Материаловедение и технология конструкционных материалов

 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине:

Материаловедение и технология конструкционных материалов 

 

 

 

 

Выполнил студент 2 курса  ф-та ЭиОВР Провоторов Э.Г. шифр: 4808

 

 

 

 

 

Калуга 2013

 

 

 

Свойствами  теплопроводности.

Теплопроводность, согласно словарю, это перенос энергии, который происходит от более нагретых частей тела к менее нагретым.

Это происходит в результате движения тепла и взаимодействия между  его составляющими частицами. Процесс  теплопроводности приводит к равномерности  температуры всего тела. Как правило, количество энергии, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному  градиенту температуры. Коэффициент  такой пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.

Также теплопроводность определяется как свойство тел передавать тепло, при этом такое свойство основано на теплообмене, происходящем между атомами и молекулами тела.

Ещё одно определение теплопроводности даёт объяснение, что это перенос тепловой энергиипосредством структурных частиц конкретного вещества в процессе теплового движения данных частиц. Подобный теплообмен обычно происходит в любом теле, которому присуще неоднородное распределение температуры, при этом механизм переноса тепла напрямую зависит от агрегатного состояния рассматриваемого вещества. Явление интересующей нас теплопроводности в целом представляет собой кинетическую энергию молекул и атомов, определяющую температуру тела, которая передаётся другим телам при их непосредственном взаимодействии.

 

Объяснение явления  теплопроводности с точки зрения физики.

 

Чем больше словарей, тем больше заумных  и сложных объяснений. А суть этого  явления, в общем-то проста – это равномерное распределение тепла по всему телу или по всему веществу, материалу.

Численную характеристику теплопроводности материала можно определить количеством  теплоты, проходящей сквозь материал определённой толщины за определённое время. Численная  характеристика важна при расчете  теплопроводности различных профильных изделий.

Для осуществления теплопроводности обязательно требуется непосредственный физический контакт, осуществляемый между двумя телами. Значит, передача тепла осуществима только между твёрдыми телами и неподвижными жидкостями. Непосредственный контакт даёт возможность кинетической энергии перейти от молекул наиболее теплого вещества к наиболее холодному. Обмен тепла происходит при непосредственном прикосновении разных по температуре тел друг к другу.

Здесь следует обратить внимание на то, что молекулы теплого тела не могут проникать в холодное тело. Происходит только передача кинетической энергии, что и даёт равномерное распределение тепла. Такая передача энергии будет продолжаться, пока соприкасающиеся тела не станут равномерно тёплыми. В таком случае достигается тепловое равновесие. На основании этих знаний можно рассчитать, какой утеплительный материал потребуется для устройства теплоизоляции того или другого здания.

 

 

 

Разные вещества обладают разной степенью теплопроводности

 

Некоторые вещества обладают лучшей теплопроводностью, чем другие. Хорошими проводниками тепла являются некоторые металлы - железо, медь, серебро, золото и другие металлы. Они передают тепло более интенсивно, чем другие материалы, такие, как пробка, асбест, керамика и древесина.

В ходе распределения тепла по материалу соприкасающиеся тела отдают всю свою кинетическую энергию, при этом в передаче тепла участвуют свободные электроны вещества. Однако некоторые вещества, такие, как стекло, древесина, пробка и другие не отдают своих свободных электронов.  

Теплопроводность, как правило, определяет способность материала передавать свою тепловую энергию сквозь данный материал. Для газообразных и жидких веществ обычные свойства теплопроводности имеют достаточно незначительное значение. Здесь свою роль играет конвекция, которая является относительным аналогом теплопроводности для данных веществ. В теплотехнике существует специальный расчет теплопроводности с учетом конвекции. Можно допустить, что эффект конвекции увеличивает теплопроводность данных материалов в несколько раз.

 

Использование физического  явления теплопроводности в жизни

 

Благодаря существованию в природе  такого свойства, как теплопроводность, технологи создают специальные  строительные материалы.которым присущи эти свойства. Такие материалы хорошо защищают жилище человека от холода и воздействия атмосферных явлений. Теплопроводность – свойство, присущее многим современным строительным материалам, которые играют роль теплоизоляции зданий и строений различного назначения. Здесь можно сделать плавный переход от конкретного физического явления теплопроводности к производству современных строительных материалов, призванных защищать жилище от холодов.

Такими материалами являются сегодня  разнообразные теплоизоляционные  материалы, обычно их структуру отличают высокая пористость и маленькая  средняя плотность, что обеспечивают их низкую теплопроводность. Значит, теплопроводность – это основной показатель качества для современных теплоизоляционных  материалов. Теплопроводность в случае со строительными материалами является способностью такого материала пропускать тепло сквозь свою структуру. Теплопроводность всех теплоизоляционных материалов напрямую зависит от характеристик  пористости структуры, химического  состава материала и его степени  кристаллизации.

 

Теплоизоляционные материалы созданы на основе закона теплопроводности.

 

 

 

 

Теплоизоляционные материалы сегодня различают по плотности, и это:

• особо лёгкие,
• лёгкие,
• средней плотности,
• и плотные.

Так же современная теплоизоляция  делятся по степени жесткости  на мягкие материалы, полужесткие, жесткие  и твердые.

По применяемому в производстве исходному сырью теплоизоляционные  материалы делятся на неорганические и органические. К неорганическим материалам относятся минеральная вата, стеклянная вата, пеностекло и другие материалы. К органическим материалам относятся изделия из дерева или другого растительного сырья, а также теплоизоляционные пластмассы. Есть ещё одна классификация современных теплоизоляционных материалов – по их структуре, здесь они подразделяются на:

• волокнистые. 
  минеральная вата, стекловатные изделия
• ячеистые 
  пенополистирол, пенокерамика, пеностекло, пенобетон
• зернистые 
  перлит, вермикулит и другие материалы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гидромониторный способ разработки пород.

 

 

ГИДРОМОНИТОРНАЯ РАЗРАБОТКА (а. hydraulicmining; н. Wasserstrahlgewinnung; ф. abattage a l'aidedumonitorhydraulique; и. arranqueсоnmonitorhidrauliсо) — ведение горных работ посредством разрушения породного массива струёй воды гидромонитора; основной способ гидромеханизации. Гидромониторная разработка проводится с гидравлическимврубообразованием (подрезкой) или без него.  
 
Гидромониторная разработка горных пород на открытых горных работах осуществляется встречным, попутным и попутно-встречным забоем. При размыве уступа встречным забоем (наиболее распространённый способ) направления движения струи гидромонитора и потока образующейся гидросмеси противоположны. Расстояние от гидромонитора без дистанционного управления (устанавливается на нижней площадке уступа) до забоя, по условиям безопасного ведения работ, — 0,8-1,2 высоты уступа. При гидромониторной разработке попутным забоем направления полёта струи гидромонитора (устанавливается на верхней площадке уступа) и потока гидросмеси совпадают. Размыв попутно-встречным или боковым забоем ведётся при плотных, трудноразмываемых породах и высоких уступах.

Гидромониторная разработка гидромониторно-землесосными установками осуществляется заходками. Высота уступа при гидромониторной разработке выбирается с учётом достижения максимальой производительности гидромонитора по породе и изменяется для средних условий от 15 до 20 м (в зависимости от производительности гидромонитора по воде и давления струи), в отдельных случаях от 20 до 35 м (карьеры КМА). Максимальное допустимое расстояние от гидромонитора до забоя и ширина гидромониторного забоя принимаются с учётом использования для размыва эффективной части струи. Например, при разработке глинистых пород струёй с напором у насадки 78-118 кПа ширина гидромониторного забоя 20-25 м. Вода к гидромониторам подаётся из водоёма насосами. Размытая порода с водой от забоя по площадке уступа или канаве поступает в зумпф, откуда грунтовым насосом перекачивается по трубопроводу к месту укладки. При благоприятном рельефе может быть применено самотёчноегидротранспортирование размытой породы. Для подтеканиягидросмеси от забоя к зумпфу в процессе гидромониторной разработки на рабочей площадке уступа оставляется наклонный слой несмытой породы (недомыв). При ведении работ по кровле полезных ископаемых недомыв убирается бульдозером илиэкскаватором в навал. Уборка недомыва струёй воды требует большого удельного расхода воды, что резко снижает эффективность гидромониторной разработки.  
 
Интенсивность размыва (характеризуется объёмом породы, разрабатываемой с помощью 1 м³ воды) возрастает при уменьшении связности породы, увеличении высоты уступа (до определённого предела), расхода воды через гидромонитор, при повышении компактности струи, уменьшении расстояния от гидромонитора до забоя (до допустимого значения). Необходимая величина контактного давления и высота уступа определяют параметры (напор и удельный расход воды) гидромониторной разработки (табл. 1).  
 
Для интенсификации размыва плотных пород выполняют специальные мероприятия: предварительное рыхление породы экскаваторами, бульдозерами, с помощью буровзрывных работ, водонасыщением и др. Порода экскаватором или бульдозером подаётся в навалы, которые смываются струёй гидромонитора в зумпф. После буровзрывных работ порода, разрыхлённая в массиве и частично обрушенная, размывается струёй воды.  
 
В условиях, пригодных для применения гидромеханизации, производительность труда при гидромониторной разработке в 2-2,5 раза выше, а себестоимость в 1,5-2 раза ниже, чем при экскаваторной разработке с вывозкой пород колёсным транспортом. Наибольший объём применения гидромониторной разработки — при разработке угольных месторождений (табл. 2).  
 
Для гидромониторной разработки угля (обычно с крепостью f до 1,3) в условиях гидрошахт используются струи воды, формируемые в гидромониторных насадках диаметром 16-32 мм под давлением до 12 МПа. Уголь в приповерхностном слое массива разрушается в результате приложения гидродинамической нагрузки к площадке контакта струи с забоем. Производительность гидромонитора (масса угля, отбиваемого в единицу времени) при гидромониторной разработке на очистных работах обычно не менее 20 т/ч, на подготовительных — не менее 10-12 т/ч. Удельный расход воды, согласно условиям гидротранспорта и гидроподъёма пульпы, не превышает 3-5 м³/т. Расширение области применения гидромониторной разработки (на угли с f до 2, вязкие, слаботрещиноватые), повышение эффективности этого способа разрушения достигаются совершенствованием существующего гидравлического оборудования (например, повышением давления гидромониторных струй до 30 МПа и расхода воды до 500 м³/ч), созданием новых методов и средств гидромониторной разработки (гидроимпульсаторы и импульсные водомёты).  
 
Достоинства гидромониторной разработки: поточность технологических процессов; относительно небольшой вес и простота оборудования; высокая производительность труда.  
 
Недостатки: зависимость эффективности гидромониторной разработки от характера разрабатываемых горных пород; значительная энергоёмкость; сезонность работ. Дальнейшее совершенствование гидромониторной разработки связано с применением мощного высокопроизводительного оборудования с автоматическим управлением и развитием способов, в которых сочетаются гидравлические и другие виды разработок.  
 
За рубежом гидромониторная разработка применяется при добыче фосфоритов (США), олова (Малайзия),урановой руды (ЮАР), угля (КНР и др.) и др. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основы технологий для получения черных металлов.

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка  в сталь. Для получения стали  используют также металлолом. В последние  годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна. Чугун  получают в доменных печах высокотемпературной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаС03) необходим  для перевода в расплавленное  состояние пустой породы (состоящей  в основном из Si02 и А1203), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с  другом, образуют доменный шлак, который  представляет собой в основном смесь  силикатов и алюминатов кальция, близкую по составу к портландцементу.

Доменная печь — очень  большое инженерное сооружение. Полезный объем печи — 2000…3000 м3, а суточная производительность — 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) сверху через устройство 3 загружают  шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты  вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного  доступа кислорода, образует СО, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до С02. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун 9 стекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строительных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполнителя для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты и др.

Чугун главным образом (около 80 ) идет для производства стали, остальная часть чугуна используется для получения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава  различают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образуется и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали. Сталь  получают из чугуна и железного металлолома  и специальных добавок, в том  числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах  или электрических печах.

Рис. 7.1. Схема доменной печи: 
1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2 — расплавленный шлак; 3 — загрузочное устройство; 4 — газоотводная труба; 5 — капли расплавленного чугуна; 6 — капли шлакового расплава; 7 — фурма для подачи воздуха; 8 — летка для выпуска расплавленного шлака; 9 — жидкий чугун

 

Выплавка стали — сложный  процесс, складывающийся из целого ряда химических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными  газами. Выплавленную сталь разливают  на слитки или перерабатывают в заготовки  методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки — полуфабрикат, из которого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной  силы деформируется, сохраняя приобретенную  форму. При обработке металла  давлением практически нет отходов. Для облегчения обработки сталь  часто предварительно нагревают. Различают  следующие виды обработки металла  давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Наиболее распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 получаемой стали.

При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками  прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля  прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь  в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката  — сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые  сваи, трубы, арматурная сталь гладкая  и периодического профиля и др.

При волочении заготовка  последовательно протягивается  через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при  этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка — обработка раскаленной  стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные  стальные детали (болты, анкеры, скобы  и т. д.).

Штамповка — разновидность  ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет  форму штампа. Штамповка может  быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень  точных размеров.

Прессование представляет собой  процесс выдавливания находящейся  в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. ]J Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.