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.
Az alakváltozás, az idő és a hőmérséklet kapcsolata Termikus tulajdonságok A szilárd anyagok alkalmazásánál nem elhanyagolható az idő tényező sem!
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 T homológ kerámiáknál T > 0,4-0,5 T homológ ahol T a hőmérséklet C -ban, T homológ, 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. R 1/10 000/550 A kúszáshatárt abban az esetben használják méretezésre, ha az alkatrész megengedhető alakváltozása korlátozott. pl. turbina lapát
A kúszás vizsgálata 2 keresztmetszetére számított feszültség, amely adott idő múlva, adott hőmérsékleten törést okoz. Az időszilárdság megfelelő biztonsági tényezővel méretezésére. De tipikus eset az izzók wolfram szála is, amikor a törés nincs megengedve adott Időszilárdság: a próbatest eredeti Jele: R m és indexben a hőmérséklet és az idő pl. R m/10 000/550 alkalmazandó pl. kazáncsövek anyagainak 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.: 10 8 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 Vas, acél, alumínium, réz Műanyagok előállítása és feldolgozása Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok, elasztomerek Kerámiák gyártása Kristályos, 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 (Fe 3 O 4 ) 50-70% Vörösvasérc (Fe 2 O 3 ) 40-60% Barnavasérc (2FeO.3H 2 O) 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 C o ) Folyamat: a vasoxid redukciója Indirekt: CO CO 2 Fe 2 O 3 + 3CO 2 FeO + 3 CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Direkt: C CO FeO + C Fe + CO Termék: nyersvas, kohósalak, torokgáz
A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok
csapolás
A nyersvasgyártás Folyékony nyersvas folyékonysalak torokgáz termékei C% Mn% Si% S% P% Öntészeti Acélnyersvas 3,5-4,0 <1,0 1,5-3,0 <0,06 0,3-2,0 3,5-4,5 0,4-1,0 <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 O 2 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
A folyékony acélt tűzálló falazattal ellátott üstbe csapolják Csapolás
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)