Исследование десульфурации железоуглеродистых сплавов порошкообразными реагентами. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теория м

В присутствии углерода и кремния растворимость в жидком железе значительно понижается. Вследствие высокой растворимости сульфида железа в жидком железе, коэффициент распределения серы между шлаком и металлом имеет низкие значения. Коэффициент распределения FeS между чистым железистым шлаком и железом равен приблизительно 5.

Рис. 4. Свободная энергия образования сульфидов по Ричардсону

Влияние серы и ее соединений на механические и технологические свойства стали. Сера является вредной примесью, снижающей механическую прочность и свариваемость стали, а также ухудшающей ее электротехнические,

антикоррозионные и другие свойства. Отрицательное влияние серы на свойства стали обычно сказывается уже при содержании 0,010-0,015% и менее. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются застывающие в последнюю очередь сульфиды железа. Железо и сульфид железа образуют низкоплавкую эвтектику (температура плавления 988 оС), которая в

11

присутствии кислорода (образование оксисульфидов) плавится при еще более низких температурах. Межзеренные прослойки (обычно на микрошлифе они имеют вид нитей при использовании методики светлого поля) фазы, богатой серой, при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются и сталь теряет свои свойства, происходит разрушение металла (красноломкость).

Подготовка и проведение лабораторных экспериментов. Перед началом лабораторного опыта все материалы должны быть просушены,

размолоты и отсеяны до фракции 0,5-2,0 мм (более 90% всей массы материала),

крупность металлошихты должно составлять не более: 20x20x20 мм. В качестве металлошихты можно использовать предварительно подготовленные куски чугунного и стального лома, а также отходы черных металлов по ГОСТ 2787-75

с заранее известным химическим составом, главным критерием которого являются содержание углерода и серы.

В качестве десульфурирующего реагента можно использовать порошки извести, лигатуры с РЗМ, смеси извести и доломита, таблетированные и размолотые синтетические высокоосновные флюсы, механической смеси всех вышеуказанных материалов.

Для обеспечения удовлетворительного приближения условий десульфурации к производственным условиям рекомендуется использовать с чугунной металлошихтой смесь порошков извести и «мишметалла» и/или ферросиликомагний ФСМг9 с содержанием магния не менее 8,5%. При составлении шихт можно пользоваться справочными таблицами приложения.

В сухой алундовый тигель плотно укладывается предварительно шихта,

состоящая из навески металлошихты и флюса, согласно варианту задания,

полученного от преподавателя (табл. 1). Масса компонентов и масса тиля с шихтой записывается в журнал наблюдений (табл. 2). После контрольного взвешивания по команде преподавателя тигли помещаются на подине лабораторной электронагревательной печи с ЧПУ (типа СНОЛ-12/15) таким образом, чтобы между тиглями и нагревательными элементами печи были равные промежутки. Максимальная загрузка печи не должна превышать

12

1,5 кг. Рекомендуется схему размещения тиглей с различной шихтой зарисовать и запомнить. Сотрудник кафедры проверяет правильность расстановки тиглей, закрывает плотно крышку печи, после чего задает температурно-временной режим плавок. По окончанию заданного режима тигли вместе с печью охлаждаются по специальному режиму до температуры

600-650 0С. После достижения данного температурного диапазона питание печи можно отключить. На этом лабораторная плавка считается завершенной. По достижению в печи температуры не более плюс 50 0С можно извлекать тигли.

Таблица 1

Исходные варианты проведения экспериментальных плавок

После извлечения тигля с проплавленной шихтой производится его взвешивание. После взвешивания производится выбивка слитков из тиглей с разрушением целостности последних. Слитки после отделения от остатков тигля и пригоревшего шлака взвешиваются, результаты записываются в табл. 2.

После взвешивания производится подготовка подходящей поверхности слитка (определяется визуально, по согласованию с преподавателем) для металлографического и спектрального анализа. Сначала производится грубая шлифовка на заточных станках «СТ-300РС» или «Корвет 482», при необходимости задействуется настольный токарный станок «Корвет 402» и

отрезная машина «Q-100В». После грубой шлифовки образец (темплет) слитка подвергается окончательной шлифовке и/или полировке на горизонтальной шлифовально-полировальной станке «MoPao-160E», при этом подбираются соответствующие твердости поверхности образца набор абразивных кругов,

паст, полировальных суспензий под руководством сотрудника кафедры. Все

14

вышеуказанные операции могут проводиться непосредственно студентами с соблюдением требований безопасности и применением индивидуальных средств защиты – очков, фильтровальной маски, спецодежды.

В присутствии преподавателя производится металлографический анализ структуры темплета сплава на предмет выявления типа микроструктуры и примерного содержания углерода (рис. 5).

Рис. 5. Фотография микроскопа с цифровой камерой

После определения типа сплава по микроструктуре (высокоуглеродистая сталь или чугун с включениями графита) выбирается соответствующая аналитическая методика для спектрального анализа на атомно-эмиссионном спектрометре «Искролайн-100» (рисунок 6). Спектральный анализ проводит сотрудник кафедры, студенты группы присутствуют при этом и записывают результаты измерений.

По возможности на каждом образце слитка делают по три замера

(«обжига» поверхности); среднее арифметическое значение содержания углерода записывают в табл. 3.

15

Рис. 6. Фотография рабочего места оператора спектрометра

После заполнения табл. 3 студенты делают выводы о целесообразности применения того или иного углеродосодержащего материала в качестве восстановителя и науглероживателя железа, о правильности выбора температурно-временного режима плавок, о достаточности введенной добавки материала по отношению к массе железорудного материала.

В индивидуальный отчет студента по данной лабораторной работе обязательно должно входить описание используемого лабораторного оборудования, подготовки и проведения лабораторных экспериментов, подробно заполненные таблицы №2 и №3 с указанием варианта задания.

16

Общие требования к содержанию отчетов

по лабораторной работе

1.Номер, название и цель работы (формулируется самостоятельно).

2.Краткое описание сущности работы, используемых методик расчета,

материалов, лабораторного оборудования.

3. Если работа содержит расчеты по стандартным формулам, то сначала записывается формула в общем виде, затем после знака «равно» (=)

указываются численные значения параметров уравнения. 4. Письменное оформление выводов по работе.

Вопросы для самопроверки

1.Назовите основные свойства серы как химического элемента периодической системы Менделеева.

2.В чем выражается отрицательное влияние серы на качество стали?

3.Назовите основные соединения серы в железоуглеродистых сплавах. При каком уровне содержании серы в железе образуется легкоплавкое соединение и эвтектика?

4.Назовите основные особенности процесса десульфурации чугуна магнием и известью.

5.Какие элементы обладают большим сродством к сере относительно

железа?

6.Назовите основные особенности реакции десульфурации стали.

7.Назовите основные стадии науглероживания железа.

8.Какой процесс протекает «легче» (термодинамически полнее): десульфурация чугуна или стали? Почему?

9.Назовите состав и назначение основных единиц лабораторного оборудования, задействованного в проведении экспериментальных работ.

10.Какие материалы (реагенты) можно использовать для десульфурации.

17

Общие требования техники безопасности при выполнении

лабораторной работы

Во время пробоподготовки сплавов могут возникать следующие различного рода опасности, поэтому необходимо соблюдать следующее:

1)перед установкой абразивного круга проверьте соответствие максимально допустимой окружной скорости при максимальном числе оборотов шпинделя;

2)проверьте устанавливаемый абразивный круг на отсутствие трещины по его звучанию;

3)перед включением заточных станков и отрезной машины опустите защитное приспособление;

4)при резке абразивным отрезным кругом прочно зажмите образец;

5)при шлифовании отдельных образцов высокооборотным шлифовальным кругом используйте механическое зажимное устройство;

6)тщательно удаляйте заусенцы со шлифованного образца;

7)берегите и ухаживайте за высоконагруженными и подверженными износу деталями машин и приборов в соответствии с инструкциями изготовителей (смазка валов и подшипников, смена масла редуктора, замена подшипников и т.д.);

8)используйте индивидуальные средства защиты при работе с электролитами, травильными растворами, растворителями;

9)не допускайте повышения концентрации паров при травлении растворами перхлорной кислоты в результате испарения;

В рамках этого издания невозможно привести специальные требования по безопасности при приготовлении металлографических образцов. Вместо этого обратим внимание на некоторые моменты, с целью минимизировать риск возникновения опасности:

1)проверьте перед установкой абразивного круга на шлифовальнополировальный станок соответствие максимально допустимой окружной скорости при максимальном числе оборотов шпинделя;

18

2)проверьте устанавливаемый абразивный круг на отсутствие трещины по его звучанию;

3)перед включением опустите защитное приспособление;

4)при резке абразивным отрезным кругом прочно зажмите образец;

5)при шлифовании отдельных образцов высокооборотным шлифовальным кругом используйте механическое зажимное устройство;

6)тщательно удаляйте заусенцы со шлифованного образца;

7)используйте индивидуальные средства защиты при работе с электролитами, травильными растворами, растворителями;

8)не допускайте повышения концентрации при травлении растворами перхлорной кислоты в результате испарения;

9)избегайте контакта с электроприборами при постоянном напряжении более 60 V и переменном напряжении 220 V и 380 V.

Общие сведения для безопасного обращения с травильными

растворами. Электролиты и травильные растворы. Эта группа веществ охватывает полировальные, травильные и гальванические электролиты,

металлизирующие растворы, полировальные растворы. Как правило, это твердые или жидкие, разнообразные с химической точки зрения вещества. При смешении могут происходить опасные реакции с непредвиденными или неконтролируемыми последствия (возгорания, взрывы, выбросы, разложение с образованием опасных веществ). Для обычного обращения с химикатами существуют рабочие и противопожарные инструкции. Полировальные и травильные растворы в большинстве случаев опасны, поскольку содержат сильные окислители.

Азотная кислота: сильный окислитель; образование азотсодержащих газов при нагреве; образование тумана во влажном воздухе (более 85%);

активные реакции с органическими веществами и некоторыми неорганическими веществами (перхлораты, трехокись хрома, металлические порошки); повышение возгораемости смоченных азотной кислотой органических материалов.

19

Серная кислота: очень гигроскопична; разлагает органические ткани путем отбора воды (обугливание); токсична для кожи; экзотермическая реакция с водой; образование тумана S03 при нагревании свыше 50°С; раздражающее действие на легкие и слизистую оболочку; взрывная реакция с окислителями (хлораты, перманганат калия); при постоянном воздействии — некроз зубов.

Соляная кислота (хлористый водород), водный раствор хлористого водорода: резкий запах; оказывает удушающее действие; концентрированная соляная кислота дымит и образует туман; действует на кожу и легкие.

Перхлорная кислота: дымящаяся при контакте с воздухом жидкость, с резким запахом, легко воспламеним, склонная к взрыву; вызывает плохо заживающие, болезненные язвы; следует избегать сильного нагрева и высоких концентраций; требует осторожности при смешивании с органическими веществами и при контакте с легкоокисляющимися металлами; обычные полировальные электролиты не опасны, если приготовлены в соответствии с инструкцией (перхлорная кислота добавляется малыми дозами при постоянном перемешивании, температура не должна превышать 35°С); хранить электролит необходимо в стеклянном сосуде; нельзя обрабатывать образцы в заливке.

Фосфорная кислота: разбавленная фосфорная кислота не опасна, так же как и фосфиды; в спиртовых растворах могут возникать эфиры фосфорной кислоты; воздействует на нервную систему и обмен веществ.

Ангидрид пикриновой кислоты: вспышки при ударе или нагреве; пикраты взрывоопасны; интенсивное пожелтение кожи (для удаления окрашенные участки кожи смазать коллодием, выдержать примерно 10 мин, осторожно снять образовавшуюся пленку); хранить в охлажденном виде, предохранять от огня.

Хромовый ангидрид: сильный окислитель; бурная реакция с легкоокисляющимися органическими веществами; возможны химические ожоги; при нагреве с соляной кислотой выделяется газообразный хлор; при хранении предохранять от сырости; смеси с органическими растворителями после употребления выбрасывать; токсическое воздействие на кожу, легкие; вызывает экзему, язву желудка и кишечника, рак легких.

20