Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы icon

Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы




НазваТехнология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы
Сторінка1/4
Дата конвертації04.05.2013
Розмір0.68 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4
1. /Технология_приборостроения/Введение.doc
2. /Технология_приборостроения/Глава 1-Основные понятия/Основ понятия.doc
3. /Технология_приборостроения/Глава 10-Полупровод приборы/Глава 10 Полупроводниковые приборы.doc
4. /Технология_приборостроения/Глава 11-Оптич изделия/Оптич. изделия.doc
5. /Технология_приборостроения/Глава 12-Шкалы измерит приборов/Шкала измерительного прибора.doc
6. /Технология_приборостроения/Глава 13-Основн виды испытаний/испытания.doc
7. /Технология_приборостроения/Глава 2-Технология металлов/ГЛАВА 2.doc
8. /Технология_приборостроения/Глава 2-Технология металлов/ГЛАВА 2сокращенная.doc
9. /Технология_приборостроения/Глава 3-Механ обраб металлов/ГЛАВА 3.doc
10. /Технология_приборостроения/Глава 4-Разъемные и неразъемные соед/ГЛАВА 4.doc
11. /Технология_приборостроения/Глава 5-Технология покрытий/ГЛАВА 5.doc
12. /Технология_приборостроения/Глава 6-Технология пластмасс/Глава 6.doc
13. /Технология_приборостроения/Глава 7-Электромонтаж/Электромонтаж.doc
14. /Технология_приборостроения/Глава 8-Технология обработки полупроводн мат/ГЛАВА 8.doc
15. /Технология_приборостроения/Глава 9-Мех обработка полупров/ГЛАВА 9.doc
Введение Прибор – общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений, производственного контроля, защиты оборудования, управления машинами и установками, регулирования технологических процессов, вычислений, учета, счета и др.
Основные понятия об изделии, производственном и технологическом процессах
Технология полупроводниковых приборов 10 Основные свойства полупроводников к полупроводниковым
Технология изготовления оптических изделий Стекловидные вещества
Технология изготовления шкал измерительных приборов 12 Введение. Терминология. Классификация шкал
Основные виды испытаний электромеханических и электронных приборов
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы
Технология производства металлов Технология производства черных металлов 1 Устройство доменной печи
Механическая обработка металлов Сверление. Расточные работы 1 Обработка отверстий
Разъемные и неразъемные соединения
Технология покрытий Общие сведения
Технология изготовления деталей из пластмасс Общие сведения
Электрический монтаж
Технология производства полупроводниковых материалов Полупроводниковые материалы Элементарные или простые полупроводники
Механическая обработка полупроводниковых материалов Кристаллографическая ориентация полупроводниковых слитков

ГЛАВА 2


Технология производства металлов


2.1.Общие сведения о металлах


Металлы - наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и быту человека.

Производство и обработка металлов возникли очень давно и достигли современного технического уровня развития в результате использования практического опыта и достижений науки многих поколений.

Сначала человек использовал для различных целей самородные материалы - золото, серебро, медь. Затем он научился получать металлы и сплавлять их друг с другом.

Основоположником отечественной науки о металлах является великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765). Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799-1851) и Д.К. Черновым (1839-1921), впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов [1].


Атомное строение металлов и сплавов


Из 106 элементов периодической системы Д. И. Менделеева, известных в настоящее время, 80 составляют металлы.

В твердом состоянии все металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от аморфного, в котором атомы расположены беспорядочно.

Пространственная кристаллическая решетка любого металла слагается из множества сопряженных друг с другом элементарных ячеек, внутри которых в известном порядке размещаются отдельные атомы. Существует несколько основных типов кристаллических решеток [1].

Элементарная ячейка простой кубической решетки (рис. 2.1,б) состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1А=10-8 см) или килоиксах (1кх=1,00202 10-8 см).

Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т. е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом К 6.



Рис. 2.1 Пространственные кристаллические решетки и элементарная ячейка простой кубической решетки:

а) кристаллическая решетка - объемно-центрированный куб;

б) ячейка кристаллической решетки - объемно-центрированный куб;

в) кристаллическая решетка - гранецентрированный куб;

г) ячейка кристаллической решетки - гранецентрированный куб


На рис. 2.1 представлены кубические решетки металлов.

В кубической объемно-центрированной решетке (рис. 2.1, б и 2.1, а) кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба, имеется один атом внутри решетки, принадлежащий только одной элементарной ячейке. Таким образом, на каждую элементарную ячейку в этом случае приходится два атома. Эта решетка обозначается индексом К 8.

Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Базис характеризует плотность решетки, ибо в каждой решетке кроме объема, занимаемого атомами, остается еще свободное пространство.





Рис. 2.2 Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов:

а - объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая;

в - гексагональная (координационные числа для них соответственно равны 2, 4 и 12)



Коэффициентом компактности называется отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки. Чем больше коэффициент компактности, тем больше плотность элементарной ячейки. Решетку К 8 имеют Feα, Cr, Tiβ, W, Mo и другие металлы.

В кубической гранецентрированной решетке К 12 (рис. 2.1, в и 2.1, б) число атомов равно четырем: 1/8·8=1 атом от числа атомов, расположенных в вершинах куба и плюс 1/2·6=3 атома от числа атомов, расположенных в центре граней куба. Кубическую гранецентрированную решетку имеют Feγ, Ni, Al, Coβ и другие металлы.

Взаимную связь атомов друг с другом характеризует координационное число. Под координационным числом понимают число атомов-соседей, находящихся на равном и наиболее близком расстоянии от избранного атома. Так, в простой кубической решетке от атома А (рис. 2.1, д) на таких расстояниях находятся атомы 1,2 и 3 данной ячейки, а также симметрично расположенные 4, 5 и 6 соседних элементарных ячеек.

Наименьшее расстояние d между атомами в кубической объемно-центрированной решетке определяется формулой d=. В такой решетке коэффициент компактности равен 0,68, или 68%. Коэффициент компактности для кубической гранецентрированной решетки 0,74, или 74%, т. е. здесь атомы более плотно упакованы (см. рис. 2.2, б). Таким образом, чем больше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток показаны на рис. 2.2.

Число атомов в различных сечениях пространственной кристаллической решетки неодинаково. Вследствие этого механические, электрические и другие свойства кристаллических тел в разных направлениях будут различными. Это явление называют анизотропией. Так, например, предел прочности монокристалла чистой меди в различных кристаллографических направлениях изменяется от 140 до 360 МН/м2 (14-36 кгс/мм2), а относительное удлинение от 10 до 50%.

Многие физические свойства металлов и сплавов, например, высокая электропроводность и теплопроводность, определяются особенностью их внутриатомного строения.

Известно, что атом любого элемента имеет положительно заряженное ядро и движущиеся вокруг него отрицательно заряженные электроны. Число электронов в нормальном атоме равно положительному заряду ядра и атом сам по себе электрически нейтрален.

Порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева равен числу положительных зарядов ядра (и числу электронов). Так, например, у алюминия (порядковый номер 13) число положительных зарядов ядра и число электронов также равно 13.

Принадлежащие атому электроны разделяются на валентные, движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, находящиеся на более близких к ядру орбитах движения. Валентные электроны в атоме металлов слабо связаны с ядром и могут подвергаться воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов, поэтому их можно назвать свободными электронами.


Аллотропические превращения в металлах


Некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, кобальт и др.) способны испытывать превращения в твердом состоянии при изменении температуры, т. е. подвергаться так называемой вторичной кристаллизации. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в элементарной ячейке решетки называется аллотропией, а процесс изменения кристаллической решетки - аллотропическим, или полиморфным превращением [1].

Аллотропические формы металла называют модификациями и обозначают начальными буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т. д.). Модификацию, устойчивую при низких температурах, обозначают буквой α, при более высоких - β следующие (по температурной шкале) модификации - γ, δ и т. д. При вторичной кристаллизации происходит перестройка кристаллической решетки из кристаллов прежней формации и образование новых кристаллов.



Железо может существовать в различных модификациях. Аллотропические превращения железа можно проследить по кривым охлаждения и нагревания (рис. 2.3). На кривой охлаждения при температуре 1539°С появляется первая горизонтальная площадка (остановка), отмечающая переход железа из жидкого состояния (ж) в твердое Fee с выделением значительного количества тепла. Образующиеся кристаллы Fee имеют кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку со стороной а=2,93 А.

Рис. 2.3 Кривые охлаждения и нагревания железа

Вторая остановка наблюдается при 1401°С (точка Ar4). При этом Fee переходит в Feγ с более плотной кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Третья остановка происходит при 898°С (точка Ar3, на рис. 2.3 Ar1, во время которой Feγ переходит в Feβ и имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку.

Последняя остановка наблюдается при 768°С (точка Ar2), что соответствует переходу из состояния Feβ в Feα без изменения кристаллической решетки.

Выделение тепла при переходе Feβ в Feα связано с внутриатомными изменениями, в результате которых у Feα появляются резко выраженные магнитные свойства. Таким образом, фактически имеются две модификации железа с разными кристаллическими решетками.

Превращения, происходящие при нагревании железа, сопровождаются поглощением тепла. Остановки чаще всего происходят при тех же или несколько более высоких температурах, чем при охлаждении. Критические температуры, при которых происходят аллотропические превращения железа, обозначаются А с соответствующими индексами (при нагревании применяют индекс «с» с цифрой, при охлаждении – « с цифрой).


Дислокации в металлах


Все реальные кристаллические твердые тела (в частности, металлы) имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической структуры, оказывающих влияние, нередко решающее, на макроскопические свойства твердых тел.

Такими дефектами являются:

  • точечные дефекты - вакансии (узлы кристаллических решеток, незаполненные атомами), межузельные атомы и др.;

  • одномерные (линейные) дефекты - дислокации;

  • двумерные (поверхностные) дефекты - границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.

Дислокациями называют линейные несовершенства или одномерные дефекты кристаллических решеток реальных металлов, представляющие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.

Дислокации бывают

  • краевые;

  • винтовые;

  • смешанные криволинейные.

Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание полей напряжений в кристаллической решетке, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям.

Теория дислокаций позволила объяснить, почему реальная прочность металлов (для технически чистого железа σв=2,5-3,0 МН/м2 (МПа)) разительно отличается от теоретической прочности (подсчитанной с учетом сил межатомного взаимодействия), которая для железа составляет около 200 МН/м2 (МПа).

Процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций имеется в металле. Наоборот, чем меньше в металле таких дислокаций, тем меньше возможностей для сдвига и тем прочнее металл. В металле, в котором не образуются дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения (как целого) одной части кристалла относительно другой. В этом случае прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической (точка 1 на рис. 2.4).

Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, измельчение зерна и общее фрагментирование кристаллов в результате термообработки. Некоторые давно известные методы легирования (например, внесение в решетку основного металла чужеродных атомов), создающие всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствуют свободному перемещению дислокаций или блокируют их. Сюда же относятся способы образования структур с так называемыми упрочняющими фазами (например, дисперсионное твердение).



Рис. 2.4 Зависимость прочности от плотности дислокаций:

1 - теоретическая прочность; 2 - прочность монокристальных нитей («усов»);

3 - практическая прочность отожженного металла;

а - закаленной стали; б - стали после термомеханической обработки;

в - мартенситостареющие стали


Однако во всех этих случаях упрочнение далеко не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной понижения его прочности за счет проявления способности пластически деформироваться при напряжениях, меньших теоретического уровня.

Теория дислокаций объясняет зависимость между деформациями и напряжениями, вскрывает причины деформационного упрочнения (наклепа). Чем больше плотность дислокаций при равномерном их распределении, тем выше прочность металла.

Упрочнение твердых растворов нельзя объяснить без учета взаимодействия растворенных атомов с дефектами кристаллического строения и, в первую очередь, с дислокациями.

Вокруг дислокаций могут создаваться скопления чужеродных атомов, получивших название «атмосфер Котрелла». Образование таких скоплений (особенно внедренными атомами), может в значительной степени, затруднять движение дислокаций увеличивая тем самым сопротивление пластической деформации.

Процесс разрушения металлов невозможно объяснить, не основываясь на теории дислокаций, поскольку разрушение и пластическая деформация неразрывно связаны между собой. Предложены различные дислокационные модели образования зародышей трещин, возникающих благодаря скоплению дислокаций перед барьерами.

Не привлекая теорию дислокаций, нельзя объяснить ползучесть металлов, поскольку она определяется процессами скольжения и «переползания» дислокаций.

Дислокации оказывают существенное влияние на процесс диффузии.


Плавление и кристаллизация металлов


Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, непрерывно совершают колебательные движения с частотой порядка 1013 периодов в секунду. Чем выше температура металла, тем больше амплитуда колебания атомов. При определенной температуре металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходит разрушение кристаллической решетки, приводящее к хаотическому передвижению молекул или атомов друг относительно друга и переходу металлов из твердого в жидкое состояние. Такой переход происходит при строго определенной температуре плавления. Аморфные (псевдотверые) вещества не имеют строго определенной температуры перехода из твердого состояния в жидкое. Поэтому аморфные вещества можно рассматривать как переохлажденную жидкость.

Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях:

  • твердом;

  • жидком;

  • газообразном;

  • плазменном.

Переходы из одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми превращениями. Для чистых кристаллических тел они происходят при строго определенных температурах.

Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов из жидкой или газообразной фазы. Форма, величина, а также ориентировка кристаллов влияют на все свойства металлов и сплавов.





Рис. 2.5 Кривые охлаждения жидкого металла
На рис. 2.5 показана кривая охлаждения жидкого металла до комнатной температуры при малой скорости охлаждения. В точке т при температуре в расплаве возникают первые центры кристаллизации металла, число которых увеличивается по мере отвода тепла. При этом ранее возникшие кристаллы растут. До тех пор пока весь жидкий металл не затвердеет (в точке п), температура остается постоянной. Этот процесс сопровождается выделением скрытой теплоты плавления. На кривой охлаждения (рис. 2.5) образуется горизонтальный участок, показывающий, что затвердевание металла из расплава происходит при строго постоянной температуре. После затвердевания металла наблюдается плавное понижение его температуры. Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной кристаллизации. Температура кристаллизации (а следовательно, и плавления) различных металлов находится в широких пределах - от -38,9 (Hg) до +3410°С (W). Кроме первичной кристаллизации, возможна вторичная - изменение кристаллического строения металла в твердом состоянии.

При быстром отводе тепла некоторые металлы способны переохлаждаться, т.е. находиться некоторое время в жидком состоянии при температуре ниже температуры первичной кристаллизации. Это явление объясняется следующим образом. В результате быстрого отвода тепла в расплаве образуется большое количество центров кристаллизации и происходит интенсивный их рост. Это приводит к выделению значительного количества тепла, способного некоторое время поддерживать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру вплоть до обычной температуры затвердевания. Разность между теоретической tT и фактической tф температурами кристаллизации называют степенью переохлаждения Δt=tт - tф.




Рис. 2.6 Схема образования дендрита (а) и дендрит Чернова (б)
Первичная кристаллизация металла в значительной степени зависит от скорости отвода тепла от него. Поскольку кристаллизация начинает одновременно во многих очагах объема образца, рост кристаллов травильной геометрической формы постепенно нарушается вследствие столкновения кристаллов между собой. В результате образуется множество кристаллов неправильной формы (кристаллитов). При затвердевании жидкого металла почти всегда образуются кристаллические зерна в форме дендритов.

На рис. 2.6,а представлена схема образования и роста дендритов. При затвердевании жидкого металла около одного из центров кристаллизации первоначально формируется главная (длинная) ветвь дендрита, ось первого порядка. От нее под определенным углом отходят оси второго порядка, от последних - оси третьего порядка и т. д.

На рис. 2.6,б показан знаменитый кристалл (дендрит) Чернова, найденный во внутренней полости (раковине) слитка стали массой 3,45 кг и высотой 30 см.


Строение и характеристика сплавов


Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. Химические элементы или их устойчивые соединения, образующие сплав, принято называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более компонентов.

Способность различных металлов образовывать сплавы далеко не одинакова; структура сплавов после их затвердевания также может быть самой разнообразной.

Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, однородны, представляют одну фазу. В некоторых случаях металлы в жидком состоянии взаимно нерастворимы и образуют отдельные слои (например, свинец и железо, свинец и цинк). Однако полная нерастворимость металлов в жидком состоянии - редкое явление; чаще встречается ограниченная растворимость. Если концентрация одного из металлов превышает предельную растворимость его в другом металле, то жидкость разделяется на два слоя. Ограниченной растворимостью в жидком состоянии чаще всего обладают металлы, атомные объемы и температуры плавления которых существенно различны.

Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделенную от других ее частей поверхностями раздела. При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое, в них может образоваться несколько фаз. После затвердевания, в зависимости от природы компонентов, сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. Могут образовываться твердые растворы, химические соединения и механические смеси, состоящие из двух или нескольких фаз.

Твердыми растворами называют сплавы (из двух или более компонентов), в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя. При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими решетками и вследствие этого неограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии (образуют непрерывный ряд твердых растворов), то растворителем является тот из них, концентрация которого в сплаве превышает 50% (атомных).

Для образования непрерывного ряда твердых растворов необходимы одинаковый тип кристаллических решеток компонентов и небольшая разность периодов кристаллических решеток.

В твердых растворах могут происходить диффузионные переходы компонентов из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией до тех пор, пока концентрация не станет одинаковой во всем объеме. Однако диффузия в твердых растворах протекает значительно медленнее, чем в жидких, и скорость ее уменьшается с понижением температуры.

Различают три типа твердых растворов:

  • замещения;

  • внедрения;

  • вычитания.

Рассмотрим только первых два типа твердых растворов, так как твердые растворы вычитания встречаются сравнительно редко. Твердый раствор замещения образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяемого компонента (рис. 2.7,а). Эти твердые растворы могут быть ограниченными и неограниченными.





Рис. 2.7 Схема образования твердых растворов:

а - атом основного металла (растворителя);

б - атом растворенного металла



Обычно компоненты, у которых атомные периоды решетки отличаются не более чем на 8%, образуют неограниченный ряд твердых растворов замещения; на 8-15% - твердые растворы замещения с ограниченной взаимной растворимостью; более чем на 15% - не образуют твердых растворов.

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами кристаллической решетки растворителя (рис. 2.7,б)

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.

Химические соединения в сплавах образуются между металлами (интерметаллические соединения), а также между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике самостоятельное применение.

Механические смеси образуются при одновременном выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т. д.

Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов. Под числом степеней свободы системы понимают число независимых внешних (температура, давление) и внутренних переменных (концентрация), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз в системе.

Для металлических сплавов, находящихся под постоянным давлением, переменными величинами являются температура и концентрация. В этом случае правило фаз принимает следующий вид:


С=К+1-Ф,


где С - число степеней свободы, Ф - число фаз и К - число компонентов системы.

При кристаллизации чистого металла система состоит из одного компонента (К=1), твердой и жидкой фаз (Ф=2). При неизменном давлении такая система нонвариантна (число степеней свободы равно нулю: С=1+1-2=0) и в ней нельзя произвольно изменять температуру, не изменяя числа фаз.

Для чистого расплавленного металла (К=1, Ф=1,С=1 система одновариантна, т. е. при изменении температуры равновесие системы нарушится.


2.2. Технология производства черных металлов


Устройство доменной печи


Доменную печь относят к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи (рис. 2.8) состоит из горна, заплечиков и шахты [1].

Шахта - часть печи выше заплечиков; она состоит из нижней цилиндрической части - распара, средней конической части и верхней цилиндрической части - колошника.





Рис. 2.8 Конструкция доменной печи (вертикальный разрез):

1 - засыпной аппарат; 2 - газоотводы; 3 - защитные щиты; 4 - огнеупорная кладка; 5 - стальной кожух; 6 - кольцевые площадки; 7 - холодильники шихты; 8 - опорное кольцо; 9 - кольцевой воздухопровод; 10 - фурменный рукав; 11 - рабочая площадка; 12- колонна; 13 - летка для чугуна; 14 - холодильники; 15 - летка для шлака
Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).

В верхней части горна расположены воздушные фурмы. Из кольцевого воздухопровода воздух поступает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рукаву и металлическому патрубку.

Воздушная фурма состоит из собственно фурмы, бронзового конического холодильника и чугунной амбразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150-200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр выходного отверстия фурмы составляет около 150-160 мм.

Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графитоглинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемые через соответствующие летки в ковши.

Чугунная летка находится на 600-1700 мм выше уровня лещади. Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий летку от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах - свыше 3200 м2 - ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.

Шлаковые летки располагают на 1,4-1,9 м выше уровня чугунной летки. Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждаемую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь печи, а более широкое наружное - в сторону желоба для выпуска шлака. В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим стопором.

Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По наружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, поддерживающие опорное кольцо шахты печи.

Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки горна и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми холодильниками.

Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из узкой приемной вращающейся воронки.


Работа доменной печи


Задувка доменной печи. Новую доменную печь после проверки работы оборудования ставят под задувку, т. е. ее подготавливают для непрерывной работы в течение 5-10 лет. Задувку печи начинают с медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5-6 суток. Для этого в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник. После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно загружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают дутье. Задувочная шихта состоит только из одного кокса (холостые колоши), а затем - из кокса с небольшим количеством флюса и руды. С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают содержание руды и флюсов до расчетных значений.

Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15-20 ч после задувки, а чугуна - через сутки. Образующийся при задувке печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газоочистку и далее потребителю.

Схема работы доменного цеха приведена на рис. 2.9. Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах 1 к скиповой яме. Скип 3 загружают шихтой из загрузочной воронки 2. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку 4 с малым конусом 4а, затем в загрузочную воронку 5 с большим конусом и далее в рабочее пространство печи.




Рис. 2.9 Схема работы доменного цеха


После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с малым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распределить шихту 7 на поверхности большого конуса перед опусканием ее в печь. Маневрирование большими малыми конусами в загрузочном аппарате доменной печи производится независимо друг от друга.

Для достижения высоких температур и форсирования плавки шихты подают горячий воздух 6 (дутье). Холодный воздух из воздуходувки пропускают через нагретую до 1000-1200°С насадку воздухонагревателя 12. В результате, воздух нагревается до 780-950°С. Пока один воздухонагреватель 12 отдает тепло кладки холодному воздуху (и в результате остывает), второй воздухонагреватель 13 нагревается п температуры 1200°С, т. е. регенерирует тепло, выделяющееся при сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в газоочистителе 14; продукты горения удаляются в дымовую трубу 15.

После остывания насадки воздухонагревателя 12 и достаточного нагрева насадки воздухонагревателя 13 производят перекидку клапанов; холодный воздух направляется в воздухонагреватель 13, а воздухонагреватель 12 нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на нагрев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч. Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три воздухонагревателя. Через шлаковую летку 10 удаляется шлак, а через летку 11 - чугун.


Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи


При горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образующихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскаленных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физических и химических изменений. На колошнике печи температура газов равна 300-550°С, а вблизи фурм она достигает 1900° С. Здесь происходит горение углерода кокса по реакции:


С+О2=СО2 (2.1)


В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция). При контакте с раскаленным коксом образовавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции


СО2+С=2СО (2.2)


Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свойства.

При соприкосновении с отходящими газами шихтовые материалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически связанную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрескиваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 10- 105°Сив некоторых случаях заканчивается при
450 - 500°С (например, для кусков глинистого вещества - Al2O3 ·2SiO2·2H2O).

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н2, СН4 и др.).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекислых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900-1000°С по реакции:


СаСО3=СаО+СО2 (2.3)


Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400-550°С) по реакции:


3FeCO3=Fe3O4+2CO2+СО (2.4)


Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО3 и других углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних горизонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции С+Н2Опар=СО+Н2); твердый углерод (находится в раскаленном коксе). Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато по реакциям:


3Fe2O3+CO=2Fe3O4+ CO2 (2.5)


Fe3O4 +CO=3FeO+СО2 (2.6)


FeO+СО=Fe+СО2 (2.7)


Наиболее важна реакция (2.7), конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления железа и протекает при умеренных температурах (500-900° С) с выделением тепла.

В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температурах (выше 1000-1100°С) в печи происходит не только восстановление железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регенерация окиси углерода по реакции (2.2). Одновременное течение реакций (2.7) и (2.2) позволяет суммировать их и получить:


FeO+C=Fe+CO (2.8)


Реакцию (2.8) называют реакцией прямого восстановления железа. Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Принято считать, что в печи около 60-50 % железа образуется по реакции (2.7), а 40-50% - по реакции (2.8). Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как реакция (2.8) эндотермическая (идет с поглощением тепла).

Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую температуру плавления (1539°С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции:


3Fe+2CO=Fe3C+CO2 (2.9)


Температура плавления этого железа понижается до 1150-1200°С. Науглероженное железо (1,8-2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3,5-4%, т. е. до обычного содержания углерода в жидком чугуне.

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме МnО2→Мn2О3→Мn3О4→МnО. Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеродом по реакции


МnО+С=Мn+СО (2.10)


Реакция (2.10) сопровождается поглощением тепла и протекает при температурах выше 1100-1200°С. Это определяет режим работы печи при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагреве дутья (до 1200°С и выше; в перспективе даже до 1400°С).

Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом по эндотермической реакции


SiO2+2C=Si+2CO (2.11)


Реакция (2.11) в чистом виде развивается при 1450°С, но в присутствии восстановленного металлического железа начинается при более низкой температуре (1050-1100°С). Таким образом, при выплавке чугуна кремнистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и более высоком нагреве дутья.

Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей. В присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается твердым углеродом по реакции


Р2О5(СаО)4+5С+2SiO2=2Р+2(СаО)2·SiO2+5CO (2.12)


Реакция (2.12) происходит в печи очень легко, и фосфор полностью переходит в чугун.

Содержащаяся в шихте сера частично удаляется с газами в виде H2S и SО2. Однако, значительное количество серы остается в печи в виде сульфидов и распределяется между образующимися жидкими шлаком и чугуном. Наименее желательное соединение серы - сульфид железа FeS, хорошо растворимый в металле.

При достаточно большом насыщении шлака известью (45-50%) в горне печи наблюдается реакция, в результате которой
  1   2   3   4



Схожі:

Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconДокументи
1. /ДСТУ 3460-96 Машины и оборудование для переработки лома и отходов чёрных металлов. Общие...
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconМетодические указания
Технологическая оснастка механосборочного производства" для студентов специ­альности 090202 "Технология машиностроения", 090203 "Металлорежу­щие...
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconДокументи
1. /Общие сведения ISO 900.doc
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconУрок №40. Общие сведения. Своеобразие природы материка, связанное с его географическим положением. История открытия и исследования

Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconПодшипники качения общие сведения Достоинства
Полная взаимозаменяемость, готовность к эксплуатации без дополнительной подгонки или приработки
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconЦепные передачи. Общие сведения о передачах
В простейшем случае цепная передача состоит из цепи и двух звездочек ведущей и ведомой
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconМетодические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Технология машиностроения
Технологические методы проектирования и производства заготовок деталей машин для студентов специальностей 09. 0202, 09. 0203 дневной...
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconИзготовление печатных форм (общие сведения) Типографская (высокая) печать
В высоком способе печати используются формы с выступающими печатающими элементами и углубленными пробельными (рис. 1)
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconСистема зажигания общие сведения
В. На прогретом двигателе к моменту искрообразования рабочая смесь сжата и имеет температуру, близкую к температуре самовоспламенения....
Технология производства металлов Общие сведения о металлах Металлы iconОпросный лист для разработки задания на проект и монтаж отопления, водоснабжения и канализации частного дома Общие сведения по проекту
Мнпп «Союз» ООО г. Житомир, ул. 1-го Мая, 20 каб. 16. тел. 067-412-43-43, 0412-46-50-00
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©te.zavantag.com 2000-2017
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи