78

ВСТУП

Технологія конструкційних матеріалів ТКМ - це наука, що вивчає структуру, склад і властивості конструкційних матеріалів та зміна цих властивостей при тепловому, хімічному та механічному впливі. Вивчає випробування, що проводяться з металами, а також способи одержання заготовок литтям, обробкою тиском, зварюванням та паянням.

Засновниками "матеріалознавства" як науки, насамперед, є:

- Аносов Павло Петрович (25.XI.1799 - 13.V.1851), генерал-майор корпусу гірничих інженерів. В1819-1847 роках працював на Златоустівській збройової фабриці (Урал). Розробив процеси отримання високоякісної литої сталі., Вперше у світовій практиці (1831) застосував мікроскоп для дослідження будови сталі, розробив процеси газової цементації сталі, відновив втрачений секрет виробництва булатної сталі.

- Чернов Дмитро Костянтинович (20.10.1839 - 2.1.1921) - професор Михайлівській артилерійській академії. Встановив (1868г.) критичні температури (точки Чернова), при яких відбуваються фазові перетворення стали при нагріванні і охолодженні її в твердому стані. Дав теорію кристалізації сталевого злитка, висунув ряд ідей щодо удосконалення металургійної техніки та інтенсифікації металургійних процесів. Автор курсу «сталеливарного справа».

Модуль 1 ПФ.Д.13.ПР.О.03

ОСНОВИ МЕТАЛУРГІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА

1.1 Вихідні матеріали для виробництва чавуну

Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо та вогнетривкі матеріали.

Рудою називають гірські породи, які містять в собі метали в кількості, яка забезпечує економічно вигідну переробку. (Наприклад залізні руди містять ЗО .. 60% металу). Зміст кольорових металів у рудах не більше 5%, а інших у долях відсотків (наприклад молібдену до 0,02%).

Руда складається з мінералів, в яких метал знаходиться у вигляді оксидів, сульфідів, карбонатів і порожньої породи.

При виробництві чавуну використовують магнітний залізняк (вміст Fe до 65% Fe3O4), Шпатовий залізняк (Fe до 35% FeСO₃), бурий залізняк (Fe до 55% у вигляді гідратів оксидів nFe₂O₃ ∙ mH₂O), марганцева руда (до 40% марганцю у вигляді MnO₂).

ФЛЮСОМ називають матеріали, які при виплавці утворюють шлак - легкоплавке з'єднання з порожньою породою руди, золою палива та іншими неметалевими вкрапленнями. Густота шлаку, як правило, менше, ніж у виплавленого металу, тому шлак збирається над ним і його можна злити в процесі плавки. (При виплавці чорних і деяких кольорових металів флюсами можуть бути кварцовий пісок, вапняк і інші сполуки кальцію і магнію). При виробництві чавуну зазвичай використовують вапняк.

ПАЛИВОМ в металургійних процесах можуть служити природний, доменний або коксовий газ, кокс, мазут. (Найчастіше використовують кокс і газ метан СН4).

Паливо в металургійних процесах можуть служити природний, доменний або коксовий газ, кокс, мазут. (Найчастіше використовуються кокс и газ метан СН4)..

1.2 Попередня підготовка руд до плавки

Збагачення полягає в підвищенні кількості корисних складових в руді без зміни її хімічного складу і агрегатного стану. Існують наступні способи збагачення:

• рудоразборка;

• гравітаційне збагачення (відсадження) - відділення руди від породи при пропущенні під тиском води крізь дно вібруючого сита, на якому шаром лежить руда;

• магнітна сепарація - метод заснований на різниці магнітних властивостей залізовмісних мінералів і частинок порожньої породи;

• промивання водою - видаляється частина піщано-глинистої породи.

Для поліпшення процесу плавки збагачену руду (концентрат) переробляють в кускові матеріали агломерацією або обкатуванням.

Агломерації полягає в спіканні руди, вапняку і коксу при температурі 1300 ... 1500 ° у спеціальній агломераційній машині.

Обкатування вихідні матеріали (концентрат, флюс і паливо) зволожують, завантажують у обертовий пустотілий барабан (гранулятор) і обертають, після чого отримують окатиші.

1.3 Будова і робота доменної печі

Чавун виплавляють в доменних печах - це піч шахтного типу з робочим об'ємом до 2,5-7 тис. м3. Піч працює безперервно 4-8 років.

Головні елементи доменної печі:

• бункер з шихтою;

• вагонетка - скіп;

• летка для випускання чавуну;

• горн;

• фурми для вдування повітря;

• заплічники;

• распар;

• скіповий підйомник;

• приймальна лійка засипного апарату;

• малий конус;

• чаша;

• Великий конус;

• колошником;

• шахта;

• камери згоряння колошникового газу;

• отвори для надання повітря й газу;

• летка для випускання шлаків;

• под;

• канали насадки;

• отвір виходу продуктів згоряння;

• димова труба;

Доменна піч працює за принципом протитечії: шихтові матеріали рухаються зверху вниз, а на зустріч їм піднімається потік гарячих газів - продуктів згоряння палива. При цьому горить паливо, відновлюється і насичується залізо вуглецем, відновлюються інші елементи, утворюється шлаки.

Умовно виділяють наступні етапи:

 Горіння вуглецю палива;

 Розкладання компонентів шихти;

 Відновлення оксидів;

 Коксування заліза та утворення чавуну;

 Шлакоутворення.

Корисна висота доменної печі (Н) досягає 35 м, а об'єм - 2000 ... 5000 м³.

Горіння палива. Поблизу фурм природний газ і вуглець коксу, взаємодіючи з киснем повітря, згоряють:

В результаті горіння виділяється велика кількість теплоти, в печі вище рівня фурм розвивається температура вище 2000°С.

Продукти згоряння взаємодіють з розпеченим коксом по реакціях:

Утворюється суміш відновлювальних газів, в якій окис вуглецю СО є головним відновлювачем заліза з його оксидів.

Гарячі гази, піднімаючись, віддають теплоту шихтовим матеріалами і нагрівають їх, охолоджуючись до 300 ... 400 0С у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускається назустріч потоку газів, і при температурі близько 570 0С починається відновлення оксидів заліза.

Відновлення заліза відбувається у міру просування шихти вниз по шахті і підвищення температури від вищого оксиду до нижчого, у кілька стадій:

Температура визначає характер протікання хімічних реакцій.

Відновниками окcідов заліза є твердий вуглець, оксид вуглецю і водень.

Відновлення твердим вуглецем (коксом) називається прямим відновленням, протікає в нижній частині печі (зона распара), де більш високі температури, по реакції:

Відновлення газами (СО і Н₂) називається непрямим відновленням, протікає у верхній частині печі при порівняно низьких температурах, по реакціях:

За рахунок СО и Н₂ відновлюються всі вищі оксиди заліза до нижчого і 40 ... 60% металевого заліза.

Краплі залізовуглецевих сплавів, протікаючи по шматках коксу, додатково насичуються вуглецем (до 4%), марганцем, кремнієм, фосфором, які при температурі 1200 0C відновлюються з руди, і сіркою, що міститься в коксі.

У нижній частині доменної печі утворюється шлак у результаті сплаву окислів порожньої породи руди, флюсів і золи палива. шлаки містять .

Чавун випускають з печі кожні 3 ... 4 години через чавунну летку, а шлак - кожні 1 ... 1,5 години через жужільну летку (річка - отвір в кладці, розташоване вище поду).

Летку відкривають бурильної машиною, потім закривають вогнетривкої масою. Зливають чавун і шлак в чугуновозні ковші і шлаковозів чаші.

Чавун надходить в киснево-конвертерні або мартенівські цехи, або розливається у виливниці розливної машиною, де він твердне у вигляді чушок-злитків масою 45 кг.

1.4 Продукти доменного процесу

1) Чавун:

• Переробні чавуни (80% від загальної кількості), які далі переробляють в сталь;

• Ливарні чавуни (15-20%);

• Спеціальні чавуни та феросплави (4%) - застосовують для розкислення й легування стали.

2) Шлаки - його гранулюють і використовують як будівельний матеріал (шлаковата, шлакобетон, цемент).

3) Доменний (колошниковий) газ - утворюється в печі, піднімається вгору і в зоні колошника відводяться трубами з печі. Використовуються як паливо.

4) Колошниковий пил - вловлюється і використовується при виготовленні агломерату і окатишів.

1.5 Техніко-економічні показники роботи доменної печі

1) Коефіцієнт використання корисного об'єму печі КИПО:

КИПО=V/P,

де V – корисний об'єм печі;

P – середньодобова продуктивність печі.

2) Питома витрата коксу

К = А/Р,

де А – витрата коксу на добу;

P – середньодобова продуктивність печі.

1.6 Виробництво сталі в конверторах

Сталь відрізняється від чавуну меншим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю і домішок сірки і фосфору, тобто переробка чавуну на сталь полягає у зменшенні у ньому вмісту вуглецю та інших елементів за допомогою окислення і переведення їх в шлаки або гази.

2Fe + O₂ = 2Fe;

Fe + D(C, Si, Mn, Si,P) = Fe + DO .

Вихідними матеріалами для виробництва сталі є переробний чавун і сталевий брухт (скрап).

Тепер сталь виготовляють в основному в кисневих конвертерах, мартенівських і електричних печах.

Конвертор - це сталева ємність об'ємом до 400т, футірованная зсередини вогнетривом. Сутність виробництва полягає в продуванні рідкого чавуну киснем або повітрям.

Розрізняють способи:

а) Киснево - конверторний

Футеровка основна, дуття кисень зверху. Переробляють переробні чавуни і сталевий брухт. Процес складається з наступних етапів:

- завалка брухту;

- заливання рідкого чавуну;

- завантаження вапна (для видалення сірки);

- продування киснем технічним

- розкислення (для видалення надлишку оксиду заліза FeO). Здійснюється в два етапи:

1. У конвертор разом з вихідними матеріалами завантажують феросплави FeMn і FeSi.

2. При випуску стали безпосередньо в ківш додають Al и FeSi.

- випуск сталі;

- злив шлаку.

б) Бесемерівський спосіб

Футіровка кисла, дуття повітря знизу. Отримують найдешевшу сталь низької якості.

Конверторні способи досить дешеві, але одержувана сталь невисокої якості і її угар становить до 10%.

1.7 Виробництво сталі в мартенівських печах

Мартенівська піч - це ванноподібна полум'яна піч місткістю до 900 тонн, висока температура в якій (1750 ... 1800 ° С) досягається згорянням підігрітого газу над плавильним простором.

Залежно від співвідношення в шихті сталевого брухту (скрап), рідкого і твердого чавуну і залізної руди розрізняють такі процеси:

1) Скрап-рудний процес при якому в піч завантажують шихту з рідкого чавуну з добавкою 25 ... 30% сталевого скрапу і залізної руди. У якості флюсу використовують вапняк. Процес плавлення триває 3-6 годин, в кінці процесу сталь розкислюють. На першому етапі у ванні печі ферромарганцем, ферросилицием і алюмінієм, а на другому етапі при випуску з печі в сталерозлівном ковші алюмінієм і феросилициєм. Отримують сталь середньої якості.

2) Скрап-процес при якому в піч завантажують шихту, яка складається із сталевого скрапу і 25 ... 45% чушкового переробного чавуну. Застосовують на машинобудівних заводах, де немає рідкого чавуну. Флюсом служи вапняк. Основний скрап-процес застосовують для виплавки вуглецевих і легованих сталей, кислий скрап-процес для виплавки високолегованих сталей. Процес триває до 80 годин, одержувана сталь більш якісна і дорога.

Показниками роботи мартенівських печей є, добове зняття сталі з 1м2 поду печі і витрата палива на тонну виплавленої сталі.

1.8 Виробництво сталі в електропечах

Металургійні електричні печі ділять на індуктивні і дугові.

1) Виплавка стали в дуговій електропечі

Джерелом тепла є електрична дуга, що виникає між електродами, на які подається струм і шихтою. Сталь виплавляють в основному електропечах з окисленням і без окислення домішок.

а) Плавка з окисленням

Застосовується для виплавки якісних вуглецевих сталей і відбувається в два етапи:

- Окислювальний.

У піч завантажують сталевий брухт, руду і вапняк, заливають рідкий чавун і продувають киснем. Кремній, марганець, вуглець, фосфор і залізо окислюються киснем і йдуть в шлак.

- Відновний.

Включає розкислення сталі і видалення сірки.

б) Плавка без окислення

Застосовують для отримання легованої сталі з скрапу і відходів відповідного складу (тобто відбувається переплавлення шихти)

2) Виплавка стали в електроіндукціонних печах

Розплавлення металів відбувається за рахунок вихрових струмів, за рахунок яких відбувається перемішування рідкого металу, що сприяє вирівнюванню хімічного складу і Спливання неметалічних домішок. Зазвичай переробляють дорогі відходи.

1.9 Способи розливки сталі

Виплавлену в плавильній печі сталь виливають в розливний ківш і краном переносять до місця розлиття в злитки. Сталь розливають у виливниці наступними способами:

- Великі злитки розливають зверху, щоб отримати малу долю усадочної раковини.

- Дрібні злитки заливають знизу, щоб отримати чисту поверхню.

- Безперервне розливання сталі в кристалізатори установок для безперервного розлиття.

У процесі застигання металу його обсяг зменшується і тому у верхній частині злитка, де метал застигає в останню чергу, утворюється усадкова раковина, оточена найбільш забрудненою частиною металу

1.10 Кристалізація і будова сталевих злитків

За ступенем розкислення сталі ділять на киплячі, спокійні і напівспокійної.

1) Злитки киплячій сталі (КП)

Це сталь не повністю розкислення в печі. Її розкислення триває в виливниці за рахунок взаємодії оксиду заліза з вуглецем. Отриманий при цьому оксид вуглецю СО виділяється із сталі, видаляючи при цьому і інші гази, що створює враження кипіння металу. Видалення газів відбувається і при затвердінні злитка, тому в ньому утворюється велика кількість розосереджених газових бульбашок. Вони зникають при подальшій обробці стали тиском. Кипляча сталь найдешевша.

2) Злитки спокійної сталі (СП)

Отримують при повному раскислении стали в ковші. Така сталь твердне без виділення газів, зливок має щільну структуру. Зверху злитку утворюється усадкова раковина, в якій збираються шлаки і домішки. Після видалення верхньої частини злитка залишається частина злитка якісної сталі.

3) Напівспокійна сталь

Одержують розкисленням ферромарганцем і недостатньою кількістю феросиліцію і алюмінію. У цьому випадку злиток не має концентрованої усадочної раковини. У нижній частині злиток має будову спокійною, а верхній - киплячої сталі.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

за модулем «Основи металургійного виробництва»

1. Що таке чавун?

2. Вихідні матеріали для виготовлення чавуну?

3. Для чого проводять попередню підготовку руди до плавки?

4. Суть та методи збагачування?

5. Що таке агломерація?

6. Продукти доменого процесу: види та використання?

7. В чому полягає сутність переробки чавуну в сталь?

8. Способи переробки чавуну в сталь?

9. Для чого розкислюють сталь?

Модуль 2 ПФ.Д.01.ЗР.О.01

ОСНОВИ ЛИВАРНОГО ВИРОБНИЦТВА

2.1 Основи раціонального вибору заготовок

В якості заготовок в загальному машинобудуванні зазвичай приймають виливки, одержувані литтям, різні види прокату, а також вироби пресування і волочіння і різні поковки. У ряді випадків використовують зварні та паяні заготовки. У кожному випадку вибір конкретного виду заготовки залежить від призначення виробу, матеріалу і пропонованих до виробу вимог.

Максимальне наближення геометричних форм і розмірів заготовки до розмірів і форми готової деталі - головне завдання заготівельного виробництва.

Правильно обрати спосіб отримання заготовки - означає визначити раціональний технологічний процес її отримання з урахуванням матеріалу деталі, вимог до точності її виготовлення, технічних умов, експлуатаційних характеристик і серійності випуску.

Фактори, що впливають на собівартість виробництва в машинобудуванні, діляться на три групи:

1 група – конструктивні чинники, тобто конструктивне рішення самої деталі, що забезпечує прийнятність її для виготовлення обробкою тиском, литтям, зварюванням; вибір марки матеріалу і технологічних умов;

2 група – виробничі фактори, тобто характер і культура виробництва, технологічна оснащеність, організаційні та технологічні рівні виробництва;

3 група – технологічні чинники, що характеризують спосіб формоутворення заготовок, вибір самої заготовки, обладнання і технологічного процесу одержання деталі.

Те, наскільки повно у заготовці враховано вплив чинників першої і другої груп, дозволяє судити про технологічність заготовки. Під технологічністю заготовки прийнято розуміти, наскільки дана заготовка відповідає вимогам виробництва і забезпечує довговічність і надійність роботи деталі при експлуатації.

Випуск технологічної заготовки в заданих масштабах виробництва забезпечує мінімальні виробничі витрати, собівартість, трудомісткість і матеріаломісткість.

Технологічність деталі з певним ступенем наближення оцінюється наступними показниками:

– коефіцієнт виходу придатного ();

– ваговій точності () ;

– використання металу ().

– характеризує витрати металу в заготівельному цеху, розмір браку, технологічних відходів, визначається за формулою:

,

где:М₁– маса вихідного металу;

М₂– маса заготовлюваного металу.

– відбиває ступінь наближення форми і розмірів заготовки до форми і розмірів деталі, тобто характеризує обсяг механічної обробки, визначається за формулою:

где: М₃– маса готової деталі.

– відображає загальну витрату металу на деталь, що виготовляється, визначається за формулою:

Найбільш широко для отримання заготовок в машинобудуванні застосовують такі методи: лиття, обробка металу тиском і зварювання, а також комбінацію цих методів.

Кожен з методів містить велику кількість способів отримання заготовок.

Метод - це група технологічних процесів, в основі яких лежить єдиний принцип формоутворення.

Лиття - отримання заготовок шляхом заливання розплавленого металу заданого хімічного складу в ливарну форму, порожнина якої має конфігурацію заготівлі.

Обробка тиском - технологічні процеси, які засновані на пластичній формозміни металу.

Зварювання - технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань з металів і сплавів в результаті утворення атомно-молекулярних зв'язків між частинками заготовок, що з'єднуються.

При виборі методу необхідно орієнтуватися в першу чергу на матеріал і вимоги до нього з точки зору забезпечення службових властивостей виробу.

Спосіб отримання заготовки повинен бути економічним, таким, що забезпечує високу якість деталі, продуктивним, нетрудомістким.

Основні фактори, що впливають на вибір способу отримання заготовки:

• Характер виробництва. Для дрібносерійного та одиничного виробництва характерне використання в якості заготовок гарячекатаного прокату, відливок, отриманих в піщано-глинистих формах, поковок, отриманих куванням. Це обумовлює великі припуски, значний обсяг подальшої механічної обробки, підвищення трудомісткості. В умовах крупносерійного і масового виробництв рентабельні способи отримання заготовок: гаряча об'ємна штампування; лиття в кокіль, під тиском, в оболонкові форми за виплавлюваними моделями. Застосування цих способів дозволяє значно скоротити припуски, знизити трудомісткість виготовлення деталі.

• Матеріали і вимоги до якості деталі.

• Розміри, маса і конфігурація деталі.

• Якість поверхні заготовок, забезпечення заданої точності.

• Можливості наявного устаткування.