5737

Основы металлургического производства. Материаловедение и технология материалов

Конспект

Производство и промышленные технологии

Лекция 1 Физико-химические основы металлургического производства Цели лекции: 1.Учебные: - сформировать у учащихся понятие о курсе Материаловедение и технология материалов - сформировать у учащихся понятие о металлургическом производс...

Русский

2012-12-18

1.04 MB

186 чел.

Лекция 1 Физико-химические основы металлургического производства

Цели лекции:

1.Учебные:

- сформировать у учащихся понятие о курсе “Материаловедение и технология материалов”;

- сформировать у учащихся понятие о металлургическом производстве и процессах получения металлических материалов;

- изучить материалы, используемые в металлургическом производстве.

2. Воспитательные:

- воспитать интеллектуальные умения и способности;

- воспитать сознательное отношение к учебным обязанностям.

3. Развивающие:

- развить мышление;

- развить память;

- развить внимание.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакат “Схема металлургического производства”.

Литература, использованная при подготовке к лекции:

1 Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1998. – 758 с.

2 Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.

3 Технология конструкционных материалов: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред.

А.М. Дальского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

4 Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справ. изд. / Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.А. Ашмарина; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна. – М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Организационная часть лекции: проверка присутствующих (время 3 – 5мин.).

2. Вступление (5 мин).

Вопросы лекции:

  1.  Металлургия и процессы получения металлических материалов (20 мин).
  2.  Исходные материалы в металлургическом производстве  (20 мин).
  3.  Двухступенчатая схема в металлургическом производстве (20 мин).

4. Заключение (3 – 5 мин).

5. Задание на самоподготовку (5 мин).

ВСТУПЛЕНИЕ

Материаловедение и ТКМ относится к числу основополагающих учебных дисциплин отраслевой (общетехнической) подготовки инженерных специальностей и педагога профессионального обучения. Это обусловлено тем, что современный уровень производства во многом определяется применением новых экономичных и технологичных материалов и технологий их получения, что в конечном итоге определяет научно-технический и экономический потенциал страны.

Цели изучения данной дисциплины:

- познание природы машиностроительных и конструкционных материалов, изучение их свойств в зависимости от химического состава, структуры и последующей обработки;

- ознакомление с традиционными и новыми технологическими процессами получения металлических и неметаллических материалов, а также технологиями получения заготовок и готовых изделий, в том числе с последующим восстановлением и ремонтом.

Задачами изучения дисциплины являются:

- ознакомление с современными конструкционными материалами машиностроения, их наиболее характерными свойствами и классификацией;

- изучение физико-химических основ и технологии процессов производства конструкционных материалов;

- ознакомление с основными способами получения заготовок и изделий из конструкционных материалов;

- формирование умения выбора вида заготовки или полуфабриката, рационального способа их получения, исходя из формы конечного изделия, его назначения и условий эксплуатации.

Технология конструкционных материалов состоит из четырех основных видов:

1 – металлургия – получение металла заданного состава;

2 – технологии получения металлических заготовок (литейное производство, ОМД, сварочное производство);

3 – механическая обработка – получение из металла изделий заданной внешней формы;

4 – термическая обработка – получение заданных свойств металла (жаростойкости, прочности износостойкости и т.п.).

Вопрос № 1. Металлургия и процессы получения металлических   

материалов

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов и их сплавов.

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных предприятий, базирующийся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических мощностях. Оно включает в себя следующие предприятия:

1 – шахты, карьеры по добыче руд и каменных углей;

2 – горно-обогатительные комбинаты, где подготавливают руды к плавке (обогащают);

3 – коксохимические заводы или цехи, где готовят угли, коксуют их и извлекают полезные химические продукты;

4 – энергетические цехи для получения сжатого воздуха, кислорода, очистки газов металлургических производств;

5 – доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;

6 – заводы для производства ферросплавов;

7 – сталеплавильные цехи (конверторные, мартеновские, электросталеплавильные);

8 – прокатные цехи, где слитки перерабатывают в сортовой прокат (балки, рельсы, проволоку, лист и т.д.).

Основа современной металлургии – двухступенчатая схема, включающая доменную выплавку чугуна и передела его в сталь. При доменной плавке происходит избирательное восстановление железа из руды, а также восстановление фосфора, марганца и кремния, науглероживание железа и частичное насыщение его серой, т.е. образуется чугун – сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь производят в конверторах, мартеновских и электрических печах. При этом происходит избирательное окисление примесей чугуна, которые переходят в шлак и газы.

Основной продукцией металлургического производства являются следующие продукты:

1) черная металлургия, которая производит чугун передельный для производства сталей, чугун литейный для производства отливок, железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали, ферросплавы (сплавы железа с Mn, Si, V, Ti и др.), предназначенные для выплавки легированных сталей, стальные слитки для производства сортового проката и стальные слитки для крупных поковок;

2) цветная металлургия: слитки цветных металлов для сортового проката, слитки для производства отливок, лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок, слитки чистых и особо чистых цветных металлов для нужд электротехники и электроники.

В черной и цветной металлургии для получения металлических материалов в зависимости от вида используемой энергии выделяют следующие процессы:

1. Пирометаллургический процесс основан на том, что энергия или тепло, необходимое для выплавки, получают за счет сжигания жидкого, твердого или газообразного топлива.

2. Электрометаллургический процесс основан на том, что тепло для выплавки получают в дуговых, индукционных и других электропечах.

3. Гидрометаллургический процесс основан на получении металлов из руд путем выщелачивания и последующего выделения металлов из раствора без нагревания до высоких температур.

4. Химикометаллургический процесс основан на получении металлов при последовательных химических и металлургических взаимодействиях.

Вывод по вопросу № 1: изучили современное металлургическое производство и процессы получения металлических материалов.

Вопрос № 2. Исходные материалы для металлургического                        производства

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Руда

В природе большинство металлов находятся в связанном виде, в виде химических соединений, которые входят в состав минералов, образующих руды или горные породы.

 Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне техники экономически выгодно и целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Руда состоит из минералов, содержащих металл (окислов и гидроокисей), силикатов, карбонатов, сернистых соединений), и пустой породы (окислов кремния, алюминия, кальция и магния). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д. Целесообразность извлечения металлов из руды определяется их содержанием в руде. Например, для железных руд – не менее 30-50 % Fe, для медных – не менее 3-5 % Cu, для молибденовых – не менее 0,005 – 0,02 % Mo.

В зависимости от концентрации добываемого металла, руды бывают богатыми (45 – 50 %), которые сразу используют в металлургическом производстве, и бедные (35 – 45 %), которые поступают в металлургическое производство после обогащения или удаления пустой породы. После обогащения получают концентрат или продукт с повышенным содержанием металла по сравнению с исходной рудой.

Топливо

Топливо – это органические соединения, которые выделяют при сжигании тепло, необходимое для поддержания металлургического процесса.

В металлургических печах топливом являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 10000С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов.Угольная масса при коксовании размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, затем она спекается в пористую массу. При выделении газов масса растрескивается и распадается на куски. Длительность коксования 14-16 часов. Затем кокс выталкивают из печи и сушат водой.

Важным показателем качества кокса является зольность и содержание серы, которые должны быть минимальны. Опримальный размер кусков кокса – 25-60 мм. Кокс должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушаться под действием массы шихтовых материалов в доменной печи.

При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, который содержит 90 – 98 % углеводородов (CH4 – метан, C2H6 - пропан),  мазутом – тяжелый остаток крекинга нефти, содержит до 85 % углерода и водород с малым количеством серы и фосфора, доменным газом – побочный продукт доменного производства или пылевидным топливом. Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в печи, что приводит к экономии кокса.

Флюсы

Флюс – это материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды, концентрата, золой топлива. Эти соединения называют шлаком. 

Назначение флюса:

1 – удаление окислов пустой породы;

2 – удаление золы топлива;

3 – удаление вредных примесей (серы, фосфора).

Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому в печи располагается над металлом и не перемешивается с ним. Назначение шлака – защита металла от печных газов воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе кислые окислы (SiO2, Р2О5)я. И основным – если основные ( CaО, MgO, FeO).

При высоких температурах рабочего пространства печи шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи: основная футеровка с кислым шлаком и наоборот. В результате может произойти разрушение футеровки. Для предотвращения этого в печи вводят флюсы однотипные с футеровкой: для основной футеровки – основные, для кислой – кислые.

Изменяя состав шлака, можно менять соотношение примесей между металлом и шлаком, т.е. удалять нежелательные примеси (серу и фосфор) из этого шлак металла в шлак. Для убирают с поверхности металла и добавляют новый нужного состава. В соответствии с законом распределения, если вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то его распределение между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения, постоянного для данной температуры.

Огнеупорные материалы 

Применяют для внутренней облицовки (футеровки) печей и ковшей для разливки. Основное требование – выдерживать нагрузки при высоких температурах, а также резкие перепады температур, химическое воздействие шлаков и печных газов. Огнеупорность материала определяется в 0С.

Обычно это кирпичи, порошки или растворы, используемые для заполнения швов мажду кирпичами в кладке. По химическим свойствам огнеупочные материалы подразделяются на кислые, основные и нейтральные.

Кислые (динасовые, кварцеглинистые) – на основе кремнезема SiO2. Содержат не менее 90 % SiO2 и имеют огнеупорность до 1700 0С. Основные (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые) – на основе основных окислов CaO, MgO. Магнезитовый кирпич содержит до 95 % MgO и его огнеупорность достигает 2000 – 2400 0С. Доломитовый кирпич представляет собой горную породу, состоящую из MgCO3 и CaCO3, содержащий до 60 % CaCO3. Его огнеупорность достигает 1800 – 1850 0С. Нейтральные (хромомаагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные) – на основе окислов Al2O3 иCr2O3. Шамот представляет из себя наиболее широко применяемый в теплотехнике материал, который содержит SiO2 и Al2O. Теплостойкость его не высока, но он самый дешевый.

Все эти огнеупорные материалы используются для футеровки металлургических комбинатов в различных комбинациях, как правило, многослойных.

Вывод по вопросу № 2: изучили основные исходные материалы , используемые в металлургическом производстве.

Вопрос № 3. Двухступенчатая схема в металлургическом производстве

Основа современной металлургии – двухступенчатая схема, включающая доменную выплавку чугуна и передела его в сталь. При доменной плавке происходит избирательное восстановление железа из руды, а также восстановление фосфора, марганца и кремния, науглероживание железа и частичное насыщение его серой, т.е. образуется чугун – сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, происходит основной процесс – восстановление окислов железа, который осуществляется в несколько стадий – от высших окислов к низшим  и далее к чистому металлу: Fe2O3Fe3O4 FeО → Fe. Косвенное восстановление происходит в несколько стадий по реакциям:

1) Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 +  CO2+Q;

2) Fe3O4 + 4CO = 3FeО + CO2+Q;

3) FeO + CO = Fe + CO2+Q;

В процесс косвенного восстановления определенный вклад вносит водород (Н2) по аналогичным реакциям:

1) 3Fe2O3 + Н2 = 2Fe3O4 +  Н2O+Q;

2) Fe3O4 + Н2 = 3FeО + Н2O +Q;

3) FeO + Н2 = Fe + Н2O +Q;

Прямое восстановление происходит в зоне распара печи при температуре 950 – 10000С по реакции FeO + CO = Fe + CO2 - Q. В прямом восстановлении участвует только низший оксид FeО , который единственно присутствует в шихте при этих температурах.

Наряду с реакциями восстановлении происходит его науглероживание при температурах более 5000С за счет его взаимодействия с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом по реакции:

3Fe + 2CO = Fe3С + CO2+Q.

Передел чугуна в сталь производят в конверторах, мартеновских и электрических печах. При этом происходит избирательное окисление примесей чугуна, которые переходят в шлак и газы.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

Fe + 1/2O2 = FeO + 263,68 кДж.

Одновременно с железом окисляются Si, P, Mn, C и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + 330,5 кДж;

5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 225,94 кДж;

FeO + Mn = MnO + Fe + 122,59 кДж;

FeO + C = CO + Fe – 153,93 кДж.

Вывод по вопросу № 3: изучили основы металлургического производства, процессы производства металлических материалов, рассмотрели двухступенчатую схему и основные физико-химические процессы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных предприятий, базирующийся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических мощностях.

Основа современной металлургии – двухступенчатая схема, включающая доменную выплавку чугуна и передела его в сталь.

Черная и цветная металлургия является основной продукцией металлургического производства.

Производство металлических материалов в металлургическом производстве осуществляется несколькими процессами: пирометаллургическим, электрометаллургическим, электролизом, металлотермией и др.

Задание на самоподготовку:

Самостоятельно рассмотреть физико-химические основы пирометаллургического и электрометаллургического процессов получения металлов.

Лекция 2. Производство чугуна

Цели лекции:

1.Учебные:

- сформировать понятие о чугуне;

- сформировать знания о доменном процессе, о продуктах доменного производства;

- изучить физико-химические процессы, протекающие в доменной печи.

2. Воспитательные:

- воспитать аккуратность;

- воспитать сознательное отношение к учебным обязанностям;

- формировать интеллектуальные умения и способности.

3. Развивающие:

- развивать внимание;

- развивать память;

- развивать мышление.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

Плакат  “Физико-химические процессы в доменной печи”

Литература, использованная при подготовке к лекции:

1 Арзамасов Б.Н., Крашенинников А. И., Пастухова Ж.П. Научные основы материаловедения: Учеб. для вузов. – М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумна, 1994.  – 336 с.

2 Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1998. – 758 с.

3 Пейсахов А.М., Кугер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – СПб.: изд-во Михайлова, 2004. – 407 с.

4 Технология конструкционных материалов: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

5 Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справ. изд. / Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.А. Ашмарина; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (3 – 5 мин).

2. Вступление (5 мин).

3. Вопросы лекции:

  1. Исходные материалы для доменного производства (10 мин).

  2. Подготовка руд к плавке (10 мин).

  3. Устройство доменной печи и ее работа (15 мин).

  4. Доменный процесс (15 мин).

  5. Продукты доменной плавки и технико-экономические показатели производства чугуна (10 мин).

4. Заключение (3 – 5 мин).

5. Задание на самоподготовку (5 мин).

ВСТУПЛЕНИЕ

 Чугун – сплав железа с углеродом, при максимальной концентрации углерода свыше 2, 14 %.

Кроме углерода чугун всегда содержит кремний до 4%, марганец – до 2%, а также серу и фосфор (вредные примеси). В процессе получения чугуна от серы и фосфора стремятся избавиться с использованием различных приемов.

До 80% выплавляемого чугуна идет на переработку в сталь, и такой чугун называют передельным; 15 – 20% - литейный чугун, который идет для производства фасонных отливок.

При металлургии чугуна получают ферросплавы: ферромарганец (FeMn) и ферросилиций (FeSi) при различных концентрациях Mn и Si, которые идут для производства сталей и для раскисления сталей.

Вопрос № 1. Исходные материалы для доменного производства

При выплавке чугуна используют железные руды, топливо и флюсы.

 Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe3O4, Fe2O3; гидроксидов Fe2O3 · H2O, карбонатов FeCO3 и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe3O4 (55 – 60 % Fe), красный железняк Fe2O3 (55 – 60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe2O3 · 3H2O и Fe2O3 · H2O (37 – 55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO3 (30 – 40 % Fe).

Кроме железной руды используют марганцевые руды для выплавки ферромарганца (10 – 82 %), а также марганцевого передельных чугунов, содержащих до 1 % Mn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов.

Хромовые руды, которые используют для выплавки феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Комплексные руды, содержащие никель, ванадий, кобальт, которые используют для выплавки природно-легированного чугуна.

В качестве топлива в производстве чугуна, главным образом используют кокс, который при сгорании не только поддерживает температуру, но и создает условия для восстановления железа из руды. Также применяют природный газ, мазут, пылевидное топливо (угольная пыль).

В доменном производстве используют флюсы – материалы, которые загружают в плавильную печь для образования легкоплавких соединений с пустой породой, золой, концентратом. Выбор флюсов определяется составом пустой породой руды. Если пустая порода представляет из себя песчано-глинистую, то в качестве флюса используют CaCO3 или даломит. В случае известковой пустой породы в качестве флюса применяют кварцит и другие песчаные составы, главным образом, на основе SiO2. Флюсы применяют для наведения шлака на поверхности расплавленного металла и удаления серы.

Вывод по вопросу №1: получили представление о чугуне, изучили исходные материалы, применяемые в доменном производстве.

Вопрос № 2. 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.

Дробление и сортировка руд по крупности – для оптимизации плавки. Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах.

Обогащение – для повышения содержания железа. Основано на различных физических свойствах минералов (плотности, магнитной восприимчивости и т.д.). По методу все виды обогащения подразделяют на следующие:

- Промывка руды водой – для отделения плотных составляющих 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. Для обогащения руд.

Окускование производят для переработки концентратов, полученных  после обогащения, в куски необходимых размеров. Используют 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.

Вывод по вопросу № 2: изучили этапы подготовки руд к доменной плавке.

Вопрос № 3. Устройство доменной печи и ее работа

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, , оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи.

Доменная печь (рис. 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. 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, а 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.

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.

 

Рисунок 1 – Устройство доменной печи

Доменная печь является агрегатом непрерывного действия и поэтому все процессы в ней механизированы и автоматизированы.

Вывод по вопросу № 3: изучили устройство доменной печи, принцип ее действия.

Вопрос № 4. Доменный процесс

Все физико-химические процессы в доменной печи определяются существующими на разных уровнях температурными режимами. При загрузке через конус сырые материалы попадают в область низких температур 200-300 0С и по мере опускания температура шихты растет, достигая порядка 1900 2100 0С в нижней части распора, а потом постепенно снижается до температуры 1450 0С в горне.

Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом и сгорает: C + O2 = CO2 + 393,51 кДж.

При высоких температурах и в присутствии твердого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и частично переходит в окись углерода:

CO2 + C = 2CO – 171,88 кДж.

Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идет реакция неполного горения углерода кокса: C + 1/2O2 = CO2 + 110 кДж.

В результате горения кокса в доменной печи выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO и CO2, и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура становится более 20000С. Горячие газы поднимаются вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь при до 300 – 400 0С у колошника.

В зоне печи, где температура газов достигает 450 – 7000С, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах: 2СО = СО2 + С. Остальная часть газа (СО, СО2, N2, Н2, СН4-колошниковый газ) отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей.

Восстановление окислов железа и других металлов. Шихтовые материалы (агломерат, кокс) опускаются вниз навстречу потоку газов и нагреваются. В результате в них: удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, происходит основной процесс – восстановление окислов желез которых осуществляется в несколько стадий – от высших окислов к низшим  и далее к чистому металлу: Fe2O3Fe3O4 FeО → Fe.

В восстановлении железа участвуют газы (СО, Н2) и твердый углерод кокса. Восстановление газами называют косвенным , а твердым углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления экзотермические, т.е. сопровождаются выделением тепла и происходят, главным образом, в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления эндотермические, т.е. сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части печи.

Косвенное восстановление происходит в несколько стадий по реакциям:

1) Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 +  CO2+Q

2) Fe3O4 + 4CO = 3FeО + CO2+Q

3) FeO + CO = Fe + CO2+Q

В процесс косвенного восстановления определенный вклад вносит водород (Н2) по аналогичным реакциям:

1) 3Fe2O3 + Н2 = 2Fe3O4 +  Н2O+Q

2) Fe3O4 + Н2 = 3FeО + Н2O +Q

3) FeO + Н2 = Fe + Н2O +Q

Реакции косвенного восстановления начинаются при температурах 400 – 500 0С (первая реакция) и заканчиваются при 900 – 950 оС (третья реакция). Косвенное восстановление имеет большое значение, т.к. за счет него восстанавливается 60 – 80 % всего железа, и лишь остальная часть восстанавливается твердым углеродом кокса (прямое восстановление).

Прямое восстановление происходит в зоне распара печи при температуре 950 – 10000С по реакции FeO + CO = Fe + CO2 - Q.

В прямом восстановлении участвует только низший оксид FeО, который единственно присутствует в шихте при этих температурах.

Науглероживание железа. Восстановление железа заканчивается при 1300 – 1400 оС в распаре печи. При этих температурах восстановленное железо (Тпл.=15390С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы (кричное железо). Наряду с реакциями восстановлении происходит его науглероживание при температурах более 5000С за счет его взаимодействия с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом по реакции 3Fe + 2CO = Fe3С + CO2+Q

Продуктом науглероживания является карбид железа Fe3С, который хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образует сплав железа с углеродом. При концентрации углерода в сплаве ~ 4,3 мас. % температура плавления уменьшается до 11470С. В результате в нижней части печи на уровне распара и заплечиков начинается плавление. Жидкий расплав – чугун – стекает вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленные марганец, кремний, фосфор (из руды), а также сера (из кокса). Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают Mn, Si, S, P, As  и др. элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Эти примеси считают постоянными и подразделяют их на вредные (S, P, Pb, As) и полезные (Mn, Si). Mn и Si частично восстанавливаются и переходит в состав чугуна. Другая часть в виде MnO  и SiO2 входит в состав шлака. P полностью восстанавливается и входит в состав чугуна. S образует летучие соединения (SO2 и H2S) и в значительной части удаляется с газом при нагреве шихты. Определенная ее часть взаимодействует с известью CaO  и переходит в шлак. Большая часть (до 50 %) серы взаимодействует с железом и входит в состав чугуна. Сера – наиболее вредная примесь в чугуне и стали, поэтому разрабатывают различные способы ее удаления из металла как доменные, так и внедоменные. В состав чугуна могут попасть и другие примеси, если они содержатся в руде (никель, хром, ванадий).

Вывод по вопросу № 4: изучили сущность доменного процесса, физико-химические реакции, протекающие при этом.

Вопрос № 5. Продукты доменной плавки и технико-экономические

показатели производства чугуна

 

Чугун – основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельные чугуны (ГОСТ 805-69) М1, М2, М3; Б1, Б2; фосфористые чугуны МФ1, МФ2, ЬФ3; высококачественные ПВК1,ПВК2, ПВК3. Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах.

Литейные чугуны (ГОСТ 4832-58) ЛК0, ЛК1, …ЛК5. Литейный чугун используют на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок.

Доменные ферросплавы: зеркальный чугун ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 (5 0 5,5 С, 2 Si, 10 – 25 Mn, 0,1 – 1,2 Р, 0,03 S) и ферросилиций Си10 и Си 15 (2 С, 9 - 13 Si, 3 Mn) и ферромарганец Мн6, Мн6 (7 С, 2 Si, 70 – 75 Mn).

Технико-экономические показатели производства чугуна.

Коэффициент использования полезного объема доменной печи (К.И.П.О.) в м3/т – определяется как соотношение полезного объема печи V и м3 к ее среднесуточной производительности Р в тоннах. В нашей стране К.И.П.О. = 0,5-0,7.

Удельный расход кокса К – отношение расхода А кокса за сутки к количеству Р в тоннах передельного чугуна, выплавленного за то же время: К=А/Р. В нашей стране К=0,5-0,7. Стоимость кокса составляет более половины стоимости чугуна.

Мероприятия по оценке и увеличению производительности доменных печей. Совершенствование конструкций печей, в частности, увеличение полезного объема доменных печей. При V полезном 5000 м3 в сутки выплавляют более 10000 т чугуна.

Совершенствование способов подготовки шихты – обогащение руд, применение офлюсованного агломерата и окатышей.

Иинтенсификация доменного процесса – за счет повышения давления газа в колошнике, в результате снижается скорость движения газов в доменной печи, улучшаются условия восстановления, уменьшается расход кокса и вынос колошниковой пыли. Кроме того, за счет обогащения дутья кислородом, повышается интенсивность горения кокса, повышается температура в горне доменной печи, ускоряются процессы восстановления кремния и марганца. За счет вдувания в горн природного газа и угольной пыли, что позволяет снизить расход кокса на 10-15 % и увеличить производительность печей на 2-3 % за счет повышения восстановительной способности газов.

Вывод по вопросу № 5: получили представление о продуктах доменной плавки, изучили важнейшие технико-экономические показатели работы доменной печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Производство чугуна – один из основных процессов металлургического производства.

Исходными материалами при доменном производстве являются в основном, железные руды, а также марганцевые, хромовые и комплексные руды, топливо, флюсы и огнеупорные материалы.

Перед доменной плавкой осуществляется подготовка руд по нескольким этапам: дробление и сортировка руд, обогащение, окускование, что увеличивает содержание железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей.

Чугун выплавляется в доменных печах.  Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, , оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи.  Все физико-химические процессы в доменной печи определяются существующими на разных уровнях температурными режимами.

Чугун – основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Задание на самоподготовку:

Самостоятельно составить схему протекания физико-химических процессов по высоте доменной печи.

Лекция 3. Производство стали

Цели лекции:

1.Учебные:

- сформировать понятие о стали;

- изучить способы производства стали;

- изучить способы разливки стали.

2. Воспитательные:

- воспитать аккуратность;

- воспитать сознательное отношение к учебным обязанностям;

- формировать интеллектуальные умения и способности.

3. Развивающие:

- развить внимание;

- развить память;

- развить мышление.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакат  “Этапы процесса выплавки стали ”

Литература, использованная при подготовке к лекции:

1 Арзамасов Б.Н., Крашенинников А. И., Пастухова Ж.П. Научные основы материаловедения: Учеб. для вузов. – М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумна, 1994.  – 336 с.

2 Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1998. – 758 с.

3 Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.

4 Технология конструкционных материалов: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

5 Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справ. изд. / Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.А. Ашмарина; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна. – М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)

2. Вступление (5 мин)

3. Вопросы лекции:

  1.Сущность процесса и исходные материалы для производства стали (15 мин).

  2. Кислородно-конверторный процесс (10 мин).

  3. Производство стали в мартеновских печах (10 мин).

  4. Производство стали в электропечах (10 мин).

  5. Способы разливки стали (15 мин).

4. Заключение (3 – 5 мин).

5. Задание на самоподготовку (5 мин).

ВСТУПЛЕНИЕ

 Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Кроме углерода сталь содержит примеси, как постоянные, так и случайные. Постоянные примеси присутствуют за счет технологии выплавки (Si до 0,4 %, Mn до 0,8 %, S до 0,06 % и P до 0,07 %). Случайные примеси обуславливаются либо видом сырья, либо технологией, либо какими-то другими случайными эффектами, они в стали либо могут быть, либо нет.

Вопрос №1. Сущность процесса и исходные материалы для                       производства стали

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 1). Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Таблица 1 – Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

Материал

C

Si

Mn

P

S

Передельный чугун

4 – 4,4

0,76 – 1,26

До 1,75

0,15 – 0,3

0,03 – 0,07

Сталь низкоуг-леродистая

0,14 – 0,22

0,12 – 0,3

0,4 – 0,65

0,05

0,055

 

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

Fe + 1/2O2 = FeO + 263,68 кДж.

Одновременно с железом окисляются Si, P, Mn, C и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + 330,5 кДж;

5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 225,94 кДж;

FeO + Mn = MnO + Fe + 122,59 кДж;

FeO + C = CO + Fe – 153,93 кДж.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит CaO. Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 · P2O5. . Оксид кальция – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P2O5 и переводит его в шлак:

2[P] + 5(Fe O) + (CaO) = (4CaO · P2O5) + 5[Fe].

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышения содержания  FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

FeO + C = CO + Fe – 153,93 кДж.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькамCO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа (FeS) растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO:

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO).

Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным:

1) осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: MnO, SiO2, Al2O3 и др., которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак;

2) диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество. В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: FeO + C = Fe + CO. Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Вывод по вопросу № 1: изучили сущность процесса производства стали, рассмотрели физико-химические процессы, протекающие при производстве стали.

Вопрос №2. Кислородно-конверторный процесс

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах 

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют. Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (1.а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0C (рис. 1.б).После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 1.в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через не¨ подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера. Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 1.г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 1.д).

Реакции:

2[P] + 5(Fe O) + (CaO) = (4CaO · P2O5) + 5[Fe] – удаление фосфора из металла;

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO) – удаление серы из металла.

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут.

Вывод по вопросу №2: изучили производство стали в кислородных конвертерах и протекающие при этом реакции.

Вопрос № 3. Производство стали  в мартеновских печах

Мартеновский способ. Мартеновская печь – это пламенная отражательная регенеративная печь (рис. 2). 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. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1. Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 0C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Размеры плавильного пространства зависят от емкости печи. В нашей стране работают печи емкостью 20-900 т жидкой стали. Важной характеристикой печи является площадь пода, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Для подогрева воздуха в печи при работе на газообразном топливе печь имеет два регенератора – это камера с выложенным в клетку кирпичом.

Отходящий из печи воздух с температурой 1000-1500 0С нагревает кипричи до 1250-12800С, а попадающий атмосферный воздух, соответственно, нагревается до температур 100-12000С, а потом только попалает в рабочее пространство печи, где смешивается с топливом.

Рисунок 2 – Схема мартеновской печи

Шихта – стальной скрап, жидкий и твердый чугун. В зависимости от состава шихты различают:

1) скрап-процесс, шихта – скрап и чушковый передельный чугун, применяют на заводах, далеко расположенных от доменного производства, и в крупных промышленных центрах, где много металлолома;

2) скрап-рудный процесс, основная часть шихты состоит их жидкого чугуна; наиболее экономичен.

В зависимости от футеровки печи – кислый и основной процесс. Наибольшее количество сталей получают в печах с основной футеровкой, т.к. можно использовать различные шихтовые материалы (скрап-рудный). Качественные стали, содержащие меньшее количество растворенных газов, выплавляют кислым мартеновским процессом.

Технология плавки основным скрап-рудным процессом: 1) осмотр и ремонт пода печи; 2) загружают железную руду и известняк, прогрев; 3) подача скрапа, прогрев; 4) подают жидкий чугун и продувка кислородом для ускорения процесса; 5) окисление примесей чугуна: кремний, фосфор по реакции 2[P] + 5(Fe O) + (CaO) = (4CaO · P2O5) + 5[Fe], марганец и частично углерод; 6) кипение ванны – главный процесс в мартеновской печи, окисление углерода, отключение подачи топлива и воздуха в печь, 7) вспенивание шлака окисью углерода, выпуск шлака в чаши – скачивание шлака, удаление фосфора и серы; 8) процесс оканчивается при получении заданного содержания углерода и минимального ссодержания серы и фосфора., что определяют по пробам металла, которые берут постоянно в процессе плавки; 9) раскисление металла в два этапа: 1 – в период кипения путем пректащения подачи руды в печь и одновременно подачей только раскислителей, 2 – подача алюминия и ферросилиция в ковш перед разливкой стали; 10) выпуск плакви через сталевыпускное отверстие в задней стенке в ковш.

Вывод по вопросу №3: изучили производство стали в мартеновских печах, виды плавки стали, рассмотрели устройство и работу мартеновской печи.

Вопрос № 4. Производство стали в электропечах

 

 Преимущества – быстрый нагрев; точная регулировка температуры; создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферы или вакуум; выплавлять стали и сплавы любого состава; более полно раскислять сталь; получать высококачественные стали и сплавы.

Дуговые электроплавильные печи – в качестве источника тепла используется электрическая дуга, возникающая между электродами и металлической шихтой. Печь питается трехфазным электрическим током и имеет три графитовых электрода. Емкость дуговых электропечей 0,5-400 т. В металлургических цехах обычно используют дуговые электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема дуговой плавильной электропечи

Например, технология плавки в основных дуговых печах. Два вида - на шихте из легированных отходов с низким содержанием фосфора метод переплава (выплавляют легированные стали); на углеродистой шихте – метод окисления примесей (конструкционные углеродистые стали).

Два периода плавки:

1) окислительный начинается сразу после завалки шихты и пропускания тока через электроды. За счет кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляются кремний, марганец, углерод, железо. После нагрева металла и шлака до 1500-15400С в печь загружают руду и известь. Происходит интенсивное окисление углерода, начинается кипение ванны жидкого металла. Печь наклоняют и выпускают вспенившийся шлак в чашу. Руду и известь добавляют 2-3 раза. Содержание фосфора в стали снижается до 0,01 %. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1 %, кипение прекращают и полностью уда лают из печи шлак.

2) восстановительный – это раскисление стали, удаление серы и доведения стали до заданного хим. состава. В печь подают ферромарганец, в требуемом по хим. составу количестве, производят при необходимости науглероживание. Затем нагружают флюс: известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После его расплавления вводят раскислительную смесь: известь, плавиковый шпат, молотый кокс, ферросилиций. При этом в шлаке происходят реакции: FeO + C = Fe + CO, 2FeO + Si = Fe + SiO2. Количество закиси железа в шлаке снижается и она из металла переходит в шлак по закону распределения (диффузионное раскисление). Из металла удаляется сера : FeS + CaO = CaS + FeO. По ходу восстановительного периода, берут пробы для определения химического состава стали. Когда достигнут заданный состав, проводят конечное раскисление стали и выпускают металл в ковш.

При выплавке легированных сталей легирующие элементы вводят в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующего элемента к кислороду: никель и молибден вводят в период плавления или в окислительный период (обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо), хром легко окисляется, поэтому его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий и титан – перед выпуском металла в ковш, т.к. они легко окисляются.

Технико-экономические показатели – емкость печи, расход электроэнергии (чем больше емкость, тем расход электроэнергии на 1 т выплавляемого металла меньше). Для интенсификации выплавки используют: электромагнитное перемешивание металла, кислород для продувки ванны стали в окислительный период. Для выплавки легированных марок сталей применяют дуплекс-процесс: выплавка стали в основном кислородном конвертере с последующим рафинированием и доводкой по химическому составу в электропечи.

Индукционные печи – состоят из водоохлажлаемого индуктора (3), внутри него тигель (4) с металлической шихтой. Тигель из огнеупорных материалов: кислый – кварцит или основной – магнезит. Через индуктор проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-100 кГц), который создает переменный магнитный поток, пронизывающий куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи Фуко, металл (1) нагревается до расплавления (рис.4).

 

 

Рисунок 4 – Схема индукционной тигельной плавильной печи

Вывод по вопросу № 4: изучили процесс производства стали в электропечах, рассмотрели принцип действия и устройство электропечей.

Вопрос № 5. Способы разливки стали

Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5…7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов. Сталь разливают в изложницы сверху (рис.5.а), снизу (сифоном) (рис.5.б) и на машинах непрерывного литья.

Рисунок 5 – Разливка стали в изложницы: а – сверху; б – снизу (сифоном)

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы. Применяется для разливки углеродистых сталей.

При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (4…60). Изложницы устанавливаются на поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединённый каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу 5. Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц. Используют для легированных и высококачественных сталей.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша  через промежуточное разливочное устройство  непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток.

Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку – стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тяговых роликов , постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов , затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал . Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком , на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, отсутствуют усадочные раковины.

Вывод по вопросу № 5: изучили способы разливки стали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Исходными материалами для производства стали служат передельный чугун и скрап.

Процесс производства стали осуществляется в три этапа. В зависимости от степени раскисления получают: спокойную, полуспокойную или кипящую сталь.

Основными способами производства стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и выплавка стали в электропечах. выделяют два вида разливки стали: разливка стали в изложницы (сверху и сифоном) и на машинах непрерывного литья.

Задание на самоподготовку:

1.Оценить технико-экономические показатели и качество получаемой стали при различных методах производства.

2. Рассмотреть последовательность ввода легирующих элементов по степени сродства к кислороду в процессе выплавки стали.

 

Лекция 4. Производство цветных металлов

Цели лекции:

1.Учебные:

- сформировать понятие о цветных металлах;

- изучить особенности производства цветных металлов;

- изучить последовательность производства меди, титана.

2. Воспитательные:

- воспитать аккуратность;

- воспитать сознательное отношение к учебным обязанностям;

- формировать интеллектуальные умения и способности.

3. Развивающие:

- развить внимание;

- развить память;

- развить мышление.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакат  “Схема получения цветных металлов”

Литература, использованная при подготовке к лекции:

1 Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1998. – 758 с.

2 Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.

3 Технология конструкционных материалов: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

4 Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справ. изд. / Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.А. Ашмарина; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна.  – М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)

2. Вступление (5 мин)

3. Вопросы лекции:

  1. Особенности производства цветных металлов (10 мин).

  2. Последовательность получения меди (20 мин).

  3. Последовательность получения титана (25 мин).

  4. Последовательность получения алюминия и магния (15 мин).

4. Заключение (3 – 5 мин).

5. Задание на самоподготовку (5 мин).

ВСТУПЛЕНИЕ

Разделение металлов на черные и цветные весьма условным. И если под черными понимают материалы, в основном, на железной основе, то цветные разделяют на четыре группы:

1) тяжелые металлы (Cu, Ni, Zn, Pb, Sn);

2) легкие металлы (Al, Mg, Be, Li);

3) благородные металлы (Au, Ag, Pt и ее природные спутники Ro, Ir, Os);

4) редкий металлы:

            - тугоплавкие (Mo, W, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr);

           - легкие (Sc, St, Ru);

           - радиоактивные (U, Th, Ra);

           - редкоземельные

Наиболее широко в машиностроении применяют Cu, Al, Mg, Ti, Zn, Ni, Pb и Sn, которые используют в чистом виде и в составе многих сплавов.

Цветные металлы имеют решающее значение для развития современного машиностроения и обеспечивают прогресс в развитии новой техники. Однако они весьма дороги, и когда это возможно, их заменяют на черные или неметаллические материалы.

 Из всех рассмотренных цветных металлов по объемам производства в металлургии важнейшими считаются Cu, Al, Mg и Ti.

    Вопрос № 1. Особенности производства цветных металлов

    

Методы производства цветных металлов очень разнообразны. Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах.

Пирометаллургический процесс основан на том, что энергия или тепло, необходимое для выплавки, получают за счет сжигания жидкого, твердого или газообразного топлива.

Ряд металлов с успехом получают так называемым гидрометаллургическим способом с переводом их в растворимые соединения и последующим выщелачиванием.

Гидрометаллургический процесс основан на получении металлов из руд путем выщелачивания и последующего выделения металлов из раствора без нагревания до высоких температур.

Часто оказывается наиболее приемлемым электрический процесс водных растворов или расплавленных сред.

Металлы получают электролизом. Этот способ основан на диссоциации содержащего металл сырья в электролите и последующем осаждении металла на катоде. Электролиз ведут не из водного раствора, а из расплава. Это обусловлено тем, что в растворе на катоде осаждается водород, как более положительный ион, а чистый металл выделить невозможно, образуются лишь его соединения (гидраты окислов). Оборудование – электролизер, имеющий катодное и анодное устройство. Катодное устройство – ванна из огнеупорного материала, в которой находится расплавленный металл и электролит (криолит Na3AlF6 для производства алюминия, хлористый магний MgCl для производства магния и т.п.). Катодом служит либо расплавленный металл, как в случае получения алюминия, либо стальные пластины, как при получении магния. Анод – как правило угольные стержни или пластины. В процессе электролиза происходит разряжение ионов металла на катоде и осаждение металла.

Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду.

Металлотермия – восстановление соединений металла (хлоридов или окислов) другими металлами. Например производство титана. Титановый шлак (продукт доменного производства) хлорируют:

TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO.

TiCl4 очищается от остальных побочных продуктов за счет различной температуры кипения в конденсационных и фильтрационных установках, затем восстанавливается в реакторах: 2Mg + TiCl4= Ti = 2MgCl2.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, т.к. MgCl2 – побочный продукт при получении титана служит сырьем для получения магния, а магний и хлор используют при производстве титана. Также используются такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.

Вывод по вопросу №1: были рассмотрены и изучены способы производства цветных металлов.

Вопрос № 2. Последовательность получения меди

Для производства меди используют пирометаллургический способ, так как он позволяет извлекать из руд попутно с медью другие металлы, в том числе и драгоценные. Производство меди осуществляется в следующей последовательности (рис. 1):

1. Для плавки применяют медные руды, содержащие 1 – 6 % Cu, в виде, главным образом, сернистых соединений (CuFeS2, Cu2S, CuS), а также отходы меди.

2. Для обогащения применяют метод флотации, позволяющий получить концентрат с содержанием Cu ~ 10 – 35 %.

Флотация – процесс обогащения, основанный на избирательном прилипании частиц минералов, дисперсированных в жидкой среде, к поверхности раздела двух фаз (жидкость – газ, жидкость – жидкость и др.).

3. Для уменьшения содержания серы в руде (концентрате) проводят окислительный обжиг при Т = 750 – 8000 С. В присутствии кислорода сульфиды окисляются и содержание серы уменьшается почти в 2 раза. Отходящие газы в виде SO2 (сернистый газ) идут на производство H2SO4.

Для бедных руд, с содержанием Cu 8 – 25 %, обжиг проводят.

Богатые руды, с содержанием Cu 25 – 35 %, плавят без обжига.

4. В специальных печах при Т = 1250 – 13000 С происходит плавка концентрата, при которой расплавленная масса за счет соответствующих химических реакций разделяется на две части: штейн, состоящий из сульфидов Cu2S и FeS, и шлак, состоящий из окислов и силикатов.

 Штейн – промежуточный продукт производства цветных металлов (Cu, Ni, Pb и др.), представляет сплав сульфидов этих элементов с FeS.

5. Продукт плавки выпускают из печи в виде сплава – штейна, который содержит 20 – 60 % Fe и 20 – 25 % S. В расплавленном состоянии (Тпл = 950 – 10500С) штейн поступает в конвертеры.

6. В конвертерах расплавленный медный штейн продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов Cu и Fe с образованием оксидов Cu и Fe. Оксиды железа выводятся в шлак и на первом этапе продувки образуется штейн, содержащий в основном, только сульфиды меди (белый штейн).

7. На втором этапе продувки в конвертере образуется черновая медь за счет окисления сульфида меди и перевода серы в SO2. Черновая медь содержит 98,4 – 99,4% Cu (МК1), 0,01 – 0,04% Fe и 0,02 – 0,1% S и др. примеси (Ni, Sn, Sb, Au, Ag). Эту медь через ковш разливают в изложницы на чушки или плиты. Для удаления вредных примесей черновую медь рафинируют.

8. Для очистки черновой меди от примесей применяют двойное рафинирование огневым и электролитическим способом.

9. Огневое рафинирование применяют для удаления примесей с большим сродством к кислороду за счет продувки воздухом расплавленной черновой меди. Окисляют S, Fe, Ni, As, Sb, Zn и переводят их в шлак. Затем с использованием технологии сухой перегонки древесины, погруженной в расплав меди, удаляют газы и восстанавливают остатки Cu2O. В результате получают медь чистотой 99,0 – 99,5%. Эта медь в виде чушек идет на производство сплавов меди (латуней, бронз), а в виде плит на электролитическое рафинирование.

10. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (не менее 99,95% Cu). Электролиз ведут в ваннах, где электролитом служит водный раствор CuSO4 (10 – 16%) и H2SO4 (10 – 16%). Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды – из листов чистой (электролитической) меди. Анод при постоянном токе растворяется и ионы меди через раствор переходят и осаждаются на катоде. Примеси (Sb, As, Bi, Au, Ag) осаждаются на дно ванны и после выгрузки перерабатываются для извлечения этих металлов. Катоды переплавляют в электропечах.

Рисунок 1 – Последовательность получения меди

Вывод по вопросу № 2: изучили производство меди, рассмотрели поэтапное, последовательное ее получение.

Вопрос № 3. Последовательность получения титана

Наиболее распространенным сырьем для получения титана являются следующие руды:

- ильменит FeO · TiO2;

- рутил TiO2;

- титаномагнетит FeTiO3 · Fe3O4.

Наибольшее количество титана получают из минерала ильменит (FeO · TiO2), содержащего до 60 % TiO2.

Сущность процесса получения металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана (TiCl4) магниетермическим способом. Титан и магний обычно производят на одном заводе, так как хлористый магний (MgCl2) – побочный продукт при получении титана, служит сырьем для получения магния.

Производство титана осуществляется в следующей последовательности (рис. 2):

1. Руда титана содержит от 10% TiO2 (титаномагнетит) до 90 – 100% TiO2 (рутил). Поэтому бедные руды обогащают магнитной сепарацией или флотацией. Получают ильменитовый концентрат, содержащий: 40 – 45% TiO2, около 30% FeO, около 20% Fe2O3, остальное примеси. Рутил используют без обогащения.

2. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом (восстановителем) в специальных руднотермических печах (электродуговых). При Т = 1600 – 18000С оксиды Fe восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Основной продукт – титановый шлак содержит до 80 – 90% TiO2, 2 – 5 % FeO и примеси – SiO2, Al2O3, CaO и др. Шлак совместно с древесным углем брикетируют, спекают и отправляют на хлорирование. Побочный продукт – чугун используют в металлургическом производстве.

3. Хлорирование титанового шлака проводят в специальных печах с электронагревом и герметизацией рабочего пространства. Брикеты титанового шлака через специальные фурмы продуваются газообразным хлором. При Т = 800 – 12500С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, также другие хлориды: CaCl2, MgCl2 и др. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от других хлоридов благодаря различию температур кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют. Жидкий тетрахлорид титана направляют на восстановление.

4. Титан восстанавливают в реакторах при Т = 950 – 10000С. В реактор загружают чушковый магний, откачивают воздух и заполняют реактор аргоном. Затем внутрь подают парообразный TiCl4. Жидкий Mg и TiCl4 взаимодействуют по реакции:

2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2 

с образованием чистого титана в виде спеченной массы – губки с очень высокой пористостью. Губка титана пропитана Mg и MgCl2 в количестве до 35 – 40 %, поэтому ее подвергают последующему вакуумированию. Жидкий MgCl2 через летку удаляют из реактора.

5. Для удаления из губки MgCl2 и других примесей ее нагревают до Т = 900 – 9500С в вакууме. Все примеси возгоняются и в виде паров конденсируются в специальных конденсаторах реактора.

6. Титановую губку на слитки плавят в вакуумно-дуговых печах. Вакуум в печах предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки из-за высокой пористости губки имеют большое количество дефектов – раковин, пор. Для получения плотного металла их подвергают второму вакуумно-дуговому переплаву, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. Слитки после второго переплава используют для прокатки на лист, профиль, ковки, штамповки заготовок и т. д.

Рисунок 2 – Последовательность получения титана

Для получения сплавов титана с другими металлами (Al, Mg, V и др.) эти металлы примешивают к губке перед первым переплавом. После второго переплава получают плотные с равномерным составом сплавы.

Вывод по вопросу № 3: изучили производство титана, его последовательное получение.

 Вопрос № 4. Последовательность получения алюминия и магния

Производство алюминия.

Основной способ изготовления алюминия – электролиз из расплава криолита (Na3AlF6) с добавлением AlF3 и Na. Перед электролизом проводят подготовку расплава и подготовку алюминиевых руд, а затем путем электролиза и рафинирования получают чушковый алюминий. Последовательность получения алюминия (рис. 3).

Рисунок 3 – Последовательность производства алюминия

     2 Производство магния.

Также, как и алюминий, магний получают электролизом из его расплавленных солей. Основным сырьем для производства магния являются: карналлит, магнезит, доломит. Последовательность получения магния (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Последовательность получения магния

Вывод по вопросу № 4: изучили последовательность производства магния и алюминия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цветные металлы подразделяют на тяжелые, легкие, благородные и редкие.

Методы производства цветных металлов очень разнообразны: пирометаллургический, гидрометаллургический, электролиз, металлотермия и др.

Для производства меди используют пирометаллургический способ, так как он позволяет извлекать из руд попутно с медью другие металлы, в том числе и драгоценные.

Сущность процесса получения металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана (TiCl4) магниетермическим способом.

Получение всех цветных металлов осуществляется поэтапно, в определенной последовательности.

Задание на самоподготовку:

Самостоятельно рассмотреть схемы технологии процесса производства магния и алюминия.

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ

ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ

И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

                                                                              Кафедра общетехнических дисциплин

Курс лекций по дисциплине

“Материаловедение и технология материалов”

Часть 1 Технология материалов

Тема 3 Основы технологии производства заготовок и деталей машин из

неметаллических и композиционных материалов

                                                            Авторы:

                                                         проф., д-р тех. наук                     Гузанов Б.Н.

                                                            доц., канд. тех. наук                    Пугачева Н. Б.

                                                         студ. гр. КМ – 507                       Бурова М.В.

Екатеринбург 2006

Лекция 10. Основы технологии производства заготовок и деталей                      машин из неметаллических материалов

Цели лекции:

1.Учебные:

- сформировать понятие о неметаллических материалах;

- изучить способы получения неметаллических материалов;

- изучить методы производства изделий из неметаллических материалов.

2. Воспитательные:

- воспитать аккуратность;

- воспитать сознательное отношение к учебным обязанностям;

- формировать интеллектуальные умения и способности.

3. Развивающие:

- развить внимание;

- развить память;

- развить мышление.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакат  “Строение полимеров” (классификация)

                      “Способы получения изделий из пластмасс”

Литература, использованная при подготовке к лекции:

1 Губарева Э.М.  Полимерные материалы: Учеб. пособие/ Перм. гос. техн.

ун-т. – Пермь, 2002. – 80 с.

2 Композиционные материалы: Справочник/ В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

3 Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Т. 5. Неметаллические материалы. Колл./ авт. под ред. Попова В.А., Сильвестровича С.И., Шейдемана И.Ю. – М.: Машиностроение, 1969. – 543 с.

4 Технология конструкционных материалов: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

5 Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справ. изд. / Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.А. Ашмарина; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна. – М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности слушателей к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие (время 3-5-мин.)

2. Вступление (5 мин)

3. Вопросы лекции:

  1. Особенности строения и классификация неметаллических материалов (10 мин).

  2. Полимеры и их классификация (10 мин).

  3. Технология производства изделий из пластмасс (15 мин).

  4. Резина (10 мин).

  5. Композиционные материалы (15 мин).

4. Заключение (3 – 5 мин).

5. Задание на самоподготовку (5 мин).

ВСТУПЛЕНИЕ

 Неметаллическими называют материалы, состоящие из конденсированных веществ с неметаллической  химической связью (ковалентной (направленной), ионной или молекулярной).

Не только неорганические, но и органические неметаллические материалы имеют полимерное строение.

Поэтому одним из основных отличий неметаллических материалов от металлов, сплавов и графита, имеющего также металлическую связь между плоскостями металлической решетки, являются их тепло- и электроизоляционные свойства.

Другим важнейшим отличием основной массы неметаллических материалов от металлов и сплавов являются существенно меньшие значения их плотности.

Получение деталей из неметаллических материалов в большинстве случаев сводится к пластической деформации исходной сырой композиции или расплава и закрепления полученной формы последующей термообработкой или охлаждением. Такая, практически лишенная отходов, технология выгодно отличается от получения металлических деталей путем механической обработки заготовок.

Вопрос № 1 Особенности строения и классификация неметаллических материалов

Все неметаллические материалы подразделяются на два больших класса:

1) органические, т. е. на основе химических соединений (синтез) атомов углерода с H2; O2; N2 и другими элементами; а также атомов кремния и углерода с другими элементами (кремний органические):

              – С – С – С – С – С –                                              – CSiCSiCSiC –   

             органические                                                  кремний органические

Эти материалы применяют в качестве конструкционных материалов при изготовлении корпусов микросхем, футляров, ручек управления, декоративных деталей, каркасов, подложек, колодок, стоек и т. д.

Существуют следующие материалы органического происхождения:

- полимеры;

- пластмассы;

- каучуки и резины;

- лаки и эмали;

- клеи и герметики.

2) материалы неорганического происхождения – оксиды металлов и соединения различных оксидов, т. е. материалы на основе минеральных веществ. Эти материалы не взаимодействуют с O2, негорючи, обладают высокой механической прочностью (гораздо больше, чем органические).

Их применяют для изготовления деталей электротехники с высокими диэлектрическим свойствами и высокой механической прочностью при высоких температурах: основания микромодулей, высокотемпературные резисторы, подложки микросхем и т. д.

К материалам неорганического происхождения относятся:

1. Графит – одна из полимерных модификаций углерода (гальванические элементы, электроды, предохранители, осветительные угли, электрощетки).

2. Стекла – аморфные вещества, получаемые переохлаждением жидких расплавов высокой вязкости кислых и основных окислов.                                                      

Стекла обрабатывают:

- полировкой;

- стравливанием поверхности.

Внутреннюю структуру улучшают за счет создания стеклокристаллических материалов – ситаллов. Их получают путем полной или частичной кристаллизации. Это промежуточные материалы между стеклом и керамикой.

3. Керамика – неорганические кристаллические материалы, получаемые специальной обработкой минеральных композиций с последующим спеканием отформованного изделия (температура спекания 1500 – 25000С).

Вывод по вопросу №1: рассмотрели строение неметаллических материалов, изучили их классификацию и отличия друг от друга.

Вопрос № 2 Полимеры и их классификация

 Полимеры (высокомолекулярные соединения) – это вещества, молекулы которых состоят из очень большого количества повторяющихся одинаковых элементарных звеньев, соединенных между собой химическими связями.

Полимеры получают из мономеров – исходных веществ.

Соединение мономеров в полимер происходит при определенных давлении, температуре и в присутствии катализатора (т. е. вещества, способствующего протеканию реакции полимеризации).   

                                                     H   H           неполярный

                                                      |     |                гомоцепный

                  этилен                  [ – С – С – ]n  

  поли        пропилен                   |       |                             

                  бутадиен                   H    H

                  стирол

               

    О                            полиамид (капрон, нейлон)

     |                                   гетероцепный,

[– С – N – ]n               полярный

            |         

           Н

     Н    H                      поливинилхлорид

      |      |                             гомоцепный

[ –  С – С – ]n                  полярный

      |       |         

     Н    Cl

     F    F                    фторопласт

      |     |                           гомоцепный

 [– CC – ]n              неполярный

      |      |                  

     F     F

     H                              гетероцепный

      |                           неполярный

 [– CO –]n           полиформальдегид

      |         

     H                                                 

 По методам получения полимеры подразделяют на:

1) полимеризационные, т. е. получаемые без выделения побочных продуктов                       n · A → [ - A - ]n

 Полимеризация – это процесс соединения мономерных молекул в макромолекулы за счет перераспределения связей в молекуле мономера.

Например: этилен, мономолекула (CH2 = CH2)

n(CH2 = CH2) → CH2 – CH2 – CH2 – CH2 → ( – CH2 – CH2 – )n

             H    H              H    H

              |      |                     |        |         

        n ( C = C ) → ( – CC – )n                           n – степень полимеризации

           |      |                     |       |         

           H   H              H    H

2) поликонденсационные, т. е. получаемые с выделением побочных продуктов              n · A → [– B ]n + n · C

 Конденсация – образование высокомолярных соединений из низкомолярных с выделением побочных веществ (воды, хлора, аммиака и др.). В название добавляется слово “смола”, например, фенол + формальдегид = фенолформальдегидная смола.

Полимеры классифицируют по форме макромолекулы (рис. 1):

а) линейные;

б) разветвленные (полиизобутилен);

в) лестничные (кремний органические полимеры);

г) сетчатые (высокая хрупкость);

д) пространственные (не способны размягчаться).

                        

Рисунок 1 – Макромолекулы полимера

(а) и (б) – термопластичны, т. е. обратимо изменяют свойства при изменении температуры, т. е. их можно многократно переводить из жидкого (мягкого) состояния в твердое при сохранении исходных свойств. Хорошо растворяются в растворителях.

(в), (г) и (д) – термореактивные, т. е. необратимо меняют свойства при изменении температуры. Нерастворимы в растворителях.

Основной недостаток полимеров – разрушение основной цепи макромолекулы (деструкция) под действием внешних факторов (тепла, света, кислорода, радиации, механического воздействия).

Вывод по вопросу № 2: изучили полимеры, их строение, а также методы получения полимеров.

Вопрос № 3. Технология производства изделий из пластмасс

 Пластмассы – это органические материалы на основе органических и синтетических полимеров и целевых добавок (наполнителей, стабилизаторов, красителей и т. д.), способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную форму.

Виды пластмасс:

1. Простые (ненаполненные).

2. Сложные (композиционные).

 Простые – это термопластичные (полиэтилен, полистирол).

 Сложные состоят из полимера и ряда специальных добавок, обеспечивающих необходимый комплекс свойств.

Полимеры в композиционных пластмассах выполняют роль связующего.

Наполнители, как правило, твердые (в виде порошка, волокон или листов).

- оксиды Ti, Zr, Si, и др.

- слюда, тальк, стекло

- древесина, лен, хлопок, целлюлоза.

Отличия от производства изделий из сталей и сплавов

Стали, сплавы

Пластмассы

1. Многостадийность технологии

выплавка → литье → ОМД → ТО → сварка

1. Одно- или двухстадийность технологии

плата электротехническая за один прием

2. Значительные потери металла (отходы)

2. Высокий коэффициент использования материала (0,85 – 0,95 %)

3. Высокая трудоемкость

3. Низкая трудоемкость (в 5 - 6 раз меньше, чем у металлов)

4. Высокая стоимость технологии изготовления

4. Относительно малая стоимость технологии изготовления (в 2 – 9 раз меньше, чем металлов)

5. Зависимость метода преработки от химического состава и требуемых свойств.

5. Зависимость метода переработки от физического состояния при нагреве.

Три физических состояния аморфного полимера в зависимости от температуры (рис.2).

1. Стеклообразное (хрупкое) состояние от комнатной температуры до температуры ТС (стеклования).

2. Высокопластичное (от ТС до ТТ (текучести)).

3. Вязкотекучее состояние.

                          

Рисунок 2 – Термомеханическая кривая аморфного полимера

Подготовительные операции проводят перед переработкой для улучшения технологических свойств. Это:

1) смешение – получение однородной массы полимерных композиций из различных ингредиентов в измельченном виде. Как в жидкой, так и в твердой фазе; смесители;

2) вальцевание – на валковых машинах многократное пропускание массы через зазор между валками для придания пластичности и однородности;

3) таблетирование – для получения из пресс-порошков или пресс-волокнитов прочных таблеток, что увеличивает точность дозировки и уменьшает потери сырья;

4) сушка и предварительный подогрев для повышения сыпучести и удаления излишней влаги и летучих веществ;

5) гранулирование (та же цель, что и у таблетирования).

Методы переработки пластмасс в вязкотекучем состоянии

Сущность переработки – нагрев до температуры больше ТТ, формообразование при этой температуре за счет приложения давления и фиксации полученной формы.

1. Экструзия – получение сырья в виде гранул, порошка или расплава изделий бесконечного типа заданного профильного сечения (труб, листов, лент, пленок, оболочек для кабелей и т. д.) путем непрерывного  продавливания через формующий инструмент. Перерабатывают все полимеры.

2. Литье под давлением.

3. Центробежное литье.

4. Каландирование (то же, что и вальцевание) получают листовые и пленочные изделия, а также наносят полимерные покрытия на ткани, нанесение тиснений и рельефного рисунка на пленки и слоистые материалы.

5. Прессование – самый распространенный способ реактопластов; в горячей пресс-форме.

6. Метод формования – из жидкой фазы с помощью отверждающихся смол.

7. Метод полива (кино- и фотопленки, целлофан) – непрерывно льют на движущуюся транспортную ленту, проходящую через специальную тепловую камеру. При этом удаляется растворитель и формируется пленка, которая затем сматывается в рулоны.

Формование крупногабаритных изделий из стеклопластиков и армированных различными волокнами пластмасс

1) традиционные методы, основанные на совместном движении связующего и коротковолокнистого связующего в каналах и полостях формующего инструмента, т. е. это прессование, литье под давлением, экструзия;

2) специфические методы формования крупногабаритных изделий (оболочек, труб, цистерн, кровли, строительных панелей, кузовов автомобилей, корпусов лодок и судов, самолетов, ракет и др.)

- контактное формование (пропитка связующим волокнистого наполнителя, который неподвижен);

- формование с помощью эластичной диафрагмы;

- напыление;

- пропитка под давлением в замкнутой форме;

- намотка;

- центробежное формование;

- протяжка.

Методы получения деталей из пластмасс в твердом состоянии

1. Холодное формование листовых заготовок.

2. Объемная штамповка листовых термопластов.

3. Разделительная штамповка (вырубка, пробивка, зачистка).

4. Обработка пластмасс резанием (сверление, шлифование, полирование).

5. Сварка (нагретым газом, нагретым инструментом, ультразвуком, инфракрасным излучением).

6. Склеивание с помощью клея или растворителя.

Вывод по вопросу № 3: изучили органические материалы – пластмассы, рассмотрели отличия их производства от сталей и сплавов, изучили методы переработки пластмасс и способы получения деталей из пластмасс.

Вопрос № 4. Резина

 Резина – это продукт химической переработки каучуков.

 Каучуки – это высокомолекулярные соединения, линейные полимеры с очень большой молекулярной массой. Отличаются способностью к большим обратимым деформациям при обычных и пониженных температурах. Бывают:

натуральные – сок (латекс) каучуковых растений – гевея;

искусственные, синтетические.

 Резина – это пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим является высокопластичный полимер – каучук.

            CH3                                            CH3  S

               |                                                                  |        |         

– CH2 – C = CH – CH2 + S → – CH2 – C – CH – CH2

                                                                 |         

                                                                S

Сущность вулканизации – химическое взаимодействие каучука с серой (вулканизирующим веществом) по месту двойной связи.

Резины способны выдерживать большие пластические деформации (до 1000%) – эластичность.

 Пластическая деформация – это изменение размеров изделия под действием нагрузки без разрушения, которая сохраняется после снятия нагрузки.

В процессе эксплуатации на резину могут воздействовать внешние факторы (свет, тепло, холод, озон, вакуум и т. д.), что может привести к необратимым изменениям ее свойств. Для повышения стойкости к воздействию внешних факторов в резины добавляют различные вещества:

1) поверхностно-активные вещества;

2) наполнители (сажа, оксиды, мел, тальк, ткани, проволоку и т. д.);

3) пластификаторы (мягчители) – для улучшения формования;

4) красящие вещества.

Технологический процесс изготовления резиновых изделий

1. Изготовление резиновых смесей:

    а) каучук нарезают на куски и пропускают через нагретые до 40 – 500С валки (вальцевание);

    б) смешивают в определенных пропорциях и последовательности с другими ингредиентами

          1 – противостарители

          2 – вулканизаторы (S, Ce, Na (металлический) и перекиси)

          3 – ускорители процесса вулканизации (ZnO, PbO, MgO, полисульфиды и др.);

   в) каландрирование полученной массы => получают сырую (не вулканизированную) резину.

2. Изготовление изделий из резины:

1) прорезинивание ткани в каландрах;

2) выдавливание (трубки, шнуры, полосы);

3) прессование (на гидравлических прессах Р = 5 -10 МПа);

 4) литье под давлением: форма заполняется предварительно разагретой смесью под давлением Р = 30 – 150 МПа – самый прогрессивный метод.

3. Армирование стальной проволокой, сеткой, капроновой или стеклянной нитью для прочности и долговечности.

4. Вулканизация – это всегда завершающая стадия технологического процесса. Проводят в котлах или прессах под давлением 130 – 1500С. Среда – горячий воздух, водяной пар, горячая вода, расплав соли.

При вулканизации линейная структура каучука преобразуется в пространственную.

Можно проводить вулканизацию при tкомн. В этом случае в составе сырой резины не должно быть серы, а изделие обрабатывают в растворе или парах дихлорида серы SCl2 или в атмосфере сернистого газа SO. Можно использовать сверхвысокочастотный или γ – излучатели.

В результате вулканизации повышаются прочность и упругость резины, сопротивление старению, действию органических растворителей, изменяются электроизоляционные свойства.

Вывод по вопросу № 4: изучили структуру и свойства резины, изучили технологию изготовления резины, процесс вулканизации.

Вопрос № 5. Композиционные материалы

 Композиционными называют материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолиты и сохраняющих при этом индивидуальные особенности.

Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:

  •  состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;
  •  материалы состоят из двух и более компонентов различного химического состава, разделенных в материале границей;
  •  свойства материалов определяются каждым из его компонентов;
  •  материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;
  •  материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
  •  материал не встречается в природе, а является созданием человека.

Существующие композиционные материалы можно разделить на три основных класса, отличающиеся микроструктурой: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокном.

Все эти материалы представляют собой матрицу из какого-либо вещества или сплава, в которой распределена вторая фаза – обычно более жесткая, чем матрица, которая служит для улучшения того или иного свойства. В основе разделения трех упомянутых классов композиционных материалов лежат особенности их структуры.

Для дисперсно-упрочненных композиций характерной является микроструктура, когда в матрице равномерно распределены мельчайшие частицы размером от 0,01 до 0,1 мкм в количестве от 1 до 15 об.%.

В композициях, упрочненных частицами, размер последних превышает 1 мкм, а содержание – 20–25 об.%. Для структуры армировано-упрочненных композитов характерны значительная анизодиаметричность армирующих волокон – их диаметр колеблется от долей микрона до десятков микрон, а длина – от микрон до непрерывных волокон практически неограниченной длины при содержании от нескольких процентов до 70–80 об.%.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Прерывный компонент, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим (упрочняющим).

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и другие смолы. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими видами волокон.

Композиционные материалы с полимерной матрицей обладают целым рядом достоинств: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами. Недостатки: низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100...2000С, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.

Технология изготовления изделий из материалов с полимерной матрицей

Технология производства изделий с полимерной матрицей, армированной волокнами, включает следующие основные операции:

1) подготовка упрочняющих волокон:

          - удаление замасливателя;

          - нанесение на поверхность водоотталкивающих покрытий;

          - основание, т. е. перемотка и укладывание волокон (лент) в однонаправленную полосу – ровнину;

2) приготовление связующего:

          - проверка компонентов связующего;

          - приготовление смеси компонентов (компаунда);

3) пропитка:

          - пропитка волокон связующим;

          - подсушивание и частичное отверждение;

4) формование;

5) отверждение;

6) удаление оправки;

7) контроль качества изделий;

8) механическая доработка и соединение с другими деталями.

Применение композиционных материалов.

 Стеклопластики (стекловолокниты, стеклотекстолиты) содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна. По применению делят на конструкционные, электротехнические и радиотехнические. Однонаправленные стеклопластики применяют для изготовления труб и различных профилей, неориентированные – в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, силовых деталей электрооборудования, с перекрестным армированием – в конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения фюзеляжа самолетов, плиты, трубы, корпуса ракет и др.

 Углепластики (карбоволокниты) получили широкое распространение как конструкционный материал в авиации, космонавтике, ядерной технике: лопасти несущего винта вертолетов, корпуса компрессора и вентилятора, панели солнечных батарей баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия.

 Бороволокниты используют в конструкциях деталей летательных аппаратов: балок, стрингеров, стоек шасси; широко используют в качестве подкрепляющих усиливающих элементов металлических силовых конструкций, банадажных дисков и роторов компрессоров газотурбинных двигателей.

 Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов, применяют для обшивки самолетов и вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, подкрепляющих элементов балок, в панелях пола, в сотовых конструкциях.

Вывод по вопросу № 5: изучили композиционные материалы, их структуру и применение, а также технологию производства изделий из композиционных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Композиционными называют материалы, сочетающие в себе свойства, присущие порознь нескольким материалам.

Все композиционные материалы независимо от их происхождения являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (связующее, матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель, арматура), и при этом композиции имеют свойства, которых не имеют отдельные составляющие.

Существует три основных класса композиционных материалов, отличающихся микроструктурой: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокном.

Существуют следующие виды полимерных композиционных материалов: стеклопластики, углепластики, бороволокниты, органоволокниты.

Задание на самоподготовку:

Дать сравнительную оценку свойств различных неметаллических материалов (твердость, прочность, пластичность, теплостойкость, стойкость к агрессивным средам).

4 ДИДАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО

           ТЕМАМ “ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА”

           И ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ МАШИН

           ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для разработки тестовых заданий были выбраны наиболее значимые вопросы темы.

ИНСТРУКЦИЯ

к выполнению дидактического теста для проведения контрольного опроса по дисциплине “Материаловедение и технология материалов”.

Уважаемый испытуемый!

Вашему вниманию предоставляется дидактический тест для контроля знаний по дисциплине “Материаловедение и технология материалов”.

Внимательно читайте указания к каждому разделу теста. Выполняя задания, вносите ответы в бланки ответов, соблюдая следующие рекомендации:

При выполнении заданий с указанием «Выберите номер правильного ответа», Вы должны выбрать правильные ответы из предложенных и проставить их номера в соответствующую позицию в бланке ответов.

При выполнении заданий с указанием «Дополните утверждения» Вы должны определить пропущенную информацию и внести  ее в соответствующую позицию бланка ответа.

При выполнении заданий с указанием «Установите соответствие» Вы должны найти однозначные связи между позициями левого и правого столбиков и заполнить бланк ответов по предлагаемой форме.

Желаем успеха!

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ТЕСТ

Для проведения промежуточного контроля по теме “Основы металлургического производства” дисциплины “Материаловедение и технология материалов”

УКАЗАНИЕ

В заданиях с 1 по 12 выберите номера правильных ответов и проставьте их в бланке ответов, в задании 13 дополните утверждение, в заданиях 14, 15 установите соответствие.

1. Основной продукцией производства черной металлургии является:

а) стальные слитки;                       б) лигатуры;

в) слитки цветных металлов;        г) передельный чугун.

2. Какой процесс основан на получении тепла для выплавки в дуговых, индукционных и других электропечах?

а) пирометаллургический;            б) гидрометаллургический;   

в) электрометаллургический;        г) химикометаллургический.

3. Двухступенчатая схема включает:

а) доменную выплавку чугуна и его передел в сталь;

б) выплавку стали и процесс ее разливки;

в) производство цветных металлов и процесс их рафинирования.

4. Какая концентрация углерода в чугуне?

а) более 2,14 %;          б) менее 2, 14%;      в) 2,14%;        г) 1,5 %.

5. Основным процессом при доменном производстве является:

а) восстановление окислов железа;                  

б) частичное восстановление марганца;            

в) образование шлака.

6. Для передела в сталь в конвертерах или мартеновских печах используют:

а) передельный чугун;                             б) литейный чугун.

7. При каком способе производства стали источником тепла является электрическая дуга:

а) кислородно-конвертерный;

б) мартеновский;

в) в электропечах.

8. Назовите вид разливки стали, при котором одновременно заполняется несколько изложниц:

а) разливка в изложницы сверху;

б) сифонная разливка;

в) непрерывная разливка.

9. Изложницы – это:

а) сталеразливочные ковши:

б) чугунные формы для получения стальных слитков;

в) рычажный механизм.

10. Процесс восстановления металлов из соединений другими металлами это:

а) электролиз;

б) металлотермия;

в) пирометаллургический процесс;

г) гидрометаллургический процесс.

11. При окусковании используют:

а) агломерацию;              б) гравитацию;   в) дробление руд;            г) окатывание;

д) сортировку руд.

12. Производство алюминия включает следующие процессы:

а) получение глинозема из бокситов;

б) плавка на штейн;

в) огневое рафинирование;

г) электролиз расплавленного глинозема.

13. Флюсы –  это _________, которые загружают в плавильную печь для образования ______________ с пустой породой, золой, концентратом.

14. Соотнесите этапы процесса выплавки стали с их содержанием:

1) первый этап;          а) раскисление стали;

2) второй этап;          б) расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла;

3) третий этап;           в) кипение металлической ванны.

15. Соотнесите вид выплавляемой стали со степенью ее раскисления:

1) кипящая;                                а) частично раскисляется в печи, имеет            

2) полуспокойная;                         промежуточную раскисленность;

3) спокойная.                              б) полностью раскисляется в печи;

                                                     в) раскисляется в печи не полностью.

Бланк ответов

на дидактический тест

Для проведения промежуточного контроля по теме “Основы металлургического производства” дисциплины “Материаловедение и технология материалов”

Ответы:

1. _________

7.  _________

2. _________

8. _________

3. _________

9.  _________

4. _________

10. _________

5. _________

11. _________

6. _________

12. _________

13. ________________________________________________________________

14. 1 _______;  2 _______;  3 _______.

15. 1 _______;  2 _______;  3 _______.

Выполнил________________________

                             (ФИО учащегося)

Оценка__________________________

Проверил_________________________________________________________

                       (должность)                       (подпись)                           (ФИО)

ДИДАКТИЧЕСКИЙ ТЕСТ

Для проведения промежуточного контроля по теме “Основы технологии производства заготовок и деталей машин из неметаллических материалов” дисциплины “Материаловедение и технология материалов”

УКАЗАНИЕ

В заданиях с 1 по 10 выберите номера правильных ответов и проставьте их в бланке ответов, в задании с 11 по 14 дополните утверждение, в задании 15 установите соответствие.

1. Назовите неметаллические материалы, образованные на основе химических соединений атомов углерода с H2, O2, N2 и другими элементами:

а) органические;                                  б) неорганические.

2. Какие из перечисленных материалов относятся к материалам неорганического происхождения:

а) пластмассы;                                 б) стекла;                          в) графит;

г) каучуки;                                       д) лаки;                             е) керамика.

3. Какой процесс основан на соединении мономерных молекул в макромолекулы за счет перераспределения связей в молекуле мономера:

а) конденсация;                              б) полимеризация.

4. Назовите материалы на основе органических и синтетических полимеров и целевых добавок, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную форму:

а) стекла;                       б) пластмассы;                      в) резина.

5. Процесс получения сырья в виде гранул, порошка или расплава изделий бесконечного типа заданного профильного сечения путем непрерывного продавливания через формующий инструмент:

а) центробежное литье;                       б) экструзия;

в) каландирование;                               г) прессование.

6. Назовите линейные полимеры, отличающиеся способностью к большим обратимым деформациям при обычных и пониженных температурах:

а) капрон;                           б) каучуки;                       в) фторопласт.

7. Назовите материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолиты и сохраняющих при этом индивидуальные особенности:

а) композиционные;           б) полимерные;      в) металлические.

8. Какая из стадий технологического процесса изготовления резиновых изделий является завершающей:

а) армирование стальной проволокой;      

б) прорезинивание ткани в каландрах;

в) вулканизация;

г) изготовление резиновых смесей.

9. Какие неорганические материалы получают специальной обработкой минеральных композиций с последующим спеканием отформованного изделия:

а) стекла;                      б) керамика;                   в) графит.

10. Какие композиционные материалы в качестве наполнителя содержат стеклянные волокна:

а) углепластики;                               б) бороволокниты;

в) стеклопластики;                            г) органоволокниты.

11. Полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из очень большого количества _____________ одинаковых элементарных звеньев, соединенных между собой ______________ связями.

12. Пластическая деформация – это ________________________ изделия под действием нагрузки без разрушения, которое ______________ после снятия нагрузки.

13. Резина – это ___________ с редкосетчатой структурой, в которых связующим является __________.

14. Конденсация – это образование ____________ соединений из ___________ с выделением побочных веществ.

15. Соотнесите схему макромолекул с названием:

1) разветвленные;           2) сетчатые;          3) линейные;

4) лестничные;                5) пространственные.

Бланк ответов

на дидактический тест

Для проведения промежуточного контроля по теме “Основы технологии производства заготовок и деталей машин из неметаллических материалов” дисциплины “Материаловедение и технология материалов”

Ответы:

1. _________

6.  _________

2. _________

7. _________

3. _________

8.  _________

4. _________

9. _________

5. _________

10. _________

11. _______________________________________________________________

12. _______________________________________________________________

13. _______________________________________________________________

14. _______________________________________________________________

15. 1 _______;  2 _______;  3 _______; 4 _______; 5 ______.

Выполнил________________________

                             (ФИО учащегося)

Оценка__________________________

Проверил_________________________________________________________

                       (должность)                       (подпись)                           (ФИО)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью разработанного курса лекций и дидактического материла по дисциплине “Материаловедение и технология материалов” является облегчение изучения данной дисциплины и возможность организации  самостоятельной работы обучающихся. Курс лекций предназначен для использования преподавателями данной дисциплины, а также для курсантов Уральского института государственной противопожарной службы.

Данная часть разработки включает два раздела: “Основы металлургического производства”, “ Основы технологии производства заготовок и деталей машин из неметаллических и композиционных материалов”. Каждая лекция раздела построена в соответствии с требованиями нормативно-методического обеспечения учебного процесса в вузе и содержит задание для самоподготовки курсантов по изученной теме. Также к каждому разделу разработаны тесты промежуточного контроля, позволяющие оценить уровень усвоения учащимися  учебного материала. К содержанию каждой лекции разработаны плакаты, позволяющие сделать изложение учебного материала более наглядным и понятным.

Курс лекций используется в Уральском институте государственной противопожарной службы в течение двух лет. Данная работа позволит издать курс лекций по дисциплине “Материаловедение и технология материалов” в печатном виде для инженеров по специальности “Пожарная безопасность”, что позволит облегчить работу преподавателей и изучение учебного материала курсантами, ориентирует их на познавательную и самостоятельную деятельность.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Арзамасов Б.Н., Крашенинников А. И., Пастухова Ж.П. Научные основы материаловедения: Учеб. для вузов. – М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумна, 1994. – 336 с.

2 Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: Учеб. для вузов. – М.: Металлургия, 1998. – 758 с.

3 Гендина Н.И., Колкова Н.И. Нормативно-методическое обеспечение учебного процесса в вузе. Стандарты высшего учебного заведения: В 3 ч. – Кемерово, 1998. – 170 с.

 4 Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Квалификация – инженер. Направление подготовки дипломированного специалиста – «Безопасность жизнедеятельности». Специальность 330400 «Пожарная безопасность». – М., 2000.

5 Губарева Э.М.  Полимерные материалы: Учеб. пособие/ Перм. гос. техн.

ун-т. – Пермь, 2002. – 80 с.

6 Клюева Г.А. Разработка тестов достижений в учебных заведениях профессионального образования: Метод. рекомендации. – Пермь: Изд-во ПОИПКРО, 2001. – 40 с.

7 Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высш. шк., 2004. – 519 с.

8 Композиционные материалы: Справ./ В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

9 Мамай С.П. Методика составления тестовых заданий: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 2001. – 58 с.

10 Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Т. 5. Неметаллические материалы/ Колл. авт. под ред. Попова В.А., Сильвестровича С.И., Шейдемана И.Ю. – М.: Машиностроение, 1969. – 543 с.

 

11 Материаловедение и технология материалов. Рабочяя программа цикла ОПД ГОС ВПО по специальности 330400 – Пожарная безопасность для слушателей очной и заочной форм обучения. – Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, 2005. – 20 с.

12 Материаловедение и технология металлов: Учеб./ Под ред. Г.П. Фетисова.– М.: Высш. шк., 1999. – 640 с.

13 Никитина Н.Н., Железнякова О.М., Петухов М.А. Основы профессионально-педагогической деятельности: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования. – М.: Мастерство, 2002. – 288 с.

14 Педагогика: педагогические теории, системы, технологии: Учеб. для студ. высш. и сред. пед. учеб. заведений/ С.А. Смирнов, И.Б. Котова, Е.Н. Шлянов и др.; Под ред. С.А. Смирнова. – 4-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2001. – 512 с.

15 Пейсахов А.М., Кугер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – СПб.: изд-во Михайлова, 2004. – 407 с.

16 Профессиональная педагогика: Учеб. для студентов, обучающихся по пед. специальностям и направлениям. – М.: Ассоциация «Профессиональное образование», 1997. – 512 с.

17 Профессионально-педагогические понятия: Слов./ Сост. Г.М. Романцев, В.А. Федоров, И.В. Осипова, О.В. Тарасюк; Под ред. Г.М. Романцева. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2005. – 456 с.

18 Сертификация, метрология и управление качеством: Крат. энцикл. слов. педагога проф. обучения/ Авт.-сост. Л.И. Анисимова, Б.Н. Гузанов, И.В. Осипова, Ю.В. Осколкова, Т.Б. Соколова, О.В. Тарасюк, М.А. Черепанов; Под общ. ред. Б.Н. Гузанова. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2005. – 176 с.

19 Технология конструкционных материалов: учебник для машиностроительных специальностей вузов/ А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

20 Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справ. изд. / Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.А. Ашмарина; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна. – М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

21 Чернилевский Д.В. Дидактические технологии в высшей школе: Учеб. пособие для вузов. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2002. – 437 с.

22 Шалунова М.Г., Эрганова Н.Е. Практикум по методике профессионального обучения: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2005. – 67 с.

23 Эрганова Н.Е. Основы методики профессионального обучения: Учеб. пособие. – 2-е изд., испр. и доп. – Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 1999. – 138 с.

  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48271. Банковское дело 797.5 KB
  Организационноправовые основы создания банка и его структурных подразделений 1. Понятие банка и его организационноправовая форма Банк – кредитная организация которая имеет исключительное право осуществлять в совокупности следующие банковские операции: привлечение во вклады денежных средств физических и юридических лиц размещение указанных средств от своего имени и за свой счет на условиях возвратности платности срочности открытие и ведение банковских счетов физических и юридических лиц. БР устанавливает определенные требования к...
48272. Беларусь у перыяд спаборніцтва і канкурэнцыі двух сацыяльна-палітычных сістэм (2-я палова 40-х – 80-я гг.) 97 KB
  Грамадскапалітычнае жыццё БССР ва ўмовах 2хрушчоўскай адлігіâ€. Сацыяльнаэканамічнае развіццё БССР у 7080я гг. Пад час ваенных дзеянняў і акупацыі было разбурана і спалелна 209 гарадоў і раёцных цэнтраў рэспублікі нашчэнту была разбурана сталіца БССР – Мінск: Пасля вайны нават ставіліся пытанні аб пёраносе сталіцы рэспублікі ў г. у БССР было адноўлена 196 машынабудаўнічых прадпрыемства дзе быў арганізаваны рамонт і выпуск вайсковай тэхнікі і прадукцыі.
48273. Международные экономические отношения 83 KB
  1999 год Тема: Международные товарные биржи. Международные товарные биржи: понятие виды функции. – Россия времена Петра I – наибольшее развитие биржи получили в СанктПетербурге – торговали в основном государственной мануфактурной продукцией. Биржи просуществовали вплоть до 19281929 г.
48274. Виды изделий при конструировании 29 KB
  При разработке конструкции изделия его как правило разделяют на отдельные составные части с целью: 1 более правильного понимания структуры изделия; 2 более правильной обработки изделия на технологичность – его изготовления и сборки по принципу агрегатирования; 3 с целью наиболее оптимального выполнения конструкторских документов на изделие в целом и его составных частей. В рамках курсового проекта рациональной разбивки изделия на составные части является получение наиболее короткой спецификации на изделие в которой будет как можно...
48275. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛЕКСИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ СЛОВА 243.5 KB
  Виноградов ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛЕКСИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ СЛОВА Виноградов В. 162189 I Проблема значения слова проблема смысловой стороны слов и выражений существенна для марксистского языкознания. Изучение закономерностей развития словарного состава языка также невозможно без глубокого проникновения в существо исторических изменений значений слов. Следовательно выяснение сущности значения слова анализ качественных изменений в структуре слов в их историческом движении является одной из основных задач лексикологии.
48277. Возведение железо-бетонных конструкций с предварительным напряжением 30 KB
  Предварительное напряжение арматуры при возведении зданий и сооружений в монолитном исполнении применяют для большепролетных ферм балок плит перекрытий контурных элементов оболочек и др. Предварительное напряжение в конструкциях создается по методу натяжения арматуры на затвердевший бетон с линейным ее расположением. Работы с линейной напрягаемой арматурой включают: заготовку напрягаемых арматурных элементов и образование каналов для них; установку арматурных напрягаемых элементов с анкерными устройствами; напряжение арматуры с...