Получение глинозема

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Кратко опишите щелочной способ получения глинозема и получения алюминия из глинозема

алюминий глинозем щелочной

В чистом виде алюминий в природе не существует из-за своей высокой химической активности. Соединения алюминия входят в состав около 250 минералов. К самым распространённым рудам алюминия принадлежат бокситы. В состав бокситов входит от 30% до 70% глинозема Al?O?.

Самый распространенный способ получения глинозема - щелочной. Он состоит из таких операций:

Измельчение руды на дробилках с последующим мокрым помолом в шаровых мельницах.

Выщелачивание боксита в водяном растворе щелочи NaOH в автоклавах при температуре 230?-250?С, под давлением 2,5-5 МПа с целью получения алюмината натрия. Для нагрева используют водяной пар. В автоклаве происходят такие реакции:

2Al(OH)? + 2NaOH = Na?OAl?O? + 4H?O

2Al(OH) + 2NaOH = Na?OAl?O? + 2H?O

Полученный во время реакций алюминат натрия Na?OAl?O? хорошо растворяется в воде и переходит в раствор, а нерастворимые в щелочи оксиды железа и титана выпадают в осадок. Кремнезем SiO?, который входит в состав боксита, также растворяется щелочью с образованием силиката натрия Na?SiO?, который реагирует с алюминатом натрия и водой, образовывая Na?O?Al?O?2SiO?nH?O, что тоже выпадает в осадок. Поэтому с увеличением SiO? в боксите уменьшается часть глинозема, которая попадает в раствор.

Отсоединение от осадка водяного раствора алюмината натрия путем отстаивания и дальнейшей фильтрации.

Разложение (выкручивание) перенасыщенного водяного раствора алюмината натрия в специальных аппаратах, в которых во время медленного перемешивания выделяется кристаллический Al(OH)?

Na?OAl?O? + 4H?O = 2NaOH + 2Al(OH)?

Во время разложения, которое продолжается в течении 75-90 часов, в осадок выпадает гидроксид алюминия Al(OH)?.

Извлечение с раствора кристаллов Al(OH)? в гидроциклонах и вакуумфильтрах.

Обезвоживание гидроксида алюминия во вращательных печах и постепенный нагрев до температуры 1200?С, чтобы получить Al?O?:

2Al(OH)? = Al?O? + 3H?O.

2. Опишите изменения, которые происходят в железоуглеродистом сплаве, где углерода 4,3%, при медленном нагревании от комнатной температуры до расплавленного состояния

Для этого надо:

Охарактеризировать сплав железа с углеродом;

Начертить упрощенную диаграмму состояния «железо-цемент»;

Обозначить на линии сплава (там, где она пересекается с линиями диаграмм) критические точки;

Описать изменение в заданном сплаве в процессе его медленного охлаждения от температуры жидкого состояния до комнатной температуры (по точкам);

Начертить микроструктуру заданного сплава и объяснить ее (при комнатной температуре).

Диаграмма состояния железо - углерод охватывает железоуглеродистые сплавы, которые содержат от 0 до 6,67% С. Эти сплавы имеют широкое промышленное применение. Когда массовая часть углерода составляет 6,67% , образовывается стойкое химическое соединение Fe?C - карбид железа или цементит. Fe? сможно рассматривать как отдельный компонент системы железо - цементит. Сплавы с концентрацией углерода выше 6,67% практически не используются из-за их неудовлетворительных механических свойств.

Диаграмма железо - углерод

В координатах температура t - концентрация компонентов - нанесены линии диаграммы, на каждой из которых происходят определенные структурные изменения. Рассмотрим эти изменения во время охлаждения. На линии ликвидус ABCD имеем начало, а на линии солидус AHJECF-конец кристаллизации. Здесь на участке АВ линии ликвидус жидкий раствор переходит в феррит, на участке ВС - в аустенит, а на участке CD - в цементит первичный ЦI. Кристаллизация феррита заканчивается на участке АН, а аустенита на участке JE линии солидус. Остановимся отдельно на двух изменениях, что происходят при постоянных температурах на линиях HJB и ECF.

При температуре 1499 ?С (линия HJB) происходит перетектическая реакция, во время которой из феррита Ф концентрации углерода в точке Н (0,1 %С) и жидкого раствора Р концентрации углерода в точке В (0,5 %С) образуется аустенит А концентрации углерода в точке J(0,16 %С):

Фн + Рвt=1499?САj

При температуре 1147?С (линия ECF) жидкий раствор Р концентрации состава точки С (4,3 %С) эвтектически изменяется, в следствии чего возникает мелкая двухфазовая структура, которая называется ледебуритом Л:

Рсt=1147?С Л(Ае + ЦF)

Итак, на линии солидус заканчивается первичная кристаллизация и ниже от этой линии начинается вторичная кристаллизация.

Вторичная кристаллизация обусловлена двумя причинами:

Полиморфизмом железа;

Температурным изменением растворимости углерода в феррите и аустените.

Как известно, во время полиморфных изменений один тип кристаллической ячейки перестраивается в другой. На линии HNимеем начало изменения феррита (ОЦК) в аустенит (ГЦК), а на линии JN - конец такого изменения. В свою очередь на линиях GSи GP аустенит начинает и заканчивает преобразовываться в феррит. Поэтому ниже от линии GPимеем однофазную ферритную структуру с концентрацией углерода до 0,02%. Железоуглеродистые сплавы с количеством углерода от 0 до 0,02%, которые при температуре 727?С (точка Р) имеют только однофазную ферритовую структуру, называют техническим железом.

Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода от 0,02 до 2,14%, которые при температуре 1147?С (точка Е) имеют только однофазную аустенитную структуру, называют сталями. Пластичность аустенита высокая, поэтому стали хорошо обрабатываются давлением, особенно когда их нагреть выше от линии GSE.

Растворимость углерода в аустените и феррите зависит от температуры. ESесть линией граничной растворимости углерода в аустените. С понижением температуры от 1147?С (точка Е) до 727?С (точка S) максимальная растворимость углерода в аустените уменьшается от 2,14 до 0,8%. Углерод выделяется из -железа с образованием вторичного цементита ЦII. Очевидно, что левее от линии ES имеем ненасыщенные твердые растворы, на самой линии - насыщенные, ниже от нее - насыщенные твердые растворы и вторичный цементит, который в отличии от первичного цементита выделяется не с жидкого, а твердого раствора.

PQ - линия предельной растворимости углерода в феррите. Снижение температуры от 727?С (точка Р) до 0?С (точка Q) уменьшает максимальную растворимость углерода в феррите от 0,02 до 0,006%, что обуславливает выделение из феррита третичного цементита ЦIII. Вот почему справа от линии PQимеем насыщенный феррит и третичный цементит.

Отдельно рассмотрим эвтектоидное изменение, которое напоминает эвтектичное, но отличается от последнего тем, что в его основе лежит распад не жидкого, а твердого раствора. Речь идет о распаде аустенита состава точки S, в следствии чего образуется очень мелкая двухфазная ферритно-цементитная структура феррита и цементита, которая называется перлитом П:

Ast=727?СП(Фр + Цк)

В сталях в интервале концентраций углерода P - S аустенит преобразовывается в феррит, начиная от температур линииGS и заканчивая температурой линииPSK. Здесь аустенит обогащается углеродом в соответствии к линииGS и при температуре 727?Сэвтектоидно изменяется.

Во время охлаждения сталей, что лежат правее от точки S, в рамках температур которые отвечают линии ES, из аустенита выделяется вторичный цементит. Во время выделения вторичного цементита (6,67 %С) концентрация углерода в аустените уменьшается по линии ES и при температуре 727?С аустенит с 0,8% С преобразовывается в перлит.

По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 %С и имеют ферритно-перлитную структуру.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода, ее структура - зона перлита, который состоит в основном из пластинок цементита и феррита.

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% углерода.

Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода от 2,14 до 6,67% называются чугунами. Если весь углерод в чугуне находится в виде химического соединения Fe?C, то такой чугун называют белым. В структуре белых чугунов имеется ледебурит, который образовался на линии ECF во время эвтектической реакции. Чугуны, расположенные слева от точки С, по окончанию первичной кристаллизации имеют структуру первичного аустенита и ледебурита, а справа от точки С - структуру первичного цементита и ледебурита. Во время охлаждения в интервале температур от 1147?С (линия ECF) до 727?С (линия PSK) граничная растворимость углерода в первичном аустените и аустените эвтетики уменьшается от 2,14% (точка Е) до 0,8% (точка S) и выделяется вторичный цементит. При температуре 727?С аустенит с концентрацией углерода 0,8% эвтектоидно преобразуется в перлит.

По структуре белые чугуны делятся на:

Эвтектоидные (4,3% С), структура: видоизмененный ледебурит;

Доэвтектоидные (2,14-4,3% С), структура: перлит + вторичный цементит + видоизмененный ледебурит;

Заэвтектоидный (4,3-6,67% С), структура: первичный цементит + видоизмененный ледебурит.

3. Даны углеродистые стали марок: Б СТ2 КП; 45; У7А

Расшифровать марку стали. Какая это сталь по динамическому составу, по назначению, что означают буквы и цифры;

Укажите химический состав стали и его влияние на свойство стали;

Укажите свойства стали и область их применения в автомобилестроении и авторемонтном производстве.

Сталь Б СТ2 КП - углеродистая сталь обычного качества. Буква Б означает что сталь поставляется по химическому составу; буквы СТ - означают «сталь»; цифра 2 - условный номер марки; буквы КП обозначают степень раскисления стали - кипящая.

Химический состав стали: углерод - 0,09-0,15%; марганец - 0,25-0,50%; кремний - не более 0,05%.

Используется в основном для малонагруженных деталей. Используя термическую обработку можно изменять в определенных границах структуру и свойства стали обычного качества.

Сталь марки 45 - конструкционная углеродистая качественная. Число 45 обозначает среднюю массовую часть углерода в сотых долях процента - 0,45% углерода. Отсутствие буквенного индекса указывает на то, что сталь по степени раскисления является спокойной.

Химический состав стали: углерод - 0,42-0,50%; кремний - 0,17-0,37%; марганец - 0,50-0,80%; хром - не более 0,25%.

Из этой стали изготавливают разнообразные детали, в том числе и ответственные, которые требуют нормализации или поверхностной закалки. Несмотря на хорошие механические и технологические свойства, существенным недостатком углеродистых сталей является небольшая закалка.

Сталь У7А- углеродистая инструментальная нелегированная высококачественная. Буква У обозначает что эта сталь является инструментальной нелегированной. Цифра 7 - средняя массовая часть углерода в десятых долях процента - 0,7% углерода. Буква А указывает на то, что сталь высококачественная.

Химический состав стали: углерод - 0,65-0,74%; кремний - 0,17-0,33%; марганец - 0,17-0,28%; сера - не более 0,018%; фосфор - не более 0,025%.

Из стали У7А изготавливают инструменты для обработки дерева (топоры, стамески) и ударные инструменты (пуансоны, молотки).

4. Дана деталь из стали марки 48, над которой произвели термообработку путем отжига на зернистый перлит.

Объяснить цель и область использования;

Начертить часть диаграммы состояния «железо-цемент», которая характеризует сталь. Провести на ней линию заданного сплава;

Расшифровать марку заданной стали детали. Определить температуру нагрева и указать ее на диаграмме;

Указать от чего зависит скорость нагрева и время извлечения;

Объяснить условия охлаждения;

Указать структуру до термической обработки, после нагрева и конечную структуру;

Указать механические свойства после термической обработки;

Указать механические свойства после термической обработки, их причины и меры предупреждения.

Технология термической обработки стали регламентирует изменение температуры стали во времени. Процесс термической обработки часто описывают графически в координатах температура - время. С такого графика можно узнать про максимальную температуру нагревания и про продолжительность периодов нагревания, выдержки и охлаждения. Технология термообработки должна обеспечить высокую стабильность заданных свойств стали, максимальную продуктивность труда и низкую себестоимость продукции.

Отжиг на зернистый перлит (маятниковый отжиг)

Для получения зернистого перлита применяют отжиг с различными вариациями термоциклирования в надкритическом и межкритическом интервале температур, маятниковые виды отжига с различными выдержками и количеством циклов.

Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, временное сопротивление разрыву и соответственно более высокие значения характеристик пластичности.

После отжига на зернистый перлит стали обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, при этом достигается более высокая чистота поверхности. В ряде случаев, отжиг на зернистый перлит является обязательной предварительной операцией. Например для избежания трещинообразования при высадке болтов и заклепок.

Сплав I с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. Обычно все эти углеродистые стали относятся к классу конструкционных. Эвтектоидному превращению в них предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1-2. При температуре точки b фазовый состав сплава Ас+Фб. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bс. При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав AS + ФP с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сталь 48 - конструкционная углеродистая качественная, содержание углерода 0,48%.

5. Даны марки цветных металлов и сплавов - АК7; Л63; БрОФ8,0-0,3; А99.

Расшифруйте заданные марки цветных металлов и сплавов;

Укажите характерные свойства и влияние на них химического состава (смесей);

Приведите примеры использования в автомобилестроении и авторемонтном производстве.

АК7-силумин (литейный сплав первой группы с содержанием кремния). Буква А обозначает алюминий; буква К - кремний; число после буквы К - средняя массовая доля кремния - 7%.

Химический состав сплава, %

Сплав алюминия АК7 отличается хорошими технологическими свойствами - жидкотекучестью, антикоррозийностью и свариваемостью. При этом он довольно плохо поддается механической обработке, поскольку в его структуре образуются хрупкие игольчатые кристаллы кремния и его соединений. Для того, чтобы увеличить прочность сплава АК7, его в расплавленном состоянии модифицируют галогенидами: фторидом и хлоридом натрия. Образующиеся силициды натрия обволакивают кристаллы кремния, затрудняют их рост и повышают предел механической прочности алюминиево-кремниевого сплава в 2 раза.

Отливки АК7 упрочняют с помощью термической закалки и искусственного старения. Для исключения пережога используют двух- или трехступенчатый нагрев до 500-555 градусов, выдерживая детали в горячей воде по 2-3 часа. После высокотемпературной обработки пластичность и прочность сплава АК7 повышается, что особенно важно при производстве сложных и тонкостенных литых заготовок.

Благодаря отличным литьевым свойствам, алюминиево-кремниевый сплав АК7 активно используется при литье сложных деталей и механизмов, применяемых в машиностроении: корпуса помп; деталей самолетов; карбюраторов; картеров двигателей; редукторов; поршней; головок цилиндров и др.

Такие отливки хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации в агрессивных средах и температурах, не выше 200 градусов.

Л63 - латунь (двух или многокомпонентный сплав меди с основным легирующим элементом цинком). Буква Л означает латунь, число 63 - массовая доля меди 63%.

Химический состав: 62-65% меди.

Механические свойства: s_в - 330 МПа; s_0,2 - 110 МПа; НВ - 56; d - 50%.

Механические характеристики латуни рассматриваемой марки, как и любого другого материала, определяются фазным состоянием ее внутренней структуры. В структуре латуни Л63 отсутствует вторая, так называемая b-фаза, которая, если она есть в медном сплаве, делает его более твердым и хрупким, значительно ухудшает пластичность основного металла. Именно однофазная структура сплава данной марки и объясняет тот факт, что изделия из него отлично поддаются обработке давлением практически по любой из используемых сегодня технологий (прокатка, вытяжка, волочение, чеканка, гибка).

Латунь Л63 характеризует отличная обрабатываемость методами пластической деформации и высокая коррозионная устойчивость, особенно хорошо демонстрирует свои качества при изготовлении из нее: труб для комплектации бойлерных установок; емкостей и цистерн различного назначения; радиаторных лент; заклепок; проволоки для выполнения пайки; электродов; муфт; элементов мебельных конструкций; изделий декоративного назначения - предметов интерьера, табличек рекламного и информационного характера, сувениров и др.

БрОФ8,0-0,3-бронза оловянная деформируемая (бронзой называют одно или многокомпонентный сплав меди и олова, алюминия, свинца, бериллия, кремния, хрома или другими компонентами, среди которых цинк не основной). Буквы Бр означают бронза; О и Ф - олово и фосфор; 8,0 - 0,3 - содержание олова и фосфора в сплаве, %.

По химическому составу бронза БрОФ8,0-0,3 содержит 7,5-8,5% олова; 0,25-0,35% фосфора; 0,1-0,2% никеля.

Чтобы обеспечить хорошую пластичность, массовая доля олова не должна превышать 6%. Оловянные бронзы, обрабатываемые давлением, могут поставляться, так же как и латуни, в мягком (отожженном), полутвердом, твердом и особо твердом состоянии.

Бронза БрОФ8,0-0,3 применяют для сеток целлюлозно-бумажной промышленности.

А99-алюминий высокой чистоты. Буква А означает алюминий; число 99 - что содержание примесей составляет от 0,005 до 0,05%.

Механические характеристики:

s_в - 45 МПа; s_0,2 - 22 МПа; НВ - 16; d - 50%.

Используется в промышленности для изготовления кабелей, электропроводов, конденсаторов и фольги, а также в производстве сплавов. Использовать как конструкционный материал нецелесообразно из-за его низкой крепости.

6. Опишите технологию изготовления отливок по выплавленным моделям. Укажите достоинства и область применения данного способа. Приведите примеры автомобильных деталей, которые получили данным способом

Литье по выплавленным моделям сводится к изготовлению отливки высокой точности в сплошной одноразовой литейной форме. Технология изготовления сплошной формы предотвращает снижение точности размеров формы и стержня, которые неизбежны во время извлечения моделей с полуформ и стержней из стержневых ящиков, а также снижению точности из-за смещения рабочих поверхностей полуформ и стержня, которые возникают при соединении песчано-глиняной формы. Для хорошего качества поверхности отливка рабочую поверхность сплошной формы изготавливают из мелкозернистого огнестойкого материала. Заметно повышает наполняемость полости высокая температура метала. Литьем по выплавленным моделям можно изготавливать отливки как простой, так и очень сложной конфигурации с углеродистых и легированных сталей, чугунов, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов, а также из сплавов алюминия, меди, титана.

Технологический процесс производства отливок по выплавленным моделям состоит из таких основных операций:

Изготовление пресс-формы для моделей отливки и для модели литниковой системы;

Изготовление модели из легкоплавкой смеси в пресс-формах;

Сложение моделей отливки и литниковой системы в один блок;

Изготовление литейной формы с нанесением на поверхность блока специальной смеси в виде суспензии с дальнейшей ее сушкой;

Выплавка материала моделей из формы и ее прожарка;

Наполнение расплавленным металлом полости формы;

Отсоединение отливок от литниковой системы и их очистка.

Пресс-форма должна быть разъемной. Ее изготавливают путем резки преимущественно из стали или из сплавов алюминия. Конфигурация полости пресс-формы воспроизводит отливку, а размеры этой полости отличаются от размеров отливки на суммарную усадку модельной смеси и усадку металла.

Модели изготавливают из легкоплавкой смеси, компонентами которой могут быть парафин, стеарин, цезерин, воск с бурого угля и другие. Модельную смесь в жидком или пастоподобном состоянии подают под давлением в полости пресс-формы. После охлаждения пресс-форму раскрывают и достают модель. Полученная таким способом модель имеет гладкую поверхность и точные размеры.

Модели соединяют с общей литниковой системой в один блок с помощью нагретой пластины или другим способом. Количество моделей в одном блоке может достигать 100 штук.

Чтобы изготовить форму, блок моделей опускают в жидкую формную смесь, которая состоит из порошка огнестойкого материала (кварцевый песок, электрокорунд), перемешанного с жидким связующим веществом преимущественно гидролизованным раствором этилсиликата. После извлечения с формной смеси на поверхности моделей отливок и литниковой системы остается тонкая липкая пленка. Ее посыпают сухим кварцевым песком и высушивают на воздухе в течении 2-4 часов. Операцию погружения, посыпания и сушки повторяют 4-6 раз, пока не получат форму с необходимой толщиной стенки.

Полученную форму вместе с блоком моделей нагревают в термошкафу, автоклаве или кипящей воде, пока не расплавятся модели и не вытекут из формы. Пустую форму вставляют в металлический контейнер, насыпают песок и помещают в печь для нагревания при температуре 900-1000?С, чтобы выпалить остатки модельной смеси, укрепить форму и увеличить ее газопроницаемость.

Нагретую форму наполняют жидким металлом, который вытесняет воздух и газы с полости сквозь поры в стенках. После кристаллизации и охлаждения метала форму разбивают, очищают и отрезают отливку от литниковой системы.

Этот метод получил промышленное использование в 1940 году.

Преимущества литья по выплавленным моделям перед литьем в одноразовые песчано-глиняные формы:

Выше качество поверхности и точность размеров отливок;

Возможность изготовления тонкостенных отливок сложной конфигурации;

Возможность изготовления отливок из материалов, которые имеют высокую температуру плавления.

Недостатки:

Процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и продолжительный;

Высокая стоимость отливок;

Значительный расход метала на литниковую систему.

Размещено на Allbest.ru