Выплавка алюминия в России

СОДЕРЖАНИЕ 
 

1. Выплавка  алюминия в России.
2. Двухванные печи.
3. Азотирование.
4. Станки для механической обработки с программным управлением.
5. Литьё по выплавляемым моделям.
6. Сварка электрозвуковая.

     Вопрос  №1. Выплавка алюминия в России.

     Алюминиевая промышленность — отрасль цветной металлургии, объединяющая предприятия по выработке металлического алюминия. По масштабам производства и потребления алюминий занимает первое место среди подотраслей цветной металлургии, а среди отраслей металлургии по объёму уступает лишь производству стали. Важнейшими потребителями продукции алюминиевой промышленности являются: авиационная, электротехническая, автомобильная и ряд других отраслей машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, а также строительство, железнодорожный транспорт, химическая, пищевая промышленность.

     Основным природным сырьём для получения глинозёма с целью последующего получения из него алюминия, являются бокситы. Для производства одной тонны металлического алюминия требуется примерно 1930 кг глинозёма, 50 кг фтористых солей, 550 кг угольных электродов (анодной массы или обожжённых анодов) и до 18 000 квт-ч электроэнергии. Алюминиевая промышленность — одна из наиболее энергоёмких отраслей промышленности, поэтому важнейшим условием её развития является наличие мощных источников дешёвой электроэнергии.

     Самым крупным предприятием по производству алюминия является Братский алюминиевый завод, который первым в мире стал производить более 1 миллиона тонн алюминия в год. Завод производит 30% российского алюминия и 4% мирового. Завод потребляет 75% электроэнергии, вырабатываемой Братской ГЭС.

      Россия  располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, большие месторождения которых  находятся на Урале и в Башкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый на Кольском полуострове. Много алюминия находится и в месторождениях Сибири.

      Алюминий  получают из оксида алюминия Al₂O₃ электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al₂O₃ получают переработкой природного боксита.

      Основное  исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет  очень высокую температуру плавления (около 2050 ^oC), поэтому требуется слишком много энергии.

      Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 _oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF_3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 ^oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

      Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na₃ [AlF₆ ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al₂O₃ , плавится при 960 ^oC и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF₃, CaF₂ и MgF₂. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 ^oC .

      Эликтролизер  для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри  огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

      При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий , обладающий большей плотностью , чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO₂.

      Первый  алюминиевый завод в России был  построен в 1932 году в Волхове. 

      Вопрос №2. Двухванные печи.

     В двухванных печах выплавляют, стали  широкого сортамента, в том числе низколегированные, не уступающие по качеству сталям, выплавляемым в мартеновских печах

     Распространение двухванных печей определилось их преимуществами в сравнении с мартеновскими печами: малым удельным расходом огнеупоров (4–5 кг в сравнении с 12–15 кг на мартеновских печах), меньшим объемом ремонтов, значительным облегчением условий труда ремонтных рабочих, в 3–5 раз меньшим   расходом топлива, более высокой стойкостью, достигающей 800–1000 плавок.

     Производительность  двухванных печей в 3–4 раза выше, чем мартеновских; их устанавливают на месте существующих мартеновских печей без реконструкции здания и изменения грузопотоков в цехе.

     Для лучшего использования СО и частичного улавливания пыли в самом рабочем пространстве создана двух ванная сталеплавильная печь (рис. 121).

     Рабочее пространство такой печи разделено  переводом на две ванны. Обе ванны  имеют общий свод, так что продукты сгорания, образующиеся в одной ванне, проходят вторую часть рабочего пространства.

     Рис. 121. Двух ванная печь 2x300 т:

     1 – ванны печи; 2 – фурмы; 3 – шлаковики; 4 – водоохлаждаемая заслонка; 5 – амбразура для отбора воздуха из вертикального канала; 6 – футерованный воздухопровод; 7 – амбразура в своде печи; 8 – эжектор.

     Печь  работает следующим образом: в одной  ванне (горячей) происходит плавление и доводка с интенсивной продувкой металла кислородом, а во второй ванне (холодной) в то же время идет завалка и прогрев твердой шихты. Газы из горячей части печи направляются в холодную и состоят до 35% из оксида углерода. В холодной части печи СО догорает до СО₂ и за счет выделяющегося тепла происходит нагрев твердой шихты. Недостающее для процесса нагрева тепло восполняется подачей природного газа через горелки, установленные в своде печи. Сгорание природного газа и догорание СО совершаются за счет дополнительного кислорода.

     Когда готовую сталь из первой ванны  выпускают, во вторую ванну заливают жидкий чугун. После заливки чугуна тут же начинают продувку ванны кислородом. Заканчивается продувка за 5–7 мин до выпуска. С выпуском металла из первой ванны цикл плавки заканчивается и начинается новый. В то же время с помощью перекидных шиберов изменяется направление движения газов. Теперь бывшая холодная ванна становится горячей. Первую ванну заправляют и производят завалку шихты, и цикл повторяется.

     Двух  ванная печь должна работать таким  образом, чтобы было равенство холодного и горячего периодов, протекающих одновременно в разных ваннах. В холодный период входит выпуск, заправка, завалка, прогрев, заливка чугуна; в горячий период – плавление и доводка. Например, для печи с садкой каждой ванны 250 т общая продолжительность плавки составляет 4 ч, каждый период длится по 2 ч. Металл выпускается также через каждые 2 ч. Раскисление стали, производят в ковше.

     Металл  продувают кислородом в каждой ванне  через две–три кислородные фурмы с интенсивностью 20–25м³/ч" на 1 т металла. Каждая часть печи оборудована сводовыми кислородными фурмами и газокислородными горелками. Горелки необходимы для сушки и разогрева печи после ремонтов, а также для подачи дополнительного топлива.

     Современные двухванные печи работают на техническом кислороде без вентиляторного воздуха, поэтому регенераторы отсутствуют. Холодная ванна печи частично выполняет роль регенераторов, аккумулируя тепло газов, покидающих горячую часть печи с температурой ~1700°С, и частично улавливает плавильную пыль, тем самым выполняет роль шлаковиков. Тем не менее количество пыли в продуктах сгорания, покидающих печь, составляет большую величину (20–40 т/м ). Пыль состоит на 85–90 % из окислов железа.

     Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печи с температурой около 1500 °С, поступают  по вертикальному каналу в шлаковик, в котором охлаждаются водой до температуры 900–1000 °С, а затем направляются в боров. В борове за счет подсоса холодного воздуха происходит дальнейшее понижение их температуры до 700 °С. 
 
 

     Вопрос  №3. Азотирование.

     Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно).

   Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

• Стали углеродистые и легированные, конструкционные и инструментальные.
• Высокохромистые чугуны, высокохромистые износоустойчивые сплавы, хром.
• Титан и титановые сплавы.
• Бериллий.
• Вольфрам.
• Ниобиевые сплавы.
• Порошковые материалы.

   Назначение азотирования: упрочнение поверхности; защита от коррозии; повышение усталостной прочности

   В зависимости от назначения используемые технологические процессы азотирования могут существенно отличаться.

   Для проведения газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

   Для проведения каталитического газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

   Для проведения процессов ионно-плазменного  азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки и, собственно, насыщение.

   Для азотирования из растворов электролитов применяются установки для электрохимико-термической  обработки. 

   Вопрос  №4. Станки для механической обработки с программным управлением.

  Токарный станок  с оперативной  системой  управления  предназначен  для

механической  обработки деталей тел вращения в полуавтоматическом цикле.

      Станок может  не  пользоваться  при  обработке  различных  деталей  из

различных материалов таких  как  жаропрочные,  легированные,  алюминиевые  и магниевые  сплавы,  а  также  для  обработки  стали  и  чугуна.  Выполняемые операции на станке разнообразны контурное  точение,  растачивание,  подрезка торцов, сверление осевых отверстий  деталей,  обработки  поковок,  нарезания различных резьб, как наружных так и внутренних с различным шагом (включая  с увеличивающем и уменьшающем шагом), а также поперечные резьбы.

      Обработка ведется по программе,  заложенной в память системы  с  пульта

управления, с магнитной ленты или ЭВМ, а  также  из  библиотеки  управляющих программ в энергонезависимой памяти устройства ЧПУ.

      Токарный  станок  с  ЧПУ   имеет  жесткое  литое   основание.   На   нем

установлена станина,  электродвигатель  главного  движения,  стамухи  смазки направляющих каретки к шпиндельной бабке. Станина  станка  имеет  коробчатую форму с поперечными ребрами  П – образного профиля и закаленные  шлифованные направляющие. На станине станка устанавливаются шпиндельная бабка,  каретка, приводы продольной подачи и задняя бабка.

      Для базирования каретки на  станке передняя направляющая  имеет форму не равномерной призмы, задняя направляющая плоская. Задняя бабка базируется  на станке по  малой  задней  призматической  направляющей  и  по  плоскости  на передней направляющей .

      На  станке  установлена  шпиндельная   бабка  имеющая   три   диапазона

регулирования,  переключаемая  в  ручную.  Шпиндель  станка  смонтирован   в коническом двухрядном и однорядном  подшипниках,  которые регулируются  при сборке узла и не требуют регулировки вовремя эксплуатации.

      Привод продольного перемещения  включает шариковую передачу  ВГК,  опора винта,  двигатель  постоянного  тока,  а  также   датчик   обратной   связи, соединенный с винтом через муфты. Привод поперечного перемещения  аналогичен приводу продольного перемещению.

      На станке  используется  8–ми   позиционная  автоматическая  головка  с

горизонтальной  осью поворота и инструментальным на  8  радиальных  и  осевых инструментов (блоки под инструменты)

      На станке предусмотрена возможность   подключения  индикатора  контакта тока БВ-247400000-07. Этот используется при встраивании станка в ГПМ.

      Пульт управления смонтирован  на поворотном кронштейне, закрепленным на основании станка и поворачиваемом при наладке станка  в  удобное  положение. На пульте смонтированы панели с органами управления станком. 

   Вопрос  №5. Литье по выплавляемым моделям.

   Литьё — технологический процесс изготовления заготовок (реже — готовых деталей), заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом (металлом, сплавом, пластмассой и т. п.) с последующим его затвердеванием.

   Способ литья металлов — по выплавляемой модели — применяется в случаях изготовления деталей высокой точности (например лопатки турбин и т. п.) Из легкоплавкого материала:парафин, стеарин и др., (в простейшем случае — из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система.                    Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50 % стеарина и 50 % парафина, для крупногабаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя.

     В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы.

     Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в  которые закачивается аммиачный  газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000. Нагретый блок устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС.Таким образом получаем отливку.

     Преимущества  этого способа: возможность изготовления деталей из сплавов, не поддающихся  механической обработке; получение  отливок с точностью размеров до 11 — 13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5—1,25 мкм, что в ряде случаев устраняет обработку резанием; возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей. Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.

     В силу большого расхода металла и  дороговизны процесса ЛВМ применяют  только для ответственных деталей.

Процесс литья по выплавляемым моделям базируется на следующем основном принципе:

• Копия  или модель конечного изделия  изготавливаются из легкоплавкого  материала.

• Эта  модель окружается керамической массой, которая затвердевает и образует форму.

• При  последующем нагревании (прокалке) формы модель отливки расплавляется и удаляется.

• Затем  в оставшуюся на месте удалённого воска полость заливается металл, который точно воспроизводит  исходную модель отливки. 

Вопрос  №6. Сварка электрозвуковая.

     Ультразвуковая сварка, способ сварки с применением ультразвука для сообщения колебаний инструменту, прижимаемому к поверхностям свариваемых материалов. Сварка металлов происходит в твёрдой фазе (без расплавления). Металл разогревается до 200—600 °С в результате действия сил трения между инструментом и металлом. Колебания инструмента способствуют очистке поверхностей, поэтому шов получается хорошего качества. Этим способом соединяют отдельными точками или непрерывным швом главным образом листовые металлы (Al, Ti, Cu), некоторые сплавы, пластмассы. Толщина листов 0,1—2 мм. Время сварки точки 0,1—5,0 сек при силе прижатия инструмента 20—200 кгс (0,2—2 кн).

     При сварке деталей разной толщины одна должна быть тонкой (не более 1 мм), вторая может иметь сколь угодно большую толщину. К оборудованию для ультразвуковой сварки относятся: высокочастотный ламповый генератор мощностью 0,5—5 квт,магнитострикционный преобразователь с сердечником, длина которого может изменяться. Сердечник соединён с волноводным концентратором акустическим, несущим рабочий инструмент с наконечником из твёрдого сплава. Ультразвуковая сварка находит применение главным образом в радиотехнической, электронной, электротехнической промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 

1. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. Редакционная коллегия И.В. Горынин и др. Москва «Металлургия», 2006. 
2. Абрамов О.В. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые материалы. – М.: Наука. 2000.  
3. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Елисеев Э.А. Структура и износостойкость азотированных сталей/учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 48 с.   
4. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. - М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.
5. Силин Л. Л., Баландин Г. Ф., Коган М. Г., Ультразвуковая сварка, М., 1962
6. Ловыгин А.А., Васильев А.В., Кривцов С.Ю. "Современный станок с ЧПУ и CAD_CAM
7. Металлургическая теплотехника в 2-х томах 1. Теоретические основы: Учебник для вузов В. А. Кривандин, В. А. Арутюнов,  Б. С.Мастрюков и др. М.: Металлургия, 1986. 424. с.