Контрольная работа: Свойства конструкционных материалов
Основное отличие конвертеров с донной
продувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеют
меньший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна.
В днище устанавливают от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости конвертера.
Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в одной
половине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого
металла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы
пускается дутье.
В условиях донной продувки улучшаются
условия перемешивания ванны, увеличивается поверхность металл-зарождения и
выделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при донной
продувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углерода
менее 0,05 % не представляет затруднений.
Условия удаления серы при донной
продувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшей
окисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ - металл. Последнее
обстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO2.
Преимущества процесса с донной
продувкой состоят в повышении выхода годного металла на 1 - 2 %, сокращении
длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха и
т. д. Это представляет определенный интерес, прежде всего, для возможной замены
мартеновских печей без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов.
Конвертерный процесс с
комбинированной продувкой.
Тщательный анализ преимуществ и
недостатков способов выплавки стали в конвертерах с верхней и нижней продувкой
привел к созданию процесса, в котором металл продувается сверху кислородом и
снизу - кислородом в защитной рубашке или аргоном (азотом). Использование
конвертера с комбинированной продувкой по сравнению с продувкой только сверху
позволяет повысить выход металла, увеличить долю лома, снизить расход
ферросплавов, уменьшить расход кислорода, повысить качество стали за счет
снижения содержания газов при продувке инертным газом в конце операции.
Стеклокристаллические материалы
(ситаллы)
СИТАЛЛЫ (стеклокристаллические материалы),
неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных
стекол при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких
кристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм)
равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз
в ситаллах может составлять 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип
инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки,
получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами
(таблица 1). Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. XX века Материалы, подобные ситаллам за
рубежом называют пирокера-мом, девитрокерамом, стеклокерамом.
Ситаллы
обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическим
расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью.
По своему назначению могут быть разделены на технические и строительные.
Технические ситаллы получают на основе систем: Li2O--Al2O3-SiO2,
MO-Al2O3-SiO2, Li2O-MO-Al2O3--SiO2,
где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al2O3--SiO2-K2O-F;
MO-B2O3-Al2O3 (где M-Ca, Sr, Pb,
Zn); PbO-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2
и др. По основному свойству и назначению подразделяются на высокопрочные,
радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие и
химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы,
ситаллоэмали, ситаллы со специфическими электрическими свойствами.
Высокопрочные ситаллы получают главным образом на
основе стекол систем MgO-Al2O3-SiO2
(кордиеритовые составы) и Na2O-Al2O3-SiO2
(нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiО2;
sизг для них 240-350 МПа. Ситаллы нефелиновых составов после
упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях К имеют sизг 1370
МПа. Области применения высокопрочных ситаллов -ракето- и авиастроение
(обтекатели антенн), радиоэлектроника.
Оптически
прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стекол
системы Li2О - А12О3 - SiO2 (сподумено-эвкриптитовые
составы); инициатор кристаллизации -ТiO2. В оптически прозрачных ситаллах
размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащие
в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li2O·Al2O3·2SiO2)
или сподумен (Li2О · Аl2О4·4SiO2),
имеют, кроме того, температурные коэффициент. расширения, близкие к нулю, и
иногда даже отрицательные- до -5·10-6 К-1. Области
применения -космическая и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав
таких ситаллов активаторов люминесценции и специальных добавок позволяет
применять их в солнечных батареях.
Износостойкие и химически стойкие ситаллы
получают на основе стекол CaO-MgO-SiO2 (пироксеновые составы);
инициаторы кристаллизации- фторид или оксид хрома. Отличаются высокой
износостойкостью (истираемость 0,001 г/см2) и стойкостью в различных
химических средах. Применяются в текстильной, химической, автомобильной
промышленности, буровой и горнодобывающей технике.
Фотоситаллы обычно получают на основе стекол
системы Li2O-Al2O3-SiO2 со
светочувствительными добавками (соединения Аи, Ag, Сu), которые под действием
УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной
кристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике,
оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например для изготовления
оптических печатных плат, в качестве светофильтров).
Слюдоситаллы получают на основе стекол системы
MgO-Al2O3-SiO2-K2O-F
(фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетают
высокие механияеские и электрические. свойства с хорошей механической.
обрабатываемостью- их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать.
Применяются в машиностроении для изготовления деталей, подвергающихся трению и
износу, а также в качестве материала для деталей сложной конфигурации.
Дифситаллы получают обычно на основе стекол
системы СаО - MgO - SiO2 - Р2О5 (апатито- волластонитовые
составы). Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканями
организма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.
Ситаллоцементы, получаемые на основе стекол системы
PbO- ZnO- В2О3 - SiO2, имеют очень низкий коэффициент
теплового расширения (4-10) · 10-6 К-1; применяются для
спаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых трубок,
герметизации полупроводниковых приборов, в производстве жидкокристаллических индикаторов,
в микроэлектронике. Перспективно также использование таких ситаллов в качестве
стеклокристаллических покрытий (стеклоэмалей), наносимых на поверхность различных
металлов (W, Mo, Nb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты их
от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах.
Отличаются повышенной термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию,
высокой механической и электрической прочностью. Применяются в качестве
покрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов,
авиационных приборов, электронагревательных элементов.
Ситаллы
со специальными электрическими свойствами получают на основе стекол систем ВаО-Аl2О3-SiO2-ТiO2
и Nb2O5-CoO-Na2O--SiO2. Характеризуются
высокой диэлектрической проницаемостью (e 240-1370) и низким коэффициентом
диэлектрических потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотных
конденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаны
полупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрические, сегнетоэлектрические С.
с различным сочетанием электрических свойств. Ситаллы на основе стекол системы
MgO-Al2O3-SiO2 имеют очень низкий tg d (3 · 10-4
при 25 °С и 104 МГц), ситаллы на основе метаниобата Рb- высокую
диэлектрическую проницаемость (e 1000-2000). На основе стекол B2O3-BaO-Fe2O3
получены С. с одно- и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500
им.
К группе
строительных ситаллов относят шлако-, золо-, петроситаллы,
получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород.
В зависимости от химического состава используемых отходов, определяющих вид
доминирующей кристаллической фазы, подразделяются на волластонитовые,
пироксеновые (инициаторы кристаллизации-оксиды Cr, Ti, Fe, фториды),
мелилитовые (система CaO-MgO-2Al2O3-SiO2,
инициатор кристаллизации--оксид Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые
(система СаО - MgO - Fe2 О3 - Аl2 р3
- SiO2), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO2) и
эгириновые (Na2O--Fe2O3-SiO2) С.
Они имеют высокие прочностные характеристики (sизг 100-180 МПа),
высокую микротвердость (8500-9000 МПа), относительно низкую истираемость (0,05
г/см2), высокую стойкость к хим. и термин, воздействиям. Применяются
в строительстве, горнодобывающей, химической и др. отраслях промышленности.
Получают
ситаллы и изделия из них главным образом с использованием стекольной и керамической
технологии, иногда по химическому способу. Наиболее распространена так
называемая стекольная технология, включающая варку стекла из шихты. формование
изделий (прессование, прокатка, центробежное литье) и термическую обработку.
Последняя стадия обеспечивает кристаллизацию стекла вследствие введения в
стекольную массу специальных инициаторов- каталитических добавок - оксидов Ti,
Сг, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствие
склонности стекол к ликвации, способствующей образованию поверхности раздела
фаз и приближающей химический состав микрообластей к составу будущих кристаллов.
Термическую обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; температура
первой ступени лежит в области температуры размягчения стекла и соответствует
максимальной скорости зарождения центров кристаллизации, при т-ре второй
ступени происходит выделение кристаллов ведущей фазы, определяющей основные
свойства ситаллов.
По керамической
(порошковой) технологии получения ситаллы из расплава стекла вначале получают гранулят,
который измельчают и сушат, после чего в него добавляют термопластическую
связку и из образовавшейся массы прессованием или шликерным литьем формуют
изделия. Затем их спекают при высокой температуре с одновременной кристаллизацией.
По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные ситаллы характеризуются
более низкими температурами обжига и расширенным интервалом спекания.
Порошковая технология позволяет получать из ситаллов термически стойкие изделия
сложной конфигурации и малых размеров.
По химическому
способу ситаллы получают главным образом по золь-гель технологии, в основе которой
лежит низкотемпературный синтез (посредством реакций гидролиза и конденсации)
металлоорганические соединения элементов, составляющих стекло, при температуре
ниже температуры плавления стекольной шихты. Этот метод позволяет получать ситаллы
на основе составов, не склонных к стеклообразованию, обеспечивает получение
стекол высокой чистоты и однородности, что резко улучшает свойства ситаллов,
синтезируемых на их основе.
ЧУГУН
Чугуны — это железоуглеродистые сплавы,
содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В
отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря
высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне,
чугуны нашли широкое применение в машиностроении.
Чугуны
выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных
печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными.
Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и
чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около
20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ
Литейные и
механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к
эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:
Степень
эвтектичности SЭ — отношение концентрации углерода С в чугуне к его
концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:
где 4,26 —
концентрация углерода в эвтектике системы «железо—графит» (см. рис. 7.1.), Si и
P — содержание этих элементов в чугуне, %.
Углеродный
эквивалент определяется
как:
Сэк = С +
0,3(Si + P)
Чугуны
подразделяются на: доэвтектические (Sэ < 1, Cэв
< 4,2–4,3), эвтектические (Sэ 1, Сэк 4,2–4,3)
и заэвтектические (Sэ > 1, Cэв >
4,2–4,3).
Чугуны при
кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 1):
либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe—Fe3C
(белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в
соответствии со стабильной диаграммой Fe—C (серые чугуны, в которых углерод
присутствует в виде графита).
На
представленных диаграммах (рис.1) кроме общих линий АС, АЕ, GS остальные линии
не совпадают. В системе Fe—C графитная эвтектика (аустенит—графит) содержит
4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии E' S'
в интервале температур 1 153–738 ° С выделяется вторичный графит.
Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида
(феррит + графит). Пользование диаграммами Fe—C и Fe—Fe3C
принципиально не отличается друг от друга.
Вероятность
образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любой
процесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания.
Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить
запас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем
графит. Однако разница между температурами образования цементита и графита
невелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить
кристаллизация цементита, а не графита.
Графит
образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур,
когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при
переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 ° С происходит образование
цементита.
Графитизация чугунов
Графитизацией
называется процесс
выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может
образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В
соответствии с диаграммой Fe—C ниже линии C'D' образуется
первичный графит, по линии E'C'F' — эвтектический графит,
по линии Е'S' — вторичный графит и по линии P'S'К'—
эвтектоидный графит.
Графитизация
чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и
наличия центров графитизации.
Влияние
скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень
медленно и включает несколько стадий:
·
бразование
центров графитизации в жидкой фазе или аустените;
·
диффузия атомов
углерода к центрам графитизации;
·
рост выделения
графита.
При графитизации
цементита добавляются стадии предварительного распада Fe3C и
растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее
развитие получает процесс графитизации.
В зависимости
от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.
Белые
чугуны — получаются при ускоренном охлаждении
и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу
структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная
фаза Fe3C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в
виде Fe3C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно
обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не
применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего
отжига.
Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в
узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В
этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде
пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не
более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные
свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.
Половинчатые
чугуны — занимают промежуточное положение
между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более
0,8 %) находится в виде Fe3C. Чугун имеет структуру перлита,
ледебурита и пластинчатого графита.
Промышленные
чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до
03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на
графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны
с различной структурой и свойствами. Структурная диаграмма (рис. 2)
приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержания
кремния и углерода при содержании 0,5 % Mn и заданной скорости охлаждения
(при толщине стенки отливки 50 мм).
Марганец
препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера
является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем
марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию
газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор
не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая
жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° С
фосфидной эвтектики.
Рис. 2. Структурная диаграмма: 1 — белые чугуны;
2 — половинчатые чугуны; 3, 4, 5 — серые чугуны на перлитной, феррито-перлитной
и ферритной основе соответственно
Таким образом, регулируя
химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную
структуру чугуна.
Классификация серых
чугунов
Серый чугун
можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с
графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы
и характера графитных включений.
Металлическая
основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде
цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда
количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной,
когда углерод находится практически в виде графита.
В зависимости от формы
графитных включений серые чугуны классифицируются на:
·
чугун с
пластинчатым графитом;
·
чугун с
хлопьевидным графитом (ковкий чугун);
·
чугун с
шаровидным графитом (высокопрочный чугун);
·
чугун с
вермикулярным графитом.
На рис.3 дана обобщенная
классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.
Микроструктура чугунов
приведена на рис. 7.4.
Рис. 3. Классификация чугунов по структуре
металлической основы и в форме графитовых включений
Рис. 4. Различные формы графита в чугуне: а)
пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г)
вермикулярный графит. × 200
По сравнению
с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые
включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической
основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями
графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита
определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка;
хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие
демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.
В отдельную
группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как
правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные,
износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.
Маркировка чугунов
По принятой в СССР
маркировке обозначения марок доменных чугунов содержат буквы и цифры. Буквы
указывают основное назначение чугуна: П - передельный для
кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л - литейный для
чугунолитейного производства. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие
от чугуна, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в
обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугуне ЛК5
содержится меньше кремния, чем в чугуне ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимости
от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и
категории.
Марки чугуна
литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими
основной характер или назначение чугуна: СЧ - серый Ч., ВЧ - высокопрочный, КЧ
- ковкий; для антифрикционного чугуна в начале марки указывается буква А (АСЧ,
АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают его
механические свойства. Для серых чугунов приводят регламентированные показатели
пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2),
например СЧ21-40,СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35.
Для высокопрочного и
ковкого чугуна цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2)
и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок
легированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы
входят в состав чугуна , и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр,
характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании
легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся.
Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении
сталей. Пример обозначения легированных чугунов: ЧН19ХЗ – чугун, содержащий
~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная форма
графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).
Библиографический список
1. Соколов Р. С. «Химическая технология», 2003 г.;
2. Макмиллан П.У. «Стеклокерамика», 1967 г.;
3. Павлушкин Н.М. «Основы технологии ситаллов», 1970 г.;
4. Гиршович Н.Г. «Чугунное литьё», 1949 г.;
5. Дриц М.Е., Москалев М.А. «Технология конструкционных
материалов и материаловедение», 1990 г.;
6. Для подготовки данной работы были использованы материалы с
сайтов:
http://www.orbeta.ru/stati/chugunyi.html
http://ru.wikipedia.org
http://www.krugosvet.ru
|