Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
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 | 1Д | 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!