Учебное пособие Челябинск




НазваУчебное пособие Челябинск
Сторінка1/28
Дата конвертації21.10.2013
Розмір3.35 Mb.
ТипУчебное пособие
mir.zavantag.com > Химия > Учебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28



Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Филиал в г. Миассе

Машиностроительный факультет

Кафедра «Технология производства машин»

Т.А. Попова, Б.Н. Гришай
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие


Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2


009

Одобрено
учебно-методической комиссией филиала в г. Миассе


Рецензенты:





^ Попова Т.А.

Материаловедение. Технология конструкционных материалов / Т.А.  Попова, Б.Н. Гришай, – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. – 215 с.




ISBN

В первой части пособия рассмотрены современные технологические способы производства черных и цветных металлов, изготовление заготовок и деталей машин из металлов и сплавов литьем, обработкой давлением, сваркой; рассмотрены физические основы этих процессов.

Во второй части рассмотрено кристаллическое строение металлов, воздействие на строение и свойства металлов процессов кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации. Описаны фазы, образующиеся в сплавах. Освещены вопросы, связанные с механическими свойствами, механическими испытаниями, механизмами разрушения. Большое внимание уделено теории и технологии термической, термомеханической, химико-термической обработки сталей, описанию различных сталей и сплавов.

Учебное пособие предназначено для студентов технических специальностей при изучении современных металлургических процессов производства черных и цветных металлов и способов изготовления заготовок и деталей машин.




ISBN © Издательство ЮУрГУ, 2009

^ ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В настоящее время основным видом конструкционных материалов являются металлы и их сплавы; их объем в промышленности составляет ~90%. В связи с этим наибольшее внимание в данном курсе уделяется технологии металлов. Технология металлов — это предмет, изучающий свойства металлов, методы их получения и способы их обработки.

^ 1. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

К основным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.
Механические свойства

Механические свойства характеризуют поведение металлов в процессе деформирования. Под деформированием понимают изменение размеров и формы тел под действием приложенных сил. Деформация может быть упругой и пластической. Упругая деформация – это та, которая исчезает после снятия нагрузки, а пластическая – которая остается. При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую. Превышение нагрузки определенного предела приводит к разрушению тела. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, твердость и вязкость.

Прочность – это способность твердого тела сопротивляться деформации и разрушению. Для оценки величины силы, независящей от размеров деформируемого тела, введено понятие напряжения. Напряжение – это сила, отнесенная к площади поперечного сечения изделия, МПа:

σ = Р/F, (1.1)

где Р – сила, МН; F – площадь поперечного сечения, м2.
Пластичность – это способность материала деформироваться без разрушения.

Количественные характеристики прочности и пластичности определяются в ходе механических испытаний. По характеру приложения нагрузки эти испытания делятся на статические, динамические и циклические. Статическими называют испытания, в которых скорость приложения нагрузки невелика. К статическим испытаниям относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и определение твердости.
^ Испытание на растяжение

Эти испытания обязательны для всех конструкционных материалов. Для испытаний на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497–84). Прочность при растяжении оценивается временным сопротивлением σв и пределом текучести σт. Временное сопротивление σв – это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца; предел текучести – это условное напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2%. Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением φ при разрыве, %:

δ = (l —l 0)100/10 , (1.2)
где l – длина образца после разрыва, мм; l 0 – первоначальная длина образца, мм.

φ = (F0 – F)100/F0 , (1.3)

где F0 – площадь поперечного сечения образца до деформации; F – после деформации.
^ Определение твердости

Твердость – это способность материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях со стороны другого, не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера. Существует несколько методов определения твердости материалов.

При измерении твердости по методу Бринелля стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определенного времени, и после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р к площади шаровой поверхности отпечатка F отп:
(1.4)
Число твердости имеет размерность напряжения, однако в соответствии со стандартом она не пишется.

При измерении твердости по Роквеллу индентор – алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм – вдавливаются в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и общей Р

Р = Р01, (1.5)

где Р1 – основная нагрузка.

Число твердости измеряют в условных единицах, и оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

При измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливается алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине α 136º. После удаления нагрузки Р, действовавшей определенное время (10…15 с для черных и 30 с для цветных металлов), измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца. Число твердости НV определяется делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:
(1.6)
Число твердости НV записывается без размерности.

Значения твердости, определенные различными методами, можно сравнивать, пользуясь специальными переводными таблицами.

Скорость приложения нагрузки при динамических испытаниях на несколько порядков выше, чем при статических. Наиболее широко применяются ударные испытания на изгиб образцов с надрезом для выявления склонности материала к хрупкому разрушению (испытания на ударную вязкость).
^ Определение ударной вязкости

Ударная вязкость КСU = А/F, где А – работа, затраченная на разрушение стандартного образца с надрезом, Дж; F – площадь образца в месте надреза, м2.
^ Физические свойства

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводность, магнитные свойства.
^ Химические свойства

К химическим свойствам относятся способность химического взаимодействия с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства.
^ Технологические свойства

К технологическим свойствам относятся те, которые определяют способность материалов подвергаться различными методами обработки: литейные, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом, ковкость.
^ Эксплуатационные свойства

К ним относятся следующие:

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием сил внешнего трения.

Коррозионная стойкость – сопротивление материала действию агрессивных сред.

Хладостойкость – способность сохранять пластичность при отрицательных температурах.

Жаропрочность – способность материалов сохранять прочность при высоких температурах.

Жаростойкость – способность сопротивляться химической коррозии.

Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому сплаву.

^ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
Стали

Сталями называются сплавы железа с углеродом с содержанием углерода не превышающим 2%. Существует несколько признаков, по которым производится классификация сталей.

  1. По способу производства:

— кислородно-конверторные (К);

— мартеновские (М);

— электропечные (Э).

  1. По химическому составу:

—углеродистые

а) низкоуглеродистые (до 0,3% С);

б) среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,5%С);

в) высокоуглеродистые (от 0,5%С);

—легированные.

3. По применению:

— конструкционные (низко- и среднеуглеродистые стали) применяют для изготовления деталей машин и механизмов, металлоконструкций;

— инструментальные (высокоуглеродистые стали) применяют для изготовления инструмента и приспособлений;

— стали с особыми свойствами (жаропрочные, криогенные и т.д.).

4. По способу раскисления:

— спокойные (раскисленные марганцем, кремнием и алюминием);

— кипящие (раскисленные только марганцем);

— полуспокойные (промежуточные).

5. По качеству.

Классификация по качеству производится в зависимости от количества вредных примесей серы и фосфора.

^ Стали обыкновенного качества (содержание S и Р от 0,04% до 0,065…0,07%).

Эти стали маркируются Ст 0… Ст 6, где цифра указывает их порядковый номер. По мере увеличения номера увеличивается содержание углерода в стали от 0,06% до 0,5%. Соответственно этому увеличивается прочность и уменьшается пластичность сталей. Стали обыкновенного качества делятся на три группы:

— группа А – с гарантированными механическими свойствами и неуказанным химическим составом (они не могут подвергаться термической обработке);

— группа Б – с гарантированным химическим составом;

— группа В – с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

В маркировке может быть указан способ раскисления: Ст3кп, Ст2сп.

Из сталей обыкновенного качества производится горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, которые применяют для строительных металлоконструкций, арматур и т.д.

^ Качественные стали (содержание S и Р от 0,03 до 0,04%).

Качественные углеродистые конструкционные стали маркируют

05кп, 08кп, 10, 20, 30, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70,

где цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Стали 05кп, 08кп, 10 – малоуглеродистые, поставляются в виде листа и предназначены для холодной листовой штамповки.

Стали 15…30 – цементуемые (цементация — насыщение поверхности изделия углеродом для повышения износостойкости), применяют для деталей, работающих в условиях трения (шестерни, кулачки и т.д.).

Стали 40…50 – улучшаемые (улучшение – это термообработка, состоящая из закалки и высокого отпуска), применяют для тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях растяжения, удара, кручения (валы, оси и т.д.).

Стали 60…70 – рессорно-пружинные.
Качественные углеродистые инструментальные стали маркируют

У7, У8, У9, У10, У12,

где цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7, У8 применяют для изготовления ударного инструмента (зубила, керны).

Стали У9…У12 используют для изготовления инструмента, не подвергающегося сильным ударам, но с повышенной износостойкостью (сверла, метчики, фрезы, резцы, напильники и т.д.).
Качественные легированные конструкционные стали маркируют

40Х ,60С2, 10Х18Н9Т,

где двухзначное число в начале марки указывает содержание углерода в сотых долях процента.
Качественные легированные инструментальные стали маркируют

5ХНМ, ХВГ, 9ХС, 11Х2Ф,

где число в начале марки указывает содержание углерода в десятых долях процента. Если перед маркой нет цифры, то содержание углерода в стали ~1%.

Буквами обозначаются легирующие элементы (см. табл. 1):

Цифры, стоящие за буквой, обозначающей легирующий элемент, показывают содержание этого элемента в целых процентах. Если за буквой нет цифры, содержание легирующего элемента около 1%, за исключением таких элементов как B, Zr, Nb, Ti, N, которые являются микродобавками и содержаться в сталях в сотых и тысячных долях процента.
Таблица 1





Наименование элемента

Обозначение элемента

химическое

марочное

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18


Азот

Ниобий

Вольфрам

Марганец

Медь

Селен

Кобальт

Никель

Молибден

Фосфор

Бор

Кремний

Титан

Ванадий

Хром

Цирконий

Редкоземельный

Алюминий

N

Nb

W

Mn

Cu

Se

Co

Ni

Mo

P

B

Si

Ti

V

Cr

Zr
Al

А

Б

В

Г

Д

Е

К

Н

М

П

Р

С

Т

Ф

Х

Ц

Ч

Ю


Отдельные группы легированных сталей обозначаются по назначению:

шарикоподшипниковые стали – ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ – расшифровываются как шарикоподшипниковые хромистые. Цифра после символа Х показывает содержание хрома в десятых долях процента. Содержание углерода около 1%;

быстрорежущие стали – Р9, Р6М5, Р10К5Ф5 – обозначаются буквой Р («рапид» – быстрый); цифры после буквы Р показывают содержание вольфрама (основного легирующего) элемента в целых процентах. Содержание углерода в этих сталях ~1%, а хрома ~4% и в маркировке не указывается;

электротехнические стали:

а) магнитомягкие (трансформаторные) – Э21, Э310, Э3200. Буква Э показывает, что это магнитомягкая сталь; первая цифра – содержание Si в целых процентах, вторая цифра – уровень электротехнических свойств (чем больше цифра, тем выше эти свойства), нули указывают степень текстурирования стали. Содержание углерода ~0,02…0,05%;

б) магнитотвердые (для изготовления постоянных магнитов) – ЕХ, ЕХ5К5. Буква Е показывает, что сталь магнитотвердая; последующие буквы и цифры – наличие и количество легирующих элементов. Содержание углерода ~1%;

высококачественные стали (содержание S и Р менее 0,03%). Эти стали отмечены буквой А в конце марки: 30ХГСА, У9А и т.д.

6. По способу формирования:

катаная сталь (прокат) может быть горячекатаная и холоднокатаная, которая имеет наклеп и соответственно более высокую твердость;

кованая сталь (поковки);

литая сталь (отливки) маркируется буквой Л в конце марки: 20Л, 110Г13Л, 45Л и т.д.
Чугуны

Чугуны – это сплавы железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14% до ~4,3%. Они имеют лучшие литейные свойства по сравнению со сталями, но не могут подвергаться пластическому деформированию.

Чугуны классифицируют:

1) по применению:

— передельный чугун, который используется для передела в сталь;

— литейный чугун, который используется для производства отливок;

— ферросплавы (специальные чугуны) – сплавы железа с легирующими элементами.

2) по состоянию углерода:

— белый чугун, в котором весь углерод находится в виде химического соединения Fe3C – цементита. Такой чугун очень твердый, не поддается обработке режущим инструментом, идет на изготовление различных роликов, жерновов, шаров шаровых мельниц и т.д.;

— серый чугун, в котором большая часть углерода находится в виде графита пластинчатой формы. Маркировка серого чугуна СЧ15, СЧ20, СЧ25, цифры показывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Серые чугуны используют в станкостроении (корпусные детали, станины, направляющие и другое), в автомобилестроении (блоки цилиндров, гильзы) и других отраслях промышленности;

— ковкий чугун, в котором углерод находится в виде графита хлопьевидной формы. Такой чугун получают специальным отжигом белого чугуна. Он не куется, но имеет некоторые пластические свойства (относительное удлинение до 15%). Ковкие чугуны маркируют КЧ 35-10, К Ч50-5; первое число – предел прочности при растяжении в кгс/мм2, второе – относительное удлинение в процентах;

— высокопрочный чугун, в котором углерод находится в виде предмета сферической формы. Его получают введением специальных модифицирующих добавок в жидкий чугун. Маркируют высокопрочные чугуны: ВЧ 35, ВЧ 60, где цифры означают предел прочности при растяжении в кгс/мм2.
^ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
Цветные металлы и сплавы разделяются по плотности:

— легкие (плотность ниже 5 г/см3) – Аl, Mg, Ti, Be.

— тяжелые (плотность выше 5 г/см3) – Сu, Pb, Sn, Zn и др.
^ Алюминий и его сплавы

Плотность алюминия 2,7 г/см3, температура плавления 660 ºС.

Чистый алюминий применяют в электротехнической промышленности для изготовления токоведущих шин:

— АМ – мягкий, отожженный;

— АТ – твердый, нагартованный.

В машиностроении используют сплавы алюминия. Они делятся на:

литейные сплавы – используются для изготовления корпусных, поршневых отливок, блоков цилиндров и т.д. Основные литейные сплавы Al – Si (силумины), легированные Zn, Mg, Mn, Ni. Они маркируются АЛ-1, АЛ-2, АЛ-9 и т.д. (А – алюминиевый сплав, Л – литейный, цифра показывает порядковый номер);

деформируемые сплавы – используются для производства деталей путем обработки давлением (листы, проволока, прокат, поковки). Основные деформируемые сплавы Al – Cu (дуралюмины) маркируют Д16, Д20; сплавы Al – Mg маркируют АМг2, Амг5; сплавы Al Mn маркируют АМц, где цифры показывают порядковый номер сплава.
Магний и его сплавы

Плотность магния 1,65 г/см3, температура плавления 650 ºС.

Магний легко окисляется на воздухе, поэтому чистый магний не используется как конструкционный материал, а применяется в пиротехнике.

Сплавы магния используют в машиностроении. Постоянными компонентами этих сплавов являются Al, Zn, Mn. Сплавы магния делятся на:

литейные МЛ2, МЛ3 и т.д. (магниевый, литейный);

деформируемые МА5, МА8 и т.д.

Цифры означают порядковый номер. Сплавы на основе магния имеют высокую удельную прочность, хорошо поглощают вибрацию, что предопределяет их использование в авиационной и ракетной технике.
^ Титан и его сплавы

Плотность титана 4,5 г/см3, температура плавления 1665 ºС.

Технический титан изготавливают двух марок: ВТ1-00 (99,53% Тi), BT1-0 (99,46% Ti).

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, V повышает его прочность, но одновременно понижает пластичность и вязкость. Жаропрочность повышают Mo, Zr, Al, а коррозионную стойкость в растворах солей – Mo, Zr, Nb, Ta. Сплавы маркируют ВТ5, ВТ6, ВТ14, где цифры указывают порядковый номер.

Из титана и его сплавов изготавливают все виды полуфабрикатов – штамповки, прокат, фасонное литьё.

^ Медь и её сплавы

Плотность меди 8,9 г/см3, температура плавления 1083 ºС.

Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью. Эти свойства меди принимают за 100%, а все другие технические металлы, за исключением серебра, сравнивают с медью. В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00 (99,99% Сu), М0 (99,97% Сu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,5% Сu).

Очень широкое применение во всех областях промышленности имеют сплавы меди. Эти сплавы имеют высокую тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость, низкий коэффициент трения, высокую пластичность. Недостаток медных сплавов – высокая плотность и низкая жаропрочность. Медные сплавы делятся на латуни и бронзы. Латунь – это сплав меди с цинком. Сплав меди с любым металлом кроме цинка называется бронзой. Принята следующая маркировка медных сплавов: буквой «Л» – латунь, буквами «Бр» – бронза, после чего следуют буквы основных легирующих элементов, образующих сплав. Например, А – алюминий, О – олово, Ц – цинк, Мц – марганец, Ж – железо, Ф – фосфор, Б – бериллий, Х – хром и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующих элементов. Латуни и бронзы могут быть литейными или деформируемыми. Порядок цифр в их маркировке различен. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы «Л» указывают среднее содержание меди в процентах, далее следуют буквы и цифры, указывающие название и количество легирующих элементов. Например, Л70 – это латунь, содержащая 70% Сu, а ЛАЖ60-1-1 содержит 60% Сu, 1% Al, 1% Fe. Содержание цинка определяется по разности от 100%. В деформируемых бронзах содержание основного компонента – меди – не указывается, а определяется по разности от 100%. Например, бронза БрОЦ4-3 содержит 4% Sn, 3% Zn, 93 % Cu. В литейных латунях и бронзах среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей название компонента. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5 содержит 40% Zn, и 1,5% Мn, а бронза БрА10Ж3Мц2 – 10 % Al, 3% Fe, 2% Mn. Остальное в этих сплавах – медь.
^ Цинк и его сплавы

Плотность цинка 7,13 г/см3, температура плавления 419 ºС. На основе цинка изготавливаются литейные сплавы, например, ЦАМ 3,5 – 1,5, ЦАМ 10 – 5, где буквы указывают легирующие элементы (А – алюминий, М – медь), цифры – их содержание в процентах.

^ Припои

Легкоплавкие припои имеют температуру плавления ниже 400 ºС. В основном это сплавы на основе свинца и олова. Ими паяют изделия почти из всех металлов. Температура их плавления 180…280 ºС. Олоняно-свинцовые припои маркируются ПОС 90, ПОС 40 и т.д., где цифра показывает содержание олова в процентах, остальное – свинец.

К тугоплавким припоям относятся те, которые имеют температуру плавления выше 400 ºС. В основном это медно-цинковые и серебряные сплавы.

Медно-цинковые припои имеют температуру плавления 800…875 ºС . Их маркировка – ПМЦ 48, ПМЦ 54 и т.д., где число показывает содержание меди в процентах, остальное – цинк.

Температура плавления серебряных припоев от 595 до 725 ºС в зависимости от их состава. Серебряные припои маркируют ПСр 12, ПСр 45 и т.д., где цифры показывают содержание серебра в процентах, остальное – медь, цинк, кадмий, никель.
Баббиты

Это антифрикционные сплавы на основе олова и свинца, предназначенные для заливки вкладышей подшипников скольжения. Сплавы Б88, Б83 – на основе олова, цифры указывают его содержание в процентах, остальное – сурьма, медь, кадмий, никель. Сплавы БН, БТ, БК – на основе свинца, содержащие, соответственно, никель, титан, кальций.
^ Твердые сплавы

Основой твердых сплавов являются карбиды тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), соединенных кобальтовой связкой. Эти сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Их применяют для изготовления рабочей части режущего инструмента (резцов, фрез, свёрел и т.д.). В нашей промышленности изготавливают твердые сплавы трёх групп: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые. Вольфрамовые сплавы маркируют ВК6, ВК8, где цифра показывает количество кобальта в процентах, остальное – карбид вольфрама. Титановольфрамовые сплавы маркируют Т15К6, Т14К8 и т.д., где первые цифры указывают количество карбидов титана, вторые – количество кобальта в процентах, остальное составляет карбид вольфрама. Титанотанталовольфрамовые сплавы маркируют ТТ7К12, ТТ20К9 и т.д., где первые цифры указывают содержание карбидов титана и тантала, вторые – количество кобальта в процентах, остальное составляет карбид вольфрама.

^ 4. МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Металлургия – это область науки и техники и отрасль промышленности, занимающиеся процессами получения металлов из руд и других материалов.

В промышленности принята классификация металлов на две основные группы — черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь, чугун, ферросплавы). Остальные металлы составляют группу цветных. На железо и его сплавы приходится более 90% мирового производства металлов. Это объясняется ценными физическими и механическими свойствами черных металлов, а также широким распространением железных руд в природе и относительной дешевизной производства чугуна и стали. Большое значение в современной технике имеют и цветные металлы, которые применяются в машиностроении, самолетостроении, радиотехнике и электронике. Наиболее широко применяются медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам.
^ Современное металлургическое производство и его продукция

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных производств.

  1. Шахты и карьеры по добыче руд и углей.

  2. Горно-обогатительные комбинаты.

  3. Коксохимические заводы.

  4. Энергетические цехи для получения сжатого воздуха, кислорода.

  5. Доменные цехи.

  6. Заводы по производству ферросплавов.

  7. Сталеплавильные цехи.

  8. Прокатные цехи.

Основой современной металлургии стали является двухступенчатая схема, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов его передела в сталь. При доменной плавке, осуществляемой в доменных печах, из руды получают чугун – сплав железа с углеродом и неизбежными примесями кремния, марганца, серы и фосфора. Передел чугуна в сталь производится в конверторах, мартеновских и электропечах. В этих агрегатах происходит избирательное окисление углерода и примесей чугуна и получение стали заданного химического состава.

Основной продукцией черной металлургии являются:

  1. чугун передельный и литейный;

  2. ферросплавы (сплавы железа с легирующими элементами);

  3. стальные слитки для сортового проката;

  4. стальные слитки для производства крупных кованых деталей.

Основной продукцией цветной металлургии являются:

  1. слитки для сортового проката;

  2. слитки (чушки) для фасонных отливок;

  3. лигатуры (сплавы цветных металлов с легирующими элементами);

  4. слитки чистых и особо чистых металлов.


Огнеупорные материалы

В современных металлургических агрегатах процессы плавки происходят при высоких температурах. Поэтому внутреннюю облицовку (футеровку) металлургических печей и ковшей для разливки металла делают из огнеупорных материалов. Огнеупорные материалы должны обладать достаточной огнеупорностью, т.е. выдерживать высокие температуры; термостойкостью, т.е. выдерживать резкие смены температур. При этом они должны иметь достаточные механические свойства, химическую стойкость, не реагировать с расплавленным металлом, шлаками, газами, обладать постоянством объёма.

Огнеупорные материалы применяются в виде кирпичей, порошков и растворов.

По химическим свойствам огнеупорные материалы делятся:

  1. на кислые (динасовые, кварцеглинистые), в которых преобладает SiO2;

  2. на основные (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые), которые содержат MgO, СаО;

  3. на нейтральные (хромомагнезитовые, высокоглиноземистые, шамотные), содержащие Al2O3, Cr2O3.

Динас – не менее 95% SiO2. Огнеупорность 1690…1720 ºС. Обладает высокими механическими свойствами, точка размягчения совпадает с точкой плавления. Недостаток – низкая термостойкость. Динасовым кирпичом футеруют своды, стены и поды кислых сталеплавильных печей.

Магнезит – 86…90% МgO. Огнеупорность более 2000 ºС. Обладает высокой термостойкостью. Применяется для кладки пода и стен основных сталеплавильных печей.

Хромомагнезит – 26…28% (Fe,Cr)2O3; 65…70% MgO. Огнеупорность более 2000 ºС. Хромомагнезит не реагирует с динасом и поэтому используется для соединения магнезитовой и динасовой кладок.

Доломит – 32…36% MgO, 50…56% СаО. Огнеупорность более 2000 ºС. Применяется для футеровки кислородных конверторов.

Шамот – 50…60% SiO2, 30…42% Al2O3. Огнеупорность до 1750 ºС. Применяется для футеровки доменных печей, воздухонагревателей, ковшей и т.п.

Углеродистый кирпич – до 92% С. Огнеупорность до 3000 ºС. Применяется для кладки лещади доменной печи, электролизных ванн.



    1. ^ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА


Сырые материалы доменной плавки

Железные руды. Железа в земной коре содержится ~4,2%. Оно входит в состав 300 горных пород, но только 20 из них содержат от 27 до 72%. Железными рудами называются горные породы с таким содержанием железа и такой их концентрацией в месторождении, при которых получение железа из них наиболее целесообразно. Железные руды состоят из железосодержащих минералов, пустой породы и примесей.

Основными железосодержащими минералами являются следующие:

  1. Гематит (красный железняк) Fe2О3, содержащий ~70% Fe.

  2. Магнетит (магнитный железняк) Fe3О4, содержащий 72,4% Fe.

  3. Гидроокислы (бурый железняк) Fe2О3 ·nH2O, содержащие 59…69% Fe.

  4. Сидерит (шпатовый железняк) FeСО3, содержащий 48,2% Fe.

  5. Ильменит FeTiO2, содержащий 36,8% Fe.

В состав железных руд входит пустая порода, к которой относятся следующие минералы:

    • SiO2 – кремнезем;

    • Al2O3 – глинозем ;

    • CaO – известь;

    • MgO – магнезит.

Также железные руды содержат полезные примеси Mn, Si, Cr, Ni, V и вредные примеси S, P, Pb, As.

Марганцевые руды. Марганцевые руды применяются для выплавки ферросплавов с 10…82% Mn, а также передельных чугунов, содержащих до 1% Mn. Марганец содержится в рудах в виде окислов и карбонатов – MnО2, Mn2О3, Mn3О4, MnСО3. Содержание марганца в рудах не более 50%.

Флюсы. В состав пустой породы железных руд входят окислы, температура плавления которых значительно выше развиваемых в доменной печи (более 2000 ºС). Однако при определенном количественном соотношении этих окислов образуются легкоплавкие их соединения – шлаки, температура плавления которых ниже 1300 ºС. Флюсы – это вещества, вводимые в доменную печь, с целью снижения температуры плавления пустой породы руды и с целью получения доменных шлаков с такими физическими и химическими свойствами, которые обеспечат максимальное удаление серы и фосфора и нормальный ход доменного процесса. Рекомендуется, чтобы в шлаке выполнялось отношение содержания оксидов (CaO + MgO)/( SiO2 + Al2O3) =1. Обычно пустая порода руды состоит в основном из SiO2 и Al2O3. При выплавке чугуна в доменных печах в качестве флюса используется известняк СаСО3 или доломитизированный известняк, содержащий СаСО3 и MgСО3.

Заменители руд и флюсов

  1. Колошниковая пыль; Fe ~ 50%, С ~5…10%.

  2. Доменный шлак производства ферромарганца; Mn ~ 20%.

  3. Мартеновский шлак; Fe ~ 10…20%, Mn ~ 10% (недостаток ~2% Р).

  4. Окалина на прокатных станах Fe2О3; ~ 70%Fe.

  5. Сварочный шлак 2 FeО·SiО2; ~ 50%Fe.

  6. Металлодобавки: чугунный скрап, стружка.

Топливо. Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо, которое служит не только горючим для нагрева шихты и её расплавления, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Естественные виды топлива не обладают необходимыми свойствами, так как спекаются и недостаточно прочны. Поэтому для доменной плавки используется твердое топливо – кокс. Кокс получают из коксового каменного угля в специальных печах сухой перегонкой (без доступа воздуха) при температуре > 1000 ºС. В коксе содержится 80…88% углерода, 8…12% золы, 2…5% влаги, 0,5…0,8% серы, 0,02…0,2% фосфора и 0,7…2% летучих продуктов. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг.

^ Заменители кокса

  1. Природный газ. Теплота сгорания 8500…9000 ккал/м3; 1 м3 природного газа эквивалентен 1,2…1,4 кг кокса.

  2. Коксовый газ. Теплота сгорания 4500 ккал/м3; 1 м3 коксового газа эквивалентен 0,8 кг кокса.

  3. Мазут. Теплота сгорания 10 000 ккал/кг; 1 кг мазута эквивалентен 1,6 кг кокса.

  4. Угольная пыль. 1 кг угольной пыли соответствует 1 кг кокса.


^ Подготовка сырых материалов к доменной плавке

Установлено, что в шихтовых материалах для доменной плавки оптимальное содержание железа должно быть 60…65%. Однако содержание железа в добываемых рудах значительно ниже, поэтому перед плавкой железные руды подвергают специальной подготовке, цель которой состоит в увеличении содержания железа в шихте, повышении её однородности по кусковатости и химическому составу. Основные методы подготовки шихтовых материалов:

  • дробление и сортировка руд для получения кусков руды определенной величины, оптимальной для плавки;

  • обжиг для удаления гидратной и гигроскопической влаги, разложения карбонатов, повышения восстановимости железных руд, придания магнитных свойств;

  • обогащение – повышения содержания железа в руде засчет снижения содержания в руде пустой породы; руду разделяют на концентрат с высоким содержанием железа и «хвосты» – отходы с низким содержанием металла. Методы обогащения основаны на различии свойств железосодержащих минералов и пустой породы:

  1. промывка руды водой позволяет отделить плотные составляющие рудных минералов от рыхлой пустой породы;

  2. гравитационное обогащение основано на различной скорости падения зерен рудных минералов и пустой породы в тяжёлых суспензиях;

  3. магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств.

      • окомкование обеспечивает получение железосодержащих материалов необходимой крупности и плотности. Используют два метода:

1) агломерация – окомкование мелких железных руд методом спекания. Шихта состоит из железной руды (40…50%), известняка (15…20%), возврата мелкого агломерата (20…30%), коксовой мелочи (4…6%), влаги (6…9%). Спекание производят на агломерационных машинах ленточного типа при 1300…1500 ºС. В процессе спекания удаляется сера (на 95%) и мышьяк (на 20…40%). В результате получают пористый кусковой офлюсованный материал – агломерат, который затем проходит сортировку по крупности;

2) производство окатышей – применяют для обработки тонко измельченных концентратов. Возник данный способ из-за того, что мелкие материалы агломерационными процессами комкуются плохо по причине малой прочности агломерата. Шихта состоит из железной руды (80%), известняка (8…17%), связующих добавок (1,0…1,5%) и влаги (9%). Шихта подается на грануляторы, где приобретает форму шариков диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 ºС.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса, так как он входит в их состав.
^ Устройство и работа доменной печи

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом, выделяющимися при сгорании топлива и твердым углеродом. Доменная печь (рис. 5.1) имеет стальной кожух 7, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника имеется засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат, окатыши, частично руда с флюсом) и кокс. Шихту взвешивают, подают в вагонетки подъемника, которые передвигаются по мосту к засыпному аппарату. Там же находится загрузочно-распределительное устройство, обеспечивающее правильное распределение материалов шихты в печи и предотвращающее утечку газов. Наиболее распространенная конструкция этого устройства состоит из малого конуса 1 и большого конуса 2. При опускании малого конуса шихта попадает на большой конус, а при опускании большого конуса – в доменную печь. Для равномерного распределения шихты и кокса малый конус после очередной загрузки поворачивается на угол, кратный 60º. При работе печи шихтовые материалы, плавясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем – это объем от нижней кромки большого конуса при его опускании до лещади. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 – 5000 м3. В верхней части горна находятся фурменные устройства17, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя (рис. 5.2). Нагрев в нем производится сжиганием доменного газа, поступающего в горелку 5, где газ смешивается с воздухом и сгорает. Пламя поднимается по камере сгорания 1, проходит через каналы кирпичной насадки 2, раскаляет её и выпускается через дымовую трубу 3. После нагрева насадки до ~ 1500 ºС через устройство 4 вводят наружный воздух. Проходя через насадку, он нагревается до 1000…1200 ºС и поступает в доменную печь.




Рис. 5.1. Схема типовой доменной печи: 1 – малый конус; 2 – большой конус; 3 – газоотводные трубы; 4 – флюс; 5 – кокс; 6 – руда, 7 – кожух; 8 – капли чугуна; 9 – капли шлака; 10 – броня, 11 – шлаковая летка; 12 – желоб для выпуска шлака; 13 – лещадь; 14 – желоб для выпуска чугуна; 15 – чугунная летка; 16 – жидкий шлак; 17 – фурмы; 18 – кольцевой воздуховод; 19 – опорное кольцо; 20 – огнеупорная кладка





Рис. 5.2. Воздухонагреватель: 1 – вертикальная камера; 2 – насадка из огнеупорного кирпича; 3 – дымовая труба; 4 – устройство для нагнетания холодного воздуха; 5 – газовая горелка; 6 – выход нагретого воздуха



^ Физико-химические процессы доменной плавки

Условно процессы, протекающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонентов шихты; восстановление железа, науглероживание железа; восстановление марганца, кремния, фосфора, серы; шлакообразование. Все эти процессы протекают в доменной печи одновременно, но с различными скоростями, при разных температурах и в разных зонах печи.

^ Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 5.1) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения топлива выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО2, N2, Н2, СН4 и др. При этом несколько выше фурм в печи развивается температура выше 2000 ºС. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300…400 ºС у колошника.

^ Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускаются навстречу газовому потоку и при температуре 500…570 ºС начинается восстановление оксидов железа за счет взаимодействия их с оксидом углерода, с твердым углеродом а также с водородом. Восстановление газами называется косвенным, твердым углеродом – прямым. Восстановление железа происходит в несколько стадий – от высшего оксида к низшему:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe. (5.1)

Восстановление железа заканчивается при температурах 1100…1200 ºС в распаре. В доменной печи полнота восстановления железа составляет ~ 99%.

^ Науглероживание железа. При температурах 1100…1200 ºС восстановленное железо находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы (температура плавления железа 1539 ºС). Уже в шахте доменной печи наряду с восстановлением происходит науглероживание железа при взаимодействии его с оксидом углерода, коксом. При этом снижается температура плавления и образуется жидкий расплав, который каплями начинает стекать в горн. Эти капли, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе.

Марганец в виде оксидов поступает в доменную печь с рудой или агломератом и восстанавливается в шахте по реакции MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4→ MnO. Оксид марганца MnO частично восстанавливается твердым углеродом с образованием карбида марганца Mn3С, который растворяется в железе; другая часть MnO входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в виде оксида SiO2, также частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO2 переходит в шлак.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)3· P2O5 и (CaO)3 ∙P2O5. При температурах выше 1000 ºС фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа FeP. При температурах выше 1300 ºС фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe3Р полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летуча, поэтому часть её удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. В результате реакции

FeS + CaO = CaS + FeO (5.2)

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28

Схожі:

Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие С. Маленькое 2013г. Учебное пособие подготовлено...
Учебное пособие предназначено для студентов экономических специальностей, преподавателей вузов, руководителям, широкого круга специалистов...
Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие Электронный вариант (без рисунков, картин и портретов)...
Занимательная философия: Учебное пособие. М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2005. — 128 с
Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие Ростов-на-Дону «феникс» 1997 ббк ю952 Л64 удк 615. 856 (071)
Из Ада в Рай: Избранные лекции по психотера­пии/Учебное пособие. — Ростов н/Д.: Изд-во «Фе­никс», 1997. — 448 с
Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие «История и культурология»
История и культурология. Изд второе, перераб и доп.: Учебное пособие для студентов
Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие «История и культурология»
История и культурология. Изд второе, перераб и доп.: Учебное пособие для студентов
Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие Рекомендовано умо по специальностям
В качестве важнейшей особенности культуры подчеркивается ее сложность, что и порождает серьезные проблемы познания культуры. Отсюда...
Учебное пособие Челябинск iconУчебное пособие для студентов педагогических учебных заведений
Педагогика. Учебное пособие для студентов педаго гических вузов и педагогических колледжей / Под ред. П. И. Пидкасистого. М: Педагогическое...
Учебное пособие Челябинск iconВиноградов В. С. Сборник упражнений по грамматике испанского языка....
Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих испан­ский язык в университетах и других учебных заведениях. Им могут пользовать­ся...
Учебное пособие Челябинск icon«безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело» учебное...
Учебное пособие предназначено для студентов горных специальностей (направление подготовки специалистов 130400 «Горное дело»)
Учебное пособие Челябинск iconТесты программного обучения и контроля знаний студентов по курсу...
Учебное пособие для студентов ІІІ курса медицинского факультета предназначено для проведения рубежных промежуточных и заключительных...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2013
звернутися до адміністрації
mir.zavantag.com
Головна сторінка