Проектирование линии производства стального литья

ВВЕДЕНИЕ

      В металлургический комплекс входят черная и цветная металлургия, охватывающие все стадии технологических процессов: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции. Металлургический комплекс – это взаимообусловленное сочетание следующих технологических процессов: добыча и подготовка сырья к переработке (добыча, обогащение, агломерирование, получение необходимых концентратов и др.); металлургический передел – основной технологический процесс с получением чугуна, стали, проката черных и цветных металлов, труб и др.; производство сплавов; утилизация отходов основного производства и получение из них различных видов продукции.

Литейное производство, это одно из основных отраслей современного машиностроения. Почти все машины и приборы имеют литые детали – станки и прокатные станы, автомобили и самолеты, тракторы и локомотивы, гидротурбины и видеотехника и т.д.

Перспективность литейной технологии изготовления заготовок и деталей различного назначения обусловлена надежностью и универсальностью, позволяющими получать изделия из различных сплавов массой от граммов до сотен тонн с размерами от десятков миллиметров до десятков метров.

Из всего объема отливок  более 80 % изготавливаются в разовых  песчано-глинистых формах. Этот метод относительно простой способ получения отливок. Из песчано-глинистых смесей можно получать отливки весьма сложной конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из различных сплавов как в условиях единичного, так и серийного и массового производства

Схема литья в песчано-глинистые  формы

Рис.1

Задача проекта: отлить заготовку зубчатого колеса путем литья в кокиль.

Характеристики детали:

Деталь "заготовка колеса", изготавливается из стали 20ХН3А ГОСТ 4543-71 с габаритными размерами 594мм×370мм×360мм. Масса отливки 200 кг, преобладающая  толщина стенки 80 мм. Деталь относится  к отливкам IV группы сложности. Химический состав и свойства данной стали приведены  в табл. 1.1

Таблица 1.1 – Химический состав и механические свойства стали 20ХН3А ГОСТ 4543-71

Химический состав в % материала 20ХН3А

Механические  свойства при Т=20^oС материала 20ХН3А .

Физические  свойства материала 20ХН3А .

Сталь 20ХН3А применяется: Шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, червяки, муфты и другие цементируемые  детали, к которым предъявляются  требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой  поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

Технологическая линия  получения  чугуна

         Для производства чугуна нужны железная руда, топливо и флюсы. Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре (4,2 %) после кремния(26 %) и алюминия(7,4 %). Железо в недрах земли в чистом виде не встречается. Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Экономическая целесообразность извлечения железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождений.

        На Урале известно более 75 больших и малых месторождений железных руд. Часть открытых месторождений Урала еще недостаточно изучена и на балансе не состоит. Большинство железорудных месторождений Урала давно и интенсивно эксплуатируется и в значительной мере уже выработано. Их остаточные запасы весьма ограничены.

 Рассмотрим более детально важнейшие железорудные районы и месторождения Урала.

 На северном Урале расположен Северо-Ивдельский железорудный район, включающий месторождения Северной и Лангуро-Самской групп, а также Масловское месторождение. Эти месторождения служили рудной базой Серовского металлургического завода, часть из них разрабатывалась открытым способом Полуночным и Марсятским рудоуправлениями. Месторождения представлены магнетитами, мартитами и бурыми железняками. Содержание железа изменяется в широких пределах, составляя 45-50 % для магнетитовых и мартитовых руд и 32-40 % для бурых железняков. Магнитные железняки содержат значительное количество (до 1,40 %) серы. Содержание фосфора не превышает 0,2 %.

Там же (в Серовском и Североуральском районах Свердловской области) расположена Богословская группа мелких месторождений (в нее входят Ауэрбаховский, Воронцовский, Покровский, Баяновский, Северо-Песчанский и другие рудники). месторождения также представлены магнетитовыми рудами, красными и бурыми железняками.

 Содержание железа в рудах месторождений Богословской группы также изменяется в широких пределах от 40 до 58 % для магнитных железняков и гематитовых руд и 32-40 % для бурых железняков. В рудах отмечается повышенное содержание меди, а в руде Ауэрбаховского месторождения – хрома. Содержание фосфора обычно не превышает 0,1 %, но некоторые из руд имеют повышенное содержание серы (до 3,8 %). 

Месторождение еще слабо  разведано и изучено, особенно в  отношении технологии подготовки руд  к плавке и самой плавки. Наиболее вероятным и эффективным способом их обогащения является пирометаллургический метод. Этот метод заключается в  том, что в процессе восстановительного обжига руды значительная часть железа переходит в металлическое состояние. Последующая магнитная сепарация  обоженного продукта позволяет получать концентрат, содержащий 81,2-81,5 % железа, в том числе 77,3-79,7 % железа металлического при высокой степени его извлечения. Около 75 % хрома переходит в хвосты, из которых его можно извлекать другими методами. Никель на 77-82,5 % переходит в концентрат. Однако это технология относительно дорогая. Окончательного решения по использованию руд этого месторождения пока нет.

 В северо-восточной части Свердловской области находится Алапаевская группа небольших месторождений, представляющих рудную базу Алапаевского и Верхне-Синячихинского металлургических заводов. Руды представлены бурыми железняками со средним содержанием железа для различных месторождений в пределах 38-41 % , чистыми по сере (в среднем 0,02 %). Содержание фосфора не превышает 0,1 %. В пустой породе преобладают кремнезем и глинозем. Балансовые запасы руд этой группы составляли около 58,6 млн. т. В настоящее время добыча руд не ведется.

 Тагило-Кушвинский железорудный район включает в себя 11 относительно небольших месторождений (Высокогорское, Лебяжинское, Гороблагодатское и др.). Общие балансовые запасы руд этого района составляют около 1,09 млрд. т. Месторождения этого района относятся к месторождениям скарнового типа, представлены преимущественно магнетитовыми и в меньшей степени полумартитовыми и мартитовыми рудами. Незначительное распространение имеют бурые железняки. Среднее содержание железа по типам руд и месторождениям колеблется в широких пределах (от 32 до 55 %).

В Тагило-Кушвинском районе находится также Волковское месторождение комплексных железованадиевомедных и фосфорных руд. В среднем они содержат (в %): Fe 18,0; Cu 0,8; P2O5 5,57; V 0,26; SiO2 35,4; CaO 12,8; Al2O3 12,4. Месторождение разрабатывается красноуральским медеплавильным комбинатом с начала 80-х годов.

Качканарский железорудный район представлен двумя крупными месторождениями комплексных титаномагнетитовых руд: Гусевогорским и собственно Качканарским. Балансовые запасы руд этих месторождений составляют 11,54 млрд. т, из них 6,85 млрд. т – разведанных. По своему генетизу эти месторождения относятся к магматическому типу. Руды бедные, вкрапленные, содержание железа в них составляет 16-17 %. Основными железорудными минералами в них являются магнетит и ильменит. В малых количествах присутствует гематит. Ильменит образует тончайшие включения в магнетите. Содержание диоксида титана в руде составляет 1,0-1,3 %. Кроме железа и титана в рудах присутствует ванадий (около 0,14 % V2O5). Положительным является высокая основность (до 0,6-0,7) пустой породы. Руды чистые по сере и фосфору.

Рассмотрев месторождения  на Урале, добыча руды будет проводиться в Качканарском месторождении. Оно является наиболее выгодным по своему географическому местоположению, относительно близко, что позволит сократить транспортные расходы. Также это единственное месторождение на Урале , где руда уже оснащена ванадием, что позволит нам сократить  время и дополнительные затраты при дальнейшем производстве чугуна и стали. Добыча руды будет осуществляться открытым способом с погрузкой экскаваторами ЭКГ-8(10).

Добытая руда проходит подготовку к металлургическому переделу.

     Чем тщательнее  подготовлена железная руда к  плавке, тем выше производительность  доменной печи, ниже расход топлива  и выше качество выплавляемого  чугуна. Для этого нужно пройти несколько операций. Дробление, позволяет получить заданную степень измельчения руды, необходимую для плавки и обогащения. Дробление происходит с помощью молотковой дробилки на куски размерами до 50мм.

 Затем идет сортировка, она обеспечивает отбор кусков размером 10-50мм, обогащение, способствует повышению содержания в руде железа за счет отделения пустой породы. Обогащение осуществляется магнитным способом. После обогащения содержание железа в руде повышается до 70%, и окускование дает возможность объединить мелкие фракции руды в куски размером свыше 10мм, т.к. более мелкие куски уносятся из доменной печи потоком газа, что снижает эффективность процесса.

Схема молотковой дробилки

А-направление подачи стружки в  дробилку,

Б-направление вращения ротора.

Рис.2

Когда руда подготовлена к плавке,  ее загружают в доменную печь.

Доменный процесс.

Для получения чугуна недостаточно только подготовленной руды,  также нужно топливо(кокс) и флюс.

В качестве топлива в современной  доменной плавке применяют кокс, мазут, природный и коксовый газы и каменноугольную  пыль. Основным видом топлива является кокс. Коксом называется пористое спекшееся  вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200С без доступа воздуха. Это единственный материал, который сохраняет форму куска в доменной печи на всем пути движения от колошника к горну. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается прохождение газового потока через слой жидких, полужидких и твердых материалов в доменной печи. Загружаемый в доменную печь кокс не должен содержать ни мелких кусков, ухудшающих газопроницаемость шихты, ни чрезмерно крупных кусков, которые, как правило, поражены трещинами и легко разрушаются в печи с образованием мелких фракций.

Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и  загружаемые в доменную печь для  понижения температуры плавления  пустой породы, ошлакования золы кокса  и получения жидкоподвижного  шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6- 8 %.

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих  в работающей доменной печи.

 Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

 В химическом отношении  доменный процесс является восстановительно- окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

 Агрегатом для осуществления  доменного процесса служит печь  шахтного типа.

Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет  круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

 Важнейшим условием  осуществления доменного процесса  в рабочем пространстве печи  является непрерывное встречное  движение и взаимодействие опускающихся  шихтовых материалов, загружаемых  в печь через колошник, и восходящего  потока газов, образующегося в  горне при горении углерода  кокса в нагретом до 1000 – 1200( С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

 Кокс поступает в  горн нагретым до 1400 – 1500( С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000( С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450( С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20 %.

 Шихтовые материалы  загружают в доменную печь  при помощи засыпного аппарата  отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

 В процессе нагревания  опускающихся материалов происходит  удаление из них влаги и  летучих веществ кокса и разложение  карбонатов. Оксиды железа под  действием восстановительных газов  постепенно переходят от высших  степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.

 Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается.

 При температуре 1000 – 1100 С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре

1130 – 1150 С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

 При взаимодействии  жидких продуктов плавки с  раскаленным коксом в заплечиках  и горне происходит усиленное  восстановление кремния, марганца  и фосфора из их оксидов,  растворенных в шлаке. Здесь  же поглощенная металлом в  ходе плавки сера переходит  в шлак. Железо и фосфор печи  полностью восстанавливаются и  переходят в чугун, а степень  восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

 Все перечисленные  процессы протекают в доменной  печи одновременно, оказывая взаимное  влияние.

Доменный процесс

Рис. 3

Получен серый чугун  СЧ-10- ферритный , он отправляется в чугуновозах в конвертерный цех.

Технологическая линия получения  стали в конвертере.

Конверторный способ основан  на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха  вступает в реакцию с примесями  чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного  способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный  в специальных металлоприемниках (миксерах).

 Существует еще мартеновский  способ, помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного) и подогретый воздух, обеспечивающий температуру 1800...2000°С возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали, к тому же мартеновский способ получения стали устарел. Поэтому выбор сделан в пользу конвертера и электропечи.

Конвертором принято называть большую стальную реторту, футерованную огнеупором. Вместимость современных  конверторов достигает 250 – 400 т. Конвертор  имеет стальную цилиндрическую часть, отъемное, легко заменяемое днище  и конусообразную горловину. Цилиндрическая часть конвертора крепится в литом  стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертор может  поворачиваться вокруг оси цапф, что  необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выливки готовой стали и т.д.). Одна из цапф – полая, она соединяется одним воздухопроводом с трубовоздуходувкой, а другим – с воздушной коробкой днища конвертора. Воздушная коробка днища конвертора соединяется с отверстиями фурм, проходящими через все днище.

Конвертерный процесс

1 – корпус; 2 – опорный  пояс; 3 – днище; 4 – воздушная  коробка; 5 – кожух; 6 – сопла; 7 –  «спина»; 8 – горловина; 9 – пустотелая  цапфа; 10 – воздушный патрубок.

Рис. 4

Достоинствами конверторного  способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

Получен полупродукт, при переделе ванадиевого чугуна в кислородном конвертере монопроцессом с расходом металлолома до 30%. Металл продувают до содержания углерода менее 0,07 мас.%. Хим. состав такой стали не позволяет сразу отлить заготовку колеса, поэтому следующий процесс передела будет проходит в ДСП печи.

Технологическая линия легирования стали в ДСП.

Существенным отличием получения  стали в дуговых печах является возможность получения в плавильном пространстве восстановительной или  нейтральной атмосферы и различного давления.

Восстановительная атмосфера  в электродуговых печах позволяет  получить шлак, содержащий в конце  плавки не более 1% FeO, что примерно в 10 раз меньше, чем в обычном шлаке конвертерной печи.

Другим отличием является отсутствие в атмосфере печи кислорода. Поэтому ведение окислительных  процессов возможно только за счет внешнего кислорода, источниками которого могут быть железная руда и газообразный кислород, вдуваемый в ванну.

С точки зрения возможности использования влияния физико-химических факторов на конечные результаты электроплавка является более совершенной. Практически значительное количество дефектов в отливках и слитках из легированных сталей получается из-за плохого качества металла или вызываются и усугубляются четырьмя вредными примесями: кислородом, серой, водородом и фосфором. Электроплавка является наиболее гибким процессом для борьбы с тремя примесями: кислородом, серой и водородом.

При дуплекс-процессах мощность печи может быть меньше, чем при  работе на твердой завалке, так как  расплавление скрапа в этом случае отсутствует. Проводящиеся время от времени плавки на твердой завалке выполняют при уменьшенном весе шихты; они из-за меньшей мощности более длительны, но так как проводятся не часто (главным образом после ремонта футеровки), то их удлинение не является существенным. Электрический режим печей, работающих на жидкой завалке, также значительно спокойнее. При наличии жидкого металла, покрытого слоем шлака, дуга горит более стабильный и отсутствуют короткие замыкания из-за обвалов шихты.

ДСП процесс

1 — электрод, 2 — стойка, 3 — электрошины, 4 — каретка, 5 — электрододержатели, 6 — холодильник, 7 — стальной трос, 8 — механизм передвижения электрода, 9 — стальной кожух печи, 10 — футеровка, 11 — выпускное отверстие, 12 — опора, 13 — сектор наклона печи, 14 — механизм наклона печи, 15 — свод, 16 — рабочая площадка, 17 — загрузочное окно, 18 — шпиндель механизма наклона печи, 19 — электродвигатель механизма наклона печи

Рис. 5

Получена сталь 20ХН3А,  для ее получения были добавлены ферросплавы:

ферросиликомарганец 18 (содерж. P<0,15)

-Ферросилиций ФС-65 (63-65)

-Никель Н-3

-Алюминий АВ-87

-Феррохром среднеуглеродистый

Отливка заготовки.

Существуют различные  способы литья, литье под давлением, литье под регулируемым давлением, литье в оболочковые формы, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в землю (литье в песчано-глинистые формы).

Литье в землю является сравнительно простым и экономичным  технологическим процессом. Во многих отраслях машиностроения (автомобилестроение, станкостроение, вагоностроение и др.) при массовом производстве отливок  чаще всего применяется этот метод.

Литье по выплавляемым моделям- это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей.

Для технологической линии данного процесса наилучшим вариантом отливки будет литье в кокиль. Кокили используют для получения отливок сложной конфигурации из чугуна, стали и цветных сплавов.

Кокильное литье , это литье металла, осуществляемое свободной заливкой кокилей. Кокиль – металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заполняемая расплавленным металлом под действием гравитационных сил. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Данный метод широко применяется  при серийном и крупносерийном производстве.

Точность отливок обычно соответствует классам 5 -9 для отливок  из цветных металлов и классам 7-11 для отливок из черных металлов (ГОСТ 26645-85). Точность отливок, полученных в  кокиле. По массе примерно на один класс  выше по сравнению с песчаными формами

Литье в кокиль ограничено возможностью изготовления крупногабаритных кокилей и обычно масса отливок не превышает 250кг.

Кокиль обычно состоит из двух полуформ 1, плиты 2, вставок 10. Полуформы взаимно центрируются штырями 8, и перед заливкой их соединяют замками 9. Полости и отверстия в отливке могут быть выполнены металлическими 11 или песчаными 6 стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры Расплав заливают в кокиль через литниковую систему 7, выполненную в его стенках, а пита-ние массивных узлов отливки осуществляется из прибылей (питающих выпоров) 3.

Процесс литья в кокиль

1 – полуформы; 2 – плита (поддон); 3 – прибыль; 4 – вентиляционный канал; 5 – вентиляционная пробка; 6 – песчаный стержень; 7 – литниковая система; 8 – центрирующий элемент; 9 – замок; 10 – вставка; 11- металлический стержень; 12 – вентиляционный канал; 13 – полость формы.