Доменный процесс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доменный процесс

железный руда топливо доменный



Железные руды, флюсы и топливо

Исходным сырьём для доменного процесса являются железная руда, топливо и флюсы, которые должны быть предварительно подвергнуты определённой обработке и подготовке.

Железные руды

Железные руды в зависимости от вида соединения в них железа делятся на оксидные и соляные (карбонатные). Кроме железа в железной руде в сравнительно значительных количествах присутствуют Mn, P, S, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MaO и значительное количество других различных металлов. Содержащиеся в железной руде Fe, Mn, P, S переходят в процессе плавки и образуют с углеродом кокса в последующем чугун. Остальные элементы и соединения в руде носят названия «пустой породы». Ценность железных руд и требования, предъявляемые к ним заключаются в следующем: богатством руды по железу, малым содержанием вредных примесей (P, S, As), восстановимостью, кусковаватостью, составом пустой породы, дешевизной (ценой) руды.

Богатство руды по железу определяют наличием процентного содержания последнего. Богатыми называют руды, в которых Fe>50%. Руды, содержащие Fe, в количестве 25-50% относят к бедным.

Наиболее вредной примесью в руде является сера. Она вредна во всех случаях, придаёт явление красноломкости и образует пузыри в отливках. Также весьма вредной примесью является и фосфор, придающий явление хладноломкости. Однако у фосфора есть положительные свойства, так, например, в литейном чугуне в отдельных случаях он может быть даже желателен, так как придаёт чугуну большую жидкотекучесть и такой чугун может использоваться в художественном литье. Если в руде фосфора повышенное количество (примерно 1%), то такие руды называются агротехническими, так как при переработке чугуна из таких руд не сталь, получаются высокофосфористые шлаки, необходимые для сельского хозяйства как удобрения. Мышьяк вредный элемент, удалить его в шлак не удаётся, но неминуемо затем из чугуна переходит в сталь, что снижает её прочность и повышает хрупкость. Однако вредность мышьяка вопрос спорный, так как имеется точка зрения, что в соединении с небольшим количеством некоторых примесей, имеющихся в руде (например с ванадием), но может даже выполнять функции легирования.

Особую роль в руде играет состав пустой породы. Если соотношение оксидов кальция и магния, кремния и алюминия определяются таким соотношением:

CaO + Mg =1 (5-1) SiO₂ + Al₂O₃,

то такая руда носит название самоплавкой. В большинстве случаев пустая порода состоит из кремнезёма и глинозёма и приходится добавлять флюс в виде известняка. Итак, чем беднее руды, тем больше расход флюсов и топлива при выплавке чугуна. Соединения железа с кислородом, которые присутствуют в рудах, могут быть трёх видов: магнитный оксид железа Fe₃O₄, безводный оксид железа Fe₂O₃ и водный оксид железа Fe₂O₃ nH₂O.

Соединение оксида железа с диоксидом углерода - FeCO₃ носит название карбонатного железа.

Магнитный оксид железа в рудах представляется минералом - магнетитом. Такую руду называют магнитным железняком. Это обычно богатые руды, содержащие железа свыше 60%.

Безводный оксид железа представляется в рудах минералом - гематитом. Руды содержащие гематит называются красным железняком. Это тоже часто богатые руды, железа в них 50-65%.

Водный оксид железа представлен в рудах главным образом минералами: лимонитом - Fe₂O₃ ^. H₂O и гетитом Fe₂O₃ ^. H₂O. Руды, содержащие эти минералы, называются бурыми железняками. Железа в этих рудах содержится 35-55%.

Карбонат железа представлен в рудах минералом - сидеритом. Руды, содержащие в основном сидерит, называются шпатовыми железняками. Это зачастую бедные руды, содержащие примерно 40% железа.

Скопления руд в отдельных районах Земли носят названия месторождений. Богатство месторождения определяется его запасом. Для железных руд, месторождения которых имеют запас руд, превышающих 1 млрд. тонн, называются месторождениями мирового масштаба (порядка).

Одним из наиболее освоенных и богатых месторождений мирового масштаба является месторождение нашей страны - Криворожское. Руды этого месторождения в основном красные железняки представлены бедными и богатыми рудами. Руды этого месторождения де лятся по сортности и классам. Общий запас руд этого месторождения около 9 млрд. тонн. Вред ных примесей в этих рудах мало.

Вторым крупным месторождением мирового масштаба у нас в стране является Керченское месторождение, находящееся в северной и восточной части Крыма. Основная масса этих руд представлена бурыми железняками. Руды бедные, содержащие 35-40% Fe. Они имеют повышенное содержание марганца, фосфора и мышьяка, что затрудняет их предел, кроме этого они относятся к труднообогатимым. Запасы составляют 2-3 млрд. тонн.

К крупным месторождениям мирового масштаба относятся: Курская магнитная аномалия, Качканарское, Соколовско-Сорбайское, Лисановское и Аятское (ближнее зарубежье). Из дальнего зарубежья следует упомянуть месторождения Скандинавии, Лотарингии, Верхних озёр (США), Бразильское и др.

Кроме железных руд в доменном процессе применяют марганцевые руды для выплавки ферросплавов, а иногда как небольшие добавки для выплавки передельных чугунов. В добываемых рудах содержание марганца чаще всего составляет 22-45%. У нас в стране крупным месторождением считается Никопольское, а из стран ближнего зарубежья Чиатурское в Грузии.

Флюсы:

Флюсы понижают температуру плавления пустой породы, тем самым способствуют переводу золы кокса и пустой породы шихты в шлак. В некоторых случаях флюсы способствуют удалению серы из чугуна в шлак. В качестве флюсов используются известняк (чистый) - CaCO₃ или доломитизированный известняк CaCO₃ и MgCO₃/

Топливо:

В качестве топлива применяют специальные коксующиеся угли и иногда дополнительно природный газ.

В настоящее время для улучшения газодинамики доменного процесса, стабильности хода печи, сырые материалы, предназначенные для доменной плавки, специально обрабатывают, придавая им кусковость, прочность и пористость. Все это позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели доменной печи.

Итак, железную руду или концентрат в смеси с известняком и марганцевой рудой окусковывают, производя агломерат или окатыши, а коксующиеся угли направляют на коксование для производства кокса. В итоге, загружаемые в доменную печь материалы, называются шихтой, а состоит окончательно шихта из агломерата или окатышей (железорудная часть шихты) и кокса (топливо восстановительная часть шихты).

Окускование железорудного сырья

В отечественной и зарубежной практике используют в основном два способа окускования сырья: агломерацию и окомкование (иногда пименяют третий способ - брикетирование).

Агломерация - термический способ окускования мелких материалов (железорудных концентратов, рудной мелочи, пылеватых руд, колошниковой пыли) для улучшения их металлургических свойств, осуществляемый обычно путём сжигания мелкого топлива (коксовой мелочи) в самом материале за счёт непрерывного прососа воздуха. Часто в агломерационную шихту вводят флюсы (известняк). Окускование при агломерации происходит главным образом в результате образования жидких легкоплавких химических соединений, связывающих при остывании отдельные зёрна в куски.

В слое шихты температура достигает 1300-1500⁰С. В результате восстановления магнетита в присутствии кремнезёма образуются моносиликат закиси железа (файялит) по реакции:

2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2CO = 3Fe₂SiO₄ + 2CO₂

Температура плавления файялита 1209⁰С и поэтому в зоне горения образуется жидкая фаза, смачивающая нерасплавленные зёрна шихты.

Агломерацию осуществляют в агломерационных машинах ленточного типа, представляющих собой непрерывную цепь спекательных тележек с решётчатым дном - палетт.

В результате агломерации получаются ноздревато-пористые прочные куски, называемые агломератом, а агломерационная мелочь - отсевом.

Высота слоя насыпания шихты палетты обычно 300мм.

Скорость движения ленты с палеттами находится в пределах 1,5-6 м/мин.

Технико-экономические показатели работы агломерационных фабрик оцениваются по удельной производительности, т.е. съёмом агломерата в тоннах с квадратного метра площади спекания аглоленты в час.

Суточная производительность аглоленты определяется по формуле:

П=1,44^.х^.V_ck (5-2)

Где: F-площадьспекания

Х - насыпанная масса шихты, т/м³ (обычно х = 1-2 т/м³);

V_c - вертикальная скорость спекания, м/мин (обычно V_c = 0,01-0,04 м/мин);

k - выход годного агломерата из шихты, %.

Окомкование (окатывание) - метод окускования пылевидной рудной мелочи или тонкоизмельчённых концентратов. Процесс состоит из двух стадий: получения собственно окатышей и их упрочения высокотемпературным обжигом (1200-1300^оС) . Окатыши получают из увлажненного концентрата в барабонных или тарельчатых окомкователях. Кроме концентрата в окомкователь подают добавки, повышающие комкуемость - известь, бетонит и др. Иногда к шихте подмешивают угольную пыль, что позволяет частично восстанавливать окатыши при обжиге. Для упрочнения окатыши подвергают обжигу, чаще всего на машинах ленточного типа.

Окатыши имеют форму шара ?10-30 мм., с пористостью 30-40 %. В настоящее время разработана технология получения офлюсованных окатышей, основностью 0,5-0,55, разрабатывается возможность производства 2-х слойных окатышей - ядро основностью 4-5 и неофлюсованное покрытие. Существенным преимуществом окатышей перед агломератом является более высокая восстановимость и сопротивление разрушению при транспортировке, т.е. транспортабельность. Недостаток - невозможность получения окатышей высокой основности и трудность получения окатышей высокой основности и трудность получения окатышей совместно с марганцевой рудой и другими добаками.

Ковка

Ковка один из самых старейших видов обработки давлением, применяется для получения полупродукта и реже готовых изделий, которые называются поковками. Этот вид обработки сопровождается изменением макро- и микроструктуры, улучшением качества и свойства металла.

Для получения поковок применяют слитки, реже катаные и прессованные заготовки из стали и цветных металлов. Масса слитков составляет от 200 кг до 350 т. Слитки применяют чаще всего многогранные. У кузнечных слитков из углеродистой стали масса прибыльной части составляет 20-22%-и донной 2-3% от общей массы слитка, а у легированных сталей эти массы увеличиваются в 1,2-1,4 раза.

Наибольшее распространение получила свободная ковка. Различают ручную и машинную свободную ковку.

Ручная ковка осуществляется на наковальне с помощью кувалды и различного кузнечного инструмента (бойков, обжимок, наметок, пережимок, топоров, прошивней). Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве.

Машинная свободная ковка осуществляется на кузнечно-прессовых машинах. Мелкие и средние поковки (массой до 750кг) обрабатываются на молотах, а крупные (массой до 350 т) на прессах.

Операции свободной ковки

К основным операциям свободной ковки относят осадку, высадку, протяжку (вытяжку), рубку, прошивку, раскатку, шоку, кручение и сварку.

При осадке происходит уменьшение высоты и увеличение поперечного сечения заготовки. Деформация металла при осадке характеризуется коэффициентом уковки

где Fk и F_H - соответственно конечная и начальная площадь поперечного сечения заготовки.

Разновидностью осадки является высадка, которая осуществляется с помощью ограничивающего инструмента - кольца.

При протяжке или вытяжке происходит увеличение длины заготовки за счет уменьшения плошали поперечного сечения. Для интенсификации процесса протяжки и получения достаточно гладкой поверхности поковки подачу - а следует принимать равной 0,4-0,8 ширины - В бойка.

Рубку применяют для разделения заготовки на несколько частей или для удаления концов поковок при помощи кузнечных топоров.

Прошивку применяют с целью получения сквозных или глухих отверстии в металле при помощи прошивня П, который может быть пустым или пустотелым.

Раскатка по диаметру производится с применением оправки О, что приводит к утончению кольца и увеличению его диаметра.

При гибке заготовку изгибают по заданному контуру. Гибку можно осуществлять при зажатии одного конца заготовки между бойками ударами кувалды по другому концу. Крупные заготовки подвергают гибке в специальных гибочных штампах.

Кручение заключается в повороте одной части заготовки относительно другой на заданный угол. При кручении один конец заготовки зажимают между бойками, а на другой надевают вилку.

Кузнечная сварка состоит в соединении в одно целое отдельных частей поковки различными способами (внахлестку, вразруб 2, встык 3). Место соединения предварительно подготовляют, затем нагревают до сварочной температуры (обычно 1300-1400°С) и сваривают, применяя внешнее давление. После этого заготовку в месте сварки подвергают проковке и отделке при помощи обжимок. Кузнечную сварку применяют для низкоуглеродистых сталей с содержанием 0,15-0,25% С при ремонтных работах и др.

Все операции свободной ковки производят при горячей деформации.



Кузнечные машины для свободной ковки

Эти машины разделяют на молоты и прессы. В свою очередь молоты разделяют на рычажные, фрикционные, пневматические и паровоздушные.

Основной характеристикой молотов является масса падающих частей, а прессов - наибольшая сила, развиваемая плунжером. Молоты обеспечивают в течение рабочего хода ударное (динамическое, до 7 м/с), а прессы - относительно медленное (статическое, до 0,1 .ч/с) воздействие рабочего инструмента на обрабатываемый металл.

При свободной ковке мелких поковок обычно применяют пневматические ковочные молоты с массой падающих частей от 50 до 1000кг, а массу шабота принимают примерно в 10-12 раз большей. Чисто ударов верхнего бойка молота составляет 95-210 в минуту.

При свободной ковке средних и крупных поковок применяют паровоздушные ковочные молоты. Паровоздушные молоты различают простого и двойного действия. Паровоздушные молоты по конструкции разделяют на одностоечные (консольные) с падающими частями массой 0,5-1,0 т и двустоечные (арочные) с падающими частями 1-5 т. У паровоздушных молотов масса шабота обычно в 15 раз больше массы падающих частей.

Основную часть подвижных падающих частей молота составляет «баба». К ней и производится крепление верхнего бойка. Шабот основная неподвижная часть самого молота или представляющая отдельное целое к чему крепится подушка с нижним бойком.

Для ковки средних и крупных поковок и особо крупных применяют гидравлические прессы.

В состав гидропрессовой установки входит собственно гидравлический пресс, насосная установка, сеть высокого давления с аккумулятором высокого давления, сеть низкого давления с аккумулятором низкого давления, питающим насосы и пресс на определенных этапах рабочего цикла, орган управления - дистрибутор, система трубопроводов с соответствующей аппаратурой и арматурой, соединяющие все элементы в одну гидравлическую систему. В современных прессовых установках в качестве рабочей жидкости применяют водные эмульсии и минеральные масла под давлением 20-32 Мн/м2 (200-320 атм.). Гидравлические ковочные прессы обычно имеют номинальную силу 2-15 Мн (200-1500 т), а для ковки особо крупных слитков (специализированные) до 100-150 Мн (10000-15000 т).

Технологический процесс ковки на гидравлических прессах имеет более высокий к.пл. чем на молотах, однако первоначальные затраты также более высокие.

Технологический процесс свободной ковки

При выборе технологического процесса свободной ковки исходят из того, чтобы получить поковки хорошего качества, достигнуть высокой производительности оборудования и иметь минимальный расход металла, а также обеспечить безопасность в работе.

Технологический процесс свободной ковки состоит из следующих операций:

1. подготовки исходного металла;

2. нагрева металла перед ковкой;

3. собственно ковки на молоте или прессе;

4. отделки поковки.

Основными документами для изготовления поковки является чертеж поковки и технологическая карта. В карте указываются: марка стали поковки, размеры и масса заготовки, нормы расхода металла, основные, вспомогательные и отделочные операции, последовательность выполнения операций с указанием основного и вспомогательного инструмента и приспособлений, тип и силовые характеристики оборудования, режим нагрева заготовки, температура начала и конца ковки и др.

Чертеж поковки составляют по чертежу готовой детали с учетом приписка на дальнейшую (посте ковки) механическую обработку, допуска на номинальные размеры поковки (на точность изготовления поковки) и натека (избытка металла) для упрощения очертаний поковки.

Полученную поковку подвергают отделке, которая состоит в удалении поверхностных дефектов, очистки от окалины, шлака и проведении термической обработки.

Выход годного металла при свободной ковке определяется отношением массы партии готовых поковок к массе исходного металла, выраженным в процентах.

В настоящее время выход годного металла при получении поковок из слитков на прессах не превышает 60%, а из проката на молотах достигает 90°.

Иногда пользуются расходным коэффициентом, который представляет обратную величину от выхода годного.

Расходный коэффициент при получении поковок из слитков составляет не менее 1,7, а из проката - не менее 1,15.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и др. свойства. Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали.

Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Химико-термическая обработка состоит из 3-х процессов: диссоциации - получения насыщающего элемента в атомарном состоянии; абсорбции - поглощения активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла; диффузии - перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла. Для абсорбации и диффузии требуется, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя либо твердые растворы, либо химические соединения. Глубина проникновения диффундирующего элемента зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от состава стали.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация, цианирование, нитроцементация, азотирование, борирование и диффузионная металлизация (алитирование, хромирование и др.).

Цементация - представляет процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя изделия углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цементация придает поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках - шестерни, поршневые кольца, распределительные валы и др. Для цементации используют низкоуглеродистые стали. При цементации содержание углерода в поверхностном слое доводят до 1%. Толщина цементированного слоя составляет 0,5-2,5 мм. При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930-950°С в науглероживающей среде (твердой, жидкой или газообразной), выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, а затем медленно охлаждают. После этого деталь могут подвергать нормализации или закалке. Науглероживающей средой служат твердые карбюризаторы (мелкий древесный уголь в смеси с углекислым барием), жидкие соляные ванны (смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия и хлористого бария) и газы, содержащие углерод (природный, светильный и др.). Цементированные детали часто подвергают закалке температурой 820-850°C и низкому отпуску (150-170°С). После термической обработки структура поверхностного слоя представляет собой мартенсит или мартенсит с небольшим количеством карбидов с высокой твердостью HRC 60-64. Структура сердцевины остается мягкой и высокопластичной и состоит в основном из феррита и перлита.

Азотирование - процесс, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии. Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного и сохраняется до высоких температур 400-600°С, тогда как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200-250°С. Азотированию в основном подвергают легированные стали, содержащие алюминий, хром, титан и др. Пред азотированием улучшают механические свойства деталей, подвергая их закалке и высокому отпуску. Толщина азотированного слоя составляет 0,2-0,6 мм. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируется. Азотированию подвергают детали автомобилей (шестерни, коленчатые валы), а также штампы, пресс-формы и др. Поэтому после азотирования детали подвергают аммиаку при температуре 500-600°С. Аммиак разлагается с выделением активного атомарного азота. При этих температурах в герметически закрытом муфеле вставленном в печь, азот внедряется в поверхностный слой стали и вступает в химическое взаимодействие с легирующими элементами, образуя нитриды хрома, молибдена, вольфрама и др. Эти нитриды повышают твердость стали до HRC 70. Обычные стали после азотирования имеют меньшую твердость, поэтому углеродистые стали подвергают только антикоррозионному азотированию. Процесс азотирования длительный: до 24-60 час при 500-520°С.

Цианирование- процесс химико-термической обработки, заключающейся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN. Для получения слоя толщиной до 0,3 мм цианирование ведут при 820-860°С (низкотемпературное цианирование) в течение 0,5-1,5 час. Затем детали закаливают непосредственно из ванны и подвергают низкому отпуску (180-200°С). Твердость цианированного слоя после термообработки HRC 58-62. Низкотемпературному цианированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущей стали. Низкотемпературное цианирование применяют для укрепления мелких деталей. Цианированный слой по сравнению с цементированным имеет более высокую износостойкость. Для получения слоя большой толщины (0,5-2,0 мм) применяют высокотемпературное цианирование при 930-960°С, продолжительностью 1,5-6 часов, высокотемпературное цианирование применяют для деталей из средне- и низкоуглеродистый, а также легированных сталей. Процессы цианирования в сравнении с цементацией более производительны, обеспечивают меньшую деформацию и коробление деталей сложной формы и большую сопротивляемость износу и коррозии. Недостаток цианирования - высокая стоимость и ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация - процесс как и при цианировании, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом, но только в газовой среде. Основой газовой среды служит эндотермический газ (эндогаз), состоящий из азота (40%), водорода (40%) и окиси углерода (20%). При нитроцементации детали нагревают до 850-870°С в среде эндогаза с добавлением природного газа (5-15%) и аммиака (5%) и выдерживают в течении 4-10 час. Глубина нитроцементированного слоя 0,2-0,8 мм. Она зависит от температуры процесса и времени выдержки. После нитроцементации детали подвергают закалке и низкому отпуску при 160-180°С до твердости HRC 58-64. Нитроцементируют детали сложной формы, подвергающиеся износу (зубчатые колеса) и др., склонные к короблению. Нитроцементация имеет существенные преимущества перед газовой цементацией благодаря более низкой температуре. Нитроцементацию широко применяют в автомобильном и тракторном производстве. Так, на ВАЗе до 20% деталей, проходящих химико-термическую обработку, нитроцементируют.

Борирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в борсодержащей среде (бура, треххлористый бор и др.). Борирование проводят при температуре 850-950°С в течение 2-6 час. Для борирования можно использовать низко- и среднеуглеродистые стали. Борированный слой толщиной 0,1-0,2 мм имеет высокую твердость, износостойкость, в особенности в абразивной среде, коррозионную стойкость; Борирование применяют для повышения износостойкости деталей нефтяных насосов, турбобуров, штампов, пресс-форм и др. Борирование повышает стойкость деталей в 2-10) раз. Однако, борированные слои обладают высокой хрупкостью.

Диффузионная металлизация-процесс химико-термической обработки, при котором происходит насыщение поверхностного слоя стали различными металлами (алюминий, хром, цинк и др.) или их комплексами. При насыщении поверхностного слоя стального изделия другими металлами образуются твердые растворы замещения, поэтому диффузия их осуществляется труднее, чем диффузия углерода или азота. Диффузионное насыщение поверхности стали осуществляют при температурах 700-1400°С следующими способами: твердой диффузионной металлизацией, при котором металлизатором является ферросплав (феррохром, ферроалюминий и т.д.) с добавлением хлористого аммония; жидкой диффузионной металлизацией, которую проводят погружением детали в расплавленный металл (обычно с низкой температурой плавления: цинк, алюминий); газовой диффузионной металлизацией, выполняемой в газовой среде, содержащей хлориды различных металлов.

Так, например, алитирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали алюминием. Температура процесса 700- 1100°С толщина алитированного слоя 0,2-1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%. Алитирование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируют чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высокой температуре. Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах. Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред и т.п.

Коррозия металлов

Коррозией металлов называют разрушение металлических материалов вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Коррозия металлов наносит большой ущерб хозяйству и по общепринятому мнению около 1/3 добываемого металла во всем мире выбывает из технического употребления в результате коррозии, при этом 2/3 прокорродированного металла регенерируется в результате переплавки металлолома (скрапа), а остальная часть, составляющая около 10% от количества выплавляемого металла, теряется в виде пыли.

С развитием промышленного потенциала во всех странах темп роста коррозионных потерь стал превышать темп роста металлического фонда.

Безвозвратные потери от коррозии, значительно ускоряют использование природных ресурсов, но еще больший вред от коррозии связан с выходом из строя металлических конструкций, стоимость которых значительно превышает стоимость металла. Значительные убытки народному хозяйству наносят связанные с коррозией аварии машин и сооружений, порча продукции заводов пищевой и химической промышленности, происходящая вследствие загрязнения, а также простои оборудования, связанные с его ремонтом.

В промышленно развитых странах убытки от коррозии составляют примерно 5-10% от национального дохода. Так, в США общие убытки причиняемые коррозией составляют околев 70 млрд. долл. в год.

Классификация коррозионных процессов. По механизму протекания процесса различают химическую и электрохимическую виды коррозии. Коррозия по условиям протекания бывает следующая: газовая, в неэлектролитах, атмосферная, в электролитах, почвенная, коррозия внешним током, контактная, структурная, коррозия под напряжением, коррозия при трении, щелевая, биокоррозия.

По характеру коррозионного разрушения коррозия бывает следующей: общая (сплошная) и местная.

Химическая коррозия металлов. Эта коррозия возникает при действии на металлы сухих газов (продуктов горения топлива и др.) и жидких неэлектролитов (нефти, бензина и т.п.). В большинстве случаев продукты газовой коррозии образуются и остаются на металле в виде пленки, характер которой определяет ее защитные свойства. Эти плёнки на металлах по толщине могут быть подразделены на 3 группы: тонкие (невидимые) (до 400 A), средние (от 400 до 5000 A), дающие цвета побежалости, толстые (видимые, толщиной свыше 5000 A) - термическая окалина и др. Защитными свойствами могут обладать только плёнки, покрывающие сплошным слоем всю поверхность металла.

Электрохимическая коррозия металлов. Основное отличие электрохимического механизма коррозии металлов от чисто химического заключается в том, что взаимодействие среды с металлом разделается на два в значительной степени самостоятельных процесса: анодный и катодный.

В большинстве случаев для электрохимической коррозии характерна локализация анодного и катодного процессов на различных участках.

В общем, электрохимическая коррозия аналогична реакции в гальваническом элементе.

Условно металлы, стоящие в ряду напряжений выше водорода, называют электроотрицательными а ниже электроположительными.

Потенциал, который возникает при погружении металла в электролит, называется электродным потенциалом металла.

Если два различных металла в электролите привести в соприкосновение, то они образуют гальванический элемент, в котором металл с более отрицательным потенциалом будет анодом, а с более положительным - катодом. В качестве примера можно взять железо и никель, помещенные в раствор серной кислоты. Так как потенциал железа отрицательнее потенциала никеля, железо станет анодом, этой гальванической пары и будет растворяться.

Коррозию металлов можно рассматривать как результат действия множества коррозионных микроэлементов, находящихся на поверхности металла в соприкосновении с электролитом.

Вещества, прибавление которых уменьшает процесс поляризации, называют деполяризаторами.

Защита металлов от коррозии

Защита металлов от химической коррозии

Для защиты металлов от газовой коррозии (наиболее распространенного вида химической коррозии) существуют следующие основные способы: жаростойкое легирование (основа легирования - хром); применение защитных атмосфер (инертные газы); термодиффузный метод, заключающийся в нанесении с помощью диффузии покрытий из алюминия, хрома, кремния и др.; метод планирования, заключающийся в изготовлении биметаллических листов и лент, позволяющий экономить около 60% высоколегированной стали; неметаллические покрытия в виде жаростойких эмалей, полученные путем сплавления и представляющие собой керамические покрытия, состоящие из неорганических оксидов.

Защита металлов от электрохимической коррозии

Коррозионно-стойкие сплавы. Этот способ заключается за счет легирования конструкционного материала другими металлами. Эти сплавы классифицируют по трем признакам: по составу, по характеру устойчивости и структуре.

Обработка внешней среды. Сущность этого метода заключается в удалении некоторых реагентов, присутствующих в окружающей среде и вызывающих коррозию или же в добавлении специальных веществ, замедляющих коррозионные процессы. Такие вещества называются замедлителями или ингибиторами.

Электрохимическая защита. Этот способ применяется в растворах с высокой электропроводностью (например, в морской воде). Заключается он в присоединении к конструкции метопа, имеющего более отрицательный потенциал (протектора), или с помощью тока, приложенного извне. Например, для защиты стали в контакте с металлической конструкцией укрепляют цинковую пластинку. Или, защищаемое изделие присоединяется, к минусу источника тока и поляризуется катодно, а дополнительный электрод, присоединенный к плюсу, поляризуется анодно (например: корпуса судов, трубопроводы др.).

Металлические покрытия наносят для защита от коррозии, придания декоративных свойств, а также повышения износостойкости и др. Все Металлические покрытия по их полярности относительно защищаемого металла подразделяются на катодные, анодные. Катодные покрытия в обычных условиях защищают основной металл механически, изолируя его от внешней среды. При нарушении их сплошности коррозия из-за образующихся активных гальванических пар может резко усилиться. Анодные покрытия в обычных условиях защищают металл не только механически, но и путем электрохимической зашиты, так как при нарушении их сплошности (поры, трещины и т.п.) обнажившийся металл будет играть роль катода, и не будет растворяться.

Пассивирование поверхности. Этот метод заключается в получении защитных пленок на металлах в результате химической или электрохимической обработки их поверхности в специальных растворах. В качестве примера можно привести: оксидирование, фосфатирование и др.

Неметаллические покрытия. Этот вид включает в себя органические и неорганические покрытия. Простейшими видами органических покрытии являются смазки, чаще консистентные. Лакокрасочные покрытия - наиболее распространенный способ зашиты от коррозии в атмосфере. Краски представляют собой суспензии минеральных веществ: красителей в плёнкообразователе с добавкой наполнителей и сиккативов (ускоряющих образование твердой масляной пленки). Лаки являются коллоидными растворами высыхающих масел, смёл и эфиров целлюлозы в летучих органических растворителях. К органическим покрытиям относятся покрытия смолами, которые наносят жидкими в нагретом и растворенном состоянии, а также гуммирование. К неорганическим покрытиям относятся также: цементные и бетонные покрытия, силикатные эмали и др.

Нефть и нефтепродукты

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость с характерным запахом. Цвет нефти (зависит от растворенных в ней смол) - черный, темно-бурый иногда буро-зеленоватый. Встречается слабоокрашенная в желто-зеленый и даже бесцветная нефть. Многие виды нефти флуоресцируют (легкие - голубоватым, тяжелые - желто-бурым цветом). В воде нефть практически не растворима, но иногда образует с ней устойчивые эмульсии.

Плотность нефти колеблется от 0,73 до 1,06 г/см³. Нефть, плотность которой ниже 0,9 г/см³ называется легкой (бензиновой), выше - тяжелой. Теплотворная способность 40-46 МДж/кг, температура кипения легкой нефти 50-100°С, температура застывания зависит от содержания в ней твердых углеводородов и смолистых веществ и колеблется от -12 до -80°С.

В химическом отношении нефть представляет собой смесь углеводородов и углеродистых соединений, а также кислорода, азота, серы и других элементов.

Различают элементарный, групповой и фракционный состав нефти.

Элементарный состав нефти (в процентах по массе): 83-87% C; 12-14% Н; 0,01-3,0% N; 0,1-2,0% O; 0,03-1,7% S.

Групповой состав нефти (в зависимости от содержания различных углеводородов): алканы (парафиновые углеводороды) до 70%; цикланы (нафтеновые углеводороды) - до 75%; арены (ароматические углеводороды) до 35%.

Фракционный состав - определяется разделением нефти по различной температуре кипения составных частей. Фракция нефти - это ее доля (труппа углеводородов), выкипающая в определенном интервале температур. Например, бензиновая, выкипающая при температуре до 200°C, легроиновая - до 230°С, керосиновая - до 300°С и др.

В основе классификации нефти лежит ее химический состав.

По содержанию серы нефть подразделяют на 3 класса: I - малосернистая (не более 0,5% S): II- сернистая (0,51-2,0% S); III- высокосернистая (более 2% S).

В зависимости от потенциального суммарного содержания топлива (фракций, выкипающих до 350°С) нефть подразделяется на три типа (T₁;T;₂T₃), для которых выход топливных фракций составляет соответственно не менее 45; 30-44,9 и менее 30%).

В зависимости от потенциального суммарного содержания базовых, дистиллятных и остаточных масел нефть делится на 4 группы (М₁, М₂. М₃, М₄). Для этих групп выход масел в пересчёте на нефть составляет соответственно: 25; 15-25, менее 15%. Нефти с выходом масел более 20% называют масляными.

По качеству получаемых масел различают нефть, двух подгрупп (И₁, И₂), для которых индекс вязкости базовых масел соответственно более 85 и 40-85.

В зависимости от содержания парафина и возможности получения топлива для реактивных двигателей зимних или летних дизельных топлив и дистиллятных базовых масел нефти делят на три типа (П₁, П₂, П₃). Содержание парафина в каждой из них соответственно не белее 1,5; 1,51-6,0: более 6,0%.

По содержанию основного углеродного компонента нефть подразделяется на метановую (парафиновую), нафтеновую и ароматическую, по содержанию смол - на малосмолистую (до 8%), смолистую (8-28%) и сильносмолистую.

По месторождению нефть можно разделить на морскую и материковую. В настоящее время около 1/3 всей нефти в мире добывается со дна морей. Почти вся добываемая, в мире нефть извлекается из скважин, проходимых бурением.

К основным методам скважинного способа добычи относятся фонтанный, при котором нефть естественно фонтанирует через скважину вытесняется из залежи пластовым давлением, и механический - с применением различных механических устройств, из которых наиболее распространены: компрессорный, штанговая и бесштанговая глубинно-насосная эксплуатация.

Нефтепродукты

Переработкой нефти получают продукты более 10 тыс. наименований. По объёму потребления наибольшую значимость имеет искусственное жидкое топливо (карбюраторное, дизельное, котельное, реактивное и др.), смазочные масла консистентные смазки, конструкционные масла и технологические жидкости.

Карбюраторное топливо предназначено для двигателей внутреннего сгорания с зажиганием от электрической искры. Основной показатель детонационная стойкость, оцениваемая октановым числом, изменяющимся от 0 до 100. Октановое число определяется процентным содержанием малосклонного к детонации изооктана по сравнению с присутствующим в топливе нормальным гектаном, сгорающим со взрывом и вызывающим преждевременный износ двигателя.

Поскольку детонационная стойкость изооктана условно принята за 100 единиц, а н-гектана за 0, качество топлива тем лучше, чем больше в нем изооктана и. следовательно, чем выше октановое число. Автомобильные бензины имеют октановое число 66, 72, 76, 93, 95 и 98; авиационные - 70, 91, 95, 100; тракторный лигроин - 54. Повышение октанового числа достигается использованием более совершенных приемов каталитического крекинга, риформинга, анилирования и изомеризации нефтяных фракций, увеличением содержания ароматических углеводородов, а также добавлением к бензину тетраэтилсвинца.

Дизельное топливо используется в поршневых двигателях, воспламеняется от сжатия, необходимая температура воспламенения 550-600°С. Основной показатель воспламеняемости - цетановое число, характеризующее склонность дизельного топлива к воспламенению. Цетановое число определяется по эталонной смеси сравнением легко воспламеняющегося цетана и трудно воспламеняющегося -метилнафталина. Чем больше цетановое число, т.е. чем больше в топливе парафинов и меньше ароматических соединений, тем выше качество дизельного топлива. Для тихоходных двигателей (с числом оборотов менее 1000 об/мин) используются соляровые наела с цетановым числом меньше 40, для быстроходных - с цетановым числом от 40 до 50. В дизельных топливах всех марок, так же как и в карбюраторных, строго регламентируется кислотность, щелочность содержание серы и влаги, поскольку они сокращают срок службы двигателя.

Котельное топливо используют в паровых котлах, электростанциях, парогенераторах и котельных установках, промышленных печах. К этому виду топлива относятся мазуты (продукты прямой перегонки нефти), жидкие продукты переработки каменных углей и горючих сланцев, гудроны.

Реактивное топливо применяется в реактивных и газотурбинных двигателях, получают его из нефти фракционной перегонкой. В основном это керосины, содержащие бензиновые и утяжеленные фракции и различные присадки. Присадки ускоряют отстаивание механических примесей, увеличивают термическую стабильности, усиливают смазывающие и ослабляют абразивные свойства продуктов сгорания.

Смазочные масла получают перегонкой мазута под вакуумом; применяются они во всех движущихся деталях для уменьшения трения и отвода теплоты. Лучшее сырье - малосмолистые и малопарафинистые нефти. По назначению классифицируются на моторные, индустриальные, турбинные, компрессорные, цилиндровые, трансмиссионные и т.д., а по теплоте застывания на зимние и летние. Тщательно очищенная узкая фракция некоторых масляных дистилляторов используется электротехнике для заполнения масляных трансформаторов, выключателей реостатов. Применяемое для этих целей трансформаторное масло является хорошим диэлектриком и теплотворящей средой.

Для повышения рабочих свойств масел и смазок к ним добавляют в небольших количествах присадки.

Основными характеристиками смазочных масел является вязкость, температура вспышки и застывания. Вязкостью называют свойство слоев смазки сопротивляться относительному сдвигу. С повышением температуры, вязкость масел резко снижается. Вязкость масел выбирают с учетом давления и относительной скорости трущейся пары. С увеличением давления и уменьшением скорости применяют более вязкие масла. Температура вспышки - это температура при которой пары масла, нагретые в определенных условиях, вспыхивают при поднесении пламени. Температура застывания - это температура, при которой масло теряет текучесть.

Консистентные (пластичные) смазки получают добавлением к смазочным маслам загустителей (мыла, церезина, сульфидов, силикатов). Это улучшает их вязкостно-температурные свойства и делает пригодным к применению в случаях, когда обычная жидкая смазка не может быть использована из-за особых условий работы и конструкции узла, трения. Так антифрикционные консистентные смазки применяют для уменьшения трения и износа, защитные - для предохранения металлических деталей от коррозии, уплотнительные - для герметизации различных соединений. Введением специальных присадок таким смазкам придают повышенную стойкость к агрессивным средам, высоким и низким температурам, влаге и т.д.

Основными показателями пластичных смазок является температура каплепадения и число пенетрации. Для того чтобы смазка не вытекала из-под трущихся поверхностей, температура ее каплепадения должна быть на 15-20°C выше рабочей температуры узла трения. Число пенетрации характеризует густоту смазки. Чем выше число пенетрации, тем она более подвижная.

Конструкционные масла. Это масла и жидкости, применяемые для передачи импульса давления в гидропередачах, тормозных системах и амортизаторах, в качестве рабочих жидких тел в насосах, прессах, холодильных системах и т.п. В зависимости от назначения они обладают специфическими свойствами (несжимаемость, теплоемкость, незамерзаемость, испаряемость и др.), но должны быть нейтральными, защищать системы от коррозии, обладать смазывающими свойствами и стабильностью с течением времени. Кроме того, в некоторых аппаратах, установках и узлах машин применяют хладоны и антифризы. Хладоны - хладагенты в холодильных системах и в качестве растворителя в процессах очистки; антифризы - незамерзающие жидкости для систем охлаждения. Выпускаемый промышленностью антифриз (Тосол - А40) содержит специальные антикоррозионные и смазывающие присадки. Гидрофобизирующие жидкости предназначены для придания водоотталкивающих свойств тканям, бумаге, строительным материалам.

Технологические жидкости. Это вспомогательные вещества, которые служат для ускорения, технологических операций. К ним относят смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) и моющие средства (МС).

Смазочно-охлаждающие жидкости служат для облегчения происков обработки металлов резанием или давлением за счет создания смазывающей пленки, уменьшения трения заготовки об инструмент и улучшения отвода тепла. СОЖ представляют водные эмульсии, в состав которых в определенной пропорции входят вода, масло, ингибитор коррозии, поверхностно-активные вещества, повышающие смачивающие свойства жидкости и эмульгаторы, способствующие длительному хранению эмульсии и предотвращающие ее разделение на воду и масло.

Моющие средства подразделяют на синтетические (СМС) и растворяющее-эмульгирующие (РЭС) и растворители. Эти средства предназначены для очистки деталей и изделий от различных загрязнений, мешающих проведению технологических операций. СМС применяют в виде водных растворов при концентрации 5-20 г/т и температуре 50-85°C.

Размещено на Allbest.ru

...