ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ.. 4

Стр 1 из 15Следующая ⇒

Производство чугуна. 4

Производство стали. 10

Производство цветных металлов. 21

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ.. 29

Строение и свойства материалов. 29

2.2 Методы определения различных показателей и свойств материалов. 37

Основы теории сплавов. 45

Термическая обработка металлов и сплавов. 50

Химико-термическая обработка металлов и сплавов. 61

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ.. 68

Углеродистые стали. 68

Чугуны.. 73

Легированные стали. 81

Цветные металлы и сплавы.. 88

Порошковые материалы.. 97

Композиционные материалы.. 104

Неметаллические материалы.. 108

Прочие материалы.. 115

Защитные материалы.. 125

Коррозия металлов и способы её предотвращения. 131

Литература. 135

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и др.).

Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием.

Материалы – это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные вещества для проведения производственных процессов.

Различают следующие разновидности материалов:

– сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда, нефть, природные ископаемые, в т.ч. неметаллические);

– полуфабрикаты – переработанные материалы, которые должны пройти одну или несколько стадий обработки для того чтобы стать изделием годным к потреблению. Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.

Для решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном использовании.

Материаловедение изучает технологии производства различных материалов, зависимость свойств материалов от их структуры (строения), область применения материалов, методы получения материалов с заданными (запланированными) свойствами. Свойства материалов можно разделить на физические, механические, технологические и другие.

Основные материалы в машиностроении – это металлы и их сплавы. Для металлических материалов характерны такие свойства как прочность, твердость возможность обработки различными технологическими способами для получения деталей, составляющих разные конструкции.

К актуальным проблемам материаловедения как науки относится также изучение методов защиты материалов от разрушения, вызываемого воздействиями вредных сред и веществ, природных и искусственных внешних факторов, естественным старением и износом. Для принятия мер по стабилизации свойств материалов необходимо знать закономерности строения материалов, в т.ч. происходящие в них со временем изменения. Решению этих вопросов помогает установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств.

Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое материаловедение изучает общие закономерности строения материалов и процессов, которые происходят в них при внешних воздействиях. Оно базируется на достижениях современных естественных (академических) наук: физики, химии, механики и др., от развития которых зависят использование

материалов в технике и эффективность методов переработки их в изделия.

Задача прикладного материаловедения – определение оптимальных структур и технологий переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других технических изделий.

В машиностроении важным направлением является создание и широкое применение новых конструкционных материалов. В производстве используются сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования.

В курсе дисциплины изучаются общие сведения о технологии получения разных материалов и, в первую очередь, металлов и сплавов, составляющих более 3/4 всех материалов машиностроительных конструкций; металлокерамических, неметаллических и многих других материалов; строение и свойства материалов; методы измерения и проектирования этих свойств; назначение и область применения разных материалов; методы совершенствования свойств материалов.

Основу конструкционных материалов составляют металлы, в первую очередь черные, получаемые на основе железных руд. К черным металлам относятся чугуны и стали, а также большое многообразие чугунных и стальных сплавов.

Отрасль промышлености, занимающуюся производством черных металлов, называют металлургической. Она относится к тяжелой промышленности, является энергоемкой и экономически затратной, с одной стороны, но также составляет большую часть валового дохода. Поэтому производство современных качественных материалов является экономически выгодным.

Справочно:

Заметную роль в изучении природы металлов сыграли исследования французского учёного Реомюра (1683-1757). Ещё в 1722 году он провёл исследование строения зёрен в металлах. Англичанин Григнон в 1775 году обратил внимание на то, что при затвердевании железа образуется столбчатая структура. Ему принадлежит известный рисунок дендрита, полученного при медленном затвердевании литого железа.

В России первым, кто начал научно осмысливать проблемы металлургии и литейного дела, был М.В. Ломоносов (1711-1765). Им написано учебное руководство «Первые основания металлургии рудных дел», в котором он, описывая металлургические процессы, постарался открыть их физико-химическую сущность.

Заметных успехов металловедение достигло лишь в 19 веке, что связано в первую очередь, с использованием новых методов исследования структуры металла. В 1831 году П.П. Аносов (1799-1851) провёл исследование металла на полированных и протравленных шлифах, впервые применив микроскоп для исследования стали. Значительный вклад в развитие металловедения внесли работы русского учёного-металлурга П. П. Аносова (1799-1851), английских ученых Сорби и Роберта Аустена (1843-1902), немца А. Мартенса (1850-1914), Трооста и американца Э. Бейна (1891-1974), которые, каждый в своё время, рассматривая под микроскопом и фотографируя структуры, установили существование структурных превращений в сталях при их непрерывном охлаждении.

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Производство чугуна

1.1.1 Общие сведения . Металлы различаются между собой строением и свойствам, но их можно классифицировать, т.е. объединить в группы по следующим общим признакам:

· по наличию и отсутствию железа и сплавов на его основе: черные и цветные;

· по химическим и физическим свойствам: легкие, тяжелые, тугоплавкие, благородные, радиоактивные, щелочноземельные;

· по характеру залегания в земной коре: редкоземельные, рассеянные, редкие;

· по температуре плавления: низкоплавкие (1000^ОС); высокоплавкие (1000-2000^ОС); тугоплавкие (2000^ОС).

Эта классификация условна – металл может относиться к разным группам одновременно.

Черные металлы имеют в основном темно-серый цвет. К ним относятся железо и сплавы на их основе (чугун и сталь). Черные металлы обладают полиформизмом – способностью изменять строение кристаллической решетки при нагревании до определенных температур.

Цветные металлы в основном имеют красный, желтый или белый свет, для большинства из них характерно отсутствие полиформизма.

К железным сплавам относятся сплавы с преобладанием железа (Fe), в их состав входят кобальт (Co), никель (Ni), марганец (Mn).

К тугоплавким металлам относятся молибден (Mo), тантал (Ta), вольфрам (W).

Редкоземельные металлы – лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), празеодим (Pr).

Легкие металлы – бериллий (Be), магний (Mg), алюминий (Al) – отличаются малой плотностью.

Благородные и полублагородные металлы – серебро (Ag), золото (Au), платина (Pt), медь (Cu), палладий (Pd), иридий (Ir), родий (Rh), осмий (Os), рутений (Ru) – обладают высокой устойчивостью против коррозии.

Легкоплавкие металлы – цинк (Zn), кадмий (Cd), ртуть (Hg), олово (Sn), свинец (Pb), висмут (Bi), таллий (Tl), сурьма (Sb), а также химические элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий (Ga), германий (Ge).

В промышленности широко используется железо и его сплавы, особенно сплавы с углеродом: чугун – сплав, содержащий более 2, 14 % углерода; сталь – менее 2, 14% углерода.

В зависимости от содержания углерода сталь бывает:

высокоуглеродистой – более 0, 6 % углерода;

среднеуглеродистой – от 0, 25 % до 0, 6 % углерода;

низкоуглеродистой – менее 0, 25 % углерода.

1.1.2 Производство чугуна. Черная металлургия выпускает:

· передельные чугуны – используются для переделки в сталь;

· литейные чугуны – для изготовления фасонных чугунных отливок;

· железорудные металлизированные окатыши – для выплавки стали;

· ферросплавы (сплавы железа с марганцем, кремнием, титаном и др.) – для раскисления и легирования сталей;

· стальные слитки – для производства стального проката;

· стальные слитки – для изготовления крупных кованных деталей.

Исходными материалами для получения чугуна являются железные руды, твердое топливо, флюсы, которые подвергаются металлургической переработке в доменных печах.

Железные руды состоят из соединений, содержащих оксиды железа ( Fе₂O₃, 2Fе₂O₃ ЗН₂O, Fе₃O₄, FеСO₃ ), пустой породы, вредных примесей. К железным рудам относятся красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Они содержат значительное количество соединений железа и сравнительно мало пустой породы, которая не вызывает больших осложнений при металлургической переработке железной руды, так как при плавке переходит в шлак и легко отделяется. В составе пустой породы в рудах встречаются каолин, кремнезем, доломит и магнезит. Вредными примесями являются сера, мышьяк и фосфор.

Твердое топливо используется в доменных печах для расплавления железной руды. Как правило используют каменноугольный кокс (частично его заменяют природным газом, пылевидным углем, мазутом), который обеспечивает нагрев печи и восстановление окислов железа, кремния, марганца и др. Кокс получают из коксующегося каменного угля путем нагрева до температуры 900—1050°С без доступа воздуха. При этом уголь не измельчается, а спекается в куски.

Флюсы, например известняк ( СаСO₃ ), вводят в доменную печь для того, чтобы снизить температуру плавления пустых пород и образовать жидко-текучие шлаки, куда переходят также вредные примеси руды и кокса.

Добытую из недр земли железную руду перед загрузкой в печь подвергают предварительной обработке и обогащению. Предварительная обработка заключается в дроблении и сортировке руды. Обогащение применяется для повышения содержания железа и снижения вредных примесей в руде. Обогащение руды осуществляют различными способами. Чаще всего применяют магнитное, гравитационное и

флотационное обогащения. При магнитном способе используют магнитные сепараторы, в которых создается магнитное поле и происходит отделение немагнитных частиц от магнитных, таких как, например, Fе₃O₄. Гравитационный способ обогащения основан на отделении примесей вследствие различной плотности и скорости падения минералов в водной или воздушной среде. При флотационном способе используется такой фактор, как различная смачиваемость поверхностей различных компонентов железных руд водой, в результате чего вода уносит легкие частицы пустой породы.

Подготовленные к плавке железную руду, топливо и флюсы (все вместе называется шихтой) загружают в доменную печь ( рисунок 1.1 ) — вертикальную шахтную печь высотой до 35 м, производящую в сутки до 12 тыс. т чугуна. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором (в цилиндрическом кожухе) уложена кладка из огнеупорного кирпича, образующая лещадь. В нижней части печи — горне — имеются чугунные 1 и шлаковые летки, через которые выпускаются чугун и шлак, а также фурменные приборы 6, через которые осуществляется дутье (подача воздуха). Над горном расположены заплечики, соединенные с распаром 2 самой широкой частью печи. Распар переходит в сужающуюся кверху шахту 3 , которая заканчивается цилиндрическим колошником 4. Расстояние от уровня чугунной летки до верха колошника называется полезной высотой доменной печи.

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в колошник шихты и ее нагревании вследствие горения кокса. Опускаясь вниз, шихта постепенно нагревается и поступает в горн в раскаленном состоянии, где, соединяясь с кислородом вдуваемого воздуха, интенсивно горит, выделяя углекислый газ. В результате в горне образуются чугун и шлак.

1 — лётка для чугуна;

2 — распар; 3 — шахта;

4 — колошник; 5 — заплечики;

6 — фурменные отверстия;

7 — горн; 8 — лещадь

Рисунок 1.1 Устройство

Доменной печи

Процессы, протекающие в доменной печи, сложны и многообразны. Восстановление железа из его оксидов протекает в несколько стадий:

Fе₂О₃ → Fе₃О₄ → FеО → Fе.

Горение топлива происходит с образованием оксида углерода СО, который является основным восстановителем железа. Часть руды восстанавливается с помощью водорода и твердого углерода. Восстановленное железо находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы, которая, опускаясь вниз, поглощает углерод, превращаясь в чугун.

Шлакообразование начинается при прохождении шихты через распар после окончания восстановления железа при температуре 1400—1500°С. Образовавшийся шлак стекает в горн и располагается на поверхности чугуна.

В доменных печах получают литейный (серый) чугун, передельный (белый) чугун и ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром и др.). Последние используют в качестве специальных присадок при производстве стали и выплавке чугуна. Кроме того, из доменных печей выходит шлак и колошниковый газ.

Колошниковый (доменный) газ представляет собой продукт неполного сгорания углерода и в дальнейшем используется как топливо на металлургических заводах.

Важнейшей характеристикой доменной печи является ее полезный объем. Основным технико-экономическим показателем доменной печи служит коэффициент использования полезного объема ( КИПО ), т. е. полезный объем печи, приходящийся на 1 т выплавляемого в сутки чугуна. Чем меньше значение КИПО, тем лучше работает печь.

1.1.3 Прямое получение железа из руд. Существует более экономичный способ получения железа из руды, без использования дорогостоящего кокса. Этим способом в зависимости от температуры конечный продукт может быть получен в виде губчатого железа, крицы или в жидком виде. Крица — твердая губчатая масса железа с низким содержанием углерода, фосфора, серы и кремния. Губчатое железо, или железная губка, — пористый кусковой или пылевидный продукт, представляющий собой железо с растворенным в нем углеродом и неметаллическими примесями пустой породы руды.

Железная губка производится в шахтных печах ( рисунок 1.2 ) высотой 10 – 14 м, диаметром 3—3, 5 м, производительностью 1000 – 1500 т металла в сутки. Из скипа 3 через загрузочное устройство обогащенная и окомкованная руда (окисленные окатыши) поступает в шахту печи. Шахта делится на зону восстановления и зону охлаждения. В зоне восстановления окатыши омываются потоком газа, содержащего оксид углерода и водород (Восстановительный газ температурой около 1000°С получают путем неполного сжигания природного газа метана в специальном реакторе.). В результате железо восстанавливается как при доменном процессе, т. е. в окатышах образуется железо в виде губки, получаются металлизированные окатыши.

Ниже, в зоне охлаждения, окатыши проходят через оборотный газ, который нагнетается компрессором 1, охлаждается и очищается в скруббере 2.

Окатыши через затвор периоди-чески выпускаются из шахты, проходят грохот 4 и по транспортёру отводятся от печи.

1 — компрессор; 2 — скруббер; 3 — скип; 4 — грохот

Рисунок 1.2 Схема прямого получения губчатого железа

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒