Мартеновская печь- пламенная регенеративная печь
15а. Что такое раскисление стали, для чего его проводят?
40. Назовите основные виды термической обработки?
- Что такое отжиг?
- Что такое нормализация?
- Что такое закалка? Каково ее назначение?
- Что такое отпуск? Каково его назначение? Для каких видов изделий применяют тот или иной вид отпуска?
- Почему существует три вида отпуска, каковы их режимы, какие продукты (структуры) получают при каждом из них?
- Чем отличается перлитное превращение от мартенситного?
- Что такое латунь, бронза, дуралюмин, силумин? Как маркируют указанные сплавы?
- В чем заключается сущность литья?
- Что такое модель? Из каких материалов изготавливают модели?
- Что представляет собой литейная форма? Из каких материалов изготавливают литейные формы?
- Как называют процесс изготовления литейных форм из формовочных смесей?
- Какие приспособления входят в литейную оснастку?
- Что такое литниковая система?
- Из каких основных частей она состоит?
- Каковы основные компоненты песчано-глинистых смесей?
- Какие способы литья вы знаете?
- В чем сущность литья в кокиль?
- В чем сущность центробежного литья?
- В чем сущность литья по выплавляемым моделям?
- В чем сущность литья в оболочковые формы?
- Что называют обработкой металлов давлением?
- Какое свойство металлов используют при обработке металлов давлением?
- К каким металлическим сплавам применима обработка металлов давлением?
- Что называют холодной и горячей пластической деформацией?
- Что такое наклеп?
- Что такое рекристаллизация?
- Что называют рекристаллизационным отжигом?
- Назовите основные виды обработки металлов давлением?
- Что такое прокатка? Что является инструментом при этом способе ОМД?
- Какие изделия получают прокаткой?
- Что такое калиброванные валки? Какие изделия можно получать с их помощью?
- Что такое волочение? Что является инструментом при этом способе ОМД?
- Что называют прессованием? Что является инструментом при этом способе ОМД?
- Что называют ковкой? Что является инструментом при этом способе ОМД?
- Назовите основные операции ковки?
- Что называют штамповкой? Что является инструментом при этом способе ОМД?
- Физическая сущность и основные способы процесса сварки?
- Сущность основных способов сварки плавлением и область их рационального применения?
- Сущность основных способов сварки давлением?
- Сущность газокислородной резки металлов?
Ответы на вопросы, вызывающие трудности при сдаче зачета по дисциплине «Основы металлургии» (для групп ИЭ).
1. Что такое чугун?
Теоретически, руководствуясь диаграммой равновесия железо – цементит, чугун – это сплав железа с углеродом, который содержит углерода более 2,14 % и менее 6,67%.
Промышленный чугун (чугун, выплавляемый в доменной печи) – это сплав железа с углеродом, содержащий обычно 2 - 4,5% углерода, а также постоянные примеси: полезные - Si (кремний) и Mn (марганец); вредные - S (серу) и P (фосфор). Чугун получают из железорудных материалов в доменных печах. Примеси попадают в сплав в процессе его производства. Основная масса чугуна (свыше 85%) перерабатывается в сталь (так называемый передельный чугун). Остальная часть (литейный чугун) в виде отливок (чушек) по 45 кг поступает на машиностроительные заводы для изготовления фасонного литья. Передельный чугун называют также белым чугуном по цвету его излома. Это хрупкий материал, который не может быть использован в качестве конструкционного материала. Низкие механические свойства белого чугуна связаны с тем, что весь углерод, присутствующий в нем, находится в связанном состоянии, в основном, в виде химического соединения карбида железа (Fe3C) – цементита. На машиностроительных заводах в процессе получения литейных изделий (отливок) специальными методами белый чугун, которым первоначально является чугун, поступающий на машиностроительные заводы, перерабатывается в так называемый серый (с пластинчатым графитом), ковкий (с хлопьевидным графитом) и высокопрочный (с шаровидным графитом) чугун. Литейный чугун (серый, ковкий и высокопрочный) – это конструкционный материал
2. Что такое доменная печь и для чего она предназначена?
Доменная печь (домна) - шахтная печь для выплавки чугуна. Первые доменные печи появились в Европе в середине 14-го века, в России - около 1630 г. Принцип работы Д.п. Исходные материалы (шúхта): железная руда или железорудный агломерат, окатыши, кокс, флюсы - подаются сверху на колошник. Снизу через фурмы вводят нагретый воздух, жидкое, газообразное или пылевидное топливо. В Д.п. в результате химических реакций происходит восстановление железа из его оксидов и насыщение железа углеродом. Продукты плавки – чугун и шлак – периодически выпускают через специальные отверстия (лĕтки), находящиеся в нижней части печи. Работа печи (как говорят, кампания печи) от задувки до капитального ремонта - ~ 10 лет.
3. Назовите исходные материалы для доменного производства.
Это, так называемые сырые материалы или шúхта: 1. железная руда; 2. флюсы; 3. кокс.
Бедные железные руды, содержащие менее 30% Fe обогащают на обогатительных фабриках, удаляя различными методами пустую породу (в основном, песок и глину). Затем 1) спекают с флюсом, получают кусковой материал – агломерат или 2) путем окатывания влажной пылевидной рудной мелочи с флюсом получают, так называемые, окатыши размером ~30 мм, которые затем подсушивают и обжигают. При использовании агломерата и окатышей отпадает отдельная подача флюса.
4. Что такое железная руда?
Железная руда – это природное минеральное образование (горная порода), которое содержит железо в таких количествах, при которых ее технически и экономически целесообразно перерабатывать, т.е. извлекать железо. Железо в железной руде находится в виде различных оксидов железа: Fe3 O4 (магнитный железняк, содержит до 70% железа), Fe2 O3 (красный железняк, содержит до 60 % железа), водный оксид железа Fe2 O3х3H2 O (бурый железняк, содержит до 30 % железа) или виде карбоната FeCO3 (шпатовый железняк-сидерит, содержит до 40 % железа). К лучшим железным рудам относятся красные железняки благодаря низкому содержанию вредных примесей серы и фосфора и хорошей восстанавливаемости. Кроме оксидов руда содержит пустую породу, в состав которой входят кремнезем SiO2 (песок), глинозем Al2O3 (глину), оксид кальция (CaO) и оксид магния MgO. Основными операциями подготовки руды к плавке являются дробление, сортировка, обогащение, обжиг и спекание. Цель обогащения – удаление пустой породы и повышение содержания железа. Для обогащения железных руд применяют промывку и магнитную сепарацию.
5. Что такое доменные флюсы, каково их назначение?
Доменные флюсы – это материалы, вводимые в шихту для понижения температуры плавления пустой породы и образования легкоплавкого сплава - шлака. Выбор флюсов зависит от химического состава пустой породы. Если в пустой породе присутствует песок и глина, то в качестве флюса используют известняк CaCO3, реже доломит CaCO3хMgCO3. Если пустая порода содержит известняк, в качестве флюса используют песок SiO2.
6. Что является основным видом топлива в доменном производстве.
Основным видом топлива в доменном производстве является кокс – твердый материал, содержащий 91-99,5% углерода. Кокс получают из каменного угля (так называемых коксующихся углей) путем коксования, т.е. нагрева до высоких температур без доступа воздуха. Кокс одновременно является топливом и восстановителем железа из железной руды в производстве чугуна.
7. Что такое шлак?
Шлак – это легкоплавкий сплав, формируется из пустой породы и флюсов при выплавке чугуна, также при выплавке стали.
8. Основной химический процесс, протекающий в доменной печи – восстановление железа из его окислов.
9. Косвенное или непрямое восстановление – это восстановление железа из его окислов оксидом углерода. Например: FeO + CO = Fe + СО2 + Q. Суммарный тепловой эффект косвенного восстановления положителен. Этот процесс протекает в нижней части шахты доменной печи при сравнительно низких температурах. Косвенным путем восстанавливается 60-70% железа.
Прямое восстановление - это восстановление твердым углеродом кокса по реакции:
FeO + C = Fe + СО – Q. Эта реакция идет с большим поглощением тепла при высоких температурах (выше 900-1000 0С) в зоне распара и верхней части заплечиков. Прямым восстановлением восстанавливается 30-40% (до 50%) железа.
10. Интенсификация доменного производства печи – Основные показатели работы доменной коэффициент использования полезного объема (КИПО) и расход кокса на 1 тонну выплавленного чугуна. КИПО показывает отношение полезного объема печи V, м3 (от уровня чугунной летки до максимального уровня засыпки сырых материалов) к средней выплавке чугуна за сутки G, т, таким образом, КИПО = V/ G, м3/т. Чем меньше значение КИПО, тем лучше работает доменная печь. Значения КИПО колеблются в пределах 0,4 – 0,7 и зависят от содержания железа в руде, подготовки шихтовых материалов, сорта выплавляемого чугуна. Стоимость кокса составляет 40-50% от стоимости чугуна. Удельный расход кокса зависит от качества шихты, температуры нагрева дутья и его обогащения кислородом. На доменных печах КИПО в среднем составляет 0,5 – 0,6. В России на самой производительной достигнут КИПО 0,4 – 0,45. Интенсификация доменного процесса, а, следовательно, возможность уменьшения КИПО может быть осуществлена путем:
1) увеличения полезного объема печи,
2) обогащения дутья кислородом,
3) использования природного газа,
4) улучшения подготовки шихты,
5) замены железной руды агломератом и окатышами,
6) автоматизации всех процессов плавки.
11. Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом, содержащим углерода менее 2% (2,14%), обычно не более 1,3%. Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний (полезные примеси), фосфор, сера (вредные примеси).
12.
13. Преимущества и недостатка получения стали в кислородном конвертере.
Преимущества:
1) В кислородном конвертере можно останавливать процесс на заданном содержании углерода и получать сталь самых различных марок (за исключением высоколегированных).
2) Качество получаемой стали, которое определяется количеством наиболее вредных примесей - серы и фосфора - аналогично качеству мартеновской стали.
3) Коэффициент использования топлива, равный 70%, при конвертерном способе значительно больший по сравнению с другими способами, в виду чего отпадает необходимость наличия миксеров (хранилищ жидкого чугуна).
4) Основное преимущество конвертерного способа выплавки стали прежде всего связано с высокой производительностью. Производительность кислородного конвертера составляет 400 тонн стали в час, производительность мартеновской печи – 80 – 100 т/ч.
К недостаткам данного способа следует отнести:
1) большой угар металла (до 10%);
2) невозможность переработки только железного лома;
3) трудность в получении стали заданного химического состава;
4) невозможность получения высоколегированных сталей; (Кислородно-конвертерным способом выплавляют только углеродистые стали и некоторые марки низколегированных сталей. Это связано со скоротечностью процесса плавки, при которой нельзя эффективно произвести анализ проб стали.)
5)необходимость сооружения сложных дорогостоящих пылеочистительных установок, так как процесс плавки сопровождается выбросом большого количества вредной пыли. Объем выплавляемой в России кислородно-конвертерной стали составляет около 35 % от общего объема ее производства
14. Преимущества и недостатки выплавки стали в мартеновских печах.
Мартеновская печь- пламенная регенеративная печь
Преимущества мартеновского способа выплавки стали:
1) возможность переработки в больших количествах железного лома;
2) малый угар металла (менее 3%);
3) возможность получения стали заданного состава высокого качества.
К недостаткам метода следует отнести:
1) низкую производительность;
2) большой расход топлива;
3) трудность в получении высоколегированных и специальных сталей, вследствие недостаточной температуры плавки.
15. Преимущества и недостатки плавки в электропечах.
Преимущества:
1). Электропечь быстро нагревается до заданной температуры.
2) Температура печи легко регулируется.
3). Высокая температура плавки (более 20000С) позволяет выплавлять сплавы с высокой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, молибдена, вольфрама и др.).
4). Возможность регулирования температуры за счет изменения параметров электрического тока, а также возможность создания в пространстве печи необходимой атмосферы: окислительной, восстановительной, нейтральной или вакуума - все это позволяет получать сталь высокого качества любого химического состава. Электрические печи бывают дуговые и индукционные. Наиболее распространены дуговые печи.
К недостаткам можно отнести большие затраты электрической энергии, и связанную с этим высокую стоимость выплавленной таким образом стали
15а. Что такое раскисление стали, для чего его проводят?
Заключительным этапом плавки является ее раскисление, цель которого - удаление оксида железа. В жидкую сталь вводят раскислители – марганец, кремний (в виде ферросплавов) и алюминий:
FeO + Mn = Fe + MnO;
2FeO + Si = 2Fe + SiO2;
3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3.
Раскисление проводят в конвертере или в ковше. В зависимости от степени раскисления различают кипящие, спокойные и полуспокойные стали. Кипящие стали – это стали раскисленные ферромарганцем. В них остаются примеси оксида железа, и процесс раскисления продолжается в изложнице 1) по реакции:
FeO + C = Fe + CO.
Выделение пузырьков СО выглядит как «кипение» стали. Спокойную сталь получают при раскислении ее одновременно ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. При таком раскислении полностью удаляются оксиды железа, и «кипения» в изложнице не происходит. Полуспокойная сталь – это сталь, которую раскисляют ферромарганцем и пониженным количеством ферросилиция. Она занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью.
1) Изложница – металлическая форма различного сечения для заполнения расплавленным металлом и получения слитка.
16. Электроплавку осуществляют в индукционных и электродуговых печах.
17. Все металлы и металлические сплавы суть твердые кристаллические тела, в которых атомы расположены в пространстве в строго определенном порядке в узлах воображаемой кристаллической решетки. Наименьшая часть кристаллической решетки, перемещая которую в пространстве в направлениях xyz можно получить весь кристалл, называется элементарной ячейкой.
18. Типы кристаллических решеток: ОЦК (объемно- центрированная кубическая), ГЦК (гранецентрированная кубическая), ГПУ (гексагональная плотноупакованная).
19. Полиморфизм металлов – способность некоторых металлов (Fe, Sn, Ni, Zr) изменять в зависимости от температурного интервала свою кристаллическую решетку, а, следовательно, и свойства. Например, железо ниже температуры 911 0С имеет решетку ОЦК, а в интервале 911 -1392 0С - решетку ГЦК, а при нагреве выше 1392 0С решетка железа опять трансформируется в модификацию ОЦК и вплоть до температуры плавления, т.е. в интервале 1392 – 1539 0С – железо существует в ОЦК-модификации. Температуры 911, 1392 0С называют температурами полиморфного превращения. При охлаждении идет обратный процесс: при температурах полиморфного превращения ОЦК-железо превращается в ГЦК и опять в ОЦК.
20. Расстояния между атомами в кристалле в различных направлениях неодинаковы, Неодинакова и плотность расположения атомов по различным плоскостям. Вследствие этого химические, физические и механические свойства монокристаллов зависят от направления исследования данного свойства. Зависимость свойств от направления называют анизотропией. Анизотропия это явление зависимости свойств, в том числе механических в зависимости от направления приложения нагрузки. Анизотропия свойственна монокристаллам и деформированным в холодную поликристаллам.
21. Псевдо или квазиизотропия свойственна поликристаллическим телам, которые состоят из множества кристаллов неправильной формы,т.е. зерен, которые ориентированы хаотично. Поэтому вне зависимости от направления приложения нагрузки свойства будут одинаковы. В поликристаллическом материале, коими являются металлы и сплавы, все зерна ориентированы хаотически. Поэтому металлы и сплавы являются псевдоизотропными (говорят, квазиизотропные). При холодной обработке металлов появляется преимущественная ориентированность кристаллов – текстура, а следовательно, появляется анизотропия свойств. Текстурирование используют, например, в производстве электротехнических сталей.
22. Все металлы – суть поликристаллические тела. Кристаллы неправильной формы, сформировавшиеся в процессе кристаллизации (затвердевания) называют кристаллитами или зернами.
23. Сплав, полученный сплавлением или спеканием двух или более металлических элементов (компонентов) с возможным присутствием незначительного количества неметаллов и сохраняющий свойства, присущие металлу, а именно высокую электропроводность, теплопроводность, пластичность, называют металлическим сплавом.
27. Перлит – это механическая смесь феррита и цементита, образующаяся из аустенита в результате эвтектоидного превращения стали при постоянной температуре. Для углеродистой стали это температура 727 0С. Перлит является структурной составляющей углеродистых сталей после отжига, т.е. в равновесном состоянии. Перлит входит в состав ледебурита в белых чугунах, а также может являться структурой металлической основы в графитизированных чугунах.
Ледебурит – это механическая смесь двух твердых фаз: аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого чугуна, в котором растворено 4,3 % углерода при постоянной температуре 1147 0С. При дальнейшем охлаждении аустенита, в котором в результате этектической реакции растворено 2,14 % углерода, концентрация углерода в нем уменьшается. Углерод из аустенита выделяется в виде цементита. При охлаждении до температуры 727 0С в аустените остается 0,8% углерода, и этот аустенит претерпевает эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит. Поэтому при комнатной температуре, так же при нагреве до 727 0С ледебурит – это смесь перлита и цементита.
28. Фазовый состав стали и чугуна зависит от содержания углерода и температуры.
Ниже 727 0С в стали и чугуне присутствуют две фазы: феррит и цементит. Структура стали и чугуна зависит от содержания углерода. В интервале концентраций более 0,02 и менее 0,8 % углерода структура стали содержит две структурные составляющие: феррит и перлит. При содержании углерода 0,8 % структура стали – перлит (одна структурная составляющая). При содержании углерода более 0,8 и менее 2,14 % структура стали состоит из двух структурных составляющих: перлита и цементита вторичного. При содержании углерода более 2,14 и менее 4,3 % структура чугуна состоит их трех структурных составляющих: перлита, ледебурита и цементита вторичного. При содержании углерода 4,3 % структура чугуна состоит из одной структурной составляющей – ледебурита. При содержании углерода более 4,3 и менее 6,67 % структура чугуна состоит из двух структурных составляющих: ледебурита и цементита первичного.
29. Углеродистые конструкционные стали содержат менее 0,65% углерода. Их фазовый состав при комнатной температуре (в равновесном состоянии, т.е. при медленном охлаждении) - феррит (твердый раствор углерода в железе с решеткой ОЦК) и цементит (химическое соединении Fe3 C – карбид железа). Структура конструкционной стали при комнатной температуре (в равновесном состоянии) – феррит и перлит (механическая смесь феррита и цементита, образовавшаяся из аустенита при 7270 С в результате эвтектоидного превращения). Механические свойства конструкционных сталей характеризуются удовлетворительной прочностью и высокой пластичностью и вязкостью. Конструкционные стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием и могут подвергаться ОМД (обработке металлов давлением). Причем с увеличением содержания углерода прочность и твердость возрастают, а пластичность и вязкость падают. Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные. Качество стали зависит от количества вредных примесей – серы и фосфора. Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст и цифрой от 0 до 6. Цифра – условный номер, который зависит от химического состава стали. В конце марки добавляют буквы, которые указывают вид раскисления: кп – кипящая сталь, пс –полуспокойная, сп – спокойная. Например, Ст1кп, Ст3пс. Сталь обыкновенного качества применяют в виде листового и сортового проката для изготовления различных строительных конструкций, мостов, болтов.
Качественные конструкционные стали обозначают цифрами: 08,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,58,60. Цифры означают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 60 содержит 0,6 % углерода. Из стали 08, 10… 25 изготавливают холодной штамповкой шайбы, болты, винты. Из средне и высокоуглеродистых сталей (марки 30… 55) изготавливают оси, коленчатые валы, цилиндры, шестерни, зубчатые колеса.
30. Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,7 до 1,3 %. Их маркируют буквой У и цифрой, указывающей на содержание углерода в десятых долях процента (У7…У13), например, сталь У7 содержит 0,7% углерода. Фазовый состав углеродистой инструментальной стали при комнатной температуре в равновесном состоянии - феррит и цементит. Структура инструментальной стали при комнатной температуре в равновесном состоянии зависит от содержания углерода. В стали У7 структура – феррит и перлит, в стали У8 – перлит, в сталях У9 – У13 – перлит и вторичный цементит. Применение: Стали марок У7 – У9 - зубила, клейма по металлу, пилы, топоры. У10 –У13 – напильники, острый хирургический инструмент, простые штампы для холодного деформирования. Рабочие свойства стали зависят от конечной структуры, которая формируется в процессе необходимой термической обработки.
32. Какой сплав называют легированной сталью? Как маркируют легированные стали?
Легированная сталь-это сталь, которая помимо железа и углерода (хотя есть и безуглеродистые стали) содержит другие элементы, специально введенные в сталь при выплавке для получения специальных свойств, не присущих обычной углеродистой стали. Номенклатура легированных сталей разнообразна: высокотвердые, быстрорежущие, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, с особыми физическими свойствами т.д.
Маркировка легированных сталей. Легированные стали маркируют с помощью цифр и букв, указывающих на примерный химический состав стали. Первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на присутствие легирующего элемента. Каждый элемент обозначается своей буквой: Н – никель, Г – марганец, Х – хром, Ц – цирконий, Т – титан, К – кобальт, М – молибден, В – вольфрам, П – фосфор, Ф – ванадий, Б – ниобий, Ю – алюминий, С – кремний, Д – медь, А – азот. Цифры за буквой означают примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1-1,5 % цифра отсутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Высококачественные стали обозначают буквой А, которая стоит в конце марки, например, 38ХН3МФА. Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), это говорит о том, что сталь легирована азотом. Если в конце марки через де фис стоит буква Ш, значит сталь особовысококачественная. Если в конце марки стоит буква Л, это означает, что сталь предназначена для изготовления деталей литьем, например, 110Г13Л. Для некоторых групп сталей используют нестандартную маркировку. Подшипниковые стали обозначают буквами ШХ и цифрой, указывающей на содержание хрома в десятых долях процента, например, ШХ15 (содержание хрома 1,5 %). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, первая цифра указывает на содержание основного легирующего элемента - вольфрама, например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5 % Mo).