Теория сплавов. Производство чугуна
Лекция 2
Контрольные вопросы к Лекции 1
1. Что называют металлами? Какими свойствами они обладают?
2. Что образуют в металлах атомы?
3. Что образуют атомы в плоскости? В пространстве?
4. Перечислить типы кристаллических решеток?
5. Каким образом расположены атомы в ячейке кубической объемно-центрированной решетки?
6. Каким образом расположены атомы в ячейке кубической гране -центрированной решетки?
7. Каким образом расположены атомы в ячейке гексагональной плотноупакованной решетки?
8. Какие несовершенства имеет реальный кристалл в отличие от идеального?
9. Что называется кристаллизацией?
10. Из каких стадий состоит процесс кристаллизации?
11. Что называется кристаллитами или зернами?
12. На что влияет размер зерен в металле?
13. Что называется аллотропией?
14. Что называется модификацией?
15. Что значит аллотропическое превращение?
16. Как обозначают модификации?
17. Перечислить методы исследования строения металлов?
18. Охарактеризовать макроскопический анализ?
19. Охарактеризовать микроскопический анализ?
20. Охарактеризовать рентгеноструктурный анализ?
21. Охарактеризовать метод радиоактивных изотопов?
22. Охарактеризовать метод меченых атомов?
23. Что значит механическая деформация?
24. Что значит упругая деформация?
25. Что значит пластическая деформация?
26. Перечислить методы испытания механических свойств?
27. Охарактеризовать статические методы?
28. Охарактеризовать динамические методы?
29. Охарактеризовать циклические методы?
30. Охарактеризовать методы испытания на растяжение?
31. Охарактеризовать методы испытания на твердость?
32. Охарактеризовать методы испытания на твердость по Бринеллю?
33. Охарактеризовать методы испытания на твердость по Роквеллу?
34. Охарактеризовать методы испытания на твердость по Виккерсу?
35. Охарактеризовать методы испытания на ударный изгиб?
36. Охарактеризовать методы испытания на усталость?
План
1.Основные сведения о сплавах
2.Диаграммы состояния сплавов
3.Производство чугуна
3.1 Исходные материалы
3.2 Огнеупорные материалы
3.3 Обогащение руд
3.4 Подготовка материалов к доменной плавке
3.5 Выплавка чугуна в доменных печах
4.Чугун, виды чугунов
Чистые металлы очень редко применяются для изготовления деталей. В большинстве случаев в технике применяют сплавы.
Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более химических элементов, обладающее металлическими свойствами. Обычными способами приготовления сплавов является сплавление, спекание, электролиз, возгонка. В твердом виде в сплавах могут образовываться твердые растворы, химические соединения, механические смеси.
Твердым раствором двух (или более) элементовназывают однородное твердое тело, имеющее определенный тип кристаллической решетки. Микроструктура твердого раствора представляет собой однородные зерна, похожие на структуру чистого металла. При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются в зависимости от содержания элементов и отличаются от свойств чистых металлов, из которых они состоят.
Химические соединения могут образовываться с неметаллами (оксиды, сульфиды), а также соединения металлов с резко отличным электронным строением атомов.
Механическая смесь – это когда элементы, входящие в состав сплава не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия.
Диаграмма состояния позволяет для конкретных сплавов проследить за превращениями при их нагревании и охлаждении, определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава, выяснить, будет ли сплав однородным, каковы его жидкотекучесть и пористость. Эти сведения необходимы при разработке литейных технологий. Сведения о структурных превращениях, их характере, структуре, получаемой в результате этих превращений, температурах, при которых начинаются и заканчиваются эти превращения и т.д. необходимы при разработке технологий горячей обработки, термической обработки и сварки деталей из данного сплава.
Железо в чистом виде редко встречается в природе. Чаще всего железо встречается в виде окислов в смеси соединений с другими элементами. Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд.
Рудаминазывают горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.
К железным рудам относят красный (гематит), бурый (лимонит), магнитный (магнетит) и шпатовый (сидерит) железняки.
Эти руды содержат значительное количество рудного вещества и относительно небольшое количество пустой породы. Пустая порода – это такие минералы, которые не пригодны для выплавки металлов. Они легко отделяются от рудных минералов в процессе обогащения или переходят в шлаки при плавке. К пустой породе относятся кремнезем, каолин, доломит, магнезит. В рудах содержатся и вредные примеси, которые осложняют процесс плавки и загрязняют основной металл, снижая его свойства. К вредным примесям относят серу, мышьяк и фосфор.
Для производства чугуна кроме железных руд требуются и другие материалы – марганцевая руда, флюсы, каменноугольный кокс.
Марганцевая руда загружается вместе с железными рудами в доменную печь, если они имеют недостаточное количество марганца.
Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы не допустить "зарастания" рабочего пространства печи и обеспечить расплавления пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре.
Каменноугольный кокс, во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры, во- вторых, обеспечивает восстановление окислов железа.
При производстве чугуна применяются огнеупорные материалы, которые предназначены для футеровки рабочего пространства аппаратов (печи, ковши, дымовые труб и др.), работающих при высоких температурах. Огнеупоры изготавливают из устойчивых природных материалов в виде кирпичей, порошков и различных фасонных изделий.
По химическим свойствам огнеупоры делят на:
Кислые (динасовый кирпич),
Основные (магнезитовый кирпич и доломит)
Нейтральные (углеродистые огнеупоры, хромиты, хромомагнезитовый кирпич, шамот).
Богатые руды, содержащие 50% и более металла, встречаются редко, поэтому в промышленности используют более бедные руды, которые предварительно подвергают обогащению.
Обогащение- обработка руды, не изменяющая химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. С помощью обогащения из руды удаляют часть пустой породы, в оставшейся части (концентрате) процентное содержание рудной массы увеличивается. Отделенную от руды пустую породу, называют хвостами. Существует много различных способов обогащения. Самые распространенные: рудоразборка, магнитное, гравитационное и флотационное обогащение.
Рудоразборка– самый старый способ обогащения: на конвейере по цвету, блеску, форме кусков отбирают куски, богатые рудой и пустую породу.
Магнитное обогащение – применяют для минералов, имеющих большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют магнитом или электромагнитом.
Гравитационное обогащение основано на различие в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и в воздухе. Простейшим ее видом является промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Для большего эффекта применяют отсадочные машины или концентрационные столы.
Флотация применяется в металлургии цветных металлов.
Чугун выплавляют в доменных печах. Чтобы печь работала нормально, ее надо загружать кусковым материалом оптимального размера. Крупные не успевают прогреться, мелкие плотно прилипают друг к другу, не оставляя места для прохода газов. Оптимальными и удобными кусками являются куски размером от 30 до 80мм в поперечнике. Поэтому добываемые на рудниках куски просеивают через грохоты, и куски более 100мм дробят. При добыче и дроблении образуется и мелочь, которую окусковывают до нужных размеров.
Наиболее широко в металлургии применяется агломерация (спекание), которая проводится на больших ленточных агломерационных машинах непрерывного действия. Исходными материалами служат рудная мелочь и колошниковая пыль - отход доменного производства. Эти материалы смешивают с небольшим количеством мелкого кокса (коксиком) или каменноугольной пылью и называют шихтой. После спекания образуется ноздревато-пористый черно-серый продукт - агломерат. Наряду с обычным агломератом производится офлюсованный агломерат, который увеличивает производительность доменных печей. Окускование рудной мелочи проводят и другими способами –
брикетированием – порошковые материалы прессуют, с каким либо связывающем материалом (глиной, жидким стеклом, смолой и т.д.);
производством окатышей – смешивание рудной мелочи и пыли с небольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего (глины или извести)
Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами. Эти печи имеют высоту до 30м и дают в сутки по 2000т. В процессе доменной плавки в верхнюю часть печи, называемую колошником, раздельно загружают окатыши, кокс и флюсы, которые располагаются слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое происходит благодаря вдуваемому в нижнюю часть печи (горн) горячему воздуху, идут сложные физико-механические процессы и шихта постепенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимающимся вверх и выходящим через отверстие. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в горне образуются два несмешивающихся жидких слоя чугун и шлак. Материалы подаются к печи двумя скиповыми подъемниками с опрокидывающимися ковшами по 17м3 на высоту 50м. Жидкий чугун выпускается каждые 2-3ч поочередно через две или три летки, которые вскрывают электробуром. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак выпускается чуть раньше через шлаковую летку и направляется в шлаковозы. После выпуска чугуна и шлака летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью пневматической или электромагнитной пушки. Печь монтируют в прочном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части делают из прессованных углеродистых блоков.
Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи очень сложны и многообразны. Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы:
* горение углерода топлива
* разложение компонентов шихты
* восстановление окислов
* науглераживание железа
* шлакообразование
Эти процессы проходят, одновременно переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью и на разных уровнях печи
Передельный чугун перевозят в ковшах в сталеплавильный цех и заливают в миксер – цилиндрическое хранилище жидкого чугуна (до 2000т).
Литейный чугун разливают в изложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклонном конвейере. Для ускорения охлаждения чугуна, изложницы орошают холодной водой, а затем пятидесятикилограммовые чушки выдают из изложниц на железнодорожные платформы.
Чугуномназывается сплав железа с углеродом, где углерода содержится от 2,14% до 6,67%.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, серый чугун, высокопрочный чугун, ковкий чугун.
Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% называются доэвтектическими.
Белые чугуны с содержанием углерода 4,3% называются эвтектическими
Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3% до 6,67% называются заэвтектическими
Маркировка чугунов:
серые чугуны – СЧ20- цифры характеризуют прочность чугуна (20кгс\мм 2)
высокопрочные чугуны - ВЧ 38-17, ВЧ 45-5 - первое число показывает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение σ =38кгс\мм2, δ =17%; σ =45кгс\мм2,
δ =5%.
ковкие чугуны – КЧ30-6, КЧ63-3 - первое число показывает предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение - σ =30кгс\мм2, δ =6 %; σ =63кгс\мм2,
δ =3%.
Домашнее задание: [1] Глава 2, подготовиться к тестированию по Лекции 2
Контрольные вопросы по Лекции 2:
1 Что называют металлическим сплавом?
2. Перечислить способы получения металлических сплавов?
3.Что образуется в сплавах?
4.Что называют твердыми растворами?
5.Что называют химическими соединениями?
6.Что называют механическими смесями?
7.Что представляет собой диаграмма состояния?
8. Как называют крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов?
9. Что называют рудами?
10.Что относится к железным рудам?
11. Что означает пустая порода и что к ней относится?
12. Какие химические элементы относятся к вредным примесям?
13.Какие материалы кроме железных руд, необходимы для выплавки чугуна?
14.Какие материалы применяют для футеровки плавильных аппаратов?
15.На какие виды по химическому составу делятся огнеупоры?
16. Что значит обогащение руд?
17. Перечислить основные способы обогащения руд? Охарактеризовать.
18. Перечислить способы окусковывания рудной мелочи?
19. Что значит агломерация? Агломерат?
20. Что значит брикетирование, производство окатышей?
21. Что значит доменная печь?
22. Какие материалы загружают в доменную печь для выплавки чугуна?
23.Что образуется в доменной печи в результате взаимодействия компонентов шихты и газов?
24. Перечислить этапы физико-химического процесса выплавки чугуна?
25. Для чего предназначен передельный чугун?
26. Для чего предназначен литейный чугун?
27. Что называется чугуном?
28. Перечислить виды чугунов?
29. Объяснить маркировку чугунов?
30. Объяснить состав сплава чугунов по диаграмме "железо- цементит"
31. Объяснить процессы, происходящие при нагреве и охлаждении белых чугунов по диаграмме "железо- цементит"