Шпаргалка по "Материаловедению"

Нитрид бора ?-BN - «белый графит» - имеет  гексагональную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора хороший диэлектрик при 1800ОС в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является ?-BN - алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 ОС в присутствии катализатора. Плотность эльбора 3450 кг/мЗ, температура плавления 3000 ОС. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 ОС (алмаз начинает окисляться при температуре 800 ОС).

Нитрид кремния (Si3N4) более других нитридов устойчив на воздухе и в  окислительной атмосфере до 1600 ОС. По удельной прочности при высоких  температурах Si3N4 превосходит все  конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных  сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный  материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и  боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300-1700 ОС, при 1000 оС они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (MoSi2) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 оС в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердым смазочный материал. для подшипников, для защитных покрытии тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления_

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение ТОЛЬКО дисульфид молибдена (МoS2), .имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от -150 до 435 ОС, в вакууме до 1100 ОС в инертной среде ДО 1540 ос. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к радиации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НСl, НNОЗ и царской водке. При температуре выше 400 оС начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 оС образуется МоО3, являющийся абразивом

5. Какие физико-химические  процессы происходят в доменной  печи при производстве чугуна? Представьте схему доменной печи, укажите основные её части  и изменение температуры по  высоте печи

Физико-химические основы восстановительных  процессов

Одним из условий получения чугуна в доменной печи является удаление кислорода из оксидов, металлы которых  входят в состав чугуна. Процесс  отнятия кислорода от оксида и  получения из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода  называется восстановлением. Наряду с  восстановлением протекает окисление  вещества, к которому переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.

Восстановительные процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла. Химическая прочность оксида определяется силами химической связи данного  элемента с кислородом.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода

По степени убывания кислорода  оксиды железа располагаются в ряд: Fe₂0₃, Fe₃04 и FeO, содержащие соответственно 30,06; 27,64 и 22,28 % кислорода. Из трех оксидов железа, взятых в свободном состоянии, наиболее прочным в условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре выше 570° С, является FeO. Восстановление железа из его оксидов протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода и в зависимости от температуры может быть изображено двумя схемами:

при температуре выше 570° С Fe₂0₃ -> Fe₃0₄-> FeO -> F

при температуре ниже 570° С

Fe₂0₃ ->Fe₃0₄-»Fe.

Ниже 570° С прочность FeO становится меньше прочности Fe₃0₄ и она превращается в БезС^и Fe.

В доменной печи восстановление железа из его оксидов протекает в  основном по первой схеме, так как  уже через несколько минут  после загрузки материалов на колошник они нагреваются до температуры  выше 570° С. Большая половина кислорода, связанного в оксиды железа, отбирается оксидом углерода, поэтому основным восстановителем в доменной печи является оксид углерода.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода при температуре  выше 570° С идет по реакциям:

3Fe₂0₃ + СО -> 2Fe₃0₄ + С0₂ + 37,137 МДж,

Fe₂0₃ + mCO <-> 3FeO + (m - 1)СО + C0₂- 20,892 МДж,

FeO + nCO Fe + (n - l)CO + C0₂+ 13,607 МДж.

Образование чугуна и шлака

Наугливание железа

Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и  другие элементы, образуя чугун. Процесс  науглераживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглераживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглераживание губчатого железа уже заметно протекает при 400 - 500° С. По мере науглераживания железа температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при 1539° С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % С, плавится при 1135° С. Однако науглераживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглераживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8 - 4,0%. Окончательное науглераживание металла происходит в горне печи.

Переход других элементов в чугун (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара, попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.

Окончательное содержание углерода в  чугуне не поддается регулированию  и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 - 4,6% углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10 - 25 % марганца, углерода содержится 5 - 5,5 %, а в 75 %- ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 - 7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.

Содержание марганца и кремния  сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.

Образование шлака

В доменной печи шлак образуется под  действием высоких температур в  результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются Si02, CaO, MgO, А1₂Оз, FeO, МпО, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.

Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и различных  химических соединений. Эти процессы представляют собой промежуточное  звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим. В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его непрерывно изменяется в следствии восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств СаО и MgO, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком. С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате обеспечивает хороший контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.

доменный печь газ шихта оксид

Методы интенсификации доменного процесса

Некоторые понятия об интенсификации

Под интенсификацией доменного  процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности  хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени  в расчете на единицу полезного  объема доменной печи. В условиях производства принято пользоваться обратной величиной - полезным объемом печи, затрачиваемым  в течении суток на выплавку 1 т чугуна. Этот показатель называется коэффициентом использования полезного объема доменной печи и определяется как частное от деления полезного объема печи V_mn (м³) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сут. Чем меньше этот показатель, по абсолютному значению, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями:

1. создание условий, при которых  в горн доменной печи в единицу  времени можно подать большее  количество дутья, расходуемого  на сгорание углерода горючего;

2. создание условий, обеспечивающих  снижение расхода кокса на  единицу выплавляемого чугуна, если  количество дутья, поступающее  в горн в единицу времени,  не снижается или снижается  в меньшей мере, чем расход  кокса.

При увеличении количества дутья, подаваемого  в горн в единицу времени, соответственно увеличивается сгорающее в единицу  времени количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс. Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем увеличения расхода  дутья в единицу времени предполагает улучшение газодинамики процесса. Это  может быть достигнуто повышением прочности  агломерата, отсевом мелких фракций  и улучшением однородности гранулометрического  состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс и применение заменителей кокса в роли теплоносителя  и восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного  процесса являются:

1. совершенствование способов подготовки  и улучшение качества сырых  материалов;

2. высокотемпературный нагрев дутья;

3. увлажнение дутья;

4. обогащение дутья кислородом;

5. вдувание в горн углеводородосодержащих добавок;

6. комбинирование дутья;

7. повышение давления газов в  рабочем пространстве доменной  печи.