Доменный процесс. 
Рабочие валки клети

Задание № 1

Сущность доменного процесса заключается в восстановлении железа из его окислов, имеющихся в руде; отшлаковании пустой породы и науглероживании восстановленного железа до чугуна.

Шихтовые материалы, загружаемые на колошник доменной печи, медленно двигаются вниз. Опускание шихты происходит благодаря освобождению объема из-за сгорания кокса, образования жидких продуктов плавки, уплотнения материалов. Поскольку основное количество кокса сгорает в фурменной области, то здесь и происходит основное движение материалов. Скорость опускания на периферии печи больше, чем по оси, например перемещение материалов по периферии колошника составляет до 140 мм/мин, а в центре 70—120 мм/мин. В верхней части горна около фурм в шихте образуются кратеры — зоны сгорания кокса. В центре столб шихтовых материалов, в основном кокс, постепенно погружается в жидкий шлак и выносится снизу к очагам горения.

Рисунок 1 — Распределение материалов в доменной печи: а — в зависимости от величины зазора между кромкой конуса и стенкой колошника; б — в зависимости от уровня засыпи.

Навстречу твердым материалам с большой скоростью по всему сечению печи движется газовый поток. Газы образуются при сгорании кокса около фурм. Длительность пребывания газа в доменной печи 3 с. За это время газы максимально отдают тепло холодным материалам и восстанавливают оксиды металлов. Для равномерного распределения газового потока по сечению доменной печи большое значение имеет газопроницаемость столба сырых материалов.

Зазор между кромкой большого конуса и стенкой колошника. Если посмотреть сверху на засыпанные в печь материалы, то можно увидеть неровную поверхность с кольцевым гребнем (рис. 1, а). При малом зазоре между кромкой конуса и стенкой печи гребень засыпи приближается к стенке. При увеличении зазора до гребень удаляется от стен, на периферию падают крупные куски шихты. Выбирают оптимальный зазор (800— 1050 мм) для того, чтобы не получал развития ни чрез­мерный осевой поток газа, ни периферийный.

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом — прямым. Реакции косвенного восстановления сопровождаются выделением тепла и происходят в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > FeO > Fe.

До температур 700 — 900 °C восстановление осуществляется газовым восстановителем (СО) по реакциям:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂,.

Fe₃O₄ + CO = 2FeO + CO₂,.

FeO + CO = Fe + CO₂.

По мере опускания шихты до горизонтов с температурой 900 — 1200 °C, выделяющийся в ходе восстановления углекислый газ (СО2) начинает взаимодействовать с углеродом топлива по реакции:

СО₂ + С = 2СО.

Процесс восстановления существенно изменяется и идет по реакции:

FeO + C = Fe + CO.

Таким образом, материал, загруженный в доменную печь, начинает восстанавливаться косвенным путем. По мере опускания шихты, выделяющийся в результате восстановления СО2 начинает взаимодействовать с углеродом твердого топлива и процесс непрямого или косвенного восстановления переходит в прямое восстановление.

Часть оксидов железа руды восстанавливается водородом, образующимся в доменной печи в результате реакции разложения паров воды:

Н₂О + С = Н₂ + СО Восстановление оксидов железа водородом происходит также, как оксидом углерода (СО), по стадиям от высших к низшим.

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O;

Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O;

FeO + H₂ = Fe + H₂O.

Водород, как реагент-восстановитель, характеризуется более высокой степенью использования. Вследствие меньшего размера молекулы по сравнению с молекулой СО водород проникает в мелкие поры и трещины восстанавливаемого куска рудного материала, в которые молекулы СО не могут проникнуть. Поэтому, несмотря на относительно небольшое содержание водорода в доменном газе, он производит значительную восстановительную работу.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун и шлак, выпускаемые из доменной печи в огненно-жидком виде, и доменный газ. Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ — побочными.

Виды, состав и назначение доменных чугyнов. Цель доменного производства состоит в получении чугуна, представляющего собой много компонентный сплав железа с угле­родом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться, кроме того, еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержа­ние основных элементов (С, Si, Мn, Р, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим стандартом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями до­менной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать сос­тав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:

• — передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь;
• — литейный, используемый после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий;
• — доменные ферросплавы — в основном ферромарганец, используемый в сталеплавильном производстве в качестве добавки в жидкую сталь для ее раскисления и легирования.

Основными составляющими шлака являются оксиды кремния (Si02), кальция (СаО), алюминия (АI2Оз). магния (MgO), а также небольшое количество НеО, МnO, CaS. В шлаках обычно содержится 6−20% глинозема (A1203, 38−42% кремнезема (Si02), 38−48% известно (СаО), 2−12% магнезии (MgO); 0,2−0,6% FеО; 0,1−2% МnO и 0,6−2,5% серы, в основном, в виде CaS. При этом шлаки характеризуются следующими значениями основности: СаО: Si02 = 0,9+1,3; (СаО + MgO): :Si02 = 1,05+1,45 и (Са О + MgO):(Si02 + Al203 = 0,7+1,2.

Доменный (колошниковый) газ. Газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть — колошник, называют колошниковым. Он состоит из СО, СН., N2, СО2 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используют как топливо для на­грева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, кок­совых батарей, отопления котлов и других целей. Горючими компонентами в газе являются СО, N2 и СH. Зная энтальпию химических реакций, горения этих компонентов, можно подсчитать что при полном сгорании каждого процента оксида углерода теплота сгорания 1 м^З газа повышается на 126 кДж, а каждого процента водорода и метана соответственно на 108 и 263 кДж.

Задание № 2

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и графитных включений. Свойства чугуна определяются свойствами металлической основы и характера включений графита.

Формирование микроструктуры чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения (толщины) отливки. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Углерод в составе чугуна может присутствовать в виде химического соединения — цементит Fe3C, графита или их смеси. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Места его залегания можно считать нарушениями сплошности металла. Чугун как бы пронизан включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По мере округления графитных включений (за счет модифицирования чугуна присадками SiCa, FeSi, Al, Mg) их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается и механические свойства чугуна растут.

Чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которых характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая — при изгибе (кг/мм2). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ12−28; СЧ15−32; СЧ18−36; СЧ 21−40; СЧ 24−44; СЧ 28−48; СЧ 32−52; СЧ 38−60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три — перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ 24−44, имеющего предел прочности при растяжении 24 кгс/мм2, предел прочности при сжатии составляет 85 кгс/мм2. Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм2), вторая — относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60−2 или ВЧ 40−10.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (кгс/мм2) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 38−8; КЧ 35−10; КЧ 37−12; КЧ 30−6 с ферритной металлической основой и КЧ 45−6; КЧ 50−4 и КЧ 60−3, имеющие ферритно-перлитную основу.

При данном составе структура чугуна в большей степени зависит от скорости охлаждения.

При данном составе чугуна, например при постоянстве суммарного содержания углерода и кремния, а также других элементов, входящих в его состав, можно получить цементитный, а также перлитно-ферритный чугун.

Отливки из серого чугуна (СЧ).

СЧ является распространенным металлом для получения отливок. В нем углерод находится в виде графита, а графит имеет пластинчатую форму. В соответствии с ГОСТ 1412–85 в нашей стране выплавляется 6 марок СЧ, маркируются СЧ10, 15…35, цифра показывает предел прочности на разрыв (кг/мм2). СЧ имеет хорошую жидкотекучесть, небольшую усадку 0,9−1,3%, из него можно получить отливки 3−4мм. По своей структуре СЧ может быть ферритным, феррито-перлитными перлитным. Ферритный чугун наименее прочный, из него получают неответственные отливки. Феррито-перлитный, полуферритный чугун имеет большую прочность, из него изготавливают отливки для работ при статических нагрузках. Перлитный чугун используется для деталей ответственного назначения.

Отливки получают в основном литьем в песчаные формы.

Отливки из высокопрочного чугуна (ВЧ).

В нем углерод в шаровидной форме, для этого его модифицируют магнием или церием, с последующим модифицированием ферро-кремнием маркируется ВЧ40, цифра показывает предел прочности на растяжение (кг/мм). В соответствии с ГОСТ 7293–85 в нашей стране выплавляется 14 марок ВЧ и отливок: ВЧ35-ВЧ100. Жидкотекучесть такая же как у СЧ, чо позволяет получить отливки 3−4мм. Усадка несколько больше 1,25−1,7%, что затрудняет получение отливок без усадочных раковин. Изготавливают в песчаных формах, в оболочной форме, литьем в кокиль и центробежным литьем. Применяют для изготовления ответственных деталей и для деталей ответственного значения, в металлургическом машиностроении для деталей с большими статическими нагрузками.

Отливки из ковкого чугуна (КЧ).

КЧ получается путем длительного отжига белого чугуна. В соответствии с ГОСТ 1215–79 в нашей стране выплавляют 11 марок КЧ: КЧ30−16, вторая цифра (16) показывает относительное удлинение в 5. чем выше прочность, тем меньше относительное удлинение. У КЧ усадка больше, чем у СЧ, поэтому образуются усадочные раковины и трещины. Для сокращения времени отжига его модифицируют алюминием, бором, висмутом. Температура закалки отливок более высокая 1450−1500оС. Конечная структура чугуна зависит от времени отжига. Отжиг в течение 20−22 часов дает перлитную структуру, отжиг 32 часа — ферритную структуру, 26*28 часов — феррито-перлитную структуру.

Чугун с вермикулярной формой графита.

В этом чугуне 40% графита, который имеет шаровидную форму, а 60% - в форме вермишели. В соответствии с ГОСТ 28 304–89 маркируется ЧВГ30−45. Относительное удлинение не более 3%. Модифицируют этот чугун магнием, титаном, германием и кальцием. Усадка такая же как у СЧ 1,1%. Его свойства близки к свойствам СЧ и ВЧ.

Как конструкционный материал серый чугун используются для широкого спектра изделий практически во всех отраслях машиностроительного комплекса. К числу наиболее крупных потребителей чугунного литья следует отнести автомобилестроение, станкостроение, тяжелое и металлургическое машиностроение, санитарно-техническую промышленность и пр.

В зарубежной практике из ЧВГ отливают также корпуса турбонагнетателей (100−1000 кг), выхлопные трубы локомотивных двигателей, маховые колеса, сложные толстостенные гидроплотные детали гидронасосов высокого давления, трубы газосборников, эксцентриковые зубчатые колеса и иные, герметичные и износостойкие детали для тяжелого машиностроения и т. п.

В ФРГ чугун с вермикулярным графитом в больших масштабах используется для производства головок цилиндров крупных морских дизельных двигателей взамен серого чугуна (масса этих головок 185−1000 кг), что позволило увеличить выходную мощность двигателей примерно на 50%. В Японии из ЧВГ отливают головки цилиндров для мощных высокоскоростных дизель-генераторов электростанций.

Отливки из ковкого чугуна широко используются во многих отраслях промышленности для широкого спектра номенклатуры деталей ответственного назначения: автомобилестроение, тракторное и сельскохозяйственной машиностроение, вагоностроение, судостроение, электропромышленность, станкостроение, санитарно-техническое и строительное оборудование, тяжелое машиностроение и пр.

Контрольная работа № 2.

Задание № 1

По количеству рабочих валков клети прокатных станов подразделяются на двухвалковые (дуо), трехвалковые (трио), четырехвалковые (кварто) и многовалковые станы. Число валков на станах может быть от 2 до 20.

Рисунок 2 — Схема расположения валков в двухвалковой клети Двухвалковые клети наиболее распространены, и бывают реверсивными и нереверсивными. Прокатываемый металл проходит между валками вперед и назад нужное количество раз, а валки соответственно меняют свое направление вращения. Реверсивные двухвалковые клети применяют в обжимных, толстолистовых, сортовых и листовых станах.

В трехвалковых клетях оси валков расположены в одной вертикальной плоскости и имеют постоянное направление вращения. Трехвалковые клети используют при производстве сортового проката. Прокатываемый металл движется в одну сторону между нижним и средним валками и в обратную сторону — между средним и верхним. Для подъема металла на верхний уровень устанавливают подъемно-качающиеся столы.

При производстве листа применяют трехвалковые клети, но со средним валком меньшего диаметра, чем нижний и верхний. Средний валок является неприводным и в процессе прокатки прижимается то к верхнему, то к нижнему валкам.

Наличие подъемно-качающегося стола в трехвалковых станах снижается производительность. Кроме того, валковая система обладает малой жесткостью и в последнее время применяется все реже.

Рисунок 3 — Схема трехвалковой клети.

Четырехвалковые клети имеют четыре валка, расположенные в одной вертикальной плоскости. Прокатка металла осуществляется только двумя внутренними, рабочими валками. Два остальных валка служат опорой для рабочих валков и предназначены для снижения упругой деформации рабочих валков и увеличения жесткости валковой системы. Приводными валками являются рабочие валки. В четырехвалковых клетях применяют рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижаются деформирующие усилия.

Рисунок 4 — Схема расположения четрыхи шестивалковой клети По расположению валков различают клети с горизонтальными, вертикальными, с горизонтальными и вертикальными (универсальные клети), с косыми валками.

Наиболее части используются двухвалковые станы с горизонтальным размещением валков. Клети с вертикальными валками (эджеры) применяются для бокового обжатия металла, когда нежелательна кромка.

Станы, у которых вблизи горизонтальных валков расположены вертикальные, называются универсальными. Обжатие металла осуществляется горизонтальными и вертикальными валками одновременно.

Привод прокатного стана может быть редукторным или безредукторным. Достоинством безредукторного привода является меньшая инерционность, более простая кинематическая схема, меньшие габариты.

Для станов используется групповой и индивидуальный привод. Схема прокатного стана с групповым приводом показана на рисунке 5. Групповой привод включает себя шестеренную клеть редуктор. Движение от одного двигателя распределяется на два шпинделя с помощью шестеренной клети. Это одноступенчатый редуктор, передаточное отношение которого равно единице. Шпиндели передают крутящий момент при отклонении от соосности до 10…12 є. Групповой привод применяется в основном на мелких станах. У подобного стана меньше электрооборудование и оно менее сложно.

Рисунок 5 — Схема прокатного стана с групповым приводом Наиболее предпочтительно в станах использовать индивидуальный привод (рисунок 6), когда каждый прокатный валок приводится в движение от своего электродвигателя. При этом возможно увеличить мощность привода каждого валка и ускорения. А требование в точном подборе валков отпадает. Индивидуальный привод позволяет регулировать скорости каждого валка и поддерживать определенное соотношение между ними. Как правило, скорость нижнего валка выше по отношению к скорости верхнего валка, что способствует лучшему прохождению металла по рольгангам.

Рисунок 6 — Схема электропривода с индивидуальным приводом.

Задание № 2

Приведите схемы, опишите физическую сущность, назначение и область применения методов пластического деформирования (без снятия стружки) с изменением формы обрабатываемой заготовки (накатывание рифлений, резьб, зубчатых колес, шпицевых валов) и без изменения формы обрабатываемой заготовки (обкатывание роликом, алмазное выглаживание).

Рисунок 7 — Схема пластической деформации Сущностью пластического деформирования является сдвиг в результате которого одна часть кристалла смещается по отношению к другой части.

Назначение пластического деформирования — закрыть микротрещины и создать наклепанный слой с внутренними напряжениями сжатия. Объемное пластическое деформирование создает наклеп в рабочем объеме детали.

Область применения: производство насосов, компрессоров, гидравлики, динамики газа и жидкости, перекачивающих станций.

Широкое применение данных методов обработки можно объяснить их высокой производительностью, способностью создавать поверхность с малой шероховатостью и необходимыми физико-механическими свойствами. Методы чистовой обработки основаны на использовании пластических свойств металлов, т. е. способности металлических заготовок воспринимать остаточные деформации без нарушения целостности поверхности. Отделочная обработка методами пластического деформирования сопровождается упрочнением поверхности, что очень важно для повышения надежности работы деталей. Детали становятся менее чувствительными к усталостному разрушению, у них повышается коррозионная стойкость, а также износостойкость сопрягаемых поверхностей. Удаляются риски и микротрещины, оставшиеся на поверхности от предшествующей обработки. В ходе обработки глобоидная форма кристаллов поверхности металлов может измениться, кристаллы сплющиваются в направлении деформации, образуется упорядоченная структура волокнистого характера. Поверхность на заготовке принимает требуемую форму и размеры в результате перераспределения элементарных объемов под воздействием инструмента. Исходный объем заготовки остается постоянным.

Обработка инструмента и деталей технологической оснастки методом алмазного выглаживания. Эту операцию применяют для упрочнения изделий твердостью до 65 HRC, а также вместо операции окончательного шлифования, полирования, доводки и суперфиниширования поверхности. Метод универсален и широко применяется для обработки стальных закаленных или термически не упрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, а также деталей из цветных металлов, их сплавов, высокопрочных чугунов. Выглаживание выполняют специальными инструментами — выглаживателями, оснащенными сфероидальными, трапециевидными или конусообразными деформирующими элементами, изготовленными из синтетических сверхтвердых материалов — карбонада, гексанита-Р, эльбора-Р и других материалов, реже — из природных алмазов или твердых сплавов.

В инструментальном производстве алмазное выглаживание используют при обработке колонок и направляющих втулок штампов для холодной штамповки, пуансонов, вкладышей пресс-форм, формообразующих поверхностей вытяжных штампов, зубьев круглых деформирующих, уплотняющих протяжек, прошивок, мерительных поверхностей и калибров-пробок. Износостойкость выглаженной поверхности увеличивается в 2−3 раза по сравнению со шлифованной и на 20- 40% по сравнению с полированной; износостойкость и контактная выносливость выглаженной хромированной поверхности на 35−50% выше полированной.

Рисунок 8 — Схема обработки детали алмазным выглаживанием Методы накатывания, выглаживания и деформирующего протягивания относятся к методам статического поверхностного деформирования. Характерным признаком этих методов является стабильность формы и размеров ОД в стационарной фазе процесса Наряду с этими методами в машиностроении существует большое число методов ППД, основанных на динамическом (ударном) воздействии инструмента на поверхность детали (рис. 6.4). В этих процессах инструмент внедряется в поверхностный слой детали перпендикулярно профилю поверхности или под некоторым углом к ней. Многочисленные удары, наносимые инструментом по детали по заданной программе или хаотично, оставляют на ней большое число локальных пластических отпечатков, которые в результате покрывают (с перекрытием или без него) всю поверхность. Размеры очага деформации зависят от материала детали, размеров и формы инструмента и от энергии удара по поверхности.

Рисунок 9 — Схема обработки ППД при ударном воздействии инструмента.

Задание № 3

Самым распространенным способом обработки деталей типа валов является обработка в центрах. При чистовом точении с большими скоростями и незначительными нагрузками центра следует оснащать вставками из твердого сплава марки ВК6, при получистовом точении со средними скоростями и нагрузками — марки Т5К10, при черновом точении с небольшими скоростями, но значительными нагрузками — марки Черновая и чистовая обработка ступенчатых деталей производится на одношпиндельных многорезцовых и гидрокопировальных полуавтоматах, вертикальных многошпиндельных автоматах, на токарных станках, оборудованных гидрокопировальными суппортами, и на универсальных токарных станках обычного типа.

Каждая последующая ступень обрабатывается отдельно после получения предшествующей ступени, при этом общая длина рабочего хода резца L_o будет составлять 250 мм, длина холостых перемещений L_x=250 мм, глубина резания — от 11 до 3,5 мм.

Получение ступенчатых поверхностей во многих случаях связано с подрезанием уступов после продольного точения. В этих случаях чистовая обработка уступов чаще всего осуществляется после обработки всех цилиндрических участков ступенчатой детали:

Комбинированными резцами, пригодными как для обработки цилиндрических поверхностей, так и для подрезания уступов и прорезания канавок, чистовую обработку ступенчатых деталей наиболее целесообразно производить по этой схеме: