Вариант 1
Опишите технологический процесс производства заготовок валов диаметром не ниже 150 мм. Вал ответственного назначения.
Для изготовления наиболее ответственных деталей, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях, используются хромоникельмолибденованадиевые стали. Примерами таких деталей являются: поковки валов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженных трубовоздуходувных 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, и V), т.к. она обладает высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость. Эту сталь можно использовать при 400-500 оС. Также данная сталь обладает высокой прокаливаемостью (критический диаметр свыше 100 мм), что позволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Даже в очень больших сечениях (1000 – 1500 мм и более) в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска сорбит.
Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованадиевых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. При их обнаружении бракуют всю партию паковок. Также данные стали являются дорогими и их следует применять только в том случае если более дешевые стали не обеспечивают требования, предъявляемые к изделию.
Так как в данном случае не указаны требования предъявляемые к изделию, то будем считать что свойства стали данного изделия соответствуют предъявляемым.
Химический состав, термическая обработка и механические свойства стали 36Х2Н2МФА
| Содержание 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 | - 60 | - 140 | 0,4 |
Буква А в конце марки означает, что сталь выплавлена по 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. Кроме железа в руде содержатся Al2О3, SiC2 (это пустая порода) и вредные примеси: мышьяк, фосфор более 1%.
Доменные флюсы нужны для удаления из печи тугоплавкой пустой породы, руды и золы топлива. Доменным флюсом служит известняк
СаС03 ®СаО + С02
Топливо в доменной печи является не только источником тепла, 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 нужную степень измельчения, руды для плавни (10-30 мм), для агломерации – менее 5-8 мм.
Сортировку руды по классам крупности проводят на механических грохотах и установках типа гидроциклоп, где разделение частиц происходит под действием центробежной силы.
Основной способ обогащения - магнитный. Он состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы отделяются от пустой породы.
А: томерация - это окускование мелкого железного сырья путем спекания (puc.1).
Ркс.1. Схема процесса спекания:
1- колосниковая решетка; 2-постель; 3-слой агломерирующей шихты; 4-зона спекания; 5-слой агломерата
На решетку загружают слой агломерате – постель, чтобы не было просыпания мелкой шихта через зазоры. Затем засыпают агломерируемой шихты: железосодержащие компоненты (агло-руда) – 70%; флюсы (измельченный известняк) – 20%; топливо (мелкий кокс, угольная мелочь и пиль) – 5-7%; марганцевая руда 1%.
Агломерируемую шихту увлажняют (4-6%) и тщательно перемешивают во вращающихся барабанах, при этом шихта окомковывается, что повышает ее газопроницаемость. После зажигания газовыми горелками топлива начинается его горение (рис.2). Воздух для горения просасывается через слой шихты с помощью вакуумных устройств, остаточное давление 6-10 МПа.
Зона горения постепенно перемещается вниз до постели колосников. При температуре 1300-16ОО°С происходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10-40 мм использует для плавки, менее 10 ми направляют на переработку. При спекании из руды удаляются вредные принеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты.
Окатывание. Шихта из измельченных концентратов, флюса, топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах, приобретает форму шариков - окатышей диаметром до 30 им. Окатыши высушивают и обжигают (1200-1350°С) на обжиговых машинах. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь 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 в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом.
Доменная печь имеет до 40 мм стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Шамот получают из обожженной и сырой глины – это нейтральный по химическим свойствам (50-60% SiO2 30-45 % Al2O3), наиболее распространенный и дешевый огнеупорный материал (толщина до 700 мм). Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть, начиная от распара, сооружают на стальном кольце с опорными колоннами. Нижнюю часть горна выкладывают из особо огнеупорных материалов - графитизированных блоков (толщина стенок до 1500 мм). Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливает металлические водяные 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- засыпной аппарат;
9 -шлаковая летка
Для выплавки 1 т чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного агломерата, 500 кг кокса.
Печь загружают шихтовыми материалами по мере необходимости, непрерывно подают воздушное литье и удаляют доменные газы, периодически выпуская чугун и шлак.
Шихтовый материал загружает при помощи засыпного аппарата, шихту задают отдельными порциями по мере опускания протравляемых материалов. Навстречу им снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.
Горение топлива. В районе воздушных фурм происходит полное сгорание кокса: C + O2= + Q и природного газа: CH4 + +2O2=CO2 + 2H2 + Q. В фокусе горения температура 1800-2000°С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом: 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 в доменной печи
Восстановителями являются оксид углерода CO2, твердый углерод и водород. Восстановлена твердым углеродом - прямое, газами - косвенное.
Косвенное восстановление происходит за счет углерода по 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 все высшие 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 почти полностью. Потери со шлаком - 0,2-1%. Образование металлического железа начинается при 400-500°С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300-1400°С (в распаре,). В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит 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. При отекании сплава в горн в нем растворяются восстановленные Мn, Si, образуя сложный железоуглеродистый сплав - чугун (3,7-4% С). Его конечный состав устанавливается в горне и зависит от состава, свойства и количества шлака. Закись марганца MnO восстанавливается только прямым путем - твердым углеродом при 1100°С по реакции: МnО + С=Мn+СО-Q. Восстановление кремния из SiO3 - по реакции: SiO2+2C=Si+CO-Q при I450°C. Фосфор восстанавливается СО, водородом, а также твердив углеродом.
Значение шлака очень велико, его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак. При стенании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: в нем растворяются SiO2, Al2O3. Для выплавки передельных чугунов, литейных и других всегда подбирают шлаковые режимы (исходя из определенных свойств получаемого чугуна). При выплавке передельного чугуна состав шлака: 40-50% СаО; 38-40% SiO2; 7-I0% Al2O3.
Продукты доменной плавки: передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, шлак, колошниковый газ
Производство стали
Для производства высококачественных легированных сталей используют два основных способа: кислый мартеновский процесс и выплавка в 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 одновременно присаживаемых ферросплавов ограничивают 3% массы металла. Поэтому высоколегированные стали, за редким исключением, в мартеновских печах не выплавляют. Избегают выплавлять и стали с повышенным содержание тугоплавких элементов (вольфрам, молибден). Кроме этих недостатков, данный процесс обладает другими: экологические, опасность разрушения при охлаждении печи. В настоящее время, по ряду определенных причин, от данного способа получения стали отказываются.
Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений – продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.
Нам необходимо получить высококачественную легированную сталь 36Х2Н2МФА, где "36" - среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такую сталь целесообразнее получить в электродуговых печах (рис.3)
Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления 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 основных печах, кварцевый песок - в кислых, топливо (электрический ток).
|
Рис.3. Схема электродуговой печи
Печь питается трехфазный переменный током и имеет три цилиндрических электрода из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой под действием тока возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 160-600 В, сила тока 1-1О кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически, путем перемещения электродов. Стальной кожух печи футерован огнеупорным кирпичом.
Печь загружают при снятом своде. Печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки.
Производят плавку не углеродистой шихте. В печь загружают стальной лом – 90%, чушковый передельный чугун – до 10%, электродный бой, кокс, известь – 2-3%.
Опускают электроды и включают ток. При плавлении металл накапливается на поддоне печи. Во время плавления шихте кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляется железо, кремний, фосфор и частично углерод. Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной железистый юлах, способствующий удалению фосфора из металла.
После нагрева металла и шлака до температуры 1500-1540oC в печь загружают руду и известь и проводят период "кипения"; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют шлак из печи. Затем удаляет серу и приступают н раскислению металла, доведению химического состава до заданного. Раскислёние проводит осаждением и диффузионным методом. После удаления шлака в печь подают силикомарганец и силикокальций - раскислители. Затем загружают известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь, углерод кокса и кремний ферросилиция, восстанавливают оксид железа в шлаке, содержание его в шлаке ниже, и кислород из металла переходит в шлак. По мере раскисления и понижения содержания FеО шлак становится белым. Раскисление под белым шлаком длится 30-60 мин.
Для определения химического состава металла берут пробы, затем в печь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов для получения заданного химического состава металла. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. Конечное раскисление выполняют алюминием и силинокальцием и выпускают металл из печи в ковш, из которого его разливают в изложницы.
При использовании дуговых печей большой вместимости выплавка высококачественной конструкционной стали выполняется с использованием специальных технологий: вакуумирование стали, внепечная обработка синтетическим известково-глиноземистым шлаком, продувка аргоном и т.д.
Легированные и высококачественные стали разливают в слитки массой 500кг – 7т., а некоторые высоколегированные стали в слитки массой в несколько килограммов. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху, а для легированных и высококачественных сталей используют разливку сифоном в изложницы.
В изложницах сталь затвердевает и получаются слитки, которые подвергают дальнейшей обработке. Поверхность слитка получается чистой.
Схема сифонной разливки стали в изложницы
Сталью заполняются одновременно несколько изложниц: сталь плавно, без разбрызгивания заполняет изложницы (меньше раковин и пустот, плен оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы)
Рис.4. Схема сифонной разливки стали в изложницы;
1 - ковш; 2 - жидкая сталь; 3 - центровой лигнин; 4 - огнеупорные трубы; 5 - изложницы; 6 - поддон; 7 - прибыльная надставка