Главная База знаний "Allbest" Производство и технологии Разработка сквозной технологии производства пружин

Разработка сквозной технологии производства пружин

Выбор материала и разработка технологии для изготовления пружин. Особенности добычи и подготовки железных руд, производства чугуна, стали и прута. Слесарно-механическая обработка прутков: навивка спиралью, закалка и нанесение защитного покрытия.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 25.01.2012
Размер файла 3,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Носова»

Кафедра технологий и сертификаций и сервиса автомобилей

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему

«Разработка сквозной технологии производства пружин»

Выполнил ст. гр ТСА-09

Глухарёв А.В.

Проверил: доцент ктн :

Зотов С.В.

Магнитогорск 2011,г

СОДЕРЖАНИЕ

  • ВВЕДЕНИЕ
  • 1.АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДЕТАЛИ
    • 1.1Выбор материала для изготовления пружин
  • 2.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ
  • 3. ГОРНО-РУДНЫЙ ЭТАП
    • 3.1 Добыча руды
    • 3.2 Подготовка железных руд
  • 4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЭТАП
    • 4.1 Производство чугуна
      • 4.1.1 Конструкция доменной печи
      • 4.1.2 Доменный процесс
    • 4.2 Производство стали
      • 4.2.1 Производство стали в кислородных конвертерах
    • 4.3 Разливка стали
  • 5. ЭТАП ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОГО ПРУТКА
    • 5.1 Горячая прокатка
    • 5.2 Очистка от окалины
  • 6. СЛЕСАРНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
    • 6.1 Обработка прутков на токарных линиях
    • 6.2 Нагрев и навивка спиралью
    • 6.3 Закалка и отпуск
    • 6.4 Дробеструйная обработка
    • 6.6 Нанесение защитного покрытия
    • 6.7 Контроль статистической нагрузки
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  • СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
  • ВВЕДЕНИЕ

Пружины являются распространенным деталями общего назначения. От конструкций и качества изготовления пружин зависит работоспособность и долговечность различных автоматов и автоматических устройств.

В силовом отношении пружины представляют собой детали высоко напряженные. Погрешности, допущенные при проектирований и изготовлении пружин, приводят к серьезным поломкам дорогостоящих машин и агрегатов. Между тем пружина - одна из немногих деталей, хорошо поддающихся расчету, так как в силу сравнительной простоты конструкции аналитические зависимости с достаточной достоверностью отображают реальные условия ее работы

  • В большинстве случаев пружины используются в машинах и приборах в качестве силовых элементов, обеспечивающих действие необходимых усилий на определенных участках пути (предохранители и др), амортизаторов, предназначенных для восприятия энергии удара и последующего рассеивания ее в виде затухающих колебаний, аккумуляторов энергии как источники движения (пружинные двигатели) , чувствительных элементов, изменяющих свои размеры пропорционально приложенной нагрузке (силоизмерители).

В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовления распределительного вала автомобиля, начиная с этапа горно-рудного процесса, заканчивая шлифовкой готового вала и придания ему готового вида. Главной задачей работы является разработка наиболее рациональной технологии изготовления детали автомобиля - распределительного вала с соблюдением всех требований к такому виду деталей и обеспечения безотказной работы непосредственно в узле.

Использованные методы добычи необходимого материала и обработки были выбраны из множества других металлургических и производственных методов. В данном случае выбранный материал проходил следующие этапы производства:

1) Горно-рудный (добыча необходимого вида руды, ее обработка и обогащение);

2) Металлургический (получение чугуна в доменных печах, затем сталеплавильный процесс в кислородном конверторе и непосредственная разливка стали);

3) Обработка металла давлением (заготовку распределительного вала прокатывают в горячем состоянии и штампают для придания геометрии детали);

4) Слесарно-механическая обработка (фрезерование, обтачивание, термообработка, шлифовка)

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДЕТАЛИ

В зависимости от вида нагружения различают пружины растяжения, сжатия, изгиба и кручение.

Под нагрузкой в пружине одновременно возникают несколько компонентов напряжения. Поэтому в каждом конкретном случае приходится выделять наиболее существенные из них: растяжения, сжатие, изгиб, кручение.

Вид нагружения пружины может совпадать либо не совпадать с характером напряженного состояния (таблица 1). Рассмотрим область применения наиболее распространенных пружин, представленных в этой таблице.

Наиболее обширную группу составляют цилиндрические винтовые пружины (натяжные) (I) и сжатия (нажимные) (V), которые применяются в тормозных и предохранительных устроиствах для создания начальных усилий, в кулачковых механизмах, зубчатых, храповых механизмах с целью исключения зазоров при их работе, в рессорных и буферных устроисвах транспортных машин в качестве амортизаторов, а также в различных приборах для преобразования усилий в механические перемещения и т. д.

К пружинам сжатия относятся также пружины кольцевые (II) и тарельчатые ( IV), обладающие относительно большой жесткостью и поглощающей способностью при малых габаритах. Пружины этих типов применяются в тяжело нагруженных амортизационных системах. А также для виброизоляций различных конструкций.

Блочные пружины (III), работающие на сжатие, изготовляются из неметаллических материалов и применяются, главным образом, в качестве виброизоляторов.

пружина прут слесарный спираль

Таблица 1 Основные виды пружин

Плоские пружины, работающие на изгиб (VI), применяются в основном, в приборостроений для силового замыкания различных звеньев, замыкания и размыкания контактов электромагнитных реле, микровыключателей и т.д.

Пружины, воспринимающие крутящие моменты, могут быть плоскими спиральными, винтовыми цилиндрическими (VII) и стержневыми (торсионы) (VIII). Пружины кручения воспринимают моментные нагрузки и выполняют в механизмах и машинах те же функций, что и пружины растяжения - сжатия.

Плоские спиральные пружины нашли широкое применение в качестве движения (аккумуляторов энергии) в различных механизмах: часах, заводных игрушках и т.д.

Зависимость между относительным перемещением точек приложения активной и реактивоной нагрузок от величины самой нагрузки для пружин всех типов практически однозначна. Такая зависимость, выражение в графической (рисунок 2) либо аналитической форме, называется характеристикой пружины. При построении характеристики пружины по оси абсцисс откладывают перемещение (линейные F либо угловые), а по оси ординат - нагрузки (усилия P либо моменты М).

Рисунок 2 Характеристика пружин

Характеристика большинства пружин, применяемых в машиностроении, прямолинейны (1) либо являются монотонными выпуклыми (2) или вогнутыми (3) кривыми. Характеристики некоторых пружин могут быть ломаными (4). Немонотонные характеристики имеют так называемые «хлюпающие» упругие элементы, например мембраны, которые вследствие специфичности работы для и ограниченного применения в данной лабораторной не рассматриваются

Для пружины с монотонной характеристикой производная называется жесткостью, а обратные называются податливостью пружины

Также для пружин имеет место быть такое явление как гистенезис, обусловленное внутренним трением в материале пружины, а в некоторых конструкциях- внешним трением между ее элементами, используется для демпфирования колебаний. Гистерезис, а также упругое последствие и ползучесть являются проявлениями упругих несовершенств материала. Упругое последствие проявляется в некотором запаздывании деформаций пружины относительно моментов приложения t=0 либо снятия t = нагрузки (рисунок 3, б). пластическое последствие , являясь одним из проявлений ползучести, характеризуется той частью деформаций пружины, которая сохраняется после разгрузки неограниченно долгое время.

Рисунок 3, Упругое несовершенство материала: а- гистерезис; б - последствие;

Гистерезис, а также упругое последствие и ползучесть являются проявлениями упругих несовершенств материала. Упругое последствие проявляется в некотором запаздывании деформаций пружины относительно моментов приложения t=0 либо снятия t = нагрузки (рисунок 3, б). пластическое последствие , являясь одним из проявлений ползучести, характеризуется той частью деформаций пружины, которая сохраняется после разгрузки неограниченно долгое время.

Другим проявлением ползучести является релаксация , то есть «рассасывание», ослабление напряжений при постоянной деформаций. Ползучесть обуславливает временную нестабильность характеристики пружины, что может привести к функциональному расстройству агрегата, а в некоторых случаях - к аварии

Характер нагрузки пружины по времени нагрузки пружины по времени может быть различным. Из всего многообразия законов нагружения остановимся на трех наиболее характерных.

Рисунок 4, характерные циклы напряжений: а - знакопостоянный; б - симметричный; в - пульсационный;

Статистическая нагрузка, при которой долговечность пружины наиболее велика.

Ударная нагрузка характеризуется ее мгновенным приложением и снятием с возникновением значительных внутренних напряжений.

Циклическая нагрузка характеризующая периодичностью действии. Характерные циклы в координатах напряжения - время представлены на рисунке 4. Основные параметры цикла(рисунок 4,а):

Коэффициент ассиметрий

Среднее напряжение

Амплитуда напряжения

При r = -1 цикл называется симметричным ( рисунок 4,б), а при r = 0 - пульсоционным (рисунок 4,в). В соответствие с этим различают пределы выносливости материала при симметричных и при пульсационном циклах.

1.1 Выбор материала для изготовления пружин

Материал для пружин должен удовлетворять комплексу разнообразных требований, продиктованных условиями работы и изготовления пружины. Это прежде всего высокие прочностные характеристики, дающие возможность проектировать пружины с минимальным весом и размерами. Поэтому желательно применение таких материалов, предел упругости которых приближается к их временному сопротивлению.

Материал пружин, работающих при циклической и ударной нагрузках, должен обладать высокими пределом выносливости и ударной вязкостью. Наконец, все пружины независимо от характера воспринимаемой нагрузки должны длительно сохранять свою геометрию и характеристику, что обеспечивается релаксационной стойкостью материала. Это требование, равно как и требование максимального увеличение предела упругости, особенно важно при работе пружин в условиях температур (свыше 120 градусов). Если пружина работает в агрессивных средах, материал должен обладать коррозионной стойкостью.

Требование к материалу, определяемые технологией изготовления пружины, включают в себя: достаточную пластичность (для осуществления навивки, штамповки, заневоливования), хорошую прокаливоемость (для равномерной термообработки по всему обьему), отсутствие склонности к поверхностному обезуглероживанию при термообработке и т.д. Перечисленные требования в сочетании со степенью ответственности пружины и экономическими соображениями.

Должны учитываться конструктором при назначении материала

Для изготовления пружин применится стальная углеродистая проволока холоднотянутая проволока круглого сечения от 0,14 до 8 мм, стальная пружинная холоднокатаная лента, качественная рессорно-пружинная горячекатаная сталь, сплавы цветных металлов.

В тех случаях, когда диаметр проволоки превышает 8 мм либо к ней предьявляются какие-нибудь особые требования, применяют качественную рессорно-пружинную сталь, технические условия на которую регламентированы ГОСТ 14959-69. Навивку пружин из этой проволки производят либо в холодном состоянии (в этом случае проволку перед навивкой тщательно отжигают), либо в горячем (тогда предварительная термообработка не требуется). После навивки пружины подвергаются термообработки - закалке и отпуску.

Выбор материала для изготовления цилиндрических пружин сжатия и растяжения из стали кругового сечения необходимо производить в соответствий и с ГОСТ 13764-68. Этот стандарт, однако, не распространяется на пружины работающие при высоких температурах).

Основываясь на ГОСТ 13764-68: в легковом автотранспорте (в подвеске) лучше всего использовать сталь марки : 60С2ГФ, а также её заменители 50ХФА,50ХГФА

Таблица 2 Химический состав в процентах стали марок 50ХФА, 50ХГФА, 60С2ГФ.

Сталь 50ХФА

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

V

Cu

0.46 - 0.54

0.17 - 0.37

0.5 - 0.8

до 0.25

до 0.025

до 0.025

0.8 - 1.1

0.1 - 0.2

до 0.2

Сталь 50ХГФА

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

V

Cu

0.48 - 0.55

0.17 - 0.37

0.8 - 1

до 0.25

до 0.025

до 0.025

0.95 - 1.2

0.15 - 0.25

до 0.2

Сталь 60С2ГФ.

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

V

Cu

0.56 - 0.64

1,4 - 1.8

0.4 - 0.7

до 0.25

до 0.025

до 0.025

0.9 - 1.2

0.1 - 0.2

до 0.2

Мы выбираем марку стали 60С2ГФ - эта сталь содержит в себе 0,6% углерода, 2% содержания кремния, а марганца и ванадия менее одного процента! Стали с содержанием марганца в малой степени подвержены поверхностному обезуглероживанию, благодаря чему диаметр заготовок может достигать 20 мм. Также в этой стали содержится кремний, который снижает склонность к образованию трещин и повышает предел упругости. А введение в сталь ванадия способствует повышению механических характеристик вообще и усталостной прочности в особенности, а также снижению склонности к обезуглероживанию.

Наряду с химическим составом большое влияние на работоспособность пружин оказывает качество поверхности проволоки, не гладкая поверхность, трещины, закаты, раковины, ржавчина и другие дефекты снижают усталостную прочность и могут свести на нет эффективности применения пружинных материалов.

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ

После переработки руды в доменной печи горячий металл поступает в кислородный конвертор, где производят жидкий металл с разливкой в слитке. Слиток подвергают предварительной термической обработке, которая состоит из высокого отпуска. Проходит снижение внутреннего напряжения и снижение твердости. Далее производится горячая прокатка(заготовка-слиток становится заготовкой-прутком) и затем идет обработка металла давлением. Заготовка поступает на сортовой стан с круглым сечением. После выхода из сортового стана мы имеем пруток-заготовка круглой формы, которую можно передавать на механическую обработку

После обработки металла давлением идет механическая обработка. Она заключается в том, что прокатанный пруток круглого сечения из пружинной стали марки 60С2ГФ подвергают следующим операциям.

Первая операция - обработка прутков на токарных линиях до нужного диаметра, со снятием верхнего обезуглероженного слоя.

Вторая - нагрев и навивка спиралью. Затем - закалка и отпуск. Потом дробеструйная обработка: в специальной камере пружины обстреливают потоком мелкой стальной дроби - так очищают от окалины, упрочняют поверхностный слой и повышают усталостную прочность.

Следующий этап - холодная осадка, или заневоливание пружин. Их трижды сжимают до соприкосновения витков, после чего длина уменьшается примерно на 18 мм от первоначальной.

Заключительная операция - контроль статической нагрузки. Сжав пружину с определенным усилием, измеряют ее длину.

Схема 1.1. Выбранный технологический маршрут изготовления детали.

3. ГОРНО-РУДНЫЙ ЭТАП

Изготовления распределительного вала производится из выбранной нами Сталь конструкционная рессорно-пружинная. 60С2ХФА, как и любая другая сталь, проходит изначально этап переработки руды, полученной на первом и основном этапе производства какой-либо стальной детали.

Горно-рудный этап заключается в добычи руды - минеральных ископаемых, содержащих металл в виде оксидов или сульфидов, пустую породу (кварц, песок, глина) и различные примеси (к полезным можно отнести марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден, а к вредным - серу, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и, в большинстве случаев, медь); и последующей ее обработке.

Классификаций руд по содержанию в них основного металла - железа:

· Железные с содержанием основного металла (железа) около 70%:

Ш Красный железняк (около 70% содержание железа);

Ш Бурый железняк (50-70% содержание железа);

Ш Шпатовый железняк (30-40% содержание железа;

· Марганцевые с содержанием железа 20-50% и марганцем - 30-40%.

Руда, используемая в домне без предварительного спекания, должна быть механически достаточно прочной. так называемые мартеновские руды, вводимые в шихту, должны быть кусковыми и иметь высокое содержание Fe при отсутствии примесей S и Р.

Для изготовления стали для распределительного вала будем использовать красный железняк с содержанием железа около 70% или бурый железняк с содержанием железа в количестве 50-70%, что обеспечит нам более близкие к требуемым показатели материала.

3.1 Добыча руды

Рудное сырье в России добывается как методом открытых разработок, так и подземным способом - из шахт. Открытая добыча более дешевая, сопряжена с меньшими потерями сырья, однако экологически более опасна, связана с нарушением больших земельных площадей (примерно в десятикратном размере превышающем потери земли при шахтной добыче на единицу ресурса) и образованием большего объема отходов пустой породы.

Технологическая схема рудника.

Добыча руд подразделяется на производственные процессы, которые, в свою очередь, делятся на рабочие процессы и далее на операции. Эти процессы можно разделить на основные и вспомогательные.

А. Процессы горно-подготовительных работ, то есть проведение горных выработок, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому:

· Проходка горно-капитальных выработок (при вскрытии);

· Проходка выработок и бурение скважин эксплуатационной разведки;

· Проходка подготовительных выработок (при подготовке этажных горизонтов);

· Проходка подготовительно-нарезных выработок (при подготовке очистных блоков).

Б. Добычу (извлечение) полезного ископаемого:

· Отбойка руды - отделение части руды от массива посредством приложения внешней силы, с одновременным дроблением ее на куски;

· Доставка руды - перемещение отбитой руды в пределах выемочного блока или панели от места отбойки до места погрузки в транспортное средство откаточного горизонта;

· Вторичное дробление- измельчение чрезмерно крупных кусков (негабарита) на более мелкие (его применяют в большинстве случаев, однако оно может не понадобиться при мелком дроблении руды)

· Поддержание очистного пространства - комплекс мер, обеспечивающих управление горным давлением.

В. Процессы перемещения и дробления рудной массы вне очистного блока:

· Подземное транспортирование - перемещение рудной массы по этажным выработкам к шахтному стволу или удаленному от очистного блока капитальному рудоспуску, а при штольневом вскрытии - к устью штольни и далее к месту разгрузки на земной поверхности. Транспорт осуществляется электровозами в вагонах, автосамосвалами и конвейерами. Последние широко применяются только при механической отбойке руд;

· Подземное дробление в дробилках у шахтных стволов - измельчение рудной массы до крупности менее 200 мм;

· Подъем руды и пустой породы на поверхность - перемещение руды (рудной массы) по вертикальным или наклонным шахтным стволам в скипах, клетях, конвейерами или в автосамосвалах.

· Складирование руды на поверхности-- работы по размещению рудной массы на земной поверхности в бункерах или открытых складах, включая аварийные склады;

· Отгрузка потребителям.

3.2 Подготовка железных руд

Основными видами подготовки являются обогащение руд и окускование рудной мелочи, которые осуществляют только после целого ряда предшествующих операций: дробления, грохочения, усреднения и обжига.

Процесс подготовки железных руд представлен на схеме 4.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема 4.1. Технология подготовки железных руд

Дробление руды.

Добываемые на рудниках куски руды достигают размеров 1,2--1,5 м. Дробление руды проводят в несколько приемов: крупное -- до размера кусков 100--300 мм, среднее -- (40--60 мм), мелкое--(2--25 мм) и тонкое -- менее 1 мм. Для крупного и среднего дробления используют метод раздавливания кусков, который осуществляют в щековых, конусных или валковых дробилках, принцип действия которых показан на рисунке 4.1

Рисунок 4.1. Схема измельчения руды в дробилках:

а -- щековой; б -- конусной; в -- валковой

Для получения определенной консистенции руды будем использовать щековые дробилки производительностью до 500 т / ч, где раздавливание кусков происходит при сближении 18 качающейся и неподвижно закрепленной щек, рабочие поверхности которых облицованы плитами износоустойчивой марганцовистой стали, так как производительность такого вида дробильного оборудования наиболее производительно.

Мелкое и тонкое дробление или измельчение осуществляют в барабанных шаровых или стержневых мельницах, в которых удар сочетается с истиранием. Применяют также метод самоизмельчения руд, при котором в мельницу вместо металлических шаров или стержней загружают крупные куски измельчаемой руды или, иногда, морскую гальку.

2) Грохочение.

Грохочение - сортировка руды, заключающаяся в разделении измельченных материалов на классы крупности при помощи решеток или механических сит.

3) Обогащение.

Для повышения содержания железа и снижения содержания вредных примесей проводят обогащение сырой руды путем отделения рудного минерала от пустой породы, в результате чего получают концентрат и остаточный продукт -- «хвосты». Обогащение осуществляется несколькими способами и основано на использовании различия в плотности, поверхностных и магнитных свойствах материалов:

· Промывка. Этим способом обогащают руды, пустая порода которых состоит из глинистых и песчаных частиц, размываемых и уносимых потоками воды. Промывке подвергают крупнокусковые руды, так как мелкие фракции также уносятся водой. Наиболее широко используют корытную мойку производительностью до 100 т/ч, которая представляет слегка наклонный желоб длиной до 8 и шириной до 2,4 м. По длине желоба параллельно друг другу расположены два вращающихся шнека с набранными по спирали лопатками. В нижний конец желоба подают руду, а с противоположной стороны воду. Вращающиеся в разные стороны шнеки перемещают руду к верхнему концу желоба, разрушают непрочные частицы пустой породы, которая взмучивается и уносится встречным потоком воды. Содержание железа в руде повышается на 2--9% при степени извлечения железорудных минералов 85--89%.

· Гравитация. Метод основан на разделении в жидкой среде рудных минералов и пустой породы, имеющих различную плотность частиц. Основными методами гравитационного обогащения являются отсадка и разделение в тяжелых жидких суспензиях в винтовых барабанных сепараторах. Первый проводят в отсадочных машинах с неподвижным или подвижным решетом за счет создаваемой решетом или поршнем пульсации воды, которая выносит более легкие частицы пустой породы в удаляемый верхний слой.

· Флотация. Метод основан на различии поверхностных свойств частиц рудного минерала и пустой породы. Пульпу из воды и тонкоизмельченной руды с добавкой пенообразователей и собирателей перемешивают пузырьками воздуха в резервуаре. Смачиваемые частицы пустой породы оседают на дне и периодически убираются, а несмачиваемые частицы рудного минерала прилипают к пузырькам газа под влиянием поверхностно-активных веществ и всплывают на поверхность в виде пены, которую снимают вращающимися гребками. Способ позволяет из окисленных железных руд получить концентрат с содержанием железа до 70%.

4) Окускование руды. Для использования в доменной печи полученный в результате обогащения мелкий железорудный концентрат должен быть превращен в прочный кусковой материал, который не истирался бы при опускании в печи и не забивал бы проходы для поднимающихся газов. Способами окускования являются агломерация и производство окатышей (окомкование):

· Агломерация -- процесс окускования мелких железорудных материалов -- осуществляется путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или за счет подвода тепла извне. При агломерации в шихту можно ввести флюсы и другие полезные добавки, удалить вредные примеси (серу и частично мышьяк) и получить пористый, прочный и хорошо восстанавливаемый в доменной печи материал -- агломерат. Шихту, состоящую из рудного концентрата или мелкой железной руды, колошниковой пыли, коксовой мелочи и известняка смешивают, увлажняют и загружают слоем 200--350 мм на колосниковую решетку, на которую предварительно загружена «постель» -- слой мелкого агломерата. Затем холодный слой шихты нагревается проходящими через него горячими газами и испаряющаяся влага конденсируется в холодных нижних слоях, а верхние слои все более подсушиваются и нагреваются. В сухом слое воспламеняется топливо, частично восстанавливаются оксиды железа и образуются жидкие фазы, скрепляющие отдельные кусочки железной руды. Далее, при сгоревшем топливе, происходит охлаждение спекшившегося материала поступающим сверху воздухом. Схематически агломерационный процесс изображён на рисунке 3.

Рисунок 4.2. Схема агломерационного процесса:

а -- в начале процесса после зажигания шихты горячие газы из зоны

горения подогревают шихту; б -- зона горения опускается вниз; в --

заключительная стадия образования агломерата, который охлаждается

просасываемым воздухом

· Производство окатышей. Процесс производства окатышей состоит из получения сырых (мокрых) окатышей и их упрочнения путем подсушки и обжига. Рудный концентрат увлажняют, в шихту добавляют связующее вещество -- бентонит (мелкодисперсную глину), а при производстве офлюсованных окатышей -- известь и после перемешивания окомковывают в грануляторе. Гранулятор представляет собой вращающийся барабан или чашу большого диаметра, которые поставлены под углом к горизонту 2--3,5 и 45--60° соответственно. Шихтовый материал слипается в комья и при вращении комки окатываются до сферической формы. В зависимости от режима вращения гранулятора сырые окатыши могут иметь размер от 2 до 30 мм. Затем их подвергают сушке при 300--600 °С и упрочняющему обжигу при 1200--1300°С в шахтных печах, конвейерных или кольцевых обжиговых машинах, а иногда и на агломерационных лентах. В результате обжига образуется либо керамическая связка, либо происходит частичное оплавление поверхности частиц и их сваривание. Окатыши получаются более прочными, чем агломерат, и хорошо выдерживают транспортировку и перегрузки без значительных разрушений.

4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЭТАП

Полученная в процессе обработки руды шихта в виде прочных окатышей транспортируется в доменную печь для получение необходимого состава стали - Стали 60С2ХФА

Производство стали включает в себя три этапа:

· доменное производство, заключающееся в переделе полученной на горно-рудном этапе состава руды (шихты в виде окатышей) в чугун;

· сталеплавильное производство, заключающееся в обработке полученного в домне чугуна и доведение его состава до состава, соответствующего составу выбранной стали - 60С2ХФА;

· разливка стали в заготовки определенной формы.

4.1 Производство чугуна

Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах - железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже - из доломита или известняка.

В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают обогащению.

В доменном производстве применяют разные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая. Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца3.1

4.1.1 Конструкция доменной печи

Доменная печь является непрерывно работающим плавильным агрегатом шахтного типа. Сверху в нее загружают железорудные материалы (полученная на горно-рудном этапе шихта), кокс и отводят образующиеся газы, а снизу через фурмы подают горячий воздух и через летки выпускают жидкие продукты плавки -- чугун и шлак. Внутренний объем печи, ограниченный огнеупорной кирпичной кладкой (футеровкой), называемый полезным объемом. Наиболее крупные доменные печи имеют полезный объем более 5000 , и их производительность достигает 12000т чугуна в сутки, т.е. ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Внутреннее очертание вертикального разреза рабочего пространства печи называют ее профилем, в котором различают колошник, шахту, распар, заплечики и горн (рисунок 4.1). Профиль выбирают таким, чтобы в печи происходило равномерное опускание загруженных материалов и равномерное распределение по горизонтальному сечению печи поднимающихся снизу газов.

Рисунок 5.1. Вертикальный разрез доменной печи:

1 - фундамент, 2 - воздушное охлаждение низа лещади, 3 - лещадь, 4 - горн, 5 - заплечики, 6 - распар,7 - шахта, 8 - колошник.

Ниже колошника расположена шахта, расширение которой книзу позволяет материалам свободно опускаться вниз. Заплечики имеют сужающуюся книзу конусообразную форму, обусловленную тем, что в них происходит уменьшение объёма материалов в связи с образованием жидких продуктов плавки и выгоранием кокса. Между шахтой и заплечиками находится наиболее широкая цилиндрическая часть - распар. Над фундаментом печи расположена лещадь. Нижнюю часть лещади выкладывают из графитированных углеродистых блоков, наружную - из углеродистых блоков, а центральную из высокоглинозёмистого кирпича. Нижняя часть горна от лещади до леток служит для накопления чугуна шлака. В горне расположены летки для выпуски чугуна и шлака.

Распар и шахту выкладывают из шамотного кирпича; снаружи устраивают холодильники для отвода тепла от кладки и продления срока её службы. Колошник, располагаемый в верхней части шахты, изготавливают из стальных плит. Колошниковое устройство представляет собой систему механизмов, предназначенных для загрузки в печь шихты, отвода из неё газов и проведения монтажных работ. Материал подают на колошник при помощи двух тележек - скипов, движущихся по наклонному мосту.

4.1.2 Доменный процесс

В доменной печи загружаемые шихтовые материалы в результате протекания механических, физических и физико-химических процессов постепенно превращаются в чугун, шлак и доменный газ. Задача доменного процесса заключается в восстановлении оксидов железа, что обеспечивается непрерывным встречным движением шихты (вниз) и газов (вверх) и взаимодействием опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газов, образующихся при горении кокса в горне.

Длительность пребывания каждой опускающейся порции материалов в доменной печи составляет 4--6 ч. Образующиеся при сгорании кокса у фурм газы движутся вверх с большой скоростью навстречу твердым материалам по всему сечению печи, причем длительность пребывания образующегося газа в доменной печи составляет 1--3 с. За это время газ нагревает шихтовые материалы и восстанавливает оксиды металлов.

В процессе нагревания опускающихся материалов из них удаляется влага, происходит разложение карбонатов, а оксиды железа под действием восстановительных газов СО, Н2 и твердого углерода кокса постепенно превращаются в железо по схеме: Fe203->Fe304->Fe0->Fe.

Металлическое железо еще в твердом состоянии начинает науглероживаться, в результате чего снижается его температура плавления. Восстановление железа заканчивается при температуре 1000--1100°С и из оксидов начинают восстанавливаться кремний, марганец и фосфор, которые вместе с науглероженным железом образуют стекающие в горн капли чугуна.

В нижней половине шахты из составных частей пустой породы руды и флюсов начинается образование состоящего из оксидов (Si02, А120з, CaO, MgO) жидкого шлака, понижению температуры которого способствуют оксиды железа и марганца (FeO, МnО). В стекающем вниз шлаке постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а также зола сгоревшего кокса. В зоне заплечиков и горна из оксидов, растворенных в шлаке, при его взаимодействии с раскаленным коксом происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора. Здесь же поглощенная металлом в процессе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор полностью восстанавливаются из шлака и переходят в чугун, а степень восстановления марганца и кремния и полнота удаления серы из чугуна во многом зависят от температуры, количества и состава шлака.

Жидкие чугун и шлак, имеющие разную плотность, разделяются в горне на два слоя.

Высокие показатели плавки могут быть достигнуты только при равномерном распределении газового потока по сечению печи. При этом большое значение имеет газопроницаемость столба сырых материалов, их распределение во время загрузки на колошнике и перераспределение при движении в доменной печи. Для того чтобы обеспечить необходимое распределение шихты на колошнике, при котором достигается равномерный газовый поток по сечению печи, принимают различные меры.

Опускание шихты в доменной печи происходит благодаря сгоранию кокса, уплотнению материалов и образованию жидких продуктов, занимающих меньший объем. Поскольку основное количество кокса сгорает в фурменной области на расстоянии 1,2--1,6 м от стенок печи, то и скорость опускания шихты у стенок печи выше, чем по оси. Скорость опускания материалов у стенок печи составляет 90--140, а в центре печи 70--120 мм/мин.

Наиболее широко по сравнению с другими методами воздействия на распределение материалов и газов в печи используется изменение порядка загрузки кокса и агломерата.

О равномерности распределения газового потока обычно судят по температуре и составу газа в верхней части шахты и на колошнике печи.

Процессы в горне доменной печи. Подаваемое через фурмы горячее дутье участвует в процессах сжигания углерода кокса, углеводородов природного газа, мазута и окисления составных частей чугуна. Струя нагретого до 1100--1300°С воздуха обладает высокой кинетической энергией и вызывает циркуляцию кусков кокса, который горит во взвешенном состоянии. При его сгорании развиваются температуры до 2000 °С. Здесь располагается, так называемая, окислительная зона (до 1800 мм), характеризуемая наличием свободного кислорода и больших количеств диоксида углерода.

Горение углерода кокса происходит за счет кислорода воздуха по реакции:

С + 02=С02 + 393,5 кДж.

По мере удаления от фурм в условиях высоких температур и избытка углерода начинает развиваться реакция:

СО2+С=2СО--171,5 кДж.

Суммарную реакцию горения углерода кокса и образования СО, который является восстановителем, можно представить уравнением:

2С + О2=2СО + 221,0 кДж.

Азот воздушного дутья (около 79 %) в реакциях горения не участвует и полностью переходит в горновой газ. При использовании сухого воздушного дутья горновой газ за пределами окислительной зоны содержит примерно 35% СО и 65% N2. Его состав изменяется при обогащении дутья кислородом. Так, например, при увеличении в дутье содержания кислорода от обычных 21% до 30% газ будет содержать 46% СО и 54% N2.

При искусственном увлажнении дутья до 3--4% происходит разложение влаги углеродом по реакции:

Н2О + С = Н2+СО--131,3 кДж

и содержание водорода в газах достигает 2--3%.

При вдувании в горн природного газа в доменном газе увеличивается содержание Н2 и СО, но при этом в фурменной зоне не повышается температура, так как образующиеся при их сгорании Н20 и С02 в дальнейшем разлагаются углеродом кокса с поглощением тепла.

Средний состав покидающих горн газов, %: 35-- 45 СО; 1--12 Н2 и 45--64 Na, а температура 1600 °С.

Горячий газ быстро поднимается навстречу шихтовым материалам и отдает им свое тепло, при этом СО и Н2 расходуются на восстановление оксидов, превращаясь в С02 и Н20. Выходящий из печи колошниковый газ имеет температуру 200--400 °С и содержит примерно 20--30% СО; 2-8% Н2; 18% С02; 0,2--0,5% СН4 и до 60% N2.

Применение комбинированного дутья, которое включает в себя окислители (кислород) и восстановители (природный и коксовый газы, мазут) обеспечивает экономию дорогостоящего кокса и повышение производительности печи.

Восстановление оксидов железа, кремния, марганца и других элементов. Восстановлением называют физико-химический процесс получения металлов из их оксидов с помощью восстановителя -- вещества, которое способно соединяться с кислородом, входящим в состав оксидов. Восстановителем может быть элемент или химическое соединение, которое обладает большей химической активностью или большим сродством к кислороду, чем металл восстанавливаемого оксида. В доменной печи восстановителями служат газы СО и Н2 и углерод кокса.

Восстановление оксидов твердым углеродом называется прямым, а газами -- косвенным. Прямое взаимодействие углерода кокса с твердыми оксидами ограничено из-за плохого контакта между соприкасающимися кусками и под прямым восстановлением следует понимать участие твердого углерода и его расходование на восстановление оксидов косвенным путем. Фактически процесс прямого восстановления связан с газовой фазой и состоит из двух стадий -- реакции косвенного восстановления и реакции взаимодействия С02 с углеродом:

МеО + СО= =/Mе+С02 и С02+С=2СО.

Суммарная реакция:

МеО+С=Ме+СО.

С развитием реакций прямого восстановления сокращается количество твердого углерода, достигающего зоны фурм в верхней части горна, что снижает приход тепла. Кроме того, реакции прямого восстановления протекают с поглощением тепла. В связи с этим необходимо нагревать дутье до более высоких температур и увеличивать расход кокса. Поэтому прямое восстановление оксидов углеродом менее желательно, чем косвенное.

Для развития реакций косвенного восстановления нужно использовать природный газ или мазут, повышать равномерность распределения материалов и газов в печи, соответствующим образом подготавливать шихту к плавке. При надлежащем выполнении этих условий степень прямого восстановления может быть снижена с 50--60 до 20--40%.

Восстановление оксидов железа.

Восстановление оксидов железа до железа протекает последовательно: при температуре выше 570°С Fe203->Fe304->Fe0->Fe. При более низких температурах оксид FeO неустойчив и превращается в Fe или Fe304 и восстановление проходит следующие стадии: Fe203 ->Fe304->Fe.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода протекает по следующим реакциям: при температуре более 570 °С:

3Fe203 + СО = 2Fe3Os + СОг + 53,8 кДж; FeA + СО = 3FeO + С02 -- 36,7 кДж;

FeO + СО = Fe + СОг + 16,1 кДж;

при температуре менее 570 °С

3Fea03 + СО = 2Fe304 + С02 + 53,8 кДж;

Fe30„ + 4СО = 3Fe + 4СО„ + 2,9 кДж.

Восстановление заканчивается в верхней половине заплечиков, и материалы нагреваются до 1200--1300°С.

В восстановлении оксидов железа принимает участие и водород, образующийся при разложении влаги дутья и метана, природного газа. В этом случае восстановление водородом протекает по реакциям аналогичным реакциям восстановления с помощью СО.

При этом только реакция восстановления Fe203 до Fe304 идет с выделением тепла, все же остальные -- с поглощением.

Железо в доменной печи восстанавливается из оксидов почти полностью. Степень восстановления железа составляет 99,0--99,8%, а оставшаяся незначительная часть переходит в шлак.

Восстановление оксида кремния.

Кроме оксидов железа железная руда может содержать кремнезем, а агломерат и силикаты -- соединения кремнезема с другими оксидами. Оксид кремния (Si02) намного устойчивее оксида железа, поэтому кремний восстанавливается только углеродом в нижней части печи при высоких температурах и с поглощением тепла, т. е.:

Si + 2С = Si + 2СО -- 635,1 кДж.

Восстановление начинается при 1500°С, но в присутствии восстановленного железа происходит образование силицидов типа FeSi, сопровождающееся выделением тепла и растворением кремния в железе. В результате этого реакция прямого восстановления кремния протекает при более низких температурах (1050--1150°С). Условно эту реакцию можно представить в следующем виде:

Si2 + 2С + Fe = FeSi + 2СО -- 554,7 кДж.

Для более полного восстановления кремния необходимо повышать температуру и обогащать воздушное дутье кислородом, увеличивать расход кокса.

Восстановление оксидов марганца. Марганец, как и кремний, попадает в доменную печь либо с агломератом в виде силикатов марганца Mn0-Si02 и (Mn0)2-Si02, либо с марганцевой и железной рудой в виде оксидов Мп02, Мп20з и Мп304. Восстановление марганца из его оксидов протекает постепенно по схеме: Мп02 - Мn20- Мn30- МnО-Мп.

Первые три оксида легко восстанавливаются доменными газами при умеренной температуре 200--500 °С на колошнике по реакциям, идущим с выделением тепла:

2МnОг + СО = 03 + СО3 + 227,5 кДж;

3Mn203 + CO = 2Mn304 + СО2 + 170,3 кДж; Mn304 + CO = 3МnО + СО2 + 52,1 кДж.

Последняя стадия восстановления Мn из МnО протекает с поглощением большого количества тепла за счет углерода топлива при температурах более 1200 °С по реакции:

МnО + C = Мn + СО -- 288,3 кДж.

Степень восстановления марганца при выплавке обычных чугунов составляет примерно 60 %, а при выплавке марганцовистых ферросплавов достигает 90 %. Остальное количество марганца теряется в шлаке в виде оксидов и частично улетучивается с доменным газом. Для более полного извлечения марганца необходимо обеспечить высокое содержание извести в шлаке, а также дополнительный приход тепла за счет повышения расхода кокса и температуры дутья.

Поведение других элементов. В состав доменной шихты в небольших количествах входят химические соединения элементов, степень восстановления которых зависит от их расположения в ряде напряжений или химической активности. Медь, никель, мышьяк, фосфор полностью восстанавливаются и переходят в чугун. Цинк также восстанавливается полностью, но улетучивается и отлагается в порах и швах огнеупорной кладки печи и разрушает ее. Ванадий и хром восстанавливаются соответственно на 80 и 90%, а титан на 2--5 %. Свинец, полностью восстанавливаясь из сульфидов, накапливается в горне под слоем чугуна и проникает в мельчайшие поры и зазоры в огнеупорной кладке лещади и горна, разрушая их. Алюминий, магний и кальций, обладающие высоким сродством к кислороду, в условиях доменной плавки не восстанавливаются из своих соединений.

Железо, восстановленное в доменной печи из его оксидов, растворяет углерод и другие элементы, образуя чугун. Науглероживание железа начинается уже при его появлении в виде твердой пористой массы в зоне умеренных температур при 400--500 °С. В присутствии свежевосстановленного железа оксид углерода разлагается с образованием сажистого углерода, который, обладая большой поверхностной активностью, науглероживает твердое железо. Процесс науглероживания железа можно представить реакциями:

2СО = СО, + Ссаж и 3Fe + Ссаж = Fe3C + 15,3 кДж.

Температура плавления железа снижается по мере его науглероживания. Если чистое железо плавится при 1539 С, то его сплав с 4,3 % С при 1135 "С.

Примерно при 1250--1300°С, когда температура плавления сплава железа с 2--3 % С становится равной температуре доменных газов, начинается оплавление частиц железа и образование капель чугуна, которые стекают в горн печи. Капли соприкасаются с кусками раскаленного кокса и в результате прямого растворения углерода содержание его в металле еще больше увеличивается до 3,5--4,5 %.

На разных горизонтах печи в железо в небольших количествах переходят и другие элементы, такие как кремний, марганец, фосфор, сера, а в некоторых случаях и ванадий, мышьяк, хром, никель, медь. Окончательное содержание углерода в чугуне не регулируется и зависит от температуры чугуна и содержания в нем кремния, марганца, фосфора и других элементов, влияющих на растворимость углерода в железе. Обычно содержание углерода в передельном чугуне составляет около 4,5 %, а в литейном 4,0 %.

Параллельно с образованием чугуна в доменной печи образуется шлак из невосстановившихся оксидов, содержащихся в пустой породе агломерата или руды и флюса. На верхних горизонтах печи сначала образуется легкоплавкий первичный шлак с повышенным содержанием оксидов железа и марганца (FeO и МnО). По мере стекания вниз этот шлак все более нагревается, и в нем растворяются другие невосстановившиеся оксиды, такие как Si02, А120з, СаО и MgO, а содержания FeO и МnО в нем уменьшаются вследствие восстановления железа и марганца. На горизонте фурм в горне в шлак переходит зола сгоревшего кокса. Постепенно в шлак переходит сера, при взаимодействии с известью образуя прочный сульфид CaS. Конечный шлак, плавающий на поверхности чугуна в горне, на 90 % состоит из CaO; Si02; А1203, а остальное -- небольшие количества FeO, МпО, MgO, CaS.

Фосфор, за исключением некоторых случаев, в основном считают вредной примесью. Он является причиной неоднородности слитка или отливки, а также снижает пластические свойства готовых металлических изделий, особенно в условиях низких температур.

В доменную печь фосфор попадает с минералами пустой породы агломерата или железной руды преимущественно в виде прочного соединения (СаО)4-Р2Об. Разложение этой соли облегчается в присутствии оксида кремния в результате протекания реакции:

(СаО)4- РА + SiO, = 4СаО -Si02 + РА,

а свободный фосфорный ангидрид Р205 при температуре более 1100°С восстанавливается углеродом кокса по реакции:

РА + 5С = 2[Р] + 5СО

и весь фосфор практически полностью переходит в чугун. Получить низкое содержание фосфора в чугуне возможно только при условии загрузки в доменную печь малофосфористых шихтовых материалов.

Сера также является вредной примесью, так как ухудшает текучесть литейных чугунов и вызывает красноломкость или разрушение стали при обработке давлением. На выпуске из доменной печи содержание серы в чугуне не должно превышать 0,03--0,07 %. Большую часть серы (70--95 %) вносит в доменную печь кокс в виде органических соединений, а остальную часть -- агломерат, окатыши и флюсы в виде сернистого железа FeS, пирита FeS2, барита BaS04 и гипса CaS04-2H20. До 20 % всей серы уносится из печи с доменными газами в виде H2S и S02, а остальная сера остается в металле и шлаке в виде сульфидов FeS и CaS.

Чтобы удалить серу из чугуна в шлак, нужно перевести ее в нерастворимые в чугуне прочные соединения, например в CaS. Для этого нужно, чтобы шлак в доменной печи был жидкоподвижным, хорошо нагретым и имел высокое содержание СаО для осуществления реакции:

FeS + СаО = CaS + FeO.

Эта реакция хорошо протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака, который поглощает CaS, а образующийся оксид железа FeO восстанавливается углеродом по известной реакции. Однако при повышении основности шлака Ca0/Si02 увеличивается его вязкость и снижается способность поглощать серу. Поэтому для улучшения условий удаления серы используют добавки оксида магния, разжижающие шлак.

Основным продуктом доменной плавки является чугун, а побочными -- шлак и доменный или колошниковый газ. Все они используются в промышленности, т. е. можно считать, что доменная печь работает по безотходной технологии.

Чугун -- это сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В состав легированных чугунов входят, кроме того хром, никель, титан и ванадий, количество которых зависит от состава шихтовых материалов и назначения чугуна. Доменные чугуны по своему назначению подразделяются на несколько видов.

Передельный чугун предназначен для дальнейшего передела в сталь в конвертерах, мартеновских и электрических печах. Он используется в жидком или твердом виде. На его долю приходится около 90 % выплавляемого чугуна. Средний состав передельного чугуна, %: 4,0-- 4,5 С; 0,3--1,2 Si; 0,2--1,2 Мn; 0,15--0,20 Р и 0,02--0,07 S.

4.2 Производство стали

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, примесей серы и фосфора. Исходные материалы для получения стали -- передельный чугун и стальной лом (скрап). Следовательно, сущностью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

В настоящее время сталь получают в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Кислородно-конверторное производство является наиболее подходящим, так как этот такой вид выплавки стали имеет высокую производительность, относительную легкость по сравнению с другими видами и быстроту, низкие затраты на строительство и выхода от того, что не используется никакое топливо, обеспечивает высокое качество получаемой продукции (высококачественная легированная сталь). Порядка 70% всей стали в России получается с помощью КК.

Кислородно-конверторный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Успех кислородно-конверторного процесса объясняется возможностью переработки чугунов практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30%.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены