ТКМ

Л.П.МАСЛАКОВА, О.В.СЕЛИВЕРСТОВА, Д.С.ФАТЮХИН

Методическое руководство к практическим работам

по курсу «Технология конструкционных материалов»

2010

УДК 621.7 ББК 34.5

М- 314

М– 314 Маслакова, Л.П. Методическое руководство к практическим 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 технологии конструкционных материалов предназначено в помощь студентам, изучающим дисциплину ТКМ на первом курсе МАДИ.

Пособие включает в себя планы изложения разделов теоретической 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 разделов курса ТКМ.

Настоящее руководство, несомненно, облегчит первокурсникам освоение общеинженерной дисциплины «Технология конструкционных материалов», будет способствовать развитию навыков самостоятельной работы.

Электронная версия методического руководства размещена на сайте МАДИ: http://www.madi.ru.

УДК 621.7 ББК 34.5

© Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, 2010

3

1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ

Металлургией называется наука о способах производства металлов и сплавов на их основе, а также отрасль промышленности, производящая металлы и сплавы.

Цель работы

Изучить теоретические основы металлургических процессов. Получить представление о способах производства чугуна и стали как основных материалов, применяемых в автотракторостроении.

Получить навыки по выбору приоритетных технологий, позволяющих повышать эффективность производства и улучшать качество получаемых сплавов.

1.1. Теоретические основы металлургических процессов

Основные вопросы темы

Исходные материалы для металлургии (руда, флюсы, огнеупорные материалы, металлургическое топливо).

Принципиальная схема получения химического элемента из руды (дробление, окомковывание, обогащение руды, шлакование, восстановление элемента из его оксида).

Флюсы и шлаки, их роль в металлургическом процессе; основность флюсов и шлаков, правила их подбора.

Огнеупорные материалы; примеры огнеупоров, их химические и физические свойства.

Металлургическое топливо; виды топлива, искусственное и естественное 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, содержащая искомый элемент Ме1, чаще соединенный с кислородом. Пустая порода - балласт, т.е. горная или другая порода, не содержащая иско-

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

4

мого элемента. В основном пустая порода содержит следующие химические соединения: SiO2-кремнезем; Al2O3-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 искомого элемента из его оксида.

Частичное отделение пустой породы от рудного тела вне металлургического агрегата с целью повышения содержания искомого элемента в руде называется обогащением. Этот процесс основан на различии физических свойств рудного тела и пустой породы. Так, при магнитном обогащении используется различие магнитных свойств рудного тела железной руды и пустой породы. Флотация, которой чаще подвергаются медные руды, основана на различной смачиваемости рудного 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 котором содержание искомого элемента Ме значительно выше, чем в руде.

Эффективность работы металлургического агрегата зависит от размера кусков исходного материала. Крупные фрагменты руды подвергаются дроблению, сортировке, а мелкую руду окусковывают. Существует два метода: агломерация и окатывание.

Агломерацией называется процесс спекания мелкозернистой руды или концентрата с твердым топливом, а иногда и с флюсом (офлюсованный агломерат). Еще больший эффект получается при окатывании, 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 происходит в самом металлургическом агрегате в результате процесса шлакования. Для этого в состав шихты вводят флюс. Флюс сплавляется с окислами пустой породы, золой, другими неметаллическими включениями; происходит образование легкоплавких соединений, которые не растворимы в металле, а растворимы в шлаке, идет процесс шлакообразования. Обычно окислы, составляющие пустую породу, имеют высокую температуру плавления (выше температуры плавления основного металла, а зачастую и выше температуры рабочего пространства печи.) При взаимодействии с флюсом температура плавления пустой породы снижается. Так, кварцевый песок SiO2 плавится при температуре 17100С, а известь СаО - при 20000С. Продукт их сплавления в соотношении 50% СаО на 50% SiO2 имеет температуру плавления 11700С

(рис 1.1).

5

Рис.1.1. Диаграмма состояния расплава CaO-SiO2

Рассмотрим процесс шлакования, который имеет место в домне при производстве чугуна. В качестве флюса применяют известняк СаСО3. Прогревшись в домне до температуры порядка 6000С, он начинает разлагаться, выделяя основной оксид СаО, который в свою очередь будет взаимодействовать с кислым оксидом SiO2, являющимся основной составляющей пустой породы железных руд. В результате образуется комплексное соединение, переходящее в шлак. Условно данную химическую реакцию можно записать следующим образом:

CaCO3→CaO+CO2↑ m(SiO2)+n(CaO)→(SiO2)m(CaO)n .

в шлак

Основной принцип шлакования заключается во взаимодейст-

вии кислых и основных оксидов с образованием комплексных соединений, 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 составе преобладают кислые оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе преобладают основные оксиды (CaO, MgO, FeO, MnO).

Во время плавки в металлургической печи образуются две несмешивающиеся среды: расплавленный металл и шлак. Их взаимодействие описывается законом действующих масс. При стабильных внешних условиях (температура, давление, концентрация) устанавливается равновесие между металлом и шлаком. Если убрать (скачать) шлак с поверхности металла и навести новый путем подачи новой порции флюса, можно управлять процессом удаления вредных примесей. Та-

6

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 кислородом. 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 воздействия расплавленных металла и шлака и горячих газов без разрушения. Они используются для облицовки (футеровки) металлургических печей, разливочных ковшей, а также воздухонагревательных устройств и дымоходов.

Качество огнеупорных материалов определяется их соответствием определенным рабочим свойствам; главными из них являются: огнеупорность, химическая активность, строительная прочность, термическая устойчивость.

Огнеупорностью называется свойство материала противостоять воздействию на него высоких температур (900 - 20000С). 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 последние подбираются по следующему принципу: кислый шлак - кислый огнеупор; основной шлак - основной огнеупор.

7

РУДА

Подготовка руды к плавке

Окусковывание

Агломерат Окатыши

Подача в металлургический агрегат

Шлакование

Выделение элемента из его оксида

Рис. 1.2. Принципиальная схема получения элемента из руды

Термическая устойчивость - способность материала противостоять резкому перепаду температур. Она зависит от теплопроводности материала и коэффициента линейного расширения. Примеры основных огнеупорных материалов приведены в табл.1.1.

8

1.1.3. Металлургическое топливо

Высокая температура протекания металлургических процессов обеспечивается за счет сжигания металлургического топлива. Оно подразделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое, газообразное, 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 мало меняется.

Эффективность работы металлургического агрегата во многом зависит от температуры горения топлива, которая может быть оценена по уравнению теплоты:

Q = CMT ,

где Q - количество теплоты, Дж;

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