3. Характеристика основных технологических переделов

При изготовлении строительных материалов и изделий сырье подвергают комплексу механических, химических, физико-химических, тепловых и других воздействий. В результате реализации в определенной последовательности этих технологических воздействий сырье либо изменяет только форму и размеры частиц вещества, получая большую однородность и очищаясь от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения состава, внутреннего строения и качественных характеристик.

Каждая разновидность строительных материалов и изделий нуждается в специфической технологии и характеризуется своим технологическим регламентом, расходными коэффициентами по сырью и всем видам энергии, достижением экономически эффективных результатов и высоких показателей качества готовой продукции. В общей теории синтеза искусственного строительного камня роль технологии в структурообразовании и затвердевании материалов определена как основная. Это позволяет выделить общие стадии, характерные для производства строительных материалов и изделий.

Основные стадии

• подготовительные работы;

• перемешивание отдозированных сырьевых компонентов;

• формование и уплотнение изделий;

• специальная обработка изделий до полного их отвердевания;

• технический контроль качества готовой продукции.

Вспомогательные стадии

• контроль за соблюдением технологического регламента;

• транспортирование сырья и готовой смеси;

• складирование сырья и готовой продукции.

Следует отметить, что на структурообразование влияют не только основные, но и вспомогательные переделы.

Технологический процесс получения материалов обычно начинается с подготовки сырья и заканчивается на стадии фиксации формы и структуры или на стадии придания им специальных свойств.

 Однако существует ряд технологий, в которых могут отсутствовать некоторые общие технологические переделы. Например, при производстве вспученного перлита, распиловке и последующей обработке природных камней отсутствует стадия перемешивания компонентов. Эти примеры являются частными случаями общих принципов производства строительных материалов.

Подготовительные работы

Повышение качества изделий, сокращение продолжительности технологического цикла и уменьшение производственных затрат возможно при использовании кондиционных сырьевых материалов, которые в результате специальной обработки повышают свою реакционную способность. Этот общий для всех технологий передел является подготовительным.

Цель этапа - полнее раскрыть и по возможности увеличить потенциальную энергию сырья с тем, чтобы на последующих этапах (перемешивание, формование и т. п.) свободная внутренняя и поверхностная энергии перешли в другие ее формы, способствуя процессам формирования новых фаз и структуры готового материала.

Подготовительные работы обычно начинаются на складах предприятия по производству требуемой продукции и заканчивается после поступления компонентов в устройства дозаторного отделения смесительного узла. Однако часто эта стадия начинается уже на заводах - поставщиках исходных материалов. Так, например, в карьерах могут производиться дробление щебня до требуемых размеров, фракционирование, удаление пылеватых и глинистых частиц. Целесообразность осуществления подготовительных операций на заводе-поставщике или на заводе-потребителе определяется соответствующими экономическими соображениями и возможностью создания безотходных технологий.

В зависимости от разновидности сырья подготовительные операции заключаются в измельчении, помоле, распушке и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционировании, просеве, промывке и других методах удаления вредных примесей и очищения поверхности; увлажнении или обезвоживании (сушке) сырья; нагревании, обжиге и охлаждении сырья перед употреблением в смесях; повышении однородности сырья по массе, прочности и другим качественным показателям, что нередко совмещается с физико-химической обработкой с целью дополнительного повышения активности поверхности частиц или изменения их полярности, поверхностного натяжения и т. п.

  Повышение реакционной способности компонентов достигается переводом их по возможности в наиболее термодинамически неустойчивое состояние. В основе технологических приемов, повышающих реакционную способность, лежат механохимические процессы, которые проявляются в изменении химического и фазового составов поверхности твердых тел при различных механических воздействиях. В нестабильное термодинамически неустойчивое состояние вещество может переводиться механическим (тонкое измельчение), термическим (обжиг) или химическим (осаждение из растворов веществ, находящихся в активном состоянии) путями.

Измельчение и помол - наиболее распространенные подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью: обеспечить определенное соответствие между размерами частиц смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить технологические операции на стадиях приготовления смеси; повысить плотность и однородность дробленого материала; увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества. Быстро увеличивающаяся с измельчением поверхность обладает особым запасом поверхностной энергии, которая в дальнейшем расходуется при смешении нескольких компонентов в общую смесь, при формировании изделий из смеси с протеканием реакций по поверхностям раздела.

Рациональный предел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле поверхностно-активных веществ, оказывающих расклинивающее действие в микротрещинах и микродефектах и облегчающих помол, или способных создавать на поверхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агрегирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола имеется опасность потери активности порошкообразного материала в период его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли, влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение.

Операцию измельчения нередко совмещают с разделением продукта помола по крупности частиц просеиванием, что называют фракционированием сырья.

Нередко исходные сырьевые материалы подвергают обогащению, т. е. повышению однородности по прочности, плотности и т. п. В основе методов обогащения лежат явления гравитации, а также используется разность в некоторых свойствах, например плотности (при флотации), и др.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы удалить избыточную влагу, нагреть до необходимой температуры или даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины).

На стадии подготовительных работ производят нередко также физико-химическую или химическую обработку сырьевых материалов. Она повышает активность подготавливаемых компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологическую операцию, благоприятствует получению более плотного и прочного материала. Такая обработка заключается обычно в добавлении в смесь специальных веществ, выполняющих различные или комплексные функции - уплотняющие, минерализующие, порообразующие, гидрофобизирующие, коагулирующие и др. Она может быть совмещена с измельчением вещества или производиться при смешивании.

Задачи, предусмотренные подготовительной стадией, могут решаться одновременно. Так, при помоле сырья происходит одновременно повышение его однородности и реакционной способности, а также придается наиболее удобный вид для дальнейшей переработки. Последней операцией подготовительного периода является дозирование компонентов, от точности которого зависит качество получаемой смеси и готового материала. Точность дозирования современных дозаторов, составляющая ±(1...2) %, является часто недостаточной. Для повышения точности дозирования добавок, вводимых в смеси в незначительных количествах, их разбавляют водой или другим растворителем и дозируют уже раствор, эмульсию или суспензию, в результате чего достигается требуемая точность дозирования.

Перемешивание отдозированных компонентов смеси

Для большинства технологий перемешивание отдозированных материалов является главной операцией, предопределяющей качество смеси и готовой продукции. В смесительных аппаратах, особенно при производстве безобжиговых конгломератов, возникают, развиваются, а иногда и почти полностью завершаются основные процессы структурообразования вяжущего (связующего) вещества.

Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей - роторные принудительного действия. Механическое перемешивание может осуществляться в две стадии: предварительное смешение сухих компонентов; смешение с водой, раствором вяжущего или связующего вещества.

При перемешивании сухих материалов происходит разрушение начальных связей между частицами (агрегатов) с обеспечением их подвижности, равномерное распределение частиц в общей смеси с заполнением межзерновых пор более мелкими фракциями заполняющего материала. Порошкообразные материалы заполняют тонкие поры зернистой части смеси, а некоторая доля наиболее тонкодисперсных частиц порошка механически задерживается и фиксируется на поверхности зерен крупного заполнителя.

При введении в смесь жидкого компонента дальнейший процесс механического перемешивания основывается на закономерности обтекания твердых частиц дисперсной фазы потоком дисперсионной среды (жидкости). В зависимости от скорости движения частиц фазы в среде возникают ламинарные потоки или турбулентные завихрения. В последнем случае происходит отрыв пограничных слоев среды от поверхности твердых частиц. При ламинарном режиме (критерий Рейнольдса Re > 30) перемешиваются в основном только те слои, которые непосредственно примыкают к лопастям и участвуют во вращении вместе с ними. При турбулентном режиме (критерий Рейнольдса Re > 102) происходит более интенсивное перемешивание слоев жидкости с отрывом их от лопастей мешалки.

 При высокоразвитой турбулентности (критерий Рейнольдса Re > 105) часто затраты на дополнительную мощность для увеличения частоты вращения вала мешалки не соответствуют получаемому эффекту перемешивания.

Характер поверхности твердых тел можно существенно изменить добавлением поверхностно-активных веществ, когда, например, гидрофильная поверхность может стать гидрофобной (процесс гидрофобизации) или гидрофобная поверхность - гидрофильной (процесс гидрофилизации). Вводимые в жидкую среду поверхностно-активные вещества широко используют для повышения смачиваемости поверхности твердых тел, что основано на снижении разности полярностей между поверхностью частиц твердого тела и жидкостью. В смесительном аппарате возникает своеобразный процесс выравнивания энергии поверхностного и внутреннего слоев. Скорость этого выравнивания зависит от интенсивности перемешивания, конструкции смесителя и других факторов.

На этой стадии не только происходит механическое распределение компонентов, но и начинаются сложные физико-химические процессы, такие как растворение компонентов и их химическое взаимодействие, взаимная диффузия, адсорбция. Под влиянием сложного комплекса физико-химических процессов и химических реакций компоненты в смесителе теряют (обратимо или необратимо) свои свойства, особенно в поверхностных слоях, т. е. по границам контактирования компонентов и новообразований. К моменту выхода из смесительного аппарата процессы микроструктурообразования в одних системах в основном завершаются, в других - эти процессы в смесителях только начинаются и продолжаются на последующих стадиях технологического цикла. Об эффективности перемешивания нередко судят по качественным изменениям главных исходных компонентов или количественному выходу продуктов новообразований, по прочности искусственного камня, сформованного из смеси.

На стадии приготовления смеси используются приемы, которые обеспечивают интенсификацию процессов на последующих технологических стадиях формования изделий, образования и фиксации структуры материала. К ним, в частности, можно отнести подогрев компонентов (технология бетона, пластмасс), применение вибровоздействий для высоковязких смесей и др.

Формование и уплотнение изделий из смеси

Стадия формования предусматривает получение изделий требуемых форм и размеров с необходимой макроструктурой.

Смеси с весьма малой вязкостью, так называемые литые, практически не требуют уплотнения при формовании изделий или покрытий, что составляет значительное технологическое удобство. Для получения литых смесей в них вводят дополнительное количество жидкой фазы, что должно быть каждый раз обосновано с позиций оптимизации структуры и свойств затвердевшего материала, либо органические добавки - пластификаторы и суперпластификаторы.

При использовании смесей с повышенной вязкостью, важно не допустить при формовании напряжений, способных разрушить сплошность изделия. Так, в некоторых случаях отмечается образование дефектов структуры (свилей).

В зависимости от разновидности смеси (массы) и ее свойств формование изделий производится с использованием укладчиков, прессов, экструдеров, каландров и других машин. Выбор оптимального способа формования и уплотнения зависит от характера исходного сырья и массовости производства, требуемых свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить связность и начальную прочность изделий с последующим упрочнением их на других стадиях обработки. Начальная связность возникает под влиянием молекулярных (вандерваальсовых) сил.

 Уплотнение формуемых или отформованных изделий является важным этапом образования макроструктуры, поскольку в этот период в среде вяжущего вещества сравнительно устойчиво фиксируются зернистые и другие компоненты заполняющей части конгломерата. Фиксация может происходить как непосредственным примыканием компонентов, в том числе с возможным срастанием (например, кристаллов), так и через прослойки полностью отвердевшего или постепенно отвердевающего вяжущего вещества.

Вследствие сближения частиц смеси (массы) происходит перераспределение и выравнивание молекулярного силового поля, тепло- и массообмен, в частности миграция дисперсионной среды в зоны меньших напряжений. Объем смеси как при уплотнении, так и после него уменьшается, а полидисперсная система постепенно переходит в состояние относительно устойчивого равновесия при заданных условиях формования изделий.

В обжиговых конгломератах являются распространенными способы полусухого прессования, виброформования, а также горячего прессования.

Для достижения необходимой плотности применяют различные способы снижения реологического сопротивления формуемой смеси: введение пластификаторов, предварительный нагрев, вибрационное воздействие, вакуумирование и др. При особо интенсивном уплотнении целесообразно повысить реологическое сопротивление до максимума. При оптимальной технологии каждой консистенции смеси соответствуют свои определенные параметры механического уплотнения. В свою очередь, каждому способу и каждой интенсивности механического уплотнения также соответствует своя определенная консистенция, когда размещение частиц твердой фазы в результате уплотнения становится компактным.

В некоторых технологиях используется прерывистое, ступенчатое уплотнение, например с интервалом времени между двумя вибрациями или прессованиями. Повторное уплотнение способствует как бы вторичному - пластическому деформированию конгломерата с отжатием дисперсионной среды из его микро- и макропор, а в конечном итоге - дополнительному уплотнению в условиях, когда количество вяжущего вещества продолжает оставаться неизменным. Повторное уплотнение, особенно при вибрационных способах формования, способствует релаксации напряжений, возникающих в процессе структурообразования, уменьшает размеры и концентрацию структурных дефектов. Используют поверхностные, навесные, глубинные вибраторы, вибростолы и др. Оптимальное время вибрирования определяют опытным путем.

В технологии обжиговых конгломератов широко используют так называемое шликерное литье для получения тонкостенных изделий или изделий большого размера и сложной формы.

Формирование и фиксация структурных связей - отвердевание

Стадия отвердевания завершает цепь формирования искусственного строительного конгломерата и, как правило, является результатом специальной обработки отформованных и уплотненных изделий: тепловой, тепловлажностной, химической, электрофизической, автоклавной, вакуум-пропиточной, радиационной и др. Основная цель обработок - обеспечить развитие процессов микро- и макроструктурообразования с возможно более полным переводом систем из метастабильного состояния в термодинамически устойчивое. И хотя соответствующие процессы могут продолжаться и после произведенной обработки, в том числе и в период эксплуатации конструкции, однако их большая часть протекает на стадии обработки, реже - на стадии выдерживания изделий в обычных (нормальных) условиях.

Способы образования структурных связей в материале:

1. Химические реакции.

2. Кристаллизация растворенного вещества из пересыщенного раствора. Пересыщение возникает по разным причинам, таким как: удаление части жидкой дисперсионной среды, понижение температуры насыщенного раствора, изменение внешнего давления, химическое взаимодействие исходных компонентов в сложном растворе и др.

3. Гидратационное или контактное твердение (при получении безобжиговых материалов на основе вяжущих веществ). Протекает на ионно-молекулярном уровне, включая реакции через раствор, топохимические, анионной конденсации, образования твердых растворов внедрения. Образование из дисперсных макрочастиц вещества нестабильной структуры (аморфного или субмикрокристаллического) - водостойкого камня, непосредственно при возникновении контактов между ними. Формирование структурных связей в этом случае происходит без изменения химического состава вещества (в отличие от условий гидратационного твердения) и его агрегатного состояния (в отличие от твердения через высокотемпературные процессы). Водостойкое тело образуется на уровне физического взаимодействия между макрочастицами.

4. За счет спекания либо плавления (при производстве обжиговых материалов). При этом происходит переход под действием тепловой энергии порошкообразных веществ в искусственный камень заданной формы через спекание или плавление. Результатом этих процессов является образование керамического черепка, стеклокристаллического или стекловидного тела, характеризующихся водостойкостью.

5. Полимеризация (для материалов на основе термопластичных полимеров). В основе лежат реакции получения нового продукта с большей молекулярной массой из низкомолекулярных веществ - мономеров. Причем этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, однако новое соединение имеет одинаковый состав с мономером.

6. Поликонденсация (материалы на основе термореактивных связок). В основе лежат реакции взаимодействия между собой мономеров, сопровождающиеся изменением химического состава вещества. В результате этот процесс уподобляется гидратационному твердению, при котором химический состав вещества изменяется при переходе его из дисперсного в конденсированное твердое тело.

Таким образом, в зависимости от исходного сырья и физического состояния структуры его вещества синтез определенных искусственных тел происходит как следствие образования различных типов структур за счет возникающих между микро- и макрочастицами контактов и структурных связей.

Каждая разновидность неорганических и органических вяжущих веществ отвердевает под влиянием специфических факторов.

Высокоскоростная обработка

Применение высоких скоростей обработки - весьма многообещающий способ для мелкосерийных производств и при обработке специальных материалов. В качестве носителей энергии могут рассматриваться ударные волны, магнитные волны и высокоскоростные твердые режущие инструменты.

Самыми известными приемами высокоскоростного формования являются взрывное электромагнитное и электрогидравлическое формование. Скорость и производительность по сравнению с обычными методами увеличиваются на несколько порядков. Во всех этих способах участвует только один инструмент, относительно которого с большой скоростью движется заготовка, подвергаясь формованию за счет силы тяжести.

Возникающие при детонации взрывчатого вещества ударные волны действуют на заготовку, как правило, через какую-либо передающую среду (чаще всего - вода, реже - твердый материал), прижимают ее к инструменту и формуют. При достаточно низкой стоимости формовочного инструмента и небольших капиталовложениях этот способ позволяет изготавливать детали сложной формы из трудно формующихся материалов. Формы обычно просты и могут быть выполнены из бетона, пластмасс, твердых пород дерева или эбонита.

При электромагнитном формовании для передачи силы используют магнитное поле. Если в конденсаторе накоплена энергия, до 100 кВт, то при его разрядке в доли секунды создается высокоинтенсивное магнитное поле, которое индуцирует в заготовке противоположно направленный ток. Так как он тоже обладает своим магнитным полем, то на заготовку действуют силы, возникающие при взаимодействии противоположно направленных магнитных полей, и подвергают ее формованию без какой-либо передающей среды.

При электрогидравлическом формовании носителем энергии являются ударные волны, возникающие при подводном разряде. Современные промышленные установки работают с напряжением от 5 до 15 тысяч вольт, а разрабатываются - до 50 тысяч вольт.

Если электромагнитная обработка служит в основном целям соединения и сборки, то взрывное плакирование открывает совершенно новые возможности при нанесении покрытий. Таким способом можно соединять материалы, которые не связываются обычными способами. При взрывном плакировании между соединяемыми материалами образуется быстро движущаяся струя пластичного или жидкого металла, которая, образуя на поверхности раздела волнообразные зацепления, ведет к возникновению глубоких и прочных связей. Взрывное плакирование может стимулировать разработку и изготовление новых композиционных материалов.

Контрольные вопросы.

1. Назовите основные технологические переделы при производстве материалов.

2. Каким образом можно повысить потенциальную энергию используемого сырья?

3. В чем состоит назначение подготовительных этапов производства материалов?

4. Какими способами можно добиться фиксации связей с производимом материале?

5. Охарактеризуйте ускоренные методы обработки материалов.

Производство обжиговых строительных материалов.

Получение керамических материалов.

Керамическими называют изделия, получаемые формованием и обжигом глин, трепелов, диатомитов и других видов минерального сырья с различными добав­ками или без них. Материал (или тело), из которого состоят керами­ческие изделия, в технологии керамики называют керамическим черепком.

Основным сырьем для производства керамических изделий являются глинистые материалы (глины и каолины), трепельные, аргиллитовые и диатомитовые породы, органические и минеральные добавки, плавни.

Под каолинами и глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние теплоизоляционных изделий, строительного кирпича и камней.

Глины образовывались в результате механического разрушения и химического разложения изверженных полевошпатовых и метаморфических горных пород (гранитов, гнейсов, порфиров, туфов и др.).

Глины, состоящие в основном из каолинита (водный алюмосиликат А1₂О₃2SiO₂2Н₂О) , называются каолинами. Глины более разнообразны по минеральному составу, они больше загрязнены минеральными и органическими примесями. В глинах наиболее характерных видов содержится, %: кремнезема – 46-85, глинозема – 10-35, оксида железа - 0,2-10, оксида кальция - 0,03-6, диоксида титана - 0,2-1,5, оксида щелочных металлов - 0,1-6, сернистого ангидрида – 0-0,5. Потери при прокали­вании составляют 8-14%.

Наиболее важными свойствами глин являются пластичность, связующая способность, воздушная усадка (дообжиговые свойства), огнеупорность, спекание и огневая усадка (обжиговые свойства).

Пластичность глин - способность глиняного теста изменять форму без разрыва и нарушения сплошности под действием внешних усилий и сохранять приданную форму после прекращения их действия. Пластичными свойствами каждая глина обладает в определенном диапазоне влажности. Степень пластичности глин характеризуется числом пластичности П.

По числу пластичности П глины классифицируют (ГОСТ 9169 - 75) на высокопластичные с П более 25; среднепластичные с П=15-25; умереннопластичные с П = 7-15; малопластичные с П = 3-7 и непластичные (теста из них не получается). Пластичность зависит от гранулометрического и минералогического состава, вида глинистых минералов. Пластичность можно увеличить механическим измельчением, длительным вылеживанием, промораживанием, добавкой более пластич­ных глин и пластифицирующих добавок, например лигносульфоната технического (ЛСТ).

Связующей способностью глин называется способность сохранять пластичность при введении в них непластичных материалов (песка, шамота и др.). Глина способна связывать частицы песка или шамота и образовывать прочное изделие. Высокопластичные глины способны связывать 60- 80% нормального песка, пластичные - 20-60%, тощие-до 20%.

Воздушной усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема изделий, отформованных и высушенных при температуре до 110°С. Огневой усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема изделий после обжига вследствие того, что легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сбли­жаются. Полная усадка может находиться в пределах от 2 до 15%.

Огнеупорность - способность глин, не расплавляясь, выдерживать действие высоких температур. По огнеупорности глины делят на три класса: огнеупорные - с огнеупорностью выше 1580 °С, тугоплавкие - 1580 - 1350, легкоплавкие - ниже 1350 °С.

Способность глин при обжиге уплотняться с образованием камнеподобного материала называется спекаемостью. В процессе спекания масса уплотняется, вследствие чего происходит огневая усадка, которая у глин колеблется от 2 до 8 %.

По зерновому составу глины характеризуются значительным содержанием глинистого вещества (частиц мельче 0,005 мм) и делятся на высокодисперсные, дисперсные и губкодисперсные.

Для получения керамических изделий с определен­ными свойствами в глину вводят различные добавки.

Отощающие добавки вводятся в состав керамической массы для понижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок используют шамот, дегидратированную глину, песок, золу ТЭС, гранулированный шлак.

Шамот - зернистый керамический материал (с зернами 0,14-2 мм), получаемый измельчением глины, предварительно обожженной при той же температуре, при которой обжигаются изделия. Его можно получить, измельчая отходы обожженного кирпича. Шамот улучшает сушильные и обжиговые свойства глин, поэтому его применяют для получения высококачественных изделий - лицевого кирпича, огнеупоров и т.д.

Порообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью. Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа, например СО₂ (молотые мел, доломит), или выгорают.

Выгорающие добавки (древесные опилки, угольный порошок, торфяную пыль, коксовую мелочь, золы ТЭС и др.) вводят для получения изделий с меньшей средней плотностью и повышенной пористостью. Опилки улучшают формовочные свойства глиняной массы, но снижают прочность изделий и повышают водопоглощение. Однако благодаря длинным волокнам они армируют глиняную массу и повышают сопротивление разрыву и трещиностойкость в сушке.

Пластифицирующими добавками являются высокопластичные глины, бентониты, а также поверхностно-активные вещества - сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и др.

Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания. К ним относят: полевые шпаты, железную руду, доломит, магнезит, тальк и т.п.

Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом. Глазури - это стекла, которые могут быть прозрачными и непрозрачными (глухими), различного цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури являются: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочно-земельных металлов, оксиды свинца, борная кислота, бура и др. Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность еще не обоженного изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность получается матовой. Ангоб по своим свойствам должен быть близок к основному черепку.

Общая схема производства керамических изделий

При всем многообразии керамических изделий основные этапы производства являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и обжиг.

Добыча и подготовка сырьевых материалов.

Карьерные глины в естественном состоянии обычно непригодны для получения керамических изделий. Их подвергают предварительной обработке, т. е. отделению посторонних включений (кам­ней, веток и т. д.), рыхлению, дроблению, помолу, высушиванию. В результате обработки разрушается текстура глины, масса гомогенизируется, ее формовоч­ные и сушильные свойства улучшаются.

Обработка глины может быть естественной (использование атмосферных условий для изменения свойств сырья), механической (рыхление, дробление с выделением камней, дозирование с добавками, тонкое измельчение) и комбинированной, с физико-химической обработкой (пароувлажнением, увлажнением, вакуумированием), вводом специальных добавок (пластифицирующих, отощающих, выгорающих и вылеживанием обработанной массы в шихтозапасниках или механизированных силосах).

Наиболее эффективен механический способ подготовки сырья, который состоит из рыхления, дробления крупных включений, просеивания, проминки глины и др. Рыхление глинистых материалов в карьерах может производиться внутрикотлованными взрывами, разрушающими массив. Разрушенная взрывом и раздробленная масса подвергается действию атмосферных факторов, и через один-два года может добываться и транспортироваться на керамическое предприятие, где ее рыхлят, дробят и просеивают.

Формование изделий.

В зависимости от вида изготовляемой продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полусухим или шликерным способами.

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы смешивают с водой до получения влажности 18-28%. Этот способ производства является наиболее простым, наименее металлоемким и поэтому наиболее распостраненным. Он применяется в случае использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений.

Формование при пластическом способе производится на ленточном шнековом прессе с вакуумированием и подогревом или без них. В корпусе пресса вращается шнек-вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке, уплотняется и выдавливается через мундштук в виде непрерывного бруса или ленты, или трубы под давлением 1,6-7 МПа.

Рис. Ленточный вакуумный пресс. 1 – шнековый вал, 2 – прессовая головка, 3 – мундштук, 4 – глиняный брус, 5 – крыльчатка, 6 – вакуум-камера, 7 – решетка, 8 – глиномялка.

Производительность современных ленточных прессов по производству кирпича достигает 10000 штук в час.

Способ экструзионного формования позволяет получать керамический кирпич с наиболее высокими характеристиками по прочности и морозостойкости.

Жесткий способ формования является разновидностью современного развития пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе 13-18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных и шнековых или гидравлических прессах. Для этого метода могут ипользоваться менее пластичные и с естественно низкой влажностью глины. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку. Формование при жестком и пластическом способах завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах.

Эти способы наиболее распостранены при выпуске сплошных и пустотелых кирпичей, камней, блоков и панелей, черепицы и т.д.

Полусухой способ производства строительных керамических изделий распостранен меньше, чем способ пластического формования. По этому способу изделия формуют из шихты с влажностью 8-12% при давлении 15-40 МПа. Недостаток в том, что его металлоемкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но зато длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза, изделия имеют более правильную форму и более точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок - отходов производства(золы, шлаков и др). Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц размером менее 1 мм и 50% размером 1-3 мм.

Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах. По этому способу делают все виды изделий, которые изготовляют и пластичесим способом.

Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%. При этом полностью устраняется необходимость операции сушки. Таким способом изготовляются плотные керамические изделия-плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуеся подготовить массу для изготовления керамических изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Этим способом изготавляются санитарно-технические изделия, облицовочные плитки.

Сушка изделий.

Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге.

Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в течение 2-3 недель в зависимости от климатических условий.

В настоящее время сушка производится преимущественно искуственная в туннельных (непрерывного действия) или камерных (периодического действия) сушилках в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя - отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха – 120-150⁰С.

Обжиг изделий.

Обжиг – важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение. При нагреве сырца до 120⁰С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В температурном интервале от 450⁰С до 600⁰С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. При 800 ⁰С начинается повышение прочности изделий благодаря протеканию реакций в твердой фазе на границах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева до 1000⁰С возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al₂O₃SiO₂, а при нагреве до 1200⁰С и муллита 3Al₂O₃2SiO₂. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы-плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает нерасплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. После остывания изделие преобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность.

В зависимости от назначения обжиг ведется до различной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водопоглощением менее 5%. Большинство строиетльных изделий обжигается до получения черепка с неполным спеканием в определенном температурном интервале от температуры огнеупорности до начала спекания, называемым интервалом спекания. Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50-100 ⁰С, а огнеупорных до 400 ⁰С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания изделий при обжиге.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900 до 1100 ⁰С для кирпича, камня, керамзита; от 1100 ⁰С до 1300 ⁰С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий, фаянса; от 1300 ⁰С до 1450 ⁰С для фарфоровых изделий; от 1300 ⁰С до 1800 ⁰С для огнеупорной керамики.

Получение керамического кирпича.

В зависимости от способа формования сырьевой массы разделяют основные виды керамического кирпича: экструзионный способ формования (пластический, полужесткий, жесткий и в т.ч. ручной способ), способ полусухого прессования (компрессионный) и литьевой (шликерный) способ.

Компрессионным способом изготовления называют производство керамических кирпичей, где заготовки получают из пресс-порошка в специальном прессе под высоким давлением, исключая процесс сушки. Данный способ изготовления позволяет получить изделия с высокими показателями по геометрическим размерам и гладкой поверхностью. Основным недостатком изделий, полученных данным способом производства является низкая морозостойкость и, часто встречающиеся, горизонтальные трещины (трещины расслаивания).

Литьевой (шликерный) способ в производстве керамического кирпича в настоящий момент практически не применяется. В незначительных количествах данным способом изготавливают керамические изделия внутренней облицовки и отделки фасадов.

Принципиальная технологическая схема получения керамического кирпича методом пластического формования

Основными сырьевыми материалами для производства керамического кирпича служит пластичное сырье (глины) и отощающие материалы (кварцевый песок, бой изделий, шлаки, дегидратированная глина).

Глина доставляется на предприятие железнодорожным транспортом и складируется в открытом глинохранилище котлованного типа (1).

Глинохранилище представляет собой котлован шириной 30-40 м, глубиной соответственно стреле многоковшового экскаватора и длиной по расчету. В летний период его заполняют глиной, осенью утепляют опилками, а зимой ее отрабатывают многоковшовым экскаватором нижним черпанием. При хранении глины происходит ее вымораживание. Под влиянием многократных циклов замораживания и оттаивания вода, замерзая в мельчайших капиллярах глиняных частиц и увеличиваясь при этом в объеме на 9%, разрушает связи между ними, диспергируя частицы глины на элементарные зерна. Вследствие этого возрастает удельная поверхность глины, более полно завершаются процессы набухания, увеличивается количество связанной воды, обуславливающей более высокую прочность (сцепление) глиняного теста, и в конечном результате улучшаются его формовочные и сушильные свойства.

Глина из глинохранилища с помощью экскаватора (2) доставляется автомобильным транспортом в приемный бункер с рыхлительной машиной (3). Использование рыхлительной машины позволяет разрушить структуру сырья и усреднить его по вещественному составу и влажности.

Глинорыхлительная машина имеет роторы, которые вращаются над питателем, и зубьями разрушают комья глины, которые проходят через решетку и далее подаются на транспортирующие устройства.

Глина после глинорыхлителя поступает в дезинтеграторные вальцы (11). Они предназначены для выделения каменистых включений.

Дезинтеграторные вальцы представляют собой два валка разного диаметра – дробящий и подающий. Валки установлены с зазором. Валок меньшего диаметра – ребристый, вращается с большей скоростью, чем гладкий валок большего диаметра. Глина, попадая между валками, проминается, дробится и проходит вниз. Каменистые включения удалятся в отверстие корпуса вальцов и направляются в отвал.

Отощители (песок и шлак) доставляются автосамосвалами из закрытого склада (4) с железнодорожными эстакадами в приемные бункера (5), а затем через систему ленточный питатель (6), конвейер (7) направляются на инерционный грохот (8), где происходит удаление каменистых включений размером более 10 мм. Просеянный продукт перемещается в расходные бункера (9), а затем через систему весовых дозаторов (10) направляется в вальцы тонкого помола (12). Сюда же поступает переработанная глина. Материалы попадая в промежуток между валками раздавливаются и истираются. Полученная таким образом масса в зависимости от ее влажности может обрабатываться следующими способами:

1. Если влажность исходного глинистого сырья более 16%, то она направляется в сушильный барабан (17) с выносной топкой (13) для подсушки до влажности не более 16%. Температура газов, поступающих в сушильный барабан (600-800), на выходе 100-120^ОС. Перед подачей в барабан газы разбавляют холодным воздухом в смесительной камере для понижения температуры до постоянной величины. Сушат глину прямотоком, т.е. материал, и подогретые газы движутся в одном направлении, так как при противотоке глина может перегреться, что приведет к потере ее пластичных свойств. Отработанные газы пропускают через циклон (15) и рукавный фильтр (16), где отделяются мелкие частицы материала, которые собираются винтовым конвейером (18) и направляются в бегуны мокрого помола (14).

2. Если влажность исходной глины не превышает 16%, то масса направляется непосредственно в бегуны мокрого помола (14).

В бегунах мокрого помола производиться тонкое измельчение массы. Целью тонкого измельчения является разрушение водопрочных оболочек, цементирующих отдельные зерна глинообразующих минералов, частичное разрушение самих зерен и освобождение в конечном счете молекулярных связей, за счет которых глина будет гидратироваться, присоединяя к себе большое количество связанной воды.

Бегуны мокрого помола являются наиболее эффективной машиной для тонкого измельчения пастообразных масс. В процессе бегунной обработки одни и те же кусочки глины подвергаются многократному истирающему воздействию тяжелых катков, что и обеспечивает тонкое измельчение массы.

После механической обработки на бегунах глиняная масса через систему ленточных конвейеров (19) направляется на вылеживание в механизированное хранилище, называемое шихтозапасником. В шихтозапаснике масса вылеживается не менее 3 суток. При этом помимо ее набухания происходит релаксация напряжений в глине, возникших при механической обработке, благодаря чему улучшаются ее формовочные и сушильные свойства. Вылеживание массы увеличивает прочность изделий на 20-30%.

Из шихтозапасника масса с помощью мостового крана (20) с грейферным захватом подается на промежуточный питатель (21) и далее посредством ленточного конвейера (22) поступает в глиномешалку двухвальную (23) с фильтрующей решеткой. Здесь происходит проминание глиняной массы с одновременным водяным орошением для придания массе сплошного массива глиняного теста с влажностью (18-22%) при которой формуется изделия. Для этого поперечное сечение корпуса перегорожено на выходном конце массивной решеткой. Через эту решетку лопасти вала продавливают глину, подвергая ее тем самым дополнительной обработке и одновременно задерживая засоряющие включения. Результатом этой операции является увеличение подвижности глиняной массы и прочности высушенных образцов в 1,5 – 2 раза.

Окончательная переработка глиняной массы завершается в вальцах тонкого помола (24). Далее масса по ленточному конвейеру (25) транспортируется в расходный бункер (26) и питателем (27) подается в смеситель пресса ленточного вакуумного пластического формования (28). Из мундштука (29) пресса масса выходит в виде сплошной ленты, разрезаемой с помощью резательного аппарата на отдельные части заданного размера, которые транспортируются к автомату многоструйной резки и укладки (30), где брус разрезается на куски заданных размеров и укладывается на сушильную вагонетку (31). Брак формовки транспортируется в шихтозапасник.

Сушка кирпича-сырца производиться в туннельной сушилке (32). Сушилка работает по принципу противотока и имеет тепловую блокировку с туннельной печью. Теплоносителем служит теплый воздух, отбираемый из зон подогрева туннельной печи. Температура теплоносителя, подаваемого в туннели сушилки (80+15). Продолжительность сушки не менее 48 часов, для того чтобы максимальное содержание влаги в кирпиче-сырце не превышало 5% и в полуфабрикате отсутствовало коробление и трещины.

Вагонетки из сушилки подаются к месту садки кирпича на печные вагонетки (33). Обжиг кирпича производиться в туннельной печи (33), длиной около 100 метров. Печь условно делится на три зоны: подготовки, обжига, охлаждения. В зоне подготовки кирпич нагревается разбавленным воздухом из зоны охлаждения и продуктами сгорания топлива из зоны обжига. Зона обжига оборудована смесительными газовыми горелками. В качестве топлива –природный газ. Температура обжига составляет 950-1000 ⁰С.

Вагонетки с обожженным кирпичом транспортируются к участку сортировки. Сортировка кирпича производиться вручную. Кирпич укладывается на поддоны, которые увозятся на склад готовой продукции.

Контрольные вопросы.

1. Охарактеризуйте основные сырьевые материалы, применяемые при производстве керамических материалов.

2. Опишите основные технологические свойства глин.

3. Каковы основные технологические операции при производстве керамических обжиговых материалов?

4. Охарактеризуйте основные способы формования при производстве керамического кирпича.

5. Какие процессы происходят при обжиге керамического кирпича?

6. В чем заключаются положительные стороны и недостатки полусухого и пластического способа производства керамических изделий?

Получение стекла

Основным сырьем для изготовления стекла являются кварцевый песок, известняк, сода и сульфат натрия. Высококачественные стекольные белые пески содержат немного примесей, в частности оксида железа, придающего стеклу зеленоватую окраску.

Имеется условное деление оксидов, входящих в стекло, на стеклообразователи и модификаторы. Так, например, оксиды SiO₂, В₂О₃, P₂О₅ относятся к стеклообразующим, поскольку каждый из них в чистом виде может самостоятельно образовать стекло; в частности, при 100 % -ном содержании кремнезема SiO₂ можно получать кварцевое стекло, которое обладает наиболее высокой температурой размягчения (1250 °С). Введением различных добавочных оксидов-модификаторов существенно понижают температуру размягчения стекла и придают необходимые свойства стеклу. Среди них щелочные -Na₂O, К₂О, щелочно-земельные - CaO, BaO, MgO, а также РbО, А1₂О₃, Sb₂О₃, ZnO и др. Если главную стеклообразующую часть технических стекол составляет кремнезем SiO₂, тогда стекла именуют силикатными. В зависимости от содержания добавочных оксидов другие стёкла именуют боросиликатными, алюмосиликатными, бороалюмосиликатными, борофторалюмосиликатными, алюмофосфатными и т.п. Содержание главного кислого оксида SiO₂ в обычных стеклах составляет 56 - 75 % по массе, оксидов щелочных металлов 13 - 15 %, оксидов щелочно-земельных металлов 10 - 15 % (в некоторых стеклах до 25 %). Подбором химического состава стекла предопределяют смесь оксидов, называемую шихтой.

В процессе изготовления в стекло вводят соединения, придающие ему специальные свойства. Глинозем А1₂О₃, вводимый в шихту в виде каолина и полевого шпата, повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекла. При замене части диоксида кремния борным ангидридом В₂О₃ повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца РЬО, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость.

Вспомогательные сырьевые материалы делят по своему назначению на следующие группы: осветлители - вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей (сульфат натрия, плавиковый шпат); обесцвечиватели - вещества, обесцвечивающие стекольную массу; глушители - вещества, делающие стекло непрозрачным. Благодаря введению в шихту СаО в виде известняка СаСО₃ или доломита стекло становится нерастворимым в воде.

Технология получения стекла состоит из следующих этапов:

1. Подготовка сырьевых материалов.

Сырьевые материалы, поступающие на завод в виде кусков измельчают, сушат, усредняют просеиванием и перемешиванием. Сырье находится в отдельных силосных башнях.

Подготовка сырьевых материалов

Приготовление смесей определенного состава

Варка стекла

Студка

Формование изделий

Отжиг

Резка

Рис. Общая схема производства стекла

2. Приготовление смесей определенного состава.

После взвешивания отдельно друг от друга сырьевые материалы смешиваются и засыпаются в загрузочный лоток вместе со стеклобоем. Шихта (смесь сырьевых материалов) считается качественной, если отклонение от заданного состава не превышает  1%. Перемешивание измельченных компонентов в строго отдозированных количествах согласно расчетам производят в смесителях барабанного или тарельчатого типа. Готовую шихту загружают в ванную печь-бассейн, сложенную из огнеупорных брусьев.

3. Варка стекла.

Варка строительного силикатного стекла производится в стекловаренных печах при температуре до 1500 °С. Бассейны больших ванных печей вмещают до 2500 т стекломассы. В процессе стекловарения, начиная с температур 800- 900°С протекает стадия силикатообразования. К концу следующей стадии стеклообразования (1150 -1200°С) масса становится прозрачной, но в ней еще содержится много газовых пузырей. Дегазация заканчивается при 1400-1500 °С; к ее концу стекломасса (стекломасса - пластичный расплав шихты, образующихся при температурах свыше 1000°С) освобождается от газовых включений, свилей и становится однородной.

При нагревании шихты до температуры 1100 - 1150 °С происходят химические процессы силикатообразования, а при дальнейшем повышении температуры - стеклообразования. Шихта превращается в однородную (гомогенную) стекломассу, но со значительным содержанием в ней газовых включений (Н₂О, СО₂ и др.). Осветление и дальнейшая гомогенизация стекломассы осуществляются при температурах 1500 - 1600 °С с переводом её в состояние подвижности, которое облегчает удаление газовой фазы.

Для достижения необходимой для формования рабочей вязкости температуру массы снижают на 200-300 °С. Вязкость стекломассы зависит от химического состава: оксиды SiО₂, А1₂О₃, ZrО₂ повышают вязкость, Na₂О, СаО, Li₂О, наоборот, понижают ее.

4. Студка

Последний этап варки стекла - охлаждение, или студка стекломассы. Обычно производится сравнительно быстрое охлаждение расплавленного вещества, что сопровождается и быстрым возрастанием его вязкости. Молекулы и атомы вещества не успевают образовать зародыши кристаллической фазы и кристаллическую решетку. Они остаются закрепленными в тех случайных положениях, в которых их застало резкое повышение вязкости. Понятно, что чем медленнее происходит охлаждение стекломассы, тем большая вероятность перехода ее в кристаллическое состояние. С увеличением температуры синтеза новых силикатных соединений и длительности выдержки при ней наблюдается постепенное снижение степени микронеоднородности стекла, повышение энергии активации образования центров кристаллизации и устойчивости стеклообразного состояния. Чем выше скорость охлаждения стекломассы, тем более высокой температуре соответствует «замороженное» состояние структуры.

5. Формование изделий

Формование изделий производится различными методами: вытягиванием, литьем, прокатом, прессованием и выдуванием. Формование листового стекла производится путем горизонтального или вертикального вытягивания из ленты расплава, прокатом или флоат-методом.

Метод вертикального вытягивания

Лента стекла формуется из стекломассы лодочкой – шамотным бруском с прорезью (рис. ), удерживаемой на надлежащем уровне штангами. Стекломасса выдавливается в щель лодочки и оттягивается вверх валками машины в виде ленты шириной до 4,5 м. Скорость вытягивания достигает 2 м/мин. Проходя между холодильниками 3 от лодочки до первой пары валков, стекломасса охлаждается настолько, что становиться твёрдой и валки не оставляют на ней отпечатков (I зона). Далее стекло валками 5 подается в шахту высотой 5-7 м. В нижней части шахты производится отжиг стекла (II зона). В верхней части стекло охлаждается окончательно и, выходя на отломочную площадку 7, нарезается на требуемые размеры.

Рис. Машина вертикального вытягивания стекла:

1 – стекломасса; 2 – лодочка; 3 – холодильник; 4 – шахта машины; 5 – тянущие валки; 6 – скаты для удаления боя; 7 – отломочная площадка.

Флоат-метод.

Термин «флоат» одновременно используется как для листового стекла, так и для метода его производства.

Флоат-стекло – это сырьевое стекло, из которого производится практически вся плоская стекольная продукция. Оно может быть прозрачным или цветным и производится в виде крупногабаритных листов (6 x 3,21 м), предназначенных для дальнейшей обработки. Химический состав флоат-стекла: 73% песка, 15% натрия, 10% известняка и 2% различных добавок.

Флоат-метод заключается в выливании стеклянной массы на поверхность раскаленного олова. Сразу после выхода стекломассы из печи она попадает в ванну с расплавленным оловом, где происходит растекание жидкого стекла до получения слоя с равной толщиной. Далее происходит активное формирование ленты стекла. С одного конца флоат-ванны до другого температура стекла и олова постепенно понижается с 1100⁰С до 600⁰С. Верхние ролики с обеих сторон флоат-ванны вытягивают ленту стекла, придавая ей требуемую толщину и ширину.

Флоат-способ является наиболее совершенным и высокопроизволдительным из всех способов, известных в настоящее время. Он позволяет получить стекло с максимально ровной с обеих сторон поверхностью и не требующей дальнейшей полировки.

Рис. Схема получения листового стекла флоат-методом.

6. Отжиг.

Отжиг - обязательная операция при изготовлении изделий. При быстром охлаждении для закрепления формы изделий в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут привести даже к самопроизвольному разрушению стеклоизделий. Отжиг - это специальная термическая обработка всего стеклянного изделия, заключающаяся в нагревании до такой температуры, при которой частицы стекла становятся подвижными, но стекло еще не размягчается, и медленном охлаждении.

Первая стадия - нагревание или охлаждение до температуры отжига. Если изделие имеет комнатную температуру, то его постепенно нагревают, если же оно разогрето выше температуры отжига данного стекла, то его охлаждают до температуры отжига.

Вторая стадия - выдерживание при температуре отжига до исчезновения напряжений. Чем больше размеры изделия и толщина стенок, тем длительнее выдержка его при температуре отжига.

Третья стадия - медленное охлаждение до нижней температуры отжига. Самое главное - охлаждать с достаточно малой скоростью, чтобы не возникли новые постоянные напряжения.

Четвертая стадия - охлаждение до комнатной температуры. При падении температуры ниже нижней температуры отжига напряжений в изделии не возникает, поэтому охлаждение на данной стадии может проходить с достаточно большой скоростью, практически со скоростью остывания печи.

7. Резка.

После отжига лента стекла внимательно осматривается оптической лазерной системой и после этого автоматически нарезается в большие листы стандартных форматов (63,21 м).

В случае необходимости технология производства включает еще дополнительные стадии.

Закалка. Эта операция применяется при получении стекла с повышенной в 4-6 раз при сжатии и 5-8 раз при изгибе прочностью по сравнению с обычным стеклом. Закалка проводится доведением нагревом стекла до пластического состояния и затем резким охлаждением поверхности.

Заключительная обработка изделий включает в себя операции шлифования, полирования, декоративной обработки.

Получение ситаллов

Сита́ллы (от «стекло и кристаллы») - стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Главная особенность ситаллов - тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов  – более зернистой и однородной микрокристаллической структурой. Различают технические ситаллы (изготовляемые на основе искусственных композиций из различных химических соединений - оксидов, солей), петроситаллы (из горных пород - базальтов, диабазов и др.) и шлакоситаллы (из металлургических или топливных шлаков). 

Для производства ситаллов используют технологию стекольного про­изводства, несколько видоизмененную и дополненную в своей заключи­тельной стадии, поскольку полученное из соответствующего стекла изделие затем должно быть превращено в ситалл путем кристаллизации. Технологическая схема производства изделий из стекла:

• получение шихты;

• варка стекла;

• формование изделий;

• отжиг изделий;

• кристаллизация изде­лия (может следовать за формованием, минуя отжиг, или осу­ществляться после отжига).

В некоторых случаях для получения ситаллов применяют керамиче­скую технологию («порошковый метод») по схеме:

• получение шихты;

• варка стекла (гранулирование и измельчение стекла в порошок  получение пластичной композиции - шликера (стекло+связка) ;

• формование изделия;

• спекание;

• кристаллизация.

Этот технологический прием является менее совершенным, так как получаемые изделия всег­да имеют некоторую, хотя и небольшую пористость. Однако в особых случаях и при получении деталей очень сложной конфигурации порош­ковый метод может оказаться незаменимым.

Спеченный ситалл получают двумя методами: спеканием порошков стекла (размер зерен около 10 мк) с добавкой порошка катализатора; спеканием порошка стекла, в который катализатор введен на стадии его варки.

Приготовление шихты. При составлении шихты используют обыч­ные для стеклотехники приемы подготовки компонентов сырья, их сме­шивания и подачи шихты к загрузочным устройствам стекловаренных печей. Отличие ситалловой шихты от стекольной заключается в том, что первая содержит катализатор кристаллизации.

Требования к чистоте применяемых компонентов сырья в зависимо­сти от вида и назначения ситалла могут быть различными. При получе­нии прозрачных ситаллов чистота этих компонентов должна находиться на уровне требований к чистоте сырья для получения стекла, так как малейшие примеси оксидов желе­за отрицательно сказываются на цвете и прозрачности ситалла. В то же время при производстве цело­го ряда технических ситаллов, а также шлакоситаллов требования к чистоте сырьевых компонентов значительно ниже обычно принятых в технологии стекла. В составах таких ситаллов, например, может быть допущено содержание повышенных количеств красящих оксидов (Fe₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂ и т. п.).

Варка стекломассы при производстве ситаллов осуществляется в различных стекловаренных печах (ванных или горшковых); температура ее и длительность зависят от состава стекла. Наряду с легкоплавкими стеклами, температура варки которых около 1300°С, для получения си­таллов применяют и более тугоплавкие составы с температурой варки около 1700°С.

Для обеспечения высокой степени гомогенности стекла при необхо­димости применяют различные приемы перемешивания.

При использовании летучих катализаторов кристаллизации (фториды, сульфиды, не­которые окислы и т. д.) приходится прибегать к специальным мерам по предупреждению или, по крайней мере, по уменьшению потерь этих компонентов в процессе варки стекла.

Формование стекла перед его кристаллизацией может осуществляться всеми методами, известными в стеклотехнике. Однако на практике формование ситалловых стекол сопряжено с большими трудностями: многие из них (например, кордиеритового состава) явля­ются весьма короткими и имеют узкий температурный интервал фор­мования, который к тому же сдвинут в область повышенных температур.

Разным способам формования соответствуют разные значения вяз­кости: от наименьших для литья - до наибольших для вытягивания. В связи с этим чаще всего при формовании ситаллов применяют литье, в частности центробежное, и прессование. Для использования других методов, принятых в стеклотехнике (непрерывное прокатывание и вытя­гивание), необходимо корректировать состав стекла в таком направле­нии, чтобы изменение его вязкости с температурой было аналогично из­менению вязкости у обычных стекол (например, у оконного).

В стекле после формования всегда образуются внутренние напряже­ния, которые могут превысить предел прочности и разрушить изделие. Поэтому отформованное изделие для удаления этих напряжений долж­но быть отожжено. Если стеклянные изделия направляются на кристаллизацию сразу после формования, т. е. без охлаждения, то отжиг можно и не проводить, изделия приходится лишь нагревать до температуры выделения максимального числа центров кристаллизации.

Кристаллизация стекла. Для получения ситаллов необходимо: а)  выбрать соответствующий состав стекла; б) ввести в этот состав ка­тализатор кристаллизации и сварить стекло; в) провести специальную термическую обработку отформованного изделия из стекла, содержащего катализатор кристаллизации.

Назначение термической обработки состоит в том, чтобы она обеспечила, во-первых, образование максимального числа центров кристаллизации; во-вторых, необходимую степень закристаллизованности и, в-третьих, заданный фазовый состав ситалла. Первое условие определяет мелкозернистость структуры, второе - возможно полное превращение стекла в поликристаллический материал, третье - выделение кристаллических фаз с определенными свойствами. Весьма важным технологическим тре- бованием к режиму термической обработки является его непродолжитель- ность, т. е. время обработки должно быть минимальным. Процесс кристаллизации может быть осуществлен как при охлаждении расплава, так и при нагревании застывшего стекла.

Отжиг изделий. Охлаждать изделия из ситалла, если они тонкостенные или имеют малые размеры, можно без особых предосторожностей, так как опасность разрушения таких изделий вследствие закалки весь­ма мала. В особенности это относится к ситаллам с низким температур­ным коэффициентом линейного расширения.

Для крупногабаритных изделий типа конусов гидроциклонов и т. п. требуется соблюдать соответствующий медленный режим охлаждения (отжиг), исключающий возникновение опасных напряжений

Получение каменного литья

Каменное литье - изделия, получаемые отливкой из минерального расплава в земляных или металлических формах с последующей термической обработкой и постепенным охлаждением. Каменное литьё служит для коррозионно- и износостойкой облицовки, футеровки и мощения. Сырьем для получения каменного литья служат горные породы магматического происхождения, преимущественно базальты и диабазы, обладающее пониженной вязкостью в расплавах. По химическому составу базальты более постоянны, и каменное литье из вех обладает высокой химической стойкостью и прочностью на истирание. Температура плавления их 1100-1450°С. Расплав базальта обладает хорошими литейными качествами и кристаллизуется в течение 5-15 мин.

В зависимости от сырья и цвета различают каменное литьё темное и светлое. В качестве сырья для получения светлого каменного литья используют кварцевый песок (45%), доломит (34%), мел или мрамор (21%). Кроме основных материалов, в шихту для снижения температуры плавления добавляют плавиковый шпат (3%), а для отбеливания расплава – окись цинка (0,8%). Перед загрузкой в печь сырьевые материалы измельчают, просеивают и дозируют в заданном соотношении.

Для плавки шихты используют шахтные, ванные, вращающиеся и электрические печи. Наиболее распространены ванные печи. Базальтовую шихту в ванных печах плавят при температуре 1450°С. Готовый расплав из ванны стекает в разливочный копильник, где охлаждается до 1250°С.  Характерная особенность жидкого состояния расплава заключается в том, что составляющие его частицы – ионы, атомы и молекулы находятся непрерывно в сложно-хаотическом – броуновском движении. С понижением температуры кинетическая энергия частиц уменьшается и движение их постепенно замедляется до тех пор, пока они утратят способность перемещаться в пространстве друг относительно друга. В таком состоянии конечное взаимное расположение этих частиц может быть упорядоченным, т.е. кристаллическим или беспорядочным – стекловидным. Регулируя температурные условия охлаждения расплава во времени, получают изделия каменного литья с той или иной степенью кристаллизации. Если же медленно кристаллизующийся расплав подвергнуть быстрому охлаждению, он не закристаллизуется и превратится в стекло. Таким образом, основная сущность получения изделий каменного литья заключается в том, чтобы залитый в форму расплав закристаллизовать, подвергая его правильной температурной обработке. Охлаждение расплава перед разливкой благоприятно сказывается на структуре отливаемых изделий и уменьшает число усадочных дефектов (трещин, раковин).

Для литья изделий применяют формы (кокили) из чугуна или жароупорной стали (постоянные формы), из силикатных материалов (временные формы) и земляные (одноразовые формы). Для уменьшения внутренних напряжений, возникающих при охлаждении, отливки подвергаются кристаллизации и отжигу. Степень кристаллизации расплава изменяется в зависимости от свойств расплава и размеров изделий. Кристаллизацию и отжиг проводят в специальных печах (муфельных, туннельных, камерных) при температуре 800-900°С, затем изделия перемещают в зону отжига, а оттуда на склад готовой продукции.

Технические свойства различных видов каменного литья по некоторым показателям во много раз превышают свойства естественных камней магматического происхождения. Изделия из каменного литья обладают следующими физико-техническими свойствами: плотность 2900-3000 кг/м³; предел прочности при сжатии 300-400 МПа, в отдельных случаях 1000 и даже 2000 МПа; при изгибе – 60-65 МПа; потери при истирании – 0,05-0,06 г/см²; химическая стойкость – 99,0-99,8%; твердость 7-8 и выше; коэффициент теплопроводности – 0,85

Из светлого каменного литья производятся облицовочные плитки, плиты и фасонные детали, плиты для полов прямоугольной и шестигранной формы, мелющие шары, тигли для плавки редких металлов, пресс-формы (способом точного литья), щебень для светлых асфальтобетонных покрытий, плитки для обозначения уличных переходов. Из каменного литья могут быть также изготовлены: элементы футеровки бетонных стоков канализации, водосбросов; трубы для пневмо- и гидротранспорта материалов; облицовки вентиляторов, дымососов, диффузоров; детали пластинчатых транспортеров, валковых грохотов (валков), землесосов; строительные детали - для цоколей зданий, надцокольных поясов, оконных сливов, карнизов, облицовки мостов, оград и др. Из каменного литья на основе шлаков (шлакового литья) на некоторых металлургических заводах изготовляется дорожная брусчатка.

Стоимость каменного литья, особенно светлого, сравнительно высока. Однако, если отнести стоимость изделий к сроку их службы, то применение каменного литья оказывается экономически выгодный.

Контрольные вопросы

1. Что является сырьем для производства стекла?

2. Назовите основные технологические операции при производстве стекла.

3. Какие химические процессы протекают в процессе варки стекла?

4. Какими методами осуществляется формование листового стекла.

5. В чем состоит сущность и преимущества флоат-метода формования листового стекла?

6. Каково назначение глушителей и осветлителей при производстве стекла?

 Основы металлургического производства.

Современное металлургическое производство и его продукция.

 Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов);

– энергетические цеха для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;

– доменные цеха для выплавки чугуна и ферросплавов или цеха для производства железорудных металлизованных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цеха (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цеха (слиток в сортовой прокат).

Основная продукция чёрной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката,

– стальные слитки для изготовления крупных кованных валов, дисков (кузнечные слитки).

Основная продукция цветной металлургии:

– слитки цветных металлов для производства проката;

– слитки для изготовления отливок на машиностроительных заводах;

– лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

– слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.

 Способы химического воздействия на минералы.

Пирометаллургический (огневой) основан на том, что тепло, необходимое для протекания химических реакций в жидком расплаве (плавка), для испарения металлов и их соединений (дистилляция), обеспечивается сжиганием топлива. Наиболее широко применяется восстановительная (доменный процесс) или окислительная (производство стали) плавка. Дистилляция применяется при производстве цинка, магния, олова и др.

Гидрометаллургический способ (выщелачивание и осаждение) основан на получении металлов из водных растворов. Выщелачивание — избирательное растворение металлсодержащего компонента обрабатываемого материала. Этот способ применяют при производстве меди и цинка. Осаждение из растворов основано на переводе металлов (при производстве алюминия, вольфрама и др.) в воднорастворимые соединения.

Электрометаллургический способ состоит в получении металлов и сплавов (черных и цветных) в электрических печах и электролизе металлов (алюминий, медь, магний и др.) из растворов солей.

Химико-металлургический способ представляет собой соединение химических и металлургических процессов. Так, производство титана осуществляется в несколько этапов: получение из руды хлорида титана, восстановление его в губчатую массу, расплавление этой массы электронагревом в медном водоохлаждаемом тигле.

Порошковая металлургия - метод, состоящий из последовательно совершаемых операций: получение порошков, их прессование и спекание. Этим способом получают антифрикционные и твердые сплавы и др.

Материалы для производства металлов и сплавов

 Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30-60 % для железа, 3-5% для меди, 0,005-0,02 % для молибдена).

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.

В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают – удаляют часть пустой породы.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь (вводят в виде агломерата и окатышей) для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха.

Топливо – в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 ⁰С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80-88 % углерода, 8-12 % золы, 2-5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25-60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служащее не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич).

Взаимодействие основных огнеупорных материалов и кислых шлаков, может привести к разрушению печи.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

 

Производство чугуна.

 Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода 2,14 – 6,67 %).

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся:

– магнитный железняк (Fe₃O₄) с содержанием железа 55-60 %, месторождения – Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);

– красный железняк (Fe₂O₃) с содержанием железа 55-60 % , месторождения – Кривой Рог, КМА;

– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃  3H₂O и Fe₂O₃  H₂O) c содержанием железа 37-55 % – Керчь.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃, так как в шлак должны входить основные оксиды (CaO, MgO), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

а) промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;

б) гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются;

в) магнитная сепарация – измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40-50 %), известняка (15-20 %), возврата мелкого агломерата (20-30 %), коксовой мелочи (4-6 %), влаги (6-9 %), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-1500 ⁰С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат.

При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200-1350 ⁰С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса – известняка в доменную печь при плавке.

Выплавка чугуна

 Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.

2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи.

Доменная печь (рис. ) имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн, лещадь.

Рис. . Схема доменной печи объемом 2700 м³

и ее примерный суточный баланс:

1 - чугунная летка; 2 - шлаковая летка; 3 - фурменный прибор; 4 - лещадь: 5 - чугуновоз; 6 - шлаковозы; 7 - газоотводы; 8 - засыпное устройство; 9 - фундамент; 10 - воздухопривод дутья

В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту( агломерат и кокс). Шихту подают в засыпной аппарат и высыпают шихту в приемную воронку распределителя шихты. Устройство засыпного аппарата предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объём был заполнен.

Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота доменной печи достигает 35 м, а полезный объем – 2000-5000 м³.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 3, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000-1200 ⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

C + O₂ = CO₂ + Q

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O_(пар) + Q

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи, выше уровня фурм развивается температура выше 2000 ⁰С.

Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂+ C = 2CO –Q

H₂O + C = CO + H₂ - Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода COявляется главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.

Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300-400 ⁰С у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 ⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи.

Закономерности восстановления железа выявлены академиком Байковым А.А.

Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий: Fe₂O₃  Fe₃O₄ FeO Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций.

Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением и протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции: FeO + C =Fe + CO - Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям: 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q

Fe₃O₄ + CO = 3 FeO + CO₂ - Q

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q

За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40-60 % металлического железа.

При температуре 1000-1100 ⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 ⁰С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 ⁰C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3-4 часа через чугунную летку 1, а шлак – каждые 1-1,5 часа через шлаковую летку 2 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

 

Продукты доменной плавки

 Основным продуктом доменной плавки является чугун.

Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90 % общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8-4,4 % углерода, 0,3-1,2 % кремния, 0,2-1 % марганца, 0,15-0,20 % фосфора, 0,03-0,07 % серы.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды).

Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

 

Процессы прямого получения железа из руд.

Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла.

Такие процессы ведутся, не расходуя металлургический кокс, флюсы, электроэнергию (на подготовку сжатого воздуха), а также позволяют получить очень чистый металл.

Методы прямого получения железа известны давно. Опробовано более 70 различных способов, но лишь немногие осуществлены и притом в небольшом промышленном масштабе.

В последние годы интерес к этой проблеме вырос, что связано, помимо замены кокса другим топливом, с развитием способов глубокого обогащения руд, обеспечивающих не только высокое содержание железа в концентратах (70-72%), но и почти полное освобождение его от серы и фосфора.

 

Получение губчатого железа в шахтных печах.

Схема процесса представлена на рис. 2.1.

 

 

Рис. 2.1. Схема установки для прямого восстановления железа из руд и получения металлизованных окатышей

 При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера 1 по грохоту 2поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9, работающую по принципу противотока. Просыпь от окатышей попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке 7конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород Н₂ и оксид углерода СО. В восстановительной зоне печи « В» создается температура 1000-1100 ⁰C, при которой Н₂и СО восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90-95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения «О» печи подают воздух. Охлаждённые окатыши 5 выдаются на конвейер 4 и поступают на выплавку стали в электропечах.

 

Восстановление железа в кипящем слое.

Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решётку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. Под давлением водорода частицы руды находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий», «псевдосжиженый» слой. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа. На одну тонну восстановленного порошка расход водорода составляет 600-650 м³.

 

Получение губчатого железа в капсулах-тиглях.

Используют карбидокремниевые капсулы диаметром 500 мм и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентрическими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем – измельчённым твёрдым топливом и известняком (10-15%) для удаления серы. Второй слой – восстанавливаемая измельчённая руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой – восстановителя и известняка. Установленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются в туннельной печи длиной до 140 м, где происходит нагрев, выдержка при 1200 ⁰C и охлаждение в течение 100 часов.

Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99 %, углерода – 0,1-0,2%.

 

Производство стали

 

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода (при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения).

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит CaO. Фосфорный ангидрид P₂O₅ образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)₃ P₂O₅. Оксид кальция CaO – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P₂O₅ и переводит его в шлак:

2P + 5FeO + 4CaO  (CaO)₄ P₂O₅ + 5Fe.

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание его в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

FeO + C = CO + Fe - Q

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объёму ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также газы, проникающие в пузырьки СО. Всё это способствует повышению качества металла. Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа FeSрастворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO:

FeS + CaO = CaS + FeO

Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: MnO, SiO₂ , Al₂O₃, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

Способы выплавки стали

  Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция) в период до семидесятых годов двадцатого века являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200-900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь (рис.2.2.) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Рис.2.2. Схема мартеновской печи

 

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ и мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500-1600 ⁰C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 ⁰C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 ⁰C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.

Охлаждённые газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 ⁰C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту, и способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3-6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400-600 плавок.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают следующие разновидности мартеновского процесса:

• скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25-45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

• скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55-75 %), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.

В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха, и удаляют шлак.

Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке возрастает, а FeO уменьшается.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.

Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора.

Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, её используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

 

Производство стали в кислородных конвертерах.

 Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты в 1933-1934 провел Мозговой. В промышленных масштабах – в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130-350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360⁰ для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит Al₂O₃ и плавиковый шпат CaF₂ для разжижения шлака.

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.3.

 

Рис.2.3. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

 После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой, осматривают футеровку и ремонтируют.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (2.3.а), заливают чугун при температуре 1250-1400 ⁰C (рис. 2.3.б).

После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 2.3.в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через неё подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 ⁰C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.3.г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 2.3.д).

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчивается через 25-30 минут.

 

Производство стали в электропечах

 Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и индукционные электропечи.

 Схема дуговой печи показана на рис. 3.1.

 

 Рис.3.1. Схема дуговой плавильной печи

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5-400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава),

б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс (для науглероживания металлов) и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, и, частично, углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500-1540 ⁰C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, где происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали – конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.

Индукционные тигельные плавильные печи

В индукционных тигельных плавильных печах выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.

Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.

Схема индукционной тигельной печи представлена на рис 3.2.

 

Рис. 3.2. Схема индукционной тигельной печи

 Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-2000 Гц).

При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съёмный свод 2.

Тигель изготавливают из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска плавки печь наклоняют в сторону сливного жёлоба.

Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла ( SiO₂). Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

В основных печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

 В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.

При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды производства включает в себя металлургический комплекс?

2. Какие сырьевые материалы используют при производстве чугуна и стали?

3. Какие огнеупорные материалы применяются для производства чугуна, стали?

4. Что такое обогащение руд?

5. Что называется чугуном? Какие физико-химические процессы протекают при его выплавке в доменной печи?

6. Перечислите основные методы и цели подготовки исходных материалов к доменной плавке.

7. Дайте сравнительную характеристику современных способов получения стали.

8. Назовите этапы плавки стали и основные процессы в каждом из них.

Разливка стали

  Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы ( кристаллизаторы) или машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке или ковке.

Изложницы –это чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5-7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.

Сталь разливают в изложницы сверху (рис. 3.3.а), снизу (сифоном) (рис.3.3.б) и на машинах непрерывного литья (рис.3.4).

Рис.3.3. Разливка стали в изложницы

а – сверху; б – снизу (сифоном)

 

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.

Применяется для разливки углеродистых сталей.

При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (4-60). Изложницы устанавливаются на поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединённый каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу 5.

В данном способе поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц.

Используют для легированных и высококачественных сталей.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 5.

П еред заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку – стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тяговых роликов 6, постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов 6, затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал 4. Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком 7, на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадочные раковины.

Рис.3.4. Схема непрерывной разливки стали

Способы повышения качества стали

Рафинирование стали – это очистка стали от вредных примесей (серы и фосфора), с целью улучшения ее качества. Существуют различные способы очистки стали от вредных примесей:

1. очистка стали в электрических печах;

2. внепечное рафинирование стали;

3. струйное рафинирование стали.

Очистка стали в электрических печах

Для производства стали наиболее часто применяют следующие способы очистки стали в электрических печах:

• электрошлаковый переплав;

• вакуумно-дуговой переплав;

• электронно-лучевой переплав;

• плазменно-дуговой переплав;

• переплав в индукционных печах;

• электро-дуговой переплав.

При этом слитки стали переплавляются с помощью различных нагревательных устройств с полным контролем процесса плавления и кристаллизации. Во время переплава расплавленный металл подвергается глубокой дегазации и более полному раскислению посредством длительной обработки вакуумом или электромагнитным перемешиванием расплава.

Недостатками данных способов является необходимость больших затрат энергии на повторное расплавление металла.

Рис. 3.1. Схема электрошлакового переплава

Способ электрошлакового переплава, разработанный в институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР, широко распространен в России и за рубежом. Переплаву подвергается ранее выплавленный металл. Предварительно из него изготовляют электроды 1 (рис.3.1). Электрическая цепь между электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака 3, обладающего большим электрическим сопротивлением. При этом шлак разогревается до температур 1600-1700°С, что приводит к оплавлению конца расходуемого электрода. Капли электродного металла 4 проходят через шлаковую ванну и образуют металлическую ванну 5, которая под влиянием водоохлаждаемых поддона 7 и кристаллизатора 2, формируется в слиток 6.

На установках для электрошлакового переплава сразу перерабатываются несколько электродов в один или несколько сплошных или полых слитков, в сортовые и листовые заготовки, а также сплошные или полые фасонные отливки. Можно получать слитоки различных сечений массой до 250-300 т.

Внепечное рафинирование стали

В данном способе расплавленный металл подается на рафинирование непосредственно сразу после его выплавки на дополнительную очистку.

Обработка стали в ковше

При обработке стали в ковше применяют специальные вакуумные камеры. С понижением давления начинается дегазация, которая приводит к перемешиванию металла и шлака. Интенсифицируют процесс электромагнитным перемешиванием или электродуговым подогревом металла, а также продувкой его инертным газом.

Вакуумная обработка способствует получению стали с малыми отклонениями по химическому составу, со сниженным содержанием газов и неметаллических включений, с повышенной пластичностью.

Обработка стали синтетическим шлаком

Эффективным методом внепечной десульфурации является обработка стали синтетическим шлаком (53-55% СаО, 43-45% А1₂О₃, 3 % Si0₂ и 1 % FeO). Одновременно происходит очистка металла от кислорода и неметаллических включений, благодаря чему повышаются пластичность, вязкость и хладостойкость стали.

Шлак выплавляют в электропечах, затем заливают в сталеразливочный ковш. Жидкая сталь сливается в ковш с высоты более 3 м, при этом шлак эмульсируется. В результате поверхность раздела металл-шлак по сравнению с обычными процессами в сталеплавильных агрегатах возрастает в десятки раз.

Струйное рафинирование стали

Вакуумирование стали в струе осуществляется при переливе металла из одного ковша в другой или при разливке стали в изложницы. Это простой и эффективный способ дегазации металла. При разливке стали осуществляется дробление струи металла выделяющимися газами. Для увеличения поверхности дегазации в струю также вводится инертный газ.

Рис.3.9. Схема струйного рафинирования стали

Сущность струйного рафинирования заключается в следующем: струя жидкого металла распыляется потоком кислорода на капли диаметром ~ 1 мм. Одновременно в агрегат (рафинатор) (рис.3.9) вдуваются измельченные известь и флюсы. Поверхность контакта металла с кислородом и флюсом очень велика и выгорание примесей успевает произойти в падающей струе. Разделение стали и шлака происходит уже в самом рафинаторе.

Преимущества данного способа: экономия капиталовложений, снижение себестоимости и более высокая чистота стали, лучшие возможности для автоматизации производства.

Модифицирование структуры и свойств стали

Основные свойства сплава зависят от его химического состава и закладываются в процессе его выплавки. Но возможно изменить и улучшить свойства уже готового металла путем модификации его

структуры и частично его химического состава. Методы упрочнения металлов и сплавов можно классифицировать следующим образом:

Термическая обработка металлов.

 Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.

Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство готового изделия.

 Различают следующие виды термической обработки:

Отжиг

Рис. ?.1 . Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

 Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет:

• улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием;

• исправить структуру перегретого металла (сварных швов) или литых деталей;

• подготовить структуру к последующей термической обработке.

Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерно медленное охлаждение со скоростью 30-100 ⁰С/ч.

Отжиг 1 рода возможен для любых металлов и сплавов. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутренние напряжения.

Разновидностями отжига первого рода являются:

• диффузионный;

• рекристаллизационный;

• отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.

1. Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава.

В его основе – диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды. Применяется, в основном, для легированных сталей.

Температура нагрева зависит от температуры плавления, Т = 0,8 Т_пл.

Продолжительность выдержки 8-20 часов.

2. Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

Температура нагрева связана с температурой плавления Т = 0,4 Т_пл.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

3. Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).

Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне Т = 160-700⁰С.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Детали прецизионных станков (ходовые винты, высоконагруженные зубчатые колеса, червяки) отжигают после основной механической обработки при температуре 570 - 600⁰С в течение 2-3 часов, а после окончательной механической обработки, для снятия шлифовочных напряжений – при температуре 160-180⁰С в течение 2-2,5 часов.

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Температура нагрева и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.

Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность он способствует повышению пластичности и вязкости.

В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:

1. Полный (применяется для доэвтектоидных сталей с (С)0,8%).

Температура нагрева на 30-50 ⁰С выше критической температуры А_С3

Проводится для исправления структуры сталей. При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет также мелкозернистую структуру.

2. Неполный (применяется для заэвтектоидных сталей с (С)≥0,8%).

Температура нагрева на 30-50 ⁰С выше критической температуры А_С1

При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига он приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка. Структура с зернистым цементитом лучше обрабатывается и имеет лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.

Иногда неполный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.

3. Циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше температуры А_С1 следует охлаждение до 680 ⁰С, затем снова нагрев до температуры 750-760 ⁰С и охлаждение. В результате получают зернистый цементит.

4. Изотермический отжиг – после нагрева до требуемой температуры, изделие быстро охлаждают до температуры на 50-100^oС ниже критической температуры А_С1 и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе (рис. внизу). Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.

В результате получают более однородную структуру, так как превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения. Значительно сокращается длительность процесса. Применяют для легированных сталей.

Рис. ??.5. Режимы изотермического отжига

5. Нормализация ( разновидность отжига).

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30-50 ^oС выше А_С3 или А_ст с последующим охлаждением на воздухе. или

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше, чем после отжига.

Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например, при изготовлении сортового проката.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.

6. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью улучшения свойств стали - повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. ?.1 (2, 2а)).

Процесс закалки необходим очень многим деталям, изделиям. Эта термобработка основана на перекристаллизации стали, нагретой до температуры выше критической; после достаточной выдержки - следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита до перлита.

Чаще всего, при закалке, сталь резко охлаждают на мартенсит. Смягчают действие закалки процессом отпуска. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, троостит отпуска или сорбит отпуска.

Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки.

Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (образца). Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5-7 мм.

Наиболее значи­тельное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30-0,35%.

Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5-0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2-3%) количество аустенита.

Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров. Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше А_С3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной.

Нагрев под поверхностную закалку может быть произведен токами высокой частоты (ТВЧ) - наиболее распространенный метод или в расплавах металлов или солей, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, лазерным излучением.

Температура нагрева закалки стали равна температуре полного отжига: для доэвектоидной стали на 30-50 ° выше точки А_С3, для заэвтектоидной – на 30-50 ° выше точки А_С1.

Нагревать изделия, особенно крупные, нужно постепенно, чтобы избежать местных напряжений, трещин, а время выдержки нагретого изделия должно быть достаточным, чтобы переход перлита в аустенит полностью завершился. Продолжительность выдержки обычно равна четверти общей продолжительности нагревания.

Процесс закалки заканчивается охлаждением деталей. Скорость охлаждения деталей должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры. Скорость, обеспечивающая мартенситную структуру (с остаточным аустенитом, не без троостита), называется критической скоростью закалки.

Если скорость охлаждения меньше критической, то в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет троостит, а если скорость уменьшается дальше, то получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита.

Резкость закалки (получение мартенсита без троостита) зависит от природы температуры охлаждающей среды. Охлаждение струей воздуха или холодными металлическими плитами дает закалку на сорбит. Наиболее распространено охлаждение деталей погружением в воду, щелочные, кислые растворы, масло, расплавленный свинец и др. При этом получается резкая или умеренная закалка (на мартенсит или троостит).

Охлаждающая способность воды резко изменяется в зависимости от температуры воды; если эту способность при 18 ° принять за единицу, то при 74 ° охлаждающая способность будет иметь коэффициент 0,05.

К наиболее резким охладителям относится 10%-ный раствор NaOH в воде. Если температура 18 °С, его коэффициент – 2,0. К умеренным охладителям относятся минеральные масла с коэффициентом 0,2-0,25.

Для закалки применяют различные приемы охлаждения в зависимости от марки стали, формы, размеров детали, технических требований к ним.

Простая закалка в одном охладителе (чаще всего в воде, в водных растворах) выполняется путем погружения детали до полного охлаждения. При охлаждении необходимо освобождать деталь от слоя пара (хороший теплоизолятор). Такой способ закалки самый распространенный.

Для получения высокой твердости, наибольшей глубины закаленного слоя для углеродистой стали применяют охлаждение деталей при интенсивном обрызгивании.

Прерывистая закалка - процесс охлаждения последовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (обычно вода); вторая – воздух или масло. Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей.

Ступенчатая закалка – в процессе охлаждения деталь быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше температуры образования мартенсита, короткое время выдерживают, затем охлаждают на воздухе. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине детали, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении.

1. Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) - основана на изотермическом распадении аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200-300 ⁰С , зависит от марки стали). Как охладитель используют соляные расплавы или нагретое до 200-250 ⁰С масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого, прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе.

7. Отпуск – проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А_С1 (рис. 1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

Чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются внутренние напряжения, растет пластичность и сопротивление ударным нагрузкам, но снижается прочность и твердость. Отпуск является окончательной операцией термообработки, а как самостоятельная не проводится.

Низкий отпуск проводят при нагреве 120-250 ⁰С. При этом мартенсит закалки обедняется избыточным углеродом и превращается в мартенсит отпуска, частично снимаются внутренние напряжения, повышается прочность стали ( за счет устранения дефектов и внутренних напряжений), несколько снижается твердость. Применяют для изделий, которые должны отличаться высокой твердостью и износостойкостью – режущий и измерительный инструмент, шарикоподшипники.

Средний отпуск проводят при нагреве 250-450⁰С с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. При этом мартенсит частично распадается на феррито-цементитную смесь, называемую троостит отпуска. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов.

Высокий отпуск проводят при нагреве 450-650 ⁰С обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. При этом мартенсит практически полностью распадается на ферритно-цементитную смесь - сорбит отпуска.

 

Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении

 Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии .

1. Превращение перлита в аустенит , происходит при нагреве выше критической температуры А_С1, минимальной свободной энергией обладает аустенит:

2. Превращение аустенита в перлит АП, происходит при охлаждении ниже А_С1, минимальной свободной энергией обладает перлит:

3. Превращение аустенита в мартенсит AM, происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

4. Превращение мартенсита в перлит МП; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

 Механизм основных превращений

 1. Превращение перлита в аустетит

 Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением , а так же растворением цементита в аустените.

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Механизм превращения представлен на рис.?.4.

Рис. ?.4. Механизм превращения перлита в аустенит.

 Превращение начинается с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка перестраивается в решетку .

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста.

2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.

 

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения, скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 ⁰С и ниже 200 ⁰С скорость равна нулю. При температуре 200 ⁰С равна нулю скорость диффузии углерода.

 Механизм превращения представлен на рис. ?.6.

Рис. ?.6. Механизм превращения аустенита в перлит

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен(а). Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине(б). Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров(в).

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается . Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

Если мм – перлит. Образуется при переохлаждении до температуры Т = 650-700 ⁰С, или при скорости охлаждения V_охл = 30-60 ⁰С /ч. Твердость составляет 180-250 НВ.

Если мм – сорбит. Образуется при переохлаждении до температуры Т = 600-650 ⁰С, или при скорости охлаждения V_охл = 60 ⁰С /с. Твердость составляет 250-350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

Если мм – троостит. Образуется при переохлаждении до температуры Т = 550-600 ⁰С, или при скорости охлаждения V_охл = 150 ⁰С/с. Твердость составляет 350-450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью.

Промежуточное превращение

При температуре ниже 550 ⁰С самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0,1-0,2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависит от температуры превращения.

При температуре 550 ⁰С образуется верхний бейнит с мм. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении и ударной вязкости.

При температуре 300 ⁰С образуется нижний бейнит с мм. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Превращение аустенита в мартенсит при высоких скоростях охлаждения

 Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением в .

При охлаждении стали со скоростью, большей критической, образуется продукт закалки – мартенсит( пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ).

Минимальная скорость охлаждения Vк, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры т.М_н и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке и располагается либо в центрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рис. 13.1).

При образовании мартенсита кубическая решетка сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. ??.1 а).

Рис.? ?. 1. Кристаллическая решетка мартенсита (а);

 Превращение необратимое. Получить аустенит из мартенсита невозможно.

Мартенсит характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость. Твердость составляет до 65 HRC.

Превращение мартенсита в перлит.

 Имеет место при нагреве закаленных сталей. Превращение связано с диффузией углерода.

Мартенсит закалки - неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной структуры изделия подвергают отпуску.

При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы.

При нагреве до 200^oС происходит перераспределение углерода в мартенсите – образуется структура с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.

При нагреве до 400^oС весь избыточный углерод выделяется из . Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.

Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска. При температуре 650-700^oС получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

 При нагреве выше 400^oС изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550-600^oС имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

Химико-термическая обработка (ХТО) стали

Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения.

3. Диффузия - перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию, необходимую для протекания процесса.

Толщина диффузионного слоя, а, следовательно, и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистых (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900-950°С - твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850-900°С - газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности, не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10% асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия.

2-ой состав применяемой обмазки: каолин - 25%, тальк - 50%: вода - 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.

Цементацию делают после полного высыхания обмазки.

Вещества, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.

В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа - 55%, кальцинированная сода - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода - 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.

Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С с окончательным охлаждением в масле.

Азотирование стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до 600-650°С в атмосфере аммиака NН₃. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с железом, алюминием, хромом и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды). Азотированные стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар.

Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цементованных, до сравнительно высоких температур (500-520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров.

Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840-60°С - нитроцианирование, в жидкой среде - при температуре 820-950°С - жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.

Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.

Борирование стали - химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900-950°С. Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов и , обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2-10 раз) бурового и штампового инструментов.

Силицирование - процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100 °С) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование повышает коррозионную стойкость стали в различных агрессивных средах - морской воде, растворах кислот, увеличивает окалиностойкость изделий до 800-1000 °С. В ряде случаев силицирование используется для придания детали антифрикционных свойств. Силицирование может производиться в газообразных и жидких средах как электролизным, так и безэлектролизным методом.

Диффузионная металлизация стали

Насыщение поверхности стали металлами в ходе их высокотемпературной химико-термической обработки в соответствующих насыщающих средах называется диффузионной металлизацией. Диффузионная металлизация, в зависимости от насыщающего элемента, может проводиться в диапазоне температур от 700 до 1400 °С. Диффузионную металлизацию могут выполнять погружением обрабатываемой детали в ванну с расплавленным металлом, погружением детали в расплавы солей насыщающего металла, насыщения поверхности детали из газовой фазы, состоящей из галогенидов диффундирующего металла, диффузии насыщающего металла путем его испарения из сублимированной фазы, метода циркуляционного газового насыщения и т. п.

Подобная химико-термическая обработка может включать в себя как насыщение только одним элементом, например, насыщение поверхности детали хромом - хромирование, насыщение алюминием - алитирование, так и насыщение группой металлов - хромоалитирование (одновременное насыщение хромом и алюминием), одновременное насыщение поверхности детали металлами и неметаллами - карбохромирование (насыщение поверхности углеродом и хромом). Совместное насыщение поверхности детали рядом элементов может проводиться как одновременно, так и последовательно.

В результате диффузионной металлизации в поверхности стали возникают слои высоколегированных твердых растворов диффундирующих элементов в железе, создавая принципиально иные физико-химические свойства поверхностных, защитных слоев изделия.

Алитированием - называется режим химико-термической обработки, состоящей в насыщении поверхности стали алюминием в соответствующих насыщающих средах. Как правило, алитирование производится при температурах 700–1100 °С. Целью алитирования является повышение окалиностойкости изделий (до 800–900 °С), коррозионной стойкости в атмосферных условиях и морской воде.

Хромирование - способ химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (900–1300 °С) диффузионном насыщении поверхности обрабатываемой детали хромом в насыщающих средах с целью придания ей жаростойкости (до 800 °С), коррозионной стойкости в пресной и морской воде, растворах солей и кислот, эрозионной стойкости. Диффузионное насыщение поверхности стали хромом, также уменьшает скорость ползучести материала повышает его сопротивление термическим ударам. Хромирование также повышает предел выносливости стали при комнатных и повышенных температурах, что связано с возникновением в слое сжимающих напряжений.

Наиболее широко применяется метод диффузионного хромирования в порошках, содержащих хром или феррохром и активные добавки в виде галогенидов аммония (контактный метод). При этом подвергающиеся химико-термической обработке детали укладываются в специальные контейнеры (ящики) с двойными крышками для повышения герметичности и подвергаются высокотемпературным нагревам в соответствующих смесях в течение 6–12 ч. Особо широкое применение этого метода объясняется простотой применяемого оборудования, отсутствием необходимости создания специальных производств и участков.

Цинкование - процесс диффузионного насыщения поверхности детали цинком, способствующий резкому повышению коррозионной стойкости. Повышение коррозионной стойкости при цинковании стальных деталей достигается за счет двух химических процессов: цинк, по отношению к железу являясь электроположительным металлом, тормозит коррозию поверхности детали. Под воздействием атмосферной влаги на цинкованной поверхности стальной детали образуется слой карбонатов и оксидов цинка, оказывающий также защитное действие. Температура цинкования зависит от способа проведения операции. Так, при цинковании в порошках температура процесса колеблется в пределах 370–430 °С, при цинковании погружением - 430–470 °С.

Разновидность ХТО	Насыщающий элемент	t,0C	, ч	Назначение и свойства
Цементация	углерод	900-950	5-20	Повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей. HRC 58-62, глубина слоя 0,5-2,0 мм
Цианирование Высокотемпературное Среднетемпературное Низкотемпературное	Углерод и азот (насыщение в жидкой среде) Цианистой солью			Повышение твердости (HV 700-1100) и износостойкости.
		920-960	0,25-2	Глубина слоя 0,2-2 мм
		820-860	0,5-1,6	Глубина слоя 0,15-0,35 мм
		540-560	0,1-1,0	Глубина слоя 0,01-0,08 мм
Нитроцементация Высокотемпературная Низкотемпературная	Углерод и азот (насыщение в газовой среде)			Газовая нитроцементация и цианирование производятся деталям из стали с 0,2-0,4% С. Состав газовой смеси: эндогаз + природный газ 5-15% + аммиак 3-8 %.
		820-860	2-10
		560-580	0,505
Борирование	Бор	750-1050	1-6	Повышение твердости (HV 1800-2000), износостойкости, коррозийной стойкости, теплостойкости (до 9500С) и окалиностойкости (до 8000С). Глубина слоя 0,1-0,2 мм.
Силицирование	Кремний	950-1200	0,5-12
Хромирование	Хром	900-1150	1-12	Повышение твердости (HV 1300), износостойкости, коррозийной и окалиностойкости (до 8000С). Глубина 0,01-0,3 мм.
Азотирование	Азот (в среде аммиака NH3)	500-650	24-60	Повышение твердости и износостойкости в зависимости от марки ст. В ст. с AL HV 1000-1200 глубина 0,3-0,6 мм. Повышение коррозионной стойкости.
Алитирование	Алюминий	700-1100	0,25-12	Повышение коррозионной стойкости и окалиностойкости (до 850 – 9000С), HV 500. Глубина слоя 0,2-0,6 мм.
Цинкование	Цинк	350-550 700-1000	0,25-10	Повышение коррозионной стойкости. Глубина слоя 0,02-0,2 мм.

Термомеханическая обработка стали.

Термомеханическая обработка (ТМО) относится к комбинированным способам изменения строения и свойств стали. При ТМО совмещается пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии). При обработке происходит дробление зерен (блоков) аустенита. Размеры блоков уменьшаются в 2-4 раза по сравнению с обычной закалкой. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения. Преимуществом ТМО является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5-2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

Высокотемпературная ТМО проводится для углеродистых, легированных, конструкционных и пружинных сталей. Низкотемпературная – для среднеуглеродистых легированных.

Рис. Схема режимов ТМО стали:

а) высокотемпературная ТМО; б) низкотемпературная ТМО.

Поверхностное упрочнение стальных деталей.

 Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка. В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

Закалка токами высокой частоты.

 Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П. Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50-15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10⁶ Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

  После нагрева в течение 3-5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2-4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150-200^oС (самоотпуск). Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

• большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

• более высокие механические свойства;

• отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

• снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

• возможность автоматизации процесса;

• использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;

• позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода  – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

 

Газопламенная закалка.

  Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000-3200^oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2-4 мм, твердость 50-56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

Недостатки метода:

• невысокая производительность;

• сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Старение.

  К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение (закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор)).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов. После старения увеличиваются прочность и твердость, уменьшается пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:

• тонкопластинчатой (дискообразной);

• равноосной (сферической или кубической);

• игольчатой.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств. Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением.

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания).

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то в нем ускоряются процессы, протекающие при старении. Такой вид старения называется деформационным.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите третичного цементита и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.

 

Обработка стали холодом.

 Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М_к) ниже 0^oС. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения остаточного аустенита проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. М_к (- 80^oС). Обычно для этого используют сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1-4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

 

Упрочнение методом пластической деформации.

 Основное назначение методов механического упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности.

Методы механического упрочнения – наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2-0,4 мм.

Разновидностями являются дробеструйная обработка и обработка роликами.

Дробеструйная обработка – обработка дробью поверхности готовых деталей. Осуществляется с помощью специальных дробеструйных установок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь на поверхность обрабатываемых деталей. Диаметр дроби – 0,2-4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2-0,4 мм.

Применяют для упрочнения деталей в канавках и на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка улучшает микрогеометрию. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия.

Обкатка роликами применяется при обработке шеек валов, проволоки, при калибровке труб, прутков. Она не требует специального оборудования, можно использовать токарные или строгальные станки.

Контрольные вопросы.

1. Нарисуйте схему образования аустенитных зёрен.

2. Что называется термической обработкой сталей?

3. На чём основана теория термической обработки стали?

4. Как происходит превращения перлита в аустенит?

5. Какие условия необходимо соблюдать для распада аустенита?

6. В чём суть превращения переохлажденного аустенита в перлит?

7. Что является основной структурой закаленной стали?

8. При какой температуре в углеродистых сталях образуется бейнит?

9. Что такое гомогенизационный и рекристаллизационный отжиг?

10. Какие различают разновидности отжига второго рода?

11. Охарактеризуйте основные этапы (процессы) закалки, их последовательность.

12. Что из себя представляют низкий, средний и высокий отпуск?

Получение материалов на основе неорганических вяжущих веществ

Искусственные каменные материалы и изделия на основе вяжущих веществ получают необходимую прочность в результате затвердевания вяжущих. В качестве заполнителей применяют кварцевый песок, шлак , пемзу, золу, древесные опилки, а качестве армирующих материалов – асбест, древесное волокно, льняные очесы, бумажную макулатуру, стальную арматуру и проволоку и др.

Различают изделия на основе гипса, воздушной извести, портландцемента. На основе гипса изготавливают перегородочные плиты, гипсобетонные камни, обшивочные листы, архитектурные детали и другие изделия.

На основе воздушной извести получают силикатный, известково-шлаковый и известково-зольный кирпичи, силикатные, пеносиликатные и другие изделия из плотного и ячеистого силикатного бетона.

Портландцемент идет на производство бетонных и железобетонных изделий, асбоцементных плиток и профилированных листов, асбоцементных труб.

Производство гипсобетонных материалов

Быстрое твердение гипса и высокие формовочные свойства дают возможность сократить технологический процесс производства гипсовых изделий, повысить оборачиваемость форм, открывают широкую перспективу для изготовления сборных крупноразмерных элементов зданий и снижение стоимости строительства.

Технология производства гипсовых изделий состоит из следую­щих операций: дозирование всех составляющих смеси; приготовле­ние гипсобетонной смеси, формование изделий, быстрая распалуб­ка, сушка изделий дымовыми газами или нагретым воздухом для повышения прочности.

Существует несколько методов формования гипсовых изделий.

По методу литья изделия формуют из гипсовой массы жид­кой консистенции при содержании 50-70 % воды от массы гипса. Гипсовый раствор заливают в формы, никакого специального уплот­нения не производят и после схватывания отлитые изделия освобож­дают из форм. Полученные изделия требуют длительной сушки. Ме­тод литья применяют преимущественно при изготовлении штучных изделий (перегородочные плиты, блоки) из чистого гипса или при ограниченном содержании заполнителя. Для изготовления других видов изделий чаще всего применяют жесткие и полужесткие гипсобетонные массы, обладающие малой подвижностью. При использовании таких масс требуются другие методы формования - вибрация, прессование, прокат.

Метод вибрации используют, когда изделия формуют из гип­сового раствора с небольшим содержанием воды. Этим густым раствором заполняют формы, которые затем вибрируют на виброплощадке или производят уплотнение массы поверхностным вибратором. При изготовлении изделий из чистого гипса расход воды составляет 35-40 % от его массы, а для получения гипсобетонных смесей – 45-50 %.

При изготовлении гипсовых изделий методом проката обычно используют смесь гипсового вяжущего, опилок и песка в со­отношении 1:1:1 по массе. Влажность формовочной смеси составля­ет порядка 10%. Изделия характеризуются средней плотностью 900 - 1400 кг/м³ и пределом прочности при сжатии 4 - 5 МПа.

В производстве гипсовых изделий в настоящее время метод прессования применяют редко. Изделия по этому способу форму­ют из слегка увлажненного пресс-порошка на специальных прессах под высоким давлением (5-40 МПа). Количество воды в этом слу­чае превышает необходимое для перехода полугидрата в двуводный гипс всего лишь на 2-3 %, т.е. составляет 19-23 % от массы гипсо­вого вяжущего. При этом методе резко повышается расход гипса, зато изделия обладают большой прочностью (50-60 МПа) и отпада­ет необходимость их сушки.

Плиты для перегородок.

Изготавливают такие плиты из гипсового теста либо из гипсового раствора и бетона с минеральными или органическими заполнителями (гипсобетонные).

Формуют плиты тремя способами – методом литья, вибрацией и прессованием.

Схема производства перегородочных плит на карусельной машине показана на рис. . Гипс и опилки ( или шлак) при помощи ковшовочного элеватора загружают в бункеры, из которых в строго определенных соотношениях они поступают в смесительный шнек, перемешиваются в нем и подаются в гипсорастворосмеситель, где смесь увлажняется и окончательно перемешивается.

 Рис. Технологическая схема производства перегородочных плит на карусельной машине: 1 – элеватор; 2 – бункер для гипса; 3 – смесительный шнек; 4 – бункер для опилок; 5 – бункер для ускорения схватывания; 6 – гипсомешалка; 7 – подогреватель воды; 8 – карусельная машина; 9 – ленточный транспортер; 10 – вагонетка с плитами; 11 – туннельная сушилка.

Приготовленный раствор сливают в свободную форму, расположенную на вращающемся столе карусельной машины, после чего стол поворачивается на одну позицию, а следующую свободную форму снова заполняют раствором, где он схватывается и твердеет.

Отформованная плита при помощи механизма выталкивается из формы, поступает на транспортер, а затем на вагонетке доставляется в туннельную сушку.