При гомогенныхпроцессах смешивание реагирующих веществ (а чаще всего это жидкости или газы) не представляет особого труда, и реакция идет во всем объеме

Сложности возникают в редких случаях взаимодействия двух и более твердых веществ, а также при гетерогенных процессах. При этом для увеличения скорости реакции требуются специальные мероприятия, увеличивающие поверхности соприкосновения веществ в разных фазах. Увеличение скорости реакции часто связано с различными внешними воздействиями.

Все вышесказанное влияет на конструктивные особенности оборудования, используемого для проведения гетерогенных процессов.

Выделения целевого продукта. В большинстве случаев в результате химических превращений не удается сразу получить чистый продукт, он может быть смешан частично с непрореагировавшим сырьем, т.к. процесс обычно невыгодно вести до конца. В ряде случаев, как отмечалось выше, в результате реакции получается несколько продуктов, из которых нужен, как правило, только один и в чистом виде. Поэтому целевой продукт необходимо выделить из смеси продуктов. Это выделение осуществляется ректификацией, адсорбцией, абсорбцией, кристаллизацией, выпариванием и т.п.

Ректификацией разделяют однородные смеси, состоящие из жидкостей, кипящих при разной температуре. Так, если нагреть и частично испарить смесь этилового спирта с водой, то в охлажденных парах будет более высокое содержание спирта, чем в исходной смеси. Поскольку он испаряется легче, чем вода. При повторении тех же операций с обогащенной спиртом жидкостью можно получить продукт с высоким содержанием спирта. Именно такой процесс происходит в ректификационных колоннах на химкомбинатах. Аналогичные операции можно проделывать с нефтью.

Абсорбция – поглощение газа жидкостью – применяется для разделения газовых смесей, в состав которых входят газы, по-разному поглощаемые жидкостью. Процесс связан с переходом вещества из газовой фазы в жидкую фазу, его осуществляют в абсорбционных колоннах, где газ приводится в соприкосновение с жидкостью, выборочно поглощающей газ из смеси. Так для очистки газовой смеси азота с водородом от углекислоты смесь пропускают через колонну, в которой стекающая вода растворяет только углекислый газ

Адсорбцией называется процесс очистки газовой или жидкой смеси твердым поглотителем. При этом вещество из газовой фазы переходит в твердую.

Кристаллизацией получают вещества из растворов или расплавов в твердом виде. Для этого подбирают такие условия, при которых растворимость вещества в жидкости снижается, и она выпадает в осадок.

При выпаривании разделение веществ происходит за счет перехода одного из веществ в пар.

1. Конструктивные особенности оборудования, используемого для проведения гетерогенных процессов. Система газ – твердое вещество

Процессы в системе газ-твердое вещество очень сложно рассматривать. Процесс представляют как совокупность 11 стадий:

1. Диффузия газообразного реагента к поверхности твердой частицы (внешняя

диффузия);

2. Диффузия газообразного реагента через слой продукта к поверхности

раздела фаз (внутренняя диффузия);

3. Адсорбция газообразного реагента на поверхности раздела фаз;

4. Растворение газообразного реагента в твердом исходном веществе;

5. Диффузия от поверхности раздела фаз к потенциальному центру

образования ядра новой фазы;

6. Химическая реакция;

7. Диффузия от потенциального центра образования ядра новой фазы к

поверхности раздела фаз;

8. Растворение газообразного реагента в твердом исходном веществе;

9. Десорбция газообразного реагента с поверхности раздела фаз;

10. Диффузия газообразного реагента через слой продукта от поверхности

раздела фаз (внутренняя диффузия);

11. Диффузия газообразного реагента с поверхности твердой частицы (внешняя

диффузия);

1. Конструктивные особенности оборудования, используемого для проведения гетерогенных процессов. Система жидкость– твердое вещество

Не нашел

1. Конструктивные особенности оборудования, используемого для проведения гетерогенных процессов. Система газ – жидкость.

Гетерогенный процесс — многостадийный процесс. Наиболее простым является процесс в системе жидкость-газ, который обычно протекает в три стадии:

I. Область внешней диффузии – подвод газа и жидкости к поверхности раздела фаз, которая формируется искусственно в подавляющем большинстве случаев(осадочная колонна);

II. Химическое взаимодействия (кинетическая область);

III. Отвод продуктов от поверхности раздела фаз (внешне диффузионная область протекания).

В подавляющем большинстве случаев процессы в системе жидкость-газ протекают во внешней диффузионной области, поэтому при проектировании оборудования необходимо решать проблему одновременного увеличения линейной скорости подачи реагентов и увеличение площади поверхности насадки. Для того, чтобы создать необходимую площадь поверхности контакта фаз необходимо уменьшить линейные размеры насадки следовательно, увеличивается сопротивление при увеличении линейной скорости, поэтому необходимо находить оптимум.

1. Типы технологических схем, используемых в химическом производстве.

Технологические схемы можно классифицировать по различным признакам.

1) По организационной структуре различают схемы непрерывные, периодические и комбинированные.

В непрерывных схемах все технологические операции протекают одновременно, каждая в своем аппарате (операции совмещены во времени, но разобщены в пространстве). Такие установки отличаются высокой производительностью, стационарностью процесса и возможностью создания оптимальных условий в каждом аппарате, что обеспечивает высокое качество продукта. Непрерывные схемы легко механизировать и автоматизировать; в этих схемах возможна эффективная рекуперация энергии. Недостатками непрерывных схем является высокая стоимость и малая экономическая гибкость, связанная со сложностью пуска и остановки установок непрерывного действия. Непрерывные схемы используются в случае многотоннажных производств при высокой скорости химической реакции.

В периодических схемах все технологические операции химической стадии протекают в одном аппарате (они совмещены в пространстве, но разобщены во времени). Так как режим работы периодического реактора нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Периодические схемы отличаются низкой производительностью; в таких производствах с трудом решаются проблемы автоматизации, безопасности, экологии, энерго- и ресурсосбережения. Преимуществами периодических схем является низкая стоимость и высокая экономическая гибкость. Эти схемы используются в случае необходимости производства широкого ассортимента продуктов в небольшом количестве на одном оборудовании, при низких скорости и селективности химической реакции или в случае, когда технологический процесс мало изучен.

Комбинированные технологические схемы (полупериодические, полунепрерывные) обладают признаками двух описанных выше схем.

2) По способу движения потоков сырья различают однократные (прямые, с открытой цепью) и циркуляционные схемы.

Однократные схемы используют для процессов с высокой конверсией реагентов. Рецикл (циркуляционные схемы) применяют при низкой степени превращения реагентов или при использовании избытка одного из реагентов, а также для регулирования температуры в реакционном объеме.

Достоинствами циркуляционных схем является более полное использование сырья, возможность поддержания оптимального температурного и концентрационного режима с помощью рецикла. Недостатки – высокий расход энергии, повышение стоимости установки. Рецикл является единственно возможным технологическим решением при проведении реакций с неблагоприятным положением равновесия.

3) По числу химических стадий различают одно-, двух- и многостадийные технологические схемы.

Стадийность схемы определяется числом химических реакций, способствующих превращению реагентов в целевой продукт. Нельзя смешивать понятия стадийности технологической схемы и стадийного протекания сложно-последовательных химических реакций. Химические стадии многостадийной схемы протекают в разных реакторах, при различных заданных условиях. Сложная многостадийная реакция осуществляется в одном реакторе.

В настоящее время в технологии преобладают многостадийные схемы. Они отличаются сложностью управления, высокой стоимостью, высокой энерго- и материалоемкостью. При разработке новых синтезов химики должны стремиться к сокращению стадийности схем.

4) По характеру размещения оборудования различают вертикальные и горизонтальные технологические схемы.

Вертикальные схемы используются при высокой токсичности производства; они обеспечивают минимальную протяженность коммуникаций и возможность перемещения технологических потоков самотеком, однако требуют дорогостоящих многоэтажных зданий.

Горизонтальное размещение оборудования требует больших производственных площадей, значительных затрат на коммуникации, трубопроводы. Но в случае пожаро- и взрывоопасных производств размещение установок на большом расстоянии друг от друга обеспечивает большую безопасность производства.
5) По номенклатуре выпускаемой продукции различают одно- и многопродуктовые технологические схемы. Непрерывные схемы обычно являются однопродуктовыми; периодические – многопродуктовыми.

По номенклатуре продукции различают также индивидуальные, совмещенные и гибкие технологические схемы.

Индивидуальная схема предназначена для выпуска на данном оборудовании продукции одного наименования. Совмещенная схема предназначена для выпуска на одном и том же оборудовании продукции строго фиксированной номенклатуры. Если на одном и том же оборудовании осуществляют выпуск продукции нефиксированной номенклатуры, технология называется гибкой. Такие схемы обладают изменяющейся структурой и организуются по блочно-модульному принципу. Поэтому такие технологии называют модульными. Индивидуальные схемы обычно являются крупнотоннажными, непрерывными; совмещенные и гибкие схемы используются для производства небольших количеств продуктов широкого ассортимента.
6) По энерготехнологичекому принципу различают обычные (энергопотребляющие) и энерготехнологические (энергопроизводящие) технологические схемы.

В отличие от обычной схемы, целью функционирования энерготехнологической схемы является не только производство целевого продукта, но и получение товарной энергии в том или ином виде. Такие схемы кроме технологического содержат и энергетическое оборудование.
7) По экотехнологическому принципу, в основе которого лежит принцип сохранения окружающей среды от вредных выбросов, различают традиционные (ресурсопотребляющие) и экотехнологические (ресурсосберегающие) технологические схемы. В свою очередь экотехнологические схемы можно разделить на три типа:

1) схемы с возвратом отходов природе на переработку;

2) схемы с возвратом природе отходов в природном состоянии;

3) замкнутые, безотходные схемы.

В первом случае используют природные способности растений и других организмов утилизировать биогенные составляющие отходов. Второй тип схем предполагает возврат природе газов, очищенных до состава атмосферного воздуха, воды до состава природных водоемов и твердых отходов – до их безвредного существования в природе. Третий тип схем предусматривает полное использование отходов в качестве сырья на данном предприятии или на других заводах.

1. Черная и цветная металлургия. Общие способы получения металлов.

Металлургия (от греческого «металлон»— «рудник», «металл» и «эргон»; — «работа») — в первоначальном, узком значении «искусство выплавлять металлы из руд». В современном значении — это область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие все процессы получения металлов и сплавов и придания им определенных форм и свойств.

Исторически сложилось разделение металлургии на цветную и черную.

К черной металлургии относятся сплавы на основе железа — чугун, сталь, ферросплавы (на долю черных металлов приходится около 95% всей произведенной в мире металлопродукции).

Чёрная металлургия — отрасль тяжёлой промышленности, объединяющая технологически и организационно предприятия по добыче и обогащению рудного и нерудного сырья, по производству огнеупоров, продуктов коксохимической промышленности, чугуна, стали, проката, ферросплавов, стальных и чугунных труб, а также изделий дальнейшего передела (рельсовых скреплений, белой жести, оцинкованного железа), металлических порошков чёрных металлов. Служит основой развития машиностроения (одна треть отлитого металла из доменной печи идёт в машиностроение) и строительства (1/4 металла идёт в строительство). Основным исходным сырьём для получения чёрных металлов являются железная руда, марганец, коксующиеся угли и руды легирующих металлов.

В состав чёрной металлургии входят следующие основные подотрасли:

§ добыча и обогащение руд чёрных металлов (железная, хромовая и марганцевая руда);

§ добыча и обогащение нерудного сырья для чёрной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин и т. п.);

§ производство чёрных металлов (чугуна, углеродистой стали, проката, металлических порошков чёрных металлов);

§ производство стальных и чугунных труб;

§ коксохимическая промышленность (производство кокса, коксового газа и пр.);

§ вторичная обработка чёрных металлов (разделка лома и отходов чёрных металлов).

Собственно, металлургическим циклом является производство:

1) чугунно-доменное производство,

2) стали (мартеновское, кислородноконвертерное и электросталеплавильное), (непрерывная разливка, МНЛЗ),

3) проката (прокатное производство).

Предприятия, выпускающие чугун, углеродистую сталь и прокат, относятся к металлургическим предприятиям полного цикла.

Предприятия без выплавки чугуна относят к так называемой передельной металлургии. «Малая металлургия» представляет собой выпуск стали и проката на машиностроительных заводах. Основным типом предприятий чёрной металлургии являются комбинаты.

В размещении чёрной металлургии полного цикла большую роль играет сырьё и топливо, особенно велика роль сочетаний железных руд и коксующихся углей.

Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. Кроме того, металлургические процессы применяются и для получения неметаллов и полупроводников (кремний, германий, селен, теллур и др.).

Цветная металлургия — отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на тяжёлые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и лёгкие (алюминий, титан, магний). На основании этого деления различают металлургию лёгких металлов и металлургию тяжёлых металлов.

А в целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.

Стремительно развивается наука о металлах — металловедение, основы которой заложили русские ученые П. П. Аносов и Д. К. Чернов. Металловеды познают структуру металлов, находят пути для улучшения их свойств, создают новые сплавы, позволяющие конструкторам разрабатывать принципиально новые машины — особо легкие, особо прочные и т. д.

Основу современной черной металлургии составляют заводы, каждый из которых по территории и количеству работающих равняется небольшому городу. Сложный путь проходит здесь металл. Сначала на горно-обогатительных комбинатах (ГОК) обогащают руду, затем на заводах черной металлургии ее обжигают, превращая в агломерат или окатыши. Из них в доменных печах выплавляют чугун. Затем чугун попадает в сталеплавильный цех, где его переплавляют в сталь в мартеновских печах, кислородных конверторах или электропечах. Стальные слитки транспортируют в прокатные цехи, где из них делают металлические изделия: рельсы, балки, листы, трубы, проволоку. Между цехами проложены рельсы, по которым ходят железнодорожные составы, развозя руду и жидкий чугун, стальные слитки и готовый прокат.

Такой же, а в ряде случаев и более сложный путь проходят металлы и на заводах цветной металлургии. Технологический процесс получения некоторых цветных металлов включает десятки операций.

1. Тенденции и специфика развития организации производства в металлургии.

В настоящее время экономически целесообразна переработка значительного количества выплавленного черного и цветного металла непосредственно на металлургическом комбинате.

 

Получение 1 т чугуна, требует переработки 2-3 т труды; 1т меди- 120-150 т руды, а 1 т вольфрама - 2000-2500 т руды. Восстановление металла из руды требуется около 0,4 т на 1 т чугуна специального топлива и шихты (флюсов), которая способствует протеканию процесса, расплавляя пустую породу руды и золу от кокса, большого расхода воздуха и воды. Количество отходов производства значительно превышает объемы полезной продукции.

 

Значительный вес занимает расход тепла. Но разбивка металла с последующей обработкой давлением сразу после ее изготовления позволяет избежать повторных нагреваний материала, дальних перевозок. Кроме того, в процессе обработки металла получаются отходы, которые можно не возить далеко, а использовать прямо на комбинате. Таким образом, существенно снижаются затраты на производство изделий металлургии.

В связи с этим для металлургии характерен эффект стягивания Предприятий разных отраслей и секторов к предприятиям черной металлургии и создание промышленных агломераций, территориальных технологических комбинатов, образующих с предприятиями черной металлурга единые технологические цепочки переработки сырья и получения конечной продукции

 

Повышение эффективности производства, в том числе, производительности труда, в металлургии связано также с укрупнением отдельных агрегатов, производств и объединением их в единые производственные комплексы (металлургические комбинаты), располагаемые вблизи крупного месторождения руды и/или угля.

Перемещение сырья, готовой продукции и отходов на металлургических предприятиях, занимающих территорию в сотни гектаров, обеспечивается транспортным хозяйством. Это развитая внутризаводская железнодорожная сеть и транспортные устройства на складах. Они имеют свои депо, вагоны, локомотивы, цистерны и емкости для перемещения жидкого металла, мостовые краны и перегружатели руды, металлолома, песка, извести, огнеупоров и т.п.

 

Сейчас большинство процессов механизировано и автоматизировано; ведется поиск новых более производительных технологий. При этом наряду с увеличением размеров агрегатов и емкостей, в которых выплавляется металл, все более активно применяется обработка стали и в малых объемах, что повышает качество металла и дает возможность индивидуального выполнения малых заказов.

 

В металлургии можно выделить производства полного цикла, так называемые комбинаты, включающие все стадии металлургического процесса, т.е. помимо подготовки сырья к плавке выделяется производство чугуна, производство стали и прокатное производство, или другие формы первичной обработки металлов. Такие предприятия выпускают наиболее массовую продукцию - строительные профили, листопрокатную продукцию и т. п.

Производства неполного цикла включают выплавку чугуна, либо выплавки стали на прокатку (например, трубопрокатное, рельсопрокатное производство и т.п.) Выпуск стали и проката, осуществляемый на машиностроительных заводах, часто называют "малой металлургией"

 

Подготовительный этап металлургического производства включает первичную обработку сырья, (руда, металлолом, смеси металлов и др.) Его обогащают, размельчают, создают необходимые смеси и т.п.

Основной этап – металлургический предел – связан с химическими преобразованиями, получением разными способами чистых металлов или сплавов из руды, очистки металлов, получением изделий спеканием порошков, с процессами плавки и разливки металлов и сплавов.

Заключительный этап включает первичную обработку полученного металла в горячем и холодном состоянии (давлением, прокаткой, штамповкой и т.п.); термические, термомеханические, химико-термические и другие виды обработки металлов для придания им требуемых свойств; процессы нанесения защитных и упрочняющих металлопокрытий. На этом этапе производится химическая и физическая очистка металла, полное или частичное изменение его структуры.

 

В настоящее время в связи с экологическими проблемами в технологический цикл большинства производств стали включать также этап утилизации отходов производства, т.е. превращения отходов в необходимые для промышленности вещества и сырье (сера в черной металлургии, фосфаты в алюминиевой промышленности и т.п.).

 

Дополнительно выделяют металлургические процессы, включенные в другие производства - в машиностроение, строительство и т.п., к ним относятся: нанесение металлических покрытий, которое обычно производится на предприятиях, связанных с получением готовых изделий из металлов (в настоящее время осуществляется также металлизация пластмасс и керамики), промежуточный или завершающий технологический цикл;

 

Сварка и резка металлов производятся не только на промышленных предприятиях (в машиностроении, кораблестроении, и других отраслях промышленности), но везде, где необходимо создание неразъемных соединений (укладка нефте- и газопроводов, строительство, оперативный ремонт коммуникаций городского хозяйства и т.п.). Такое широкое распространение металлургии создает обширные межотраслевые и межпроизводственные связи.

 

Стали нужного качества можно получать разными способами. Многие свойства стали связаны с ее кристаллической структурой. Условия нагрева и охлаждения изменяют величину кристаллов металла и их взаиморасположение, что влияет на электропроводность, твердость, ковкость, и другие свойства. Поэтому получение стали необходимой прочности тесно связано с такими физическими процессами, как процессы термические.

Термической обработкой называют процессы нагрева металла или сплава до определенной температуры, выдержку приятой температуре и последующего охлаждения, в результате чего изменяется внутреннее строение (структура) и физические, механические и технологические свойства сплава.

 

Многие из этих процессов (закалка, отпуск), эмпирически, использовались металлургами давно при создании единичных, небольших изделий, прежде всего оружия (сабель, мечей и т.п.) и орудий труда. Однако массовое использование стали вместо бронзы для изготовления больших пушек потребовало понимания механизмов этих процессов, чтобы понять причины непредсказуемых разрывов столов пушек в процессе их испытаний.

 

Д.К.Чернову удалось разрешить загадку плохого качества стальных орудий. Он показал, что качество стали определяется не только химическим составом, но и структурой металла. При остывании образуются кристаллы металла, и чем они крупнее, тем ниже качество стали. Чернов выявил наличие у любой стали трех критических точек фазовых превращений - a, b и с, связанных с вполне определенными температурами и временным режимом остывания.

 

Чернов писал: «Сталь, как бы тверда она не была, будучи нагрета ниже точки «а», не принимает закалки, как бы быстро ее не охлаждали;… она становится… мягче и легче обрабатывается пилою… Сталь, будучи нагрета ниже точки «b», не изменяет своей структуры – медленно или быстро после того, как она охлаждается. …Как только температура стали возвысилась до точки «b», масса стали быстро переходит из зернистого в аморфное состояние, которое удерживает при нагревании до самой точки плавления, «с».

 

Отжигом называется термическая обработка стали, при которой ее нагревают до определенной температуры в термических печах, выдерживают в течение заданного времени, а затем медленно охлаждают вместе с печью. Отжиг устраняет неоднородности структуры стали, снимает внутренние напряжения, оставшиеся после кузнечной обработки или отливки, устраняя возможность появления при обработке на станках трещин или короблений, повышая пластичность материала.

 

Нормализация – нагрев стали до полной перекристаллизации с последующим охлаждением на воздухе. В низкоуглеродистых сталях используется более экономичная нормализация. Все низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали поставляются металлургическими заводами в нормализованном состоянии. Механические свойства нормализованной стали получаются более высокими, чем у стали после отжига.

 

Закалкой называется операция термической обработки, при которой сталь равномерно нагревают до 750-1300 ^о С, температуру нагрева стали определяют специальными приборами-пирометрами. Далее ее выдерживают при данной температуре и затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей и т.п. Закалку применяют для придания стали высокой твердости.

 

Отпуск – сталь нагревают до 450-500 ^о С и выдерживают при этой температуре, что приводит к уменьшению внутренних напряжений, вызванных закалкой, при этом твердость стали несколько уменьшается.

1. Обработка металлов давлением. Основные процессы.

Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в технике. При этом изменение формы тела осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой.

Обработка металлов давлением представляет собой важный тех­нологический процесс металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки сущест­венно улучшаются механические и другие свойства металлов.

Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка представля­ют собой различные виды обработки металлов давлением в пластиче­ском состоянии.

Среди различных методов пластической обработки прокатка зани­мает особое положение, поскольку данным способом производят изде­лия, пригодные для непосредственного (в состоянии поставки) исполь­зования в строительстве и машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяйственного машиностроения и пр.). Прокаткой получают также разнообразные виды заготовок, ко­торые являются исходным материалом для других способов обработки. Так, горяче­катаная и холоднокатаная листовая сталь, полосы и ленты в больших количествах идут для листовой штамповки. При ковке в штампах в качестве исходного продукта используют преимущественно катаную за­готовку. Исходным материалом при воло­чении является катанка, получаемая на проволочных станах. Огромное значение прокатного производства в народном хо­зяйстве подтверждается ежегодным увели­чением выпуска проката.

Развитие прокатного производства ос­новывается на применении принципа непрерывности самого процесса и всех технологических операций (про­катка, термическая обработка, отделка и пр.). В данном случае большую роль играет внедрение достижений вычислительной техни­ки и автоматизации на этой основе технологических процессов.

Прокатка металлов

Прокатка металлов является таким видом пластической обработки, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками про­катного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и при­дания ей заданной формы. Существует три основных способа прокатки:

· про­дольная,

· поперечная,

· поперечно-винтовая (или косая).

При продольной прокатке деформирование заготовки осу­ществляется между вращающимися в разные стороны валками. Оси прокат­ных валков и обрабатываемой заготовки параллельны (или пере­секаются под небольшим углом). Оба валка вращаются в одном на­правлении, а заготовка круглого се­чения — в противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие за­готовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспе­чиваются соответствующей профилировкой валков и изменением рас­стояния между ними. Данным способом производят изделия, пред­ставляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни и пр.).

Поперечно-винтовая или косая прокатка выполняется во вращаю­щихся в одном направлении валках, установленных в прокатной клети под некоторым углом друг к другу. Станы косой прокатки ис­пользуют при производстве труб, главным образом для прошивки слитка или заготовки в гильзу. В момент соприкосновения металла с вращающимися валками, имеющими наклон к оси обрабатываемой за­готовки, возникают силы, направленные вдоль оси заготовки, и силы, направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил обеспечивает вращение, втягивание обрабатываемой заготовки в суживающуюся щель и деформирование.

Металлургическая промышленность России выпускает разнообраз­ные виды проката, отличающиеся по форме поперечного сечения и размерам. Все эти изделия перечень которых называется сортаментом, как правило, стандартизованы.

Развитие машиностроения, создание новых отраслей промышлен­ности повышают требования к качеству металла, вызывают необходи­мость расширения сортамента и увеличения производства дефицитных видов проката. Вместе с тем растет потребность расширения производства экономичных профилей. К таким видам проката можно отнести тонкостенные и широкополочные балки, тонкостенные уг­ловые профили, швеллеры, гнутые профили и пр. Для серийного машиностроения имеет большое значение выпуск периодических профилей, использование которых обеспечивает заметную экономию металла (до 20...30%), повышает производительность штамповки.

К основным технологиче­ским операциям любой техно­логической схемы производства проката следует отнести: под­готовку исходных материалов; нагрев перед прокаткой (кроме хо­лодной прокатки, когда, однако, часто требуется другая операция — соответствующая термическая обработка); горячую и холодную про­катку; калибровку и производство гнутых профилей; отделку с опе­рациями резки, правки, термической обработки, удаления поверхно­стных дефектов, травления и пр.

Волочение металла

Волочение металла — это протягивание изделия кругло­го или фасонного профиля через отверстие волочильного очка (во­локу), площадь выходного сечения которого меньше площади сечения исходного изделия. Волочение выполняется тяговым усилием, прило­женным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным спосо­бом получают проволоку всех видов, прутки с высокой точностью по­перечных размеров и трубы разнообразных сечений.

Обработка металла волочением находит широкое применение в металлургической, кабельной и машиностроительной промышленности.

Волочение выгодно отличается от механической обработки металла резанием (строганием), фрезерованием, обточкой и пр., так как при этом отсутствуют отходы металла в виде стружки, а сам процесс за­метно производительнее и менее трудоемок.

Волочением можно изготовлять полые и сплошные изделия часто сложного поперечного сечения, производство которых другими спосо­бами не всегда представляется возможным (например, тонкие изделия, прутки значительной длины).

В процессе получения готового изделия волочением термическую обработку для снятия наклепа и улучшения структуры металла можно выполнять несколько раз в зависимости от размеров исходного и конечного продуктов обработки и окончательных его качественных показателей. Го­товый продукт тоже можно подвергать окончательной термической обработке в целях придания металлу требуемых механических свойств и структуры.

Прессование металла

Прессование металла — это вытеснение с помощью пуан­сона металла исходной заготовки (чаще всего цилиндрической фор­мы), помещенной в контейнер, через отверстие матрицы.

Этот способ пластической обработки находит широкое приме­нение при деформировании как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладаю­щих значительной природной жесткостью, а также в одинаковой мере применим для обработки металлических порошков и неметалли­ческих материалов (пластмасс и др.).

К основным преимуществам прессования металла относятся: возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжками, в том числе малопластичных металлов и сплавов; возможность полу­чения практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами не всегда удается; получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудо­вании с заменой только матрицы; производство изделий с высокими качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластиче­ской обработке металла другими способами (например, при прокатке). К недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: повышенный расход металла на единицу, изделия из-за существенных потерь в виде пресс-остатка; появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и попереч­ному сечению изделия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента.

Силовые условия прессования определяются свойствами деформируемого металла, температурным режимом, размерами заготовки, скоростью и степенью деформации, значением контактного трения, геометрией инструмента и др. К сожалению, еще не разработана методика, позволяющая связать все эти факторы в математическую зависимость для определения усилий прессования. Поэтому прихо­дится пользоваться методами расчета, лишь приближенно отражаю­щими условия деформации.

Ковка и штамповка металла

Ковка и штамповка металла включает такие процессы получения изделий, как ковка, объемная горячая штамповка и штамповка листо­вого и пруткового материала в холодном состоянии.

При ковке деформирование заготовки осуществляется с помощью универсального подкладного инструмента или бойков. Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют вырезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно-поступательное движение. В результате много­кратного и непрерывного воздействия инструмента заготовка посте­пенно приобретает необходимую форму и размеры.

При объемной штамповке придание заготовке заданной формы и размеров осуществляется путем заполнения металлом рабочей плоско­сти штампа.

Листовая штамповка является таким видом пластической обработ­ки металла, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других в качестве исходного материала используют лист или ленту. При этом обработка выполняется без значительного изменения толщины заготовки.

Данными способами получают весьма разнообразные по форме и размерам изделия из металла, пластмасс и других материалов с раз­личными степенью точности размеров, механическими и другими ха­рактеристиками и качеством поверхности. Поэтому ковочно-штамповочное производство находит широкое применение в машиностроении и приборостроении, в производстве предметов народного потребления и других отраслях народного хозяйства. Получение изделий ковкой и штамповкой позволяет максимально приблизить исходную форму заготовки к форме и размерам готовой детали и тем самым уменьшить или полностью исключить дорогостоящие операции с потерей металла в стружку.

1. Обработка металлов резанием. Основные процессы.

Сущность процесса обработки металлов резанием заключается в снятии с заготовки металла (стружки) для получения изделий необходимой формы, размеров и требуемого качества поверхности (точности и шероховатости).

На большинстве машиностроительных заводов резание является преобладающим способом обработки металлов: до 40…60 % деталей машин получают в результате обработки заготовок на металлорежущих станках. Резанием обрабатывают различные материалы, свойства которых лежат в широком диапазоне: это пластичные и хрупкие материалы, металлические и неметаллические, природные и искусственные, твердые и мягкие. Выполненные при обработке резанием размеры, форма и расположение поверхностей и их шероховатость определяют фактические зазоры и натяги в соединениях деталей машин и механизмов, влияющие на их качество, технические и экономические показатели продукции.

Для нормирования точности изготовления изделий установлены степени точности - квалитеты. Квалитет - это совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для номинальных размеров.

Для измерения и контроля размеров применяют мерительный инструмент и приборы. Простейшими и наиболее часто применяемыми инструментами являются: линейка, угломер, штангенциркуль, микрометр, глубиномер, нутромер, предназначенный для измерения внутренних размеров.

В процессе обработки исходная заготовка и режущий инструмент получают рабочее движение от механизмов металлорежущих станков и перемещаются относительно друг друга. Для осуществления обработки резанием необходимо сочетание двух видов движения: главного движения резания и движения подачи.

Главное движение резания – прямолинейное поступательное или вращательное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью в процессе резания. Движение подачи – прямолинейное поступательное или вращательное движение режущего инструмента или заготовки, скорость которого меньше скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы распространить отделение слоя материала на всю обработанную поверхность. В зависимости от направления движения подачи различают продольное, поперечное и другие движения подачи.

Наиболее распространенными видами обработки металлов резанием являются: точение, сверление, фрезерование, строгание, шлифование.

Достоинства обработки металлов резанием: возможность придания изделиям любой формы и шероховатости; высокая точность размеров полученных деталей; невысокая энергоемкость; высокая степень механизации и автоматизации процессов обработки; универсальность процессов, обуславливающая возможность обработки разнообразных по форме и размерам деталей из различных материалов.

Недостатки: низкая производительность (точечный контакт инструмента с деталью); большие отходы металла в стружку.

Совершенствование технологии резания, модернизация металлорежущего оборудования, разработка и внедрение новых методов резания металлов являются актуальными проблемами.

1. точение (токарная обработка) – обработка (наружных и внутренних) поверхностей тел вращения резанием, характеризуемая вращательным движением заготовки и поступательным движением режущего инструмента – резца. Разновидности точения: обтачивание, растачивание, подрезание, разрезание. При точении заготовке сообщается главное движение резания, а инструменту – движение подачи.

Обработку металлов резанием производят на металлорежущих станках при помощи режущего инструмента, который подразделяется на две группы: однолезвийный (резцы) и многолезвийный с двумя и более режущими кромками (сверла, зенкеры, развертки и т.д.)

Станки токарной группы составляют до 50 % всего станочного парка механических цехов машиностроительных заводов и подразделяются:

§ токарно-винторезные станки – наиболее универсальные станки рассматриваемой группы;

§ токарно-карусельные станки применяют для обработки средних и крупных заготовок, диаметр которых превышает их высоту (зубчатые колеса, маховики);

§ токарно-револьверные станки предназначены для обработки заготовок сложной формы, где требуется применение большого числа инструментов. Для закрепления большего числа инструментов используется револьверная головка. Во время работы станка инструменты вводят в процессе обработки последовательно (один за другим) или параллельно (одновременно несколько);

§ токарные полуавтоматы – все движения производятся автоматически, однако установка каждой заготовки и снятие готовой детали осуществляется рабочим;

§ токарные автоматы – обрабатывают различные заготовки, причем обработка ведется практически без участия рабочего, обязанности которого сводятся к перезарядке автомата на партию и периодическому контролю готовых деталей.

2. сверление – широко распространенный метод получения отверстий резанием. Главное движение при сверлении – вращательное, а движение подачи – поступательное. Оба движения при сверлении отверстий на сверлильных станках сообщаются инструменту – сверлу.

Основными технологическими операциями, связанными с обработкой отверстий, являются сверление, зенкерование, рассверливание, нарезание резьбы и т.д. Все эти операции производят на станках сверлами, зенкерами, развертками, метчиками. Однако при сверлении отверстие получается небольшой точности, с шероховатой поверхностью. Поэтому предварительно просверленные отверстия обрабатывают зенкером (зенкерование) и разверткой (развертывание). Зенкерование в основном применяется для увеличения диаметра и в отдельных случаях для повышения точности отверстия и уменьшения шероховатости его поверхности. Зенкеры имеют три-четыре режущие кромки, резание производят боковыми зубьями. Для получения более точных отверстий и необходимую (малую) шероховатость поверхности используют развертки, имеющие значительное число режущих кромок.

Существуют сверлильные станки различных типов: вертикально-сверлильные, горизонтально-сверлильные, радиально-сверлильные, расточные, координатно-расточные и специальные. Станки сверлильной группы бывают одношпиндельные и многошпиндельные.

Для обработки крупногабаритных заготовок с большим числом отверстий применяют сверлильные станки с ЧПУ.

3. фрезерование – процесс обработки изделий многолезвийным режущим инструментом – фрезой.

По сравнению с процессом точения процесс фрезерования имеет следующие особенности: в работе одновременно участвует несколько лезвий, поэтому фрезерование является более производительным способом обработки, чем точение; каждый зуб фрезы работает периодически, а корпус ее большей частью имеет значительную массу, что способствует лучшему охлаждению лезвий.

Фрезе сообщается главное вращательное движение, а обрабатываемой детали – поступательное или вращательное движение подачи.

Различают две основные группы фрезерных станков: универсальные общего назначения; специализированные. К первой группе относятся горизонтально-фрезерные, вертикально-фрезерные и продольно-фрезерные станки; ко второй – зубофрезерные, резьбофрезерные, копировально-фрезерные и др.

На фрезерных станках выполняются следующие основные работы: фрезерование плоскостей, пазов, сложных поверхностей, шпоночных канавок и зубьев шестерен.

Для обработки заготовок используют: цилиндрические, концевые, торцевые, фасонные, шпоночные фрезы. При изготовлении зубъев шестерен - модельные дисковые, пальцевые или червячные фрезы.

4. строгание – для обработки длинных плоских поверхностей. Оно выполняется при прямолинейном возвратно-поступательном движении резца или заготовки – это движение является главным. После каждого двойного хода заготовка или резец перемещаются в поперечном направлении, совершая тем самым движение поперечной подачи.

Основным недостатком обработки деталей на строгальных и долбежных станках является то, что при работе на них резание осуществляется только во время рабочего хода. Во время обратного хода резец не снимает стружку и это приводит к значительным потерям времени. Поэтому строгание характеризуется низкой производительностью и его целесообразно в крупносерийном и массовом производстве заменить фрезерованием.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве на фрезерных станках обрабатываются различные по расположению плоскости: горизонтальные, вертикальные, параллельные, перпендикулярные и наклонные; Т-образные, прямоугольные и другие пазы и канавки; фасонные поверхности.

5. протягивание – процесс обработки заготовок резанием при помощи протяжек. Размеры зубъев протяжки постепенно увеличиваются от начала её режущей части так, что при перемещении в осевом направлении относительно заготовки каждый зуб снимает стружку от 0,01 до 0,2 мм. Протяжка обычно имеет замкнутую (хвостовую) часть для крепления к ползуну станка, шейку направляющую, режущую и калибрующую части.

Различают внутреннее и наружное протягивание. Первое применяют для выполнения отверстий различных размеров (3…300 мм) и форм (цилиндрических, трехгранных, квадратных и др.); вторые – для получения прямых и спиральных зубъев, прямых и винтовых канавок, плоских и кривых наружных поверхностей, при рифлении и т.д. Отверстия под протяжку предварительно высверливают или растачивают, наружные поверхности, как правило, протягивают без предварительной обработки резанием, т.е. в черновом виде (отливки, поковки).

Протяжные станки бывают вертикальные и горизонтальные и разделяются на станки для внутреннего и наружного протягивания.

Протягивание является одним из прогрессивных и перспективных процессов механической обработки. Высокая производительность протягивания в сочетании с большой стойкостью протяжек, хорошее качество и высокая точность обработки поверхности позволяет использовать этот метод для обработки деталей средних размеров в условиях массового и крупносерийного производства, где он во многих случаях вытесняет фрезерование.

6. шлифование – процесс обработки заготовок резанием при помощи шлифовального круга – инструмента, имеющего форму тела вращения и состоящего из абразивных зерен и связующего их материала. При вращении круга наиболее выступающие из связки зерна, контактируя с заготовкой, снимают с её поверхности тонкие стружки. Большинство из них, сгорая, образуют пучок искр.

Шлифование осуществляется при больших скоростях резания (70 м/с и выше) снятием стружки с малой площадью сечения. В связи с этим, а также невыгодными углами резания температура в рабочей зоне достигает 1500 С.

Обработка шлифованием в большинстве случаев является чистовой и отделочной операцией, обеспечивающей высокое качество обработанной поверхности и точность обработки. В некоторых случаях шлифование применяется для предварительной обработки заготовок, обдирки при снятии слоя до 6 мм.

Процесс шлифования обычно осуществляется при помощи трех движений: вращения шлифовального круга, вращения или возвратно-поступательного перемещения обрабатываемой детали и движения подачи, осуществляемого кругом или обрабатываемой деталью.

В группу шлифовальных станков входят круглошлифовальные, внутришлифовальные, обдирочно-шлифовальные, специализированные (зубошлифовальные, бесцентро-шлифовальные, копировальные и др.), заточные станки для режущих инструментов, притирочные и полировальные.

1. Термическая и термо-химическая обработка металлов. Основные процессы.

Термическая обработка стали. Термической обработкой называется процесс, заключающийся в нагреве металла до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с той или иной скоростью. В результате такого процесса не изменяется химический состав металла, но меняются его структура и механические свойства.

Структуру металла (его строение) можно определить по излому. На поверхности излома видно большое количество зерен, связанных между собой. Каждое такое зерно состоит из мельчайших частиц — атомов, которые, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку.

В металлах чаще всего встречаются три типа расположения атомов: атомы располагаются в углах и в центре куба, образуя кубическую объемно-центрированную решетку, атомы располагаются в углах и в центре на шестигранных основаниях призмы и три атома внутри ее, образуя гексагональную решетку; атомы располагаются по углам куба и в середине каждой его грани, образуя кубическую гранецентрированную решетку.

Процесс перестройки атомов одного вида пространственной решетки в другой при определенных температурных условиях называют аллотропическим превращением. Аллотропические формы, в которых кристаллизуется металл, называют модификациями и обозначают α, β, γ, δ и т. д.

Атомы меняют свое расположение в зависимости от температуры нагрева. При нагреве железа до температуры 910°С атомы располагаются в виде куба, образуя кристаллическую решетку α-железа — восемь атомов расположены по углам решетки и один — в центре ее (рис. 2.1, а). Если нагревать железо выше 910°С, кристаллическая решетка с перегруппированными атомами превращается в куб с четырнадцатью атомами и образует решетку γ-железа (рис. 2.1,б).

В сталях превращение α -железа в γ-железо протекает при температуре более низкой (723°С), чем в чистом железе. Если нагретый металл медленно охлаждать, то перестройка кристаллической решетки происходит в обратном порядке.

Свойства металла зависят от расположения атомов в кристаллической решетке. Железо в отожженной стали находится в форме α-железа и называется ферритом. Углерод же с железом связан химически, и такая структура называется цементитом (карбид железа). Феррит вязок, а цементит обладает большой твердостью и хрупкостью. Структура, при которой зерна цементита равномерно расположены в феррите, называется перлитом. Твердый раствор углерода в железе, образующийся при высокой температуре, называется аустенитом. Структура закаленной стали, полученная при быстром охлаждении, называется мартенситом; такая сталь обладает высокой твердостью и хрупкостью.

Термическая обработка бывает нескольких разновидностей:

• отжиг,
• нормализация,
• закалка,
• отпуск,
• поверхностная закалка,
• обработка холодом.

Отжиг применяется в основном для снижения твердости, чтобы облегчить механическую обработку и снять в стали внутренние напряжения. Температура нагрева при отжиге зависит от содержания в стали углерода.

Сталь с содержанием углерода более 0,8% нагревают до температуры 750—760°С, для стали с меньшим содержанием углерода температуру постепенно повышают до 930—950°С. После нагрева металл медленно охлаждают в печи. В отожженном состоянии сталь приобретает перлитную структуру.

Нормализация предназначается для улучшения структуры стали, снятия внутренних напряжений и обеспечения лучших условий обработки резанием. Она отличается от отжига тем, что охлаждение производится не в печи, а на воздухе.

После нормализации сталь приобретает также перлитную, но более мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали при этом выше, чем после отжига.

Закалка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или на воздухе. Закалка применяется в сочетании с отпуском для повышения твердости, прочности и износоустойчивости стали.

Углеродистые и легированные стали под закалку нагреваются в электрических печах или в соляных ваннах. В результате закалки сталь получает мелкозернистую структуру, в которой преобладает мартенсит — самая твердая и хрупкая структура.

При быстром охлаждении во время закалки в металле возникают внутренние напряжения, которые могут вызвать трещины, коробление и хрупкость. Эти дефекты устраняют последующим отпуском.

Отпуск заключается в нагреве стали до температуры, значительно более низкой, чем при закалке, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые и легированные стали нагревают до температуры 150—250°С, а быстрорежущие подвергаются трехкратному отпуску при температуре 550—580°С. Охлаждение осуществляется на воздухе.

Поверхностная закалка представляет собой нагрев до определенной температуры (температуры закалки) поверхностного слоя стального изделия с последующим быстрым охлаждением. При этом можно получить высокую твердость в относительно тонком слое (от 0,3 до 10 мм) рабочих поверхностей изделия без измерения структуры и твердости внутренней массы металла этого изделия. Такое свойство особенно ценно для напряженно работающих деталей (коленчатые валы двигателей, зубчатые колеса и др.), которым необходима большая твердость трущихся рабочих частей и упругая (нехрупкая) основная масса металла изделия.

Поверхностная закалка осуществляется на специальных высокочастотных установках с помощью индукторов, через которые пропускают токи высокой частоты (ТВЧ). Высокочастотная поверхностная закалка обеспечивает хорошее качество металла, поэтому широко применяется в промышленности. Обработка холодом заключается в повышении твердости и износоустойчивости стали в результате перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Эта обработка производится на специальных установках, обеспечивающих температуру ниже нуля.