- •1. Теория я.И.Френкеля о квазикристаллическом строении жидких сплавов и три основных вывода из этой теории. Свойства жидких сплавов с позиции теории я.И.Френкеля.
- •2. Природа кластеров. Неметаллические включения в расплавах и влияние их на свойства жидких расплавов.
- •3. Свойства жидких сплавов: вязкость, плотность. Зависимость их от температуры сплава. Расчет плотности и температуры сплавов
- •4. Смачиваемость и поверхностное натяжение.
- •5. Определение смачиваемости жидким сплавом литейной формы методом «лежащей капли» и регулирование смачиваемости с целью предупреждения пригара на отливках (рисунки, формулы)
- •6. Диффузия . Давление паров металла
- •7.Тепловые свойства металлов. Электрическое сопротивление жидких металлов.
- •8. Термодинамические основы плавильного процесса. Основные законы термодинамики
- •9. Классификация шихтовых материалов, свойства.
- •10. Расчет шихты, понятия о принципах составления шихты , исходные компоненты добавки.
- •12. Основные химические взаимодействия между расплавом, атмосферой, шлаком, футеровкой, флюсами.
- •13. Состояние примесей в сплавах. Выбор способа очистки сплавов от примесей. Комплексные способы очистки. Технологические приемы очистки сплавов (классификация способов, рисунки).
- •14. Рафинирование, раскисление и модифицирование металлических расплавов
- •15. Способы обработки металлических расплавов с целью измельчения структуры в литых изделиях.
- •17. Обосновать возникновение в отливках а) газовой пористости, б) неметаллических включений, несоответствия геометрических размеров.
- •18. Классификация способов заливки форм. Структура потоков расплава. Конфигурация и параметры свободной струи расплава.
- •19. Закон непрерывности потока жидкого сплава в каналах литейной формы; шлакозадержание и тонкая очистка сплавов элементами литниковой системы (формулы, рисунки)
- •20. Обосновать необходимость расчета каждого из элементов литниковой системы, основываясь на функциях каждого элемента и законах течения расплавов (рисунки)
- •21. Основы расчета литниковых систем приближенным универсальным методом
- •22. Давление расплава на стенки формы. Изменение давления в вертикальных и горизонтальных каналах.
- •23.Виды брака отливок, возникающие при неправильном конструировании и расчетах литниковой системы.
- •24. Жидкотекучесть сплавов, связь ее с положением сплава на диаграмме состояния и зависимость от различных факторов со стороны формы и сплава (диаграммы, графики)
- •25. Заполняемость литейных форм жидким расплавом. Зависимость ее от свойств сплава и конструктивных особенностей формы. Мероприятия по улучшению заполняемости форм для тонкостенных отливок
- •26. Взаимодействие металлических расплавов с кислородом, водородом, азотом. Способы дегазации расплавов
- •27. Взаимодействие металлических расплавов со сложными газами. Меры предупреждения газонасыщения
- •28. Состав литейной разовой формы и физико-химические взаимодействия с ней жидких сплавов
- •29. Дефекты отливок связанные с литейной формой.
- •30. Теплофизические и технологические свойства сплавов материалов формы
- •31. Физико-химические процессы на границе «металл-форма» и образование дефектов: пригара; ужимин; наростов.
- •32. Физико-химические процессы на границе «металл-форма» и образование дефектов ситовидной пористости; засоров и неметаллических включений.
- •33. Зависимость структуры металла в отливках от процесса теплопередачи. Регулирование тепловых процессов в литейной форме
- •3 4. Типы литейных форм.
- •35. Методы исследования тепловых процессов в литейной форме.
- •38. Гомогенное и гетерогенное зарождение центров кристаллизации. Объемная и последвательная кристаллизация.
- •39. Последовательная и объемная кристаллизация сплавов. Зависимость заполняемости форм от характера кристаллизации. Теоретические предпосылки и приемы регулирования структуры в литом изделии
- •40. Теоретические предпосылки и технологические приемы регулирования кристаллического строения литого сплава.
- •41. Параметры кристаллизации (лск, цк) и зависимость их от технологических факторов
- •42. Переохлаждение сплавов и зависимость от него формы т размеров зерен.
- •43. Кристаллизация металлов и сплавов. Кластеры и наследственность. Кристаллизация на примесях, активация примесей
- •44. Область затвердевания и формирование структурных зон.
- •45. Двухфазная область кристаллизации и параметры кристаллизации; связь их с энергией Гиббса и диаграммами состояния сплавов
- •46. Дефекты отливок, образующие в процессе кристаллизации.
- •47. Методы исследования затвердевания металла в отливки
- •48. Ликвационные процессы в отливках. Виды дефектов, возникающие в результате ликвации компонентов в сплаве.
- •49. Внутрикристаллическая и зональная ликвация в отливках. Связь ликвационных процессов с условиями затвердевания отливки.
- •50. Технологические приемы, обеспечивающие снижение химической неоднородности по сечению отливки (диаграммы, рисунки)
- •51. Влияние вибрации, перемешивания ультрозвуковой обработки на структуру металла в отливки
- •52. Влияние модифицирования, активации примесей, термовременной обработки, суспензионного литья на структура расплава.
- •53 Влияние структуры металла в отливке на ее физико- механические свойства.
- •54. Теоретическое обоснование и технологические приемы , обеспечивающие формирование мелкозернистой и крупнозернистой структуры.
- •55. Физическая природа объемной усадки металлов и сплавов при затвердевании. Коэффициенты объемной усадки сплавов (формулы, диаграммы, рисунки)
- •56. Механизм образования усадочной пористости в отливках, факторы, влияющие на образование усадочных пор. Технологические приемы, обеспечивающие предупреждение усадочной пористости в отливках
- •57. Зависимость вида усадочных пустот от положения сплава на диаграмме состояния. Влияние характера кристаллизации на механизм образования усадочных пустот
- •58. Технологические приемы, обеспечивающие предупреждение усадочной пористости. Мероприятия по борьбе:
- •59. Механизм образования концентрированной усадочной раковины в отливках и технологические приемы, обеспечивающие такой механизм кристаллизации отливок (диаграммы, рисунки)
- •60. Концентрированная усадочная раковина и рассеянная усадочная пористость.
- •61. Свободная и затрудненная усадка отливок из различных сплавов.
- •62. Питание и затвердевание отливок. Прибыли и основы их расчета
- •63. Направленная кристаллизация. Прибыли, их назначение и основная классификация.
- •64. Факторы учитываемые при расчете и выборе формы и местоположения прибыли . Универсальные методы расчета.
- •66. Напряжения в отливках. Виды напряжения. Меры предупреждения напряжений.
- •68. Трещины в отливках. Виды трещин. Меры предупреждения трещин.
- •69. Факторы, влияющие на возникновение напряжений и трещин в отливках. Механизм образования этих дефектов. Мероприятия по их предупреждению или устранению
- •70. Трещины горячие и холодные. Процесс образования горячих трещин в отливках.
10. Расчет шихты, понятия о принципах составления шихты , исходные компоненты добавки.
В любом случае плавки необходим расчет шихты. С помощью этого расчета устанавливается потребность в шихтовых материалах для получения заданного количества расплава с учетом потерь металла при плавке со шлаком и на угар. Теоретически рассчитать потери металла при плавке невозможно. Для этого приходится использовать данные экспериментов или практического опыта. Расчет шихты предельно прост в случае использования чистых металлов для приготовления сплава. Обычно же шихта составляется из возвратов рабочего сплава (так. называемых собственных отходов в виде бракованной продукции, прибылей и литников), отходов и возвратов других сплавов и минимального количества чистых, так называемых "свежих" металлов.
Расчет шихты призван не только определить необходимое количество каждого вида шихтовых материалов, но и установить вообще возможность получения сплава заданного состава из имеющихся шихтовых материалов. При этом нередко приходится учитывать как необходимое содержание легирующих компонентов, так и получаемое содержание примесей, которое не должно превышать заданного уровня. В связи с этим для расчета шихты необходимо иметь возможно более полные сведения о составе каждого шихтового материала.
Составляют и рассчитывают шихту исходя из требуемого химического состава сплава и имеющихся шихтовых материалов.
В общем случае в шихте содержится n компонентов, каждый из которых имеет определенную концентрацию i-го элемента Кi т.е. множество концентраций i-го элемента. Число таких множеств равно числу расчетных элементов р. Задачей расчета шихты является определение массовой доли каждого из компонентов, шихты, т.е.х1,х2, х3.
Необходимо иметь в виду, что концентрация элемента в процессе плавки изменяется, так как происходит либо угар, либо пригар элемента. В связи с этим на первом этапе расчета шихты определяют ее средний химический состав, исходя из требуемого химического состава жидкого сплава. Если угар принимается по опытным данным как среднестатический, то среднее содержание i-го элемента в шихте определяют по формуле
Кiш=Кi (ж)_[100/(100±Уi],
где, Кi(ж)- требуемое содержание i-го элемента в жидком сплаве; У; - угар (-), пригар (+) i-го элемента во время плавки в процентах от первоначального содержания.
Затем по среднему составу шихты рассчитывают массовые доли ее компонентов х1,...,хп. Этот расчет можно производить тремя методами: графическим, аналитическим и методом, подбора путем решения системы линейных уравнений.
Ферросплавы. Это обширная группа металлических шихтовых материалов включает сплавы Ре с одним или несколькими легирующими элементами. Основной легирующий элемент обычно приводится в названии (ферросилиций; ферромарганец; феррохром и т.д.).
Топлива. В качестве топлива при плавке литейных сплавов применяют кокс, мазут и природный газ.
Флюсы. При плавке чугуна в вагранке в качестве флюса применяют в основном известняк СаСO3, который содержит СаО (52 % - 1-й сорт; 50 % - 2-й сорт; 49 % - 3-й сорт; СО2 при нагреве улетучивается) и около 10 % других примесей (А12Оз, Ре20з, МеО, Р205, S02).
Кроме известняка, при плавке используют следующие флюсы: мел, мрамор (по составу они идентичны известняку), известь (88-93 % СаО), аппатитопефелиповую руду Са(РО4)2 (для получения чугуна с повышенным содержанием фосфора), плавиковый шпат, доломит при основном процессе (-30 % СаО, -20 % М§О, -45 % СО2).
11. Перечислить фазы, участвующие в плавках и привести основные химические реакции взаимодействия фаз между собой. Привести состав каждой фазы и влияние отдельных соединений на качество сплавов (химические реакции)
Условные обозначения в реакциях: () – сплав, [] – шлак, – футеровка, {} – газ.
Межфазные взаимодействия при плавке. Отдельные вещества (компоненты) и однородные совокупности веществ, ограниченные поверхностью раздела (фазы) вступают между собой в различные взаимодействия.
Наибольшее влияние на конечный результат плавки оказывает взаимодействие газов, шлака и металла между собой.
Твердые фазы. Для описания строения твердых фаз обычно используют хорошо разработанную в физике твердого тела теорию кристаллического строения вещества. Строение металла как в твердом, так и в жидком состоянии характеризуется наличием металлических связей, что определяет его свойства: электро- и теплопроводность, прочность и т.д.
Значительное влияние на качество и свойства полученного сплава может оказать строение исходной металлической шихты, так как при плавлении сохраняется ближний порядок в расположении атомов, и поэтому, например, грубая структура чушкового чугуна может при недостаточном перегреве «перейти» в готовый сплав. Это один из признаков наследственности. В связи с этим очень важным является вопрос о степени сохранности структуры исходных твердых фаз. Ее можно приблизительно оценить по размерам кластеров, сохраняющих структуру твердого металла в жидком.
Температура плавления различных составляющих шихты неодинакова. Это оказывает влияние па степень разупорядоченности кристаллической структуры. С ростом степени перегрева жидкого сплава над температурой плавления разупорядоченность возрастает, вероятность перехода исходной структуры в структуру сплава при затвердевании уменьшается. Это относится не только к структуре самого сплава, но и к неметаллическим включениям
Футеровки выполняют из огнеупорных материалов. Окислы, как правило, составляющие основную массу футеровки, переходят в шлак в результате ее оплавления и оказывают влияние на металлургические процессы плавки. Основой кислых огнеупоров является окись кремния SiO2. Глиноземистые огнеупоры является (основа Al2O3) по своим свойствам близки к нейтральным. В смеси с SiO2 они является полукислыми. Основные огнеупоры содержат MgO, СаО и другие основные или амфортерные окислы.
Жидкий шлак. В составе шлаков обычно содержатся окислы кремния, алюминия, кальция, Агния, железа марганца и других элементов и соединений, входящих в состав сплава, футеровки и флюсов.
Существует несколько теорий строения шлаковых расплавов. Согласно молекулярной теории, шлак состоит из молекул окислов: SiО2, Аl2О3, СаО, FeO, MgO, MnO и др. В то же время опытные данные свидетельствуют о том, что в шлаке присутствуют электрически заряженные частицы, и на этой основе развивается ионная теория строения шлаков. В соответствии с этой теорией, шлаки представляют собой ионный раствор, содержащий катионы Са2+, Fe2+, Mg2+ и анионы О2-, SiO44-, АlО33-, РО43-, CrO42-, МоО42-, WО42-, MnO42-, FeO42- и др. Возможность существования тех или иных ионов надо рассматривать, исходя в первую очередь из характера химических связей. Химическая связь тем полярнее, чем больше разность электроотрицательностей Е участвующих в ней атомов. Иначе говоря, с увеличением Е увеличивается степень ионности связи, т.е.е возрастает эффективный q на атомах. Если абсолютное значение q в долях заряда электрона е больше 0,5, считают, что атомы превратились в ионы, а связь становится тонной. Это происходит при Е = 1,9. Окислы FeO (Е = 1,7), MnO (Е = 2,0), Al2О3 (Е = 2,0) и SiO2 (Е = 1,7). Находятся как бы на грани между ионными и ковалентными соединениями. Окислы MgO (Е = 2,3) и СаО (Е = 1,5) можно отнести к соединениям с ионной связью.
Для общей характеристики состава и свойств шлака применяются понятия молекулярного строения шлаков, в соответствии с которыми шлаки содержат кислотные окислы, например SiO2, основные окислы СаО, MgO, FeO, MnO и амфотерные окислы Al2О3 и др.
Кислотность шлака характеризуется степенью кислотности: Ск = КО/ОО, где КО – сумма кислотных окислов, % по массе; ОО – сумма основных окислов, % по массе.
При этом считают шлак сильноосновным при Ск < 0,5; основным при Ск = 0,5-1,0; средним при Ск = 1,0-1,5; кислым при Ск = 1,5-3,0 и сильнокислым при Ск = 3,0.
Величина, обратная Ск называется степенью основности: Со = 1 / Ск = ОО/КО.
Для определения основности шлака иногда применяют упрощенные выражения Со = %СаО/%SiO2 или CО = NCaO/NSiO, NCaO и NSiO – мольные доли окислов.
Свойства шлаков (температура плавления, вязкость и др.) в зависимости от их состава изображают в виде двойных, тройных. А в отдельных случаях даже шестикомпонентных диаграмм.
Газовая фаза. В газовой фазе могут присутствовать простые двухатомные газы О2, N2, Н2, газы-окислы Н2О, СО2, СО, SO2, NO и другие газы – СН4, H2S.
Плотность компонентов газовой фазы на несколько порядков ниже, чем плотность компонентов конденсированных фаз, вязкость – на два-три порядка ниже, чем вязкость металлов.
Для газов характерны ковалентные связи, электрическая проводимость появляется лишь при высоких температурах, близких к температурам перехода газов в состоянии плазмы, т.е. ионизированного газа.
Газовая фаза может быть специально создаваемой, активно участвующей в металлургическом процессе, например в качестве теплоносителя или химического реагента, либо присутствующей при плавке в силу сложившихся условий.
Источником образования активной газовой фазы является, как правило, горение топлива, главные составляющие части которого углерод и водород, а также сера: С + О2 ↔ СО2; 4Н + О2 ↔ 2Н2О.
Углеводороды также сгорают с образованием СО2 и Н2О, например, СН4 + 2О2 ↔ СО2 + 2Н2О.
При температуре выше 1700-1800 °С процесс горения оказывается в значительной степени незавершенным, в газовой фазе присутствуют наряду с СО2 и Н2О продукты неполного сгорания СО и Н2.
В формировании газовой фазы участвуют углерод, кислород, водород, азот. Углерод и водород являются восстановителями, а их соединения СО2 и Н2О – окислителями.
Наиболее активных окислитель – кислород. Это объясняется тем, что для электронного строения молекулы кислорода характерно наличие двух неспаренных. Как известно, частицы (атомы, ионы, молекулы), содержащие неспаренные электроны, обладают высокой реакционной способностью. В молекулах Н2 и СО неспаренные электроны отсутствуют.