- •Федеральное агентство по образованию
- •Введение
- •Классификация материалов
- •Свойства металлов и сплавов
- •Основы металлургического производства
- •Производство чугуна
- •Процесс выплаки стали
- •Состав чугуна и стали, %
- •Производство цветных металлов
- •2. По способу раскисления
- •Технология литейного производства
- •Изготовление отливок в песчаных формах
- •Изготовление отливок специальными способами литья
- •Обработка металлов давлением
- •Классификация процессов обработки металлов давлением
- •Виды машиностроительных профилей и их производство
- •Горячая объемная штамповка
- •Холодная объемная штамповка
- •Получение деталей из листа
- •Технология сварочного производства
- •Электродуговая сварка
- •Газовая сварка
- •Электро-контактная сварка
- •Пайка металлов и сплавов
- •Обработка металлов резанием
- •Специальные методы обработки
- •Контрольная работа
- •1. Исходные данные для разработки технологического процесса.
- •2. Основные этапы разработки технологического процесса
- •2.1. Выбор способа изготовления поковки
- •2.2. Выбор типа оборудования
- •2.3. Разработка чертежа поковки, заготовки
- •2.4. Расчет массы и размеров заготовки и определение коэффициента использования металла
- •2.6. Выбор способа нагрева и температурного интервала формообразования пластическим деформированием
- •2.7. Расчет мощности оборудования
- •2.8. Выбор режимов охлаждения, термообработки и очистки поковок
- •Варианты контрольной работы
- •Литература
Производство цветных металлов
Производство меди
Медь получают способом, сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от примесей (рафинирование).
Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6% Сu, а также отходы меди и ее сплавов. При температуре 1250-1300°С восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди (Сu2О), реагируя сFeS, даетCu2S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4—99,4% Сuи небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.
Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S,Fe,Ni,As,Sbи другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалениюSO2и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от Сu2О ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают Сu2О.
После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Си). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO4(10-16%) иH2SO4(10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди:
Cu2++2e - = Cu.
Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.
Производство алюминия
Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в расплавленном криолите.
Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Алюминий получают электролизом глинозема - оксида алюминия (А12O3) в расплавленном криолите (Nа3АlF6) с добавлением фтористых алюминия и натрия (А1F3,NaF). Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.
Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью:
Аl2О3 • nH20 + 2NaOH = 2NaAlO2 + (n+1)H2O
Полученный алюминат натрия NaAlO2подвергают гидролизу:
NaAlO2+ 2Н2О =NaOH+ А1(ОН)3
В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия А1(ОН)3. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200°С и получают обезвоженный глинозем А1203.
Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят А1(ОН)3, в результате чего образуется фторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок:
2Н3А1F6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6 + 3CO2 + 3H2O
Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.
Электролиз глинозема Аl2Оз проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.
Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000°С.
Электролит состоит из криолита, глинозема, А1F3и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ионAl3+и образуется алюминий, а на аноде - ион О2-, который окисляет углерод анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.
Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na,Ca,Mgи газов, растворенных в алюминии.
Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30-45 мин при температуре 690-730°С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5-99,85%.
Производство магния
Для производства магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния (хлористого магния), электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.
Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl2• КСl• 6Н2О), магнезит (MgCO3), доломит (СаСО3•MgCO3), бишофит (MgCl2•6Н2О). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2• КС1) используют для приготовления электролита.
Электролиз осуществляют в электролизере. Анодами служат графитовые пластины, а катодами - стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10% MgCl2, 45%CaCl2, 30%NaCl, 15% КС1 с небольшими добавкамиNaFи СаF2. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 С). Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом.
Черновой магний содержит 5% примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl2, КС1,BaCl2,CaF2,NaCl,CaCl2, нагревают в электропечи до температуры 700-750С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670°С и магний разливают в изложницы на чушки.
Производство титана
Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием.
Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45% TiO2, 30%FeO, 20%Fе2О3и 5-7% пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO•TiO2.
Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса - титановый шлак содержит 80-90% TiO2, 2-5% FeO и примесиSiO2, А1203, СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун используют в металлургическом производстве.
Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи -хлор. При температуре 800-1250 С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаCl2,MgCl2и др.:
TiO2+ 2С + 2С12=TiC4+ 2СО.
Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.
Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950-1000 С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция
2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2.
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl2выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35-40% магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900-950 С в вакууме.
Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6-99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.
Классификация и маркировки сталей
1. По химическому составу: углеродистые и легированные.
1) углеродистые стали. К этой группе относятся следующие стали
- обыкновенногокачества (ГОСТ 380-71) S, P ≤0,07%
маркировка: Ст.0; Ст.1 до Ст.6. Цифра указывает на порядковый номер с увеличением которого повышается прочность и увеличивается содержание углерода.
назначение: применяют для изготовления деталей неответственного назначения и изделий строительной индустрии.
- качественные(ГОСТ 1050-74) S, P ≤0,035%
маркировка: Сталь 10; Сталь 15; Сталь 20 до Сталь 80. Цифра указывает на содержание углерода в стали в сотых долях процента: Сталь 10 – С ≤ 0,10%; Сталь 80 – С ≤ 0,80%
- высококачественныеS, P ≤0,025%. Стали этой группы применяют для изготовления инструмента, поэтому они называются инструментальными и обозначаются следующим образом:
У7А – С ≤ 0,7%
У8А – С ≤ 0,8%
У10А – С ≤ 1,0%
У13А – С ≤ 1,3%
У – углеродистая, цифра указывает на содержание С в десятых долях процента. А – указывает, что сталь высококачественная.
2) легированные стали. Это сплавы, в состав которых введен один или несколько химических элементов, с целью придания специальных свойств. Каждый введенный в сталь химический элемент маркируется специальной буквой:
Х - хром, Н – никель, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий, С – кремний, Т – титан, К – кобальт, Д – медь, В – вольфрам, М – молибден, Б – ниобий.
А (в начале маркировки) – означает, что сталь автоматного класса, т.е. предназначена для обработки на станках-автоматах и обладает повышенной обрабатываемостью резанием. S– 0,3%. А12, А20 – цифры указывают на содержание углерода (0,12–0,2%). Вследствие повышенного содержания серы из таких сталей изготавливают изделия неответственного назначения.
А (в середине) – означает наличие в стали азота.
А (в конце маркировки) – означает, что сталь высококачественная S, P ≤0,025%.
Р (в начале маркировки) – означает, что сталь быстрорежущая. Она обладает высокой твердостью и износостойкостью. Предназначена для изготовления инструмента. Р9, Р18 - цифра указывает на наличие вольфрама в процентах (W– 9%, 18%).
Р (в середине либо в конце) – означает, что в стали имеется бор.
Ш (в начале) – ШХ4; ШХ15 – означает, что сталь шарикоподшипниковая. Х – в стали есть хром, а цифра указывает на его содержание – 0,4%, 1,5%.
Ш (в конце) – особовысококачественная S, P ≤0,015%.
Количество легирующего элемента указывается в цифровом выражении после буквенного обозначения в процентах. если цифра отсутствует – это означает, что такого элемента около 1%.
Примеры :
18ХГТ– цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента (С – 0,18%). Легирована хромом, марганцем и титаном – все по 1%, остальное - железо.
20Х2Н4ВА– углерода 0,2%, хром – 2%, никель – 4%, вольфрам – 1%, высококачественная (S, P ≤0,025%.), остальное - железо.
12Х18Н9ТБ– углерода 0,12%, хром – 18%, никель – 9%, титан – 1%, ниобий – 1%, (S, P ≤0,035%.), остальное - железо.
42ХМФ-Ш– углерода 0,42%, хром – 1%, молибден – 1%, ванадий – 1%, особовысококачественная (S, P ≤0,015%.), остальное - железо.
Если в начале маркировки отсутствуют цифры – это означает, что в ней содержание углерода около 1%.
0Х18Н10Т– 0 – в сталях С ≤ 0,08%
00Х18Н10Т– 00 – в сталях С ≤ 0,05%
Углерод в инструментальных сталях указывается в десятых долях процента:
4Х5МФС– С-0,4%,3Х3ВМФ– С-0,3%.
Пример: 16ХГНАФА – С – 0,16%, хром – 1%, марганец – 1%, никель – 1%, азот – 1%, ванадий – 1%, высококачественная (S, P ≤0,025%.), кремний ≤0,37%, остальное – железо.