Введение
Целью данной работы выступает исследование двух теоретических вопросов по
курсу «Материаловедение» и решение
практической задачи.
Поставленная цель конкретизируется рядом задач:
1)
Рассмотреть
сущность процесса передела чугуна в сталь, перечислить современные
плавильные цехи и агрегаты, в которых
получается сталь.
2)
Рассмотреть характеристику древесины, виды древесных
материалов, используемые в различных отраслях промышленности
3)
Решить задачу.
План
Задание
№ 1. Изложите сущность процесса передела чугуна в сталь. Перечислите
современные цехи и агрегаты, в которых получается сталь. 4
Задание
№ 2. Древесные материалы. Характеристика древесины. Виды древесных материалов,
используемых в различных отраслях промышленности 9
Задание
№ 3. 15
Список
литературы.. 16
Задание № 1. Изложите сущность процесса передела чугуна в сталь. Перечислите
современные цехи и агрегаты, в которых получается сталь
Стали подразделяются на два типа. Углеродистые
стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не
только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси
(добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы
сталей, их свойства и применения.
Кислородно-конвертерный
процесс. В последние
десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки
кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г.
на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.
В кислородно-конвертерном процессе
используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой). Конвертер
загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом,
затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху
вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на
поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной
извести (СаО). Эта «кислородная продувка», которая
длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем
содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии
при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются
в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из
него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера
(в наклонном положении) в ковш.
Кислородно-конвертерный процесс
используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он
характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере
может быть получено 300-350 т стали.
В настоящее время всю сталь в
Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.
Электросталеплавильный процесс.
Электрические печи используют главным образом для превращения стального и
чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в
нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар,
выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают
металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают
в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После
этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура
выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь.
Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.
Сталь получается из чугуна при
удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для
этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в
газообразном состоянии и в виде шлака[4,с . 158].
Так как концентрация железа в чугуне
значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо.
Часть железа переходит в закись железа:
Реакция идёт с выделением тепла.
Закись железа, перемешиваясь с
расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:
Si+2FeO=SiO2+2Fe
Mn+FeO=MnO+Fe
C+FeO=CO+Fe
Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при
окислении кремния.
Фосфор окисляется в фосфорный
ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке.
Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных
материалах было мало серы.
После завершения окислительных
реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо
освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в
стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют
восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так
называемые «раскислители». Марганец реагирует с
закисью железа и «сраскисляет» сталь:
Мп+FеО=МnО+Fe
Передел чугуна в сталь осуществляется
в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в
середине XIX в. является способ Бессемера.
Способ Бессемера. По этому способу передел чугуна в сталь
проводится путём продувания воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс
протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических
реакциях окисления кремния, марганца и других элементов.
Процесс проводится в аппарате,
который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера.
Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри
огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые
подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в
горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают
аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо,
кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над
конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно
сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период
интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха
прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.
Процесс Бессемера
обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут),
поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется
расходовать топливо или электрическую энергию.
Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные
сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе
окисляется и теряется (велик «угар» железа).
Значительным усовершенствованием в
производстве стали в конвертерах Бессемера является
применение для продувкя вместо воздуха смеси его с
чистым кислородом («обогащённого воздуха»), что позволяет получать стали более
высокого качества.
Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является
в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса,
получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива.
Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.
Примеси, содержащиеся в шихте,
окисляются свободным, кислородом топочных газов и кислородом, входящим в состав
железной руды, окалины и ржавчины.
Плавильное пространство мартеновской печи
представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней
стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины
загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали.
С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и
воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину
7 м.
Мартеновская печь работает периодически.
После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности
лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса — известняк или известь. Шихта
плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец.
Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом «кипения»,
— движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт
впечатление, что он кипит.
В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно
следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о
составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для
повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно
подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и
воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается
отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор
начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор.
Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими
приспособлениями.
В мартеновской печи, в отличие от
конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только
жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности
и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять
в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые,
так и легированные.
Российскими учёными и сталеварами
разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность
печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с
одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.
Производство стали в электропечах.
Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать
более высокой температуры и точнее её регулировать. Поэтому в электропечах выплавляют
любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден
и др. Потери легирующих элементов в электропечах меньше, чем в других печах.
При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление
углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить
качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и
неметаллических включений.
В промышленности применяют два типа
электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие
образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах
тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.
Сталеплавильные печи всех типов —
бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические — представляют собой
аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся,
как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость
изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др.
Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.
Задание № 2. Древесные материалы. Характеристика древесины. Виды
древесных материалов, используемых в различных отраслях промышленности
Россия - самая богатая лесом страна в мире,
запасы древесины в которой определяются примерно 80 млрд. м3, что
составляет около 40 % мировых запасов. Основные лесные ресурсы России
сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке, занимая 73 % всей площади лесов
России. Преобладающими породами являются хвойные: лиственница 37 %, сосна 19,
ель и пихта 20, кедр 8 %. Запасы березы, являющейся основным сырьем для
фанерной промышленности, составляют около 13%. Для выполнения целевой
комплексной программы увеличения выпуска деревянных конструкций, древесных
плит, картона и других видов продукции химической, деревообрабатывающей и
целлюлозно-бумажной промышленности необходимо упорно и настойчиво заниматься
ускорением научно-технического прогресса.
В строительную практику все шире внедряются
прогрессивные деревянные конструкции заводского изготовления; должно
существенно возрасти использование отходов лесной и деревообрабатывающей
промышленности. Ответственная роль в выполнении этой задачи принадлежит
проектировщикам-конструкторам[5,с . 44].
Древесина как материал органического
происхождения состоит из ткани, образованной клетками. Клеточная ткань
составляет скелет дерева, обеспечивающий его прочность, а также для проведения
питательных соков и для накопления питательных веществ.
Этим функциям клеточной ткани соответствуют:
структурные клетки (прочностные), клетки проводящие и клетки накопляющие (паренхимные). В лиственных породах прочностными клетками
являются либриформа, удлиненные,с
толстыми одревесневшими оболочками проводящими клетками служат сосуды, длинные
клетки с тонкими оболочками и широкими полостями: накопляющие клетки образуют
клетки сердцевинные лучи. В хвойных породах прочностными и одновременно
проводящими клетками служат трахеиды, занимающие
более 90% объема древесины. Трахеиды имеют вытянутую
в длину веретенообразную форму и утолщенные одревесневшие стенки. Паренхимные клетки образуют сердцевинные лучи и смоляные
ходы
Химический состав веществ, входящих в древесину независимо от породы, с
округлением до 1%: углерода - 50%, кислорода - 44%, водорода - 6%. Скопление
макромолекул образует мельчайший волокнообразный элемент строения клеточной
оболочки - мицеллу. Мицеллы соединяются в более крупные волоконца - фибриллы,
видимые в микроскоп; из сплетения фибрилл и состоит оболочка клетки.
К
физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, влажность и связанные
с ней изменения - усушка, разбухание, водопоглощение,
растрескивание и коробление. К физическим свойствам древесины относятся также
ее плотность, электро-, звуко-
и теплопроводность, показатели макроструктуры[3, с. 149].
Цвет.
Цвет
древесине придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества,
которые находятся в полостях клеток.
Древесина
пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет различный цвет
- в жарких и южных районах она более яркая по сравнению с древесиной пород
умеренного пояса. В пределах климатического пояса каждой древесной породе
присущ свой особый цвет. Под влиянием света и воздуха древесина многих пород
теряет свою яркость, приобретая на открытом воздухе сероватую окраску.
Древесина
ольхи, имеющая в свежесрубленном состоянии светло-розовый цвет, вскоре после
рубки темнеет и приобретает желтовато-красную окраску. Древесина дуба,
пролежавшая долгое время в воде, приобретает темно-коричневый и даже черный
цвет (мореный дуб). Меняется окраска древесины и в результате поражения ее
различными видами грибов. На окраску древесины оказывает влияние также возраст
дерева. У молодых деревьев древесина светлее, чем у более старых.
Цвет
древесины имеет важное значение в производстве мебели, музыкальных инструментов,
столярных и художественных изделий. Насыщенный богатством оттенков цвет придает
изделиям из древесины красивый внешний вид.
Блеск
древесины
зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных
лучей. Сердцевинные лучи обладают способностью направленно отражать световые
лучи и создают блеск на радиальном разрезе.
Текстура
- рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании
ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Текстура зависит от
особенностей анатомического строения отдельных пород древесины и направления
разреза.
Хвойные
породы на тангентальном разрезе из-за резкого
различия в цвете ранней и поздней древесины дают красивую текстуру. Особенно
красивый рисунок имеет древесина с неправильным расположением волокон (свилеватость
волнистая и путаная).
Часто
применяют особые способы обработки древесины - лущение фанерных кряжей под
углом к направлению волокон, радиальное строгание, прессование или замену
искусственной текстурой.
Запах
древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других
веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы - сосна, ель.
Макроструктура.
Для характеристики древесины иногда достаточно определить следующие показатели
макроструктуры.
Ширина
годичных слоев определяется числом слоев, приходящихся
на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на торцовом срезе.
Ширина
годичных слоев оказывает влияние на свойства древесины. Для древесины хвойных
пород отмечается улучшение свойств, если в 1 см насчитывается не менее 3 и не
более 25 слоев.
Один
из важных показателей макроструктуры - содержание поздней древесины (в
%). Чем выше содержание поздней древесины, тем больше ее плотность, а
следовательно, и выше ее механические свойства.
Степень
равнослойности определяется разницей
в числе годичных слоев на двух соседних участках длиной по 1 см.
Наиболее
хорошие показатели имеет древесина деревьев, произрастающих в северных районах
европейской части России: мелкослойная плотная древесина с высоким содержанием
поздней зоны, относительно неширокой заболонью.
По существующим ГОСТам кругляк разделяется на три сорта, брусья - на пять
(1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й), доски и бруски - на шесть (отборный, 1-й, 2-й, 3-й,
4-й и 5-й). Разделение лесоматериала по сортам, рассчитанное на широкое применение
древесины в народном хозяйстве, не обеспечивает полностью надежную работу
элементов деревянных конструкций, для которых основное значение имеет прочность
древесины. Для этой цели необходимо дополнительное ограничение пороков в соответствии
с работой элемента в конструкции, так как влияние пороков неодинаково для
различных видов сопротивления древесины.
В особо ответственных случаях требуется определять пределы прочности
древесины. При лабораторных испытаниях стандартных образцов эти показатели
должны быть не ниже: на сжатие вдоль волокон - 300 кг/см2, на изгиб
- 500 кг/см2.
В условиях строительной площадки могут применяться скоростные «полевые»
способы определения показателей прочности: огнестрельный способ К. П. Кашкарова - по глубине проникания в древесину пули мелкокалиберной
винтовки или способ Симинского - Серенсена
- по количеству работы, затраченной на разрушение единицы объема древесины при
сверлении.
Круглый лесоматериал хвойных пород разделяется на: строительные бревна -
диаметром в верхнем отрубе d=120 - 300 мм, длиной от 4 до 9 м (ходовая длина -
6,5 м); подтоварник - бревна диаметром d=80 - 110 мм; жерди - d=30 - 70 мм.
Пиломатериал разделяется на: доски - толщиной не более 100 мм при отношении
b: с>2; бруски - толщиной не более 100 мм при
отношении b : с>2; брусья - толщиной более 100 мм;
пластины и четвертины - бревна, распиленные вдоль на 2 или 4 равные части.
Длина товарного пиломатериала должна быть не более: хвойных пород - 6,5м,
лиственных - 5 м, для мостостроения - 9,5 м.
По характеру обработки пиломатериал делится на обрезной - у которого все
четыре стороны пропилены, а размеры обзолов не
превышают допускаемых, и необрезной - у которого пласти пропилены, а кромки не пропилены или пропилены
частично и величины обзолов больше, чем допускается в
обрезном пиломатериале. При проектировании деревянных конструкций следует стремиться
к сокращению количества применяемых сортиментов. При этом облегчается процесс
лесопиления, деревообработки и сортировки лесоматериала по качественным
категориям, повышается качество изготовления деревянных конструкций.
Фанера, применяемая в строительных конструкциях, должна обладать водостойкостью
и надлежащим качеством шпона и склейки. В зависимости от качества ее разделяют
на 4 сорта: В, ВВ, С и НВ. В наиболее напряженных частях конструкций следует
применять фанеру высшего сорта НВ, у которого средние листы шпона должны быть
не ниже сорта ВВ.
По водостойкости различают: фанеру повышенной водостойкости (марок ФВФ и
ФСФ) и фанеру средней водостойкости (марок ФК и ФБА).
Размеры фанеры по СНиП установлены: по длине -
до 3 м и по ширине - до 2 м с градацией через 0,1 м; по толщине - 2, 4, 6, 8,
10, 12 и 15 мм. Фанерные плиты изготовляются толщиной 15 - 45 мм. Фанера,
изготовляемая на существующем оборудовании, может иметь размеры по длине 1525 и
1830 мм и по ширине 1220 и 1525 мм (ГОСТ 3916-55).
Фанера повышенной водостойкости марки ФВФ применяется для несущих
конструкций в открытых, не защищенных от атмосферных воздействий сооружениях с
окраской, фанера марки ФСФ - для защищенных несущих конструкций в помещениях с
влажностью воздуха не выше 70% без окраски; для кровельных щитов фанера марки
ФСФ применяется с гидроизоляцией, а для стен и других наружных частей зданий -
с окраской.
Фанера средней водостойкости марок ФК и ФБА применяется для несущих
конструкций в помещениях с влажностью не выше 70% - с окраской, а также для
перегородок, внутренней обшивки и других внутренних частей зданий - без
окраски.
Задание № 3
УСЛОВИЕ ЗАДАНИЯ
На сколько процентов необходимо снизить отходы, чтобы повысить коэффициент
использования металла с 0,73 до 0,8? Считать, что полезный расход и
безвозвратные потери металла не
меняются.
РЕШЕНИЕ
Коэффициент использования металла равен:
Ки =
qч/Q общ, (1)
Где qч – чистая масса металла
Q общ – общий расход металла
Qобщ = (qч+qотх+qпот), (2)
Где qотх- объем отходов
q пот- объем потерь металла
Так как полезный расход и потери не меняются, то для снижения коэффициента
использования нужно изменить объем отходов в знаменателе формулы (1)
Ки1 = qч/(qч+qотх1+qпот)=0,73,
Ки2 = qч/(qч+qотх2+qпот)= 0,8,
Ки2/ Ки1 =
0,8/0,73 = 1,096
Или
qч*(qч+qотх1+qпот)/(qч+qотх2+qпот)* qч=1,096
(qч+qотх1+qпот)/(qч+qотх2+qпот)=1,096
Вычитаем из числителя и знаменателя значения qч и qпот, получим:
qотх1/ qотх2=1,096
Отсюда, qотх2/ qотх1=1/1,096 =
0,912 или 91,2 %
Значит, отходы необходимо снизить на:
100-91,2 = 8,8
(%).
ОТВЕТ
Отходы необходимо снизить на 8,8 %.
Список литературы
1)
Геллер Ю.А. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989.
– 455 с.
2)
Гуляев А.П. Металловедение. –М. : Металлургия, 1986. –
544 с.
3)
Козлов Ю.С. Материаловедение. – М.: Агар,
1999. – 180 с.
4)
Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М.: Машиностроение,
1993. – 448 с.
5)
Материаловедение: Учеб. для вузов/ Под ред. Арзамасова Б.Н., Мухина Б.Н. – М.: МГТУ им. Баумана Н.Э,
2001. – 646 с.