Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний університет

Машинобудівний коледж

ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ

з дисципліни

“ Технологія

конструкційних матеріалів”

для студентів усіх форм навчання спеціальності

5.05050302 „Технологія обробки матеріалів на верстатах і автоматичних лініях”

2012 р.

Опорні конспекти розроблені викладачами дисципліни

„Технологія конструкційних матеріалів”

Гальченко І.Г. та Лобовим С.В.

Розглянуто і затверджено цикловою комісією спеціальності 5.05050302 „Технологія обробки матеріалів на верстатах і втоматичних лініях”

Протокол № 01 від “06” вересня 2012 р.

Рецензенти:

Рівні засвоєння навчального матеріалу:

• перший рівень – початковий – відповідь студента при відтворенні навчального матеріалу – елементарна, фрагментарна, зумовлюється початковими уявленнями про предмет вивчення;

• другий рівень – середній – студент відтворює основний навчальний матеріал, здатний розв’язувати завдання за зразком, володіє елементарними вміннями навчальної діяльності (*);

• третій рівень – достатній – студент знає істотні ознаки понять, явищ, закономірностей зв’язків між ними, а також самостійно застосовує знання в стандартних ситуаціях, володіє розумовими операціями (аналізом, абстрагуванням, узагальненням тощо), уміє робити висновки, виправляти допущені помилки; відповідь повна, правильна, логічна, обгрунтована, хоча їй бракує власних суджень (**);

• четвертий рівень – високий – знання студента є глибокими, міцними, узагальненими, системними; студент уміє застосовувати знання творчо, його навчальна діяльність має дослідницький характер, позначена вмінням самостійно оцінювати різноманітні життєві ситуації, явища, факти, виявляє і відстоює особисту позицію (***).

Вступ

Технологія конструкційних матеріалів – наука про способи добування, будову, властивості та методи обробки металевих і неметалевих матеріалів.

Дисципліна разом з іншими загальнотехнічними дисциплінами (креслення, нарисна геометрія, технічна механіка, взаємозамінність, стандартизація та технічні вимірювання) дає необхідну загальноінженерну підготовку, забезпечує отримання знань, необхідних для роботи на виробництві; на базі цього предмету забезпечується засвоєння інших загальнотехнічних і спеціальних курсів.

Всі технологічні процеси машинобудування, в результаті яких одержують деталь, вузол машини, можна поділити на чотири групи:

Технологічні процеси машинобудування
1. Отримання матеріалів		2. Формоутворення заготовок		3. Електрофізико-механічні методи обробки заготовок		4. Термічна обробка металів
Отримання конструк-ційного матеріалу за-даного хімічного складу і форми для подальшої обробки (отримання зливку)		Отримання заготовки, близької за формою і розмірами до готової деталі (отримання відливки, поковки)		Зняття із заготовки шару металу для одержання необхідної точності розмірів, форми і чистоти поверхні		Отримання необхід-ної структури і властивостей матеріалу для забезпечення необхідних технічних вимог до деталі та надійності її роботи

Конструкційні матеріали, що застосовуються в машинобудуванні, належать до однієї з трьох груп:

Конструкційні матеріали

Метали

Неметали

Композиційні матеріали

чорні сталь, чавун ≈ 94%

кольорові Al, Cu, Mg, Ti, Zn, Sn ...

пластмаси, гума, скло, деревина, фарби, клеї, лаки …

метал + неметал неметал + неметал

Розділ і Виробництво чорних металів

Тема 1.1. Виробництво чавуну план

1. Поняття чавуну.*

2. Початкові матеріали для одержання чавуну.**

3. Підготовка їх до плавки.*

4. Конструкція і робота доменної печі.**

5. Суть доменного процесу.**

6. Продукти доменного виробництва.**

7. Техніко-економічні показники роботи доменної печі.*

Чавун – залізовуглецевий сплав, який містить більше 2,14% вуглецю.

Початкові матеріали:

1. Залізні руди.

2. Паливо.

3. Флюси.

Руда – природна мінеральна сировина, яка містить метали в кількості і вигляді, придатному для промислового використання. Руда складається з рудних мінералів (містять потрібний метал) і пустої породи.

До залізних руд належать:

1. Червоний залізняк (гематит) – залізо у вигляді Fe₂O₃ (45-65% заліза).

2. Бурий залізняк (лимонит) – залізо у вигляді Fe₂O₃^.Н₂О (25-50% заліза).

3. Магнітний залізняк (магнетит) – залізо у вигляді Fe₃O₄ (40-70% заліза).

Паливо – горюча речовина, при спалюванні якої виділяється велика кількість тепла.

Кам’яновугільний кокс одержують в результаті теплової обробки коксівного вугілля при температурі 1000 – 1100^оС без доступу повітря. Питома теплота згорання – 30 тис. кДж/кг.

Деревне вугілля одержують в результаті сухої перегонки без доступу повітря з дров при температурі 400 – 450^оС. Пит. тепл. згор. – 34 тис. кДж/кг.

Мазут – залишок від перегонки нафти. ПТЗ – 44 – 46 тис. кДж/кг.

Природний газ містить 99,9% вуглеводнів. Об’ємна теплота згорання – 33 – 65 тис. кДж/м³.

Флюси – речовини, які додають під час плавки для плавлення пустої породи руди і утворення шлаків (флюси + пуста порода + зола палива), для переводу з металу в шлак шкідливих домішок. Флюсом для доменної плавки є вапняк СаСО₃, іноді – доломіт CaMg(CO₃)₂

Початкові матеріали для плавки в певному ваговому співвідношенні називаються шихта.

Підготовка руд до доменної плавки (прискорює плавку і зменшує витрати коксу) включає:

• дроблення кусків руди;

• збагачення – попередня обробка руди для відокремлення частини пустої породи і збільшення вмісту рудних мінералів; для залізних руд застосовують промивання водою для відокремлення піщано-глиняної породи та магнітне збагачення – відокремлення магнітних мінералів від інших з допомогою магнітів;

• спікання (агломерація) – процес окускування дрібних рудних матеріалів при температурі 1200-1500^оС на спеціальних агломераційних стрічкових машинах із застосуванням палива – дрібного коксу; продукт спікання – агломерат.

Чавун із залізних руд одержують в доменних печах. Це шахтна (вертикальна) піч, що має стальний корпус, викладена всередині шамотною цеглою (вогнетривким матеріалом). Домна має такі основні зони (зверху донизу): колошник, шахта, розпар, заплечики, горн. Через колошник в піч завантажують шихту окремими порціями – колошами. До колошника шихту доставляють два похилі скіпові підйомники. Шахта має форму зрізаного конусу, що розширюється донизу. Заплечики від розпару звужуються до горна, утримуючи тверду шихту в розпарі і шахті. У верхній частині горна розташовані фурменні отвори – фурми (16-20 шт.), через які під тиском подається підігріте (900-1200^оС) збагачене киснем повітря, що забезпечує горіння палива (дуття).

Рисунок 1.1. Схема конструкції (а) і профіль (б) доменної печі:

1 - льотка для чавуну; 2 - фурма; 3 - розпар; 4 — шахта; 5 – стальний кожух;

6 - шамотна футерівка; 7 - конус великий; 8 — труба газовивідна; 9 - колошник;

10 - чаша; 11 - конус малий; 12 - заплечики; 13 - горн; 14 - льотка для шлаку.

При горінні коксу шихта нагрівається, плавиться і поступово опускається донизу. Назустріч шихті піднімаються гарячі гази. В результаті взаємодії компонентів шихти і газів на рівні розпару і заплечиків утворюється тверде губчасте залізо, яке потім насичується вуглецем, плавиться і стікає в горн. В горні накопичується рідкий чавун, а над ним – рідкий шлак (ρ_чав.=6,9 г/см³, ρ_шл.=2,5 г/см³).

Чавун і шлак періодично (кожні 2-3 години) випускають з печі через льотки (окремо чавун і шлак) t_чав.=1300-1450^оС, t_шл.= t_чав.+40-80^оС.

Чавун по жолобу потрапляє в ковші, з яких розливається у форми – виливниці, або зливається у міксер.

Піч працює безперервно 4-8 років. Корисна висота печі – до 40 м; корисний об’єм – до 5000 м³.

Суть доменної плавки – відновлення заліза із його оксидів, що містяться в руді.

Етапи доменного процесу:

1. Горіння вуглецю палива: С + О₂ → СО₂

СО₂ реагує з коксом: СО₂ + С → СО

2. Розкладання компонентів шихти.

3. Відновлення оксидів.

Головний відновник – газ СО:

Fe₂O₃ + CO → Fe₃O₄ + CO₂ + Q

Fe₃O₄ + CO → FeO + CO₂ + Q

FeO + CO → Fe_тв + CO₂ + Q

Відновлення відбувається також вуглецем:

FeO + C → Fe + CO

Відновлюються також оксиди марганцю, кремнію, фосфору.

4. Навуглецьовування заліза – відбувається в розпарі і заплечиках при взаємодії губчастого заліза з газом СО і потім рідкого чавуну з розпеченим коксом.

5. Шлакоутворення – шлак утворюється з пустої породи, золи коксу і флюсу, він плавиться в розпарі і заплечиках і стікає в горн.

Продукти доменного виробництва:

1. Чавун:

1.1. Переробний чавун – для переробки на сталь.

1.2. Ливарний чавун – для виробництва чавунних відливок.

1.3. Феросплави (мають підвищений вміст одного або кількох елементів – Si, Mn, Cr та ін.) – застосовують при виробництві сталі.

2. Доменний газ – відводиться через спеціальні труби, очищується і використовується як паливо для підігріву доменного дуття та в інших печах.

3. Доменний шлак – після випуску з печі його гранулюють і переробляють в різні будівельні матеріали.

Техніко-економічні показники роботи доменної печі:

1. Коефіцієнт використання корисного об’єму:

, де W – корисний об’єм печі, м³; Q – добовий випуск чавуну, т.

Чим менше КВКО, тим краще працює піч (до 0,35).

2. Витрати коксу на виробництво 1 т чавуну: ≈ 550 кг.

3. Продуктивність печі – кількість чавуну, виплавленого за добу, місяць, рік.