Аналіз сучасного стану виробництва постійних магнітів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра Високотемпературних матеріалів та порошкової металургії

Пояснювальна записка

освітньо-кваліфікаційного

рівня “Бакалавр”

з фахових дисциплін по теорії та технології виробництва порошкових та композиційних матеріалів

на тему:

Виробництво порошкових постійних магнітів

ФК02.0222.1103.002.01ПЗ

Студентка групи ФК- 02 Пєхова Л.В.

Керівник проекту: доц. Мініцький А.В.

Київ - 2013



Завдання

магніт виріб обладнання технологічний

до курсового проекту освітньо-кваліфікаційного рівня “Бакалавр”

студентки Пєхової Лiдiї Вадимiвни

Тема курсового проекту: “ Виробництво порошкових постійних магнітів''

Затверджена на засіданні кафедри Пр. № ___ від «___ » 2013 р.____

Термін здачі студентом закінченого проекту 18 грудня 2013 р.

2. Вихідні дані до проекту:

Аналіз сучасного стану виробництва постійних магнітів.

Вид матеріалу (деталі): диск (D=25 мм, Н=10 мм) на основі Fe-Al-Ni-Co

Річна продуктивність виробництва: 15 т/рік

Перелік питань, що їх належить розробити:

а) Технологічна частина:

Обґрунтувати актуальність проектування виробництва постійних магнітів.

Вибрати матеріал для виробництва виробів згідно поставленому завданню та умов його роботи.

Вибрати технологічний процес виготовлення постійних магнітів.

Провести матеріальні розрахунки та скласти баланс матеріалів.

Вибрати та розрахувати необхідну кількість технологічного обладнання.

б) Спеціальна частина

Розрахувати розміри прес-форми та вибрати матеріал виходячи із властивостей матеріалу, умов жорсткості та міцності виробу.

5. Перелік графічного матеріалу:

1. Апаратурно-технологічна схема виробництва, що проектується.

( Графічна частина виконується форматом не меншим за А2).



Зміст

Вступ

1. Технологічна частина

1.1 Вибір і обґрунтування технологічного процесу

1.1.1 Вибір матеріалу

1.1.2 Вибір схеми технологічного процесу

1.2 Опис технологічного процесу

1.2.1 Обґрунтування асортименту продукції в технічних умовах на неї

1.2.2 Обґрунтування вибору основних видів сировини і технічні умови на неї

1.2.3 Опис технологічних операцій

1.3 Розрахунок і складання балансу матеріалів

1.4 Вибір і розрахунок кількості обладнання

1.4.1 Обладнання для розмелювання

1.4.2 Обладнання для дистиляції

1.4.3 Обладнання для просіву

1.4.4 Обладнання для змішування

1.4.5 Обладнання для пресування

1.4.6 Обладнання для спікання

1.4.7 Обладнання для намагнічування

2. Спеціальний розділ

Висновок

Література



Вступ

Порошкова металургія - область техніки, що охоплює сукупність методів виготовлення порошків металів і металоподiбних з'єднань, напівфабрикатів та виробів з них або їх сумішей з неметалевими порошками без розплавлення основного компонента.

З наявних різноманітних способів обробки металів порошкова металургія займає особливе місце, тому що дозволяє одержувати не тільки вироби різних форм і призначень, а й створювати принципово нові матеріали, які іншим шляхом одержати або дуже важко або неможливо.

У таких матеріалів можна отримати унікальні властивості. При цьому способі практично в більшості випадків коефіцієнт використання матеріалу складає близько 100%.

Порошкова металургія знаходить найширше застосування для різних умов роботи деталей виробів. Методами порошкової металургії виготовляють вироби, що мають спеціальні властивості: антифрикційні деталівузлом тертя приладів і машин (втулки, вкладиші, опорні шайби), конструкційні деталі (шестерні, кулачки), фрикційні деталі (диски, колодки), інструментальні матеріали (різці, пластини різців, свердла), композиційні (жароміцні) матеріали, електротехнічні деталі (контакти, магніти, ферити, електрощітки) для електронної та радіотехнічної промисловості.

Порошкові магнітні матеріали широко використовуються в електротехніці для виготовлення магнітоелектричних вимірювальних пристроїв, гальвано- і магнітометрів, осцилографів, лічильників, спідометрів, редукторів, електронно-променевих трубок, електричних машин та інших пристроїв і апаратів, в тому числі і малогабаритних.

Методами порошкової металургії отримують магнітном'які і магнітнотверді матеріали, магнітодіелектрики, ферити.

До магнітном'яких відносять матеріали з малою коерцетивну силою (Нс < 800 А/м) і високою магнітною проникністю. Вони намагнічуються до насичення в будь-яких магнітних полях, мають вузьку петлю гистерезиса і малi втрати на перемагнічування. Їх використовують як осердя дроселів, трансформаторів, електромагнітів і т.п.

До магнітотвердих відносять матеріали з великою коерцитивної силою (Нс > 4кА/м). Вони перемагнічуються у дуже сильних магнітних полях і служать в основному для виготовлення постійних магнітів.

Серед матеріалів спеціалізованого призначення в радіоелектроніці застосовуються матеріали з прямокутною петлею гистерезиса (ППГ), ферити для пристроїв надвисокочастотного діапазону і магнітострикційні матеріали.



1. Технологічний розділ

1.1 Вибір та обґрунтування технологічного процесу

Згідно із завданням до проектування та потребами багатьох галузей техніки було розглянуто і порівняно властивості різноманітних магнітотвердих матеріалів. З огляду умов роботи виробу та вимог до матеріалу було вибрано магнітнотверді матеріали на основі сплаву Fe-Ni-Al-Co Альнiко.

У результаті вивчення і аналізу відомих виробництв і розгляду та порівнянні методів одержання вихідної сировини і властивостей кінцевих виробів було вибрано технологічну схему, яка складається з наступних операцій: розмел порошків; змiшування; плавлення; розпилення; просів; залiзоалюмiнiева лигатура; пресування; спікання; термомагнiтна обробка і контроль якості виробу. Більш детально технологічні операції розглянуто в підрозділі 1.2.3.

1.1.1 Вибір матеріалу

Сучасні спечені магнітно-тверді матеріали за складом можна розділити на три групи: 1) магніти з дисперсійних-твердіючих сплавів; 2) магніти з дисперсних порошків заліза і залізокобальтового сплаву; 3) магніти з порошків сплавів на основі рідкоземельних елементів.

До першої групи належать магніти із сплавів, найбільш поширеними серед яких є сплави Fe-Ni-Al-Со, що випускаються в різних модифікаціях. До цієї ж групи належать порошкові сплави систем Сі-Ni-Со; Сі-Ni-Fe; Ag-Mn-Al; Fe-Co-Mo.

Порошок, отриманий з литих заготівок сплавів Fe-Ni-Al або Fe-Ni-Al-Co, змішують з твердими порошкоподібними складовими сплаву у вигляді порошків чистих металів, і пресують порівняно під невеликим тиском(приблизно 5 Т/см2), потім пресовки нагрівають до 1200-1800 0С і витримують при цій температурі декілька годин для полімеризації зв'язки.

До другої групи відносяться магніти з дисперсних порошків заліза або залізо-кобальтових сплавів з розміром частинок, наближених за розмірами до доменів (<5 мкм) з немагнітною зв'язкою, в якості якої використовують легкоплавкі метали та сплави (наприклад , свинець), полімери або оксиди.

Залізні і залізо-кобальтові магніти із мікропорошків вимагають застосування хімічних способів отримання частинок потрібного розміру (0,01-0,1мк).

Порошок отримують відновленням мурав'їнокислого заліза у водні при помірній температурі. З отриманого таким чином порошку пресують магніти і для підвищення корозійної стійкості просочують розчином смоли. Металокерамічні магніти мають зазвичай пористість 3-5% що викликає зниження Wmax і Br на 10-20%.

Недоліки виробництва магнітів, виготовлених із дисперсних порошків полягають в наступному: метод передбачає застосування операції електролізу, що являється негативним екологічним фактором, а також менш економічний з точки зору використання електроенергії.

До третьої групи відносяться магніти на основі сполук типу RэCо5. В цьому випадку в якості металу, утворюючого з'єднання, використовують рідкоземельні елементи Y, La, Ce, Pr, Sm, Nd або їх сплави.

Магнітно-тверді матеріали на основі сплавів Fe-Ni-Al-Со носять назву альнiко. Вони володiють рядом цiнних властивостей: корозійна стійкість, стабільність при високих температурах, велике значення Br (залишкова магнітніа індукція). Магніти альніко найтермостабільнішi серед всіх видів магнітів і можуть бути використані без значної втрати властивостей до 500-600 градусів Цельсія. Діапазон максимальної енергії - від 1,4 до 7,5 МГЕ. Вони тяжко розмагнічуються, що обумовлено тим, що мають високу коерцитивну силу.

Магніти альнiко знаходять широке застосування у промисловості, де необхідне вживання сильних постійних магнітів. Наприклад: для електродвигунів, електричних датчиків гітари, мікрофонів, датчиків, динаміків та ін.

1.1.2 Вибір схеми технологічного процесу

В даний час розроблено декілька технологій отримання магнітних матеріалів зі сплавів Fe-Ni-Al-Со: 1) метод порошкової металургії з подальшим пресуванням і спіканням і 2) ливарний метод.

При ливарному методi сплав розплавляють і виливають у форму. Після твердіння матеріалу виробляється груба шліфовка матеріалу, після чого термообробка і охолоджування, інколи з магнітним полем. При обробці з магнітним полем, получений магніт називається анізотропним. Анізотропні властивості забезпечують максимальну намагніченість і вищий рівень Гауса. Литі магніти, без термообробки в магнітному полі називаються ізотропними. Після термічної обробки і охолоджування матеріал шліфується відповідно до конкретних допусків і намагнічення.

Основним методом отримання магнітів із сплавів Fe-Al-Ni-Co є порошковий. Найбільш широко для виготовлення постійних магнітів застосовують сплави на основі заліза з вмістом 20-33% Ni і 11 - 17% А1, які додатково можуть легованих і іншими елементами, такими як Со, Сі, Ti і ін. Змінюючи склад сплавів і кількісне співвідношення елементів , що входять до їх складу, можна в широких межах регулювати магнітні властивості сплавів. Так, наприклад, збільшення в межах зазначених концентрацій вмісту Ni і А1 призводить до підвищення коерцитивної сили і зниження залишкової індукції. При цьому вплив Ni більш істотно, ніж Аl.

Легування сплавів, що містять близько 23% Ni і 10-15% А1, міддю також сприяє підвищенню коерцитивної сили та залишкової індукції. При більшому вмісті нікелю вплив міді дещо інше. У цьому випадку при підвищенні коерцитивної сили залишкова індукція зменшується.

Коерцитивної сила також підвищується при легуванні сплавів кремнієм і титаном при введенні їх до 1%. Подальше збільшення вмісту титану приводить до зменшення опуклості кривої намагнічування. Позитивний вплив проявляється також у зв'язування вуглецю в стійкі карбіди. Домішка вільного вуглецю навіть в кількостях, що не перевищують 0,1%, значно знижує коерцитивної силу і магнітну індукцію.

Найбільш сприятливий вплив на магнітні властивості залізонікельалюмініевих сплавів надає кобальт. При цьому вплив кобальту на магнітні властивості сплаву також суттєво залежить від вмісту нікелю та алюмінію. Так, при вмісті в сплаві 15 - 19% Ni і 13% А1 кобальт викликає підвищення коерцитивної сили та зменшення залишкової індукції, а при вмісті 21% Ni обидві ці характеристики значно зростають.

Для отримання максимальних магнітних властивостей розглянутих сплавів обов'язковим є їх термічна або термомагнітного обробка, що складається в гартуваннi і відпустці. Загартування повинна забезпечувати велику швидкість охолодження, ніж це потрібно для фазових перетворень, а відпустка - випадання дисперсної фази.

У якості вихідних компонентів для виготовлення магнітів на основі залізонікельалюмініевих сплавів застосовують порошки чистих металів або сплавів, отриманих карбонільні або електролітичним методом, спільним відновленням оксидів, розпиленням рідких металів і сплавів, а також порошки феросплавів, отримані методом подрібнення.

При виготовленні постійних магнітів із сплавів Fe-Ni-Al-Со принципово можливі три варіанти технологічної схеми:

1) змішування порошкоподібних складових сплаву у вигляді порошків чистих металів, пресування суміші та спікання виробів;

2) змішування порошків заліза, нікелю, кобальту, міді з порошками лігатури Al-Ni і Al-Fe, пресування і спікання;

3) подрібнення відходів литого сплаву необхідного складу з наступним пресуванням і спіканням.

Недоліком першого варіанту є наявність на частинках порошку алюмінію тонкої плівки оксиду алюмінію, що перешкоджає нормальному спікання. Внаслідок низької температури плавлення алюмінію (~ 660 ° С) і більш високої температури спікання, що забезпечує дифузію між всіма компонентами сплаву, алюміній довгий час перебуває в перегрітому стані, що призводить до його окислювання і азотування газами, що містяться в захисному середовищі спікання. Останні процеси (окрім освіти немагнітних фаз) викликають втрати алюмінію, порушують хімічний склад, що негативно позначається на магнітних властивостях сплавів.

Другий варіант дозволяє усунути недоліки першого - окислюваність і низьку температуру плавлення порошку алюмінію. Це досягається введенням алюмінію у вигляді лігатур.

Рисунок 1.1 Технологiчна схема отримання лігатури Al-Fe



Рисунок 1.2 Технологічна схема виробництва магнітів із сплавів типу Алніко

Найбільш часто для виробництва магнітно-твердих матеріалів використовують карбонільні порошки заліза і нікелю. Застосування порошків зазначених металів, отриманих іншими методами, зумовлює зниження магнітних властивостей одержуваних матеріалів.

За третього варіанту в якості вихідних матеріалів використовують відходи традиційних методів виробництва магнітів литтям з наступною механічною обробкою - ливарні відходи та стружку. У цьому випадку із зазначених відходів шляхом плавлення з наступним розпиленням отримують порошок магнітного сплаву, який і є вихідною сировиною для отримання магнітів методами порошкової металургії. 

Рисунок 1.3 Технологічна схема виробництва магнітів методом подрібнення відходів литого сплаву

Отриманий таким чином порошок має високу твердість, тому пресування заготовок із нього методами прямого пресування при кімнатній температурі утруднено. Більш доцільно застосовувати гаряче пресування в сталевих прес-формах при температурі 1100-1200 ° С в захисному середовищі. Отримані при цьому магнітно-тверді матеріали за властивостями значно поступаються матеріалами, отриманими по другому варіанту. Це обумовлено тим, що в процесі отримання вихідного порошку розпиленням розплаву, а також при гарячому пресуванні матеріал частково окислюється і, як було зазначено вище, його магнітні властивості погіршуються.

У зв'язку з викладеним третій варіант виготовлення магнітів не знаходить широкого застосування. Початкове ж сировина, яка використовується в цьому випадку, доцільно застосовувати після відповідного очищення і подрібнення як лігатури, вводячи її до складу шихти при виробництві магнітів по другому варіанту.

Для отримання високо щільних магнітів із сплавів альніко можна застосовувати також метод динамічного гарячого пресування (ДГП). Так, наприклад, при виробництві, магнітів із сплавів ЮНДК 24 вихідну шихту пресують при кімнатній температурі у брикети, які потім нагрівають до температури 1200 ° С і ущільнюють з високою швидкістю у відповідності із застосовуваним методом.

Застосування методів порошкової металургії у виробництві постійних магнітів з залізонікельалюмініевих сплавів дозволяє вдосконалювати процес з'єднання магніту з полюсним наконечником за рахунок їх спільного пресування і спікання. Для цього при пресуванні порожнину матриці поділяють спеціальною вставкою на окремі сектори, заповнюють їх відповідними порошками, витягають вставку і після цього здійснюють процес пресування. Під час подальшого спікання відбувається дифузійне взаємодію матеріалу магніту і залізного наконечника з утворенням якісного контакту.

1.2 Опис технологічного процесу

1.2.1 Обґрунтування асортименту продукції в технічних умовах на неї

В даний час існує великий асортимент високоенергетичних постійних магнітів. На даній дільниці будуть вироблятися високоенергетичні постійні магніти на основі системи Al-Ni-Co. Надалі вони можуть застосовуватись в різних експериментально-дослідних підприємств. Властивості деяких із порошкових магнітно-твердих матеріалів приведені в таблиці 1.1.



Таблиця 1.1 - Властивості порошкових магнітно-твердих матеріалів

Матеріал	Хімічний склад шихти, %	Магнітні властивості
Назва	Fe	Ni	Al	Co	Cu	Інші елементи	Вг, Тл	Нс,кА/м	ВН, кДж/м3
Альні	основа	25	13	-	4	-	0,5-0,6	36-44	7-9
Альніко		17	10	12,5	6	0,5Tl	0,6-0,7	44-52	9,4-11,4
Магніко		14	7,5	38	4	7,5Ti	0,7-0,8	160	32-36
Sm-Co	-	-	-	40	-	60Sm	0,8-0,9	600-640	136-152

На рисунку 1.4 приведені типові форми виробів, які розповсюджуються на постійні магніти типа альніко, призначені для використання в магнітних системах, елементах загальнотехнічного і спеціального призначення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б) в) г)

Рисунок 1.4 - Типові форми і розміри магнітів: а) паралелепіпеда - намагнічування h, a; б) сектора - намагнічування по r1, r2,а; в) кільця - осьове, діаметральне, радіальне намагнічування; г) диска - осьове, дiаметральне.

1.2.2 Обґрунтування вибору основних видів сировини і технічні умови на неї

При виготовленні постійних магнітів на основі Al-Ni-Co, для отримання максимальних магнітних властивостей потрібно надчисті порошки які входять в систему елементів, яка складає приблизно 99,9%. В таблиці 1.2 вказано список основних допоміжних елементів.



Таблиця 1.2 - Технічні умови на сировину, напівфабрикати і готову продукцію

№	Назва	Характеристика	ГОСТ
1	Алюмiнiй	А99, А85, А7	ГОСТ 11069-2001
2	Залізний порошок	ПЖВ1, ПЖВ2, ПЖР1, ПЖР2	ГОСТ 9849-86
3	Нікель	Н-1, Н-2, Н-3	ГОСТ 849 - 97
4	Кобальт	К1A, К1, К2	ГОСТ 9721-79
5	Спирт	Технічний

Свій вибір зупинимо на магнітах у формі диску з напрямком намагніченості, паралельній його осі. Розміри виробу і структуру умовного позначення (СУП) вибираємо у відповідності з МАЕР 680093.002 ТУ, які приведені в табл. 1.3

Таблиця 1.3 - Розміри виробу і СУП

СУП	Розміри	Напрямок намагніченості
	Діаметр D,мм	Висота Н, мм	Паралельно Н
К25x10	25	10

1.2.3 Опис технологічних операцій

Принциповими елементами технології виробництва постiйних магнiтiв типу альніко являються:

Отримання лігатури Al-Fe

Зазвичай використовувана Fe-А1-лігатура містить 48-53% А1. Нікель-алюміній лігатура використовується рідше в зв'язку з більш високою температурою її плавлення. Розмір часток порошку лігатури повинен бути менше 60 мкм, оскільки більш високодисперсні частинки сильніше окислюються, що призводить до ослаблення магнітних властивостей на 20-40%. З цієї ж причини вміст домішок у лігатурі не повинно перевищувати: С - 0,06%; Si - 0,20; А1203 - 0,20; Si02 - 0,06%.

Плавлення. Склад лігатури вибирають з таким розрахунком, щоб її температура плавлення перебувала в межах 1100-1200 ° С. Це полегшує процес диспергирування розплаву при отриманні порошків лігатури розпиленням і призводить до утворення рідкої фази при спіканні сплавів при температурі ~ 1300 ° С.

Розпилення. Суть подрібнення розплаву полягає в дробленні струменя рідини механічним методом або за допомогою енергоносія (газ або вода) високого тиску. При грануляції струмінь руйнується в результаті зливання її в рідке середовище, наприклад воду. В нашому випадку подають струмiнь розплаву с температурой 750° С i диаметром 1,5-2,5 мм у ємнiсть з проточною водою.

Просів. Ціль даного процесу полягає у відборі потрібної фракції порошку.

Подальше виробництво постiйних магнiтiв типо Альнiко

Розмелювання. Отримують порошки в кульовому млині в етиловому спирті (0,3-0,5 л/кг), на протязі 24 годин. Спирт подається для інтенсифікації процесу розмелювання. Основною метою являється отримання дрiбних частинок та отримання розвинутої поверхні частинок, яка необхідна для повного проходження процесу спікання. Тонке подрібнення при виробництві збільшує активність порошків в результаті, як зменшення розмірів частинок, так і деформації кристалічної решітки.

Характер подрібнення в планетарному млині залежить від швидкості, з якою обертається барабан і від сумарної величини поверхні розмелювальних тіл. При повільному обертанні барабана і розвиненої поверхні розмелювальних тіл відбувається стираюче розмелювання. При середній швидкості обертання барабану відбувається подрібнюючи розмелювання. Цей тип розмелювання дозволяє отримувати більш менш однорідні за розмірами частинки порошку, а значить і більш менш однорідну суміш. При швидкому обертанні барабана подрібнювальний ефект не спостерігається.

Дистиляція. Метою цієї операції є випаровування спирту, який був введений при розмелюванні. Після дистиляції отримуємо порошок з 5-8% остаточної вологості.

Просів. Ціль даного процесу полягає у відборі потрібної фракції порошку (фракція 10-15 мкм). Просів проводять на віброустановці протягом 3-х годин.

Змiшування. Метою операції є одержання рівномірного розподілення компонентів шихти. Порошок залізоалюмініевой лігатури, отриманий розпиленням, а також порошки інших компонентів змішують протягом 16-24 год у змішувачах будь-який конструкції. Іноді для поліпшення пресованої одержуваної шихти до її складу перед змішуванням вводять 0,3-0,5% стеарат цинку, що є мастилом.

Пресування. Метою операції є одержання заготовок заданої форми і розмірів з рівномірною щільністю та міцністю по всьому об'єму. Це визначається тиском пресування , хімічним складом, станом поверхні, формою, розміром частинок порошку та їх розподілом по фракціям, ступенем наклепу порошку, станом поверхні стінок прес - форми та наявністю відповідної змазки.

В нашому випадку вироби з отриманої шихти, в залежності від їх розмірів, пресують на механічних або гідравлічних пресах під тиском 800 МПа при двосторонній схемою пресування.

Спікання. Спікання - одна з головних операцій виготовлення матеріалів методом порошкової металургії. Метою операції спікання є надання виробам кінцевих фізико - механічних властивостей.

В нашому випадку спікають вироби в сталевих або керамічних контейнерах із застосуванням засипок. Як засипки використовують порошок ферроалюмінія, що містить 20-30% А1. Ця засипка інтенсивно взаємодіє з киснем і азотом середовища спікання, запобігаючи тим самим взаємодія з ними матеріалу виробу. Якщо є небезпека вуглецювання виробів, до складу засипки вводять 15-18% Ti або його гідридах. Титан здатний зв'язувати вуглець у карбід титану. Спікання здійснюється в електричних печах опору з алундовим муфелем і молібденовим нагрівачем при температурі 1280-1350 ° С в середовищі осушеного і очищеного водню протягом 2-15 год залежно від складу і розмірів виробу. Зі збільшенням розмірів виробу та ускладненням його складу тривалість ізотермічної витримки зростає. Спікання матеріалів з високим вмістом титану проводять у вакуумі при температурі 1200-1300 ° С. Процес спікання відбувається за наявності рідкої фази, яка зникає, після чого утворюється однорідний твердий розчин у відповідності з діаграмою стану. Наявність рідкої фази, яка зникне в процесі спікання, сприяє активуванню процесу спікання і, отже, отриманню високощільних виробів.

Намагнічування. Є невід'ємною частиною технологічного процесу. Суть його полягає в намагнічуванні зразка виробу в сильних магнітних полях. В якості намагнічуючої установки застосовують імпульсний соленоїд з номінальними значеннями напруженості поля не менше 800 кА/м в робочому об'ємі зразка і тривалістю переднього фронту імпульсу не менше 0,5 мс.

Контроль якості продукції. Являється останньою операцією даної технологічної схеми. Суть даної операції полягає в контролі розмірів виробу і його властивостей, таких як остаточна індукція - Вг, коерцитивна сила - Нс, максимальна магнітна енергія - ВН та інші.

1.3 Розрахунок і складання балансу матеріалів

Основний вихідний параметр для розрахунку матеріалів і складання матеріального балансу по окремих операціях у всьому технологічному процесі - продуктивність дільниці або так зване річне завдання (річний план випуску продукції), яке складає 15 т продукції в рік.

Для визначення загального фонду часу роботи обладнання від календарної кількості днів року (365 днів) віднімаємо кількість днів, необхідних для планово-попереджувального ремонту, а також кількість неробочих днів цеху.

Для масового виробництва, особливо для відділень отримання порошків і спікання, економічно вигідною є робота без вихідних днів та зупинок на загальнонаціональні свята. Тому для таких відділень кількість робочих днів на рік визначають як різницю між календарною кількістю днів на рік і кількістю днів, необхідних для планово-попереджувального ремонту.

Баланс часу дільниці записуємо у вигляді таблиці.

Таблиця 1.4 - Баланс часу дільниці

Елементи балансу	Вихід, днів
Календарна кількість днів	365
Час на планово-попереджувальний ремонт	11
Загальнонаціональні свята	9
Вихідні дні	104
Неробочі дні дільниці	125
Робочі дні дільниці	240

Річний випуск - 15000 кг/рік

Визначивши кількість робочих днів, розраховують добову продуктивність дільниці за сировиною або за готовою продукцією:

де G - річний випуск продукції, кг;

n - кількість робочих днів на рік.

.

В процесі переробки сировини до отримання товарної продукції мають місце втрати як механічні, так і технологічні (рис. 1.4). Тому для визначення добової продуктивності вводити матеріали в процес потрібно з деяким надлишком для компенсацій цих втрат.

Кількість матеріалу, що находить на початок процесу в перший день (А0) з урахуванням майбутніх втрат, визначають за формулою:

,

де ц - вихід придатного по всьому процесу.

Для розрахунку вилучення необхідно врахувати втрати за всіма операціями. У процесі переробки сировини мають місце втрати як технологічні, так і механічні, тому для визначення добової продуктивності вводити матеріали в процес потрібно з деяким надлишком для компенсації цих втрат. Річ у тім, що на кожному виробництві мають місце втрати, зумовлені різними причинами. Такі втрати належать до технологічних. В іншому випадку втрати можуть бути зумовлені пилевиділенням, виникненням браку та ін.

Такі втрати належать до механічних. Як правило, технологічні втрати є незворотними. Механічні втрати можуть бути незворотними та зворотними. Якщо втрати можна повернути в технологічний процес безпосередньо або після відповідної переробки, запланованої на підприємстві, то такі втрати є зворотними.

У технологічній схемі вказано, на яку операцію повертаються ці втрати.



Рисунок 1.4 - Втрати на операціях з виготовлення постійних магнітів системи Fe-Ni-Al-Со

1. Визначення прямого поопераційного вилучення на кожній операції.

Визначається за формулою:

,

де а - зворотні втрати;

b - незворотні втрати.

на першій операції: з1 = 100 - (1+0,2) = 98,8;

на другій операції: з2 = 100 - (0+0,1) = 99,9;

на третій: з3 = 100 - (0,2 + 0,1 ) = 99,7;

на четвертій: з4 = 100 - (0,1+0) = 99,9;

на п'ятій: з5 = 100 - (0,2+0,4) = 99,4;

на шостій: з6 = 100 - (0+0,1)=99,9;

на сьомій: з7 = 100;

на восьмій: з8 = 100 - (0+0,3) = 99,7;

на дев'ятій: з9 = 100;

на десятій: з10 = 100.

2. Визначаємо загальний витяг на кожній операції ц відносно вихідного матеріалу за формулою:

,

ц1 = з1 =98,8;

ц2 = ц1 • з2 / 100 = 98,7;

ц3 = ц2 • з3 / 100 = 98,4;

ц4 = 98,3;

ц5 = 97,7;

ц6 = 97,4;

ц7 = 97,4;

ц8 = 97,4.

3. Визначаємо кількість сировини, яка має надійти на початок процесу в перший день. Для цього використовуємо формулу:

,

4. Визначаємо втрати відносно вихідного матеріалу на кожній операції (вn,бn) згідно з формулою:

.

операції: зворотні незворотні

на першій: б1 = 1; в1 = 0,2;

на другій: б2 =0; в2 = 0,1 • 98,8 / 100 = 0,0988;

на третій: б3 = 0,2•98,7/100 = 0,1974; в3 = 0,1 • 98,7 /100 = 0,0987;

на четвертій: б4 = 0; в4 = 0,1 • 98,4 /100 = 0,0984;

на п'ятій: б5 = 0,2• 98,3/100 = 0,1966 ; в5 = 0,4 • 98,3 / 100 = 0,3932;

на шостій: б6 =0; в6 = 0,3 • 97,7/100 = 0,2931;

на сьомій: б7 = 0; в7 = 0;

на восьмій: б8 = 0. В8 =0.

5. Розраховуємо абсолютні втрати: :

Витрати складають:

на першій операції: зворотні: 64,1 • 1/100 = 0,641 кг ;

незворотні: 64,1 • 0,2/100 = 0,128 кг;

на другій зворотні: 0;

незворотні: 64,1 • 0,0988/100 = 0,063 кг;

на третій зворотні: 64,1 • 0,1974/100 = 0,127 кг;

незворотні: 64,1 • 0,0987/100 = 0,063 кг;

на четвертій зворотні: 0 кг;

незворотні: 0,063 кг;

на п'ятій зворотні: 0,126 кг;

незворотні: 0,252 кг;

на шостій зворотні: 0;

незворотні: 0,1878;

на сьомій зворотні: 0;

незворотні: 0;

на восьмій зворотні: 0;

незворотні: 0;

Обчислюємо суму зворотних втрат і визначаємо масу матеріалу, яка має надходити кожен день на початок процесу:

B=A0 -

В = 64,1 - 0,894 = 63,2 (кг).

Визначаємо масу матеріалу, що надходить на кожну операцію і виходить з неї.

На першу операцію: - надходить: 53,2 (кг), а також зворотні втрати з п'ятої операцій. Усього надходить: 63,2 + 0,126 = 63,32 (кг);

- виходить: 63,32 - 0,128 =63,192 (кг).

На другу операцію: - надходить: 63,192 (кг);

- виходить: 63,02 - 0,063 = 63,129 (кг).

На третю операцію: - надходить: 63,129 (кг);

- виходить: 63,129 - 0,127 - 0,063 = 62,94 (кг).

На четверту операцію: - надходить: 62,94 (кг);

- виходить: 62,94- 0,063 = 62,88 (кг).

На п'яту операцію: - надходить: 62,88 (кг);

- виходить: 62,88- 0,126 - 0,252 = 62,5 (кг).

На шосту операцію: - надходить: 62,5 (кг);

- виходить: 62,5 - 0,1878 = 62,31 (кг).

На сьому операцію: - надходить: 62,31 (кг);

- виходить: 62,31 (кг).

На восьму операцію: - надходить: 62,31 (кг);

- виходить: 62,31 (кг).Отримані результати зводимо у таблицю 1.5



Таблиця 1.5 - Поопераційний баланс матеріалів

Кількість матеріалу, яка виходить з операції,кг	14	63,192	63,129	62,94	62,88	62,5	62,31	62,31	62,31
Кількість матеріалу, яка поступає на операцію, кг	Всього	13	63,32	63,192	63,129	62,94	62,88	62,5	62,31	62,31
	Поворотні витрати	12	0,126
	З попередньої операції	11	63,2	63,192	63,129	62,94	62,88	62,5	62,31	62,31
Абсолютні втрати, кг	незворотні	10	0,128	0,063	0,063	0,063	0,252	0,1878	0	0
	Зворотні	9	0,641	0	0,127	0	0,126	0	0	0
Втрати по відношенню до введеного матеріалу, %	незворотні	8	0,2	0,0988	0,0987	0,0984	0,3932	0,2931	0	0
	Зворотні	7	1	0	0,1974	0	0,1966	0	0	0
Загальне вилучення, %	6	98,8	98,7	98,4	98,3	97,7	97,4	97,4	97,4
Пряме поопераційне вилучення, %	5	98,8	99,9	99,7	99,9	99,4	99,7	100	100
Поопераційні витрати, %	Загальні	4	1,2	0,1	0,3	0,1	0,6	0,3	0	0
	Незповоротні	3	0,2	0,1	0,1	0,1	0,4	0,3	0	0
	Зворотні	2	1	0	0,2	0	0,2	0	0	0
Назва операції	1	Розмел	Дистиляція	Просів	Змішування	Пресування	Спікання	Намагнічування	Контроль якості

1.4 Вибір і розрахунок кількості обладнання

При виборі обладнання керуються такими основними вимогами до нього:

обладнання має бути стандартним;

повинно забезпечувати максимальну продуктивність при мінімальній чисельності обслуговуючого персоналу, сприяти зниженню втрат матеріалів та електроенергії, дозволяти без істотних змін уводити механізацію;

обладнання має відповідати вимогам техніки безпеки;

продуктивність допоміжного обладнання нає бути вище продуктивності основного обладнання.

Під час розрахунків кількості одиниць обладнання кожного типу слід виходити з поопераційного балансу матеріалів технологічного процесу, з якого відомо кількість матеріалу, перероблюваного на цьому обладнанні.

Розрахункову кількість обладнання визначають за формулою:

nроз=Gm/сф,

де Gm - маса матеріалу, який необхідно переробити на операції за добу, кг; с - продуктивність агрегату, кг/год;

ф - кількість робочих годин на добу.

Коефіцієнт завантаження обладнання:

Кз = nроз/nф,

де nф - фактична кількість складного обладнання.

1.4.1 Обладнання для розмелювання

Найчастіше у виробництві порошкової металургії , для процесу розмелювання застосовують кульові, вібраційні, атриторні, вихрові та струминні млини.

Продуктивність млина визначимо за формулою:

Рсм = V • гнас • ц / ф

де V - об'єм робочого простору, м3;

ц - коефіцієнт заповнення (0,3..0,5);

гнас - насипна щільність, кг/м3;

ф - тривалість операції.

Рсм = 17кг/год.

Отримуємо порошок в кульовому млині марки ШМ-2. Маса матеріалу, яка приходиться на дану операцію 63.32 кг.

Характеристики:

продуктивність: 17кг/год

потужність: 26 кВт

розміри: 2,4Ч2,4Ч1,9 м

об'єм робочого простору: 1,36 м3

Число одиниць устаткування визначимо по формулі:

nроз = G / (P • ф);

де G - маса матеріалу, кг;

Р - продуктивність, кг/ч;

ф - число роботи в добу годин.

nроз = 63,32 / (17 • 8) = 0,47;

nфакт = 1;

Округляємо до найближчого цілого числа.

Коефіцієнт завантаження розраховуємо по формулі:

Кз = nроз / nфакт

Кз = 0,47/1 = 0,47.

Обираємо 1-н млин з коефіцієнтом завантаження: К3 =47%.

1.4.2 Обладнання для дистиляції

Проводимо в установці для випаровування спирту. Маса матеріалу, яка приходить на дану операцію - 63,192 кг.

Характеристики:

продуктивність: 15-20 кг/год

робоча температура: 200 0С

потужність: 1,6 кВт

розміри: 2,2Ч0,8Ч2,7 м

об'єм робочого простору: 0,25 м3

nроз = 63,192 / (20 • 8) = 0,395;

nфакт = 1;

Кз = 0,39/1 =0,39.

Обираємо 1-н дистилятор з коефіцієнтом завантаження: К3 =39%.

1.4.3 Обладнання для просіву

Продуктивність установки розраховується за формулою:

Р = 36 • h • Bс • Кр • V • д

де h - висота шару матеріалу в ситі,м; В - ширина сита, м;

Кр - коефіцієнт розрихлення порошку (Кр = 0,4..0,6);

V - середня швидкість переміщення порошку, м/с;

д - густина матеріалу, кг/м3.

Р = 36 • 0,1 • 0,7 • 0,5 • 0,01 • 6294 = 80 кг/год.

Проводимо на віброустановцi М149А. Маса матеріалу яка приходить на дану операцію 63,129 кг.

Характеристики:

продуктивність: 80 кг/год

потужність: 0,27 кВт

розміри: 0,92Ч0,4Ч0,4 м

об'єм робочого простору: 0,7Ч0,35 м

nроз = 63,129 / (80 • 8) = 0,1;

nфакт = 1;

Кз = 0,1 / 1 = 0,1.

Обираємо 1-ну установку з коефіцієнтом завантаження: К3 = 10%.

1.4.4 Обладнання для змішування

Продуктивність змішувача визначаємо за формулою:

Рсм = V • гнас • ц / ф

де V - об'єм робочого простору, м3;

ц - коефіцієнт заповнення (0,3..0,5);

гнас - насипна щільність, кг/м3; ф - тривалість операції.

Змішування проводять в одноярусному шнековому змішувачі.

Маса матеріалу яка приходиться на цю операцію 62,94 кг.

Характеристики:

продуктивність: 24,5 кг/год

потужність: 0,6 кВт

розміри: 1,15Ч1,2Ч0,5 м

об'єм робочого простору: 0,013 м3

nроз = 62,94 / (24,5 • 8) = 0,32;

Кз = 0,32 /1 = 0,32.

Обираємо 1-н змiшувач з коефіцієнтом завантаження: К3 =32%.

1.4.5 Обладнання для пресування

Згідно технологічного процесу ця операція призначена для ущільнення порошків та надання заданих розмірів заготовці.

Для вибору преса визначаємо необхідне зусилля пресування:

Рпр = рпр • Sпр ,

де рпр - потрібний тиск пресування (беремо 800 МПа = 80 кН/см2),

Sпр - площа пресування

Знайдемо площу, об'єм і вагу деталі:

Sпр=р*D2/4=3,14*2,52/4=4,9 см2,

Sпр = 4,9 см2

Vдет = S • Hдет = 4,9 • 1 = 4,9 см3

Вага:

G = Vдет • гcер • (1 - П ) • К

де гcер - середня щільність деталі, г/см3;

П - пористість, П = 0,3;

К = 1,05,

G = 4.9• 6.24 • 0,7 • 1,05 = 22,47 г

Для вибору преса для пресування визначаємо його зусилля за формулою:

Nпр=Sпр*P*1,25,

де Sпр - площа пресування, см2;

P - зусилля пресування.

Тоді: Nпр = 80 •4,9 • 1,25 = 490 кН

Пресування проводимо на механічному пресі марки КА8128.

Характеристики:

номінальний тиск: 630 кН

найбільша висота засипки: 140 мм

найбільший діаметр виробу: 100 мм

потужність привода: 18,5 кВт

розміри: 1,3Ч1,8Ч2,4 м

Маса матеріалу яка приходиться на дану операцію 62.88 кг

Розраховуємо прес за формулою:

Рн = 60 • G • k,

де G - маса однієї деталі;

k - кількість ходів на хвилину.

Рн = 60 • 0,0216 • 30 = 38,92 кг/год

nроз = 62,88 / (38,92 • 8) = 0,2;

nфакт = 1;

Кз = 0,2 / 1 = 0,2.

Приймаємо 1-ні преса з коефіцієнтом завантаження:К3 = 20%.

1.4.6 Обладнання для спікання

Для спікання можна використати камерну електропіч опору типу СНОЛ 10/11

Характеристики:

робоча температура 1150 ° С;

потужність 22 кВт;

розміри робочого простору 0,32 х0,45 х 0,2м;

габаритні розміри 1,32*1,1*1,7 м;

Продуктивність печі:

Оскільки в піддон з розмірами 400Ч300 мм можна завантажити до 132 заготовок масою по 0,0216 кг, то маса матеріалу завантажуваного в один піддон становить 132*0,0216=2,851 кг.

p =2,851/1 = 2,851 кг/год.

Кількість печей:

nрозр = G/рt,

де G - кількість матеріалу, що надходить за добу, кг (62,5);

t - час роботи печі за добу , год ( t = 8).

nрозр = 62,5/ (2,851*8)= 2,7 шт.

Фактична кількість

nфакт =3шт.

Кофіцієнт завантаження

,

Кз = 2,7/3 = 0,9

Обираємо 3-и печі з коефіцієнтом завантаження: К3 = 90%.

1.4.7 Обладнання для намагнічування

В процесі намагнічування використовуємо автоматичну установку з імпульсним намагнічуванням на базі імпульсного соленоїда. На дану операцію приходиться 2894 шт. За 1-ну годину дана установка здатна намагнітити 1030 шт.

Характеристики: потужність: 10 кВт

розміри: 1,5Ч1,5Ч1

nроз = 2894/(1030 • 8) = 0,35;

nфакт = 1;

Кз = 0,35.

Обираєм 1-н імпульсний соленоїд з коефіцієнтом завантаження: К3 = 35%.



Таблиця 1.6 - Зведена відомість обладнання цеху

Операція	Обладнання	Продуктивність, кг/год	Прийнята кількість обладнання	Коефіцієнт завантаження	Встановлена потужність, кВт	Вартість, грн
Розмелювання	ШМ-2	17	1	0,47	26	5000
Дистиляція	Апарат для випаровування спирту	20	1	0,39	1,6	1000
Просів	Віброустановка М149А	80	1	0,1	0,27	500
Змішування	Шнековий зміщувач	24,5	1	0,32	0,6	3500
Пресування	КА8124	50,4	1	0,2	7,5	18000
Спікання	Електрична пiч опору	2,85	3	0,9	54	66000
Намагнічування	Імпульсний соленоїд	12,6	1	0,35	10	3000



2. Спеціальний розділ

У спеціальному розділі викладені питання конструювання прес-форми. При конструюванні прес-форми повинні виконуватися такі умови:

-повинна бути забезпечена однакова щільність у всіх частинах пресуючого виробу;

- повинна дотримуватися точність заданих форм і розмірів виробу, простота випресовки, конструкція прес-форми повинна бути надійної й мати

тривалий термін служби;

- вартість прес-форми повинна якомога нижчою.

Основні розміри пуансонів і внутрішньої порожнини матриці прес-форми визначаються розмірами прессуємого виробу з обліком технологічних і фізичних властивостей порошку, усадки при спіканні, припусків на наступну обробку. Розрахунку підлягають висота й поперечні розміри матриці, діаметр, висота верхнього й нижнього пуансонів.

Номінальні розміри готової деталі: D = 25 мм, Н = 10 мм.

1. Розраховуємо діаметр пресовки:

Dпр = Dсп • Кус,

де Dсп - діаметр спеченої заготовки, мм. Dсп = 25 мм.

Кус - коефіцієнт усадки, Кус = :

Кус для заліза дорівнює 1,15.

Dпр = Dсп = 25 • 1,15 = 29 мм

Розміри камери пресування:

Dк.з. = Dпр • Коб = 29 • 1,85 = 53 мм;

Нк.з. = Нпр. • Коб.;

де Нпр - висота пресовки, мм,

Коб - коефіцієнт обтискування;

Нпр = Нсп • Кус = 10 •1,15 = 11,5 мм.

Нк.з. = 11,5 • 1,85 = 21,27 мм;

Вибір матеріалу матриці.

Головна робоча деталь прессформи - це матриця, виготовлення її досить трудомістка і економічно затратна задача й тому термін служби повинен бути максимальним.

При виборі матеріалу матриці потрібно мати на увазі, що матеріал повинен мати наступні властивості:

високу зносостійкість проти абразивної дії порошку;

високою твердістю;

достатній опір втомлюючим напруженням;

гарною оброблюваністю;

мінімальні об'ємні зміни при термічній обробці.

Цим вимогам найбільш відповідає сталь ХВГ яка має твердість HRC 62-64 так як матриці з меншою твердістю ніж HRC 62 швидко зношуються.

Знаходим бiчний тиск:

Враховуючи, що , де о =0,39 - коефіцієнт бiчного тиску,

Pбок= 800 МПа· 0,39= 312 МПа;

Припускаючи, що допустиме напруження на розрив для матеріалу матриці (сталі) [ р]=3000 МПа, можна розрахувати коефіцієнт а:

= = 1,4;

Відповідно до формули визначимо зовнішній радіус матриці

rн = 1,4 · 25 = 35 (мм)

Знаходим товщину матриці:

t = 35 - 25 = 10 (мм)

Тобто, щоб забезпечити міцність матриці, потрібно щоб її товщина дорівнювала t = 3мм. Товщину матриці виберемо конструктивно.

При роботі пуансони піддаються стиску й поздовжньому вигину.

На стиск пуансони перевіряються за формулою:

,

де - напруга стиску, що виникає в пуансоні;

- площа найменшого поперечного перерізу пуансона;

- допустиме напруження на стиск для загартованої сталі;

P - зусилля пресування.

1 = 4.9 (см2);

1= 49/4,9 = 100 кН/см2 = 1000 (МПа)

Пуансони піддаються тиску, значення якого набагато менше, ніж критичне, яке становить приблизно 2000 МПа.

3. Розрахуємо повздовжній вигин пуансона:



Ркр = 2р • Е • Іінерц/l2,

де Е - модуль пружності;

Іінерц - полярний момент інерції;

l - довжина вільної частини пуансона (беремо 5 см);

Іінерц = рd4/32,

де d - діаметр деталі;

Іінерц = 3,14 • 400/ 32 = 61,33 см4;

Ркр = 2 • 3,14 • 0,2 • 61,33 / 25 = 3,08 МПа/см2;

Загальна висота матриці Нм визначається з врахуванням висоти

завантажувальної камери Нк.з., величини заходу в матрицю верхнього пуансона hв:

Нм = Нк.з + hв = 21,27 + 20 = 41,27 мм = 4,12 см.



Висновки

При виконанні курсової роботи був проведений аналіз матеріалів з яких сучасна промисловість виробляє постійні магніти типу Альнiко. Вироби на основі Fe-Al-Ni-Co це магнітно-тверді матеріали якi є найтермостабільнішими серед всіх видів магнітів i володiють рядом цiнних властивостей, отже цей матеріал найбільше підходить для вирішення задачі курсової роботи.

Була вибрана технологічна схема, яка забезпечує максимальні магнітні параметри і температурну стабільність.

Був розроблений технологічний процес по виробництву магнітів типу Альнiко.

Розрахований матеріальний баланс та потрібна кількість обладнання. Вибране обладнання відповідає вимогам сучасного виробництва порошкової металургії.



Список використаної літератури

1. Методичні вказівки до курсового та дипломного проектування для студ. спец. «Композиційні та порошкові матеріали, покриття» Уклад.: А.М. Степанчук, П.А. Бойко, В.І. Кривда, О.Г. Моляр - К.: «Видавництво Політехніка», 2004. - 52 с.

2. Мишин Д.Д. Магнитные материалы, М.: Высшая школа, 1991, 268с.

3. Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии, Киев: “Висшая шк.”,1989. - 415 с.

4. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии: Учеб. для вузов. - М.: Металлургия, 1988. - 148 с.

5. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. - М.: Высшач школа, 1986. - 352с.

6. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия: Учеб. для вузов. - М., «Металлургия», 1980. - 495 с.

7. Гнесин Г.Г. Спеченые материалы для электротехники и электроники (справочник) - М.: Металургия, 1981. - 343 с.

Размещено на Allbest.ru