Технологические процессы в машиностроении

Министерствообщего и профессионального образования  Российской Федерации.
Брянскийгосударственный технический университет
Предмет:Технологические процессы
машиностроительногопроизводства.
Контрольнаяработа №1.
Вариант1.
Студентгруппы З-04 ТМ1                 МалашенкоД.В.
Преподаватель                                        Давыдов С.В.
Брянск2005 г.
1.ПРОИЗВОДСТВОЧУГУНА
1.1Исходные материалы
Железо вчистом виде находят в земной коре редко из-за боль­шой склонности к окислению.Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие геологисчитают, что в зем­ной коре содержится примерно 5 % железа в виде окислов,карбо­натов, сульфидов и других соединений. Наиболее крупные и бога­тыеокисленными соединениями железа местные скопления минера­лов называютместорождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые техническивозможно и экономически целе­сообразно перерабатывать для извлечениясодержащихся  в них металлов.                                                                                                                                                                                                                       Кжелезным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпа­товый железняки. Этируды содержат много рудного вещества или соединений железа, из которого егоизвлекают, и относительно мало пустой породы, легко отделяющейся припереработке. Пустой поро­дой руды называют такие минералы, которые не вносятсерьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легкоотделяются от рудных минералов в процессе обогащения (см. ниже) или переходят вшлаки при плавке. В рудах обычно выделяют вредные примеси, которые осложняютметаллургические процессы и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. Вжелезных рудах к вредным примесям относят серу, мышьяк и фосфор. Основныерудообразующие минералы железа—гематит, лимонит, магнетит.
Красныйжелезняк (гематит) содержит железо главным обра­зом в виде Fе2О3 — безводнойокиси железа. Содержание железа в крас­ных железняках составляет 45—65 % прималом содержании вред­ных примесей.
Бурый железняк(лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFе2О3*mН2О с переменным количествомгидратной влаги. Обычно бурый железняк содержит 25—50 % Fе, но гидратная влага, легко удаляемаяпри плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.
Магнитныйжелезняк (магнетит) содержит железо главным обра­зом в виде Fе3О4 (закись-окисьжелеза), обладающей хорошо выра­женными магнитными свойствами.Магнетиты—наиболее богатые железные руды _ содержит 40—70 % железа, новосстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горнымипородами.
Дляпроизводства чугуна, кроме железных руд, требуются и дру­гие материалы. К ним впервую очередь следует отнести флюсы и кокс.
Флюсывводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зарастания» рабочегопространства печи и обеспечить плавку пу­стой породы руды и золы топлива принеобходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива, ине слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться.Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химическогосостава пустой породы и определяются расчетным путем. Так как пустая породажелезных руд обычно содержит крем­незем, в качестве флюса в доменных печахчасто применяют извест­няк СаСО3, содержащий минимальное количествовредных примесей. Каменноугольный кокс в современном доменном производствеиграет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печногопространства до необходимой температуры, и, во-вторых, обеспечивает восстановлениеокислов железа (см. ниже). Каменноугольный кокс содержит 82—88 % твердогоуглерода, 5—10 % золы, однако всегда содержит и серу (0,5—2 %).
1.2Обогащение руд
Обогащениемназывают предварительную обработку руды, не из­меняющую химического состава основныхминералов и их агрегат­ного состояния. Обогащением из руды отделяют частьпустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом,содержа­ние рудной массы увеличивается: Отделенную от руды пустую поро­ду,называют хвостами; если она не представляет никакой ценности, при обогащении ееотбрасывают. Обога­щением иногда удается выделить. Из руды несколькоконцентратов с пре­обладанием в каждом разных метал­лов. Однако не все минералыпод­даются обогащению в равной степе­ни, а некоторые пока еще не удаетсяобогащать. В технике в зависимости от характера рудных минералов при­меняютмного различных способов обогащения. Наиболее известны и ши­роко применяютсярудоразборка, магнитное, гравитационное и фло­тационное обогащение.
Простуюрудоразборку применяют очень давно; в некоторых местах еще можно встретитьрудоразборку на конвейере: по цвету, блеску или форме кусков (иногда приспециальном освещении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустуюпороду.
Магнитноеобогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такиеминералы отделяют магнитом или электромагнитом от других минералов.
Аппараты,применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Еслинеобходимо обогащение крупных кусков (120—150 мм), используют магнитныесепараторы, работаю­щие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм)применяют как сухую, так и мокрую магнитную сепарацию. Магнитные сепара­торы,работающие в водной среде, часто дают лучшие результаты. Во вращающемсябарабане размещен непод­вижный электромагнит. Куски немагнитного материала, попавна поверхность барабана, падают с него в первой четверти оборота, а магнитныеминералы  задерживаются до выхода их изполя маг­нитного сердечника. Материал, упавший в промежутке, обычно подвергаютпереочистке.
Магнитнуюсепарацию с успехом применяют для обогащения бедных железных руд, имеющихвкрапления магнетита, а также для очистки или сортировки металлических отходов(стружки, опил­ки, лом).
Гравитационноеобогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минераловв жидкостях и на воздухе. Про­стейший его вид — промывка водой железных: руддля отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако большего эффекта можнодостичь, применяя отсадочные машины, концентрационные столы и другие аппараты.
Отсадочнаямашина  — это сосуд с жидкостью, ниже уровня,которой установлено металличе­ское решето; на него и подается пульпа, смесьжидкости и мелких твердых частиц, содержащая обога­щаемую породу. Действиемдиафраг­мы, а иногда и перемещением ре­шета в его отверстиях и между кусочков руды создается пульсирую­щий потокводы, изменяющий на­правления 100—4000 раз в минуту с амплитудой 0,5—8 см. Приэтом зер­на тяжелого минерала оседают на дно решета и, проваливаясь через егоот­верстия, собираются в бункере, а куски легкого минерала уносятся го­ризонтальнымпотоком жидкости. От­садка бывает эффективнее, если раз­меры кусков рудыодинаковы. Обыч­но отсадку руды ведут в серии по­следовательно включенных машинс решетками, расположенными каска­дом, что обеспечивает перемещение пульпы изодной машины в дру­гую самотеком. Эти машины успешно применяют при обогащениируд цветных металлов.
 Обогащение флотацией для железных руд покаприменяют редко, но чаще  для бедных рудцветных металлов и обязательно для комплексных руд, содержащих несколькометаллов, а также суль­фидных руд, содержащих ~ 1 % меди, непосредственноплавить которые очень дорого.
Сущностьфлотации состоит в избирательном прилипании неко­торых минеральных частиц,взвешенных в водной среде, к поверх­ности пузырьков воздуха, с помощью которыхэти минеральные ча­стицы поднимаются на поверхность. Через пульпу пропускают пу­зырькивоздуха. Вследствие различной смачиваемости частицы одних минералов, плохосмачиваемые водой (или другой жидкостью, в кото­рой протекает обогащение),прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуютминерализованную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых мине­ралов,которые тонут и остаются в пульпе.
Дляфлотационного обогащения необходимо: а) тонко измельчить руду до размеровчастиц, меньших 0,1 мм, что дает возможность полу­чить кусочки руды, состоящиеиз одного минерала, и значительно уменьшить количество сростков несколькихминералов, а также позволяет мелким пузырькам воздуха поднимать на поверхностьтяжелые минералы; б) получить в пульпе много мелких пузырьков воздуха и создатьусловия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.
Дляфлотации применяют комплекс машин, позволяю­щих быстро и многократно повторятьпроцесс флотации, и разные реагенты, вводи­мые в пульпу, для усиления илиподавления отдельных физических свойств ее эле­ментов. Различают следующиефлотационные реагенты: вспениватели, делающие пузырьки пены устойчивыми, нелопающимися, препятст­вующие их коалисценции, т. е. объединению мелких пу­зырьковв крупные (сосновое масло и другие вещества, по­лучаемые при перегонке дре­весиныи каменного угля); коллекторы (собиратели), уменьшающие смачиваемость определеннойгруппы минералов водой и облегчающие их сцепление с пузырьками воздуха. Вкачестве коллекторов используют слож­ные органические вещества.
При флотациичасто применяют также депрессоры (подаватели), предотвращающие действиеколлектора на некоторые минералы. По­давателями служат неорганическиеэлектролиты, например цианистый натрий NаСN, известь СаО, которую применяют прифлотации медно-цинково-пиритных руд. При так называемой селективной флотации,когда из руды необходимо выделить концентраты нескольких метал­лов, применяют имногие другие химические вещества. Общий расход флотационных реагентов невелик,он составляет 50—300 г на 1 т руды. Для механизации отдельных трудоемкихподготовительных и вспомогательных этапов флотационного обогащения используютраз­личные машины, облегчающие эти операции, например для измельче­ния руды(дробилки и мельницы), разделения ее на мелкие и круп­ные фракции (грохоты иклассификаторы), аппараты для разделения пульпы на жидкость и твердые частицы(сгустители и фильтры), собственно флотационные машины и многие другие. Рассмотримлишь один из типов машин, в которых проводится собственно флотация. В машинынепрерывно подается пульпа, состоящая из воды, мелких частиц руды и ужевнесенных в пульпу необходимых флотационных реагентов. Сверху по трубам  нагнетается воздух, который обеспечиваетхорошее перемешивание пульпы благодаря аэролифтным трубам. Циркулирующая пульпав смеси с пузырьками воздуха собирает в верхней части машины пену, непрерывноудаляемую через боковые пороги, высоту кото­рых можно регулировать накладнымипланками. Оставшаяся пульпа сливается через отверстие в боковой стенке машины ипопадает в ее соседнюю секцию, так как флотационная машина состоит из 4-20камер (секций).
                                                 1.3 Подготовкаматериалов к доменной плавке.
Доменнаяпечь  работает нормально, если она за­груженакусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и другихматериалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать, и частьматериала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг кдругу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различ­ныезатруднения в работе печи. Эксперименты и практический опыт показали, чтонаиболее удобны для доменной плавки куски разме­ром 30—80 мм в поперечнике.Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемыегрохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимыхраз­меров. При дроблении материалов и при добыче руды в рудни­ках, наряду скрупными кусками образуется и мелочь, тоже не при­годная к плавке в шахтныхпечах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.
В металлургиинаиболее широко применяют агломерацию (спе­кание), проводимую на большихленточных агломерационных маши­нах непрерывного действия. Исходными материаламидля агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль — отход доменногопроизводства. Эти материалы смешивают с небольшим количеством (8—12 %) мелкогококса, так называемым кокситом, имеющим в поперечнике менее 3 мм, иликаменноуголь­ной мелочью. Часто в шихту добавляют мелкий, недостаточно спек­шийсяагломерат.
 Слегка увлажненную (5—6 % влаги) и хорошоперемешанную шихту загружают на колосниковую решетку машины слоем 200— 300 мм изатем поджигают с поверхности под камерой зажигания, расположенной над лентой.Под колосниковой решеткой имеются камеры, в которых создается небольшой вакуум,обеспечивающий просасывание воздуха через слой агломерационной шихты и пере­мещениезоны горения коксита с поверхности шихты в ее нижние слои. В зоне горенияразвивается высокая температура (до 1500 °С), вследствие чего образуетсянебольшое количество жидкой фазы, которая склеивает   куски   руды  после   перемещения   зоны  горения и охлаждения материала.
Врезультате образуется ноздревато-пористый черно-серый про­дукт спекания — агломерат.Производительность крупных агломера­ционных машин достигает 2,5 тыс. тагломерата в сутки.
Впоследнее десятилетие часто производят так называемый офлю­сованный агломерат,получаемый путем дополнения в агломерацион­ную шихту мелких кусочков флюса(обычно известняка). В процессе агломерации известняк СаСО3разлагается, выделяя СО2 и участвуя в образовании агломерата.Офлюсованный агломерат еще в боль­шей степени, чем обычный, увеличиваетпроизводительность домен­ных печей (на 10—25 %) и уменьшает расход кокса надоменную плавку (на 7—20 %).
Окускованиерудной мелочи проводят и другими способами. В ме­таллургии нередки случаибрикетирования — простейшего способа окускования порошковых материалов путемпрессования их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной, жидкимстеклом, смолой и т. п.). Вынутые из прессов брикеты в зависимости от харак­терасвязующего сушат на воздухе или обжигают для придания им необходимой прочности.
С 50-хгодов в черной металлургии применяют метод окускова­ния — производствоокатышей. Суть этого способа заключается в перемешивании рудной мелочи и пыли снебольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего, обычно глины илиизвести. После небольшого увлажнения (до 8—10 %) эту смесь помещают в смесительтипа пустотелого барабана или наклонной неглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясьв барабане (чаше), пересыпается с места на место, слипается, образуя круглыеокатыши размером 25—30 мм.
Затемокатыши сушат или обжигают, чтобы сделать их доста­точно прочными дляприменения в крупных доменных печах. Обжиг в восстановительной атмосферепозволяет частично восстановить окислы железа и повысить тем самымпроизводительность доменных печей.
1.4  Выплавка чугуна
Получениечугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являютсякрупнейшими современными  шахт­нымипечами Большинство действующих доменных печей имеет полезный объем 1300—2300 м3—объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печиимеют высоту примерно 30 м и выплавляют в сутки до 2000 т чугуна.
В Россииработает несколько доменных печей с полез­ным объемом 2700 м3 и 3200м3. В мире работает пока немного печей объемом более 2600 м3.В 1974 г. в нашей стране вступила в строй первая доменная печь объемом 5000 м3.Эта печь существенно отли­чается от печей, построенных ранее. В ней выпускпродуктов плавки производится через четыре летки, повышена температура дутья,предусмотрены подача шихты наклонными ленточными транспорте рамп, а также другиеконструктивные изменения, облегчающие труд доменщиков и повышающиепроизводительность печи.
Сущностьдоменной плавки сводится к раздельной загрузке в верх­нюю часть печи,называемой колошником, агломерата, кокса и флю­сов, располагающихся в шахтепечи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечиваетвдуваемый в горн горя­чий воздух, в печи идут сложные физико-химическиепроцессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам.В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи,называемой горном, образуются два несмеши­вающихся жидких слоя _ чугун и шлак.
Нарисунке показана схема доменной печи объемом 2700 м3. Два наклонныхподъемника с опрокидывающимися скипами вместимостью до 17 м3доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпномуустройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.
Вверхней части горна расположены фурменные отверстия (16— 20 шт.), через которыев печь под давлением ≈ 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородомвоздух при температуре 900—1200 °С.
Жидкийчугун выпускают каждые 3—2 ч (а в крупных печах ежечасно) поочередно через двеили три летки, которые для этого вскры­вают с помощью электробура. Выливающийсяиз печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугуннаправляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные нажелезнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительноотделяют от чугуна в желобах с помощью перекры­вающих затворов и направляют вшлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпускачугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорнойглины с помощью электромагнитной пушки.
1.5Физико-химическиепроцессы, протекающие вдоменной печи, очень сложны и многообразны. Советские ученые, академики А. А.Банков, М. А. Павлов и другие обстоятельно занимались их изучением и создаликапитальные труды по этим вопросам.
 
Условнопроцесс, протекающий в доменной печи, можно разде­лить на следующие этапы:горение углерода топлива; разложение компонентов шихты; восстановление окислов;науглероживание же­леза; шлакообразование.                                                                                                                        Горениеуглерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная массакокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—1200 °С кислородомвоздуха, поступаю­щим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе сазотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействуетс ним по реакции СО2 + С 5↔ 2СО.
Этареакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышениитемпературы и влево при понижении.
Иногда вфурмы вводят еще природный газ или пар, который, встречаясь с раскаленнымкоксом, окисляет его при высоких темпе­ратурах: Н2Опар + Ств = СО +Н2.
Разложениекомпонентов шихты протекает различно — в зави­симости от ее состава. При работена шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, важнейшими процессами в верхнейчасти печи являются разрушение гидратов окиси железа, окиси алюминия иразложение известняка флюса по реакции СаСО3 = СаО + СО2.Если в печь подается уже офлюсованный агломерат, эти процессы протекают приагломерации и в доменной печи почти не идут.
Восстановлениеокислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цельдоменного процесса вос­становление железа из его окислов. Согласно теорииакадемика А. А. Байкова восстановление окислов железа идет ступенчато последующей схеме: Fе2О3  →Fе3О4 →FеО →Fе.
Главную роль ввосстановлении окислов играет окись углерода:
ЗFе 2O3+ СО = 2Fе304 + СО2 +
Эта реакция практически необратима, протекает легко приочень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакциивправо необходимы температура не ниже 570 °С и значи­тельный избыток СО вгазах: Fе3О4 + СО ↔ЗFеО + СО2 + Q.
Затемпроисходит образование твердой железной губки по реакции
FеО тB+ С О ↔ FетВ+ С O2+ Q.
Ее развитие вправо требует еще более высокой температуры и высокойконцентрации СО в газовой фазе. Но, как показывают ис­следования, в печи дляэтого есть необходимые условия, так как выше температуры 950 °С в газовой фазеприсутствует только СО. Наряду с СО в процессах восстановления железа изокислов значи­тельную роль играет и твердый углерод. Это взаимодействие проис­ходитза счет непосредственных контактов окислов руды с восстано­вителем во времяперемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновениякусков кокса с жидкими шлаками, содержащими закись железа.
Восстановление окислов марганца происходит такжеступенчато, главным образом за счет СО: Мn02→Мn2О3→Мn3О4→МnО; восстановлениезакиси марганца происходит почти исключительно за счет твердого углерода,видимо, при его соприкосновении с рас­плавленным шлаком по схеме                       МnО+ Ств = Мn+ СО — Q, так как количество марганцав шлаке доменной печи бывает значительно больше, чем в металле. Эта реакциятребует и в 2 раза больше тепла, чем восстановление железа, а поэтому повышенногорасхода топлива.
Восстановление кремния в доменной печи происходит преимуще­ственнотвердым углеродом с образованием силицида железа условно по следующей схеме:
SiO2+ 2С + Fе= FeSi+ 2СО — Q,
нотребует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Образовавшиесясилициды железа растворяются в чугуне.
Фосфор вносится в доменнуюпечь с рудой в виде минералов                                                                                                
ЗСаО*F2О3    и    ЗFеО*F2О6-8Н2О.
При высокой температуре эти соединения восстанавливаются, фосфорвзаимодействует с железом, а образующийся фосфид пере­ходит в чугун:
Р+ЗFе = Ре3Р.
Сера находится вруде и коксе в виде пирита и других устой­чивых сульфидов. Часть серыокисляется и удаляется с газами в виде 5О2, а часть — растворяется вчугуне и шлаке.
Науглероживаниежелеза происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печнымигазами, содержащими значи­тельное количество СО:
3Fe+2CO=Fe3C+CO2
Образование сплава железа с углеродом,имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированиюка­пель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слойраскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.
Шлакообразованиеактивно развивается при прохождении шихты в области распара после окончанияпроцессов восстановления окис­лов железа в доменной печи. Шлак состоит изокислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного впечь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400 —1450 °С. При слишком легкоплавком шлаке не успевает вос­становитьсязначительная часть окислов железа, которая выносится с этим шлаком из зонывосстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуютсябольшие настыли, и доменный процесс осложняется. Основные составляющиедоменного шлака — кремнезем (30—45 %), окись кальция (40—50 %), глинозем (10—25 %). Состав шлака зависит от пустой породы руды, а также от того, получают лив доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы (табл. 1).
Шлаки,получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют впромышленности. На большинстве заводов их грану­лируют, выливая расплавленныйшлак прямо из шлаковозных ковшей в большие бассейны. Полученные таким образомшлаковые гранулы перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шла­ковуювату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).
В верхней частипечи из шихты отделяются газообразные про­дукты реакций и азот воздуха. Газы,выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. С ним: вместе изпечей выносится огромное количество пыли (50 кг на 1 т чугуна). Газ со­стоит из26—32 % окиси углерода, 9—14 % двуокиси углерода и 54—58 % азота. Теплотворнаяспособность такого газа 4000 Дж (850— 950 кал) па 1 м3, поэтому егошироко используют после очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха,идущего в доменные печи, а также в других печах металлургического завода.
Литейныекоксовые чугуны (ЛК) имеют семь марок (ЛK1— ЛК7); первые марки имеют минимальноесодержание углерода и максималь­ное— кремния.
Тип сплава



Угле­род



Кремний



Мар­ганец

Фосфор

Сера


Не более

Литейные чугуны











ЛК1 (ГОСТ 4832-72)
(7 марок)
3,5—4

3,21—3,6

До 1,5

0,08—1,2

0,02-0,05

ЛК7

4,1—4,6

0,81—1,2

До 1,5

0,08—1,2

0,02—0,06

Передельные чугуны











Мартеновский (М 1, 2, 3) Бессемеровский (Б 1, 2) Фосфористый (МФ 1, 2, 3) Высококачественный (ПВК 1, 2, 3)

3,5—4,5 3,5—4,5 3,2—3.5 3,2—4

0,3—1,3 0,3—1,4 0,3—1,3 0,3-1,3

0.3—1,5 0,3—0,7 1—2 0,3—1,5

0,15—0,3 0,06—0,07 1—2 0,05

0,02—0,07 0,04—0,06 0,05