Разработайте технологический процесс изготовления вала длиной 200 мм, диаметром 80 мм, работающего на кручение

="center">CО₂ + C = 2CО-Q;

H₂ О(пар) + С(кокс) =Н₂+СО – Q .

Образуется смесь  восстановительных газов, в которых  СО – главный восстановитель железа из его оксидов. За счет СО и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40-6О% металлического железа.

В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.

Восстановление  железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

3Fe₂O₃ +CO= 2Fe₃O₄ +CO₂

Далее закись-окись железа восстанавливается в закись железа:

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

и, наконец, из закиси железа восстанавливается  железо:

FeO+CO=Fe+CO₂

Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах.

Прямое восстановление происходит твердым углеродом при  температуре

950-1000° в зоне  распара печи:

FeO+ Cтв=Fe + CO-Q.

Для выплавки 1 т  чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного  агломерата, 500 кг кокса. 

3.2. Устройство доменной печи. Продукты получения.

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. 

                                                       Рис.2. Схема доменной печи

1-колошник, 2-газоотвод, 3-шахта, 4- распар, 5-шлаковая летка, 6-заплечики, 7-фурмы,

8- горн, 9- чугунная летка 

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=Fe₃ С + 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).

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, Al₂ O₃.  

4. 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. 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.

4.1.  Процесс работы  электродуговой печи.

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 сталь 45, где «45» – 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).

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. 

                    

Рис.3. Схема  электродуговой печи

1-подина  печи, 2-желоб для выпуска плавки, 3-шихта, 4-корпус печи, 5-съёмный свод, 6-ролики, 7-гибкий кабель, 8-электродержатели, 9-электроды, 10- окно с заслонкой 

Производят плавку на 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 1500-1540 ⁰C 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.

Высококачественные стали разливают в слитки массой 500 кг– 7 тонн. Для высококачественных сталей используют разливку сифоном в изложницы.

В изложницах сталь затвердевает и получаются слитки, которые подвергают дальнейшей обработке. Поверхность слитка получается чистой. 

4.2.  Непрерывная разливка стали ( вертикальная).

Сталью заполняются  одновременно несколько изложниц: сталь  плавно, без разбрызгивания заполняет изложницы (меньше раковин и пустот, плен оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы).

Наиболее совершенный  способ разливки стали (изобретенный в  СССР) — непрерывная разливка, заключающаяся  в том, что жидкий металл из ковша 1,  через промежуточный ковш 2 непрерывно поступает в кристаллизаторы 3, охлаждаемые водой. Далее затвердевающий металл формируется прокаткой между валками 5 и потом разрезается на куски резаком 6. Куски стали, кантователями, укладываются на элеваторы.

Этот способ разливки стали имеет следующие достоинства:

1) при получении  заготовок небольшого сечения  исключается необходимость применения  дорогостоящих обжимных станов (блюмингов);

2) исключается  необходимость в изложницах, поддонах  и т. Д.;

3) отсутствуют  прибыльные части слитков, что позволит съэкономить до 20% металла.

Таким образом, слитки из сталеплавильных цехов  при применении непрерывной разливки стали могут направляться в горячем  состоянии непосредственно в  прокатку, что обусловливает значительную экономическую эффективность такого непрерывного цикла производства стали. 

Рис.4. Схема  установки непрерывной разливки стали (вертикальная)

1 – сталеразливочный  ковш, 2 – промежуточный ковш, 3-водоохлаждаемый кристаллизатор, 4-зона вторичного охлаждения, 5-тянущие валки,

6- ацителено-кислородный резак 

5. Получение заготовки  вала.

5.1. Ковка.

Ковка – вид  горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется  с помощью универсального инструмента. Полученные заготовки называют поковками.

 Поковки – это изделия, близкие по форме и размерам готовой детали, что резко повышает выход годного металла, так как позволяет полностью исключить или сократить потерю металла в виде стружки при операции резания.

Ковка улучшает свойства и качество металла. Волокнистое строение металла, образующееся в направлении пластического течения, при ковке может быть упорядочено так, чтобы неоднородность прочностных и пластических свойств поковок вдоль и поперек волокна не сказывалась на работоспособности конечных изделий.

Для изготовления поковок применяют заготовки простейших форм: круглого, квадратного, прямоугольного и многоугольного поперечного сечения.

Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.

          

                       1                                                               2

Рис.5 1-бойки, 2- процесс ковки

Температура ковки стали 45: начала 1250, конца 700.

Процесс ковки  состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных  операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым  инструментом.

Горячую деформацию применяют для обработки труднодеформируемых, малопластичных материалов и для изготовления крупных деталей. Каждый металл должен быть нагрет до вполне определенной температуры, чтобы не получить пережог и перегрев.

Нагревательные  печи применяют для нагревания металла  перед обработкой давлением. В печах теплота к заготовке передается главным образом конвекцией и излучением из окружающего пространства нагревательной камеры, выложенной огнеупорным материалом. Теплоту получают в основном сжиганием газообразного, реже жидкого, топлива (мазут).