Чугун- сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2, 14 до 6,67 мас. %. Кроме углерода чугун всегда содержит кремний до 4 мас. %, марганец - до 2 мас. %, а также серу и фосфор (вредные примеси). В процессе получения чугуна от серы и фосфора стремятся избавиться с использованием различных приемов. Подготовка руд к плавке

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки состоит в увеличении содержания железа в шихте и уменьшении в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.

Первый этап ? дробление и сортировка руд по крупности для оптимизации плавки. Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах. Затем проводятобогащениедля повышения содержания железа, которое основано на различных физических свойствах минералов (плотности, магнитной восприимчивости и т.д.). Применяют следующие способы обогащения:

- Промывка руды водой - для отделения плотных составляющих руды от рыхлой породы (песка, глины).

- Гравитация основана на отделении руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда. При этом пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а тяжелые рудные минералы опускаются вниз.

- Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Следующая операция - окускование, которое производят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в куски необходимых размеров. С этой целью выполняют агломерацию и окатывание.

Агломерация ? спекание шихты при 1300-15000С в агломерационных машинах. В результате из руды удаляется вредные примеси (сера, частично мышьяк), карбонаты разлагаются, получается кусковой пористый материал - агломерат.

Окатывание применяют для обработки тонко измельченных концентратов. Шихта из измельченных концентратов, флюса и топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, в результате, приобретает форму шариков - окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при 1200-13500С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. При подаче агломерата и окатышей не надо добавлять флюс - известняк, повышается производительность доменной печи и снижается расход кокса.

Устройство доменной печи и ее работа

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении железа из его оксидов, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи. Доменная печь (рисунок 1) имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты.

Рисунок 1 ? Устройство доменной печи

При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 600.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 - 5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает 35 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь теплоты и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которого имеется камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000 - 12000С и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее пространство. Доменная печь имеет несколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других насадка отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются. металлический кристалл раствор сплав

Современные доменные печи имеют общую высоту до 80 м при соотношении полезной высоты к максимальному диаметру, равному приблизительно 3 и полезным объемом до 5600 м3. Доменная печь является агрегатом непрерывного действия и поэтому все процессы в ней механизированы и автоматизированы.

2. Реальное строение металлических кристаллов

Необходимо знать, что порядок в расположении атомов (упаковка) имеется не по всему объему кристалла (кристаллической решетки). В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные несовершенства - это дефекты, которые в трёх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней) энергией и колеблется с одинаковой амплитудой, а отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую среднюю энергию. Такие атомы обладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко передвигаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (например, атом 1, рис. 2, а).

Рисунок 2 - Вакансия в кристаллической решетке

Участок, где находился такой атом (свободный узел), называется вакансией, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 2, б), а покинутый им узел также становится вакансией; затем перемещается, например, атом 3 (рис. 2, в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. Как видно из рис. 2, г, вакансия искажает кристаллическую решетку. Количество вакансий увеличивается с повышением температуры, и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют основную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.

Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кристаллической решетки искажая её.

Линейные несовершенства называются дислокациями. Они имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Имеются различные виды дислокаций, одной из которых является краевая (линейная) дислокация.

В идеальном кристалле происходит сдвиг на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой, вдоль какой-либо атомной плоскости на участке ADEF (рис. 3,а).

Рисунок 3 - Схемы краевой деформации

Как видно, влево сдвинулась только часть кристалла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов атомов в верхней части кристалла на один больше, чем в нижней (рис. 3,б). Плоскость ABCD (рис. 3,а) представляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную плоскость (называемую экстра-плоскостью), вставленную в верхнюю часть кристалла (АВ, рис. 3,б). Линия AD (рис. 3,а), перпендикулярная направлению сдвига, являющаяся краем экстраплоскости, называется краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний.

Особым свойством дислокаций является их подвижность. Объясняется это тем, что кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное положение.

Необходимо знать, что дислокации рождаются в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки и т.д.

Они присутствуют в металлических кристаллах в огромном количестве (106-1012 см-2). Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объёме.

Поверхностными несовершенствами являются границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей, называемых субзернами или блоками (рис. 6). Границы блоков представляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.

3. Понятие о твердом растворе. Твердые растворы замещения и внедрения