Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Металлургические основы плавки



Шихтой называют совокупность исходных материалов для плавки, взя­тых в рассчитанном массовом соотношении. При плавке используют руды или исходные металлы, топливо (при сжигании топлива в печах), легирую­щие добавки, модификаторы, флюсы, раскислители, шлаки предыдущих плавок.

Руда (природное минеральное сырье) содержит металлы или их соеди­нения в концентрациях и формах, приемлемых для промышленной перера-


ботки. Минералы подразделяют на рудные (содержащие нужный металл) и пустую породу. Например, железные руды могут содержать до 50—60%, а медные — 2—4% основного элемента в исходном сырье.

Железная руда в качестве рудного материала может содержать гематит Fe203 — 50—60% Fe (руда — красный железняк), магнетит Fe304 — 55—65% Fe (руда — магнитный железняк) и др.

Марганцевая руда содержит марганец в виде МпОг, Мп203 и других оксидов. Ее добавляют до 2—3% в шихту доменных печей. В отече­ственных железных рудах пустая порода обычно кислая, с избытком Si02.

Топливо является не только источником теплоты, но и реагентом, восстанавливающим металл из его оксидов и других соединений. Разли­чают две разновидности топлива: а) естественное (дрова, горючие слан­цы, торф, уголь, нефть, природный газ); его сжигают без предваритель­ной обработки; б) искусственное (бензин, керосин, мазут, генераторный и коксовый газ, древесный уголь, торфяной и каменноугольный кокс и др.), перерабатываемое из естественного химическим или тепловым спо­собом. Так, подвергая тепловой обработке (без доступа воздуха) кок­сующиеся угли при 1000—1100°С, получают каменноугольный кокс. Топливо содержит свободный углерод, углеводороды, соединения серы, кислорода, азота, различные минеральные соединения, переходящие при сгорании в золу, и др.

Важной задачей является поиск дешевого топлива, поскольку, напри­мер, стоимость кокса составляет 45—55% себестоимости чугуна.

Природный газ — метан CHt — является высококалорийным и дешевым в нашей стране топливом. Он используется в доменной плавке. Перспективным видом топлива является водород; его можно использовать для прямого восстановления железа.

Легирующие добавки — это вещества (например, металлы, ферросплавы), специально вводимые в сплав для придания ему особых свойств (прочности, пластичности, коррозионной стойкости, жаропрочности, жаростойкости, увеличения прокаливаемости и ударной вязкости, повышения сопротивления теплосменам и т. Дг). Например, наличие хрома в стали (более 12%) обеспе­чивает ей повышенную коррозионную стойкость; Ni, V, Mo, W — жаро­прочность; Al, Si, Cr повышают жаростойкость никелевых сплавов и сталей.

Модификаторы. Модифицирование заключается во введении в расплав небольших добавок (0,01—0,1%) веществ, оптимально изменяющих форму и размеры структурных составляющих, а через них и структурно-чувстви­тельные свойства сплава. Наибольший эффект модифицирования наблюда­ется в сплавах, обладающих малой исходной пластичностью и, как следст­вие, пониженной прочностью. Различают два механизма воздействия моди­фикаторов на процесс кристаллизации (так называемые два вида модифици­рования).


1. Образование искусственных центров кристаллизации с последующей сфероидезацией их формы (процесс инокуляции). Инокуляция реализуется при условии большей тугоплавкости (более высокой температуры плавле­ния) вводимых добавок по сравнению со сплавом.

2. Формирование барьеров на пути растущих кристаллов, тормозящих их рост (процесс лимитации).

Модификаторы, которые являются поверхностно-активными вещества­ми, концентрируются в поверхностных зонах кристаллов. Широко известен способ модифицирования силумина солями натрия (NaCl + NaF), в результа­те которого происходят измельчение структуры эвтектики (а + Si) и сниже­ние температуры ее кристаллизации, а также увеличение доли а-твердого раствора. Все это обеспечивает значительное (в 2 раза) повышение пластич­ности сплава: 5 > 1—2% (до модифицирования); 8 > 3—4% (после модифи­цирования). Модифицирование серого чугуна магнием приводит к измене­нию формы графитовых включений с пластинчатой на глобулярную (шаро­видную), что способствует повышению комплекса механических свойств.

Флюсы обеспечивают сплавление пустой породы руды, вредных при­месей и золы топлива в относительно легкоплавкие шлаки. При выплавке чугуна в качестве флюса используют известняк (СаСОз, иногда совместно с MgCCb), а при выплавке стали — известняк, известь, боксит, плавиковый шпат (CaF2) и др. Шлаки затем удаляются из печного пространства.

Раскислители — это элементы или соединения, вводимые в расплав для удаления растворенного в нем кислорода и восстановления оксидов дан­ного металла. Широко применяется внутреннее (осадочное) раскисление, заключающееся во введении в расплав специальных добавок, связывающих кислород в нерастворимые в расплаве соединения: Me + О -> МеО.

При этом лучше удаляются оксиды с шарообразной формой и меньшей плотностью (они всплывают). Лучший эффект раскисления достигается в том случае, если продукты реакции находятся в жидком или газообразном состоянии. В первом случае они легко переходят в шлак, а во втором — лег­ко удаляются из расплава в виде газовых пузырьков. Именно поэтому при раскислении меди используют фосфор, образующий жидкие фосфаты меди. Раскислителем никелевых сплавов является углерод, взаимодействующий с кислородом расплава с образованием пузырьков СО. Для раскисления сталей применяют сложные раскислители, содержащие кремний, марганец, каль­ций, связывающие кислород в жидкие (при данной температуре) силикаты. Для завершения раскисления в сталь обычно добавляют более сильный рас-кислитель — алюминий. Восстановителями оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид углерода и водород:

МеО + СО = Me + С02

С02 + С = 2СО


Шлаки являются продуктом взаимодействия флюсов с пустой породой, золой топлива, огнеупорной футеровкой печи и вредными примесями при выплавке металлов. Обладая небольшой плотностью (2—4 Мг/м3), они всплывают на поверхность расплава, изолируя его от непосредственного влияния печных газов. Шлаки подразделяют на кислые (кварциты, Si02), основные (CaO, MgO, MnO, FeO) и нейтральные (А120з, щелочные и щелоч­ноземельные хлориды и фториды).

Огнеупорные материалы применяют для создания защитной внутрен­ней облицовки (футеровки) металлургических печей, разливочных ковшей, химических аппаратов, ванн и пр. Они должны обладать следующими свой­ствами: высокой температурой размягчения, хорошей химической стойко­стью и постоянством объема при резких перепадах температур. Огнеупоры подразделяются на:

а) кислые — динас: 93—96% Si02, связка — 2—3% СаО; /ра6 до
1730 °С;

б) основные — магнезит: 91—94%MgO, связка — 1—2% СаО (ос­
тальное — Fe203, Si02, А1203); t^ до 2000 °С и выше (под нагрузкой размяг­
чается при 1500°С);

в)нейтральные: шамотные, высокоглиноземные и хромитовые. Шамотные кирпичи являются широко распространенными огнеупорными изделиями. Шамотные огнеупоры состоят из 28—45% А1203 и 50—60% Si02; Граб ДО 1200 °С (под нагрузкой) и до 1730 °С без нее. Высокоглиноземные (72—95% А1203) изделия сохраняют огнеупорность до 1920 °С. Хромитовые огнеупоры содержат более 30% Сг203 и до 40% MgO, fpa6 до 1800 °С.

Некоторые особенности плавки металлов. Шихту в печь загружают последовательно: сначала вещества, составляющие основную долю шихты, а также тугоплавкие материалы. Микролегирование осуществляют с помощью лигатур (вспомогательных сплавов). Обязательным условием хорошего рас­творения добавок является перемешивание расплава. Модифицирование расплава — заключительная операция.

Важную роль в процессе литья играет рафинирование (очищение) расплава от растворенных газов (кислорода, азота, водорода) и неметаллических включе­ний (оксидов, шлаков, разрушенной футеровки). Удаление неметаллических включений осуществляют отстаиванием расплава, рафинированием флюсами, а также фильтрованием (пропусканием расплава через пористые материалы). Рас­творенные газы, за исключением кислорода, удаляются из расплава его вакууми-рованием, продувкой инертными к данному металлу газами (аргон, гелий и др.), а также вымораживанием (охлаждением расплава с малой скоростью почти до твердого состояния с последующим быстрым нагревом до требуемой температу­ры). Для обеспечения всплывания шлаков, оксидов и пузырьков газа на поверх­ность ванны перед разливкой расплав выдерживают (в среднем порядка 15 мин) при температуре выше ликвидуса на 100—200 °С.


ция фибрилл и макромолекул в направлении оси волокна придает волокнам высокие значения прочности и жесткости при растяжении. В отдельных эле­ментах, вследствие его неоднородности, возникают различные напряженные состояния. Между элементами волокна в результате возникают напряжения сдвига, приводящие к расщеплению волокна вдоль оси, а затем и разруше­нию. Такой разрыв упрочняющих волокон вызывает значительную работу разрушения композиции в целом. Так, ударная вязкость органопластика с эластичным наполнителем составляет 600—700 кДж/м2.

Механические свойства органопластиков зависят от типа волокна (табл. 10.14). Объемная доля волокон составляет 35—37%.

Слабые межмолекулярные связи в волокнах-упрочнителях — причина низкой прочности и жесткости органоволокнитов при сжатии.

Таблица 10.14. Механические свойства органопластиков с различными упрочнителями

Матрица Армирующее волокно Прочность, МПа, при
изгибе растяжении
Эпоксидная смола Лавсан  
Полиимидное (армия)    
Полиамидное (фенилон) СВМ 222 351  

Предельная деформация при сжатии определяется искривлением воло­
кон, а не их разрушением. ^

Чаще в качестве упрочнителя применяют высокопрочное синтетическое волокно модифицированное (СВМ), а матрица — эпоксидная, эпоксицианат-ная (органит 5Т), эпоксифенольная (органит 7Т и 7ТО), эпоксиноволачная (органит ЮТ). Органиты имеют высокую прочность при динамическом и статическом нагружении. Прочность и жесткость органитов самым сущест­венным образом зависят от структуры наполнителя (табл. 10.15). Большин­ство органитов может длительное время работать при 100—150 °С.

Дополнительное армирование органоволокнитов, например, углерод­ными или борными волокнами, затрудняющими искривление органических волокон, повышает их прочность при сжатии.

Структура ткани, армирующей органит, в основном зависит от конст­рукции детали (конфигурации, толщины монослоя), технологии формирования.

Органиты обнаруживают высокое сопротивление знакопеременным на­грузкам и высокие теплозащитные свойства.

Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов. Их применяют для об­шивки самолетов и вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, под-


лательное разделение струи. Однако при этом уменьшается возможность затекания металла в острые углы и кромки формы, что вызывает их закруг­ление и снижает тем самым точность размеров отливки. Присутствие в стали и чугуне добавок алюминия приводит к образованию на поверхности распла­ва пленки оксида алюминия; при этом поверхностное натяжение повышается и литейная форма начинает плохо смачиваться расплавом. Для металлов с высокой температурой плавления характерны более высокие значения по­верхностного натяжения (по сравнению с таковыми для легкоплавких метал­лов). Однако поверхностное натяжение при литье достигает еще более высо­ких значений вследствие неизбежного окисления металлов. Образующиеся на поверхности расплава оксидные пленки могут быть сплошными и относи­тельно прочными (А1203, Сг203) или хрупкими (MgO), дефектными (ZnO), разрьшающимися при движении металла и перемешивающимися с ним. При заливке формы оксидные пленки оказывают сопротивление течению распла­ва и замедляют заполнение им формы.

Отведенная в форму теплота Q^ при охлаждении расплава от темпера­туры заливки до начала кристаллизации равна сумме теплот (?пер + бкрист, где Qnep — теплота, выделяющаяся при снятии перегрева (ЛГпер) жидкого метал­ла, и бкрисг — теплота кристаллизации. Увеличение количества отводимой теплоты Qo-n, способствует лучшей заполняемое™ формы расплавом. Тепло­ту перегрева можно определить по формуле

где V — объем металла; р — плотность; С —удельная теплоемкость. Теплота кристаллизации рассчитывается по формуле

где L — удельная теплота кристаллизации.

Вязкость расплава (л) влияет на заполнение литейной формы рас­плавом. Вязкому расплаву требуется больше времени для заполнения фор­мы, что приводит к ее недоливу. Вязкость также оказывает влияние на ха­рактер движения расплава (ламинарное или турбулентное течение). В табл. 11.1 приводятся некоторые физические свойства металлов.

Таблица 11.1. Основные физические свойства металлов

Металл ц, Пас у,Н/м L, кДж/кг р-103, кг/м3 с кДж/(кгК)
Fe 5,5 1,8   7,87 0,71
А1 1,2 0,85   2,71 1,09
Си 3,5   8,96 0,51
Mg 1,3 0,51   1,74 1,2

позиционных материалов требует тщательного выбора режимов, которые реализуются на обычном сварочном оборудовании или усовершенствован­ном, обеспечивающем более плавное регулирование давления и температуры.

Соединение с помощью болтов и заклепок менее эффективно, чем со­единение, полученное точечной сваркой. Сверление отверстий неизбежно связано с разрушением волокон, и прочность таких соединений зависит от прочности материала матрицы. Прочность болтовых и заклепочных соеди­нений повышают дополнительным перекрестным армированием их фольгой из коррозионностойких сталей, сплавов. Во избежание поломок волокон (на­пример, борных) внешний слой матрицы должен быть не очень тонким. Ве­личина усилия натягивания болтов и заклепок контролируется и устанавли­вается в зависимости от качества соединяемых материалов.

Прочность клеевых соединений зависит от способа и качества подготов­ки поверхности. Для очистки поверхностей соединения от посторонних включений используют пескоструйную или механическую обработку вра­щающейся стальной щеткой.

Комбинированные клееболтовые и клеезаклепочные соединения более прочны и надежны, чем соединения клеевые или механические в отдельности.

Композиционные материалы, армированные металлическими и угле­родными волокнами, удовлетворительно обрабатываются методами механи­ческой обработки: резкой, фрезерованием, сверлением, шлифованием. Труд­ности возникают при обработке композиционных материалов, упрочненных вольфрамовой проволокой диаметра, большего 0,3 мм^^Механическая обра­ботка материалов, армированных волокнами, методами резания практически невозможна. Борные волокна, обнаруживающие высокие абразивные свойст­ва, быстро притупляют режущие кромки инструмента, а сами волокна вблизи линии реза выкрашиваются, разрушаются и выдергиваются из матрицы. Об­рабатывающий инструмент и материал разогреваются, армирующие волокна теряют прочность, а сама композиция очень часто расслаивается.

Наилучшие результаты при сверлении отверстия получены при исполь­зовании сверл с алмазными покрытиями режущей кромки. Сверление произ­водится при охлаждении инструмента эмульсией.

Абразивная резка обеспечивает высокое качество.краев обрабатываемо­го материала независимо от направления упрочняющих волокон. Процесс обеспечивает высокую производительность при хорошей стойкости инстру­мента. Одним из названных методов производят крепление накладок (стоп-перов) на наиболее нагруженные места конструкции и тем самым повышают ее несущую способность.

Установка накладок в непосредственной близости от концов трещин предот­вращает резкое снижение разрушающих напряжений при статических нагрузках с увеличением длины трещины (/) (рис. 10.25, а) и позволяет затормозить или полно­стью остановить развитие трещины при циклическом нагружении (рис. 10.25, б).


зародышей, вырастающих затем в кристаллиты (зерна). Минимальный раз­мер зародыша, обеспечивающий его устойчивость, рост и осуществление процесса кристаллизации, называют критическим (рис. 11.3). В процессе образования зародыша размером г^ происходят увеличение межфазной по­верхностной энергии (AGS) и уменьшение объемной свободной энергии (AGy) расплава за счет появления поверхностей раздела. Общее изменение свободной энергии металла (AG06m) в результате формирования твердой частицы сферической формы радиуса г равно

AG^ = AG, + AG, -^-Lp{AT/TmX4/3)nr3 +4*г2Ут_«> ("-0

где L — удельная теплота кристаллизации; р — плотность металла; AT — сте­пень переохлаждения; Тт — температура плавления металла; ут.ж — удельная поверхностная (межфазная) свободная энергия на границе твердой и жидкой фаз. Зародыш может сохраняться лишь при условии уменьшения AG0era (при фиксированном переохлаждении AT). Однако при малых размерах частицы это условие не реализуется, поскольку отношение площади поверхности час­тицы к объему слишком велико. Зародыши же с размерами, равными и большими критического (г,ф), растут с уменьшением энергии и поэтому способ­ны к существованию. Критический размер зародыша определяется из условия

d(AGo6n)/a> = 0; (11.2)

rv = 2ут. JJ(LpAT). (11.3)

Из уравнения (11.3) видно, что с уменьшением межфазного натяжения (Ут-Ж) и увеличением степени переохлаждения критический размер зародыша уменьшается. Процесс зарождения центров кристаллизации количественно оценивается скоро­стью зарождения центров, т. е. числом центров (ч.ц.), возникающих в единице объема (м3) за единицу времени (с).

Рис. 11.4. Влияние степени переохлажде­ния на параметры кристаллизации и структуру металла: / — скорость роста (с.р); 2 —число центров (ч.н)

б) Рост кристаллов. Ха­рактеризуется скоростью роста (ср.) линейных размеров кристалла; размерность — м/с. Однородный металл при его охлаждении ниже температуры плавления находится определенное время в жидком со­стоянии, но оно является метаста-бильным (неравновесным). Интер­валы метастабильности (Д7) для процессов зарождения центров и их роста не одинаковы: АГср. меньше

ДГЧ11. На рис. 11.4 приведены зави­симости скорости роста кристаллов





Дата публикования: 2014-10-25; Прочитано: 2574 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.013 с)...