Вариант 1
Опишите технологический процесс производства заготовоквалов диаметром не ниже 150 мм. Вал ответственного назначения.
Для изготовления наиболее ответственных деталей, длякоторых требуется материал особой прочности в крупных сечениях, используютсяхромоникельмолибденованадиевые стали. Примерами таких деталей являются: поковкивалов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженныхтрубовоздуходувных 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, иV), т.к. она обладает высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низкимпорогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Молибден,присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость. Эту сталь можно использоватьпри 400-500 оС. Также данная сталь обладает высокой прокаливаемостью(критический диаметр свыше 100 мм), что позволяет упрочнять термическойобработкой крупные детали. Даже в очень больших сечениях (1000 – 1500 мм иболее) в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска сорбит.
Недостатками высоколегированныххромоникельмолибденованадиевых сталей являются трудность их обработки резаниеми большая склонность к образованию флокенов. При их обнаружении бракуют всюпартию паковок. Также данные стали являются дорогими и их следует применятьтолько в том случае если более дешевые стали не обеспечивают требования,предъявляемые к изделию.
Так как в данном случае не указаны требования предъявляемыек изделию, то будем считать что свойства стали данного изделия соответствуютпредъявляемым.
Химический состав, термическая обработка и механическиесвойства стали 36Х2Н2МФАСодержание элементов, % Термическая обработка Механические свойства
Порог хладноломкости, оС Обрабатываемость резанием С Mn Cr Ni другие элементы
Закалка (tзак, оС, среда) Отпуск (tзак, оС, среда) dв
d0,2 d y
aн, кгс*м/см2 tв tн HB Kn
кгс/мм2 % 0,33-0,4 0,25-0,5 1,3-1,7 1,3-1,7
0,2-0,3 Mo
0,1-0,18 V 850, масло 600, воздух 120 110 12 50 8 — 60 — 140 229 0,4
Буква А в конце марки означает, что сталь выплавленапо 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. Кромежелеза в руде содержатся Al2О3, SiC2 (этопустая порода) и вредные примеси: мышьяк, фосфор более 1%.
Доменные флюсы нужны для удаления из печи тугоплавкойпустой породы, руды и золы топлива. Доменным флюсом служит известняк
СаС03 ®СаО + С02
Топливо в доменной печи является не только источникомтепла, 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 нужнуюстепень измельчения, руды для плавни (10-30 мм), для агломерации – менее 5-8мм.
Сортировку руды по классам крупности проводят намеханических грохотах и установках типа гидроциклоп, где разделение частицпроисходит под действием центробежной силы.
Основной способ обогащения — магнитный. Он состоит втом, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитныечастицы отделяются от пустой породы.
А: томерация — это окускование мелкого железного сырьяпутем спекания (puc.1).
/>
Ркс.1. Схемапроцесса спекания:
1- колосниковаярешетка; 2-постель; 3-слой агломерирующей шихты; 4-зона спекания; 5-слой агломерата
На решетку загружают слой агломерате – постель, чтобыне было просыпания мелкой шихта через зазоры. Затем засыпают агломерируемойшихты: железосодержащие компоненты (агло-руда) – 70%; флюсы (измельченныйизвестняк) – 20%; топливо (мелкий кокс, угольная мелочь и пиль) – 5-7%;марганцевая руда 1%.
Агломерируемую шихту увлажняют (4-6%) и тщательноперемешивают во вращающихся барабанах, при этом шихта окомковывается, чтоповышает ее газопроницаемость. После зажигания газовыми горелками топливаначинается его горение (рис.2). Воздух для горения просасывается через слойшихты с помощью вакуумных устройств, остаточное давление 6-10 МПа.
Зона горения постепенно перемещается вниз до постеликолосников. При температуре 1300-16ОО°С происходит спекание шихты в пористыйпродукт – агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10-40 ммиспользует для плавки, менее 10 ми направляют на переработку. При спекании изруды удаляются вредные принеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты.
Окатывание. Шихта из измельченных концентратов, флюса,топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатыхчашах, приобретает форму шариков — окатышей диаметром до 30 им. Окатышивысушивают и обжигают (1200-1350°С) на обжиговых машинах. Использованиеагломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменнуюпечь 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 всостав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом.
Доменная печь имеет до 40 мм стальной кожух,выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Шамот получают из обожженнойи сырой глины – это нейтральный по химическим свойствам (50-60% SiO230-45 % Al2O3), наиболее распространенный и дешевыйогнеупорный материал (толщина до 700 мм). Для уменьшения нагрузки на нижнюючасть печи ее верхнюю часть, начиная от распара, сооружают на стальном кольце сопорными колоннами. Нижнюю часть горна выкладывают из особо огнеупорныхматериалов — графитизированных блоков (толщина стенок до 1500 мм). Дляповышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливает металлическиеводяные 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- засыпнойаппарат;
9 -шлаковая летка
Для выплавки 1 т чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного агломерата, 500 кг кокса.
Печь загружают шихтовыми материалами по меренеобходимости, непрерывно подают воздушное литье и удаляют доменные газы,периодически выпуская чугун и шлак.
Шихтовый материал загружает при помощи засыпногоаппарата, шихту задают отдельными порциями по мере опускания протравляемыхматериалов. Навстречу им снизу вверх движется поток горячих газов,образующихся при сгорании топлива.
Горение топлива. В районе воздушных фурм происходитполное сгорание кокса: C + O2= + Q и природного газа: CH4+ +2O2=CO2 + 2H2 + Q. В фокусе горениятемпература 1800-2000°С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленнымкоксом: 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 вдоменной печи
Восстановителями являются оксид углерода CO2, твердыйуглерод и водород. Восстановлена твердым углеродом — прямое, газами — косвенное.
Косвенное восстановление происходит за счет углеродапо 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 всевысшие оксиды железа до низшего и 40-6О% металлического железа.
Прямое восстановление происходит твердым углеродом при температуре 950-1000° в зоне распара печи: FeO+ Cтв=Fe + CO-Q.
В доменной печи железо восстанавливается почтиполностью. Потери со шлаком — 0,2-1%. Образование металлического железаначинается при 400-500°С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при1300-1400°С (в распаре,). В шахте печи наряду с восстановлением железапроисходит 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. Приотекании сплава в горн в нем растворяются восстановленные Мn, Si, образуясложный железоуглеродистый сплав — чугун (3,7-4% С). Его конечный составустанавливается в горне и зависит от состава, свойства и количества шлака.Закись марганца MnO восстанавливается только прямым путем — твердым углеродомпри 1100°С по реакции: МnО + С=Мn+СО-Q. Восстановление кремния из SiO3 — по реакции: SiO2+2C=Si+CO-Q при I450°C. Фосфор восстанавливаетсяСО, водородом, а также твердив углеродом.
Значение шлака очень велико, его состав и свойстваопределяют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак.При стенании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: внем растворяются SiO2, Al2O3. Для выплавкипередельных чугунов, литейных и других всегда подбирают шлаковые режимы(исходя из определенных свойств получаемого чугуна). При выплавке передельногочугуна состав шлака: 40-50% СаО; 38-40% SiO2; 7-I0% Al2O3.
Продукты доменной плавки: передельный чугун, литейныйчугун, доменные ферросплавы, шлак, колошниковый газ
Производство стали
Для производства высококачественных легированныхсталей используют два основных способа: кислый мартеновский процесс и выплавкав 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 одновременноприсаживаемых ферросплавов ограничивают 3% массы металла. Поэтомувысоколегированные стали, за редким исключением, в мартеновских печах невыплавляют. Избегают выплавлять и стали с повышенным содержание тугоплавкихэлементов (вольфрам, молибден). Кроме этих недостатков, данный процесс обладаетдругими: экологические, опасность разрушения при охлаждении печи. В настоящеевремя, по ряду определенных причин, от данного способа получения стали отказываются.
Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнениюс другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокуютемпературу металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральнуюатмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислятьметалл с образованием минимального количества неметаллических включений –продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавкиконструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.
Нам необходимо получить высококачественнуюлегированную сталь 36Х2Н2МФА, где «36» — среднее содержание углеродав сотых долях процента. Такую сталь целесообразнее получить в электродуговыхпечах (рис.3)
Сущностью любого металлургического передела чугуна всталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательногоокисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
Исходные материалы: передельный чугун и стальной лом(скрап), железная руда, окалина (источник О2), флюс-известняк — в основныхпечах, кварцевый песок — в кислых, топливо (электрический ток).