Технологическая система производства черных металлов.

Темы 1-4.

Общие понятия в курсе СТОП.

Технологическая система производства черных металлов.

Обработка металлов давлением.

Технология литейного производства.

Нефть и нефтепереработка

(Сост.: В.О. Омаров – Одесса, ОГЭУ, 2007 г. с. 37)

                                                       

СОСТАВИЛИ:

    В.О. Омаров, канд. техн. наук, ст. преп.

 

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания предназначены для облегчения и упрощения работы студентов на лекциях и семинарах. Указания выполнены в форме конспекта лекционного курса и позволяют студентам сосредоточить внимание в ходе лекций не на механическую запись излагаемого материала, а на анализ его сути.

Основное внимание в тексте уделяется зависимости технико-экономических показателей рассматриваемого технологического процесса от применения конкретных технологических мероприятий. Причем акцент делается на вскрытие системной зависимости рентабельности производства, как от правильности выбора технологического принципа, так и от применения технологических мероприятий. Кроме того, показывается органическая связь между различными производствами, которые образуют единый производственный комплекс.

Использование данных методических указаний удобно при подготовке к семинарским занятиям, так как в них уже содержатся ответы на возможные контрольные вопросы. При подготовке к семинарским занятиям следует уделять внимание тексту, выделенному жирным шрифтом или курсивом, смысл которого может составлять суть вопроса на семинарском занятии.

 

Тема 1. Общие понятия в курсе “СТОП”

Технология – алгоритм действий рабочей силы заданной квалификации с помощью определенных орудий труда по отношению к определенным предметам труда, в результате выполнения которого с заданной производительностью получается изделие с конкретными свойствами (параметрами). /Следует не путать понятия технология и техническое обеспечение (техника)./

Виды производственных процессов.

Различают три вида производств - единичное, серийное и массовое производства.

Единичное производство отличается тем, что при переходе с одного вида продукции на другой не требуется высоких затрат, связанных с закупкой дополнительного оборудования, а переналадка существующего осуществляется за счет внутренних резервов. Характерными чертами является: низкая загруженность оборудования, высокая квалификация рабочей силы, высокие затраты на единицу продукции. Примеры - производство космических кораблей, предметы кустарного промысла, автомобилей “Ролс-Ройс”.

    Серийное производство отличается тем, что при переходе с одного вида продукции на другой требуются затраты (до ~ 15-25% стоимости производства) на закупку дополнительного оборудования и переналадку существующих производственных линий. Характерные черты - высокая загруженность оборудования, низкая квалификация рабочей силы, сравнительно низкие затраты на единицу продукции. Примеры - производство автомобилей, бытовой техники.

        

Массовое производство отличается тем, что при переходе с одного вида продукции на другой требуются затраты, сопоставимые со стоимостью всего производства, на закупку нового оборудования и новых технологических линий. Характерные черты - полная загруженность оборудования. Низкая квалификация рабочей силы, низкие затраты на единицу продукции. Примеры - производство спичек, серной кислоты, чугуна.

    Следует отметить, что данные определения носят скорее качественный характер и в некоторой степени условны.

Доменный процесс.

Суть доменного процесса заключается в ступенчатом восстановлении железа из его оксидов (основа железной руды), удалении вредных примесей с помощью флюсов и насыщении железа углеродом. Доменный процесс проводят в доменной печи относящейся к печам шахтного типа высотой ~ 30 м и диаметром ~12–15м. Печь состоит из 5-ти частей, изготовлена из листовой стали и выложена изнутри огнеупорным кирпичом и имеет систему водяного охлаждения. Каждая из частей печи, имеет свое специальное назначение и связана с друг с другом. Примерное соотношение размеров частей и их технологическое назначение рассматривается на нижерасположенной схеме.

В доменной печи непрерывно движутся навстречу друг другу два потока:

- вниз, под действием собственного веса, опускается шихта;

- вверх поднимается раскаленный газовый поток, в состав которого входит окись углерода СО, восстанавливающая железо из его оксидов, входящих в состав руды.

 

                           1- колошник – служит для порционной загрузки шихты и очистки от пыли доменных газов.                             

                              400 ^оС      Шихта загружается слоями.

                                                        

 

2- шахта - в ней происходят основные процессы косвенного восстановления железа из его оксидов с помощью СО.

                                                                                                                                                                                                                                                                                        

                                        700 ^оС                                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

                                                                                                                                                                                                                                                                 

                                                                                                                                                                                               

 

 

                                          900 ^оС

                                            

                                         3- распар – самая широкая часть печи, в которой самая высокая температура и происхо-

                                                     дят процессы окончательного восстановления железа и насыщения его

                                                   углеродом

                                 

4 -заплечики – в них находятся расположенные по окружности фурмы, через которые                                          вдуваются раскаленные воздух, природный газ и водяные пары.

                                 5- горн - в нем скапливаются расплавленные чугун (внизу) и шлак (вверху), которые

                              периодически выпускаются через летки (нижнюю и верхнюю).                                         

 

           Кокс в кислороде воздуха сгорает с выделением большого количества тепла; образующийся углекислый газ (СО₂) реагирует при высоких температурах с коксом (С), давая угарный газ (СО). Последний является хорошим восстановителем и ступенчато превращает оксид железа (руду) в губчатое железо, которое, насыщаясь углеродом, плавится и стекает в горн в виде чугуна. В нижней части шахты и распаре температура настолько высокая, что происходит и прямое восстановление железа углеродом кокса.

               

С + О₂                  СО₂ + Q       СО₂ + С                   СО

 

                                                 

                   +CO                         +CO                   +CO                                                              

Fe₂O₃                       Fe₃O₄                    FeO                      Fe             

                 -CO₂                      -CO₂                    -CO₂                                                                             

 

                                                                         +С, температура                                   

-СО

Кокс является источником тепла, опосредованным восстановителем, непосредственным восстановителем и науглераживающим компонентом. Так - как кокс является самой дорогой частью шихты и затраты на него составляют ~ 50% затрат по сырью, то экономия его - основная часть технологических мероприятий, связанных с подготовкой шихты и проведением доменного процесса.

Недостатки прокатки.

1.Высокая капиталоемкость и материалоемкость.

2.Энергоемкость.

3.Поверхность изделия требует механической обработки (недостаточно точная и чистая).

4.Требуется термическая обработка изделий.

Вывод: метод выгоден для крупносерийного производства заготовок, само производство обладает высокой конкурентоспособностью. Следовательно, организация прокатного производства, ввиду высокой капиталоемкости и низкой, но в то же время гарантированной прибыли, рентабельно при отсутствии конкурентов.

Волочение.

Суть метода заключается в протягивании заготовки (1) через отверстие инструмента под названием волока (2), диаметр которого меньше диаметра исходной заготовки (2); при этом диаметр изделия (3) уменьшается, а длина увеличивается. Волочение проводят в холодном состоянии, через несколько последовательно расположенных волок. Данным методом получают проволоку, калиброванные (с точным диаметром) прутки и тонкостенные трубы диаметром 0,002 - 5 мм. Исходным сырьем служит катанная (полученная прокаткой) проволока, прутья (арматура) и тонкостенные трубы.

    1                                                 2  3

 

    К волоке, как инструменту, предъявляются следующие требования:

-теплопроводность,

-твердость,

-сопротивление изгибу и удару.

В соответствии с требованиями, материал для изготовления волок - специальная инструментальная сталь, металлокерамика, технические алмазы. Следовательно, стоимость волоки весьма значительна.

Схема непрерывного волочения (схема 1.)

1                              2                              3

 

 

 

                                                                      4                     5

 

1 – подающий барабан, 2 – волоки, 3 – тянущий барабан, 4- редуктор,

5 – электродвигатель.

 

Общий алгоритм волочения. Исходное сырье очищают от окалины и ржавчины химическим способом - травят в фосфорной или соляной кислоте, удаляют технологически бракованные участки (участки с раковинами, слишком тонкие и т.п. вырезают, а годные - сваривают). Затем заделывают концы для того, чтобы их возможно было продеть через волоки и закрепить на барабан. Протягивают сырье - волочат - со скоростью, максимально возможной технологически. Волочение осуществляют на специальных волочильных станах (схемы 1,2). В ходе волочения волоки постоянно смазываются. По окончанию процесса - термическая обработка (при необходимости), контроль, разрезание на мерные части, консервационная смазка, маркировка.

Достоинства волочения:

1.Высокая производительность.

2.Точная и чистая поверхность (не нуждается в механической обработке).

3.Не требуется нагрев.

4.Метод подвергается автоматизации.

5.Сравнительно низкие затраты на оборудование.

6.Меняя волоку, легко перейти на другой диаметр изделия.

Недостатки волочения:

1.Высокая стоимость волоки.

2.Необходимость термообработки.

3.Низкая номенклатура изделий (получается только проволока, прутки и тонкостенные трубы).

Вывод: производство обладает высокой прибыльностью при низкой конкурентоспособности.

Прессование.

Прессование - метод обработки металлов давлением, при котором изделию придается нужные форма и размеры при выдавливании нагретого до состояния высокой пластичности металла из полости контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которого соответствуют форме и размерам сечения будущего изделия. Полученное изделие называется профиль, т.е. имеет одинаковое сечение по всей длине.

       1                                                                                     2  3               1-контейнер

                                                                                                                                        2-отверстие матрицы                                                                                                                                                  3-изделие                             

                                                                                                                                        4-металл

                                                                                                                                        5-поршень                          

                                                                                                                                        6-матрица

                                                                                                     4

           5                                                                                   6

               

 

К металлу, из которого изготовлен контейнер и матрица предъявляются следующие требования:

-жаростойкость,

-сопротивление давлению,

-низкая адгезия к выдавливаемому металлу.

Контейнер и матрицу изготавливают из специальной высоколегированной стали, следствием чего является их высокая стоимость. Сырьем для прессования служат цветные металлы и сплавы, которые становятся пластичными при сравнительно низких температурах.

Достоинства метода:

1.Высокая производительность.

2.Высокая точность и чистота поверхности.

3.Метод подвергается автоматизации.

4.Можно изготвливать сложные профили.

5.Легко перейти на изготовление другого профиля, поменяв матрицу.

Недостатки метода:

1.Высокая стоимость контейнера и матрицы

2.Ограниченность номенклатуры по материалу.

3.Ограниченность номенклатуры профилями.

4.Высокие энергозатраты (нагрев металла)

Вывод: метод выгоден для производства сложных профилей их цветных металлов и сплавов, при организации производства в виде производственного участка в цехе.

Свободная ковка.

Суть метода заключается в придании изделию нужных размеров и формы путем последовательных ударов молота или нажатий бойка пресса по заготовке, нагретой до состояния пластичности.

 

3  2  1                                                                                                                                                    Р                 

 

                                                                              1. Верхний боек.        

                                                                          2. Заготовка.   

                                                                            3. Нижний боек (наковальня)

 

 

 

 Полученное изделие называется поковкой и служит, в основном, заготовкой для дальнейшей механической обработки. Различают ковку ручную и механическую. Ручная ковка служит для ремонта и единоразового получения мелких изделий.

Механическая ковка позволяет получать изделия массой до нескольких сотен тонн и предполагает использование механического молота или механического пресса. Использование механического молота (массой падающей части может достигать 16-20 тонн) позволяет получать поковки массой до 2-х тонн. Пресс сложнее и дороже молота, однако позволяет осуществлять нажатие в значительно большем интервале давлений и получать крупные поковки массой до нескольких сотен тонн.

Общий алгоритм ковки. По чертежу поковки определяют массу и вид заготовки, а затем - последовательность термических и кузнечных операций. После определяют вид и параметры оборудования. Проводится процесс формообразования согласно определенного ранее технологического режима. Основными операциями ковки являются: осадка, высадка, протяжка, рубка. По окончанию формообразования - термическая обработка, контроль, механическая обработка, маркировка, покраска.

Недостатки ковки.

1.Низкая производительность.

2.Высокая стоимость оборудования.

3.Низкая точность и чистота поверхности - необходима механическая обработка, следовательно - высокий расход металла.

4.Высокие энергоемкость, связанная с нагревом заготовки.

5.Требуется высококвалифицированная рабочая сила.

Достоинства ковки.

1.Единственный метод получения особо крупных изделий, к которым предъявляются особые требования к качеству внутренней кристаллической структуры, в связи сильными механическими нагрузками.

Горячая объемная штамповка.

Суть метода заключается в том, что нагретая заготовка принимает нужные форму и размеры с помощью специального инструмента - штампа. Причем в момент удара металл заготовки переходит в "мгновенно - текучее" состояние и заполняет полости штампа, называемые ручьями. Штамповкой можно получать изделия массой от нескольких грамм до 300 - 350 кг.

Штамп состоит из двух частей. Верхняя часть - подвижная и прикрепляется к молоту или прессу, нижняя часть - неподвижная. В связи с тем, что штамп испытывает сильнейшие механические и термические нагрузки, его изготавливают из специальной высоколегированной стали. Причем заготовку для штампа подвергают термической обработке, с последующим вырезанием ручьев фрезерованием и их дальнейшей шлифовкой. Следовательно, стоимость штампа крайне высокая. Штампы бывают одноручьевыми и многоручьевыми, простыми и сложными, заготовительными и т.п.

 

 

1         2                                4

                                                                                   

3

 

5

1(5) – верхняя (нижняя) часть штампа, 2 – ручьи, 3 – облой,

4 – заготовка.

Различают открытую и закрытую штамповку.

При открытой штамповке масса заготовки больше массы готового изделия и лишний металл “вытекает” в специальную щель в штампе, называемую облойной, образуя заусенец - облой. Это связано с необходимостью полного заполнения ручьев во избежание брака. Масса заготовки при окрытой штамповке, также должна учитывать и массу угара, возникающего при нагреве.

При закрытой штамповке облойная щель отсутствует и масса заготовки равна массе готового изделия, т.е. не происходит потеря металла на облой. Закрытая штамповка экономичнее, чем открытая, однако для закрытой штамповки требуется заготовка с формой, близкой к форме изделия и возможность нагрева металла без доступа кислорода во избежание образования угара. Следовательно, закрытая штамповка сложнее с технологической и организационной точки зрения и особо выгодна при производстве небольших изделий, где масса облоя в случае закрытой штамповки может составить значительную часть.

Алгоритм штамповки аналогичен алгоритму ковки, но с учетом алгоритма изготовления штампа.

Достоинства штамповки.

1.Очень высокая производительность.

2.Поверхность изделия точная, гладкая чистая, практически не требует механической обработки.

3.Внутренняя структура - сравнительно однородная, мелкокристаллическая. Изделие не требует термической обработки.

4.Метод легко подвергается автоматизации.

5.Не требует высококвалифицированной рабочей силы.

Недостатки метода.

1.Высокая стоимость оборудования.

2.Ограниченность номенклатуры по массе и сложности поверхности.

3.Высокая утомляемость рабочей силы на конвейере.

4.Невозможно изготовить изделия с внутренней структурой особо высокого качества.

Листовая штамповка.

       Листовая штамповка – получение плоских и объемных тонкостенных изделий из листового проката (лист, полоса, рулон). Этим методом получают кузова автомобилей, холодильников, изделия ширпотреба. Оборудованием листовой штамповки являются кривошипные и гидравлические прессы и штампы.

    Технологические операции листовой штамповки можно разбить на две группы:

     1.Разделительная (отрезка, вырубка, пробивка, надрезка, зачистка);

        

 

 

               Вырубка                                            Обрезка

 

 

 2. Формоизменяющая (вытяжка, гибка, обжим, формовка, отбортовка и т.п.)

                                                   1

                                              

                                                   2

                                     

                                                   3

                                                   4

 

1 – пуансон, 2 – заготовка, 3 – матрица, 4 – изделие.

 

Недостатки метода.

1.Ограниченность номенклатуры, обусловленная толщиной заготовки (не более 5 – 10 мм).

2.Высокая утомляемость рабочей силы на конвейере.

3.Низкие конструкционные свойства изделий, обусловленные исходным материалом («кипящая сталь»).

 

Вывод: штамповка выгодна для серийного и крупносерийного производства небольших изделий среднего и низкого качества из стали и цветных металлов и сплавов.  

 

 

Подготовительный этап

 

                                                                                       Основной этап

 

    Разрез формы с отливкой

 1               2           3                 4

                                                                                                      

                                                                                                   

 

 

5                           6                                         7