Разработка технологического процесса изготовления детали – сверло железнодорожное из стали 40Х с твёрдосплавными пластинами WCMX06T308

 

 

Но в 1950-х годах конвертерный процесс производства стали снова  вернулся к жизни и в течение  следующих 35 лет полностью вытеснил мартеновский процесс, поскольку была разработана технология получения  дешевого чистого кислорода, позволившая  перейти с воздушного на кислородное  дутье в конвертере. По этой технологии кислород в количествах, измеряемых тоннами, производят дробной (фракционной) перегонкой жидкого воздуха; для производства стали требуется кислород с чистотой 99,5%. Воздух - это на 80% азот, а азот - это инертный газ, не участвующий в реакциях конвертерной выплавки стали. Таким образом, в бессемеровском конвертере через расплавленный металл продувается большое количество бесполезного газа. Но этого мало - часть азота растворяется в стали. Последующее выделение растворенного азота в форме нитридов может приводить к ее последе формационному старению - постепенному уменьшению пластичности, которое приводит к трудностям при обработке давлением. Такого рода трудности отпадают, если металл в конвертере продувать не воздухом, а чистым кислородом. Но простой переход с воздуха на кислород в бессемеровском конвертере недопустим, так как из-за сильного разогрева фурм конвертер быстро выйдет из строя. Эта проблема была решена так: кислородное дутье подводится к поверхности расплавленного чугуна по трубе с водяным охлаждением. В 1952 35-тонный конвертер такого типа был успешно запущен в австрийском городе Линце на заводе фирмы VOEST. Такая технология, названная процессом ЛД (аббревиатура от Линца и Р.Дюррера, инженера фирмы), позднее была развита в кислородно-конвертерный процесс. Быстрая реакция окисления в конвертерной шихте, характеризующейся малым отношением площади поверхности к объему, сводит к минимуму потери тепла и позволяет вводить в шихту до 40% металлолома. Кислородный конвертер может каждые 45 мин выдавать 200 т стали, что в 4 раза превышает производительность мартеновской печи. Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку. Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO2, а кремний - до диоксида SiO2. По "течке" (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

Кроме кислородно-конвертерного  процесса с верхней продувкой, существует кислородно-конвертерный процесс с  подачей кислорода в струе  топлива через днище конвертера. Фурмы в днище конвертера защищаются одновременной продувкой природного газа. Такой процесс быстрее протекает, он более производителен, чем процесс  с верхней продувкой, но менее  эффективен в отношении расплавления металлолома. Однако нижнюю продувку можно  сочетать с верхней.

Производство  стали в кислородных конвекторах

Кислородно-конвертерный процесс - это выплавка стали из жидкого  чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер (рис. 2) - это сосуд грушевидной формы 2, корпус которого сварен из листовой стали толщиной от 50 до 100 мм. Внутренняя футеровка корпуса, как правило, двухслойная, толщиной 700 ... 1000 мм. Она изготовляется из основных огнеупорных материалов, преимущественно из магнезита и доломита. Стойкость рабочего слоя составляет 400 ... 600 плавок.

Рис.2. «Устройство кислородного конвертера»

 

Конвертер имеет опорный  пояс 3 с цапфами, расположенными в подшипниках опор. Для поворота конвертера предусмотрен механизм привода 4, при помощи которого конвертер может поворачиваться в обе стороны на любой угол.

Сверху через горловину  в рабочее пространство конвертера входит водоохлаждаемая кислородная фурма .

Расстояние от ванны до сопел фурмы может изменяться по ходу плавки, обеспечивая рациональный режим продувки.

Вместимость конвертера от 70 до 350 т расплавленного чугуна.

Шихтовыми материалами кислородно- конвертерного процесса являются жидкий предельный чугун,). стальной лом (не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит (AljOj), плавиковый шпат (CaF₂), которые применяют для разжижения шлака.

Перед плавкой конвертер  наклоняют, через горловину с  помощью завалочных машин зафужают скрап (рис. 3, а), заливают чугун при температуре 1250 ... 1400 °С (рис. 3, б). После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис. 3, в). внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0.9 ... 1,4 МПа. Расход кислорода составляет 2 ... 5 на 1 т металла. Чистота технического кислорода должна быть 99,5 ... 99,7 %, что обеспечивает в готовой стали низкое содержание азота (0.002 ... 0,004 %). Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода проникают в

металл, вызывают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400 °С.

В зоне контакта кислородной  струи с чугуном в первую очередь  окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теплотой. выделяющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком состоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с  большим содержанием СаО и FeO, перемешиванию металла и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реакции в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунах, перерабатываемых в конвертерах, не должно быть более 0,15 % Р. При повышенном (до 0.3 %) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность

конвертера.

Удаление серы из металла  в шлак протекает в течение всей плавки по реакциям. Однако высокое содержание в шлаке FeO (до 7 ... 20 %) затрудняет удаление серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с содержанием до 0,07 % S.

Рис.3. «Последовательность  технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах» 

 

 

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле  соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 3, г).

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис. 3, д).

В кислородных конвертерах  выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах  трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегируемые (до 2 ... 3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130 ... 300 т заканчивается через 25 ... 30 мин. Кислородно-конвертерный процесс - более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах. Поэтому мы выбирали этот процесс производства для нашей стали 40Х. В процессе плавки мы добавляем хром, и у нас получается сталь нужная для изготовления данной в моей работе детали.

 

 

 

 

Выбор метода, и его сущность

Обработка металлов давлением

 

Обработка давлением - технологические процессы формоизменения за счет пластической деформации в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.

Если при упругих деформациях  деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смешением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, большие межатомных, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

Для начала перехода атомов в новые положения равновесия необходимы определенные действующие напряжения, значения которых зависят от межатомных сил и характера взаимного расположения атомов (типа кристаллической решетки, наличия и расположения примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т.п.).Так как сопротивление смещению атомов в новые положения изменяется непропорционально смещению, то при пластических деформациях линейная связь между напряжениями и деформациями обычно отсутствует.

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому  под действием деформирующих  сил деформация состоит из упругой и пластической составляющих, причем упругая составляющая исчезает при снятии деформирующих сил, а пластическая составляющая приводит к остаточному изменению формы и размеров тела.

В новые положения равновесия атомы могут переходить в результате смешения в определенных параллельных плоскостях, без существенного изменения  расстояний между этими плоскостями. При этом атомы не выходят из зоны силового взаимодействия и деформация происходит без нарушения оплошности металла, плотность которого практически не изменяется. Скольжение одной части кристаллической решетки относительно другой происходит по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям скольжения). В реальных металлах кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых облегчает скольжение.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных се значениях может начаться разрушение металла.

Однако, создавая наиболее благоприятные условия деформирования, в настоящее время достигают значительного пластического формоизменения даже у материалов, имеющих в обычных условиях невысокую пластичность.

Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с обработкой резанием - возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократного приложения деформирующей силы можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов давлением (см. ниже) способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением.

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

    Изменение структуры и свойств металла при обработке давлением определяется температурно-скоростными условиями деформирования, в зависимости от которых различают холодную и горячую деформации.

                 а)                    б)

Рис.4. «Схемы изменения микроструктуры металла при деформации: а - холодной; б – горячей»

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов (рис. 4, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере се увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис. 4, б).