Литейное производство

Введение.

Этот вид штампов отличается небольшим количеством деталей, так как формовка происходит в  ручьях — участках поверхности части штампа, чья форма повторяет форму конечного продукта. Штамп состоит из двух массивных половин, прикрепленных к бабе и шаботу молота с помощью хвостовиков типа «ласточкин хвост». Две половины всегда полностью сходятся по Поверхности Раздела Штампа (ПРШ). На ПРШ может находиться несколько ручьев:

• Окончательный (чистовой). Имеет форму готовой поковки и расположен в центре давления штампа.
• Высадочный, протяжной и подкатной. Заготовительные ручьи, которые оптимизируют форму заготовки, приближая ее форму к форме конечного продукта. Располагаются по углам штампа.
• Отрубной. Разделяет заготовку. Также расположен в одном из углов.
• Гибочный. Изгибает заготовку.
• Осадочный. «Сплющивает» заготовку, также приближая ее форму к конечному продукту. Обычно — плоский и зовется «площадка для осадки»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ  ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВ.

Условия эксплуатации штампов  для объемной штамповки, в особенности  для горячего деформирования, очень  тяжелые. Штампы подвергаются многократному  воздействию А высоких температур и значительных нагрузок. Интенсивное течение металла в процессе формообразования поковки вызывает истирание (абразивный износ) поверхности ручья. Штампы для горячего деформирования в течение каждого цикла штамповки испытывают резкие колебания температуры, особенно при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей, что приводит к образованию на поверхности ручья разгарных трещин. Штамповые стали должны обладать высокими механическими свойствами, сочетая прочность с ударной вязкостью, износостойкостью, разгаростойкостью, и сохранять эти свойства при повышенных температурах. Материалы штампов должны хорошо прокаливаться (при термической обработке), обрабатываться резанием и быть сравнительно дешевыми. Выбор стали для штампа определяется условиями его эксплуатации (горячая или холодная штамповка, динамический или статический характер нагружения, способ смазки и охлаждения, величина удельных усилий штамповки, зависящая от сложности поковки и ее материала, схемы напряженного состояния в очаге деформации), габаритами штампа или вставки, серийностью производства и др. Поэтому для изготовления штампов применяют разнообразные по химическому составу и свойствам марки сталей. Однако их число стремятся свести на заводах к целесообразному минимуму, что облегчает заказ и получение штамповых материалов, изготовление штампов и их эксплуатацию. Марки штамповых сталей и химический состав регламентируются ГОСТ 5950—73. Для изготовления молотовых и прессовых штампов получили распространение стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ. Полноценным заменителем дефицитных хромоникелевых сталей 5ХНВ и 5ХНМ является безникелевая сталь 4ХСМФ. Дешевыми сталями для высадочных штампов являются марки 4ХВ2С, 5ХВ2С, 7X3, 8X3. При штамповке труднодеформируемых сплавов применяют высоколегированные стали 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 5ХЗВЗМФС, 5Х2ВМНФ и др. Эти же стали целесообразно применять для изготовления высоконагруженных деталей штампов при высадке и выдавливании на ГКМ, ГШКП, горячевысадочных автоматах, высокоскоростных машинах. Для повышения износостойкости и теплостойкости штамповых вставок, пуансонов и матриц широко применяют химико-термическую обработку поверхности ручья. Например, очень эффективно азотирование сравнительно небольших по габаритам вставок штампов ГШКП. Рабочие элементы обрезных штампов изготовляют из хромистых сталей типа 7X3, 8X3. Реже применяют стали 5ХНВ, 5ХНМ, 4ХВ2С. Часто режущие кромки деталей штампа, выполненных из стали 45, наплавляют твердым сплавом. Блоки для молотовых вставок, матриц для высадки изготовляют из сталей 40ХЛ, 40Л. При жидкой штамповке для инструмента используют стали 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, ЗХ2В8Ф; для изотермической штамповки титановых сплавов и сталей применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ЖС6К, ЖС6У, керамические и металлокерами-ческие сплавы, сплавы на основе молибдена. Весьма перспективно при горячей объемной штамповке применение литых штампов, изготовляемых вместе с ручьями. Для литых штампов используют стали, в основном, подобные по составу сталям для ковочных штампов. Применение литых штампов повышает стойкость инструмента, снижает трудоемкость изготовления штампо-вой оснастки, позволяет более экономно расходовать стали за счет многократного переплава изношенного штампа и др. Детали штампов для холодного объемного деформирования изготовляют из высокоуглеродистых (У10А), среднелегированных (9ХС, ХВГ) и высоколегированных (Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ, Р18 и др.) сталей. Стали У10А, 9ХС, ХВГ обладают сравнительно невысокой прочностью, поэтому их используют в основном для малонагружен-ных элементов штампа (выталкивателей, опорных прокладок и т. п.). Высоколегированные стали после термической обработки приобретают высокие показатели твердости, прочности и вязкости. Рекомендации по выбору штамповых материалов, а также термической и химико-термической обработки штампов приведены в справочной и специальной [6, 24, 21 ] литературе.

Подготовка  руд к доменной плавке (дробление, обогащение, агломерация, окатывание)

 

Железная  руда – это природное минеральное  сырье. Кроме железа в руде содержатся Al ₂O₃, SiC₂ (это пустая порода) и вредные примеси: мышьяк, фосфор более 1%.

Доменные  флюсы нужны для удаления из печи тугоплавкой пустой породы, руды и  золы топлива. Доменным флюсом служит известняк

СаС0₃ → СаО + С0₂

Топливо в доменной печи является не только источником тепла, но и восстановителем  железа из его оксидов. Кокс – это  кусковое топливо, получаемое путем  окисления коксящихся углей. Используют природный газСН₄ – метан, мазут, угольную пыль.

Исходные  материалы: железные руды, флюс (СаСО₃), топливо (кокс, мазут), огнеупорные материалы.

 Руду необходимо подготовить к доменной плавке, для этого применяют 4 этапа:

Дробление: руду измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Дробление необходимо для того, чтобы получить нужную степень измельчения, руды для плавки (10-30 мм), для агломерации – менее 5-8 мм. Сортировку руды по классам крупности проводят на механических грохотах и установках типа гидроциклов, где разделение частиц происходит под действием центробежной силы. 

Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8—10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.

Обогащение. Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Основной способ обогащения – магнитный. Он состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы отделяются от пустой породы.

Агломерация – это окускование мелкого железного сырья путем спекания (puc.1). На решетку загружают слой агломерата – постель, чтобы не было просыпания мелкой шихта через зазоры. Затем засыпают агломерируемой шихты: железосодержащие компоненты (аглоруда) – 70%; флюсы (измельченный известняк) – 20%; топливо (мелкий кокс, угольная мелочь и пиль) – 5-7%; марганцевая руда 1%

 

Рис.1. Схема процесса спекания:1- колосниковая решетка; 2-постель; 3-слой агломерирующей шихты; 4-зона спекания; 5-слой агломерата.

 

Агломерируемую  шихту увлажняют (4-6%) и тщательно  перемешивают во вращающихся барабанах, при этом шихта окомковывается, что  повышает ее газопроницаемость. После  зажигания газовыми горелками топлива  начинается его горение (рис.2). Воздух для горения просасывается через  слой шихты с помощью вакуумных  устройств, остаточное давление 6-10 Мпа.

Зона  горения постепенно перемещается вниз до постели (колосников). При температуре 1300-1500°С происходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10-40 мм использует для плавки, менее 10 ми направляют на переработку. При спекании из руды удаляются вредные принеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты.

Окатывание.  Шихта из измельченных концентратов, флюса, топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах, приобретает форму шариков – окатышей диаметром до 30 им. Окатыши высушивают и обжигают (1200-1350°С) на обжиговых машинах. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, т.к. флюс в необходимом количестве входит в их состав.

 

  Выплавка чугуна. Доменный процесс.

 

Чугун выплавляют в печах  шахтного типа – доменных печах (рис.2).Сущность процесса – восстановление оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом.

Доменная  печь имеет до 40 мм стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Шамот получают из обожженной и сырой  глины – это нейтральный по химическим свойствам (50-60% SiO₂ 30-45 % Al₂ O₃), наиболее распространенный и дешевый огнеупорный материал (толщина до 700 мм). Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть, начиная от распара, сооружают на стальном кольце с опорными колоннами. Нижнюю часть горна выкладывают из особо огнеупорных материалов – графитизированных блоков (толщина стенок до 1500 мм). Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливает металлические водяные холодильники (3/4 высоты печи).

Печь  загружают шихтовыми материалами  по мере необходимости, непрерывно подают воздушное литье и удаляют  доменные газы, периодически выпуская чугун и шлак.

Шихтовый  материал загружает при помощи засыпного  аппарата, шихту задают отдельными порциями по мере опускания протравляемых  материалов. Навстречу им снизу вверх  движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.

В доменной печи железо восстанавливается почти  полностью. Потери со шлаком – 0,2-1%. Образование  металлического железа начинается при 400-500°С (в верхней части шахты  печи) и заканчивается при 1300-1400°С (в распаре,).В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит его науглероживание по реакции  ЗFe+ 2СО=Fe₃ С + CO₂+ Q,и образуется сплав железа с углеродом. С повышением содержания углерода (1,8–2%) температура плавления понижается до 1200-150 °С.  Стекая каплями в горн, расплав смывает куски раскаленного кокса и дополнительно науглероживается. При отекании сплава в горн в нем растворяются восстановленные Мn, Si, образуя сложный железоуглеродистый сплав – чугун (3,7-4% С).

 

Рис.2. Схема доменной печи

 

Значение  шлака очень велико, его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак. При стенании вниз и накоплении в горне шлак существенно  изменяет состав: в нем растворяются SiO₂, Al₂O₃.При выплавке передельного чугуна состав шлака следующий: 40-50% СaO, 38-40% SiO₂, 7-10% Al₂O₃.

Продукты  доменной плавки: передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, шлак, колошниковый газ.

 

  Физико-технические и химические  процессы.

 

В районе воздушных фурм происходит полное сгорание кокса и природного газа:

C + O₂ = CО₂ + Q; CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂ + Q.

В фокусе горения температура 1800–2000°С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным  коксом:

CО₂ + C = 2CО – Q; H₂О_(пар) + С_(кокс) = Н₂+ СО – Q.

Образуется  смесь восстановительных газов, в которых СО – главный восстановитель железа из его оксидов. За счет СО и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40–6О% металлического железа. В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода. Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

Далее закись-окись  железа восстанавливается в закись железа:

Fe₃O₄+ CO = 3FeO + CO₂

и, наконец, из закиси железа восстанавливается  железо:

FeO + CO = Fe + CO₂

Скорость  этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах.

Прямое  восстановление происходит твердым  углеродом при температуре 950–1000°  в зоне распара печи:

FeO + C_тв = Fe + CO – Q.

 Для выплавки 1 т чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного агломерата, 500 кг кокса.

 

  Производство стали.

 

Для производства высококачественных легированных сталей используют два основных способа: кислый мартеновский процесс и выплавка в электродуговых печах (рис.3).

В мартеновских печах при выплавке легированных сталей, когда в ванну вводят значительное количество ферросплавов, охлаждается  металл. Из-за трудности нагрева  металлической ванны количество одновременно присаживаемых ферросплавов ограничивают 3% массы металла. Поэтому  высоколегированные стали, за редким исключением, в мартеновских печах не выплавляют. Кроме этих недостатков, данный процесс  обладает другими: экологические, опасность  разрушения при охлаждении печи. В  настоящее время, по ряду определенных причин, от данного способа получения  стали отказываются. 
 

  Процесс работы электродуговой  печи.

 

Плавильные  электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными  агрегатами, так как в них можно  получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь  любого состава, раскислять металл с  образованием минимального количества неметаллических включений –  продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.

Нам необходимо получить высококачественную сталь 45, где «45» – среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такую сталь целесообразнее получить в электродуговых печах (рис.3).

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем  их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Исходные  материалы: передельный чугун и стальной лом (скрап), железная руда, окалина (источник О₂), флюс-известняк – в основных печах, кварцевый песок – в кислых, топливо (электрический ток).

Печь  питается трехфазный переменный током  и имеет три цилиндрических электрода  из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой под действием тока возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением.

Рабочее напряжение 160-600 В, сила тока 1-1О кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически, путем перемещения электродов. Стальной кожух печи футерован огнеупорным кирпичом.

Печь  загружают при снятом своде. Печь может наклоняться в сторону  загрузочного окна и летки.

Рис.3. Схема  электродуговой печи: 1-подина печи, 2-желоб для выпуска плавки, 3-шихта, 4-корпус печи, 5-съёмный свод, 6-ролики, 7-гибкий кабель, 8-электродержатели,

9-электроды, 10- окно с заслонкой

 

Производят  плавку на углеродистой шихте. В печь загружают стальной лом – 90%, чушковый передельный чугун – до 10%, электродный бой, кокс, известь – 2–3%.

Опускают  электроды и включают ток. При  плавлении металл накапливается  на поддоне печи. Во время плавления  шихте кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляется железо, кремний, фосфор и частично углерод. Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной железистый юлах, способствующий удалению фосфора из металла.

После нагрева  металла и шлака до температуры 1500-1540 ⁰C в печь загружают руду и известь и проводят период «кипения»; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют шлак из печи. Затем удаляют серу и приступают к раскислению металла, доведению химического состава до заданного. Раскислёние проводят осаждением и диффузионным методом. После удаления шлака в печь подают силикомарганец и силикокальций – раскислители.