Проектирование сталелитейного цеха

Содержание

Введение

1. Общий раздел

1.1 Назначение и конструкция отливки

1.2 Анализ отливки на технологичность

2. Технологический раздел

2.1 Обоснование принятого способа формовки

2.2 Выбор припусков на механическую обработку

2.3 Расчет литниковой системы

2.4 Расчет размеров прибылей

2.5 Расчет прибыли

2.4 Расчет нагружения опок

2.5 Расчет времени охлаждения отливки

2.6 Разработка технологического процесса с указанием используемого оборудования, приспособлений, инструмента, материалов

2.6.1. Подготовка формовочных материалов

2.6.1.1 Технологический процесс подготовки формовочного песка

2.6.1.2 Технологический процесс приготовления формовочной смеси по Alphaset-процессу

2.6.2 Изготовление литейных форм

2.6.3 Подготовка шихтовых материалов

2.6.4 Плавка исходного металла

2.6.5 Внепечная обработка расплава исходного металла

2.6.6 Выбивка формы

2.6.7 Дробеструйная очистка

2.6.8 Обрубка и зачистка отливок

2.6.9 Контроль качества приемки отливок

3. Организационно-технический раздел

3.1 Расчет производственной мощности плавильного отделения

3.1.1 Расчет количества печей, ШТ

3.1.2 Расчет мостовых кранов по отделениям

3.1.3 Потребное количество разливочных ковшей

3.1 4 Расчет плавильного участка

3.1.4.1 Расчет участка подготовки шихтовых материалов

3.1.6 Участок футеровки ковшей и печей

3.1.7 Расчет численности производственных рабочих

3.1.7.1 Плавильное отделение

3.1.7.2 Найдем численность рабочих обслуживающих участок заливки, по ф [3.1]

4. Охрана труда и окружающей среды. Мероприятия по безопасности жизнедеятельности на проектируемом объекте

4.1 Меры по обеспечению пожарной безопасности

4.2 Анализ возможных вредных и опасных факторов проектируемого технологического процесса

5. Экономический раздел

5.1 Расчет фондов заработной платы основных рабочих

5.2 Расчет стоимости материалов

5.3 Определяем цеховую себестоимость 1 тонны литья с учетом данных всех отделений

5.4 Выводы

Выводы

Введение

Именно на стадии литейного  производства формируются структура  и свойства материалов, а следовательно, качество и работоспособность изделий. Обеспечить конкурентоспособность  продукции возможно только за счет использования прогрессивных технологических  процессов, оборудования, эффективных  методов контроля и управления качеством, начиная непосредственно с литейного  производства.

При выборе необходимого оборудования ориентировался на применение автоматических линий, комплексов, агрегатов, максимально  исключающих ручной труд - на продукцию  фирм - мировых лидеров по производству литейного оборудования ("ABB", "BMD", "GIZAG" и т.д.), которое зарекомендовало себя в действующих литейных цехах по всему миру, как эффективное, надежное и экономичное. Такое оборудование позволит цеху выпускать качественное, конкурентоспособное стальное литье с соблюдением всех норм по технике безопасности и требований по охране окружающей среды.

Проектируемый цех относится  к сталелитейным цехам серийного  типа производства и входит в состав предприятия общего машиностроения. Мощность цеха 12,5 тыс. тонн годных отливок  в год.

Основными исходными данными  для проектирования цеха являются:

1. спецификация отливок  по изделиям (см. приложение №1);

2. чертежи отливок с  указанием всех технических условий  на отливки;

3. типовые технологические  инструкции по всему циклу  изготовления отливки;

4. паспортные данные на  различное оборудование;

Спецификация отливок  по изделиям содержит полный перечень всех отливок по изделиям с их полной характеристикой: маркой сплава, количеством  на одно изделие, массой отливки, способом изготовления и т.д.

В связи с различием  отливок по габаритам, массе и  группе сложности, целесообразно предусмотреть  два основных потока изготовления отливок:

1. крупное литье по ХТС-процессу  массой от 100 кг. до 7 тонн - 6000 т/год.

2. мелкое литье по ПГС-процессу  массой от 1 кг. до 100 кг. - 6000 т/год. Точная производственная программа выпуска литья с подробной характеристикой отливок с учетом особенностей технологического процесса их изготовления по двум потокам приведена в третьем разделе.

Т.о. структура проектируемого литейного цеха состоит из следующих производственных подразделений:

1. Крупное литье по ХТС-процессу:

1.1 формовочное отделение;

1.2 стержневое отделение;

1.3 отделение выбивки и регенерации ХТС-смесей.

2. Мелкое и среднее литье  по ПГС-процессу:

2.1 формовочное отделение;

2.2 стержневое отделение.

3. Плавильное отделение:

3.1 плавильный участок;

3.2 участок заливки (и внепечной обработки жидкого металла);

3.3 участок подготовки ковшей.

4. Термообрубное отделение.

5. Отделение подготовки  формовочных и шихтовых материалов.

1. Общий раздел

1.1 Назначение и конструкция отливки

Среди отливок до 80% по массе  занимают детали, изготовляемые литьем в песчаные формы. Метод является универсальным применительно к  литейным материалам, а также к  массе и габаритам отливок. Специальные  способы литья значительно повышают стоимость отливок, но позволяют  получать отливки повышенного качества с минимальным объемом механической обработки.

Отливки, не рассчитываемые на прочность, с размерами, определяемыми  конструктивными и технологическими соображениями, относятся к неответственным; отливки, испытываемые на прочность, работающие при статических нагрузках, а  также в условиях трения скольжения, относятся к ответственным. Особо  ответственные - отливки, эксплуатируемые  в условиях динамических знакопеременных  нагрузок, а также испытываемые на прочность.

Возможности повышения производительности процессов литья, точности размеров и качества отливок расширяются  при их изготовлении в автоматизированных комплексах, в которых используются новые механизмы для уплотнения смеси, применяются электронные  схемы управления технологическими процессами и счетно-решающие устройства для выбора оптимальных режимов.

Применение роботов для  нанесения покрытий, обсыпки блоков и т.п. и заливочных комплексов с телеуправлением обеспечивает защиту оператора от воздействия пыли, дыма, тепла и брызг металла.

Прогрессивно применение покрытия литейной формы для поверхностного легирования отливок. Так, карбидообразующие  легирующие элементы (теллур, углерод, марганец) повышают износостойкость формы и устраняют рыхлость отливок; графитизируюшие легирующие элементы (кремний, титан, алюминий) устраняют отбел, уменьшают остаточные напряжения и улучшают обрабатываемость отливок. Применение жидкоподвижных смесей при литье в песчаные формы повышает производительность труда, снижает трудоемкость изготовления формы и стержней в 3 - 5 раз, исключает ручной труд и позволяет полностью механизировать и автоматизировать производство изготовления форм и стержней независимо от их размеров, конфигурации и номенклатуры.

При производстве крупных  отливок применение регулируемого  охлаждения формы позволяет сократить  продолжительность охлаждения в  литейной форме отливок массой 20 - 200 т в 2 раза по сравнению с естественным охлаждением.

Отливки I класса точности обеспечиваются формовкой по металлическим моделям с механизированным выемом моделей из форм и с заливкой металла в сырые и подсушенные формы. Этот способ применяют в условиях массового производства и для изготовления наиболее сложных по конфигурации тонкостенных отливок.

Отливки II класса точности обеспечиваются формовкой с механизированным выемом деревянной модели, закрепляемой на легкосъемных металлических плитах, из форм и с заливкой в сырые и подсушенные формы. Этот способ применяют для получения отливок в серийном производстве.

Отливки III класса точности обеспечиваются ручной формовкой в песчаные формы, а также машинной формовкой по координатным плитам с незакрепленными моделями. Этот способ является оптимальным для изготовления отливок любой сложности, любых размеров и массы из разных литейных сплавов в единичном и мелкосерийном производстве.

Технологичность конструкций  отливок характеризуется условиями  формовки, заливки формы жидким металлом, остывания, выбивки, обрубки. На выполнение основных операций технологического процесса получения отливки влияют уклоны, толщина стенок, размерные соотношения стержней и другие условия.

Большое влияние на технологию последующей обработки отливок  оказывает наличие в них отверстий. При массовом производстве в отливках обычно получают отверстия диаметром  свыше 20 мм, при серийном - диаметром  свыше 30 мм и при единичном - диаметром  свыше 50 мм. Обрабатываемые отверстия  некруглого профиля выполняют литьем, если диаметры вписанных окружностей  соответствуют приведенным выше нормам.

Уступы шириной более 25 мм и выемки глубиной свыше 6 мм на мелких и средних отливках делают литыми. Если отношение толщин стенок составляет 1: 2, то переходные поверхности оформляют  в виде галтелей.

Состояние баз и обрабатываемых поверхностей отливок и условия  их обработки зависят от способов обрубки и очистки. В технологический  процесс изготовления отливки включается и контроль.

1.2 Анализ отливки на технологичность

Отливка изготавливается  из стали 20Л.

Масса детали 30кг. Все стенки имеют приблизительно одинаковую толщину.

Наружная поверхность  предусматривает механическую обработку.

Для формовки, сборки и заливки  форма удобна.

Вывод: отливка вполне технологична.

2. Технологический  раздел

2.1 Обоснование принятого способа формовки

Отливка опора имеет габаритные размеры 370х96 мм, изготовляется из стали 20Л, допускается сталь 25Л. Масса отливки 30 кг. Отливка должна соответствовать  техническим требованиям: по геометрии, стабильности геометрических размеров во времени, твердости поверхности, шероховатости. Исходя из этого выбирается процесс изготовления отливки: литье в песчано-глинистые сырые формы, т.к данный технологический процесс обеспечивает выполнение всех технических требований. Этот способ литья позволяет получать отливки любой конфигурации, размеров и массы. Относительно других видов литья этот способ более прост и дешев.

Эскиз отливки

Выбираем горизонтальное положение отливки в форме  при заливке. Расположение всей отливки  в нижней полуформе обеспечивает большую точность ее изготовления. Формовка производится по неразъемной  модели. Все обрабатываемые и базовые  поверхности находятся в одной  полуформе, а ответственные части  занимают при заливке формы вертикальное положение.

Выбранное горизонтальное положение  отливки в опоке при заливке, является наиболее технологичным и  рациональным, т.к позволяет получить отливку без использования стержней для выполнения внутренней полости.

2.2 Выбор припусков на механическую обработку

Поверхности отливки будут подвергаться механической обработке. Устанавливается 11 класс точности. Т.к. производство крупносерийное способ литья в песчаные формы по металлической оснастке. Наибольший габаритный размер отливки 370 мм. Согласно ГОСТ26645-85 величины припусков на механическую обработку следующие: поверхности Г и Д базы разметки "верх" - 8,0мм, "низ" - 6,0мм. Следует нанести величины припусков на эскиз детали. [5, с187-190]

Формовочные уклоны. Модель металлическая. Уклоны наружной поверхности знака модели будут составлять 7⁰. Внутренняя поверхность отливки будет выполняться стержнем.

Место подвода металла к отливке. Для отливки подвод металла должен осуществляться снизу под стержень. Это обеспечивает плавное и спокойное заполнение формы металлом. [5, с139-141]

2.3 Расчет литниковой системы

Назначение литниковой системы.

Литниковая система (л. с) должна обеспечить спокойную, равномерную и непрерывную подачу металла в заранее определенные места отливки.

Конструкция л. с. должна создавать  условия, препятствующие засасыванию  воздуха потоком металла.

Л. с. должна задерживать все  неметаллические включения, попавшие в поток металла.

Одной из важнейших функций  л. с. является заполнение формы с  заданной скоростью: при очень большой  скорости заливки происходит размыв стенок формы и каналов самой  л. с., а при слишком медленной заливке - значительное охлаждение металла и образование спаев, неслитин, недоливов.

Л. с. должна способствовать выполнению принципа равномерного или  направленного затвердевания отливки. Она служит для частичного питания  жидким металлом отливки в начальный  момент ее затвердевания.

Нормальная л. с. состоит  из следующих основных элементов: приемное устройство, стояк, зумпф, литниковый ход, питатели.

Приемные устройства.

Назначение их состоит  в том, чтобы обеспечить попадание  струи из ковша в каналы л. с. Также  эти устройства гасят энергию  струи металла из ковша и частично улавливают шлак, попавший в поток  из ковша.

В качестве приемного устройства применим литниковую воронку. Литниковые воронки применяются при заливке  всех стальных отливок, независимо от их массы (из-за заливки из стопорных ковшей, а также для уменьшения поверхности контакта металла с литниковой системой).

Стояк.

Он представляет собой  вертикальный канал л. с., по которому металл опускается от уровня чаши до того уровня, на котором он подводится к отливке.

Очень часто по условиям формовки (особенно при машинном изготовлении форм) требуется установка расширяющихся книзу стояков. В таких стояках может происходить подсос воздуха, и требуется установка дросселей, но так как сечение питателей наименьшее (то есть л. с. заполненная), то дроссели не нужны.

Зумпф Очень ответственным местом в л. с. является зумпф - это расширение и углубление под стояком. Его всегда нужно делать при устройстве л. с. В нем образуется болотце металла, гасящего энергию струи из стояка и тем самым предотвращающего разбрызгивание металла. Кроме того, выходя из зумпфа в литниковый ход, металл направлен снизу вверх. При этом направление движения металла совпадает с направлением естественного движения шлаковых частиц, попавших из ковша в металл, и они быстрее выносятся к потолку литникового хода, то есть зумпф позволяет сделать короче литниковый ход и уменьшить расход металла на л. с.

Литниковый ход.

Он представляет собой  горизонтальный канал, чаще всего трапециевидного  сечения, устанавливаемый на плоскости  разъема формы. Основным его назначением  является распределение потока металла  из стояка по отдельным питателям, обеспечивая  его равномерный расход.

Питатели.

Последний по ходу металла  элемент л. с. - питатели. Их количество и расположение зависят от характера заливаемых деталей. Сечение питателей должно быть таким, чтобы они легко отламывались от отливки.

Когда металл подводится несколькими  питателями к отливке, истечение  его из разных питателей, удаленных  на различное расстояние от стояка, разное. Дальние питатели пропускают большее количество металла, чем  ближние. Это объясняется тем, что  в крайних питателях динамический напор частично переходит в статический, поэтому скорость истечения металл из этих питателей выше.

Выбор типа литниковой системы.

Решающими факторами, от которых  зависит выбор типа л. с., являются: конструкция отливки, принятая в цехе технология и свойства сплава, из которого отливается заготовка.

Для изготовления стальных отливок  применяются л. с. максимальной простоты и минимальной протяженности, так  как сталь при охлаждении резко  теряет жидкотекучесть.

Выбранная л. с. относится  к верхним л. с. с горизонтальным расположением питателей. В такой  л. с. металл подводится в верхнюю  часть отливки и к концу  заполнения формы в отливке создается  температурное поле, соответствующее  принципу направленного затвердевания (снизу холодный, а сверху горячий металл).

Выбор места подвода металла  к отливке.

При выборе места подвода  металла к отливке обязательно  учитывается принцип затвердевания  отливки. Так как отливка по своей  конструкции склонна к направленному  затвердеванию, то металл лучше подводить  в ее массивные части. Протекающим  металлом форма в местах подвода  разогревается, в тонкие части отливки  металл подходит охлажденным и скорость их затвердевания еще больше увеличивается. Массивные части, разогретые горячим  металлом, затвердевают медленнее. Такое  температурное поле способствует образованию в отливке (в ее массивном или тепловом узле) концентрированной усадочной раковины, которую легко перевести в прибыль.

Металл подводим вдоль  стенки, в этом случае не происходит прямого удара струи металла  в стенку формы и вероятность  ее размыва уменьшается.

Для определения размеров сечения элементов л. с. нужно  задаться соотношением их размеров.

Q - вес жидкого металла на форму - 70кг

К - для форм с продувкой СО₂ = 0,74

L = 0,85 - коэффициент поправки на жидкотекучесть для углеродистых марок сталей

t = продолжительность заливки = , коэффициент С в зависимости от характера отливки относительной плотности отливки K_V

V - габаритный объем отливки в дм³

V=3,7*3,7*0,96 = 13,14дм³

Коэффициент С, в зависимости  от K_V = 1,3 [12, таб.32]

2.4 Расчет размеров прибылей

Усадочные раковины образуются в отливках вследствие уменьшения объема жидкого металла при охлаждении и, в особенности, при переходе его  из жидкого состояния в твердое. Они относятся к числу основных пороков отливок, с которыми литейщикам приходится повседневно работать. Для  борьбы с усадочными раковинами применяются  литейные прибыли, представляющие собой  резервуары жидкого металла, из которых  происходит пополнение объемной усадки отдельных частей отливки, расположенных  вблизи прибыли.

От эффективности работы прибыли зависит качество отливки  и процент выхода годного литья. Установка прибылей способствует выполнению принципа направленной кристаллизации.

Прибыль должна:

обеспечить направленное затвердевание отливки к прибыли; поэтому ее надо устанавливать на той части отливки, которая затвердевает последней;

иметь достаточное сечение, чтобы затвердеть позже отливки;

иметь достаточный объем, чтобы усадочная раковина не вышла  за пределы прибыли; иметь конструкцию, обеспечивающую минимальную поверхность.

2.5 Расчет прибыли

Для отливки "Корпуса"

Определяется диаметр  вписанного круга, определяющего узел питания отливки Ф 50 мм.

2. Согласно таб.24 (справочник Василевский)

d -толщина прибыли, Т - толщина питаемого узла.

d/T=1,8 т.е.

d=Т*1,8=50*1,8=90 мм

Протяженность прибыли при  L=Д согласно таб.24 (справ. Василевский)

т.к протяженность питаемого узла расположена равномерно по всей окружности, т.е. L=Д то протяженность прибыли

L=31% от Д, т.е.370*3,14*31% = 348мм

Распределяем 2 прибыли по окружности для равномерного питания  отливки металлом, т.е. длина одной прибыли будет 348: 2 = 174мм

2.4 Расчет нагружения опок

Изготовление отливок  осуществляется на автоматической линии, поэтому расчет нагружения опок не осуществляем, т.к опоки скрепляются перед заливкой специальными скобами.

2.5 Расчет времени охлаждения отливки

Расчет времени снятия температуры  перегрева:

n = 0,5 - показатель кривой охлаждения;

R = 14мм - средняя толщина стенки отливки;

b_ф = 1628 Вт*с^0,5/ (м* °С) - теплоаккумулирующая способность формы;

ρ_ж = 7150 кг/м² - плотность жидкого металла;

с_ж = 838 Дж/ (кг* °С) - теплоемкость жидкого металла;

Т_зал = 1983 К - температура заливки;

Т_{ф. н} = 293 К - начальная температура формы;

Т_л = 1673 К - температура ликвидуса.

Расчет времени охлаждения отливки  от температуры ликвидуса до температуры  солидуса:

Т_с=1620К - температура солидуса;

L=270*10³ Дж/кг - удельная теплота кристаллизации сплава.

Расчет времени охлаждения отливки  от температуры солидуса до температуры  выбивки:

с_тв=560 Дж/ (кг* °С) - теплоемкость твердого металла;

Т_выб = 773К - температура выбивки.

Общее время охлаждения отливки  в форме:

τ = τ₁ + τ₂ + τ₃ = 1954 +2568 + 6278 = 10800сек или 3 час

2.6 Разработка технологического процесса с указанием используемого оборудования, приспособлений, инструмента, материалов

2.6.1. Подготовка формовочных материалов

2.6.1.1 Технологический процесс подготовки формовочного песка

Необходимое оборудование и приборы:

1. прибор определения влажности (тип PIT);

2. прибор определения глинистых  составляющих;

3. прибор определения зернового  состава (тип PSA);

4. контактный термометр (ГОСТ 2823-73Е);

5. лабораторные весы (тип PKW);

6. установка для сушки  и охлаждения песка производительностью  10 т/ч фирмы "GIZAG"

7. пневмотранспортные системы  для транспортировки высушенного  кварцевого песка в силос и  к потребителям.

Общие положения:

1. песок кварцевый марки  2К₂О₂025 ГОСТ 2138-91 поступает из карьера в железнодорожных вагонах с исходной влажностью не более 6%;

2. формовочные пески не  должны иметь посторонних включений,  остатков растительного слоя, угля, торфа, известняка;

3. приемку песков производит  ОТК внешней приемки согласно  ГОСТ 2189-78;

4. по показателям качества  кварцевые пески должны соответствовать  требованиям, указанным в таблице  № 2.1;

5. сухие формовочные пески  транспортируют пневмотранспортом  ко всем потребителям литейного  цеха;

Принцип работы установки:

1. грейфером песок подается  в загрузочный бункер;

2. вращением тарельчатого  питателя влажный кварцевый песок  из загрузочного бункера подается  через транспортирующий желоб  в проходной сушильный барабан;

Таблица 2.1

3. с помощью встроенных  подъемных и транспортирующих  лопаток песок постоянно перемешивается, в результате чего происходит  интенсивное испарение влаги;

4. после прохождения через  сушильный барабан высушенный  песок подается ленточным элеватором  через сито и каскадный классификатор  в охлаждающее устройство;

5. в охлаждающее устройство  песок поступает с температурой 120°С;

6. из охлаждающего устройства  песок с температурой 30°С и  влажностью не более 0,3% транспортируется  нагнетательной пневмотранспортной  установкой в силос для хранения;

7. от силоса песок пневмотранспортом  подается к потребителям;

8. проходной сушильный  барабан нагревается природным  газом;

9. регулировка пламени  горелки происходит автоматически  в зависимости от температуры  отходящего газа.

Техника безопасности:

1. к работе на установке  допускаются лица, прошедшие инструктаж  по технике безопасности по  выполнению данной работы и  имеющие удостоверение на право  пользования природным газом;

2. в случае каких-либо  неисправностей в работе установки  сушки и охлаждения песка, пневмотранспортных  установок, установки следует  отключить и сообщить об этом  мастеру;

3. после окончания работы  установку отключить от сети, природного газа, сжатого воздуха  и водопровода, убрать рабочее  место, инструмент, приспособления  в специально отведенные инструментальные  ящики.

2.6.1.2 Технологический процесс приготовления формовочной смеси по Alphaset-процессу

Оборудование, оснастка и инструмент:

1. смесителя периодического  действия фирмы "+GF+" производительностью 3 т/ч стержневой смеси;

2. установка для приема, подогрева компонента №1 (смолы) на 500 л с системой автоматической дозировки и подачи в смеситель;

3. установка для приема  жидкого отвердителя на 500 л с  системой автоматической дозировки  и подачи в смеситель;

4. система приводных рольгангов  и передаточных тележек для  осуществления транспортировки  полуформ по зонам (подготовки, заполнения, уплотнения, отверждения, извлечения и отделки);

5. краскораспылительная установка  для окраски поверхностей форм  с емкостью для приема противопригарной  краски;

7. формовочный инструмент: гладила, слесарный молоток, ручная  трамбовка, душник, малярная кисть,  струбцины и т.д.;

8. кран - балка, управляемая  с пола грузоподъемностью 5 т.

При использовании смесителя  периодического действия очередность  ввода жидких компонентов не имеет  большого значения. В быстроходных смесителях непрерывного действия прочность  на разрыв получается выше, чем в  периодических смесителях. Отвердитель  вводят в камеру сразу после ввода  песка, смолу через 20...30 см по ходу шнека. Рекомендуемая влажность песка - до 3%. Можно увеличить расход отвердителя, чтобы ускорить затвердевание; для замедления затвердевания и, соответственно, увеличения живучести, не рекомендуется использовать менее 15% отвердителя, лучше использовать соответствующий медленный отвердитель.

2.6.2 Изготовление литейных форм

Выбор материалов для оснастки.

Для отливки "Корпус" предусматривается следующая модельноопочная оснастка:

модель отливки - 1шт.

модель плиты - 2шт.

модели элементов литниковой системы

стержневой ящик - 1шт.

штыри для модельных плит

опоки "верха" и "низа"

втулки для опок

штыри для сборки форм

Необходимое оборудование и инструмент:

Механизированная формовочная  линия для изготовления мелкого  и среднего литья AMD 15 (no-bake) фирмы "+GF+" в опоках размерами 1000x800x250мм

Дозирующие шнеки.

Суточные бункера кварцевого песка и регенерата.