Mérnöki anyagismeret Termikus, villamos, mágneses tulajdonságok Alapanyagok gyártása Fémkohászat Vas- és acélgyártás
Termikus tulajdonságok • A szilárd anyagok az olvadás illetve amorf anyagok esetében a lágyuláspont felett nem használhatók, mivel megolvadnak. • Az olvadáspont, a megolvasztáshoz szükséges hőenergia a kötési energia függvénye.
Termikus tulajdonságok • A szilárd anyagok alkalmazásánál nem elhanyagolható az idő tényező sem!
Az alakváltozás, az idő és a hőmérséklet kapcsolata
• Megállapíthatjuk tehát, hogy a legtöbb szerkezeti anyag esetében az alakváltozás kis hőmérsékleten csak a terheléstől függ ε = f(σ), • míg a kúszást előidéző hőmérséklet fölött az alakváltozás függvénye a feszültségnek, az időnek és természetesen a hőmérsékletnek ε = f(σ,t,T) fémeknél T > 0,3 - 0,4 Thomológ kerámiáknál T > 0,4 - 0,5 Thomológ • ahol T a hőmérséklet C°-ban , Thomológ, pedig az anyag K-ben kifejezett olvadás pontja.
A kúszás jelensége • Magasabb hőmérsékleten állandó terhelés hatására kialakuló folyamatos alakváltozás, mely hosszú idő múlva a darab károsodását, törését is eredményezheti. • A jelenség a folyáshatárnál kisebb feszültség esetén is végbemegy.
A terhelés és a hőmérséklet hatása
Mikor kell a méretezésnél a kúszással számolni?
Szerkezeti acél
A kúszás vizsgálata 1 • Kúszáshatár: a próbatest eredeti keresztmetszetére számított feszültség , amely adott hőmérsékleten adott idő alatt előírt értékű (legtöbbször 1 % ) alakváltozást okoz. Jele: R és indexben a maradó nyúlás %-a az idő órában és a hőmérséklet C°-ban. pl. R1/10 000/550 • A kúszáshatárt abban az esetben használják méretezésre, ha az alkatrész megengedhető alakváltozása korlátozott. pl. turbina lapát
A kúszás vizsgálata 2 • Időszilárdság: a próbatest eredeti keresztmetszetére számított feszültség, amely adott idő múlva, adott hőmérsékleten törést okoz. Jele: Rm és indexben a hőmérséklet és az idő pl. Rm/10 000/550 • Az időszilárdság megfelelő biztonsági tényezővel alkalmazandó pl. kazáncsövek anyagainak méretezésére. De tipikus eset az izzók wolfram szála is, amikor a törés nincs megengedve adott időn belül .
Villamos tulajdonságok A szerkezeti anyagok többé kevésbé vezetik az áramot, ha villamos erőtérbe kerülnek. Vezetőképesség szerint lehetnek: • Vezetők: a fémes kötésben lévő szabadelektron felhő következménye (vill. ellenállása: 20x10-9 Ωm) • Félvezetők: töltéshordozók szintén elektronok (ionos kötés) • Szigetelők: polimerek, kerámiák (kovalens kötés) (vill. ell.: 108 Ωm)
Mágneses tulajdonságok Mágneses térbeli viselkedésük szerint lehetnek: • Paramágneses: az atomok mágneses dipólusmomentuma nem 0, de mágneses erőtereik semlegesítik egymást, mágneses erőtérben beállnak az erőtér irányába • Diamágneses: az atomok mágneses dipólusmomentuma 0, mágneses erőtérben beállnak az erőtérrel ellenkező irányba • Ferromágneses: a dipólusok maguktól rendeződnek, spontán mágneses anyagok
Mérnöki anyagismeret
Alapanyagok gyártása Fémkohászat Vas- és acélgyártás
Alapanyagok gyártása • Fémkohászat 9 Vas,
acél, alumínium, réz
• Műanyagok előállítása és feldolgozása 9Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok, elasztomerek
• Kerámiák gyártása 9Kristályos, amorf, speciális kerámiák
• Kompozit (társított) anyagok feldolgozása
Fémkohászat • Vas- és acél gyártás • Alumínium gyártás • Réz- és színesfém kohászat
A fémkohászat főbb folyamatai • Érc előkészítés (törés, őrlés, szétválasztás) • Nyers fém kinyerése • A nyers fém finomítása • Ötvözés • Öntés kokillába
Vas- és acélgyártás • Nyersvasgyártás – A nagyolvasztó működése – A nyersvas tulajdonságai
• Acélgyártás – Konverteres – Ívkemencés, indukciós kemencés
• Az acélok utókezelése – Vákuumozás – Műveletek öntés közben
Nyersvasgyártás • Folyamata: a vasat vasércből koksz segítségével (C) nagyolvasztóban redukálással állítják elő • Kiinduló anyag: • vasérc – Mágnesvasérc (Fe3O4) – Vörösvasérc (Fe2O3) – Barnavasérc (2FeO.3H2O)
50-70% 40-60% 30-50%
• vastartalmú ipari melléktermékek pl. vörösiszap, acélgyártási salak stb.
Nagyolvasztó
Mit adagolnak a nagyolvasztóba? • Vasérc+ vastartalmú ipari melléktermék • salakképző anyagok (elsősorban mészkő) • koksz (feketeszénből) A koksz feladata – elégésével fűt – redukáló gázt fejleszt (CO) – redukál (izzó C)
Mi szükséges még a nagyolvasztó működéséhez? • A koksz elégetéséhez levegő – léghevítőkben a torokgáz elégetésével előmelegítik – oxigénnel dúsíthatják
• hűtővíz a falazat hűtésére (többszörösen biztosított)
A nagyolvasztó működése • Adagolás: érc, koksz, salakképző anyag • Hőenergia ellátás: koksz, befújt levegő (300-1600 Co) • Folyamat: a vasoxid redukciója – Indirekt: CO ⇒ CO2
• Fe2O3 + 3CO⇒ 2 FeO + 3 CO2 • FeO + CO ⇒ Fe + CO2 – Direkt:
C ⇒ CO
• FeO + C ⇒ Fe + CO • Termék: nyersvas, kohósalak, torokgáz
A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok
csapolás
• Folyékony nyersvas • folyékonysalak • torokgáz
Öntészeti
C%
Mn%
3,5-4,0
<1,0
Acél- 3,5-4,5 0,4-1,0 nyersvas
A nyersvasgyártás termékei
Si%
S%
P%
1,5-3,0 <0,06 0,3-2,0 <1
<0,04 0,1-0,3
A nyersvasgyártás termékei 2 • folyékony salak – elsősorban az építőipar használja fel • torokgáz – alacsony fűtőértékű gáz, elsősorban a levegő előmelegítésére
Acélgyártás • Folyamata: a nyersvas karbon tartalmának és a káros szennyezők koncentrációjának csökkentése oxidációval • Kiinduló anyag: Acél nyersvas • Végtermék: Acél • Előnyök: – Szilárdság és szívósság növekedés – Alakíthatóság javulás
Eljárás változatai • Siemens-Martin (ma már nem használják) • Konverteres (Bessemer, LD) • Elektro-acélgyártás (ívfényes, indukciós)
Konverteres acélgyártás (LD) • Elrendezés: körte alakú billenthető konverter • Betét: acélhulladék, folyékony nyersvas, adalékanyagok • Égés táplálása: oxigén befúvással • Hőforrás: a karbon és szennyezők kiégésének hője • Végtermék: 0,25-0,3% C-tartalmú acél
Konverteres acélgyártás
Az LD eljárás folyamatai • Adagolás, az alapanyagok bejuttatása • Frissítés oxigén gázzal, C és szennyezők kiégetése • Utókezelés: dezoxidálás, csillapítás • Ötvözés igény szerint • Csapolás • Öntés
Adagolás Alapanyag: • folyékony nyersvas • Ócskavas • salakképzők
Frissítés vagy oxidáció • Célja: a nyersvas C tartalmának és szennyezőinek csökkentése oxidációval • LD konverter 99 % tiszta O2 • a fúvatási idő 18-20 perc • a S és P tartalom csökkentésére mészpor
Dezoxidálás vagy csillapítás • Mn, Si, Al adagolás az acélgyártás végső fázisában • Hatására a vasoxidból szilicium-dioxid vagy aluminium-oxid keletkezik, amely a salakba távozik • Öntéskor az acélban nem keletkeznek gázhólyagok – ez a csillapított acél
Csapolás • A folyékony acélt tűzálló falazattal ellátott üstbe csapolják
Konverteres acélgyártás
Elektro-acélgyártás • Ívfényes kemencében – Fémolvadék és/vagy szilárd betét – Hőt az elektródák és olvadék közötti ív fejleszt – Jól szabályozható, tiszta acélokat lehet gyártani
Indukciós acélgyártó kemence Indukciós kemencében •Szilárd betét •Hőforrás az indukált áram Joule-hője (transzformátor hatás) •Az acél ötvözése, átolvasztása a fő cél
Az acélok utókezelése • Üstmetallurgia: dezoxidálás, átöblítés, ötvözés stb. • Sugárvákumozás: folyékony acélsugár öntése vákumban, erős gáztalanodás • Vákumívfényes átolvasztás: katód az acélrúd, anód a réz kád, ív hatására az acél megolvad, a vákumban gáztalanodik • Elektrosalakos átolvasztás: az elektrolizáláskor a megolvadt salakon átfolyó acél gáz- és szennyező tartalma lecsökken
Acélok utókezelése (üstmetallurgia)
Az acél vákumozása
Vákuum ívfényes
Átolvasztás Elekrosalakos
Vas- és acélgyártás folyamata (összefoglalás)
