Проект участка по производству высокотемпературных изоляторов из материала ЦМ-332 производительностью 15000 штук в год

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА КАФЕДРА ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ Пояснительная записка к курсовому проекту:

«Проект участка по производству высокотемпературных изоляторов из материала ЦМ-332 производительностью 15 000 штук в год»

Выполнил: Михеев Г. В.

Группа: РПМ-09

Руководитель проекта: д.т.н., доц. Еремеева Ж. В.

Москва 2013

• Введение
• 1. Описание изделия
• 1.1 Состав материала и характеристики его компонентов, применение
• 1.1.1 Состав материала
• 1.1.2 Характеристики компонентов материала
• 1.1.3 Применение
• 2. Технологическая схема производства изоляторов
• 3. Описание технологического процесса
• 4. Описание спецагрегата
• 4.1 Описание печи-аналога
• 5. Расчет материального баланса
• Заключение
• Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе будет рассмотрена технологическая схема производства высокотемпературных изоляторов из материала ЦМ-332. Этот материал относится к минераллокерамике и известен в промышленности как корундовый микролит.

Корундовая керамика является самым распространенным видом оксидной керамики благодаря доступности сырья (глинозема) и хорошему сочетанию механических, электрофизических и химических свойств, таких как:

— очень высокие прочностные свойства, которые сохраняются при нагреве до 1600 — 1700? С;

— отличные диэлектрические свойства;

— высокая химическая стойкость по отношению к кислым и щелочным реагентам;

— высокая твердость и износостойкость;

— высокая теплопроводность;

— способность выдерживать большие градиенты температуры и многократные термические удары.

Целью данной работы является проектирование участка по производству высокотемпературных изоляторов из материала ЦМ-332 производительностью 15 000 штук в год.

1. ОПИСАНИЕ ИЗДЕЛИЯ На заводе технической керамики изготавливаются изделия-изоляторы из материала ЦМ-332 (рис.1).

Масса изделия составляет 4,6 г. Годовой выпуск продукции — 15 000 штук в год.

Рис. 1 Изделие-изолятор из материала ЦМ-332 после прессования.

1.1 Состав материала и характеристики его компонентов, применение

1.1.1 Состав материала

1. Оксид алюминия ГН по ГОСТ 30 559–98.

2. Оксид магния по ГОСТ 4526–75 (в количестве 0,6% масс.). Оксид магния препятствует росту кристаллов и является хорошим связующим веществом.

1.1.2 Характеристики компонентов материала

1. Al2O3 марки ГН. Насыпная плотность 0.9−1 г/см3.

ГОСТ 30 559–98 Глинозем Неметаллургический.

Технические условия:

Настоящий стандарт распространяется на глинозем, представляющий собой кристаллический порошок оксида алюминия различных модификаций:

с высоким содержанием альфа-оксида алюминия — для производства электроизоляционных. Электрои радиокерамических изделий, специальных видов керамики, электрофарфора, огнеупоров, шлифовальных и абразивных материалов;

с низким содержанием альфа-оксида алюминия — для производства высокоглиноземистых цементов в качестве катализаторов и др.

В зависимости от физико-химического состава выпускают марки глинозема, указанные в таблице 1.

Неметаллургический глинозем выпускают в соответствии с требованиями настоящего стандарта.

По физико-химическим показателям глинозем должен соответствовать требованиям, установленным в таблице 2.

Массовая доля влаги в глиноземе всех марок не должна быть более 1.0%. При определении массы партии глинозема влажность не учитывают.

В глиноземе марки ГН содержание монозерен размером более 11 мкм не должно быть более 8%.

В глиноземе всех марок не допускаются видимые невооруженным глазом посторонние включения, технологически не связанные с производством.

Требования безопасности:

По степени воздействия на организм человека глинозем относят 4-му классу опасности (вещества малоопасные) по ГОСТ 12.1.005 и ГОСТ 12.1.007.

Глиноземная пыль относится к аэрозолям, преимущественно фиброгенного действия, предельно допустимая концентрация глиноземной пыли в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м3 по ГОСТ 12.1.005.

Воздушную среду рабочей зоны контролируют в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005, ГОСТ 12.1.007. Анализ проб воздуха на содержание глиноземной пыли проводят по методикам, утвержденным Министерством здравоохранения.

Глинозем пожаро — и взрывобезопасен.

На предприятиях—производителях и потребителях глинозема должна быть разработана нормативная документация по безопасности труда на производстве, применении и хранении глинозема в соответствии с ГОСТ 12.1.007.

Для индивидуальной зашиты органов дыхания от глиноземной пыли применяют респиратор ШБ-1 «Лепесток» по ГОСТ 12.4.028.

2. MgO.

ГОСТ 4526–75

Настоящий стандарт распространяется на оксид магния, представляющий собой белый порошок, почти нерастворимый в воде, хорошо растворимый в кислотах: на воздухе постепенно поглотает углекислый газ и влагу.

Оксид магния должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

По химическим показателям оксид магния должен соответствовать нормам, указанным в табл. 3.

Таблица 3

Требования безопасности:

Оксид магния может вызывать раздражение слизистых глаз и носа.

При работе с препаратом следует применять индивидуальные средства зашиты (респираторы типа «Лепесток», резиновые перчатки, зашитые очки), а также соблюдать правила личной гигиены.

Помещения, в которых проводятся работы с оксидом магния, должны быть оборудованы обшей приточно-вытяжной вентиляцией.

1.1.3 Применение По твердости ЦМ-332 (НRС 91—93), теплои износостойкости превосходит твердые сплавы, её красностойкость достигает 1200 °C. К недостаткам микролита относят низкую прочность при изгибе (350−400 МН/м2) и большую хрупкость. Инструменты, оснащенные пластинками микролита, не теряют своей твердости при нагревании в процессе работы до 1200° С. Поэтому их с большой эффективностью применяют в условиях безударной нагрузки при чистовой и получистовой обработке стальных и чугунных деталей, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов из высоких скоростях с небольшими глубинами резания и подачами. Из нее изготавливают тигли, втулки, чехлы для термопар, сопла для пескоструйной обработки, керамические подшипники.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ИЗОЛЯТОРОВ

Сырье (порошки): Вода

Al2O3, MgO

3. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА керамика изолятор электропечь глинозем Сырьём для производства служит:

1) Порошок Al2O3 +MgO.

2) 4,5% СКБ — 0,6 л на 1 кг смеси.

1.Мокрый размол в ШВМ Проводят для получения однородной смеси в пределах микрообъёмов за счет тесного смешивания и измельчения компонентов.

Шаровая вращающаяся мельница является простейшим аппаратом для измельчения и представляет собой гуммированный металлический цилиндрический барабан. Внутри него находятся размольные тела округлой формы из Al2O3 и измельчаемый материал. Также еще заливается вода. Назначение жидкости при мокром размоле — обеспечение лучшего распределения частиц, кроме того при использовании жидкости отсутствует пыление, в трещинах и щелях зерен образуется высокое давление вследствие действия капиллярных сил, способствующее разрушению частиц.

При размоле смесей выделяется большое количество тепла, поэтому барабан мельницы охлаждают с помощью водяной рубашки.

Шаровая вращающаяся мельница обеспечивает заданную производительность и высококачественное измельчение и смешивание порошков, проста в обслуживании и ремонте, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала, удовлетворяет требованиям техники безопасности.

Размол порошка идёт в водной среде с размольными телами из Al2O3 в течение 3 суток. Емкость мельницы 50 л, количество оборотов мельницы 40−45 об/мин, габариты 1435×980×1200 мм, вес 882 кг.

Рис. 2 ШВМ.

2. Сушка Цель операции: удаление влаги из смеси.

После мокрого размола смесь сушат в специальных шкафах. Длительность — 9 часов. Нагрев до 350 °C.

3. Просев Осуществляют на виброситах для разбивания агломератов.

Используют главным образом механические сита различных типов с максимальным размером ячейки 63 мкм. Параметры: диаметр сита 460 мм, частота вращения дебаланса 240 об/мин, производительность 100 кг/час, масса 0,145 т, габариты 600×800×1200 мм.

4. Механическое смешивание Данную операцию проводят для улучшения пластических свойств, повышения текучести и обеспечения смазки между частицами для уменьшения трения путем введения пластифицирующих веществ.

Пластификатор должен обеспечивать уменьшение усилия прессования, удаление из материала при температуре 600…700?С и изменение структуры. Этим требованиям отвечает 4,5% раствор синтетического каучука (СК) в бензине. Он придает смеси хорошую текучесть, обеспечивает высокую прочность заготовок при значительной скорости прессования. Главным его недостатком является, что каучук не удаляется полностью из изделия, оставляя после спекания 0,1…0,2 свободного углерода, клеящие способности каучука при длительном хранении ухудшаются. Перед употреблением раствор СКБ должен быть тщательно профильтрован через гигроскопическую вату и марлю.

На этом этапе в смесь добавляют связку 4,5% СКБ в расчете 600 мл на 1 кг порошка. Смешивают до сметанообразной массы в специальных смесителях.

Рис. 3 Смеситель барабанного типа.

5. Сушка Полученная смесь высушивается от бензина в сушильных шкафах при температуре 100? С.

Рис. 4. Сушильный шкаф.

6. Протир Проводят для разделения гранул по размерам частиц на фракции, выделения заданной фракции, используемой непосредственно для прессования, отделения ненужных фракций, подвергаемых дополнительной обработки (размолу), и механических загрязнений, а также увеличения сыпучести гранул.

Осуществляется через набор сит с максимальным размером ячейки 63 мкм. Параметры протирочного станка: производительность 30кг/час, диаметр сита 300 мм, количество оборотов рабочего вала 33 об/мин, габариты 820×2000×100, вес 490 кг.

7. Грануляция Цель операции: улучшение текучести Происходит в специальном устройстве — грануляторе на протяжении 30 минут при комнатной температуре. Смесь под действием вибрации скатывается в комочки различной величины, которые обладают хорошей текучестью для заполнения пресс-форм.

8. Прессование Осуществляют для придания порошкообразному телу определенной формы, сохраняющейся при некоторых внешних усилиях, при заданной плотности и пористости заготовки.

Для прессования изделий используют механический пресс. Он отличается высокой производительностью вследствие быстроходного плунжера, но и меньшей мощностью — 12 т. Прессование с предельной скоростью недопустимо, т.к. возникают трещины (темп не более 10 циклов/мин).

После прессования периодически производится контроль, не более через 50 шт. прессовок проверяют массу и высоту прессованных заготовок. При отклонении хотя бы одного параметра от допустимых значений, прессование прекращается и наладчиком проводятся необходимые изменение режима работы пресса.

Рис. 5 Пресс-автомат

9. Удаление связки Осуществляют в электропечи сопротивления в засыпке порошка глинозёма до температуры 1150° С с последующим охлаждением в печи. Нагрев изделий ведут очень медленно во избежание их растрескивания под влиянием удаляющихся паров или продуктов разложения пластификатора. При повышении температуры сначала плавится связка, затем испаряются её легкие фракции и происходит выгорание углеродистого остатка.

Рис. 6 Печь предварительного спекания.

10. Спекание Цель операции: достижение максимально возможного уплотнения изделий требуемыми структурой, физическими и механическими свойствами.

Спекание проводят в высокотемпературной печи при Т=1700°С в засыпке из оксида алюминия. Заготовки спекаются в течение часа, охлаждение заготовок происходит с печью.

Далее спеченные изделия отправляются на упаковку. Механической обработке не подвергаются. Производительность изоляторов составляет 15 000 штук в год и более, в зависимости от заказов.

Рис. 7. Высокотемпературная печь спекания.

4. ОПИСАНИЕ СПЕЦАГРЕГАТА Электропечь сопротивления камерная Назначение установки: электропечь сопротивления камерная лабораторная СНО 1000/12-ВП-В-М1 предназначена для термообработки изделий, не выделяющих агрессивные компоненты в воздушной среде до температуры 1250 °C.

Техническая характеристика:

Максимальная температура — 1250 °C Номинальная температура — 1200 °C Номинальная мощность — 63 кВт Напряжение питающей сети — 380 В Число фаз — 3

Частота — 50 Гц Среда в рабочем пространстве — воздух Размеры нагревательной камеры :

ширина — 800 мм высота — 1600 мм длина — 800 мм Габаритные размеры :

ширина — 2000 мм высота — 2850 мм длина — 2200 мм Масса — 2600 кг Устройство и принцип работы:

Электропечь состоит из :

1)Камера нагрева

2)Шкаф управления

3)Вытяжное устройство

4)Тележка (выкатной под) со съёмной ручкой

5)Нагревательные элементы

6)Футеровка Нагревательная камера включает в себя кожух и футеровку. Сварной кожух изготовлен из листовой стали. Футеровка выполнена из огнеупорного кирпича и муллито-кремнеземистого волокна.

В нагревательной камере, тележке и на двери установлены нагреватели из сплава сопротивления (фехраль). Нагреватели выполнены в виде спиралей и смонтированы на керамических трубках.

Футеровка печи состоит из шамотно-волокнистых плит и огнеупорного кирпича.

Спиральные нагреватели, расположенные на тележке, закрываются карбидно-кремниевыми плитами. Питание на нагреватели подаётся при помощи подвижных контактов, которые входят в неподвижные контакты внутри камеры при вкатывании тележки в камеру печи.

Рис. 8. Электропечь сопротивления камерная:

1 — камера нагрева; 2 — шкаф управления; 3 — вытяжное устройство; 4 — нагревательные элементы; 5 — футеровка

4.1 Описание печи-аналога Для повышения производительности производства и улучшения качества выпускаемых изделий можно заменить камерную электропечь сопротивления модели СНО 1000/12-ВП-В-М1 на камерную печь с выкатным подом модели VKT 1000/12 компании «LAC» (Чехия). Она при разных видах термообработки издедий при температурах до 1260 °C.

Техническая характеристика:

Максимальная температура — 1260 °C Номинальная температура — 1200 °C Номинальная мощность — 60 кВт Напряжение питающей сети — 380 В Объём — 1000 л Размеры нагревательной камеры (шЧвЧг): 900Ч600Ч2000

Габаритные размеры (шЧвЧг): 2350Ч2650Ч3050

Масса — 1500 кг Описание конструкции печи:

— рама и кожух из конструкционной стали;

— двери, открывающиеся вверх;

— заслонка, управляемая вручную, тележка (под) сварены из металлических профилей и листа;

— изоляция пода обеспечена облегченным кирпичом и жаропрочным бетоном с установленными нагревательными спиралями;

— спирали защищены плитами SiC;

— движение пода вручную при помощи затяжки;

— движение дверей обеспечено двумя гидравлическими цилиндрами;

— печь и дверь обеспечены изоляцией из минерального волокна;

— нагревательные элементы установлены на боках, дверях печи и поде;

— отключение нагрева конечным выключателем при открывании двери;

— в память регулятора «INDUSTRY» можно записать 30 управляющих программ, каждая программа может состоять максимально из 15 фаз, с помощью таймера реального времени обслуживающий персонал может запустить выбранную программу в заданный день и час;

— термопара типа «S», бесконтактное реле включения;

— электрораспределитель на правой стене печи;

Преимущества печи:

— прочная конструкция для тяжелых условий;

— отопление с 4 сторон обеспечивает равномерное распределение температуры;

— равномерное распределение температуры в печи ±5 °C;

— под защищен плитами SiC;

— высококачественные изоляционные материалы обеспечивают низкий эксплуатационный расход и снижение расходов энергии;

— независимый гарантийный блок;

— высокоточное программируемое регулирование температуры;

— полупроводниковые реле (плавная бесшумная работа, минимальное влияние помех на работу иных устройств);

— высококачественное заводское изготовление, техническое оснащение и безопасность эксплуатации.

Рис. 9. Камерная печь с выкатным подом модели VKT 1000/12 компании «LAC» (Чехия).

5. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА Изделие — высокотемпературный изолятор. Масса изделия составляет 4,6 г. Годовой выпуск продукции — 15 000 штук в год. Масса 15 000 изделий равна 69 кг.

Составим таблицу пооперационных потерь и отходов и определим прямое (з*) и полное (з) пооперационное извлечение:

Прямое извлечение: з*=100 — б/п — в/п, где б /п — безвозвратные потери, в/п — возвратные потери.

Полное извлечение: з=100 — б/п

Полное извлечение:

S= з1• з2• з3• з4• з5• з6• з7• з8• з9• з10•100%=98,12%

Проверка правильности расчета материального баланса:

Выход составляет: S* = (69/70,398) •100 = 98,01%.

Ошибка расчетов составляет: Д= S — S* = 98,12 — 98,01 = 0,11% < 0,5%. Следовательно, расчет выполнен правильно.

Из расчетов видно, что для получения 69 кг изделий из материала ЦМ-332 в год необходимо подать на операцию мокрый размол 70,398 кг смеси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены описание изделия, состав материала, характеристики его компонентов и применение.

Спроектирован производственный участок по изготовлению высокотемпературных изоляторов из материала ЦМ-332 производительностью 15 000 штук в год.

Приведена технологическая схема производства изделий и подробно описаны все технологические операции в производстве изоляторов с указанием технологических режимов на каждом переделе.

Рассмотрен спецагрегат с подробным описанием и предложен его аналог.

Рассчитан материальный баланс.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Либенсон Г. А., Лопатин В. Ю., Комарницкий Г. В. Процессы порошковой металлургии. Т.1, Производство металлических порошков. — М.: МИСиС, 2001. — 368 с.

2. Либенсон Г. А., Лопатин В. Ю., Комарницкий Г. В. Процессы порошковой металлургии. Т.2. Формование и спекание. — М.: МИСиС, 2002.

3. Кипарисов С. С, Падалко О. В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1988. — 488 с.

4. Панов В. С, Чувилин А. М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. — М.: МИСиС, 2001. — 428 с.

5. Либенсон Г. А., Панов В. С. Оборудование цехов порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1983 г. — 264 с.