Краткая характеристика современного металургического производства

1. Приведите краткую характеристику современного металлургического производства. Опишите его структуру, основные виды продукции и перспективы  развития.

 

Металлургией  стали называется наука о способах получения стали в количествах, имеющих промышленное значение.

Сталью  называется деформируемый сплав  железа с углеродом и другими  элементами. В состав стали, как правило, входят углерод, марганец, кремний, сера, фосфор. При получении стали со специальными свойствами в металл вводят легирующие добавки: хром, никель, молибден, вольфрам, медь, ниобий, ванадий и  др., а также в увеличенных количествах  марганец и кремний.

Получение железа в чистом виде является трудоемким и дорогим процессом. Механические свойства, в частности прочность, у стали значительно выше, чем  у чистого железа. Железо в чистом виде – материал дорогой и его  используют только для специальных  целей. Обычно в технике и в  быту применяют сталь.

Основной  примесью, входящей в состав стали, является углерод. Он в значительной мере определяет свойства стали и  по его содержанию железоуглеродистые сплавы делят на сталь и чугун.

При содержании углерода ниже 1,7–2% сплав железа с углеродом называют сталью, выше – чугуном (от 1,7% до 2,8–3% С – сталистые чугуны, выше 3% – обычные чугуны). Сталь обладает высокой пластичностью при высоких температурах, способна при нагреве коваться, прокатываться. Чугун этими свойствами не обладает. Имея температуру плавления, значительно меньшую, чем сталь, чугун обладает хорошими литейными качествами и широко применяется в литейном производстве. В настоящее время выплавляют стали, содержащие углерода, как правило, не более 1,2%, и чугуны с 3,5 – 4,5% С.

Производство чугуна. рошедшие предварительную подготовку руды подаются вместе с коксом, расход которого составляет около 50% от массы выплавляемого чугуна, в доменную печь. Доменные печи относятся к разряду шахтных печей и работают по принципу противотока. Шихта (руда, кокс и, если необходимо, известь) подается сверху и по мере плавления руды и выгорания кокса опускается вниз, а воздух наоборот вдувается в нижнюю часть печи и перемещается вверх, навстречу шихте.

Продуктами  доменного производства являются передельные  чугуны, содержащие 3,5 – 4,5% С и 0,5 – 1,3% Si, литейные чугуны, отличающиеся более высоким содержанием кремния (0,8 – 3,6%), ферромарганца (75 – 85%) и ферро – силиция (19 – 92%). Кроме того, ценными побочными продуктами являются доменные шлаки и газ.

Одним из главных показателей работы доменных печей принято считать коэффициент  использования полезного объема.

Производство стали. Сталь – это сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%.

Наиболее  распространенные печи, применяемые  для производства стали: мартеновские, конверторные, электродуговые, индукционные.

Мартеновская  печь построена в середине ХIХ  в. и с тех пор ее конструкция  не претерпела принципиальных изменений. Она отапливается газом или мазутом. Температура факела достигает 1800º  С. Современные мартеновские печи имеют емкость свыше 500 т при глубине ванны более 1 м.

Кислородно-конвертерный способ выплавки стали считается  более прогрессивным, так как  он создает высокий перегрев расплава, а продолжительность цикла не превышает одного часа. Конвертерное производство характеризуется высокой  производительностью, не требует топлива, так как разогрев идет за счет экзотермических  реакций горения Si, Mn и С, позволяет  перерабатывать лом и получать легированные стали, но оно привязано к доменному  цеху, не гарантирует стабильного  от плавки к плавке состава стали и отличается от других способов выплавки стали высокими потерями металла на угар.

Электродуговые  печи обеспечивают низкий угар легирующих элементов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения  ферросплавов. Поэтому они нашли  широкое применение для выплавки сталей специального назначения, таких  как инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и т.д.

На  машиностроительных заводах широкое  применение для выплавки стали находят  и тигельные индукционные печи. Разогрев и плавление шихты осуществляется за счет токов Фуко, возникающих  в ней при подаче на индуктор тока высокой частоты от лампового  или машинного генератора. Образующийся на поверхности расплавленного металла  шлак имеет низкую температуру и  высокую вязкость, что затрудняет проведение металлургических операций. Поэтому печи этого типа применяются  для расплавления твердой шихты, а не для переработки чугуна в  сталь.

После завершения плавки жидкую сталь выливают в ковши и подают на разливку в  изложницы или на установки непрерывной  разливки стали (УНРС).

Для разливки чаще всего используются стопорные  ковши, сварной массивный кожух  которых выкладывается огнеупорным  шамотным кирпичом. Специальный стопор, представляющий собой штангу с нанизанными  на нее цилиндрами из шамота, закрывает  отверстие в днище ковша.

Подготовка  производства состоит из следующих  этапов: 1) анализ исходных данных; 2) разработка технологического процесса плавки; 3) разработка технологических процессов литья  в различные формы; 4) проектирование специальных инструментов, приспособлений и технологического оборудования; 5) изготовление специальных инструментов, приспособлений и оборудования; 6) внедрение  технологического процесса.

Литейное  производство состоит из отдельных  производственных единиц, называемых цехами, службами и хозяйствами. Цехи завода разделяются на основные, вспомогательные  и побочные.

Основные  цехи (литейные цеха) работают непосредственно  над созданием промышленной продукции.

Производственные  службы и хозяйства подразделяются на складские, энергетические, транспортные, санитарно-технические и общезаводские.

Органы  управления предприятием осуществляют организацию производственного  процесса и его контроль, обеспечивают разработку технической документации и технологической оснастки, бухгалтерский  учет, сбыт готовой продукции и  др.

В составе  металлургической промышленности комплекс предприятий по добыче и обогащению руд черных и цветных металлов, нерудных материалов, по производству чугуна, стали, проката, труб стальных, метизов, ферросплавов, огнеупоров, кокса, алюминия, меди, никеля, кобальта, свинца, цинка, олова, сурьмы, ртути, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, редкоземельных металлов, обработке цветных металлов (алюминия, титана, магния, тяжелых цветных металлов), по производству твердосплавной, углеродной, полупроводниковой продукции, по переработке ломов и отходов, производству ряда видов химической продукции, большой комплекс предприятий вспомогательного назначения, а также научно-исследовательские и проектные организации.

Новные  тенденции развития металлургического  комплекса России в последние  годы соответствуют в определенной степени общемировым. Важнейшие  из них:

• постоянный рост объемов производства и потребления металлопродукции;
• увеличение объемов экспортно-импортных операций в стоимостном выражении;
• ресурсосбережение и снижение экологического воздействия на фоне мирового повышения стоимости энергоресурсов и требований к охране окружающей среды;
• выход предприятий отрасли на IPO;
• приобретение компаниями активов смежных металлопотребляющих отраслей и объектов инфраструктуры (энергетические мощности, порты и т.д.);
• повышение качественных характеристик продукции и совершенствование ее сортамента;
• укрупнение компаний-производителей и выход их за пределы своих стран в русле глобализации мировой экономики.

В различных  промышленно развитых странах на отдельных заводах ежегодно создаются  новые варианты конструкций агрегатов  для обработки жидкой стали с  целью повышения ее качества, появляются новые процессы и разновидности  уже существующих процессов.

Появление тех или иных новых способов производства стали и методов, обеспечивающих повышение ее качества, проходят во времени и многие способы (и старые, и новые) существуют одновременно.

 

2. Опишите технологию изготовления отливок из серого чугуна в сырую песчаную форму вручную: а) сущность процесса и области применения; б) примерный состав и свойства формовочных и стержневых смесей и процессы их приготовления; назначение модельного комплекта и опочной оснастки; последовательность изготовления литейной формы, заливки ее металлом, выбивки отливки, обрубки и очистки ее; в) эскизы литейной формы, модели и стержневого ящика

 

Серый чугун, который широко применяют  для изготовления корпусных деталей, является хорошим конструкционным  материалом с низкой стоимостью, обладающим хорошими литейными свойствами и обрабатываемостью резанием. Из серого чугуна марок СЧ15, СЧ20 получают корпусные детали металлорежущих станков, сельскохозяйственных машин, центробежных насосов, редукторов и многие другие изделия. Для изготовления деталей автомобильных и тракторных двигателей, которые должны обладать повышенной прочностью, применяют отливки из серого чугуна марок СЧ25, СЧ30.

Изготовление  отливок из чугуна. Примерно 75% (по массе) всех изготавливаемых в машиностроении отливок получают из чугуна. Этому способствует самая низкая среди всех литейных сплавов стоимость чугуна, его сравнительно высокая прочность и хорошие литейные свойства.

Серый чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления отливок. Он имеет высокую жидкотекучесть, позволяющую получать отливки с  толщиной стенки 3…4 мм, малую усадку (0,9…1,3%), обеспечивающую получение отливок без усадочных раковин, пористости и трещин. Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготавливают в песчаных формах, как правило, без применения прибылей. Отливки типа тел вращения (трубы, гильзы, втулки и др.) изготавливают центробежным литьем.

При увеличении толщины стенок от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшается почти в 2 раза. Понижение прочности отливок с увеличением их массы объясняется снижением скорости охлаждения при их изготовлении. В результате образуется более грубая структура, в которой размеры графитных пластин больше, чем в структуре тонкостенных отливок.

Литьё в песчаные формы – дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75–80% по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале изготовляется литейная модель (ранее – деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия – литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку.

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая  представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при  заливке которой расплавленным  металлом формируется отливка.

Литейные  формы изготовляют как из неметаллических  материалов (песчаные формы, формы изготовляемые  по выплавляемым моделям, оболочковые  формы) для одноразового использования, так и из металлов (кокили, изложницы  для центробежного литья) для  многократного использования.

Изготовление  отливок в песчаных формах

Литье в песчаные формы является самым  распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки  из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.

Сущность  литья в песчаные формы заключается  в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных  смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная  форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются  в опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11.

Для образования  полостей отверстий или иных сложных  контуров в формы устанавливают  литейные стержни 3, которые фиксируют  посредством выступов, входящих в  соответствующие впадины формы (знаки).

Литейную  форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.

Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы.

Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным  металлом и питания отливки при  ее затвердевании служат прибыли  или выпор 4. Для вывода газов предназначены  и вентиляционные каналы 9.

Приготовление формовочных и стержневых смесей

Для приготовления  смесей используются природные и  искусственные материалы.

Песок – основной компонент формовочных и стержневых смесей.

Обычно  используется кварцевый или цирконовый песок из кремнезема.

Глина является связующим веществом, обеспечивающим прочность и пластичность, обладающим термической устойчивостью. Широко применяют бентонитовые или каолиновые глины.