шпоры. экзамен мткм. 1 свойства конструкционных материалов физические, химические, эксплуатационные. Свойства конструкционных материалов
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
1)свойства конструкционных материалов: физические, химические, эксплуатационные. Свойства конструкционных материалов. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов. К физическим свойствам относятся плотность, температура плавления, коэффициент теплового расширения, тепло - и электропроводность, магнитная проницаемость и др. Химические свойства определяются химической активностью материала, его способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими средами, со шлаками и расплавленными металлами и т. д. К числу основных химических свойств относятся: растворимость в жидких средах; коррозионная стойкость (определяемая скоростью потери или увеличения массы) на воздухе, в растворах солей, кислот и щелочей; жаростойкость - сопротивление окислению при высоких температурах. Технологические свойства характеризуют способность материалов свариваться, обрабатываться резанием и давлением и т. д. В целом, от технологических свойств зависят затраты труда, машинного времени и инструмента на то, чтобы получить единицу продукции. Показателями технологических свойств являются: свариваемость, штампуемость, допустимые скорость и глубина резания (обрабатываемость резанием), литейные характеристики сплавов (жидкотекучесть, величина линейной и объемной усадки, трещиностойкость) и др. Эксплуатационные или служебные свойства характеризуют способность материала работать в различных условиях. Важнейшими среди них являются: надежность, долговечность, износостойкость, фрикционные свойства (коэффициент трения, склонность к задирам на трущихся поверхностях), хладостойкость, повреждаемость в условиях радиации и др. 2)Механические свойства конструкционных материалов. Имеется целый ряд свойств, характеризующих различные аспекты поведения материала (тела) во внешнем механическом поле (при механическом нагружении). И некоторые свойства путают даже специалисты-материаловеды и механики. Для общей пользы ниже приводятся определения понятий основных механических свойств материалов и изделий (в алфавитном порядке). Вязкость (внутреннее трение) – свойство материала сопротивляться необратимой пластической деформации (т.е. течению материала). Жесткость – свойство материала сопротивляться деформации (изменению размеров и формы). Жесткость неполимерных материалов (включая металлы) количественно характеризуется величиной модуля упругости (в случае полимеров аналогичный показатель часто называют модулем жесткости). Пластичность – свойство материала при нагружении изменять в значительных пределах размеры и форму (без разрушения) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Прочность (механическая) – свойство материала сопротивляться разрушению под действием внешних или внутренних сил (механических). Разрушение – разрыв связей между элементами тела, приводящий к разделению тела на части (нарушение сплошности тела). Твердость (поверхностная) – свойство материала сопротивляться локальным внешним воздействиям механической силы на поверхность материала. Упругость – свойство материала восстанавливать размеры и форму после снятия нагрузки. Хрупкость – свойство материала разрушаться при малой величине деформации. Обращаем внимание на то, что в определении понятия “хрупкость” не фигурируют ни величина, ни время действия механического напряжения. Но, как правило, тела разрушаются хрупко при кратковременном действии силы (при ударном приложении нагрузки), обычно в ходе развития упругой деформации. Эластичность (высокоэластичность) – свойство материала после снятия нагрузки восстанавливать размеры и форму (после деформирования материала на большую величину – порядка сотен процентов). Данным уникальным свойством обладают лишь материалы полимерной природы. Низкомолекулярные тела и тела с атомной структурой могут проявлять лишь упругость. Употреблять понятия “упругость” и “эластичность” как равнозначные для специалиста непростительно. Важным для КМ физическим свойством является, несомненно, и плотность. Плотность материала – масса единицы объема материала; величина, обратная удельному объему. Наиболее часто используют две величины плотности для одного и того же материала: истинную (ист) и кажущуюся, или насыпную, плотность (каж ). 3) Материалы и оборудование для производства чугуна в доменных печах. Процесс получения чугуна из железных руд называют доменным. Исходные материалы: - железные руды (магнитный, красный, бурый и шпатовый железняк+комплексные железные руды для улучшения св-в чугуна) - топливо - кокс – топливо+нагрев печного пространства до необходимой температуры; обеспечивает восстановление окислов железа. Возможна частичная замена кокса газом или мазутом - флюсы - известняк CaCO3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и MgCO3, так как в шлак должны входить основные оксиды (CaC, MgO), которые необходимы для удаления серы из металла. В их состав входит минимальное количество вредных примесей. Получение чугуна в доменной печи заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды. Чтобы отделить примеси, содержащиеся в руде и коксе (продукте переработки каменного угля), их нужно расплавить, однако температура плавления у них намного выше, чем у чугуна.Ее понижают, вводя флюсы (плавни), чаще всего — известняк. Загружаемая сверху в доменную печь шихта, содержащая железную руду, кокс и флюсы, постепенно перемещается вниз и попадает в зоны все более высокого нагрева. В нижней части домны (горне) температура возрастает до 1 600 °С. Сюда стекают жидкие чугун и шлак. Более легкий шлак скапливается над чугуном. Периодически шлак и чугун выпускают и направляют для дальнейшей переработки. Вдуваемый в доменную печь воздух, нагретый до 700…800°С, обеспечивает горение кокса с образованием окиси углерода (СО), которая отнимает кислород у оксидов железа. При температуре около 1 000 “С имеет место науглероживание восстановленного железа и превращение его в чугун: Пустая порода и флюсы также претерпевают определенные превращения и переходят в шлак. Азот воздуха, СО и С02 образуют доменный газ, удаляемый из домны через колошник по газопроводам. В материалах шихты имеются вещества, дающие чугуну полезные (марганец, кремний) и вредные (сера, фосфор) примеси. Сера может быть удалена из чугуна при сильнооснбвном шлаке и высокой температуре процесса. Фосфор же удалить из чугуна нельзя. Чтобы чугун не содержал фосфора, шихта должна быть свободна от Р205. 4)Устройство доменной печи. Доменная печь является шихтной печью непрерывного действия. Шихта (руда, флюсы и топливо в определенных соотношениях) загружается через верхнее отверстие печи (колошник) и по мере плавления передвигается вниз к горну печи навстречу поднимающимся вверх газам. На рисунке изображена доменная печь, это вертикальный разрез типовой доменной печи.Верхняя часть печи (I) — колошник; наиболее широкая в поперечнике часть (III) — распар;нижняя часть печи, в которой происходит горение и накапливаются продукты плавки (чугун и шлак),— горн (V).Пространство печи между колошником и распаром называется шахтой(II) — печи, а между распаром и горном — заплечиками(IV). Полезным объемом печи считают объем, заполненный шихтой с продуктами плавки, т.е. объем от горизонта засыпки до выпускного отверстия чугуна (чугунной летки), а полезной высотой печи — высоту от оси чугунной летки до уровня засыпки  5)Сущность доменного процесса. Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы кокс, железосодержащие компоненты и флюс в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ. В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла. Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа . Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе своеобразное очертание, называемое профилем. Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 1200 С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар. Кокс поступает в горн нагретым до 1400 1500 С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 2000 С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 450 С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 20 %. Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов. В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем в металлическое железо по схеме: Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe. Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 1100 С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 1150 С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса и зола. При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак). Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние 6)Основные физико-химические процессы выплавки стали Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путём их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определённые условия, используя основные законы физической химии. В соответствие с законом действующих масс (норвежских учёных Като Гульдберга и Петера Вааге) скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в чугуне больше всего железа, то оно и окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи. 2Fe + O2 = 2FeO + Q (1) Одновременно с железом окисляются примеси Si, P, Mn, C и другие. Образующийся оксид железа (II) при высоких температурах растворяется в железе и окисляет примеси: 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + Q (2) 5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + Q (3) FeO + Mn = MnO + Fe + Q (4) FeO + C = CO + Fe – Q (5). Чем больше FeO содержится в жидком металле, чем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, содержащую оксиды железа. Т.о., основное количество примесей окисляется за счёт кислорода FeO. Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствие с которым химические реакции, идущие с выделением тепла (экзотермические), протекают интенсивнее при низких температурах, а реакции, идущие с поглощением тепла (эндотермические), активизируются при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления Si, P, Mn (2 – 4), протекающие с выделением тепла, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре. После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкие металл и шлак, которые разделяются из-за различной плотности. В соответствие с законом распределения Нернста, если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определённого соотношения (константа распределения Нернста), постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Mn, Si, P, S) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определённом соотношении, характерном для данной температуры. Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Используя изложенные законы, процесс выплавки стали, осуществляют в несколько этапов. I этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходит окисление железа и примесей по реакциям 1 – 4. Наиболее важная задача этого этапа – удаление вредной примеси фосфора. Для этого необходимо проведение плавки в печи с основным огнеупором, в которой можно использовать основные флюсы, содержащие СаО. Р2О5 + 3СаО = Са3(РО4)2 (6) II этап – «кипение» металлической ванны. Начинается оно по мере её прогревания до более высоких температур. Образующийся FeO реагирует с углеродом по реакции 5, а пузырьки СО, выделяющиеся из жидкого металла, вызывают эффект «кипения» ванны. В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида FeS: FeS + CaO = CaS + FeO (7) Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворяется в железе. В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы, т.к. нельзя использовать основные флюсы, поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов с малым содержанием серы и фосфора. III этап (завершающий) – раскисление стали. Заключается в восстановлении FeO, растворённого в жидком металле. Раскисление осуществляется введением в жидкую сталь ферромарганца, ферросилиция и алюминия. При этом происходят реакции: FeO + Mn = MnO + Fe 2FeO + Si = SiO2 + Fe 3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe При последовательном раскислении стали ферромарганцем, ферросилицием и алюминием получают спокойную сталь, при раскислении ферромарганцем и уменьшенным количеством ферросилиция – полуспокойную , при раскислении только ферромарганцем – кипящую. Раскислители вводят либо в печь, либо в струю разливаемого в ковш металла 7)Производство стали в мартеновской печи Мартеновская печь представляет собой пламенную регенеративную печь, высокая температура (1750—1800 °С) в которой достигается путем сгорания топлива в плавильном (рабочем) пространстве над ванной жидкого металла. Плавильное пространство — полуовальная камера, в которую через окна в передней стенке загружают шихту; с боков подают подогретый воздух и топливо (газ или мазут). При сгорании топлива выделяется тепло для ведения плавки. Готовую сталь выпускают через летку (отверстие) в задней стенке. Рабочее пространство печи выложено огнеупорной кладкой со стальной арматурой. Устройство мартеновской печи показано на рис. 2.4. Для повышения рабочей температуры подаваемые в печь газы и воздух проходят через предварительно подогретые до 1200—1250 °С регенераторы, нагреваются в них и поступают в плавильное пространство печи. Здесь газ и воздух смешиваются и сгорают, образуя пламя высокой температуры, при которой плавится металл. Продукты сгорания по каналам поступают в регенераторы, нагреваются, охлаждаясь до 500—600 °С, и уходят в дымовую трубу. В нашей стране эксплуатируются мартеновские печи емкостью от 20 до 90 т стали. С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность. Продолжительность плавки в малых печах составляет 3—4 ч, в крупных она возрастает до 12 ч. Мартеновские печи, так же как и другие большие плавильные агрегаты, работают непрерывно до остановки на капитальный ремонт.  Рис. 2.4. Мартеновская печь 1 — регенераторы; 2— уровень рабочей площадки; 3 — вертикальные каналы; 4 — головки; 5 —сталь; 6 — под печи; 7 — рабочее пространство; 8 — завалочные окна; 9 — свод; 10 — перекидные клапаны; 11 — каналы Мартеновские печи и соответственно процессы плавки в них могут быть основными или кислыми. Основные печи выложены магнезитовым и хромомагнезитовым кирпичом. Процесс плавки в них ведется под основным (с большим содержанием извести) шлаком, что дает возможность удалить из металла серу и фосфор: FeS + CaO = CaS + FeO; P2O5 + 4СаО= (СаО)4·P2O5. Кислую печь выкладывают динасовым кирпичом. При плавке в ней образуется кислый шлак с большим содержанием окиси кремния SiO2. Для выплавки стали в мартеновской печи используются стальной лом (скрап), железная руда, жидкий и твердый чугуны, флюс. В зависимости от их соотношения в шихте и состава шлака применяют основные процессы: скрап-рудный на шихте из жидкого чугуна с добавкой 25—40 % стального скрапа и до 15 % железной руды; основной скрап-процесс на шихте из стального лома и 75—45 % чушкового передельного чугуна (флюсом в обоих процессах служит известняк СаСO3, составляющий 5—8 % массы металла) и кислый скрап-процесс, при котором из кварцевого песка получается шлак, содержащий до 60 % SiO2. Скрап-рудным процессом выплавляется основная масса мартеновской стали, которая идет на изготовление проката. При этом процессе в период плавления с помощью окислов РУДЫ и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна — кремний, фосфор, марганец: 2FeO + Si SiO2 +2Fe + 330,5 кДж; 5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 225,9 кДж; FeO + Mn = MnO + Fe + 122,6 кДж. Затем начинается период кипения. В это время в металле интенсивно выгорает углерод благодаря присутствию кислорода руды и окалины железа: FeO + C = CO + Fe+ 153,9 кДж. Из жидкого металла выделяются пузырьки окиси углерода СО, вызывая «кипение ванны». В момент, когда содержание углерода достигает заданного количества, а количество серы и фосфора уменьшается до минимума в результате соединения с окисью кальция СаО и перехода их в шлак, кипение прекращают введением раскислителей, которые связывают кислород: ферромарганца, ферросилиция и алюминия. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске ее из печи. Скрап-процесс отличается от скрап-рудного процесса тем, что в нем отсутствует период кипения. Основной скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей обыкновенного качества, кислый — для выплавки качественных сталей. В кислых печах нельзя получить основной шлак для удаления серы и фосфора, поэтому применяется шихта с низким содержанием этих элементов. Выплавляемая в них сталь содержит меньше водорода, кислорода и неметаллических включений, чем сталь, выплавляемая в основных печах. Показателями работы мартеновских печей являются съем стали с 1 м2 пода печи в сутки и расход топлива на 1 т выплавляемой стали. На отечественных заводах съем стали составляет в среднем около 10 т/м2 в сутки, а расход топлива при скрап-рудном процессе— 120—180 кг/т и при скрап-процессе — 170— 250 кг/т. При интенсивном ведении процесса плавки в 90-тонных печах съем стали повышается до 15—16 т/м2 в сутки. Интенсификация мартеновского производства достигается путем использования печей большой емкости, хорошей подготовки шихтовых материалов, автоматизации процесса плавки. Повышению производительности печей и экономии топлива способствует применение кислородного дутья. |