Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.6. Классификация неметаллических материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -71-

числе цвета, и является причиной структурной неоднородности.

При охлаждении однофазный расплав расслаивается на две или

несколько жидких фаз разного химического состава. Затвердевшее стекло

имеет многофазную структуру. Расслоение силикатных стекол − характерная

особенность их структуры.

Рис. 2.33. Строение кварцевого стекла

При определенном соотношении содержания кремния, кислорода и

других элементов очень трудно предупредить зарождение и рост кристал-

лов. Кристаллизация, или «расстекловывание», с образованием крупных

кристаллов отрицательно влияет на прочность и прозрачность стекла.

Кристаллизацию предупреждают подбором химического состава стекла и

условий его варки. Напряжения в стеклянных изделиях из-за различной

плотности в разных участках устраняют нагревом, достаточным для

перестройки элементов структуры и выравнивания плотности. Из стек

ол

специального состава при помощи контролируемой кристаллизации полу-

чают ситаллы − стеклокристаллические материалы. Структура ситаллов

представляет собой смесь очень мелких (0,01–1 мкм), беспорядочно ориенти-

рованных кристаллов (60–95 %) и остаточного стекла (5–40 %). Исходное

стекло по химическому составу отличается от остаточного стекла, в котором

накапливаются ио

ны, не входящие в состав кристаллов. Такая структура

создается в стеклянных изделиях после двойного отжига (первый нужен для

формирования центров кристаллизации, второй − для выращивания

кристаллов на готовых центрах). Для образования кристаллов в стекла вводят

О, TiO

, Al

и другие соединения.

Керамикой называются материалы, полученные при высокотемпера-

турном спекании минеральных порошков. При нагреве исходные вещества

взаимодействуют между собой, образуя кристаллическую и аморфную фазы.

Керамика представляет собой пористый материал, содержащий ковалентные

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.6. Классификация неметаллических материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -72-

или ионные кристаллы – сложные оксиды, карбиды или твердые растворы на

их основе. Аморфная фаза является стеклом, которое по своему химическому

составу отличается от кристаллов. Керамический материал содержит одну

или несколько кристаллических фаз; отдельные виды керамики совсем не

имеют стекла в своей структуре. Как правило, керамика имеет

поликристаллическую структуру с прослойками стекла и с беспорядочным

расположением зе

рен и поэтому однородна по свойствам.

Характерной особенностью керамических материалов является хруп-

кость. Сопротивление разрушению тем выше, чем мельче кристаллы и мень-

ше пористость. Например, плотная микрокристаллическая керамика на

основе Al

с размерами зерен 1–5 мкм в 5–6 раз прочнее обычной. Изделия

из плотной мелкозернистой керамики – тонкой керамики – получают по

более сложной технологии, и поэтому они дороги. Пористую керамику

используют в качестве огнеупорных материалов, фильтров, диэлектриков в

электротехнике. Более прочную плотную керамику применяют для

некоторых деталей машин.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -73-

В промышленности широко применяются чистые металлы, сплавы и

химические соединения.

В рудах металлы связаны в окислы, сульфиды, хлориды, силикаты или

другие соединения, которые называются минералами.

Получение металлов из руд осуществляется методами:

•

пирометаллургии, протекающими при очень высоких температурах;

•

гидрометаллургии, за счет выщелачивания металлов водными раст-

ворами;

•

электрометаллургии, которая позволяет восстановить металлы из

химических соединений и рафинировать их методом электролиза и др.

Процессы получения сплавов на основе железа (сталей и чугунов)

называются черной металлургией, а производство цветных металлов и спла-

вов на их основе − цветной металлургией.

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды,

топливо и флюсы. Железные руды содержат железо в виде оксидов Fe

, гидроокисей Fe

О, карбонатов FeСO

и др., а также пустую по-

роду, состоящую из SiO

, Al

, MgO и др. Содержание железа в руде,

предназначенной к переделу в чугун, должно составлять 55–60 %.

Топливом для доменной плавки служит кокс, который получают из

коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ.

Флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пус-

той породы и золы топлива. На их основе образуется доменный шлак, кото-

рый в жидком сост

оянии удаляется из печи. Флюсы выбирают в зависимости

от химического состава пустой породы руды. В отечественных железных

рудах в пустой породе содержится большое количество SiO

. Поэтому в ка-

честве флюса используют материалы с повышенной щелочностью, к кото-

рым относится известняк CaСO

. С его помощью можно снизить содержание

в металле серы, которая переходит в него из кокса и железной руды.

Подготовка руды к доменной плавке осуществляется для повышения

производительности процесса, снижения расхода кокса и повышения

качества чугуна. Цель подготовки состоит в увеличении содержания железа в

исходных материалах и уменьшении в них вредных примесей – серы и

фосфора. В подготовку руды входит обогащение, агломер

ация или получение

металлизированных окатышей.

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.2. Получение чугуна



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -74-

В результате обогащения в исходном материале повышается содержа-

ние железа. При агломерации мелкий концентрат, полученный обогащением,

спекают с коксовой мелочью, при этом снижается содержание серы и

мышьяка, разлагаются карбонаты и получается кусковой, пористый агло-

мерат с повышенным содержанием флюсов. Вместо агломерации может при-

меняться окатывание, при котором измельченный концентрат, флюсы и кокс

после увлажнения окатываю

тся на специальных установках и приобретают

форму шариков диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при темпе-

ратуре 1200–1350 °С, в результате чего они становятся прочными и порис-

тыми. При их использовании исключается подача флюсов в доменную печь.

На рис. 3

.1 приведена схема устройства доменной печи. В верхнюю

часть печи, где находится загрузочное устройство 8, с помощью вагонеток

загружают шихту, состоящую из агломерата, кокса, флюсов или окатышей.

При опускании малого конуса загрузочного устройства 8, шихта попадает в

чашу, а при опускании большого конуса – в доменную печь. Сложная

загрузочная система предотвращает выход газов из домны в ат

мосферу.

Рис. 3.1. Схема устройства доменной печи: 1 – чугунная летка; 2 – шлаковая летка;

3 – фурмы; 4 – лещадь; 5 – чугуновоз; 6 – шлаковоз; 7 – газоотводящие каналы;

8 – загрузочное устройство; 9 – фундамент; 10 – воздухопривод

Колошник

Шахта

Распа

Заплечики

Го

4 9

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.2. Получение чугуна



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -75-

По мере нагревания и протекания физико-химических процессов

плавки из шихты образуется чугун. Он стекает в нижнюю часть печи, откуда

периодически удаляется, а сверху через загрузочное устройство в печь

подаются новые порции шихты.

Процесс выплавки чугуна начинается с горения топлива. Для этого в

верхнюю часть горна через фурмы вдувают нагретый воздух. Углерод кокса,

взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает с вы

делением теплоты.

Образуется газовый поток, содержащий угарный газ СО, углекислый газ СО

водород Н

и метан СН

. Эти газы, поднимаясь вверх, отдают теплоту шихто-

вым материалам. В шихте при температуре 570 °С начинается восстановле-

ние оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи осуществляется углеродом

кокса, окисью углерода СО и водородом Н

. Восстановление железа газами

называют косвенным, а восстановление железа твердым углеродом кокса –

прямым.

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения

шихты вниз и ее нагревания, от высшего окисла к низшему:

→ Fe

→ FeO

→ Fe

При температуре 1000–1100 °С восстановленное твердое железо,

взаимодействуя с оксидом углерода и коксом, интенсивно растворяет

углерод и расплавляется. Это происходит на уровне распара и заплечиков

(рис. 3.1

). Капли железоуглеродистого сплава (чугуна), стекая по кускам

кокса, продолжают насыщаться углеродом до 4,3 %, марганцем, кремнием,

фосфором, которые также восстанавливаются из руды при этой температуре.

Марганец и кремний частично переходят в образовавшийся чугун и

частично в виде оксидов входят в состав шлака. Часть серы удаляется с

газами при нагревании печи, другая часть серы в виде сульфида железа FeS

растворяется в чугуне. Благодаря присутствию в шл

аке большого количества

СаО протекает реакция

FeS + СаО = СаS + FeО

Образовавшееся соединение СаS (рис. 3.1) удаляется в шлак.

Чугун выпускают из печи через 3–4 ч через чугунную летку 1 – специ-

альное отверстие в стенке печи (рис. 3.1

). Шлак выпускают через каждые

1–1,5 ч через шлаковую летку 2. Чугун сливают в ковши, а шлак − в шлако-

возные чаши 6. Чугун транспортируют в сталеплавильные цеха в жидком

виде или разливают в изложницы для получения слитков. Из шлака

изготавливают шлаковату, цемент и т. п. Доменные газы очищают от пыли и

использу

ют для нагревания воздуха, вводимого в доменную печь.

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -76-

Основными материалами для производства стали являются передель-

ный чугун и стальной лом. Механические свойства стали гораздо выше, чем

у чугуна, что объясняется пониженным содержанием углерода, а также

примесей в стали по сравнению с чугуном (табл. 3.1

Таблица 3.1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали

Материал

Состав, %

Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера

Передельный чугун 4,0–4,4

0,75–

1,25

До 1,75 0,15–0,3

0,03–

0,07

Сталь

низкоуглеродистая

0,14–0,22 0,12–0,3 0,4–0,65 0,005 0,055

Сущностью любого передела чугуна в сталь является снижение содер-

жания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в

шлак и газы.

Кислородный конвертер (рис. 3.2

) представляет собой агрегат груше-

видной формы высотой до 15 м, кожух которого изготовлен из листовой

стали толщиной до 110 мм. Внутри конвертер футерован огнеупорным

кирпичом. В процессе работы конвертер 2 может поворачиваться на цапфах 1

с помощью поворотного устройства 3 вокруг горизонтальной оси для завалки

скрапа, заливки чугуна, разгрузки стали и шлака.

Шихтовыми материалами для кислородн

о-конвертерного процесса

являются жидкий передельный чугун, скрап и флюсы. В состав флюсов

входит известняк, железная руда, боксит Al

и плавиковый шпат СаF

который применяют для разжижения шлака.

В кислородном конвертере всегда ведут основной процесс выплавки

стали, повышенную щелочность создают с помощью известняка для

удаления фосфора и серы.

Перед плавкой в наклоненный конвертер через горловину загружают

скрап и заливают чугун с температурой 1250–1350 °С. Шихта должна зани-

мать 1/5 объема конвертера. После этого конвертер поворачивают в верти-

кальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму 5, через

которую подают кислород под высоким давлением. Фурма не доходит до

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.3. Производство стали



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -77-

уровня металла на 1,2–2 м. Одновременно с началом продувки в конвертер

загружают флюсы.

Рис. 3.2. Схема устройства кислородного конвертера и стадии выплавки стали:

I – завалка лома; II – заливка чугуна; III – загрузка флюса; IV – продувка;

V – выпуск стали; VI – слив чугуна;

1 − цапфы; 2 − конвертер; 3 − поворотное

устройство;

4 − отверстие для выпуска стали; 5 − фурма

Для снижения содержания в чугуне углерода и примесей осуществляют

их окисление. Процессы окисления сопровождаются выделением большого

количества тепла, что необходимо для расплавления шихты и нагрева ванны

жидкого металла. В этом состоит первый этап плавки.

III

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.3. Производство стали



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -78-

В первую очередь под действием кислорода начинается интенсивное

окисление железа в соответствии с законом действующих масс, так как в чугуне

в большом количестве содержится железо и оно взаимодействует с кислородом:

Fe + 1/2

= FeО + 263 кДж

Образовавшийся оксид железа, при высоких температурах процесса,

более активно, чем чистый кислород, взаимодействует с примесями чугуна.

На 4–6-й минутах плавки окисляется кремний, восстанавливается железо и

выделяется большое количество тепла. С окисления кремния начинается

процесс шлакообразования. На 8–10-й минутах плавки начинает окисляться

марганец и в виде оксида также удаляется в шлак. Фосфо

р начинает взаимо-

действовать с оксидом железа в начальный момент продувки (с 5-й минуты):

2P + 5FeO ↔ 5Fe + P

+ 225 кДж

Повышенное содержание оксида железа способствует образованию

. Это соединение неустойчивое, и реакция может идти в обе стороны, но

присутствующий в печи оксид кальция уже при невысоких температурах

связывает Р

переводя его в шлак:

+ 4СаО → (СаО)

+ 128 кДж

Хуже всего при кислородно-конвертерном процессе удаляется сера,

присутствующая в чугуне в виде сульфида железа FeS, который начинает

взаимодействовать с оксидом кальция даже при низких температурах:

FeS + СаО = FeО + СаS

Но в кислородном конвертере из-за повышенного содержания FeО сера

практически не связывается кальцием, так как этот процесс сопровождается

образованием FeО, который уже в избытке.

Второй эт

ап выплавки стали – «кипение» металлической ванны начина-

ется при достижении температуры 1450 °С. Это позволяет интенсивно проте-

кать реакции окисления углерода, сопровождающейся поглощением теплоты:

FeО + С = СО + Fe – 154 кДж

Пузырьки окиси углерода выделяются из жидкого металла, вызывая

бурное кипение ванны. Оно способствует выравниванию температуры по

объему конвертера и частичному удалени

ю в шлак неметаллических

включений, прилипающих к пузырькам углерода. При достижении заданного

содержания углерода подачу кислорода отключают, фурму поднимают,

конвертер наклоняют и сталь через летку выливают в ковш.

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.3. Производство стали



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -79-

Третий этап выплавки стали – раскисление в кислородном конвертере

не проводится, оно осуществляется в ковше осаждающим методом.

Раскисление заключается в восстановлении оксида железа FeО,

растворенного в жидком металле. Кислород, выполнивший свою функцию

при удалении примесей из металла, сам является вредной примесью, и его

содержание необходимо снизить.

В ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Они

обладают бóльши

м сродством к кислороду, чем сталь. Железо восстанавли-

вается, а образующиеся оксиды MnO, SiO

, Al

, обладающие меньшей

плотностью, уходят в шлак:

FeО + Mn = Fe + MnO + Q

2FeО + Si = 2Fe + SiO

+ Q

3FeО + 2Al = 3Fe + Al

+ Q

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с

различным содержанием углерода – кипящие и спокойные. Этим способом

трудно получать стали, содержащие высокое количество легкоокисляющихся

легирующих элементов, поэтому кислородно-конвертерным способом можно

выплавить только низколегированную сталь. Легирующие элементы вводят-

ся в ковш в расплавленном состоянии или в виде твердых ферросплавов.

Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой производительностью:

выплавка стали в конвертерах вмести

мостью 50–300 т идет 25–50 мин.

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с дру-

гими плавильными агрегатами:

•

легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

•

можно получать высокую температуру металла;

•

можно создавать окислительную, восстановительную, нейтральную

атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием

минимального количества неметаллических включений.

Электропечи используют для выплавки конструкционных низко- и

высоколегированных сталей, инструментальных и специальных сталей и

сплавов. Различают дуговые и индукционные электропечи.

Дуговая печь

, схема которой приведена на рис. 3.3, питается трехфаз-

ным переменным током, имеет три цилиндрических электрода

из графити-

рованной массы, закрепленных в электрододержателях, к которым подво-

дится электрический ток по кабелям

. Между электродом и металлической

шихтой возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра.

Снаружи он заключен в прочный стальной кожух, внутри футерован

основным или кислым кирпичом

Съемный свод

имеет отверстия для

электродов. В стен

ке корпуса находится рабочее окно

(для слива шлака,

загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой.

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.3. Производство стали



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -80-

Готовую сталь

выпускают через сливное отверстие со сливным желобом

Печь опирается на секторы и имеет опорные ролики

для наклона в сторону

рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет от 0,5 до 400 т. В металлургических

цехах используют электропечи с основной футеровкой, в литейных – с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется пл

авка двух видов: на шихте

из легированных отходов (методом переплава) и на углеродистой шихте (с

окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления

примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя

основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до

заданного химического состав

а. Проводят диффузионное раскисление,

подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так

выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструк-

ционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, металлизированные

окатыши, чушковый передельный чугун, железную руду для окисления

примесей, электродный бой или кокс для науглероживания м

еталла, известь.

Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов

плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты

кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо,

кремний, фосфор, марганец и частично углерод. К концу «окислительного»

периода заканчивается удаление фосфора в основной железистый шлак.

Рис. 3.3. Схема дуговой плавильной печи

После нагрева до 1500–1540

C начинается период «кипения» металла,

для дальнейшего окисления углерода.

При достижении нужного количества углерода прекращают кипение и

приступают к удалению серы, раскислению для получения металла задан-