Технологии конструкционных материалов

   

   Рис. 6. Устройство доменной печи

    
В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

   Горение топлива.

   Вблизи  фурм природный газ и углерод  кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают.

   В результате горения выделяется большое  количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 ⁰С.

   Продукты  сгорания взаимодействуют с раскаленным  коксом по реакциям:

   CO₂+C=2CO-Q

   H₂O+C=CO+H₂-Q

    
Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.  
Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 ⁰С у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу  потоку газов, и при температуре  около 570 ⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление  железа в доменной печи.

Восстановление  железа происходит по мере продвижения  шихты вниз по шахте и повышения  температуры от высшего оксида к  низшему, в несколько стадий:

   Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

    
Температура определяет характер протекания химических реакций.

Восстановителями  окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.  
Восстановление твердым углеродом (коксом)называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

   FeO+C=Fe+CO-Q

    
Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

   3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q

   Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂-Q

   FeO+CO=Fe+CO₂+Q

    
За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

   При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 ⁰С). Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 ⁰C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе. В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна. Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). В настоящее время чугун и шлак выпускаю т в одну ледку и разделяют. Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   6. Печь для выплавки стали. Мартеновские и другие электрические печи. 

   Мартеновская  печь 

   

   Рис.7. Схема мартеновской печи 

   Мартеновская  печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной  регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

   Современная мартеновская печь представляет собой  вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

   Дуговая сталеплавильная  печь

   При строительстве металлургических заводов  отдают предпочтение, как правило, двум типам печей:

   – печи постоянного тока с одним катодом (ДППТ)

   – дуговой печи трёхфазного переменного  тока с высоким сопротивлением контура (ДСП)

Рис. 8. Схема дуговой печи трёхфазного переменного тока

    
Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

   Индукционные  тигельные плавильные печи

   Выплавляют  наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.

Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.

Рис. 9. Схема индукционной тигельной печи.

   Печь  состоит из водоохлаждаемого индуктора  3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).

   При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съёмный свод 2. 

7.  Цветные сплавы – алюминий, медь, олово и др.

   Медь (ГОСТ i859—66)—металл красного цвета, мягкий поддающийся протяжке в холодном состоянии. Плотность зависит от способа получения и колеблется от 8,3 до 8,9

   Предел  прочности чистой меди на растяжение составляет 20—35 кгс/мм2. Медь обладает большой электропроводностью, поэтому  ее широко применяют в электротехнической промышленности. Медь хорошо сопротивляется коррозии, образуя на поверхности защитную пленку. Медные листы используют для покрытия монументальных зданий 

   Цинк (ГОСТ ,3640—65)—металл синевато-серого цвета с плотностью 7,14. В зависимости от химической чистоты цинк делится на шесть марок: ЦВ, ДО, Ц1, Ц2, ЦЗ и Ц4.

   Предел  прочности чистого цинка при  растяжении 1 кгс/мм2. Технологические  свойства цинка изменяются от температуры. В пределах 100—150° С цинк хорошо куется и прокатывается в тонкие листы. От влажного воздуха на цинковой поверхности появляется окисная пленка, которая приостанавливает коррозию металла. Цинковые листы,могут, быть использованы в качестве кровельного материала. 

   Олово (ГОСТ 860—60) — блестящий металл серебристо-белого цвета с плотностью 7,31. При изгибаний олово издает характерный треск

   При температуре 13,2° С белое олово  превращается в порошок, серое олово, с объемной массой 6,75. Чтобы этого  не произошло, олово нужно хранить  в теплом помещении и изолировать  от серого.

   При обычных условиях олово устойчиво к воздействиям химических веществ, поэтому его применяют для лужения посуды. В технике олово используют для припоев, а также оно входит в состав различных сплавов. 

   Свинец (ГОСТ 3778—65)—металл синевато-серого цвета с плотностью 11,9.

   Свинец  — легкоплавкий и мягкий металл; он ковок, легко режется и прокатывается. При действий на него влажного воздуха поверхность металла покрывается тонкой пленкой, предохраняющей свинец от дальнейшей коррозии

   Свинец  применяют во многих отраслях промышленности: при изготовлении аккумуляторов, кабелей, красок, взрывчатых веществ, а также  при производстве сплавов. 

   Алюминий (ГОСТ 11069—64) —мягкий и легкий металл; его плотность 2,72. Алюминий обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Чистый алюминий в литом состоянии имеет пониженную прочность, деформированный (прокатанный) он приобретает механическую прочность, достаточную для широкого применения в технике. В зависимости от химической чистоты алюминий имеет девять марок: АВОООО, AB000, AB00, AB0, А00, АО, Al, A2 и A3.

   Алюминий  легко окисляется на воздухе. Окисная  пленка обладает плотностью и предохраняет его от дальнейшей коррозии.

   Листовой  алюминий используют для покрытия некоторых типов гражданских зданий. 

   8. Сварка. Основные типы сварки. 

   Сварку  подразделяют на 3 класса:

   1. Термический класс. Также разделяется на:

      а. Дуговая электросварка: ручная  дуговая, сварка неплавящимся  электродом, сварка плавящимися  электродами, электродуговая сварка с использованием флюса;

      б. Газопламенная сварка;

      в. Электрошлаковая сварка;

      г. Плазменная;

      д. Электро–лучевая; 

      е. Лучевая. 

   2. Термомеханический класс. В свою очередь подразделяется на:

      а. Контактная сварка: точечная, рельефная, стыковая;

      б. Диффузионная сварка;

      в. Кузнечная сварка;

      г. Сварка с использованием  высокочастотного тока;

      д. Сварка трением. 

   3. Механический. Механический класс также делится на: