Контрольная работа по "Технология металлов и сварка"

Вопрос №3

Опишите классификацию металлов и их применение в народном хозяйстве.

 

Каждый  металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым  признакам  их можно объединить в  группы.  Данная классификация разработана  русским ученым Гуляевым А.П. и может  не совпадать с общепринятой.

Все металлы можно разделить  на две большие группы –  черные и цветные металлы.

Черные металлы чаще всего  имеют темно-серый цвет, большую  плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления,  относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего  имеют характерную окраску: красную,  желтую и белую. Обладают большой  пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой  плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь.

Черные  металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы – железо, кобальт,  никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Co, Ni, Mu часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. К ним относят: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технеций), Hf (гафий), Ta(тантал), W, Re (рений).

3. Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение  в сплавах для атомной энергетики. К ним относят: Ас(актиний), Th(торий), U(уран), Np(нептуний), Pu(плутоний), Bk(берклий), Cf (калифорний), Md(менделевий), No(нобелий) и др.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ)  – La(лантан), Ce(церий), Nd(неодим), Sm(санарий), Eu(европий), Dy(диспрозий), Lu(лютеций), Y(иттрий), Sc(сландий) и др., объединяемые под названием лантаноидов. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими. Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы. Обычно используется смешанный сплав – 40–45% Се (церий) и 40–45% всех других РЗМ.

5. Щелочноземельные металлы – в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев, например, теплоносители в атомных реакторах. Li(литий), Na, K(калий), Rb(рубидий), Cs(цезий), Fr(франций), Ca(кальций), Sr(стронций), Ba(барий), Ra(радий).

Цветные металлы подразделяются  на:

1. Легкие металлы – Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы – Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu – полублагородный  металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы – Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами – Ga(галий), Ge(германий).

 

Из  металлов особое значение имеет железо: в общемировом производстве металлов свыше 90 % приходится на железо и его сплавы. Широкое применение черных металлов в различных областях техники объясняется их ценными  физическими и механическими  свойствами, а также и тем, что  железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и  просто.

Объем производства черных металлов в значительной степени  определяет уровень технического развития той или иной страны. Современное  машиностроение является основным потребителем производимых металлургической промышленностью  металлов. В любой отрасли машиностроения – тяжелом машиностроении, станкостроении, судостроении, автомобильной и авиационной  промышленности, электронике и радиотехнике из черных металлов изготовляют огромное число деталей машин и приборов. Значительная доля черных металлов потребляется современным промышленным и гражданским  строительством.

 Большое значение в  современной технике имеют и цветные металлы, которые  широко применяют во всех отраслях народного хозяйства: в машиностроении, самолетостроении, радиомеханике и электронике. Все большее производство и применение цветных металлов в технике объясняется их физико-механическими и другими свойствами, которыми не обладают черные металлы и сплавы. Металлы в чистом виде применяются очень редко, за исключением меди и алюминия. Эти металлы используются в основном в электротехнической промышленности, как проводники электрического тока. Чистые металлы широко используются как компоненты (легирующие элементы) для получения сплавов. К таким металлам относятся медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а также бериллий, германий, кремний.

Благородные металлы свое название получили из-за высокой коррозионной стойкости. Эти металлы пластичны. Имеют высокую стоимость. Применяют  в ювелирном и зубоврачебном  деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости  золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные  сплавы: Au – Ag – Cu.

 

 

Вопрос №13

Какие требования предъявляются к железно-рудному  сырью и топливу для современных  доменных печей? Какие материалы  отвечают этим требованиям и применяются  для выплавки чугуна?

 

Железные руды состоят  из рудного минерала, пустой породы и примесей. Рудным минералом называют природные химические соединения железа (чаще всего окислы). В доменных печах  железо практически полностью (98—99%) переходит в состав чугуна.

Пустая порода (балластные соединения, не содержащие железа) может  и меть различный химический состав. Обычно она состоит из кварцита  или песчаника с примесью глинистых  веществ и реже — из известняка или доломита. В доменной печи пустая порода плавится и переходит в  состав шлака.

В зависимости от количества пустой породы железные руды разделяют  на богатые, содержащие 45—70% железа, и  бедные. Богатые руды после дробления  и сортировки направляют в плавку, а бедные подвергают обогащению, в  результате которого увеличивается  относительное количество окислов  железа.

В железных рудах всегда содержится некоторое количество вредных  примесей — серы, мышьяка и фосфора.

Для выплавки чугуна применяют  красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, а также комплексные  железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит 55—70% железа в виде безводной  окиси железа Ре2О3 . Примесей серы и  фосфора в нем мало. Пустой породой  железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость  его в доменных печах хорошая.

Бурый железняк содержит 35—55% железа в виде водных окислов и  чаще всего в виде лимонита. В  некоторых видах бурого железняка  содержится много фосфора. Пустая порода имеет песчано-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке  гидратная влага при высоких  температурах удаляется, руда становится пористой и хорошо восстановимой.

Магнитный железняк (магнетит) содержит 50—69% железа (в чистом виде 72,4%) в форме закиси-окиси железа Ре3О4. Пустую породу составляет кремнезем  с некоторым количеством других окислов. Этот железняк — наиболее плотная железная руда темно-серого или черного цвета. В некоторых  случаях магнитный железняк содержит много серы (до 1,5—2%) и загрязнен  цинком. Восстанавливается магнитный  железняк труднее, чем остальные  железные руды.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30—40% железа в виде углекислой соли РеСО3. В чистом сидерите 48,2% Ре. Пустая порода сидерита состоит из кремнезема, глинозема и небольшого количества окиси магния. В некоторых  случаях сидерит имеет песчано-глинистую  пустую породу. Сидерит может быть желтовато-белого или серого цвета. Он легко выветривается (окисляется на воздухе) и, теряя СО.,, превращается в бурый железняк. Сидерит обладает наиболее высокой восстановимостыо из всех железных руд. Перед загрузкой в доменную печь сидерит обычно обжигают. В результате руда становится очень пористой и легко дробится, образуя лишь небольшие количества мелочи и пыли. В некоторых случаях в доменную печь загружают необожженный сидерит.

Комплексные железные руды, кроме железа, содержат и другие металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его, т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным железным рудам относятся следующие:

хромоникелевая железная руда, представляющая собой бурый  железняк (35—40% Ре) с примесью хрома (0,8—1,6%) и никеля (0,4—0,7%);

ванадистые титаномагнетиты. Руды их состоят из смеси магнетита Ре2О3, ильменита РеО х хТЮ3 и трехокиси ванадия У2О3 и содержат 38—47% Ре, 5—15% ТЮ2, 0,3—0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путём;

хромистый железняк. Рудный минерал этих руд — хромит РеО-СЮ3, обладающий очень высокой температурой плавления.

Марганцевые руды. Железные руды обычно содержат незначительное количество марганца, поэтому при  выплавке чугуна в шихту приходится добавлять марганцевую руду.

Рудным минералом марганцевых  руд могут быть некоторые окислы марганца: МпО2 (перекись марганца —  пиролизит), Мп,203 (окись марганца — браунит), Мп3О4 (закись-окись марганца — гаусманит) и соединения окислов марганца с окислами других элементов.

В доменном производстве применяют  марганцевые руды с содержанием 25—40% Мп. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок. Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образуется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды промывают водой для обогащения.

В доменную печь загружают  также некоторое количество металлургических отходов: колошниковую пыль (30-45% Fe и 3-12% С), которую предварительно подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца (10-18% Ре, 6-10% Мп); окалину прокатного и кузнечного производств и сварочные шлаки.

Для выплавки чугуна применяют  твердое топливо.

Более 98% чугуна выплавляют на коксе и 1-2 % на древесном угле.

Топливо выполняет в доменной печи очень важную роль. Его горение  создает высокие температуры, необходимые  для восстановления руды, плавления  и перегрева образующихся чугуна и шлака. Кроме того, часть углерода топлива непосредственно участвует  в реакциях восстановления руды.

Используемый в доменном производстве кокс должен обладать высокой  теплотой сгорания, достаточной прочностью и пористостью и содержать  минимальное количество вредных  примесей (серы и фосфора) и зол.

 

 

Вопрос №113

Опишите классификацию, строение полимеров  и пластических масс и их применение в современном машиностроении.

 

Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят  из повторяющихся структурных элементов - звеньев, соединенных в цепочки  химическими связями, в количестве, достаточном для возникновения  специфических свойств. К специфическим  свойствам следует отнести следующие  способности: способность к значительным механическим обратимым высокоэластическим деформациям; к образованию анизотропных структур; к образованию высоковязких растворов при взаимодействии с  растворителем; к резкому изменению  свойств при добавлении ничтожных  добавок низкомолекулярных веществ.

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные  смолы. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы  которых содержат несколько типов  мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры  звена образуют достаточно длинные  непрерывные последовательности, сменяющие  друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости от состава  основной (главной) цепи полимеры, делят  на: гетероцепные, в основной цепи которых  со-держатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее рас-пространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят  только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, бел-ки, некоторые кремнийорганические поли-меры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические по-лимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.