work (Производство заготовок валов)

Вариант 1

Опишите технологический процесс производства заготовок валов диаметром не ниже 150 мм. Вал ответственного назначения.

Для изготовления наиболее ответственных деталей, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях, используются хромоникельмолибденованадиевые стали. Примерами таких деталей являются: поковки валов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженных трубовоздуходувных машин, детали редукторов и т.д.

Для работы в указанных условиях наиболее подходит мате­риал – сталь 36Х2Н2МФА (легирующими элементами в данной стали являются Cr, Ni, Mo, и V), т.к. она обладает высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость. Эту сталь можно использовать при 400-500 ^оС. Также данная сталь обладает высокой прокаливаемостью (критический диаметр свыше 100 мм), что позволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Даже в очень больших сечениях (1000 – 1500 мм и более) в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска сорбит.

Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованадиевых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. При их обнаружении бракуют всю партию паковок. Также данные стали являются дорогими и их следует применять только в том случае если более дешевые стали не обеспечивают требования, предъявляемые к изделию.

Так как в данном случае не указаны требования предъявляемые к изделию, то будем считать что свойства стали данного изделия соответствуют предъявляемым.

Химический состав, термическая обработка и механические свойства стали 36Х2Н2МФА

Буква А в конце марки означает, что сталь выплавлена по улучшенной технологии и со специально сниженным содержанием серы и фосфора ( 0,030% каждого).

Производство чугуна

Исходные материалы: железные руды; флюс (СаСО₃); топ­ливо (кокс, мазут); огнеупорные материалы.

Железная руда - это природное минеральное сырье. Кроме железа в руде содержатся Al₂О₃, SiC₂ (это пустая порода) и вредные примеси: мышьяк, фосфор более 1%.

Доменные флюсы нужны для удаления из печи тугоплавкой пустой породы, руды и золы топлива. Доменным флюсом служит известняк

СаС0₃ СаО + С0₂ 

Топливо в доменной печи является не только источником тепла, но и восстановителем железа из его оксидов. Кокс - это кусковое топливо, получаемое путем окисления коксуяцихся углей. Используют природный газ СН₄ - метан, мазут, угольную пыль.

Схема подготовки руды и плавке

дробление  обогащение  окускование  агломерация скатывание.

Дробление необходимо для того, чтобы получить нужную сте­пень измельчения, руды для плавни (10-30 мм), для агломерации – менее 5-8 мм.

Сортировку руды по классам крупности проводят на механи­ческих грохотах и установках типа гидроциклоп, где разделение частиц происходит под действием центробежной силы.

Основной способ обогащения - магнитный. Он состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где маг­нитные частицы отделяются от пустой породы.

А: томерация - это окускование мелкого железного сырья путем спекания (puc.1).

Ркс.1. Схема процесса спекания:

1- колосниковая решетка; 2-постель; 3-слой агломерирующей шихты; 4-зона спекания; 5-слой агломерата

На решетку загружают слой агломерате – постель, чтобы не было просыпания мелкой шихта через зазоры. Затем засыпают агломерируемой шихты: железосодержащие компоненты (агло-руда) – 70%; флюсы (измельченный известняк) – 20%; топливо (мелкий кокс, угольная мелочь и пиль) – 5-7%; марганцевая руда 1%.

Агломерируемую шихту увлажняют (4-6%) и тщательно перемешивают во вращающихся барабанах, при этом шихта окомковывается, что повышает ее газопроницаемость. После зажигания газовыми горелками топлива начинается его горение (рис.2). Воздух для горения просасывается через слой шихты с помощью вакуумных устройств, остаточное давление 6-10 МПа.

Зона горения постепенно перемещается вниз до постели колосников. При температуре 1300-16ОО°С происходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10-40 мм использует для плавки, менее 10 ми направляют на переработку. При спекании из руды удаляются вредные принеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты.

Окатывание. Шихта из измельченных концентратов, флюса, топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах, приобретает форму шариков - окатышей диаметром до 30 им. Окатыши высушивают и обжигают (1200-1350°С) на обжиговых машинах. Использование агломерата и окатышей ис­ключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, т.к. флюс в необходимом количестве входит в их состав.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах (рис.2) шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса - восстановление оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом.

Доменная печь имеет до 40 мм стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Шамот получают из обож­женной и сырой глины – это нейтральный по химическим свойст­вам (50-60% SiO₂ 30-45 % Al₂O₃), наиболее распространенный и дешевый огнеупорный материал (толщина до 700 мм). Для умень­шения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть, начиная от распара, сооружают на стальном кольце с опорными ко­лоннами. Нижнюю часть горна выкладывают из особо огнеупорных материалов - графитизированных блоков (толщина стенок до 1500 мм). Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней ус­танавливает металлические водяные холодильники (3/4 высоты пе­чи)

Рис.2. Схема доменной печи;

I - чугунная летка; 2 -горн; 3- фурма; 4- заплечики;

5 -распар; 6 -шахта; 7 -колош­ник; 8- засыпной аппарат;

9 -шлаковая летка

Для выплавки 1 т чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного агломерата, 500 кг кокса.

Печь загружают шихтовыми материалами по мере необходимос­ти, непрерывно подают воздушное литье и удаляют доменные газы, периодически выпуская чугун и шлак.

Шихтовый материал загружает при помощи засыпного аппарата, шихту задают отдельными порциями по мере опускания протравляе­мых материалов. Навстречу им снизу вверх движется поток горя­чих газов, образующихся при сгорании топлива.

Горение топлива. В районе воздушных фурм происходит полное сгорание кокса: C + O₂= + Q и природного газа: CH₄ + +2O₂=CO₂ + 2H₂ + Q. В фокусе горения температура 1800-2000°С. Про­дукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом: CQ₂ + C = 2CО-Q; H₂О_(пар) + С_(кокс) =Н₂+СО - Q . Образуется смесь восста­новительных газов, в которых СО - главный восстановитель желе­за из его оксидов

Восстановление железа в доменной печи

Восстановителями являются оксид углерода CO2, твердый уг­лерод и водород. Восстановлена твердым углеродом - прямое, га­зами - косвенное.

Косвенное восстановление происходит за счет углерода по реакции в шахте печи: 3Fe₂О₃ + CO=2Fe₂О₄ + CO₂ + Q, Fe₃О₄ + СО=3FeО+C0₂-Q, FeO+CO=Fe+CO₂+Q. За счет СО и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40-6О% металлического железа.

Прямое восстановление происходит твердым углеродом при температуре 950-1000° в зоне распара печи: FeO+ C_тв=Fe + CO-Q.

В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком - 0,2-1%. Образование металлического железа начинается при 400-500°С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300-1400°С (в распаре,). В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит его науглероживание по реакции: ЗFе + 2СО=Fe₃С + CO₂+ Q, и образуется сплав железа с углеродом. С повышением содержания углерода (1,8–2%) температура плавления понижается до 1200-150°С. Стекая каплями в горн, расплав смывает куски раскаленного кокса и дополнитель­но науглероживается. При отекании сплава в горн в нем раство­ряются восстановленные Мn, Si, образуя сложный железоуглеродистый сплав - чугун (3,7-4% С). Его конечный состав устанавли­вается в горне и зависит от состава, свойства и количества шлака. Закись марганца MnO восстанавливается только прямым пу­тем - твердым углеродом при 1100°С по реакции: МnО + С=Мn+СО-Q. Восстановление кремния из SiO₃ - по реакции: SiO₂+2C=Si+CO-Q при I450°C. Фосфор восстанавливается СО, водородом, а также твердив углеродом.

Значение шлака очень велико, его состав и свойства опре­деляют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак. При стенании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: в нем растворяются SiO₂, Al₂O₃. Для выплавки передельных чугунов, литейных и других всегда под­бирают шлаковые режимы (исходя из определенных свойств получа­емого чугуна). При выплавке передельного чугуна состав шлака: 40-50% СаО; 38-40% SiO₂; 7-I0% Al₂O₃.

Продукты доменной плавки: передельный чугун, литейный чу­гун, доменные ферросплавы, шлак, колошниковый газ

Производство стали

Для производства высококачественных легированных сталей используют два основных способа: кислый мартеновский процесс и выплавка в электродуговых печах.

В мартеновских печах при выплавке легированных сталей, когда в ванну вводят значительное количество ферросплавов, охлаждается металл. Из-за трудности нагрева металлической ванны количество одновременно присаживаемых ферросплавов ограничивают 3% массы металла. Поэтому высоколегированные стали, за редким исключением, в мартеновских печах не выплавляют. Избегают выплавлять и стали с повышенным содержание тугоплавких элементов (вольфрам, молибден). Кроме этих недостатков, данный процесс обладает другими: экологические, опасность разрушения при охлаждении печи. В настоящее время, по ряду определенных причин, от данного способа получения стали отказываются.

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений – продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.