Застосовують силумін для виготовлення литтям деталей приладів, фасонного лиття, корпусів турбоагрегатних насосів тощо.

Титан та його сплави. Титан - метал сіруватого кольору, легкий (густина 4,5г/см³) і тугоплавкий (температура плавлення 1668^оС).

Чистий титан характеризується високою механічною міцністю і крозієстійкістю, непогано обробляється тиском.

Титан добре сплавляється з такими металами як алюміній, залізо, хром, марганець, олово та ін., утворюючи матеріали зі значно більшими показниками міцності, ніж у чистого титану.

Титанові сплави легкі, наділені високою корозієстійкістю і жароміцністю.

Маркування титанових сплавів буквено-цифрове, умовне. Так, наприклад, марка титану ВТ3 вміщає 4 - 6,2% алюмінію і 2 - 3% хрому, а марка ВТ4 - 3,5 - 5% алюмінію і 0,8 - 2% магнію, тоді як у марці це ніяк не відображається.

Сплави титану широко застосовуються в авіаційній та ракетній техніці, в кораблебудуванні, у хімічній промисловості, металургії та інших галузях промисловості та техніки, де деталі та елементи конструкцій зазнають значних механічних навантажень, дії високих температур та агресивного середовища.

Магній та його сплави. Магній - мономорфний метал білого кольору, з низькою корозієстійкістю. У чистому вигляді застосовують у фотографії (спалахи). Це дуже легкий метал (густина 1,7г/см³), але низькоплавкий (температура плавлення 651^оС).

Значно вищими показниками характеризуються сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем.

Для ще кращих механічних властивостей магній сплавляють з берилієм, торієм, цезієм, цирконієм і титаном.

Всі магнієві сплави за технологією оброки є деформуючі та ливарні.

Нікель та його сплави. Нікель - мономорфний метал сріблястого кольору, густиною 8,94г/см³ і з температурою плавлення 1455 ^оС.

Чистий нікель достатньо міцний і корозієстійкий, але ще вищих властивостей він набуває в сплавах з міддю, залізом та магнієм. Із нікелю з додаванням 9% хрому виготовляють сплав хромель, який застосовують для виготовлення термопарного дроту.

Жароміцні сплави на основі нікелю (нимоники) - для виготовлення деталей газових турбін (робочі лопатки, турбінні диски, силові лопатки тощо).

5. Термічна обробка металів та сплавів

Під термічною обробкою (ТО) розуміють комплекс теплових дій над матеріалом, метою якого є цілеспрямована зміна його властивостей шляхом передбачуваної зміни структури.

Будь-який вид ТО у координатах температура-час можна зобразити як показано на рис. 7.4.

Кожний з етапів ТО, зображених на рис. 7.4, відіграє свою конкретну роль у тому або іншому виді ТО.

Матеріал нагрівають до певної температури, витримують з певним часом при цій температурі, а потім охолоджують з тією чи іншою швидкістю.

Рис. 7.4. Схематичне зображення процесу термічної обробки

ТО може бути як проміжною, так і заключною операцією. Перша застосовується для покращення технологічних властивостей матеріалу (оброблюваності різанням, тиском тощо), а друга - для формування властивостей готових виробів.

В основі класифікації видів ТО лежать ті фізичні процеси, що відбуваються в матеріалі при теплових подіях. Для металів і сплавів така класифікація видів ТО була запропонована А.А. Бочваром. За його класифікацією є такі види ТО: відпал І роду, відпал ІІ роду, гартування і відпуск.

Гартування - це вид ТО, при якому нагрівання (як і при відпалі ІІ роду) здійснюється обов'язково з охопленням температур фазових перетворень. Але охолодження при гартуванні відбувається з великою швидкістю (рис. 7.6), яка перевищує так звану критичну швидкість гартування (?_кр).

При цьому розрізняють гартування без поліморфних і з поліморфними перетвореннями. Перше з них відбувається за схемою ? > ?, тобто швидким охолодженням фіксується високо - температурний стан. Воно застосовується для будь-яких сплавів. Друге здійснюється за схемою ? > ? > ? ^/, де ? ^/ - метастабільна фаза, склад якої є однаковим зі складом вихідної фази. У цьому випадку при охолодженні відбувається бездифузійне преретворення за мартенситним механізмом.

Рис. 7.6. Схематичне зображення процесу гартування

Основними характеристиками процесу гартування є: загартованість і прогартованість.

Під загартованістю розуміють підвищення твердості матеріалу в процесі гартування. Вона залежить від вмісту вуглецю в сталі. Сталі з вмістом вуглецю менше 0,2% взагалі не загартовуються.

Прогартованість - здатність матеріалу набувати в процесі гартування прогартованого шару з мартенситною або троостіто-мартенситною структурою і високою твердістю. Кількісною характеристикою прогартованості є максимальний діаметр прутка, який прогартовується наскрізь у даному охолоджувальному середовищі. Для сталей цей показник дуже залежить від наявності в них легуючих елементів і підвищується при збільшенні їх вмісту.

За фізичною сутністю тих процесів, які відбуваються при гартуванні, воно поділяється на повне і неповне, а за специфікою технології його здійснення - на безперервне, перервне і ступінчате. Особливим видом гартування є поверхневе гартування.

Відпуск - це вид ТО, який застосовується лише після гартування і має на меті зменшити крихкість та пружність загартованого на мартенсит матеріалу, тобто метою відпуску (відпускання) є часткове або повне зняття метастабільності матеріалу з мартенситною структурою.

Температура нагріву при відпусканні залежить від його різновиду (низьке, середнє і високе). Але у будь-якому випадку вона не повинна перевищувати температуру фазового перетворення (лінія PSK на діаграмі стану залізо-цементит).

Умовні позначення критичних температур (ліній) діаграми залізо-цементит при застосуванні видів ТО. Оскільки всі фізичні процеси, які відбуваються в сталі при нагріванні і визначають сутність видів ТО, пов'язані з відповідними лініями діаграми стану залізо-цементит, то в практиці та теорії ТО для позначення цих температур або ліній вводяться умовні позначки. Так, зокрема, температура, що відповідає лінії PSK (лінія перлітних або евтектоїдних перетворень) позначається як А₁. Температури, що відповідають лінії GS (лінії аустенітно-феритних перетворень) позначають як А₃, а температури, що відповідають лінії ES (лінія максимального насичення ГЦК-решітки вуглецем) позначають як Аcm. При переході критичних ліній в бік нагріву до літери додається індекс «с» (наприклад А_С1, А_с3), а при переході в бік охолодження ставлять індекс r (A_r1, A_r3).

Із діаграми стану залізо-цементит видно, що при нагріві сталей будь-якого складу (за вмістом вуглецю) кінцевим її перетворенням є перетворення в аустеніт (перетин лінії GSE). Тому можна вважати, що це єдине кінцеве перетворення в сталі (у твердому стані) при нагріві.

Але, нагріваючи сталь під той чи інший вид ТО, слід мати на увазі, що при перетворенні перліту в аустеніт відбувається зменшення об'єму зерен приблизно на 1%. Це складає передумови для процесу рекристалізації - збільшення зерен аустеніту.

Процес утворення такої крупнозернистої структури при ТО прийнято називати перегрівом. Такий перегрітий метал має низьку втомну міцність, є крихким при динамічних навантаженнях тощо. Усунути цей недолік можна повторною термічною обробкою з фазовою перекристалізацією.

Слід додати, що при температурах, близьких до лінії солідус (лінія АЕ на діаграмі стану Fe-Fe₃C), може відбуватись окислення збільшених зерен аустеніту по їх межах. Це явище називають перепалом, і воно веде до крихкого руйнування металу при обробці тиском. Усунути цей недолік неможливо, тобто це веде до вибраковки виробів. Тому наближення до лінії АЕ у процесі нагріву сталі менш ніж на 100-150⁰ повинно бути виключеним.

Те, що утворюється при охолодженні сталі, нагрітої до аустенітного стану, залежить від швидкості її охолодження і того ступеню переохолодження, який при цьому досягається. При невеликих швидкостях охолодження, коли переохолодження є невеликим, дифузійні процеси не загальмовані, і тому при перебудові аустенітної ГЦК-решітки в ОЦК-решітку фериту весь надлишковий вуглець залишає її, утворюючи зерна цементиту. Таким чином, утворюється ферито-цементитна суміш, тобто звичайний перліт

При збільшенні швидкості охолодження в межах до її критичного значення (?_кр) дифузійні процеси дещо гальмуються, і тоді утворюються зерна ферито-цементитної суміші дрібнозернистої консистенції, яка називається сорбітом, або тонкодисперсної, яка називається троостітом. Коли ж швидкість охолодження досягає значення, яке перевищує ?_кр, то дифузійні процеси гальмуються повністю, і весь вуглець, який був у решітці ГЦК-заліза, залишається в його ОЦК-решітці після їх взаємного перетворення. Саме така структура ОЦК-решітки заліза, перенасиченої вуглецем, і називається мартенситом. Вона характеризується високою твердістю, хоча і є перенапруженою.

Розглянемо закономірності вибору температур ТО сталей залежно від їх хімічного складу.

Дифузійний (гомогонізуючий) відпал І роду - здійснюють для усунення неоднорідності за хімічним складом стальних виробів (наприклад, дендритної ліквації в стальних відливках) і застосовують переважно для легованих сталей, в яких така неоднорідність виявляється частіше.

Оскільки вирівнювання хімічного складу відбувається завдяки дифузійним процесам, то температура цього відпалу є досить високою і становить (0,8 - 0,9) Т_пл або 1050-1250 ^оС, а час витримки для цієї температури коливається від 8 до 15 годин. Охолодження до температури 550 - 600 ^оС повільне, а потім - з будь-якою швидкістю.

Рекристалізаційний відпал І роду - застосовується для вирівнювання структури після холодного пластичного деформування (наприклад, для зняття наклепу) як у вуглецевих, так і в легованих сталях. При цьому температура нагріву вуглецевих сталей становить 680 - 700 ^оС, а легованих - 700 - 730 ^оС. Час витримки залежить від перерізу оброблюваних виробів. Застосовують між окремими операціями волочіння та інших видів холодної обробки тиском.

Відпал для зняття напруження - застосовують з метою усунення внутрішніх остаточних напружень, які є наслідком попередньої гарячої обробки (наприклад, зварюванням). Частіше за все відбувається при температурах 400 - 600^оС. Час витримки береться з розрахунку 2,5 хв на 1 мм товщини перерізу деталі.

Повний відпал ІІ роду - застосовується переважно для доевтектоїдних сталей і має на меті усунення крупнозернистості та інших негативних структурних наслідків перегріву або низькотемпературної гарячої обробки.

Температура нагріву під цей вид ТО здійснюється за співвідношенням:

, (7.1)

де А_С3 - температура, яка відповідає лінії GS на діаграмі стану залізо-цементит для даної марки сталі.

Неповний відпал ІІ роду - застосовується переважно для доевтектоїдних сталей і має на меті переведення пластинчатого цементиту в глобулярний з відповідним підвищенням пластичності та оброблюваності різанням.

Температуру нагріву під цей вид ТО визначають за співвідношенням

, (7.2)

Основу усіх неметалевих матеріалів, у тому числі й деревних, складають полімери, під якими розуміють речовини, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних невеликих молекулярних фрагментів (мономірних одиниць або ланок) і є свого роду ланцюгами, молекулярна маса яких досягає сотень тисяч і навіть мільйонів. Саме ці особливості молекулярної будови полімерів і визначають специфіку тих властивостей, якими характеризуються як вони самі, так і конструкційні матеріали на їх основі (висока еластичність, невелика густина, корозійна стійкість тощо).

До неметалевих конструкційних матеріалів, які виготовляються на основі полімерів, належать пластмаси, гуми, плівки, волокна, клейові та лакофарбові матеріали, скло, кераміка тощо.

Ми розглянемо пластмаси та гумові матеріали.

Пластмасами називають матеріали у вигляді полімерних композицій, які переробляється у вироби методами, заснованими на пластичному деформуванні.

Унікальне поєднання фізико-механічних, хімічних та технологічних властивостей у пластмасах робить їх цінними та важливими конструкційними матеріалами різних галузей сучасної промисловості та техніки. Вироби із пластмас характеризуються невеликою вагою (?=0,15-0,2г/см²), достатньо високими міцністю, водостійкістю, фрикційністю чи антифрикційністю, достатньо високими тепло - та електроізоляційністю тощо. Вони стійкі до агресивних середовищ, добре обробляються різанням і добре склеюються і зварюються.

Залежно від складу пластмаси поділяються на прості та складні.

Полімерною основою складної пластмаси є природні або частіше синтетичні смоли, ефіри целюлози та інші полімери, які відіграють роль зв'язуючої речовини в пластмасі та визначають її основні властивості.

Іншими важливими компонентами складної пластмаси є наповнювачі. Це речовини органічного або неорганічного походження, які за формою можуть бути порошкоподібної, волокнистої, шаровидної чи іншої форми. Вони входять у пластмасу в кількості 40-70% за масою, покращують її властивості та зменшують коштовність.

За типом наповнювача складні пластмаси поділяються на порошкові (наповнювачі - деревинна мука, графіт, цегла, цемент та ін); волокнисті (папіробавовняні нитки, скловолокно тощо); шаровинні (щільний папір, папіробавовняна тканина, шпон та ін); кришіноподібні (шматочки тканини, шпона тощо); газонаповнені (повітря або нейтральні гази).

Для підвищення еластичності та зниження температури склування в пластмасу при виготовленні додають пластифікатори (камфора, дібутілфталат та ін), а для надання термостабільності та гальмування процесів старіння - стабілізатори (крохмаль, желатин та ін).

Для перетворення лінійної молекулярної структури у просторову-сітчасту з метою підвищення механічних характеристик у пластмаси вводять речовини, які називаються затверджувачами (органічні перекисі та ін), і для прискорення процесу затвердіння - каталізатори (вапно, окис магнію та ін).

За характером зв'язуюючої речовини (полімерної основи) пластмаси поділяються на термопластичні та термореактивні.

Термопластичні пластмаси (термопласти) виготовляються на основі термопластичних полімерів, тобто таких, які при нагріві не зазнають незворотних структурних перетворень, і тому можуть повторно перероблятись у вироби нагрівом. Такі пластмаси, як правило, чисті гомо - або сополімери. Вони характеризуються невеликою усадкою (1 - 3%), зручні в переробці, у виробництві тощо. Типовими представниками термопластів можуть бути:

Поліетилен (ПЕ) - твердий, легкий і водостійкий матеріал, гарний діелектрик з високою морозостійкістю (до -60^оС), стійкий проти агресивних середовищ. Застосовується для виготовлення кабелів, плівок, труб, ємностей як технічного, так і побутового призначення тощо.

Полістирол (ПС) - твердий аморфний продукт, виготовляється у вигляді листів, стержнів (блоків) або порошку, наділений гарними оптичними властивостями (світлопроникність до 90%, показник заломлення 1,6). Застосовується для виготовлення елементів оптики.

Полістирол є також гарним діелектриком і тому широко застосовується для виготовлення корпусів та деталей радіо - та телеприймачів тощо.

Висока стійкість полістиролу до спиртів, бензину та інших речовин також визначають специфіку його застосування у хімічній промисловості та медицині. Він добре обробляється різанням та склеюється.

Поліметилметакрилат (ПММА, органічне скло) - твердий прозорий безкольоровий аморфний матеріал густиною 1,19г/см³. Не розчиняється у воді, спиртах, стійкий до дії розбавлених луг, кислот, фізіологічно не шкідливий і стійкий до біологічних середовищ. Характеризується високою прозорістю. Виготовляється у вигляді листів товщиною від 0,8 мм до 24 мм, які характеризуються високою атмосферостійкістю, добрими фізико-механічними та електроізоляційними властивостями. Застосовуються ПММА у авіабудуванні (фонарі, блістери, ілюмінатори тощо), автомобілебудуванні (деталі внутрішнього освітлення, захисні ковпаків ліхтарів заднього освітлення, осклування кабін тощо).

Політетрафторетилен (ПТФЕ, фторопласт-4) - кристалічний полімер білого кольору, густиною 2,15-2,24г/см³, хімічно найбільш стійкий із всіх відомих термопластів. ПТФЕ не розчиняється у жодному розчиннику, не реагує на кислоти та луги, на міцні окислювачі та агресивне середовище. Він є одним з кращих діелектриків, характеризується високою морозостійкістю (до -195^оС) і високою теплостійкістю (до 250 ^оС). Широко застосовується в радіо - та електротехніці як ізоляційний матеріал для проводів, кабелів, конденсаторів, трансформаторів і пристроїв, що працюють у агресивних середовищах, а також при підвищених температурах.

У хімічній промисловості застосовується для виготовлення труб, прокладок, мембран, вентилів, кранів, антикорозійних та антифрикційних покриттів.

Широко застосовується ПТФЕ у космічній, авіаційній і автобудівельній техніці (електроізоляційні прокладки, підшипники ковзання тощо), у текстильній та харчовій промисловості, а також у медицині (протези, клапани сердцевої хірургії тощо).

Термореактивні пластмаси, основу яких складають полімери, які набувають у процесі затвердіння просторово-сітчастої структури з високою міцністю поперечних зв'язків (феноло-формальдегідні, епоксидні, кремнійорганічні та інні смоли), і тому стають нездатними до зворотніх структурних перетворень, є складними за вмістом матеріалами. Вони як правило характеризуються високою міцністю, тепло - та хімічною стійкістю, невисокою усадкою тощо. Поділяються термореактивні пластмаси на:

прес-порошки - основа фенолоформальдегідна (фенопласти) або карбамід на (аміни) смола, а в якості наповнювача - цемент, молотий тальк, деревинна мука тощо. Теплостійкість фенопластів до 200⁰С, а амінів - до 100⁰С. Застосовуються для виготовлення електроізоляційних деталей, побутових виробів і т.н.;

компаунди - основа кремнієвоорганічні полімери, наповнювачі - азбест, кварцовий порошок та ін. Теплостійкість до 300⁰С, висока електроізоляційність;

волокнити (азбоволокнити, скловолокнити) - основа фенолоформальдегідна смола, наповнювачі - волокнисті речовини (бововняні очоси, азбестове та скловолокно). Характеризуються підвищеною ударною в'язкістю, теплостійкістю до +200⁰С. Застосовуються для виготовлення шківів, маховиків, для деталей гальмувальних пристроїв (азбоволокнити), для виробів з підвищеною механічною міцністю і термостійкістю (скловолокнити).

Особливу групу термореактивних пластмас складають так звані шпаровинні пластики, до яких належать:

гетинакс - основа феноло-формальдегідна або карбамідна смола, наповнювач - листи різних сортів паперу. Дешевий і добрий електроізоляційний матеріал. Застосовується в електротехніці, а також як декоративний матеріал;

текстоліт - шаровинний матеріал, який одержується пресуванням укладеної шарами папірово-бавовняної тканини у середовищі феноло-формальдегідної смоли. Характеризується мастило- і бензостійкістю, доброю водостійкістю, високими фізико-механічними властивостями. Широко застосовується у машинобудуванні для виготовлення прокладних кілець, шестерен, вкладишів підшипників, деталей у радіо - та електротехніці;

склотекстоліт - основа феноло-формальдегідна смола, наповнювач - склотканина. Характеризується підвищеною термостійкістю і морозостійкістю. Застосовують для виготовлення великогабаритних виробів.

Гумові матеріали. Гумою називається продукт спеціальної обробки (вулканізації) суміші каучуку та сірки. Крім того, до гуми вдходять різні домішки (наповнювачі, пластифікатори, прискорювачі та активізатори процесу вулканізації тощо).

Як технічний матеріал гума характеризується дуже високими еластичними показниками, тобто здатністю до великих зворотних деформацій (до 1000%). Крім того, гума має високу стійкість до стирання, водо - та газонепроникність, високі хімічну стійкість та ізоляційні властивості, невелику густину.

Основою всякої гуми є каучук натуральний (НК) або синтетичний (СК), який входить до гуми в кількості від 10% до 98% і визначає майже всі її основні властивості. Для цілеспрямованої зміни властивостей гуми (з метою їх покращення) до неї вводять різні домішки (інгредієнти). До них належать:

вулканізуючі речовини (сірка, селен та ін.) - забезпечують утворення просторово-сітчастої структури вулканізату;

прискорювачі процесу вулканізації - речовини, що активізують вулканізаційні процеси (полісульфіди, окисли свинцю, магнію та ін);

пластифікатори - речовини, що полегшують переробку гумової суміші, підвищують її морозостійкість та еластичні властивості (парафін, вазелін, рослинні олії, дибутілфтилат та ін);

наповнювачі: активні (сажа, окис цинку та ін) - покращують механічні властивості гуми (міцність, твердість, опірність стиранню тощо) і неактивні (крейда, тальк, баріт) - зменшують коштовність гуми.

протистарювачі (антиоксиданти) - гальмують процес старіння гуми, бувають хімічної (альфоль, неозон-D та ін.) і фізичної (воск, парафін та ін.) дії;

фарбники - речовини мінерального або органічного походження, які забезпечують відповідний колір гуми.

Усі гуми за призначенням поділяються на гуми загального і спеціального призначення.

Гуми загального призначення виготовляють на основі неполярних каучуків - натуральних (НК) і синтетичних: бутадієнового (СКБ), стирольного (СКС) та ізопренового (СКІ). Ці гуми характеризуються високою водо - та газостійкістю і добре працюють у воді, слабких розчинах кислот і луг, на повітрі в межах температури від - 50^оС до 130^оС (шини, паси транспортерних стрічок, ізоляція кабелів тощо).

Гуми спеціального призначення поділяються на декілька видів: мастилобензостійкі - виготовляються на основі таких полярних каучуків як бутадієнстирольний, полісульфідний і хлоропреновий. Працюють у середовищі бензину та інших видів технічного палива, у контакті з різними технічними мастилами тощо. Їх застосування відбувається в межах температур: від -30 ^оС до 130 ^оС (паси, рукава, ущільнюючі прокладки, манжети тощо); теплостійкі - основа теплостійкі синтетичні (СКТ) каучуки, забезпечують роботу в межах температур від -60 до 250^оС; морозостійкі - працюють при температурі до -75 ^оС, виготовляються на основі морозостійких каучуків; світлоозоностійкі - виготовляються на основі синтетичних фторотримуючих (СКФ), єтіленпропіленових (СКЕП) та іншіх каучуків. Стійкі до дії сильних окислювачів, протягом декількох років не руйнуються при роботі в атмосферних умовах (ущільнюючі вироби, діафрагми, гнучкі шланги тощо); кордові (армовані) гуми - з металевими нитками, сітками тощо. Працюють в умовах підвищенної міцності та гнучкості (шини, привідні паси, стрічки транспортерів тощо); газонаповнені гуми (пористі, ячеїсті) - дістають шляхом обробки газами. застосовують для виготовлення амортизаторів, протекторних шарів покришок і т. ін.; електроізоляційні - виготовляють тільки на основі неполярних каучуків, застосовують для ізоляції проводів та кабелів, виготовлення спеціального взуття, рукавиць та інших складових спецодягу.

сплав сталь метал вуглецевий

7. Технології виробництва конструкційних матеріалів

В основі цих технологій лежать ті хімічні та фізико-хімічні процеси, застосування яких, при відповідному технічному оснащенні, забезпечує відокремлення того або іншого металу від металоутримуючої сировини, його очищення і доведення до тих норм, які передбачені його подальшим застосуванням.

Зауважимо, що нижче будуть розглядатись технології виробництва лише металевих конструкційних матеріалів і до того ж чорних (залізо і сплави на його основі).

Технології виробництва металевих конструкційних матеріалів належать до галузі промисловості, яка називається металургією. Крім способів виробництва металів і сплавів із руд та іншої сировини, металургія включає в себе і науку про сутність енергозабезпечення тих реакцій, які при цьому відбуваються, а також про способи очищення металів і сплавів.

Основним вихідним матеріалом (сировиною) у будь-якому металургійному виробництві є руда - частина горяної породи, яка вміщає металоутримуючий мінерал і назва якої визначається назвою саме того металу, який до неї надходить (залізна, мідна тощо). Бувають і поліметалічні руди (наприклад, хромомарганцеві та ін.).

За вмістом металу руди поділяються на бідні та багаті. Це умовний розподіл, оскільки, наприклад, залізні руди вважаються багатими лише при вмісті заліза більше 40% (і до 70%), тоді як мідні руди належать до багатих при вмісті міді 2% (і до 5%). А у виробництві зараз застосовуються мідні руди з вмістом міді 0,4-0,8%.

Багаті металеві руди застосовуються у металургійних процесах без попередньої підготовки, а бідні збагачуються (методами магнітної сепарації, флотації та ін).

Допоміжними вихідними матеріалами у металургійному виробництві є паливо, флюси і вогнетривкі матеріали.

Паливо є енергоносієм у металургійному процесі, тобто воно забезпечує протікання тих хімічних реакцій, завдяки яким відбувається відокремлення металу від металоутримуючого рудного концентрату і пустої породи. У металургії застосовуються три види палива: тверде, рідке і газоподібне.

Флюси - застосовуються для відокремлення залишків пустої породи і небажаних (шкідливих) домішок від металоутримуючого компоненту шихти і переведення їх у сполуку евтектичного типу - шлак.

За хімічною активністю флюси поділяються на кислі (вміщають, переважно, такі окисли як SiO₂ і P₂O₅ та ін.) і лужні (вміщають СаО, МgО та інші окисли).

Для забезпечення матеріально-технічного оснащення металургійного виробництва і, зокрема, для спорудження різноманітних плавильних агрегатів застосовується ще один вид допоміжних матеріалів - вогнетривкі матеріали. Цими матеріалами обкладається (футерується) внітрішній простір плавильних агрегатів. Як і флюси, ці матеріали за хімічною активністю поділяються на кислі, лужні та нейтральні. Ця обставина повинна враховуватись при застосуванні флюсів до плавильного агрегату з тією або іншою футеровкою.

Виробництво чавуну. Процес виробництва чавуну є пірометалургійним за сутністю енергозабезпечення реакцій, які при цьому відбуваються, а за хімічним напрямом - поновлюваним, тобто у процесі виплавлення чавуну йде поступове поновлення заліза від вищих окислів до низчих за схемою:

Оскільки чавун є сплавом заліза з вуглецем (з вмістом вуглецю від 2,14% до 6,69%), то зрозуміло, що основним матеріалом (рудою) при його виробництві має бути залізна руда і, зокрема: магнітний залізняк (вміст вуглецю 55-70%); червоний залізняк (вміст вуглецю 50-60%). Це багаті залізні руди і не дуже забруднені шкідливими домішками (сірка і фосфор). Пуста порода - кремнеземиста.

Крім того застосовують бурий залізняк (вміст вуглецю 30-50%) і шпатовий залізняк (вміст вуглецю 30-40%). Це бідні руди зі значним забрудненням шкідливими домішками (миш'як і фосфор). Пуста порода - глиниста або кремнеземно-глиниста.

При виплавленні спеціальних марок чавуну і феромарганцю застосовують також марганцеві руди з вмістом марганцю 25-50%.

Основним видом палива при виробництві чавуну є кокс. Це тверде паливо, яке є продуктом спікання високоякісного вугілля в спеціальних печах - коксових батареях. Процес відбувається без доступу повітря при температурі 950 - 1050^оС і триває від 15 до 20 годин.

Важливим є те, що кокс є не лише енергоносієм, що забезпечує протікання відповідних хімічних реакцій у процесі виробництва чавуну, але і сам є поновлюючим елементом у цих реакціях і навуглецьовуючим компонентом у чавуні. Це дороге і дефіцитне паливо. Його втрати складають до 550 кг на тону чавуну, що є основною складовою собівартості продукту, що виробляється.

Для інтенсифікації доменного процесу за паливо використовують також природний газ або повітря, збагачене киснем. При цьому ці види палива попередньо підігріваються у спеціальних пристроях (кауперах) з використанням тепла газів, що відходять.

За флюси при виробництві чавуну застосовують вапняк і доломітозований вапняк. Це речовини лужного хімічного походження і, основними складовими їх є СаО і МgO.

Сам процес виробництва чавуну відбувається у спеціальних плавильних агрегатах шахтового типу, які називаються домнами. Тому процес називається доменним. Загальний вигляд сучасної доменної печі подано на рис. 7.7, а, а схематичне зображення її робочого простору в розрізі (профіль) - на рис. 7.7, б.

Рис. 7.7. Схема будови доменної печі:

а) - розріз; б) - профіль робочого простору;

1 - чавунна льотка; 2 - горн; 3 - заплечики; 4 - розпар; 5 - шахта;

6 - колошник; 7 - засипний апарат; 8 - горизонт утворення чавуну;

9 - горизонт утворення шлаку; 10 - зона горіння коксу; 11 - фурмені пристрої; 12 - шар шлаку; 13 - шлакова льотка; 14 - розплавлений чавун

Ці рисунки дають повне уявлення про будову доменної печі і її основні складові частини. Додамо лише, що стальний кожух, який є основою печі, має товщину до 40 мм. Всередині піч викладена вогнетривкими матеріалами, переважно шамотом (нейтральним за хімізмом матеріалом). Горн і його нижня частина (лещадь) виготовлені із особливо вогнетривких матеріалів - вуглецевих (графітизованих) блоків.

Висота робочого простору сучасної доменної печі (від лещаді до нижньої частини конуса засипного апарату) сягає 40 м, і це перебільшує її середній діаметр у 2,5-3 рази.

Робочий об'єм сучасних доменних печей коливається від 3000 до 5000м³. Тривалість роботи без капітального ремонту становить 5-10 років. Середньодобове виробництво чавуну залежно від розміру печі коливається від 3·10³ до 1·10⁴т/добу.

Завантаження шихтових матеріалів (коксу, руди, флюсів) відбувається за допомогою спеціальних завантажувальних пристроїв через колошник пошарово.

Процес виплавлення чавуну є протиточним, тобто потік шихтових матеріалів, які пошарово завантажуються у піч через колошник, поступово перемущуються зверху до низу, тоді як потік газів від дуттєвих фурм прямує знизу до верху. Поновлення заліза із руди відбувається двома способами: вуглецем коксу (пряме поновлення) і оксидом вуглецю (непряме поновлення). Найбільш раціональним і економічним вважається співвідношення між цими двома складовими процесу поновлення 40% до 60%.

Основними техніко-економічними показниками доменного виробництва є питомі витрати коксу (на тону чавуну) і коефіцієнт використання корисного об'єму печі (КВКО). Перший із цих показників становить 550 кг/т, КВКО, який визначається відношенням корисного об'єму печі до середньодобового виробництва чавуну, коливається від 0,4 до 0,7.

Інтенсифікація доменного процесу і підвищення його економічності досягається спеціальною підготовкою вихідних матеріалів (шихти) до плавки, застосуванням кисневого дуття і автоматичним регулюванням температури процесу по зонах печі з застосуванням ЕОМ.

Основним продуктом доменного виробництва є чавун. Він періодично зливається із печі через спеціальний отвір у верхній частині горна (чавунну льотку) у ковши-чавуновози ємністю до 140т, а потім транспортується і зливається у накопичувачі (міксери) ємністю до 2000т. Залежно від того, в якому вигляді знаходиться у чавуні вуглець (пов'язаному - у вигляді цементиту, або у вільному - у вигляді графіту), чавуни поділяють на білий (вуглець у вигляді цементиту), сірий (вуглець у вигляді графіту пластинчатої форми), високоміцний (вуглець у вигляді графіту кулевидної форми) і ковкий (вуглець у вигляді графіту хлоп'євидної форми). Білого чавуну виготовляється 80-82%, і він іде на переробку в сталь (переробний чавун), а інші (18-20%) застосовуються як конструкційні матеріали.

Побічними продуктами доменного виробництва є шлак і доменний газ. Шлак періодично скачуються у процесі плавки через шлакову льотку у ковши-шлаковози (ємність до 30т), і після його виливання у воду, де він гранулюється, застосовується як компонент різних будівельних матеріалів.

Доменний газ, який відходить через колошник і уловлюється, застосовується як енергоносій для забезпечення енерготеплових потреб як самого металургійного підприємства, так і потреб навколишньої інфраструктури.

Размещено на Allbest.ru