Основы металлургического и литейного производства

Серия

«Высшее образование»

С. В. БЕЛЯЕВ
И. О. ЛЕУШИН

ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО 
И ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Допущено Учебно-методическим объединением 

по образованию в области металлургии 

в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 

по направлению бакалавриата 22.03.02 «Металлургия»

(решение Совета УМО №  1101-01-267 от 22.04.2011 г.)

Ростов-на-Дону

«Феникс»

2016

УДК 669(075.8)
ББК 34.3я73
КТК 24

Б44

Р е ц е н з е н т ы : 

Н. А. Кидалов, доктор технических наук, профессор;

И. Е. Илларионов, доктор технических наук, профессор.

Беляев С. В.

Б44
Основы металлургического и литейного производ ства : 

учебное пособие / С. В. Беляев, И. О. Леушин. – Ростов н/Д : 
Феникс, 2016. – 206, [1] с.: ил. – (Высшее образование).

ISBN 978-5-222-24740-2.

Данное пособие содержит описание основ технологии получения 

черных металлов, ферросплавов и литейного производства черных и 
цветных металлов. 

В первой части учебного пособия рассмотрены вопросы получения 

чугуна доменным процессом, а также производства стали кислородноконверторным, мартеновским и электросталепла вильным процессами. 
В необходимом объеме приведены физи ко-химические основы металлургических процессов. Вторая часть посвящена изложению основ литейного производства. Рассмотрены вопросы получения отливок в разовых формах и специальными способами. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направле
нию бакалавриата «Металлургия».

УДК 669(075.8)
ББК 34.3я73

Учебное издание

Беляев Сергей Владимирович, Леушин Игорь Олегович

ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО И ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебное пособие

Ответственный редактор          А. Áоровиêов
Выпускающий редактор           Г. Логвинова
Технический редактор             А. Столярова

Подписано в печать 05.11.2015. Формат 84×108/32. 

Бумага офсетная. Тираж 1500 экз. Çаказ 

ООО «Феникс», 344011, г. Ростов-на-Дону, ул. Варфоломеева, 150.

Тел./факс: (863) 261-89-50, 261-89-59. 

Сайт издательства: www.phoenixrostov.ru. Интернет-магазин: www.phoenixbooks.ru. 

E-mail: borovikov@fenixrostov.ru

ISBN 978-5-222-24740-2
© Беляев С. В., Леушин И. О., 2015 
© ООО «Феникс», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Металлы относятся к числу наиболее распространенных 

материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую 
область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли в качестве конструкционного материала.

Современную жизнь невозможно представить без таких 

металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и других. Будущее человечества 
также связано с использованием новых сплавов и материалов 
на металлической основе. Это относится и к освоению космического пространства, и к работам по прямому получению 
электрической энергии с использованием высокотемпературной плазмы, по управляемым термоядерным реакциям и т. д. 
Металл – это фундамент современной цивилизации, и чем 
выше поднимается человечество по ступеням культуры, тем 
больше возрастает его потребность в металлах.

Сегодня известно около 80 металлов. Среди них всем зна
комые – железо, хром, никель, медь, алюминий, олово, вольфрам; драгоценные – золото, платина, серебро; полученные 
учеными искусственным путем, не существующие в природе – технеций, америций, кюрий; редкие – иттрий, лантан, 
лютеций. Металлы характеризуются своеобразным блеском, 
высокой электропроводностью, прочностью, пластичностью и 
дру гими свойствами.

В природе большинство металлов находятся в окисленном 

состоянии в виде руд, представляющих собой смесь различных оксидов, а также в виде карбонатных, сульфидных и других соединений.

Металлы объединены в несколько групп: черные, цветные 

и благородные металлы. К группе черных металлов относятся 
железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным – практически все остальные металлы периодической системы элементов 
Д. И. Менделеева.

Железо и его сплавы являются основой современной тех
ники и технологии и составляют сегодня более 90% всех металлов, применяемых в современном производстве.

Введение

Железо и его сплавы известны человеку с древности. Рас
копки гробниц египетских фараонов показывают, что египтяне 
применяли железо по крайней мере еще за 4200 лет до н. э. Железо и изделия из него служили сначала только украшениями. Ценилось оно выше золота, видимо, потому что в земных 
условиях железо в чистом виде (в самородках) не встречается – оно попадает на Çемлю из межпланетного пространства 
в виде метеоритов.

Чистое железо – блестящий серебристо-белый вязкий 

и ковкий металл. Оно плавится при температуре 1539 °С, кипит – свыше 3200 °С. Чистое железо крайне непрочно, но легко образует сплавы почти со всеми металлами, кроме щелочных и щелочноземельных, не сплавляется с серебром, ртутью, 
галлием, свинцом и висмутом. 

Важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеро
дом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы 
образуют большую группу чугунов и сталей.

В чугунах и сталях, кроме углерода, присутствуют также 

постоянные примеси других элементов, как полезных, так и 
вредных. Полезными примесями являются кремний, марганец, вредными – сера и фосфор, а также газы: кислород, водород, азот.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержа
ние которого колеблется между 2,14 и 6,5%.

Стали – это сплавы железа с углеродом, содержание кото
рого не превышает 2,14%.

Сталь – важнейший конструкционный материал для ма
шиностроения, изготовления строительных конструкций, транспорта и т. д. Несмотря на постоянное появление и развитие 
новых материалов (пластмасс, цветных металлов, керамики), 
сталь сохранит ведущую роль в будущем. Это обусловлено ее 
высокими эксплуатационными свойствами и возможностью 
производства в больших количествах.

ЧАСТь I. ОСНОВЫ 

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

О ПОЛУЧЕНИИ МЕТАЛЛОВ

В глубокой древности железо получали непосред
ственно из руды в так называемых сыродутных горнах
с принудительной подачей воздуха. В горн слоями загружали железную руду, древесный уголь и вдували воздух. 
С помощью кислорода воздуха в горне сжигался уголь, 
и происходило восстановление железа из оксидов, но для 
расплавления железа температура горна была недостаточной. В результате этого процесса получалась железная губка – спекшаяся масса, состоящая из отдельных 
металлических зерен, – êрицы. В такой крице содержалось значительное количество шлака. Крицу проковывали под молотами и уплотняли, что обеспечивало отжатие шлака и получение сварочного железа.

Сыродутный способ использовался в течение многих 

веков. По мере развития техники производства железа 
из руды: совершенствования конструкции горна, применения более мощных воздуходувных средств (за счет использования энергии воды) и увеличения благодаря этому высоты горна – повышалась интенсивность плавки 
и температура процесса. При этом руда большее время 
находилась в зоне высоких температур, что приводило 
к более полному восстановлению железа и его науглероживанию в нижних частях горна. С повышением температуры горна металл и шлак расплавлялись и вытекали 
из печи. Однако получаемый металл, содержащий значительное количество углерода и небольшие количества 
кремния и марганца, был хрупким и непригодным для 
ковки. Так был получен первый чугун, который нельзя 
было непосредственно использовать для изготовления 

Часть I. Основы металлургического производства

орудий производства, поэтому получение его в сыродутных горнах было нежелательным.

Позже было замечено, что если чугун подвергнуть 

повторному переплаву вместе с железной рудой, то получается железная масса с низким содержанием углерода, 
которая хорошо поддается обработке под молотами. Так 
возник двухстадийный процесс получения железа – новый этап в металлургии стали.

Для переработки чугуна на кричное железо стали ис
пользовать специальные печи, так называемые êричные 
горны, а технологический процесс был аналогичен сыродутному способу. В горн загружали древесный уголь 
и чугун, полученный в сыродутном горне. В ходе плавления происходило окисление примесей чугуна, но при 
этом увеличивалась температура плавления железа, которая практически не достигалась в кричном горне. На 
дно горна выпадали кристаллы металла. В результате 
этого на дне горна образовывалась зернистая железистая 
масса в виде кома слипшихся кристаллов мягкого низкоуглеродистого железа – крицы.

Открытие и освоение такого способа получения же
леза позволило постепенно перейти от сыродутных горнов к рудоплавильным печам – домницам.

Домницы – шахтные печи высотой в несколько ме
тров – являлись прототипом современных доменных 
печей. Для подачи в домницы воздуха использовали 
энергию воды: воздуходувные мехи приводились в движение водяными колесами.

Двухстадийный процесс получения стали сохранился 

до наших дней. Домницы постепенно переросли в современные доменные печи. На смену кричным горнам 
пришли современные сталеплавильные агрегаты.

Все последующее развитие черной металлургии про
ходило как совершенствование доменного и сталеплавильного производств.

В доменной плавке в результате протекания восста
новительных процессов из железных руд получают чугун – сплав железа с углеродом, в котором присутствуют 

1. Исторические сведения о получении металлов

кремний, марганец, сера, фосфор. В сталеплавильных 
агрегатах происходит избирательное окисление примесей, входящих в состав чугуна, с переводом их в шлак 
или газы, и получается низкоуглеродистый расплав – 
сталь.

Жидкую сталь используют для получения стальных 

слитков или заготовок, а также для изготовления литых 
изделий (стальное литье).

Современный высокий уровень металлургического 

производства основан на богатом практическом опыте, 
глубоких теоретических исследованиях и крупных открытиях, сделанных учеными разных стран. Çначительный вклад принадлежит отечественным ученым и изобретателям.

1.1. Структура современного металлургического 

производства

Современное металлургическое производство пред
ставляет собой комплекс целенаправленно организованных технологических процессов, обеспечивающих переработку исходного сырья в готовую металлопродукцию 
заданного качества. Чугун, стальные слитки, прокат (рельсы, балки, швеллеры, уголки, трубы, плиты, листовая и 
рулонная сталь различной отделки), стальные канаты, 
проволока представляют собой продукцию металлургического производства.

В состав современного металлургического комбината 

входит ряд крупных подразделений:

шахты и карьеры по добыче железных руд и камен•

ных углей;

горнообогатительные комбинаты, где осуществля•

ются подготовка и обогащение руд, получение богатых 
концентратов;

коксохимические цехи или заводы, на которых осу•

ществляется подготовка углей, их коксование, а также 
извлечение из них ценных химических продуктов;

доменные цехи для выплавки чугунов и некоторых 
•

ферросплавов;

Часть I. Основы металлургического производства

сталеплавильные цехи (конверторные, мартенов•

ские, электросталеплавильные) для производства стали;

заводы для производства различных ферросплавов;
•

прокатные цехи, в которых стальные слитки и заго•

товки перерабатываются на прокатные изделия – рельсы, балки, автомобильный лист, арматурное железо, 
трубы и т. д.;

энергетическое хозяйство, цехи железнодорожного 
•

транспорта, ремонтные, механические и т. д.

2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ СЫРьЕ И ПОДГОТОВКА 

ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

2.1. Железные и марганцевые руды, флюс и топливо

Для производства черных и цветных металлов при
меняют сырые или специально приготовленные материалы, а также отходы металлургического производства.

К сырым материалам металлургического производ
ства относятся руды, топливо и флюсы.

Руда представляет собой полезное ископаемое, до
бываемое из недр земли. Это горная порода или минеральное вещество, из которого при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать 
металлы или их соединения. Руды обычно называют 
по одному или нескольким металлам, содержащимся в 
них, например железные, алюминиевые, медные, медноникелевые, медно-кобальто-никелевые.

Железные руды обладают достаточно большим срод
ством к кислороду и встречаются главным образом в 
виде соединений с кислородом и двуокисью углерода, 
а именно:

– магнитный оксид Fe3O4;
– безводный оксид Fe2O3;
– водный оксид Fe2O3·nH2O;
– карбонат железа FeCO3 (48,3% Fe).

2. Металлургическое сырье и подготовка железных руд

Магнитный оксид железа в рудах представлен ми
нералом – магнетитом. Руду, содержащую в основном 
магнетит, называют магнитным железняêом, или магнетитовой рудой. Носителем железа в руде является магнетит Fe3O4, содержащий 72,4% железа. Такие руды обычно содержат 50–60% железа и часто загрязнены серой в 
виде пирита FeS2.

Магнетит характеризуется высокой магнитной вос
приимчивостью, и поэтому магнитные железняки пригодны для электромагнитного обогащения.

Безводный оксид железа представлен в рудах мине
ралом – гематитом Fe2O3 (70% Fe). Руды, содержащие в 
основном данный минерал, относят к гематитовым рудам, или êрасным железняêам. Красный железняк Fe2O3 
содержит обычно 55–70% железа. Это наиболее распространенная руда с небольшим количеством вредных 
примесей. Пустая порода руды состоит в основном из 
кремнезема SiO2, глины Al2O3 и незначительного количества примесей других оксидов. Гематитовые руды обладают высокой степенью восстановления.

Водный оксид железа, или бурый железняê, пред
ставлен в рудах минералами – лимонитом 2Fe2O3·3H2O и 
гетитом Fe2O3·H2O. Наиболее распространенный лимо. Наиболее распространенный лимо
нит содержит 59,8% железа. Большинство месторождений бурых железняков имеют осадочное происхождение 
и образовались в результате выветривания и окисления 
других железных руд. Обычно руда содержит 37–55% Fe, 
повышенное содержание марганца и вредных примесей – серы и фосфора. Благодаря малой плотности и 
высокой пористости руды легко восстанавливаются.

Карбонат железа представлен в рудах минералом – 

сидеритом FeCO3 (48,3% Fe). Руды, содержащие в основ Fe). Руды, содержащие в основ). Руды, содержащие в основ
ном сидерит, называют шпатовыми железняêами. Они 
чистые по вредным примесям, но содержание железа, по 
сравнению с другими типами руд, меньшее: 30–40%.

Марганцевые руды являются неотъемлемой частью 

сырьевой базы черной металлургии. Они содержат 42–
47% Mn и применяются для выплавки ферросплавов, 

Часть I. Основы металлургического производства

содержащих 10–80% марганца, а также для получения 
передельных чугунов с содержанием марганца 1%.

Марганец в рудах содержится в виде минералов: пиролюзита MnO2, браунита Mn2O3, гаусманита Mn3O4, манганита Mn2O3·H2O, родохрозита MnCO3, родонита MnSiO3. 
Пустая порода по своему составу такая же, как и в железных рудах.

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой 

породы железосодержащей шихты и золы кокса в легкоплавкий жидкотекучий шлак требуемого состава, обладающего определенными физическими свойствами, 
в частности способностью связывать серу и нейтрализовать кремнезем.

При выплавке чугуна на коксе в качестве флюса 

используют известняк, состоящий из карбоната кальция
CaCO3, или доломитизированный известняк, содержащий 
CaCO3 и MgCO3.

Известняк содержит 52–54% CaO; 0,6–1,0% SiO2; 

0,005–0,012% S и 0,008–0,015% P, в обычном содержится 
0,5–3,0%, а доломитизированном 5–10% MgO.

При доменной плавке также используют некоторые 

отходы производства, содержащие Fe, Mn, CaO и MgO.
К ним относят колошниковую пыль, сварочный шлак 
и окалину. Наиболее широко применяют колошниковую 
пыль, состоящую из металлических железосодержащих 
материалов и кокса, уловленных при очистке газа доменных 
печей. В пыли содержится 40–50% Fe и 3–15% C. 
С целью утилизации ее добавляют в шихту к рудам или 
концентратам при их окусковании.

В качестве топлива в доменной плавке применяют 

кокс, мазут, природный и коксовый газы, каменноугольную пыль. Основным видом топлива является каменноугольный êоêс, который представляет собой твердую 
и прочную пористую массу, которую получают нагревом 
при высокой температуре без доступа воздуха.

Топливо доменной плавки служит не только для на
грева шихты и ее расплавления, но и как основной химический реагент для восстановительных процессов.