях.
Для доменной плавки желательно, чтобы соотношение
 
СаО
MgO
1
SiO
Al O
+
≈
+
. 
(1.1)
2
2
3
Такая руда называется самоплавкой и не требует добавления 
флюсов, что бывает очень редко. Чаще всего это соотношение 
меньше 1, то есть пустая порода является кислой и требует добавки 
флюсов.
Флюсы —  
это вещества, которые вводят в доменную печь для 
перевода пустой породы рудного концентрата и золы кокса в шлак 
требуемого химического состава и обладающего определенными 
свой 
ствами (низкая температура плавления и жидкотекучесть). 
Температура плавления шлака находится в пределах 1450–1600°C.
В качестве флюса в основном используется известняк СаСО3 
или доломитизированный известняк (СаСО3 + MgCО3).
Кроме таких операций, как дробление и обогащение, подготовка 
к доменной плавке включает в себя усреднение и окускование.
Усреднение имеет важное значение. Неоднородность химического и гранулометрического состава шихты крайне отрицательно 
влияет на показатели работы доменных печей.
Особо важное значение имеет постоянство содержания железа. 
При подготовке шихты рекомендуется следить, чтобы отклонения 
по содержанию железа в загружаемых порциях не превышало +0,5% 
от среднего его содержания.
7

Окускование —  
это процесс превращения мелких железорудных 
материалов в кусковые материалы необходимых размеров.
Для подготовки руды к доменной плавке широко применяют два 
способа окускования: агломерацию и окатывание.
Агломерация —  
процесс окускования измельченной руды, обогащенного концентрата и колошниковой пыли спеканием в результате сжигания топлива в слое спекаемого материала или подвода 
высокотемпературного тепла извне. В спекаемый материал добавляется флюс, в процессе агломерации выгорает сера, удаляется 
мышьяк (но не фосфор), и в результате агломерации получается 
пористый офлюсованный концентрат.
Процесс получения окатышей состоит из трех стадий:
 
– получение сырых окатышей;
 
– упрочнение полученных окатышей (подсушка при 300–600°C);
 
– обжиг при температуре 1200–1350°C.
1.2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют ее профилем. Доменная печь представляет собой шахтную 
печь круглого сечения (рис. 1.2).
Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух толщиной 20–25 мм в верхней части и 35–40 мм в нижней, состоящей 
из ряда цилиндрических и конических поясов. Кожух выполняют 
цельносварным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая специальным устройством. Толщина кладки до 2 м.
Колошник цилиндрической формы служит для загрузки печи 
шихтой, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотводы 2. Офлюсованный железорудный агломерат и кокс (шихта) 
подаются на колошник через засыпной аппарат 1.
Шахта печи представляет собой расширяющийся книзу конус, 
что обеспечивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере 
ее расплавления. В распаре шихта плавится, и объем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие 
форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для 
удержания шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями стекает в горн, в процессе перемещения оно насыщается углеродом.
Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) 
и нижней (металлоприемник).
В верхней части горна расположены фурмы 4, в которые подается нагретый воздух (1200°C), обогащенный кислородом (30%). 
8

В фурмы может подаваться газообразное, жидкое или пылевидное 
топливо для экономии кокса.
1
2
Калошник
Калошник
3
Шахта
α
Распар
Заплечики
4
Горн
5
6
Лещадь
Фундамент
Рис. 1.2. Схема доменной печи шахтного типа:
1 —  
засыпной аппарат; 2 —  
газоотводы; 3 —  
огнеупорный материал; 
4 —  
фурмы; 5 —  
шлаковая летка; 6 —  
чугунная летка
Днище горна называется лещадью. На уровне лещади расположены чугунная летка 6, выше —  
шлаковая летка 5.
Лещадь опирается на фундамент, который состоит из двух 
частей —  
нижней подземной, называемой подошвой, и верхней, называемой пнем.
9

Подошву выполняют из бетона, а пень из жароупорного бетона. 
Фундамент делают в виде восьмиугольной плиты, толщиной около 
4 метров. Угол наклона шахты в современных печах составляет 
83–85°, а угол наклона заплечиков составляет 79–81°. Высота заплечиков составляет 3–3,5 м.
В нашей стране построены и работают три типа доменных печей 
с полным объемом 2000, 3000, 5000 м3.
Полная высота этих печей (расстояние от оси чугунной летки 
до верха колошникового фланца) составляет соответственно 32, 34, 
37 м.
В верхней части печи над колошником расположено загрузочное 
устройство 1. Шихту загружают в печь отдельными порциями — 
колошами. Обычно загрузка шихты производится послойно: слой 
агломерата, слой кокса и т.д.
В доменной печи происходит встречное движение и взаимодействие двух потоков: сверху движется шихта, а снизу поток газов, 
образующихся в результате сгорания топлива в зоне фурм. Доменный процесс является восстановительным процессом. Его сущность заключается в восстановлении железа из окислов с последующим его науглероживанием.
Восстановление окислов идет ступенчато по схеме
 
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.  
(1.2)
Главную роль в восстановлении железа из окислов играет окись 
углерода (СО).
Восстановление окислов железа окисью углерода протекает при 
температуре 570°C по следующим реакциям:
 
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q.  
(1.3)
 
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + Q.  
(1.4)
 
FeO + CO = Fe + CO2 + Q.  
(1.5)
Основными технико- 
экономическими показателями доменной 
плавки являются: коэффициент использования полезного объема 
печи (КИПО) и удельный расход кокса (К):
 
КИПО
V
P
=
, 
(1.6)
где V —  
полезный объем печи, м3; Р —  
суточная производительность 
печи, т.
10