Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологический процесс производства заготовок зубчатых колес коробки передач легкового автомобиля

Для изготовления таких деталей, как зубчатые колеса коробки передач должна иметь высокую твердость, прочность, высокое сопротивление истиранию, упругость и сопротивление ударным нагрузкам.

Рекомендуемая для изготовления зубчатых колес марка стали - 12ХН3А. Конструкционная легированная хромоникелевая сталь на сегодняшний день пользуется особой популярностью в отечественной промышленности. Ст. 12ХН3А ограниченно свариваемая и флокеночувствительная. Кроме этого не склонна к отпускной хрупкости. Термообработка стали 12ХН3А выполняется при температуре 840°С. Изделия из стали 12ХН3А обладают высокой прочностью, вязкостью сердцевины, пластичностью и поверхностной твердостью. После цементации, закалки и низкого отпуска цементированный слой должен иметь твердость HRС 58-62, а сердцевина HRC 20-40. Сердцевина стали 12ХН3А должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой. Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме, того, повышает прочность и вязкость цементированного слоя. Сталь 12ХН3А малочувствительна к перегреву при длительной цементации и не склонна к пресыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Химический состав в % материала 12ХН3А

Исходные материалы для производства чугуна.

В доменном производстве используют следующие материалы: железные руды, флюс, топливо и огнеупорные материалы.

Железная руда - природное минеральное сырье. Кроме окислов железа (Fe₂О₃ и Fe₂О₄), руда содержит пустую породу, которая обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин, т.е. является кислотой (избыток SiО₂). Кроме того, в железных рудах всегда присутствуют вредные примеси (сера, фосфор и мышьяк).

В качестве флюса в доменном производстве используют, главным образом, известняк СаСО₃, который является сильноосновным материалом.

Топливо в доменной печи не только служит источником тепла, но и участвует в прямом восстановлении железа из его окислов. Кокс (главное топливо при выплавке чугуна) получают путем пиролиза коксующихся каменных углей. Представляет собой коксовый пористый материал с высокой механической прочностью. Используют также мазут, природный газ (метан СН₄), угольную пыль, доменный газ.

Подготовка руды к плавке.

Создание стали из низкосортной железной руды требует длительного процесса добычи, дробления, сепарирования, концентрирования, смешивания, и гранулирования. Процесс добычи низкосортной железной руды, или таконита, требует огромных ресурсов. Используемое оборудование включает в себя алмазные роторные сверла, гидравлические экскаваторы и погрузчики, водосодержащие вагоны, производственные грузовые автомобили и тяжелые транспортировочные конвейеры.

Процесс обработки железной руды: добыча железной руды, дробление руды (сырой таконит поставляется в большую вращательную дробилку, где куски больше пяти футов уменьшаются до шести дюймов или меньше), концентрирование, смешивание с вяжущими элементами, создание окатышей, выгрузка и транспортировка.

Дробление железной руды

Дробление осуществляется на специальных машинах - дробилках.

При дроблении руды образуется некоторое количество мелочи, затрудняющей процесс плавки руды.

Сортировка железной руды

Отделение мелочи (грохочение) осуществляется на различных грохотах, представляющих собой набор металлических сит или вращающиеся барабаны с отверстиями определенных размеров.

Обогащение железных руд

Обогащение железных руд производится с целью удаления из них пустой породы, состоящей из кремнезема, глинозема и других соединений, и вредных примесей, присутствующих в рудах. Благодаря этому повышается процентное содержание (концентрация) железа в руде.

Количество железной руды, подвергаемой обогащению, составляет около 25% всей проплавляемой руды.

В настоящее время применяют следующие основные способы обогащения железных руд:

- промывка (применяется для разрушения и удаления глинистых пустых пород. Она осуществляется в специальных промывочных аппаратах).

- гравитация (основан на различии удельных весов руды и пустой породы. В воде более тяжелые частицы руды опускаются быстрее зерен пустой породы).

- магнитное обогащение (осуществляется на так называемых магнитных сепараторах. Окислы железа, обладающие магнитными свойствами, притягиваются электромагнитом сепаратора и отделяются от пустой породы, которая не способна намагничиваться).

Спекание рудной мелочи (агломерация)

Рудная мелочь, образующаяся при дроблении и транспортировании руды, природные пылевидные руды, руды после обогащения и отходы доменного производства - колошниковая пыль - неудобны для плавки, они могут быть использованы в доменном процессе лишь после спекания (агломерации), которое превращает их в кусковой пористый материал.

Спекание руды осуществляется в специальных цехах спекания или на агломерационных фабриках с помощью особых машин периодического (чаши) или непрерывного действия (ленточная машина для спекания).

В этих машинах руда, смешанная с небольшим количеством топлива (кокса), нагревается до температуры 1200-1300° и даже выше.

Наиболее легкоплавкие частицы руды расплавляются и смачивают более тугоплавкие, образуя пористую (30-50% пористости) и достаточно прочную кусковатую массу - агломерат.

В процессе спекания железной руды почти полностью удаляется сера вследствие образования сернистого газа, что еще в большей степени повышает качество руды.

Рисунок 1. Схематический разрез чашевой агломерационной установки в различные моменты после начала спекания

а - конец зажигания шихты пламенем газовой горелки (в верхней зоне загорелась коксовая мелочь; под зоной горения зона подогрева шихты);

б - через 1-2 мин после окончания зажигания (горелка выключена и отведена в сторону; в чашу засасывается воздух; над зоной горения уже образовался слой готового агломерата);

в-через 8-10 мин после начала спекания (зона горения прошла уже больше половины пути до колошниковой решетки; слой готового агломерата с каждой минутой растет);

г - перед окончанием процесса (зона горения в крайнем нижнем положении). Показано также распределение температур по высоте спекаемого слоя: 1 - зона горения твердого топлива; 2 - зона сушки и подогрева шихты; 3 - зона сырой шихты; 4 - постель; 5 - зона готового агломерата

При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350°С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса - известняка в доменную печь при плавке.

Выплавка чугуна в доменной печи

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.

2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи.

Доменная печь (рис. 2) имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.

Рис. 2 Устройство доменной печи

В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объём был заполнен.

Полезный объем печи - объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем - 2000…5000 м³.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают.

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000⁰С.

Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂+C=2CO-Q

H₂O+C=CO+H₂-Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.

Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400⁰С у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи.

Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃>Fe₃O₄>FeO>Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций.

Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO+C=Fe+CO-Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂-Q

FeO+CO=Fe+CO₂+Q

За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60% металлического железа.

При температуре 1000…1100⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300⁰С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 ⁰C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак - каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка - отверстие в кладке, расположенное выше лещади). В настоящее время чугун и шлак выпускаю т в одну ледку и разделяют.

Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Основным продуктом доменной плавки является чугун.

Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90% общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8…4,4% углерода, 0,3…1,2% кремния, 0,2…1% марганца, 0,15…0,20% фосфора, 0,03…0,07% серы.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют

Ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды).

Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

Производство стали

Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом.

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь - снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке.

Третий этап - раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении (удалении кислорода) в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: FeO+C=Fe+CO.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично - в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Мартеновское производство

Началом осуществления мартеновского процесса считается 1864 г., когда П. Мартен провел на одном из французских заводов первую плавку.

В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла - стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс - выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

В промышленных масштабах - в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) - получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Общая длительность плавки в конвертерах емкостью 50 - 350 тонн составляет 30 - 50 минут.

Производство стали в электропечах

Начало развитию электороплавки положил в российский учёный Петров, который в 1802 г. Открыл явление электрической дуги. Первенство введения в эксплуатацию промышленной дуговой печи принадлежит французу Полю Эру (1900 г.)

Электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

г) технология электроплавки гарантированно обеспечивает экологическую безопасность.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Дуговая сталеплавильная печь

При строительстве металлургических заводов отдают предпочтение, как правило, двум типам печей:

- печи постоянного тока с одним катодом (ДППТ)

- дуговой печи трёхфазного переменного тока с высоким сопротивлением контура (ДСП).

зубчатый колесо сталь выплавка

Рис. 3. Схема дуговой печи трёхфазного переменного тока

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных - с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава),

б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом - 90%, чушковый передельный чугун-8%, электродный бой или кокс, для науглероживания металлов и известь - 2%. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500…1540⁰C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали - конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.

Размещено на Allbest.ru