Сравнительный анализ способов получения заготовок и деталей в машиностроении

Таблица 1

№	Характеристика	Способы получения
Литейное пр-во	ОМД	Обработка резанием	Сварочное пр-во	Порошк. металлургия
	Соотношение между заготов-ками и деталями в %	95/5	75/25	0/100	50/50	5/95
	Применяется для материалов с:	хорошими литейными свойствами	хорошей деформируе-мостью	для любых материа-лов	хорошей сваривае-мостью (паяемо-стью)	хорошей прессуе-мостью, спекаемо-стью
	Расход металла (на заготовку, деталь)	макси-мальный	максималь-ный, мини-мальный	макси-мальный	мини-мальный	мини-мальный
	Стоимость заго-товки (детали)	мини-мальная	средняя минимальная	макси-мальная	средняя минималь-ная	средняя
	Производитель-ность	средняя	максимальная	минималь-ная	макси-мальная	средняя
	Автоматизация	исп. авто-матические линии, ро-торно-кон-вейерные линии	исп. авто-матичес-кие линии, робо-ты, манипуля-торы, гибкие модули	исп. ЧПУ гибкие мо-дули, обра-батываю-щие цент-ры, автома-ты и полу-автоматы	исп. авто-маты и по-луавтома-ты, роботы, гибкие мо-дули	исп. полуав-томаты, роботы

 

Анализ приведенных данных в таблице 1 показывает, что самым непроизводительным, дорогим и металлоемким процессом является обработка металлов резанием. Самые металлоэкономные процессы – это обработка металлов давлением и порошковая металлургия.

 

 

Основы металлургии черных и цветных металлов.

 

Производство чугуна

Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов и металлических сплавов – одна из древнейших отраслей знания.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14 % углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствует кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется 85 – 90 % всего чугуна. Вместе с тем чугун является наиболее распространенным литейным сплавом.

 

Руды, пустая порода, вредные примеси, флюсы и топливо

Железные руды – основной исходный материал для выплавки чугуна. Рудный минерал (рудное вещество) чаще всего представляет собой окислы железа, хорошо восстанавливающийся в условиях доменной плавки.

Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глины, которая легко отделяется от основных рудных минералов в процессе обогащения руды или переходит в шлаки в процессе плавки.

Вредные примеси – мышьяк, фосфор и сера, существенно влияют на металлургические процессы и загрязняют основной металл.

Наиболее богатые рудные минералы содержат 60 % железа и больше, наиболее бедные 30 – 40 % и бывают следующих видов:

- красный железняк (гематит), безводная окись железа Fe₂О₃ – наиболее распространенный вид руды во всем мире, содержит 50 – 60 % железа с минимальным содержанием вредных примесей;

- магнитный железняк (магнетит), магнитная окись железа Fe₃О₄, содержит до 70 % железа и обладает магнитными свойствами;

- бурый железняк (лимонит), содержит железо в форме водных окислов от 25 – 50 %.

Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива. Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав – доменный шлак. Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы руды, в отечественном производстве главным образом используют известняк СаСО₃. Избыток извести в доменном шлаке способствует удалению из чугуна серы.

Основное требование к доменному топливу – высокая теплотворность, малое содержание золы, чистота по содержанию вредных примесей. Главным топливом в доменном производстве является каменноугольный кокс, который обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и образования восстановителей окислов железа.

Кокс представляет собой твердую спекшуюся массу, в результате прокаливания каменного угля при высокой температуре без доступа воздуха.

 

Подготовка руды к плавке

Подготовка руды дает возможность использовать более бедные руды и повышать эффективность доменного процесса.

Дробление руды обеспечивает нужную степень измельчение руды до размеров от 10 до 80 мм, которые успевают за время ее нахождения в печи прогреться и, неплотно прилегая друг к другу, оставлять проходы для газов.

Обогащение руды – это предварительная обработка руды, не изменяющая химического состава основных минералов, предназначено для использования более бедных руд. Основной способ – это магнитная сепарация, отделение пустой породы в магнитном поле.

Среди других методов обогащения наиболее распространен гравитационный: отсадка и разделение в тяжелых суспензиях, в которых рудный минерал тонет, а частицы пустой породы всплывают.

Для удаления рыхлой песчаной и глинистой пустой породы применяют наиболее простой и дешевый способ – промывку водой.

Окускование – процесс соединения железорудного сырья перед плавкой методами агломерациии и окатывания.

Агломерацию (спекание) проводят на больших ленточных машинах непрерывного действия. Исходным материалом для процесса служат мелкая руда и отходы доменного производства (колошниковая пыль). Эти материалы смешивают с небольшим количеством мелкого кокса увлажняют и поджигают, в результате горения при температуре 1300 – 1500 ⁰С происходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат.

Окатывание – производство окатышей. Для этого мелкую руду, известняк (флюс), перемешивают с глиной и увлажняют. Сырые окатыши диаметром 20 – 30 мм получают во вращающихся барабанах, которые после сушки и обжига при температуре 1200 ⁰С, становятся достаточно прочными и пористыми.

 

Выплавка чугуна

Для получения чугуна из железных руд применяется автоматизированный процесс в доменных печах (рис. 1).

 

 

Рис. 1 Схема доменной печи шахтного типа:

1 – засыпной аппарат; 2 – газоотводы; 3 – огнеупорный материал;

4 – фурмы; 5 – шлаковая летка; 6 – чугунная летка.

 

Доменная печь – это сооружение высотой 35м и массой в несколько тысяч тонн. Полезный объем современных доменных печей достигает до 5000 м³, производительность при этом достигает 11000 тонн чугуна в сутки. Доменная печь работает непрерывно в течение 5 – 10 лет по принципу противотока. Внутреннюю часть рабочего пространства печи называют профилем доменной печи (рис.2).

Рис. 2 Профиль доменной печи:

1 – колошник; 2 – шахта; 3 – распор; 4 – заплечики; 5 – горн.

Доменный процесс плавки чугуна заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) железной руды, флюса и кокса, располагающегося в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, вдуваемом в горн, через фурму и постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два жидких несмешивающихся слоя: чугун и шлак над чугуном.

Выпуск шлака производится через каждые 40 – 50 мин, а чугун примерно через 2 часа через летки, которые вскрывают электробуром и разливают в ковши емкостью до 60 т. Затем летку забивают огнеупорной глиной.