Контрольная работа по "Материаловедению"

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Схема доменного  процесса. Классификация чугунов,  их состав.

 

Приведен качественный, а по углероду – и количественный состав чугуна (рис. 1, а). Доменная печь (домна) показана в разрезе, схематично (рис. 1, б). Снизу через фурму (устройство для подвода дутья) поступают горячий воздух, кислород, метан, а навстречу движется шихта – смесь, состоящая из кокса (источник энергии и восстановитель), подготовленного рудного концентрата и флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки).  Домну через колошник (верхняя часть шахтных доменных плавильных печей) покидает доменный газ, содержащий до 30% СО. 

Домна – сложнейшее инженерное сооружение высотой более 60 м и  диаметром 10 м, снабженное системой контроля и управления, предназначенное для  выплавки чугуна – продукта химико-восстановительных  процессов.  Далее на схеме показаны основные химические реакции доменного  процесса (рис. 1, в). Это – горение  кокса в зоне над горном (нижняя часть домны, где происходит горение  топлива). Шлак выполняет также функцию  защиты чугуна от окисления. Далее происходит собственно восстановление железа, затем  – восстановление примесных элементов  и науглероживание железа и, наконец, образование шлаков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 (см .приложение 2). 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 минут, 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).

Чугунная лётка обычно представляет собой горизонтальный или наклонный канал прямоугольного сечения в огнеупорной кладке горна печи. Расплавленный чугун  из лёток сливается в главный  чугунный жёлоб, расположенный на литейном дворе. Шлаковая лётка — обычно расширяющееся наружу горизонтальное отверстие круглого сечения в огнеупорной кладке горна печи. Периодический выпуск верхнего шлака из лётки производят в периоды между выпусками чугуна. Продолжительность выпуска продуктов плавки в пределах часа, тогда как время закрытия лётки измеряется секундами. После каждого выпуска лётки заделывают огнеупорной заделочной (лёточной) массой. Ранее в качестве массы использовалась глина, в настоящее время применяются специальные кварцитовые или высокоглиноземистые безводные массы с синтетическим связующим.

 Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

Продукты доменной плавки:                     

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество  которых зависит от состава проплавляемых руд. В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида:

- передельный, идущий на передел в сталь;

- литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении;

-доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

 

Передельный чугун подразделяют на три вида:

- Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).

- Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).

- Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после  выпуска из доменной печи разливают  в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун  выплавляют семи марок: ЛК1 – ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

 

Классификация чугунов.

 

 Чугун отличается от стали:

1. по составу – более высокое содержание углерода и примесей;

2. по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния  углерода в чугуне различают:

*белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

*серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;

*половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

 

 

 

 

 В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов:

* серый – с пластинчатым графитом (Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций. Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %); Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на  СЧ 15.

* высокопрочный – с шаровидным графитом (Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита. Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 % ); Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на  ВЧ 100.

* ковкий – с хлопьевидным графитом (Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния. Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.). Обозначаются индексом КЧ (ковкий чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.

Схемы микроструктур  чугуна в зависимости от металлической  основы и формы графитовых включений представлены на рис.2.

Рис.2. Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений

 

Наиболее широкое распространение  получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и  тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время  для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

Отбеленные и  другие чугуны. Отбеленные – отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.  В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния –0,5…0,8 %. Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц. Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью. Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

Для таких чугунов можно применять термическую обработку.

Диаграмма состояния железо – графит.

В результате превращения  углерод может не только химически  взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии  в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом. Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рис.3. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного превращений ,соответственно, 1153^oС и 738^oС. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно.

 

Рис.3. Диаграмма состояния железо – углерод: сплошные линии – цементитная система; пунктирные – графитная

При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния  железо – цементит является метастабильной, а диаграмма железо – графит –  стабильной.

 Процесс образования  графита в сплавах железа с  углеродом называется графитизацией. Графит – это полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100% углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита. С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Следовательно, графит является более стабильной фазой, чем цементит.