Маслакова Л.П. и др. Методическое руководство к практическим работам по курсу Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

МОСКОВСКИЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

МАДИ (ГТУ)

Л.П.МАСЛАКОВА,

О.В.СЕЛИВЕРСТОВА, Д.С.ФАТЮХИН

Методическое руководство

к практическим работам

по курсу «Технология конструкционных материалов»

2010

Московский автомобильно-дорожный

государственный технический университет

Кафедра технологии конструкционных материалов

Утверждаю

Зав. кафедрой профессор

_____________________ В.М.Приходько

«___» ___________ 2010 г.

Л. П. Маслакова,

О. В. Селиверстова, Д. С. Фатюхин

Методическое руководство

к практическим работам

по курсу

«Технология конструкционных материалов»

Москва 2010

УДК 621.7

ББК 34.5

М - 314

М – 314 Маслакова, Л.П. Методическое руководство к практиче-

ским работам по курсу «Технология конструкционных материалов» /

Л.П. Маслакова, О. В. Селиверстова, Д.С. Фатюхин; МАДИ. – М., 2010.

– 68 с.

Методическое руководство к практическим работам по курсу тех-

нологии конструкционных материалов предназначено в помощь сту-

дентам, изучающим дисциплину

ТКМ на первом курсе МАДИ.

Пособие включает в себя планы изложения разделов теоретиче-

ской части курса, конспекты лекций по отдельным темам, комплекты

иллюстрационного материала, составленные на базе методических

материалов, изданных по кафедре ТКМ, списки литературы, а также

алгоритмы выполнения индивидуальных заданий по каждому из раз-

делов курса ТКМ.

Настоящее руководство,

несомненно, облегчит первокурсникам

освоение общеинженерной дисциплины «Технология конструкционных

материалов», будет способствовать развитию навыков самостоятель-

ной работы.

Электронная версия методического руководства размещена на

сайте МАДИ: http://www.madi.ru.

УДК 621.7

ББК 34.5

автомобильно-дорожный

государственный технический

университет, 2010

1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ

Металлургией называется наука о способах производства метал-

лов и сплавов на их основе, а также отрасль промышленности, произ-

водящая металлы и сплавы.

Цель работы

Изучить теоретические основы металлургических процессов. По-

лучить представление о способах производства чугуна и стали как ос-

новных материалов, применяемых в автотракторостроении.

Получить навыки по выбору приоритетных технологий, позво-

ляющих повышать эффективность производства и улучшать качество

получаемых сплавов.

1.1. Теоретические основы металлургических процессов

Основные вопросы темы

Исходные материалы для металлургии (руда, флюсы, огнеупор-

ные материалы, металлургическое топливо).

Принципиальная схема получения химического элемента из руды

(дробление, окомковывание, обогащение руды, шлакование, восста-

новление элемента из его оксида).

Флюсы и шлаки, их роль в металлургическом процессе; основ-

ность флюсов и шлаков, правила их подбора.

Огнеупорные материалы; примеры огнеупоров,

их химические и

физические свойства.

Металлургическое топливо; виды топлива, искусственное и есте-

ственное топливо. Пути повышения температуры горения топлива.

1.1.1. Принципиальная схема выделения искомого элемента

из руды

Исходными материалами для металлургии являются: руда, флюс,

огнеупорные материалы, металлургическое топливо.

Руда - это полезное ископаемое, содержащее искомый элемент в

таком количестве и такого качества

, которые допускают экономически

выгодное извлечение его в промышленном масштабе. Состав руды -

это рудное тело и пустая порода. Рудное тело - часть руды, содержа-

щая искомый элемент Ме

, чаще соединенный с кислородом. Пустая

порода - балласт, т.е. горная или другая порода, не содержащая иско-

Условно обозначим искомый элемент индексом Me (от слова «металл»).

мого элемента. В основном пустая порода содержит следующие хими-

ческие соединения: SiO

-кремнезем; Al

-глинозем; MgO-магнезия;

CaO-известь. Как видно, в составе пустой породы преобладают оксиды.

Процесс получения искомого элемента из руды включает в себя

два этапа: отделение пустой породы от рудного тела и выделение ис-

комого элемента из его оксида.

Частичное отделение пустой породы от рудного тела вне метал-

лургического агрегата с целью повышения

содержания искомого эле-

мента в руде называется обогащением. Этот процесс основан на раз-

личии физических свойств рудного тела и пустой породы. Так, при маг-

нитном обогащении используется различие магнитных свойств рудного

тела железной руды и пустой породы. Флотация, которой чаще под-

вергаются медные руды, основана на различной смачиваемости рудно-

го

тела и пустой породы. Способ сепарации основан на использовании

различий по плотности частиц рудного тела и пустой породы.

В результате процесса обогащения получают концентрат, в кото-

ром содержание искомого элемента Ме значительно выше, чем в руде.

Эффективность работы металлургического агрегата зависит от

размера кусков исходного материала. Крупные фрагменты руды под-

вергаются

дроблению, сортировке, а мелкую руду окусковывают. Су-

ществует два метода: агломерация и окатывание.

Агломерацией называется процесс спекания мелкозернистой

руды или концентрата с твердым топливом, а иногда и с флюсом (оф-

люсованный агломерат). Еще больший эффект получается при окаты-

вании, в результате чего получают окатыши-шарики диаметром до 35

мм, которые затем

подвергаются обжигу.

Комплекс исходных материалов, загружаемых в металлургический

агрегат, называется шихтой.

Окончательное отделение пустой породы от рудного тела проис-

ходит в самом металлургическом агрегате в результате процесса шла-

кования. Для этого в состав шихты вводят флюс. Флюс сплавляется с

окислами пустой породы, золой, другими неметаллическими включе-

ниями; происходит образование легкоплавких соединений

, которые не

растворимы в металле, а растворимы в шлаке, идет процесс шлакооб-

разования. Обычно окислы, составляющие пустую породу, имеют высо-

кую температуру плавления (выше температуры плавления основного

металла, а зачастую и выше температуры рабочего пространства пе-

чи.) При взаимодействии с флюсом температура плавления пустой по-

роды снижается. Так, кварцевый песок SiO

плавится при температуре

1710

С, а известь СаО - при 2000

С. Продукт их сплавления в соотно-

шении 50% СаО на 50% SiO

имеет температуру плавления 1170

(рис 1.1).

Рис.1.1. Диаграмма состояния расплава CaO-SiO

Рассмотрим процесс шлакования, который имеет место в домне

при производстве чугуна. В качестве флюса применяют известняк

СаСО

. Прогревшись в домне до температуры порядка 600

С, он начи-

нает разлагаться, выделяя основной оксид СаО, который в свою оче-

редь будет взаимодействовать с кислым оксидом SiO

, являющимся

основной составляющей пустой породы железных руд. В результате

образуется комплексное соединение, переходящее в шлак. Условно

данную химическую реакцию можно записать следующим образом:

CaCO

→CaO+CO

↑

m(SiO

)+n(CaO)→(SiO

)m(CaO)n .

в шлак

Основной принцип шлакования заключается во взаимодейст-

вии кислых и основных оксидов с образованием комплексных соедине-

ний, не растворимых в металле, но растворимых в шлаке.

Шлак - продукт взаимодействия флюса с пустой породой, а также

золой и другими примесями. Шлак называют кислым, если в его соста-

ве преобладают кислые оксиды

(SiO

, P

), и основным, если в его со-

ставе преобладают основные оксиды (CaO, MgO, FeO, MnO).

Во время плавки в металлургической печи образуются две не-

смешивающиеся среды: расплавленный металл и шлак. Их взаимодей-

ствие описывается законом действующих масс. При стабильных внеш-

них условиях (температура, давление, концентрация) устанавливается

равновесие между металлом и шлаком. Если убрать (скачать) шлак

поверхности металла и навести новый путем подачи новой порции

флюса, можно управлять процессом удаления вредных примесей. Та-

ким приемом пользуются при выплавке стали, очищая её от серы и

фосфора. Регулирование состава шлака с помощью флюсов является

одним из основных путей управления металлургическим процессом.

При переработке руды в результате процесса шлакования пустая

порода полностью отделяется от рудного тела МеО. Следующий этап -

это выделение элемента Ме из его оксида.

Химическая реакция

МеО→Ме+О

принципиально возможна при условиях создания глубокого вакуума.

Глубина вакуума при этом зависит от сродства искомого элемента с ки-

слородом. На практике используется химическая реакция замещения

МеО+Х→Ме+ХО,

где Х - условное обозначение химического элемента, обладающего

большим сродством к кислороду, чем элемент Ме.

Алгоритм выделения элемента из руды

представлен на рис.1.2.

1.1.2. Огнеупорные материалы

Огнеупорами называют строительные материалы, применяемые

в металлургии, которые выдерживают высокие температуры воздейст-

вия расплавленных металла и шлака и горячих газов без разрушения.

Они используются для облицовки (футеровки) металлургических печей,

разливочных ковшей, а также воздухонагревательных устройств и ды-

моходов.

Качество огнеупорных материалов определяется их соответстви-

ем определенным рабочим свойствам; главными из них

являются: ог-

неупорность, химическая активность, строительная прочность, терми-

ческая устойчивость.

Огнеупорностью называется свойство материала противостоять

воздействию на него высоких температур (900 - 2000

С). Она зависит

преимущественно от химического состава материала.

Химическая активность (или шлакоустойчивость) определяется

способностью огнеупорного материала противостоять химическому

воздействию расплавленного металла, шлака, горячего печного газа.

Во избежание химического взаимодействия шлака и огнеупора послед-

ние подбираются по следующему принципу: кислый шлак - кислый ог-

неупор; основной шлак - основной огнеупор.

Рис. 1.2. Принципиальная схема получения элемента из руды

Термическая устойчивость - способность материала противосто-

ять резкому перепаду температур. Она зависит от теплопроводности

материала и коэффициента линейного расширения. Примеры основ-

ных огнеупорных материалов приведены в табл.1.1.

РУДА

Подготовка руды к плавке

Дробление, сортировка Обогащение

Концентрат Твердое топливо Флюс

Окусковывание

Агломерат Окатыши

Подача в металлургический агрегат

Рудное тело

Шлакование

Выделение элемента из его оксида

Шлак

Таблица 1.1

Огнеупорные материалы

Огнеупор Химические

свойства

Температура,

Главная составная

часть

Динас Кислый 1700 SiO

- 93%

Магнезит Основной 2000 MgO- 92%

Доломит Основной 1800 CaO·MgO (50%, 35%)

Шамот Нейтральный 1700 Al

·SiO

(40%, 60%)

Графит Нейтральный >2000 C – 92%

1.1.3. Металлургическое топливо

Высокая температура протекания металлургических процессов

обеспечивается за счет сжигания металлургического топлива. Оно под-

разделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое, газообраз-

ное, а также разделяется на естественное и искусственное: каменный

уголь - кокс; нефть - мазут; природный газ - генераторный газ (табл.

1.2). Энергетически не целесообразно сжигать естественное топливо.

При переработке

естественного топлива в искусственное отделяются

ценные химические вещества, при этом теплотворная способность ма-

ло меняется.

Таблица 1.2

Металлургическое топливо

Агрегатное

состояние

Естественное топливо

Искусственное

топливо

Твердое

Каменный уголь, горючие

сланцы, бурый уголь, дрова

Кокс, каменноугольная

пыль, древесный уголь

Жидкое Нефть

Мазут, каменноуголь-

ная смола

Газообразное Природный газ

Коксовый газ,

генераторный газ

Эффективность работы металлургического агрегата во многом

зависит от температуры горения топлива, которая может быть оценена

по уравнению теплоты:

CMTQ

где Q - количество теплоты, Дж;

C - удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/кг·К;