Технология конструкционных материалов

Напряжение

Рис. 9.13. Стадии вулканизации резиновых примесей:

I — подвулканизация; II — недовулканизация; III — оптимум (плато) вулка­ низации; IV—перевулканизация; А — смесь с быстрым схватыванием; В — смесь с замедленным схватыванием; С — смесь с реверсией вулканизации

Резины обладают уникальными эластическими свойствами. При нормальных температурах резийы могут подвергаться большим упру­ гим деформациям. Модуль упругости резин (1...10 МПа) на несколько порядков ниже модуля упругости стали. Для резин свойственна релак­ сация напряжений при их механическом нагружении. В зависимости отприроды каучуковой основырезины обладают следующими механи­ ческими свойствами: временное сопротивление 1...50 МПа; относи­ тельное удлинение при разрыве 100...800 %; твердость по Шору 30...95. Механические свойства резин сильно зависят от температуры, повы­ шение которой вызывает снижение их прочности и твердости.

Резины, поставляемые потребителю в вулканизированном состоя­ нии, в соответствии с их назначением делят на две основные группы: резины общего назначения и резины специального назначения.

Крезинам общего назначения относятся материалы на основе нату­ рального, бутадиенового, изопренового, бутадиенстирольного, хлоропреновош, бутилового каучуков. Из этих резин изготавливают шины, конвейерные ленты, приводные ремни, кабельную изоляцию и фасон­ ные резинотехнические изделия. Изделия из резин общего назначения могут работать при температурах в интервале —35... 150 °С, их отличает стойкость в воздухе, воде и слабых растворах кислот и щелочей.

Крезинам специального назначения относятся теплостойкие, мо­ розостойкие, маслобензостойкие, износостойкие, электропроводя­

щие, магнитные, диэлектрические, стойкие к действию агрессив­ ных сред и др.

Основой теплостойкихрезин являются этиленпропиленовые и полисилоксановые каучуки, которые обеспечивают возможность рабо­ ты при температурах 150...200 °С, а в отдельных случаях даже при 350...400 °С.

Морозостойкиерезины получают на основе каучуков с низкой тем­ пературой стеклования, преимущественно кремнийорганических, ли­ бо с обычной температурой стеклования, например бутадиеннитрильных, но со специальными пластификаторами. Рабочие температуры достигают-76 °С.

Маслобензостойкиерезины на основе хлоропреновых, уретановых, полисульфидных, бутадиеннитрильных и других каучуков могут ра­ ботать в условиях длительного контакта с нефтепродуктами и расти­ тельными маслами.

На основе полиуретановых каучуков получают износостойкиерези­ ны, а на основе бутадиеннитрильных, кремнийорганических, хлоро­ преновых, акрилатных каучуков —резины, стойкие к действию агрес­ сивных сред.

Электропроводящие и магнитныерезины изготавливают путем вве­ дения электропроводящих и магнитных наполнителей в полярные бутадиеннитрильные каучуки.

Основой диэлектрических резин являются кремнийорганические, этиленпропиленовые, изопреновые и некоторыедругие каучуки. Поми­ мо рассмотренных, существуют и другие виды специальных резин: пищевые, медицинские, вакуумные, огнестойкие, радиационно стой­ кие и т. д.

9.5. Сотовые ипанельныеконструкции

Сотовые и панельные конструкции являются видом продукции, ис­ пользующей непропитанные и пропитанные крафт-бумаги, алюми­ ниевые, магниевые и титановые сплавы, армированные пластики, арамидные бумаги, стеклопластики на основе тканей и связующих. Структура сотовых (сандвичевых) конструкций состоит из двух об­ лицовочных пластин, толстой легкой сердцевины (заполнителя), раз­ деленного несущими пластинами, и адгезионных слоев, связываю­ щих элементы конструкции. Несущие и облицовочные материалы

конструкций применяют облицовочные пластины из волокнистых композиционных материалов);

□заполнитель должен выдерживать сдвиговую нагрузку;

□размерячеекдолжен обеспечитьустойчивость несущихпластин. Панельные конструкции могутизготавливаться из листового и сор­

тового проката (уголки, швеллеры, трубы, профили, двутавры и т. п.) методами пайки элементов твердым припоем (на основе меди), диф­ фузионной сваркой или сваркой Взрывом. Полые панели сваркой взрывом изготавливают, размещая облицовочную пластину со сва­ рочным зазором к несущим элементам. На облицовочной пластине располагают заряд взрывчатого вещества, который инициируют элек­ тродетонатором. Для сохранения свободной полости между элемен­ тами в полостях размещают технологический наполнитель из легко­ плавкого материала (например, сплав ВУДа), который после сварки взрывом легко выплавляется при нагреве.

Сотовые и панельные конструкции применяют для изготовления несущих элементов и конструкций самолетов, ракет, вертолетов, под­ водных лодок, морских судов, космической техники, автомобилей, корпусов телевизоров, конструкций домостроения и т. д.

Раздел

Производство черных М и цветных металлов

Глава 10

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

10.1. Производствочугуна

Сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 %углерода, назы­ вают чугунами. Их получают путем восстановления железа из оксидов, содержащихся в рудах. Процесс восстановления железа ведут в до­ менных печах. В зависимости от назначения и места дальнейшей пе­ реработки различают чугуны передельные (примерно 80 %от всего вы­ пуска), предназначенные для переработки в сталь, и литейные, посту­ пающие на машиностроительные заводы и используемые в качестве исходного материала для изготовления литых заготовок.

Общая схема взаимосвязи металлургического и машинострои­ тельного производств, их связи с народным хозяйством показана на рис. 10.1. После добычи руды и коксующегося угля 1их направляют на подготовку и переработку, которая для кокса сводится к нагрева­ нию в коксовых батареях 2, а для руды — к ее измельчению, обога­ щению и окускованию 3. Подготовленные таким образом исходные материалы поступают в доменную печь 4, где и происходит восста­ новление железа из оксидов и его насыщение углеродом и другими примесями. В случае выплавки передельного чугуна последний на­ правляется в сталеплавильные печи, в которых из него получают сталь 5. Сталь разливается в слитки б, из которых после прокатки 7 получают заготовки для обработки резанием на станках 8 или готовый

продукт (рельсы, балки, лист, трубы), поступающий в народное хо­ зяйство. Литейный чугун в виде чушек переплавляется в плавильных агрегатах литейных цехов машиностроительных заводов 9. Из этого чугуна получаютлитые заготовки, большая часть из которых проходит механическую обработку на станках и в виде готовыхдеталей подает­ ся на сборку и используется в народном хозяйстве. В свою очередь, машиностроительное производство и народное хозяйство поставля­ ют отходы металлообработки (стружку) и лом черных металлов заво­ дам по производству стали, завершая круговорот металла.

10 .1.1. Исходные материалы для доменного производства и их подготовка к плавке

Исходными материалами для доменного производства являются руда, флюсы, топливо и огнеупоры.

Железная руда состоит из железосодержащих минералов и пустой породы, в состав которой входят оксвды кремния Si02 (кремнезем), алюминия А120 3 (глинозем), кальция СаО и магния MgO. Качество руды определяется многими критериями, но прежде всего содержа­ нием в ней железа, легкостью восстановления железа из оксидов, со­ ставом пустой породы и концентрацией вредных примесей, таких как фосфор, мышьяк и др.

Для производства чугуна используют следующие руды. Магнитныйжелезняк(магнетит) представляетсобой смесьдвухок­

сидов железа (FeO и Fe20 3) и содержит до 70 % железа. Его название связано с наличием в нем магнитного оксида FeO. Руда имеет темный цвет, прочная и плотная; после измельчения легко обогащается мето­ дом магнитной сепарации.

Красныйжелезняк(гематит) содержитдо 60 %железа в виде окси­ да Fe20 3. Он менее плотен, чем магнетит, легко измельчается и восста­ навливается.

Бурый железняк (гетит) представляет собой водный оксид железа Fe20 3 • Н20 и содержитдо 50 %железа. Это относительно рыхлая, лег­ ко восстанавливаемая порода.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит до 40 % железа в виде карбоната FeC03.

Флюсы — это специально вводимые в доменную печь материалы, снижающие температуру плавления пустой породы и оа т а к о в ы в а ю ­ щие золу кокса. Различают основные и кислые флюсы. К основным от­

носятся известняк СаС03 и доломит СаС03 • MgC03,дающие при раз­ ложении оксиды щелочной группы СаО и MgO, к кислым — кремне­ зем SiO: (кислотный оксид).

Выбор флюса зависит от состава пустой породы. Если она имеет песчано-глинистый характер (смесь Si02 и А120 3), то в качестве флю­ сов применяют известняк или доломит, а если в ней превалируют из­ вестковые породы, то флюсом служит песок, что в практике встреча­ ется довольно редко.

Основным видом топлива в доменном производстве служит кокс, но в отдельных случаях в дополнение к коксу используют природный газ или пылевидный каменный уголь, которые подают вместе с возду­ хом, необходимым для горения топлива. Кокс получают путем нагре­ ва особых сортов коксующихся углей до 1000...1200 °С без доступа воздуха в коксовых батареях. Перед коксованием уголь измельчается в дробилках до частиц размером 2...3 мм и обогащается. В процессе выдержки при высоких температурах в течение 15...20 ч происходит удалениелетучих веществ и спекание угля в пористую массу, которую выгружают из батарей на транспортеры и гасят водой или инертным газом. Для доменного процесса используются куски кокса размером 25...200 мм и пористостью около 50 %. С ростом пористости растет поверхность контакта топлива с кислородом, в результате чего акти­ визируются процессы горения и повышается температура в рабочем пространстве печи. Кокс должен содержать не менее 80 % углерода

ивозможно меньшее количество серы (2 %), золы (12 %), влаги (5 %)

илетучих веществ (1...2 %).

Огнеупоры служат для сооружения рабочего пространства домен­ ных и других плавильных печей. Они должны обладать термостойко­ стью, механической прочностью и химической стойкостью по отно­ шению к шлакам. По химическому составу огнеупоры разделяют на кислые, состоящие из кварцитов (динас), основные (доломит, магне­ зит) и нейтральные (шамот, углеродосодержащие огнеупоры). Они поставляются в виде кирпичей, фасонных блоков и крошки. Состав применяемого огнеупора оказывает определяющее влияние на тип флюса, вводимого при плавке. Так, например, для кислого огнеупора использовать в качестве флюса известняк следует крайне осторожно, так как избыток щелочного оксида в шлаке приведет к быстрому раз­ рушению кислотного оксида огнеупорной кладки. Наибольшее рас­ пространение нашли так называемые шамотные огнеупорные мате­ риалы, обладающие слабокислыми свойствами и состоящие из смеси кремнезема и глинозема.

10 .1.2. Доменная печь

Прошедшие предварительную подготовку руды вместе с коксом, рас­ ход которого составляет около 50 % от массы выплавляемого чугуна, подаются в доменную печь. Доменные печи относятся к разряду шахт­ ных печей и работают по принципу противотока. Шихта (руда, кокс и, если необходимо, известь) подается сверху и по мере плавления руды и выгорания кокса опускается вниз. Воздух, наоборот, вдувается в ниж­ нюю часть печи и перемещается вверх, навстречу шихте. Полезный объем печей обычно не превышает 2000 м3 при высоте примерно 30 м; выплавляется в них до 2000 т чугуна в сутки. Отдельные печи имеют объем свыше 5000 м3.

Схема доменной печи показана на рис. 10.2, а. Шихта 1подается в загрузочное устройство 2, оборудованное двумя приемными каме­ рами и запирающими конусами. Попеременное открывание кону­ сов исключает прорыв доменных газов в атмосферу. Под загрузоч­ ным устройством располагается колошник 3, из которого печные газы по трубам удаляются из печи. Шахта печи 4 футеруется (выкла­ дывается) огнеупорным шамотным кирпичом 5. Толщина кладки превышает 1 м. Ниже шахты находятся распар б, заплечики 7и горн 8. В верхней части горна, заполненного коксом, находятся 16...20 во­ доохлаждаемых медных фурм 12, по которым из фурменного поя­ са 13 в доменную печь под давлением 300 кПа подается нагретый до 900...1200 °С воздух, зачастую обогащенный кислородом. В ниж­ ней части горна находятся шлаковая 9 и чугунная 11летки, через ко­ торые с интервалом 2...3 ч выпускается жидкий шлак и чугун, скап­ ливающиеся на лещади 10.

Каждая доменная печь работает в паре с тремя воздухонагревате­ лями (рис. 10.2, б). Очищенные печные газы, содержащие около 30 % оксида углерода, смешиваются с воздухом и, сгорая в камере 14, футе­ рованной огнеупорным кирпичом 75, при температуре около 1300 °С проходят через насадку 16, выложенную из кирпича, отдавая ей свою теплоту, после чего через боров /7удаляются в атмосферу.

Пока два из трех нагревателей работают в режиме разогрева насад­ ки, в третьем осуществляется нагрев воздуха, подаваемого в доменную печь. Направление перемещения воздуха в это время обратное указан­ ному стрелками. После снижения температуры нагрева воздуха ниже установленного предела (обычно 900 °С) происходит автоматическое переключение работы воздухонагревателя с режима охлаждения на­ садки в режим ее разогрева.