Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Кафедра «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки»

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение и ТКМ»

направления подготовки «Нефтегазовое дело» (бакалавр)

Выполнил:

Студент заочного обучения

Группы бНФГДз31

Куприн Р.А.

Проверил:

Кандидат технических наук / доцент

Протасова Н.В

Саратов 2016

Задание № 1.

Изложите физико-химическую сущность процесса передела чугуна в сталь. Приведите основные химические реакции окисления примесей и удаления серы и фосфора.

Принцип передела чугуна на сталь

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и других примесей (табл. 1). Вне зависимости от способа получения стали (кислородно-конверторного, мартеновского или плавки в электропечах) можно выстроить общую принципиальную схему протекания сталеплавильного процесса. Весь процесс можно разбить на ряд этапов.

чугун сталь литье давление

Таблица 1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали

Первый этап это окисление примесей. Следует заметить, что источником О2 могут быть как чистый кислород, так и кислород воздуха, подаваемого в печь для сжигания топлива:

Fe+1/2O2=FeO+Q; Si+O2=SiO2+Q; Mn+1/2 O2= MnO+Q;

4P+5 O2=2P2O5+Q;

2C+O2=2CO +Q;

S+O2=SO2 +Q.

Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо(Si, Mn), могут окисляться, отнимая кислород у оксидов железа, входящих в железную руду или окалину, которые добавляют в шихту:

2FeO+Si=2Fe+SiO2+Q; FeO+Mn=MnO+Fe+Q.

Реакции окисления - экзотермические. Выделение тепла приводит к повышению температуры расплава. В процессе протекания окислительных или окислительно восстановительных химических реакций имеет место выделение газообразных веществ (СО, SO2). Всплытие пузырьков газообразных веществ, образующихся в результате реакций окисления, вызывает «кипение» ванны расплавленного металла.

Удаление негазообразных оксидов происходит за счет процесса шлакования, общий принцип которого рассмотрен выше. Процесс идет как за счет взаимодействия оксидов с флюсом (кислым или основным), так и за счет взаимодействия образовавшихся оксидов между собой:

SiO2+CaO>CaO·SiO2;

3(FeO)+P2O5>(FeO)3·P2O5.

Процесс удаления вредных примесей серы и фосфора носит название «рафинирование». Важно отметить, что удаление серы и фосфора возможно лишь при использовании основного флюса (извести СаО). Сера в стали содержится в виде химического соединения FeS, а если сталь богата марганцем, то в виде MnS:

FeS+CaO>FeO+CaS ;

шлак

MnS+CaO>MnO+CaS .

шлак

Удаление фосфора идет по типовой схеме взаимодействия кислого и основного оксида:

P2O5+4CaO>[4(CaO)·(P2O5)] .

шлак

Заключительным этапом любого сталеплавильного процесса является процесс раскисления. Он может происходить как в печи, так и в разливочном ковше, куда вводят раскислители либов виде ферросплавов (ферромарганиц, ферросилиций), либо в виде чистого алюминия. Цель этого этапа восстановить окисленное на первом этапе железо. В общем виде химическую реакцию можно представить так:

FeO+X>Fe+XО,

где Х элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем железо. В реальных сталеплавильных процессах - это Si, Mn, C, CO, Al и др.

Процесс, протекающий по вышеприведенной схеме, носит название осаждающего раскисления. В результате данного процесса происходит восстановление железа и образование оксидов MnO, SiO2, Al2O3 и др. Образующиеся малорастворимые в металле окислы легко отделяются от расплава и благодаря меньшей плотности, чем плотность жидкого металла, всплывают в шлак. Как было сказано выше, реакции, протекающие при раскислении, идут с выделением тепла.

При понижении температуры металла в изложнице (при разливке) течение реакций раскисления может продолжиться. Вновь образовавшиеся оксиды не успевают всплывать и удаляться из металла. В случае, когда требуется получить особо чистую от неметаллических включений сталь, применяют диффузионное раскисление. При данном методе раскислители подают на поверхность шлака. Восстанавливая железо из его оксидов, они тем самым понижают концентрацию FeO в шлаке. В соответствии с законом распределения оксиды железа переходят из металла в шлак. Процесс идет до тех пор, пока не установится равновесное распределение закиси железа в шлаке и металле, соответствующее данным внешним условиям (температура и др.). Преимуществом диффузионного раскисления является достижение высокой чистоты металла по неметаллическим включениям. Недостатком данного способа является высокий угар дорогостоящих раскислителей (вследствие их реакции с кислородом атмосферы печи). По этой причине метод диффузионного раскисления применяется реже.

Раскисление синтетическими шлаками по своему физикохимическому принципу схож с диффузионным. В ковш, на дне которого находится расплав шлака, не содержащего FeO, с большой высоты заливают раскисляемую сталь. Струя металла дробится на капли, контакт металла со шлаками возрастает. Благодаря этому процесс раскисления идет с большой скоростью. При этом сталь не только раскисляется, но и снижается содержание в ней серы и фосфора, а также других неметаллических включений.

Сталеплавительное производство включает в себя конвертерный, мартеновский способы получения стали и плавку в электропечах.

В середине XIX века английский изобретатель Генри Бессимер предложил способ получения стали путем продувки жидкого чугуна в конвертере с кислой футеровкой.

Позднее Сидней Томас предложил вести процесс в конвертерах с основной футеровкой, что позволило получать сталь из жидких чугунов, содержащих большое количество фосфора. Способ, предложенный французским металлургом Пьером Мартеном (мартеновский), позволил использовать для плавки твердые шихтовые материалы (руду, лом, отходы машиностроительного производства). Разработка в середине ХХ века кислородно-конвекторного способа позволила получать сталь, не уступающую по качеству мартеновской. Применение электрической энергии в качестве источника тепла для плавки стали позволяет получать высокие температуры (до 35000С), которые при сжигании обычных видов металлургического топлива, получить не представляется возможным.

Задание №2

Изложите сущность способа литья под давлением. Приведите схему изготовления отливок давлением на машинах с горизонтальной камерой прессования. Укажите достоинства, недостатки и области применения этого способа литья.

Литье под давлением.

Сущность этого способа заключается в том, что расплав металла подается в стальную разъемную пресс-форму под давлением. Рабочее давление на расплав осуществляется непосредственно сжатым воздухом (газом) или поршнем, который перемещается под действием сжатого воздуха (газа), эмульсии или масла. Давление может достигать нескольких сот атмосфер, что обеспечивает хорошую заполняемость пресс-формы и получение отливок 3-5-го классов точности и с шероховатостью поверхности, соответствующей 5-8-му классам. При этом обеспечивается большая производительность.

Литье под давлением ведут на компрессорных и прошневых машинах. Поршневые машины выполнены с вертикальной и горизонтальной камерами прессования. Камеры могут быть холодными и горячими.

Литье под давлением на машине с горизонтальной камерой (рис. 1) протекает в той же последовательности.

Рис. 1. Схемы процесса литья под давлением на машине

Основные преимущества литья под давлением заключаются в следующем. Литье под давлением позволяет решить одну из важнейших задач литейного производства: максимально приблизить размеры отливки к размерам готовой детали. Отливки, полученные в металлических пресс-формах, имеют чистую и гладкую поверхность, что значительно сокращает поверхностную отделку деталей (шлифование, полирование и т. д.). Этим способом отливают ответственные детали с тонкими стенками, сложной конфигурации. Кроме того, литье под давлением применяют для соединения нескольких деталей или получения отливок с арматурой из других металлов. Отливки, полученные литьем под давлением, имеют мелкозернистую структуру и высокие механические свойства.

Экономически выгодным также является то, что в одной пресс-форме можно изготовить в короткий срок большое количество отливок. Высокая производительность этого способа литья и минимальные припуски снижают себестоимость производства как в литейном, так и в механических цехах.

Кроме того, литье под давлением исключает применение формовочных смесей, поэтому санитарно-производственные условия лучше, чем в обычных литейных цехах.

Таким образом, литье под давлением - один из наиболее прогрессивных способов изготовления отливок.

С другой стороны, литье под давлением - сложный технологический процесс, который требует знаний металлургии сплава, технологии литья, специальных знаний инструментального производства при изготовлении пресс-форм и, наконец, механики при эксплуатации машин для литья под давлением.

Литье под давлением имеет некоторые недостатки, например появление в отливках мелких воздушных раковин (пористости). Находящийся в полости пресс-формы воздух не успевает полностью выходить наружу и частично смешивается с расплавом. Не успевают выйти из отливки и газы, растворенные в металле, из-за пористости отливки нельзя подвергать термообработке, так как при нагреве появляются вздутия. Трудно, а иногда и невозможно, отлить этим способом деталь с поднутрением и внутренними полостями.

Существующие в современном производстве машины и пресс-формы пригодны лишь для изготовления отливок из сплавов с температурой плавления ниже 1000° С. Для литья стали изготовлены специальные опытные литейные машины и пресс-формы (см. гл. VI).

Литьем под давлением можно получать отливки не из всех сплавов. Наиболее пригодные - цинковые сплавы, некоторые алюминиевые, латуни. Труднее получать этим способом детали из стали и чугуна. Не отливают под давлением детали из бронз.

Высокая стоимость оборудования и пресс-форм делает не всегда выгодным производство небольших партий отливок способом литья под давлением, поэтому способ литья под давлением широко распространен в серийном и массовом производствах.

Размещено на Allbest.ru