Способы тепловой обработки материала

Тема лекции 1. Введение. Назначение тепловой обработки в технологии строительных материалов. Понятие о тепловых установках

Конспект лекционных занятий Процессы и аппараты2

При производстве строительных изделий, деталей и материалов почти во всех случаях для перевода сырья в новое качество готовую продукцию — применяют тепловую обработку. В большинстве случаев тепловая обработка дает возможность придать сырью новые, ка­чественно отличные свойства, необходимые в строитель­стве. Такой процесс происходит за счет физических и фи­зико-химических превращений в обрабатываемом материале, течение которых зависит от воздействия тепла.

Для теплового воздействия материал помещают в ус­тановку, которую в общем случае называют тепловой установкой. Различные физические и физико-химические превращения в материале требуют различного теплового воздействия. Поэтому в каждой тепловой установке соз­дают свой необходимый для обработки продукции теп­ловой режим. Под тепловым режимом понимают сово­купность условий теплового и массообменного воздействия на материал, как-то: изменение температуры среды, скорость течения газов или жидкости, омывающих мате­риал, концентрацию газов, их давление. Следовательно, тепловые режимы представляют собой совокупность теп­ловых, массообменных и гидродинамических процессов, происходящих в тепловой установке.

Тепловой режим установки будет воздействовать на сырье и за счет физических и физико-химических превра­щений в нем оно превратится в готовую продукцию. Оче­видно, изучая данную дисциплину, необходимо выяснить, как различные тепловые режимы воздействуют на раз­ные материалы, какие процессы происходят в материа­лах при тепловой обработке, а также научиться опреде­лять наиболее эффективные режимы.

Классификация способов тепловой обработки. Круг строительных изделий, применяемых при возве­дении зданий и сооружений, чрезвычайно широк и разно­образен. Промышленность строительных материалов выпускает большое количество бетонных и железобетон­ных, керамических, теплоизоляционных и других изде­лий. В технологии строительных изделий и деталей встре­чается целый ряд различных методов — приемов тепло­вой обработки. Применение различных методов тепловой обработки обусловлено различием как свойств перера­батываемых материалов, так и химических превращений, происходящих при переработке сырья в готовые изде­лия. Поэтому, прежде чем изучать отдельные виды теп­ловой обработки, необходимо их представить, классифи­цировать. Для классификации проанализируем тепловую обработку влажного материала. При его соприкоснове­нии с нагретым воздухом с поверхности материала начи­нает испаряться жидкость, которая путем диффузии пе­реходит в окружающую среду.

Скорость диффузии пара с поверхности материала определяется разностью химических потенциалов влаж­ного воздуха у поверхности материала µ_П и в окружаю­щей среде µ_С. Величину потока пара — влаги с поверхно­сти в этом случае определяют из уравнения

, (1.1)

где α_µ— коэффициент влагоотдачи, отнесенный к разности химиче­ских потенциалов.

В начальный период сушки влажность материала больше гигроскопической. К поверхности материала, с которой происходит испарение, интенсивно поступает влага из внутренних слоев. Пар у поверхности материа­ла в таких условиях будет насыщенным, и поэтому ско­рость испарения влаги в начале взаимодействия мате­риала с нагретым воздухом может быть принята равной скорости ее испарения со свободной поверхности жидко­сти.

С поверхно­сти материала удаляется влага и материал за счет умень­шения влагосодержания сушится. Три этих случая нагре­ва и положены в основу классификации методов низко­температурной тепловой обработки материала. Естест­венно, что любая тепловая обработка материала прово­дится в специальных установках, которые будут рассмот­рены ниже.

Цель тепловой обработки сообщить будущему изде­лию качественно новые свойства в результате физичес­ких и физико-химических превращений, которые проис­ходят при различных температурах и в различных усло­виях. Например, в бетонах на портландских и других цементах ускоренное твердение новообразований происхо­дит при температурах, близких к 100 °С, и обязательно с сохранением влаги, необходимой для гидратации це мента. В силикатных бетонах химическое взаимодейст вие кремнезема с известью начинает идти с заметной скоростью только при 170—200 °С и тоже только при до­статочном количестве влаги. Следовательно, бетонь нуждаются в низкотемпературной до 100—200°С тепло­вой обработке при обязательном сохранении влаги.

Все же другие силикатные материалы и изделия, по­лучаемые из глин, диатомитов, трепелов, мергелей, из­вестняка и другого сырья, требуют на первоначальной стадии обязательного удаления влаги — сушки с после­дующей обработкой при более высоких температурах. Существует и третья группа материалов, для которой удаление влаги — сушка — последняя, заключительная стадия. К таким материалам можно-отнести шлак, гип­совую сухую штукатурку, минераловатные плиты, гипсо­вые блоки и ряд других.

Сушка может быть как конечным процессом в производстве строительных материалов и изделий, так и промежуточным, сопровож­дающимся последующей высокотемпературной обработ­кой: обжигом, вспучиванием, спеканием и плавлением.

Тепловлажностная обработка. Тепловлажност­ной называют такую тепловую обработку, когда нагре­вают материал, в котором сохраняется влага. Такую об­работку применяют для ускорения твердения бетона и железобетона. В этом случае теплоноситель контактиру­ет с поверхностью материала, обменивается с ним теп­лотой и массой. Этот процесс называют внешним тепло-и массообменом. Затем между поверхностью материала, получающей тепловую энергию и массу от теплоносите­ля, и внутренними слоями материала начинается внут­ренний (по отношению к материалу) тепло- и массообмен. Процесс тепловлажностной обработки является ко­нечным для производства сборного бетона и железобе­тона.

Сушка. Сушкой называют процесс удаления влаги из материала при температуре ниже ее кипения. При этом удаляется только физически и физико-хими­чески связанная влага при низких температурах нагрева, поэтому химических превращений при сушке не проис­ходит. Сушка заключается в обмене теплотой и массой между теплоносителем и материалом. Удаление влаги ве­дет к сближению частиц материала и формированию его структуры.

Обжиг. Обжигу в производстве строительных изделий подвергают керамические и ряд теплоизоляци­онных материалов. Обжигом называют тепловую обра­ботку материалов с целью создания заданных необходимых в строительстве свойств за счет фазовых и физико-
химических превращений, проходящих в материале только
при высоких температурах. Проводят обжиг в тепло­вых установках (печах) путем нагрева изделий тепло­носителем. Следовательно, между изделиями и теплоно­сителем происходят процессы тепло- и массообмена. При обжиге за счет удаления влаги и сближения в результате
этого частиц материала, вследствие фазовых и химичес­ких превращений, частичного получения жидкой фазы возникают структурообразующие процессы.

Вспучивание. Этот вид обработки применяют для получения высокопористой структуры различных материалов с преобладанием закрытых пор. Вспучива­нием называют увеличение объема сформованного изде­лия или частицы материала, происходящее за счет внут­реннего газовыделения при высокотемпературной теп­ловой обработке. Для вспучивания керамзита и подоб­ных ему материалов необходим быстрый нагрев высоко­температурным теплоносителем. Следовательно, вспучи­вание должно сопровождаться процессами тепло- и массообмена. Например, при высокой температуре в глине, из которой получают керамзит, происходят фазо­вые и физико-химические превращения. Изменяется пористость, следовательно, проходят структурообразующие процессы.

Спекание. Применяется для получения пористой структуры материалов с преобладающими открытыми порами. Спеканием называют соединение в конгломерат сыпучего материала посредством сжигания содержаще­гося внутри него топлива при интенсивном просасывании воздуха. В процессе спекания между просасываемым воздухом и материалом происходит тепло- и массообмен.В материале при высокой температуре разогрева идут фазовые и физико-химические превращения, наблюда­ется структурообразование.

Плавление. При производстве теплоизоляцион­ных материалов широко используют такое сырье, как шлаковую и минеральную вату. Тонкие волокна шлако­вой и минеральной ваты получают различными метода­ми из расплавленного шлакового или минерального сырья. Плавлением называют перевод минерального сырья из твердого в жидко-текучее состояние в результате тепло­вого воздействия. Плавление в процессе разогрева со­провождается тепло- и массообменными процессами и фазовыми превращениями.

Таким образом, в технологии строительных материа­лов и изделий применяют: тепловлажностную обработку, сушку, обжиг, вспучивание, спекание и плавление. При­веденная классификация для наглядности дана в таблице.

Источник

Какие способы термообработки металла существуют

Чтобы изменить технические характеристики металла, можно создать сплав на его основе и добавить к нему другие компоненты. Однако существует ещё один способ изменения параметров металлического изделия — термообработка металла. С её помощью можно воздействовать на структуру материала и изменять его характеристики.

Термообработка металла

Особенности термической обработки

Термическая обработка металла — это ряд процессов, которые позволяют снять с детали остаточное напряжение, изменить внутреннюю структуру материала, повысить эксплуатационные качества. Химический состав металла после нагревания не изменяется. При равномерном разогревании заготовки изменяется размер зёрен структуры материала.

История

Технология термической обработки металла известна человечеству с давних времён. Во времена Средневековья, кузнецы разогревали и остужали заготовки для мечей с помощью воды. К 19 веку человек научился обрабатывать чугун. Кузнец помещал металл в емкость полную льда, а сверху засыпал сахаром. Далее начинается процесс равномерного разогревания, продолжающийся 20 часов. После этого чугунную заготовку можно было ковать.

В середине 19 века, русский металлург Д. К. Чернов задокументировал то, что при нагревании металла, его параметры изменяются. От этого учёного пошла наука — материаловедение.

Для чего нужна термическая обработка

Детали для оборудования и узлы коммуникаций, изготавливающиеся из металла, часто подвергаются серьёзным нагрузкам. Дополнительно к воздействию давлением, они могут находиться в условиях критических температур. Чтобы выдержать такие условия, материал должен быть износоустойчивым, надёжным и долговечным.

Покупные конструкции из металла не всегда способны длительное время выдерживать нагрузки. Чтобы они прослужили гораздо дольше, мастера металлургии применяют термическую обработку. Во время и после нагревания химический состав металла остается прежним, а характеристики изменяются. Процесс термической обработки увеличивает коррозионную устойчивость, износоустойчивость и прочность материала.

Преимущества термообработки

Термическая обработка металлических заготовок является обязательным процессом, если дело касается изготовления конструкций для длительного пользования. У этой технологии существует ряд преимуществ:

1. Повышенная износостойкость металла.
2. Готовые детали служат дольше, снижается количество бракованных заготовок.
3. Улучшается устойчивость к коррозийным процессам.

Металлические конструкции после термической обработки выдерживают большие нагрузки, увеличивается их срок эксплуатации.

Устойчивость к коррозии

Виды термической обработки стали

В металлургии применяется три вида обработки стали: техническая, термомеханическая и химико-термическая. О каждом из представленных способах термической обработки необходимо поговорить отдельно.

Отжиг

Разновидность или еще один этап технической обработки металла. Это процесс подразумевает под собой равномерное нагревание металлической заготовки до определённой температуры и последующее её остывание естественным путём. После отжига исчезает внутреннее напряжение металла, его неоднородность. Материал размягчается под воздействием температуры. Его проще обрабатывать в дальнейшем.

Существует два вида отжига:

1. Первого рода. Происходит незначительное изменение кристаллической решётки в металле.
2. Второго рода. Начинаются фазовые изменения структуры материала. Его ещё называют полный отжиг металла.

Диапазон воздействия температур при проведении этого процесса — от 25 до 1200 градусов.

Закалка

Ещё один этап технической обработки. Металлическая закалка проводится для увеличения прочности заготовки и уменьшения её пластичности. Изделие разогревается до критических температур, а затем быстро остужается методом окунания в ванну с различными жидкостями. Виды закалки:

1. Двухэтапное охлаждение. Изначально заготовка остужается до 300 градусов водой. После этого деталь кладут в ванну, заполненную маслом.
2. Использование одной жидкости. Если обрабатываются небольшие детали используется масло. Большие заготовки охлаждаются водой.
3. Ступенчатая. После разогревания заготовку охлаждают в расплавленных солях. После этого её выкладывают на свежий воздух до полного остывания.

Также можно выделить изотермический вид закалки. Он похож на ступенчатый, однако изменяется время выдержки заготовки в расплавленных солях.

Термомеханическая обработка

Это типовой режим термической обработки сталей. При таком технологическом процессе используется оборудование создающее давление, нагревательные элементы и ёмкости для охлаждения. При различных температурах заготовка подвергается разогреву, а после этого происходит пластическая деформация.

Отпуск

Это заключительный этап технической термообработки стали. Проводится этот процесс после закалки. Повышается вязкость металла, снимается внутреннее напряжение. Материал становится более прочным. Отпуск стали может проводиться при различных температурах. От этого изменяется сам процесс.

Закалка стали

Криогенная обработка

Главное отличие термической обработки от криогенного воздействия в том, что последний подразумевает под собой охлаждение заготовки. По окончанию такой процедуры детали становятся прочнее, не требуют проведения отпуска, лучше шлифуются и полируются.

При взаимодействии с охлаждающими средами температура опускается до минус 195 градусов. Скорость охлаждения может изменяться в зависимости от материала. Чтобы охладить изделие до нужной температуры, используется процессор который генерирует холод. Заготовка равномерно охлаждается и остаётся в камере на определённый промежуток времени. После этого её достают и дают самостоятельно нагреться до комнатной температуры.

Химико-термическая обработка

Ещё один вид термообработки, при котором заготовка разогревается и подвергается воздействию различных химических элементов. Поверхность заготовки очищается и покрывается химическими составами. Проводится этот процесс перед закалкой.

Мастер может насыщать поверхность изделия азотом. Для этого они нагревается до 650 градусов. При нагревании заготовка должна находиться в криогенной атмосфере.

Термообработка цветных сплавов

Представленные виды термической обработки металлов не подходят для различных видов сплавов и цветного металла. Например, при работе с медью проводится рекристаллизационный отжиг. Бронза разогревается до 550 градусов. С латунью работают при 200 градусах. Алюминий изначально закаляют, затем отжигают и подвергают старению.

Термообработка металла считается необходимым процессом при изготовлении и дальнейшем использовании конструкций и деталей для промышленного оборудования, машин, самолётов, кораблей и другой техники. Материал становится прочнее, долговечнее и устойчивее к коррозийным процессам. Выбор технологического процесса зависит от используемого металла или сплава.

Источник