1. Конструкционные материалы и их классификация

1. Конструкционные материалы и их классификация

Металлические материалы, к которым относятся:

· сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;

· стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);

· цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.

· композиционные материалы с металлической матрицей;

2. Неметаллические материалы:

· полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;

· композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);

· неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);

3. Материалы со специальными свойствами – электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.

Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.

2. Производство чугуна

1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ДОМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ, И ИХ ПОДГОТОВКА К ПЛАВКЕ

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топли­во, флюсы.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe₃0₄, Fe₂0₃; гидроксидов Fe₂0₃ • nH₂0; карбонатов FeC0₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из Si0₂, А1₂0₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃0₄ (55... 60 % Fe), красный железняк Fe₂0₃ (55... 60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe₂0₃ х ЗН₂0 и Ре₂0₃ • лН₂0 (37... 55 % Fe); шпатовые же­лезняки, содержащие FeC0₃(30...40 % Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10... 82 % Мп), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мп. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов: Мп0₂, Мп₂0₃, Мп₃0₄, МпС0₃ и др.

Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлическо­го хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Хромовые руды содер­жат хромит (РеО • Сг₂0₃), магнохромит (Mg, Fe), Cr₂0₃ (до 40 % Cr₂0₃).

Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугу­нов. Это железомарганцевые руды (до 20 % Мп), хромоникелевые руды (37... 47 % Fe, до 2 % Сг, до 1 % Ni), железо- ванадиевые руды (до 0,17... 0,35 % V).

Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получать не­обходимую температуру и создавать ус­ловия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.

Флюсом при выплавке чугуна в до­менных печах является известняк СаС0₃ или доломитизированный известняк, со­держащий СаС0₃ и MgC0₃, так как в шлаки должно входить определенное ко­личество основных оксидов (CaO, MgO). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она переходит из кок­са и железной руды при плавке. В извест­няке суммарное содержание оксидов Si0₂ и А1₂0₃ не должно превышать 1 %. Со­держание серы и фосфора должно быть минимальным. Для нормальной работы доменной печи шлак должен быть доста­точно жидкотекучим при температуре

1450 °С. В таком шлаке отношение ки­слотных оксидов к основным должно быть около единицы:

(Si0₂1 А1₂0₃)/(Са0 + MgO)«1.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения произво­дительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чу­гуна. Цель этой подготовки - увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение ее однородности по кус- коватости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Дроб­ление руды осуществляется на щековых или конусных дробилках, а также в шаро­вых мельницах и других агрегатах.

Размельченную руду сортируют по крупности грохочением, подобным про­сеиванию, на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах.

Обогащение руды основано на раз­личии физических свойств минералов, входящих в ее состав: плотностей состав­ляющих, магнитных, физико-химических свойств минералов. Промывка руды водой позволяет отделить плотные составляю­щие руды от пустой породы (песка, гли­ны). Гравитация (отсадка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. Магнитная сепарация основана на разли­чии магнитных свойств железосодержа­щих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают дейст­вию магнита, притягивающего железосо­держащие минералы, отделяя их от пус­той породы.

Окускование проводят для перера­ботки концентратов, полученных после

обогащения, в кусковые материалы необ­ходимых размеров. Применяют два спо­соба окускования: агломерацию и окаты­вание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40... 50 %), известняка (15... 20 %), возврата мелкого агломерата (20... 30 %), коксовой мелочи (4... 6 %), влаги (6... 9 %), спекают на агломераци­онных машинах при температуре 1300... 1500 °С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разла­гаются карбонаты и получается кусковой пористый офлюсованный материал - аг­ломерат.

При окатывании шихту из измель­ченных концентратов, флюса, топлива увлажняют, и при обработке во вращаю­щихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200... 1350 °С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает от­дельную подачу флюса-известняка в до­менную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве входит в их состав.

2. ВЫПЛАВКА ЧУГУНА

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных. Сущность процесса по­лучения чугуна в доменных печах заклю­чается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углеро­да, водородом, выделяющимся при сгора­нии топлива в печи и твердым углеродом.

Устройство доменной печи и ее ра­бота. Доменная печь (рис. 2.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри ог­неупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает в себя ко­лошник б, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн /, лещадь 15. В верхней части ко­лошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту

(офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опро­кидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу /7, а при опускании большого конуса 13 - в домен­ную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для рав­номерного распределения шихты в до­менной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки пово­рачиваются на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые материа­лы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был за­полнен. Полезный объем печи - это объ­ем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засып­ного аппарата при его опускании. Совре­менные доменные печи имеют полезный объем 2000... 5000 м³. Полезная высота Я доменной печи достигает 35 м.

3. Рис. 2.1. Устройство доменной печи

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необ­ходимый для горения топлива. Воздух нагревают для повышения температуры в печи и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухо­нагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка вы­ложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке по­дается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагре­вают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, по­даваемый турбовоздуходувкой машиной, оздух, проходя через насадку, нагревает- ^Ся температуры 1000... 1200 °С и по­ступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее про­странство. Доменная печь имеет несколь­ко воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других она отдает теплоту холодному воздуху, нагре­вая его. После охлаждения насадки возду­хом нагреватели переключаются.

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 проходят в доменной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных темпера­турах и на разных уровнях.

Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 2.1) углерод кокса, взаимодействуя с

кислородом воздуха, сгорает. В результа­те горения выделяется теплота и образу­ется газовый поток, содержащий СО, С0₂, N& Н₂, СН4 и др. При этом в печи не­сколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300... 400 °С у колош­ника.

Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температу­ре 500... 570 °С начинается восстановле­ние оксидов железа.

Разложение компонентов шихты происходит в зависимости от ее состава. Если в доменную печь подается офлюсо­ванный агломерат, то эти процессы про­текают при агломерации и в доменной печи почти не идут. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, в верхней части доменной печи разрушают­ся гидраты оксидов железа и алюминия. Известняк флюса диссоциирует по реак­ции СаСОз = СаО + С0₂.

В результате взаимодействия окси­дов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также с водородом происходит восстановление железа. Вос­становление газами называют косвенным, а восстановление твердым углеродом - прямым. Реакции косвенного восстанов­ления - экзотермические (сопровождают­ся выделением теплоты) - происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления - эндо-термические (сопровождаются по­глощением теплоты), они протекают в нижней части доменной печи, где темпе­ратура более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере про­движения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько ста­дий - от высшего оксида к низшему:

Fe₂0₃ II Fe₃0₄ Ш FeO 3§ Fe,

Восстановление железа заканчивает­ся при 1100... 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полно­стью. Потери его шлаком составляют не более 1 %.

Науглероживание железа. Восста­новление железа начинается в верхней части шахты доменной печи при 500... 570 °С и заканчивается в распаре при 1100... 1200 °С. При этих температурах восстановленное железо с Гщ» * 1539 °С находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте до- менной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглерожива­ние при взаимодействии с оксидом угле­рода, коксом, сажистым углеродом. Это приводит к образованию жидкого распла­ва, который каплями начинает стекать в горн.

Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000... 1200 °С восста­навливаются из руды, а также обогащают­ся серой, содержащейся в коксе.

Марганец в виде оксидов в домен­ную печь вносится железной, марганце­вой рудами или агломератом и восстанав­ливается в шахте по реакции, аналогичной восстановлению оксидов железа: МпОг -> -> Мп₂0₃ -> Мп₄0₃ МпО. Оксид мар­ганца (МпО) восстанавливается только твердым углеродом с образованием кар­бида марганца (Мп₃С) при температуре не ниже 1100 °С. Карбид марганца растворя­ется в железе, повышая содержание мар­ганца и углерода в чугуне. Другая часть МпО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в ви­де Si0₂, также частично восстанавливает­ся твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть Si0₂ переходит в шлак. Кремний восстанавливается при температурах не ниже 1450 °С.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)₃ • Р₂0₅ и (СаО)₃ • При температурах выше 1000 °С фосфат

железа восстанавливается оксидом угле­рода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше ,300 °С фосфор восстанавливается из фос­фата кальция. Фосфор и фосфид железа р_е Р полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaS0₄. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реак­ции

FeS + CaO - CaS + FeO

часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вред­ными примесями.

Таким образом, в результате, процес­са восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединении, растворения в железе С, Мп, Si, Р, S в доменной печи образуется чугун.

Образование шлака. Шлакообразова­ние активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления же­леза путем сплавления флюсов, добавляе­мых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при темпе­ратуре 1400... 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составля­ющие доменного шлака: оксиды кремния (30... 45 %), оксиды кальция (40... 50 %), оксид алюминия (10... 25 %) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи каждые ³ - 4 ч, а шлак - через 1... 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 (см. рис. 2.1) - отверстие в кладке, располо­женное несколько выше лещади, а шлак - через шлаковую летку 17. Чугунную лет­ку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупор­ной массой. Чугун и шлак сливают в чугу- новозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно- конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Продукты доменной плавки. Чугун - основной продукт доменной плавки. В до­менных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4...4,4 % С, 0,6... 0,8 % Si, 0,25... 1,5 % Мп, 0,15... 0,3 % Р и 0,03...0,07 % S.

Литейный чугун используют на ма­шиностроительных заводах при производ­стве фасонных отливок. Он содержит 2,75... 3,25 % Si. Кроме чугуна в домен­ной печи выплавляют ферросплавы до­менные - сплавы железа с кремнием, мар­ганцем и другими элементами, применяе­мые для раскисления и легирования стали. К ним относятся ферросилиций (9... 13 % Si и до 3 % Мп), ферромарганец (70... 75 % Мп и до 2 % Si), зеркальный чугун (10... 25 % Мп и до 2 % Si).

Побочные продукты доменной плав­ки - шлак и доменный газ. Из шлака изго­товляют шлаковату, цемент, шлакоситал- лы, а доменный газ после очистки исполь­зуют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

Технико-экономические показате­ли работы доменной печи. Основным показателем работы доменной печи принято считать: коэффициент использования по­лезного объема (КИПО) доменной печи - отношение полезного объема доменной печи V (м³) к ее среднесуточной произво­дительности Р (т) выплавленного чугуна. КИПО = V/P. Чем меньше КИПО, тем выше производительность доменной печи. В современных доменных печах КИПО не превышает 0,6. Другим важным показате­лем работы доменной печи является удельный расход кокса (К) - отношение расхода кокса (А) за сутки к количеству чугуна 1|| выплавленного за это же вре­мя: К т Л!Р. Удельный расход кокса со­ставляет 0,5... 0,7. Кроме того, эффектив­ность работы доменной печи характеризу­ется пребыванием шихты в доменной пе­чи (5... 6 ч) и длительностью кампании (4... 5 лет и более непрерывной работы).

Эти показатели являются обобщен- ными: они зависят от доли агломерата и окатышей в шихте, качества кокса, расхо­да природного газа, температуры дутья и содержания в нем кислорода, качества огнеупоров и других факторов.