Техпроцессы в машиностроении_лек
.pdfЧАСТЬ 2. ТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Ведущая отрасль современной промышленности – машиностроение – располагает большим количеством способов получения деталей, необходи-
мых народному хозяйству. Это многообразие дает возможность существенно повысить эксплуатационные характеристики машин и механизмов за счет использования и улучшения свойств исходного материала.
Для обеспечения заданных характеристик необходимо применение со-
временных рациональных способов получения заготовок и деталей машин,
которые базируются на принципе единства основных, фундаментальных ме-
тодов обработки конструкционных материалов: литья, обработки давлением,
сварки и обработки резанием.
Выбор способа получения детали или заготовки определяется физико – механическими и химическими свойствами металла, которые зависят от его внутренней структуры, устанавливающей зависимость между составом и свойствами данного металла или сплава.
Ведущая отрасль современной промышленности – машиностроение -
располагает большим количеством способов получения деталей, необходи-
мых народному хозяйству. Э то многообразие, с одной стороны, дает воз-
можность существенно повысить эксплуатационные характеристики машин и механизмов за счет использования, а в некоторых случаях и улучшения свойств исходного материала, с другой – создает большие трудности при вы-
боре рационального, экономичного способа получения той или иной детали.
Для принятия правильного решения необходим комплексный анализ техни-
ко–экономической эффективности рассматриваемых вариантов, при сравне-
нии которых следует помнить о технических возможностях, преимуществах и недостатках того или иного метода получения деталей машин, технологич-
ности конструкций деталей и других факторах. Особенно важно правильно выбрать вид заготовки, назначить наиболее рациональный технологический
164
процесс ее изготовления, обеспечить надлежащее качество изделия, надеж-
ность эксплуатации и экономичность производства.
Технологический процесс при выполнении поставленных задач должен состоять из нескольких этапов: получение конструкционных материалов за-
данного состава; получение заготовок заданной формы; соединение загото-
вок; получение заготовок заданных размеров; получение изделий с заданны-
ми свойствами.
Металлы и сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами,
применяются для изготовления литых заготовок (отливок), совокупность операций, для получения которых составляет технологию литейного произ-
водства.
Методы обработки металлов давлением (прокатка, прессование, воло-
чение, ковка или штамповка) основаны на способности металлов и сплавов в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздей-
ствия на них внешних сил.
Сварка и пайка, получившие широкое применение в промышленности,
служат для получения неразъемных соединений.
Последним технологическим процессом, выдающим деталь или часть конструкции для сборки машин, является механическая обработка (точение,
строгание, фрезерование, сверление, шлифование), которая обеспечивает не-
обходимую точность и качество поверхности изделия. Механической обра-
ботке подвергаются отливки, поковки, деформированные полуфабрикаты,
сварные и паяные заготовки и другие детали. Операции по обработке метал-
лов резанием являются в большинстве случаев заключительными для полу-
чения готовых деталей.
Технологические процессы, как правило, следуют один за другим, так что конечная продукция одного процесса обычно служит исходным материа-
лом для другого. В настоящее время доля металлов в конструкциях машин
165
является превалирующей по сравнению с другими конструкционными мате-
риалами, при этом использование черных металлов (стали и чугуна) во мно-
го раз превышает долю цветных металлов.
ГЛАВА 1. МЕТАЛЛУРГИЯ
1.1. Основные понятия
Металлургия – это важнейшая отрасль промышленности и наука о по-
лучении металлов из руд. В природе в чистом виде встречаются лишь немно-
гие металлы, например, золото, серебро, платина, ртуть и др. Основная же масса металлов содержится в земной коре в виде соединений с другими хи-
мическими элементами, образуя рудные минералы – руды, в состав которых помимо ценного компонента входит пустая порода. Задачей металлургов яв-
ляется выделение металлов из этих соединений.
Все металлы по установившейся традиции принято делить на две груп-
пычерные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы-
чугуны, стали и ферросплавы. Все остальные металлы относят к цветным.
Сплавы железа с содержанием углерода до 2,14% называют сталями, а
сплавы с более высоким содержанием углерода – чугунами. Кроме углерода,
в состав чугуна и стали входят различные элементы: кремний, марганец,
фосфор, сера и другие элементы.
Основными машиностроительными материалами являются черные ме-
таллы, объем производства, которых является одним из важнейших показа-
телей уровня промышленного развития страны. Доля цветных металлов, наи-
более распространенными из которых являются алюминий, медь, магний, ти-
тан, цинк и их сплавы, значительно скромнее.
В современной металлургии металл из руд извлекают различными спо-
собами: пирометаллургическим (протекает в условиях высоких температур при сжигании топлива), гидрометаллургическим (выщелачивание металла из руд) и химико-металлургическим.
166
Пирометаллургический способ получил наибольшее применение при производстве чугуна, меди и других металлов.
Современное производство черных металлов базируется главным обра-
зом на двухступенчатой схеме. Эта схема включает производство чугуна в доменных печах и последующую переработку чугуна в сталь.
Методы и способы производства цветных металлов весьма разнообраз-
ны. Как правило, все процессы получения цветных металлов являются мно-
гоступенчатыми, включающими целый ряд операций. Здесь используются пирометаллургические, гидрометаллургические, химические процессы, элек-
тролиз и др.
Исходными материалами для производства металлов и сплавов явля-
ются руды, топливо и флюсы.
Руда - такая горная порода, из которой технически возможно и эконо-
мически целесообразно в данных конкретных условиях извлекать металлы и их соединения.
Руды могут быть простыми, т.е. содержащими один металл, или поли-
металлическими, содержащими несколько металлов. Помимо соединений,
содержащих металл, в руде имеется еще и пустая порода, которая не содер-
жит извлекаемых металлов или их соединений. Руды с большим содержани-
ем пустой породы называют бедными. Использование бедных руд ведет к непроизводственным расходам топлива и электрической энергии, снижает производительность, увеличивает объем плавильной печи и соответственно стоимость получаемого металла. Бедные руды подвергают обогащению, т.е.
удалению из руды части пустой породы, что приводит к получению концен-
трата с более высоким содержанием ценного компонента.
В металлургических печах используют твердое, жидкое и газообразное
топливо.
167
Важнейшим видом твердого топлива является кокс - продукт сухой пе-
регонки коксующихся каменных углей при температуре 1000 - 1100° С. Теп-
лота сгорания кокса равна примерно 29,3 МДж/кг (7000 ккал/ кг).
В качестве жидкого топлива в металлургическом производстве приме-
няется мазут. Он получается из сырой нефти после отгонки легких (светлых)
фракций. Мазут - высококалорийное топливо (теплота сгорания до 50 МДж/
кг), не оставляет при сжигании золы, процесс горения легко регулируется.
Газообразное топливо - природный газ - дешевое, высококалорийное топливо (теплота сгорания не менее 35 МДж/м3). Основной составляющей природного газа является метан.
Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь, для получения шлака – легкоплавкого соединения с пустой породой и золой кокса.
Шлак должен обладать высокой жидкотекучестью, быть легче извле-
каемого металла и должен иметь меньшую температуру плавления. В этом случае шлак располагается в плавильных печах на поверхности жидкого ме-
талла и отделяется от него в процессе плавки тем или иным способом. Во время плавки шлак служит для защиты расплавленного металла от контакта его поверхности с печными газами и воздухом и для удаления вредных при-
месей.
По химическому составу флюсы делятся на основные и кислые. К ос-
новным флюсам относятся известняк СаСОз и доломит СаСОз + МgСОз, к
кислым - породы, содержащие кремнезем. Выбор флюса и его количество рассчитывают исходя из химического состава пустой породы и с учетом тре-
бований, предъявляемых к физикохимическим свойствам шлака.
Металлургические печи работают в условиях высоких температур, по-
этому внутреннюю поверхность их футеруют (покрывают) огнеупорными материалами (ОМ), которые должны выдерживать высокую температуру,
обладать достаточной механической прочностью, сопротивляться химиче-
168
скому воздействию газов, жидких шлаков и металлов, обладать минималь-
ным расширением и иметь определенную пористость.
По химическим свойствам ОМ делят на кислые, основные и нейтраль-
ные. Кислые ОМ - кварцит и кварцевый песок, содержащие свыше 90% - SiO2. Из молотого кварцита изготавливают динасовые кирпичи, температура плавления которых 1690 … 1730° С. Основные ОМ - магнезит (MgCO3) и до-
ломит (СаСОз+ МgСОз), состоящие из основных окислов (Сао, MgO). Темпе-
ратура плавления обожженного магнезита около 2000° С. Нейтральные ОМ – хромит, хромомагнезит, шамот, содержащие большое количество Аl2О3 и
Cr2O3.
Химический состав шлака должен соответствовать футеровке печи
(при кислой футеровке печи необходимо загружать флюсы, которые будут образовывать кислый шлак, при основной футеровке – основной шлак). В
противном случае шлак вступает в реакцию с футеровкой металлургической печи, что приводит к ее разрушению.
Огнеупорные материалы выпускают в виде порошков, кирпичей и фа-
сонных изделий.
На рис. 1.1 на примере чугуна и стали приведена схема главнейших процессов переработки железных руд.
1.2. Производство чугуна
Чугунами называются сплавы железа (до 92 %) с углеродом (2,14 … 6,67%), в которых обычно содержатся примеси кремния (до 4,3 %), марганца
(до 2 %), серы (до 0,07 %), фосфора (до 1,2 %) и других элементов.
Железная руда
Для производства чугуна используют железные руды, представляющие собой оксиды, гидрооксиды, карбонаты железа, соединенные с пустой поро-
дой, в состав которой входят различные минеральные примеси, чаще всего
кремнезем, глинозем и ряд других. Пригодность железной руды к плавке оп-
169
ределяется содержанием в ней железа, составом пустой породы, количеством вредных примесей
(сера, фосфор,
мышьяк) и другими факторами.
Рис. 1.1. Схема глав-
нейших процессов переработки желез-
ных руд.
К железным рудам, имеющим промышленное зна-
чение, относятся сле-
дующие: красный железняк (гематит) -
содержит железо в виде безводной окиси железа Fe2O3, бурый железняк -
содержит железо в виде гидратов окисей
2 Fe2O3 3Н2О и Fe2O3 Н2О, магнитный железняк (магнетит) - содержит железо в виде закисиокиси железа Fe3O4. и шпатовый железняк (сидерит) - содержит железо в виде углекислой соли FeСO3 , а также комплексные железные руды.
Комплексные железные руды, кроме железа, содержат и другие метал-
лы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его. Комплекс-
ные руды используют для выплавки природнолегированных чугунов.
170
Помимо железных руд в доменном производстве используются мар-
ганцевые и хромовые руды, которые применяют для выплавки ферросплавов:
сплава железа с марганцем или хромом.
Основным видом топлива в доменных печах является кокс, который выполняет функцию, как топлива, так и восстановителя. В последнее время в доменном производстве применяется и природный газ, но он не заменяет кокс, а служит для интенсификации доменного процесса.
В качестве флюса в доменной печи чаще всего используется известняк или доломитовый известняк, которые образуют основной шлак. Достоинст-
вом основных флюсов является их способность связывать в шлак вредные примеси – фосфор и серу.
Подготовка руды к плавке.
Пригодность руды к плавке в доменной печи определяется целым ря-
дом факторов. Большое количество пустой породы в руде снижает произво-
дительность печи, увеличивает расход кокса и флюса на тонну выплавленно-
го чугуна и повышает стоимость чугуна. Рудная мелочь затрудняет движение газов и частично выносится ими из печи, крупные куски руды не успевают своевременно восстанавливаться и расстраивают ход плавки, неоднородный состав руды затрудняет ведение плавки и получение чугуна заданного соста-
ва. В связи с этим неподготовленную руду использовать для выплавки чугуна нецелесообразно, поэтому перед плавкой производят подготовку руды к плавке, целью которой является увеличение содержания железа в руде,
уменьшение в ней вредных примесей (фосфора и серы), повышение одно-
родности руды по крупности кусков и химическому составу. В зависимости от состава руды и размера ее кусков могут применяться различные способы подготовки, но начинается она с дробления и сортировки руды по крупности для получения кусков оптимальной величины.
Измельченная и рассортированная руда подвергается обогащению.
171
Цель обогащения - повысить концентрацию железа в руде за счет уда-
ления возможно большего количества пустой породы. Обогащение основано на различии физических и химических свойств минералов, входящих в со-
став руды. К основным способам обогащения относятся промывка, гравита-
ция, магнитная сепарация, окускование.
Промывка водой - наиболее простой и дешевый способ обогащения,
который применяется для удаления глинистых и песчаных примесей.
Гравитационное обогащение основано на разнице в удельных весах ценного компонента и пустой породы.
Магнитную сепарацию применяют для обогащения железных руд, со-
держащих магнитные вкрапления, которые притягиваются к магниту и отде-
ляются от немагнитной пустой породы.
Окускование необходимо для превращения обогащенной рудной мело-
чи, образующейся при дроблении руды, в куски необходимых размеров.
Окускование осуществляется двумя способами – агломерацией и про-
изводством окатышей. При агломерации шихта, состоящая из рудной мело-
чи, известняка и коксовой мелочи, загружается на агломерационные машины,
где при температуре 1300 … 1500 °С происходит спекание всей массы шихты в твердый кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат. В про-
цессе агломерации происходит частичное восстановление железа, удаляется до 95 % содержащейся в руде серы, а значительная часть пустой породы свя-
зывается в легкоплавкие соединения. Применение офлюсованного агломера-
та позволяет почти полностью исключить из состава доменной шихты сырой известняк, уменьшить объем шихтовых материалов, необходимых для полу-
чения одной тонны чугуна, сократить расход кокса и повысить производи-
тельность доменных печей.
Производство окатышей представляет собой прогрессивный способ окусковывания мелкоизмельченных рудных концентратов и железных руд.
172
Технология окатывания складывается из двух этапов - получения сырых ока-
тышей и их обжига.
Механическая смесь (шихта), состоящая из измельченных концентра-
тов, флюса и топлива, увлажняется и загружается в барабаны или чаши - гра-
нуляторы, при вращении которых превращается в шарики - окатыши диамет-
ром 20 … 30 мм. Затем сырые окатыши подвергаются сушке и обжигу при
1300 …1500° С на специальных машинах. Обожженные окатыши обладают высокой механической прочностью, значительной пористостью и очень хо-
рошей восстанавливаемостью. Применение окатышей считается наиболее перспективным направлением в подготовке шихты для доменной плавки.
Устройство и работа доменной печи
Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах, в которые загружают шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, агломерата,
окатышей, флюсов и кокса.
Доменная печь является сложным и высокопроизводительным агрега-
том, высота ее достигает 35 м, диаметр наиболее широкой части (распара) –
до 15 … 17 м, производительность – 12 … 17 тыс. тонн чугуна в сутки, пе-
риодичность выпуска чугуна - 4 … 6 раз в сутки, срок непрерывной работы –
5 … 6 лет. Загрузка шихтовых материалов в доменную печь механизирована и автоматизирована и производится через специальные загрузочные устрой-
ства.
Вся конструкция печи (рис. 1.2) расположена на железобетонном фун-
даменте.
Внутренняя часть печи выкладывается огнеупорным кирпичом, а
внешняя представляет собой сварной или клепаный кожух из листовой стали.
Самая верхняя часть доменной печи - колошник 1 предназначена для загруз-
ки шихтовых материалов и отвода газов. Шихтовые материалы подаются в печь засыпным аппаратом 2, конструкция которого имеет два металлических
173