МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет водного господарства
та природокористування
Кафедра „Автомобілі, автомобільне господарствоі технологія металів”
КОНТРОЛЬНА РОБОТА №2
з курсу
„Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів”
Розділи:
„ОСНОВИ МЕТАЛУРГІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА”, „ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЇ ЛИВАРНОГО ВИРОБНИЦТВА”
Рівне 2009
Опишіть будову і принцип роботи доменної печі і вкажіть, які фізико-хімічні процеси протікають в різних зонах печі
Виробництво чавуну.
Чавун одержують у доменних печах з руд шляхом відновлення заліза і насичення його вуглецем і іншими елементами. Основна маса чавуну (більш 80%) використовується для виплавки сталі. Основними вихідними матеріалами для виробництва чавуну в доменній печі є червоні, магнітні, бурі і шпатові залізняки, марганцеві руди, паливо і флюс.
Будова доменної печі.
Доменна піч являє собою вертикальну плавильну піч шахтного типу. Свою назву доменні печі одержали від раніше застосовуваних в Росії (VIII-IX століття) шахтних печей, що називалися домницями.
Доменна піч є могутнім і високопродуктивним агрегатом з корисним обсягом печі 3000—5000 м3
і продуктивністю більш 5000 т чавуну в добу. Корисна висота таких печей досягає 30 м і більш. Доменна піч (рис. 1) зовні укладена в сталевий кожух, а усередині футерована вогнетривкою (шамотною) цеглою. Внутрішній обрис печі називається її профілем. При цьому варто розрізняти колошник І, шахту ІІ, розпар ІІІ, заплічики IV і горн V.
Колошник обладнаний литими сталевими сегментами 3, що захищають вогнетривку футеровку від руйнування при ударах шихти, що завантажується в піч.
У верхній частині печі є завантажувальний пристрій, що складається з прийомної лійки 7, малого конуса 5, розподільного пристрою 6 і великого конуса 4 з лійкою 10. Сирі матеріали (шихта) подаються на колошник по похилому мосту 9 двома скіпами 8. Зі скіпа матеріали спочатку попадають на малий конус, що для забезпечення більш рівномірного завантаження шихти у великий конус повертається навколо осі штанги. Малий і великий конуси опускаються не одночасно, щоб запобігти викиду доменних газів з печі в атмосферу У великий конус через малий конус засипають кілька скіпів шихтових матеріалів, що утворюють так звану колошу. У процесі опускання великого конуса колоша падає в піч. Рудну частину шихти і кокс завантажують роздільно, тому в печі утвориться два шари — коксу і рудної частини.
У нижній частині печі знаходяться фурменні пристрої 2, через які вдувають у піч нагріте повітря або повітря, збагачене киснем, а також іноді газоподібне, рідке або пилоподібне паливо для економії коксу.
Рис. 1. Доменна піч
Чавун і шлак безупинно стікають вниз і періодично випускаються через чавунну льотку 1 і шлакову льотку 11.
Процес доменної плавки безперервний, а завантаження шихтових матеріалів і випуск чавуна і шлаку виробляються періодично по установленому режиму. Вихідні матеріали надходять у доменну піч зверху, а в нижню частину печі через фурми подаються нагріте повітря або повітря, збагачений киснем, а також газоподібне паливо. Гази, що утворяться при згорянні палива, піднімаються назустріч опускаються шихтовим матеріалам, нагрівають них, відновлюють і плавлять. Таким чином, піч працює за принципом протитоку, що, природно, дозволяє більш повно використовувати тепло.
При нормальній роботі доменної печі у всіх її зонах установлюється визначена температура й у них відбуваються різні фізико-хімічні процеси горіння палива, видалення вологи, розкладання вапняку, відновлення заліза й інших елементів, плавлення і навуглецевування заліза, утворення чавуну і шлаку.
Опустившись до рівня фурм, кокс згоряє у струмені підігрітого до 1100—1300° С повітря або повітря, збагаченого киснем (до 30—35%), подаваного в піч через фурми під тиском 150—200 кН/м2
(1,5— 2 ат). Процес горіння палива йде з великим виділенням тепла.
Продукти доменного плавлення.
Продуктами доменного виробництва є чавун, шлак і доменний газ.
Чавун виплавляють у залежності від призначення трьох сортів: передільний, ливарний і спеціальний (феросплави). Передільний чавун йде на переробку в сталь, виробництво його складає більш 80%.
Ливарний чавун призначається для одержання усіляких фасонних виливків. Його виплавляється близько 16% від усього виробництва чавуна. Він містить підвищену кількість кремнію, що поліпшує ливарні властивості чавуна.
Доменні феросплави застосовують при виробництві сталі (як присадки і для розкислення) у сталеплавильних печах і при виробництві чавуна у вагранках. Їх виплавляють приблизно 4% від усього виробництва чавуна. Феросплави відрізняються від передільних і ливарних чавунів підвищеним вмістом марганцю і кремнію. До них відносяться феромарганець доменний, утримуючий 70—75% Мn і 2% Si, дзеркальний чавун (із дзеркальним блиском у зламі), що містить 10— 25% Мn і до 2% Si, феросиліцій доменний, утримуючий 9—13% Si і 3% Мn.
Доменні шлаки, що утворяться при плавці чавуна, звичайно піддають грануляції водою для одержання дрібнозернистої маси. Оброблені зазначеним методом шлаки використовують для виготовлення цементу, цегли, шлакоблоків і інших будівельних матеріалів.
Доменний газ після очищення від пилу використовують як газоподібне паливо в повітронагрівачах для опалення різних печей, нагрівання ковшів і ін.
Доменна піч працює безупинно 5—6 років і більше з моменту пуску до чергового капітального ремонту.
Зупинка печі відбувається головним чином через вигоряння вогнетривкої кладки. Для контролю товщини кладки використовують радіоактивний ізотоп кобальту 60
Со. При будівництві або ремонті доменної печі в найбільш уразливі частини кладки зашпаровують зазначений ізотоп кобальту. У процесі експлуатації печі періодично до місць, де замурований 60
Со, підносять лічильник Гейгера, за допомогою якого можна знайти γ-випромінювання. Коли кладка вигорить до визначеної товщини, 60
Со розплавиться в чавуні і піде разом з ним з печі; у цьому випадку випромінювання не буде. Реєструєме при цьому ослаблення або повне зникнення γ-випромінювання дозволяє установити термін зупинки печі на капітальний ремонт.
Схарактеризуйте вимоги, які ставлять до формувальних і стержневих сумішей, і запишіть, з яких компонентів вони складаються
доменна піч плавлення
Формувальні і стержневі суміші.
Формувальні суміші застосовують для виготовлення піщаних форм, а стержневі — для виготовлення стержнів, встановлюваних у зазначені форми.
Вихідні формувальні матеріали.
Вихідними матеріалами для виготовлення формувальних сумішей служать формувальні піски і глини. Формувальні піски добувають у піщаних кар'єрах і класифікують за ГОСТом. У залежності від вмісту глинистих складових кварцові піски поділяються на кілька класів: кварцові К (до 2% глини), тощі Т (2—10% глини), напівжирні П (10—20% глини), жирні Ж {20—30% глини) і дуже жирні ОЖ (30— 50% глини). Іншою класифікаційною ознакою пісків по тому ж ГОСТу є його зерновий склад, що визначається методом ситового аналізу.
Піски підрозділяють по величині зерен: грубий (1,0—0,4 мм), дуже великий (0,63—0,315 мм), великий (0,4—0,2 мм), середній (0,315—0,16 мм), дрібний (0,2— 0,1 мм), дуже дрібний (0,16—0,063 мм), тонкий (0,1 — 0,05 мм), пилоподібний (0,063—0,05 мм). Для зв'язування зерен піску у формувальні суміші додають глини, каолінітові (позначаються буквою К) або монтморилонітові (позначаються буквою М).
Монтморилонітові (бентонітні) глини володіють високою сполучною здатністю у вологому стані.
У зв'язку з тим що піщано-глинисті формувальні і стержневі суміші володіють рядом недоліків (поганою піддатливістю і газопроникністю й ін.), у них замість глини вводять зв'язувальні речовини (сульфідно-спиртову барду, різні смоли, пеки, бітуми, рідке скло й ін.).
Оптимальна кількість вводиться в суміш сполучних визначається за ГОСТ або по ТУ.
З неорганічних сполучних застосовують рідке скло (водний розчин силікату
O-m-Si2
, де m коливається від 2 до 3). Головною характеристикою рідкого скла є модуль, що представляє собою відношення числа грам-молекул двоокису кремнію до числа грам-молекул окису натрію
Чим більше модуль, тим вище міцність сумішей у вологому стані і нижче в сухому стані.
Крім сполучних матеріалів, що забезпечують необхідну міцність, у формувальні і стрижневі суміші вводять різні добавки, що додають сумішам необхідні властивості.
Пісок застосовується попередньо висушеної і просіяний. Глину і тверді добавки сушать, дроблять і просівають. Для сушіння піску застосовують печі барабанного типу і високопродуктивні апарати киплячого шару.
Формувальні суміші. Їх приготування і властивості.
Формувальні суміші служать для виготовлення піщаних форм і застосовуються трьох типів: єдині, лицювальні і наповнювальні. Єдині суміші використовують у масовому виробництві, а лицювальні і наповнювальні — в індивідуальному виробництві. При цьому спочатку на поверхню моделі наносять лицювальну суміш, а потім наповнювальною сумішшю заповнюють іншу частину форми.
Вибір складу формувальної суміші залежить головним чином від сплаву, з якого будуть виготовляти відливки, а, також від того, які форми застосовуються: сухі або сирі. Найбільше застосування одержали сирі форми, тому що це економічно більш вигідно. Сухі форми використовують для виготовлення великих або складних за формою виливків.
Для одержання якісних виливків у сирих формах необхідно знати залежність властивостей формувальної суміші від її складу. Так, наприклад, чим, більше в суміші глини, тим газопроникність нижче, але вище міцність; підвищена вологість (більш 6%) збільшує пластичність і міцність суміші, але знижує її газопроникність і збільшує газотворність суміші.
Рис. 2. Змішувальні бігуни з горизонтальними катками: — чаша; 2 — вертикальний вал; 3 — траверси; 4—маятники; 5—катки; 6 —шарніри; 7 —плужки; 8 — люк для видалення суміші
Рис. 3. Схема аератора; 1 — обертовий вал; 2 —лопатки, укріплені на валові й відкидаючі формувальні суміші; 3 — ґрати; 4 — завантажувальна воронка для формувальної суміші
Технологічний процес приготування формувальних сумішей полягає в перемішуванні складових компонентів суміші з наступним її вистоюванням і розпушенням. Перемішування виробляється в бігунах, що змішують, (рис. 2). Час перемішування складає для єдиної суміші 3—5 хв., для наповнювальної суміші близько 3 хв. і для лицювальної суміші 6—10 хв. Потім формувальні суміші завантажують у бункери, де вистоюються протягом декількох годин для рівномірного розподілу вологи. Перед подачею у формувальне відділення суміш розпушують аераторами (рис. 3) або пересувними стрічковими розпушувачами. Підготування вихідних матеріалів і готування формувальних сумішей виробляється в землеприготовлювальному відділенні.
Приготовлені формувальні суміші повинні володіти наступними основними властивостями:
- достатньою міцністю, протистояти зусиллям, що руйнують, під час виготовлення і транспортування форм, а також тискові рідкого металу при заливанні, гарною газопроникністю (пропускати гази після заливання металу у форму);
- низкою газотворністью (не виділяти гази при високих температурах), пластичністю (добре формуватися і давати чіткий відбиток від моделі), піддатливістю (не перешкоджати усадці металу при затвердінні виливка), вогнетривкістю (не розм'якшуватися і не розплавлятися під дією високої температури рідкого металу, що заливається у форму), довговічністю (зберігати свої якості при повторних уживаннях), вибиваємістю (легко руйнуватися і вибиватися з опок).
Горіла, відпрацьована суміш, вибита з опок перед повторним використанням, піддається переробці, що складається з охолодження, відділення металевих включень - (бризів металу, каркасів стрижнів, шматків холодильників), роздрібнення і просівання. Для видалення металевих часток застосовують магнітний сепаратор, а для просівання — сита барабанного типу. Для розминання твердих грудок суміші, що утворяться після вибивання сухих форм, застосовуються гладкі валки.
Потім, для додання формувальної суміші зазначених вище властивостей, у неї вводять необхідну кількість свіжих матеріалів (пісок, глину й ін.) і води, після чого суміш ретельно перемішується в бігунах, що змішують. .
Зразковий склад формувальної суміші для чавунного лиття: 8—10% глини, 0,5—1% кам'яного вугілля, 4—6% води, інше кварцовий пісок.
Властивості такої суміші наступні: газопроникність 80—100 см/хв, межа міцності при стиску сирих зразків 0,4— 0,6 кгс/см2
.
У даний час процес переробка й готування формувальних сумішей у ливарних цехах серійного й масового виробництва автоматизований,
Стержневі суміші. Їх приготування і властивості.
Стержневі суміші служать для виготовлення піщаних стержнів. Склад і властивості стержневих сумішей залежать від їхнього призначення.
Зразковий склад стержневої суміші для виготовлення нескладних за формою стержнів: кварцовий пісок 90—92%, глина 4—6%, сульфітна барда (щільністю 1,27 г/см3
) 2—3%, вода 3—4%.
Властивості такої суміші наступні: газопроникність не менш 70 см/хв, межа міцності при стиску в сирому стані 0,15— 0,25 кгс/см2
, межа міцності при розтяганні в сухому стані 4—5 кгс/см2
.
Процес готування стержневих сумішей полягає в перемішуванні складових компонентів суміші в бігунах, що змішують, протягом 10—12 хв і наступному вистоюванні її в бункерах. Готування сумішей проводиться в землеприготувальному відділенні. Звідси готова суміш транспортується у відділення виготовлення стержнів.
Спеціальні формувальні і стержневі суміші.
Крім піщано-глинистих сумішей, у ливарному виробництві застосовують спеціальні суміші. У них кварцові піски замінені високотеплопровідними матеріалами. Наприклад, для виготовлення лицювальних сумішей при литті великих і складних сталевих виливків застосовують хроміт і хромомагнезит. Формувальні і стрижневі суміші з рідким склом (самотвердіючі) широко використовують для виливків зі сталі, чавуна, мідних і алюмінієвих сплавів.
Ці суміші мають наступний склад: 95—97% пісок кварцовий; 3—5% глина; 5—7% рідке скло. Вологість сумішей 3—4,5%.
Такі суміші мають високу газопроникність (100—150 см/хв) і забезпечують одержання сталевих виливків без пригару. Процес тверднення сумішей з рідким склом можна робити трьома способами:
1) сушінням;
2) продувкою С02
;
3) витримкою на повітрі при кімнатній температурі.
Межа міцності сумішей складає, кгс/см2
: у сирому стані 0,15—0,30; після сушіння — до 20, після продувки З2—3—5. До недоліків цих сумішей відноситься: важка вибиваємость і велика гігроскопічність. Фарби намагаються наносити на гарячі стержні і форми відразу після сушіння.
В останні роки набули широкого застосування фарби на основі циркону, що володіє високої вогнетривкістю (плавиться близько 2000° С), теплоакумулюючою здатністю, не взаємодіючого з окислами металу, що дозволяє одержувати сталеві виливки з чистою поверхнею.
Допоміжні матеріали.
До допоміжних матеріалів відносяться різні припили і фарби, що усувають пригар і дозволяють одержувати виливки з чистою поверхнею. Припили робочої поверхні застосовують при заливанні форм у сирому стані, а фарби наносять на сухі стержні і форми. Припилом для форм сталевих виливків служить пилоподібний кварц, а для форм великих чавунних товстостінних виливків — сріблистий графіт. До складу противопригарних фарб входять вогнетривкі зв’язувальні матеріали і спеціальні добавки, що зменшують розшарування фарб.
Література
1. 032-90 Методичні вказівки і контрольні завдання з курсу „Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів” для студентів спеціальностей 7.091903 та 7.090215 заочної форми навчання. /Кім Є.К. – Рівне: УДАВГ, 1997. – 30с.
2. Гуляев А.П. Металловедение. 5-е изд., перераб. и доп. – М.: „Металлургия”, 1977. – 647 с.
3. Казаков Н.Ф., Осокин А.М., Шишкова А.П. Технология металлов и других конструкционных материалов: Учеб. пособие. – М.: «Металлургия», 1975. – 690 с.
4. Гуревич Д.Ф., Зуев А.А. Эксплуатация оборудования ремонтных мастерских. Л., «Колос» (Ленингр. отделение), 1975, - 367 с.