Основные понятия. Металлургический комбинат

Металлургический комбинат

Чугун

Сталь

Флюсы

Агломерат

Окатыши

Доменная печь

Доменный шлак

Кислородный конвертер

Дуговая электропечь

Индукционная электропечь

Прямое восстановление железа

Прокатка

Сортовой прокат

Ассортамент

Блюминг

Слябинг

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Чем отличается металлургический завод от металлургического комбината?

2. Дайте определение термину «чугун».

3. Сырье для производства чугуна.

4. Назначение кокса при производстве чугуна.

5. Агломерат и окатыши, их производство и использование.

6. Прямое и косвенное восстановление железа.

7. Маркирование чугунов.

8. Основные технико-экономические показатели доменного производства.

9. Дайте определение термину «сталь».

10. Сырье, используемое в кислородном конвертере при производстве стали.

11. В чем суть производства стали в кислородном конвертере.

12. Технология производства стали в мартеновских печах, выплавление стали и их использование.

13. Особенности производства стали в электродуговых и индукционных печах, выплавляемые стали.

14. Маркирование сталей.

15. Назначение прокатных станов.

16. Перечислите группы сортамента стального проката.

17. Что относится к простому прокату?

18. Что относится к сортовому прокату?

19. Чем отличаются блюминги от слябингов?

20. С какой целью применяется волочение?

21. Особенности трубопрокатного производства.

ГЛАВА 8. СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

8.1. Понятие о машиностроительном комплексе

Машиностроительный комплекс – это совокупность отраслей промышленности, изготовляющих важнейшие средства производства, предметы потребления (автомобили, бытовая техника, инвентарь и др.), а также продукцию оборонного значения. В его состав входят: станкостроение, приборостроение, электротехническая и электронная промышленность, энергетическое, транспортное, строительно-дорожное, химическое, нефтяное, сельскохозяйственное машиностроение, авиационная, автомобильная, тракторная промышленность и ряд других отраслей машиностроения.

Этот комплекс охватывает тысячи предприятий, институтов, конструкторских, технологических организаций. По своим масштабам и численности работающих машиностроение – самая крупная отрасль промышленности; в ней занято около 1/3 всех работающих, а номенклатура выпускаемых изделий составляет десятки тысяч наименований.

По масштабам выпуска продукции различают три вида машиностроительного производства: массовое, серийное, единичное. К массовому производству относится выпуск таких широкоиспользуемых машин и изделий, как автомобили, трактора, электродвигатели, холодильники,

Научно-технический прогресс в машиностроении определяет уровень и производственные базы всех отраслей народного хозяйства, а степень развития самого машиностроения является показателем технической зрелости современного индустриального производства. Технологический переворот во всех сферах производства немыслим без совершенствования машин, оборудования, приборов, средств механизации и автоматизации.

Машиностроение Украины должно осуществить быстрый переход к производству новых поколений машин и оборудования, способных обеспечить внедрение прогрессивных технологий, и в первую очередь энерго- и ресурсосберегающих, открыть путь к автоматизации всех стадий производства. Первостепенное внимание должно быть уделено выпуску современных станков, кузнечно-прессового, литейного, сварочного и другого прогрессивного оборудования, компьютеризации, механизации и автоматизации машиностроительного производства.

8.2. Понятие о технологии машиностроения

Для изготовления любой машиностроительной детали необходимо разработать технологию (см. рис. 8.1.), т.е. решить сложную многовариантную задачу – учесть исходные данные и условия, оценить возможные технико-экономические и социальные параметры различных решений. Объем производства, традиции, уровень квалификации кадров, состояние оборудования – все это влияет на рациональность принимаемого решения. В одном случае выгодной оказывается слесарная обработка заготовок, в другом – на токарном автомате, в третьем – штамповка. В разных условиях какие-то этапы отсутствуют, какие-то становятся трудоемкими и сложными, но «сумма технологий» в машиностроении (рис. 8.2) сохраняется для деталей самого различного назначения, размеров, свойств материалов – сближаются технологии изготовления коленчатого вала для мощного двигателя судна и для легкового автомобиля, шестерен мощного редуктора и обычных часов, огромных труб и обода велосипедного колеса. Меняются станки, инструменты, но главное остается: перемещают части объема заготовки (обработка давлением, литье), либо с заготовки снимают лишний материал (обработка металлов резанием).

Рис. 8.2. «Сумма технологий» в машиностроении,
или путь от руды до машины

Любая технологическая структура состоит из одних и тех же элементов, т.е. имеется общность структуры токарного или шлифовального станка, пресса и автомобиля (рис. 8.3). Различия же лишь в движениях заготовки и инструмента, величине и характере приложения технологического усилия. Однако применение различных машин и технологий приводит к разным результатам. Разница особо заметна в заготовительном производстве, а от качества, прогрессивности заготовки существенно зависят все последующие этапы обработки и даже сборка машин.

Рис. 8.3. Универсальная структурная схема технологической машины

8.3. Литейное производство

Одним из основных способов изготовления заготовок в машиностроительном производстве является получение их заливкой расплавленного металла в соответствующие формы. Ввиду того, что литьем можно получить заготовки и для очень сложных по форме деталей и что получение их таким способом экономически эффективно, литье имеет очень широкое применение. Литые части составляют половину, а иногда и до 80% общего веса машин.

Соответственно большое значение в составе машиностроительного завода имеет литейный цех (или специализированный литейный завод, снабжающий отливками ряд машиностроительных предприятий).

Большую часть отливок производят из чугуна. Сырьем для чугунолитейного производства служит главным образом литейный (серый) чугун, получаемый в виде чушек с металлургических заводов. Кроме чушкового чугуна в шихту добавляют также чугунный лом, отходы литья, стружку и другие отходы металлообработки. Стружку и другие мелкие отходы во избежание сильного выгорания их в процессе плавки прессуют для получения из них брикетов. Крупный лом, наоборот, разбивают на куски при помощи копра.

Литье производят не только из чугуна, но также из стали и сплавов цветных металлов.

Плавку производят главным образом на коксе (иногда на термоантраците) с применением флюса (известняка). По сравнению с доменной плавкой руды расход топлива и флюса при плавке шихты в литейных цехах невелик: кокса расходуется примерно 10% от веса металлической части шихты, флюса – 2, 5-5%.

Плавку чугуна производят преимущественно в вагранках, подобных по конструкции доменным печам, но значительно меньших размеров (рис. 8.4). В отличие от доменной печи шахта вагранки имеет цилиндрическую форму. Внутренний диаметр шахты бывает от 0, 5 до 3 м, а высота – 3, 5-5, 5 м. Загрузку вагранки отдельными слоями шихты производят через колошник, а расплавленный чугун скапливается в горне и копильнике, откуда его выпускают в ковш для разливки в формы.

Производительность вагранок в зависимости от их размеров составляет 1, 5-10 т и более жидкого металла в час.

Кроме вагранок в литейном производстве применяют и другие виды плавильных печей, в том числе и электропечи.

Для получения отливок чугун заливают в формы, которые приготовляют из формовочных материалов (формовочной земли) при помощи соответствующих моделей.

Формовочная земля – это смесь кварцевого песка и огнеупорной глины, в некоторых случаях в нее добавляют небольшое количество размолотого в порошок каменного угля (для защиты зерен песка от оплавления и пригорания к отливкам), растительного масла, мазута или других веществ в качестве связующих.

Формовочный материал предварительно сушат, измельчают и просеивают.

Приготовление формовочной земли является ответственным процессом. От ее качества в большой степени зависит и качество формы, а следовательно, и отливки. На 1 т годного литья расходуется 4-5 м3формовочной земли. Приготовление форм, или формовку отливок, производят в особых металлических ящиках без дна (опоках) при помощи деревянных или металлических моделей (последние применяют при массовом литье), вокруг которых уплотняют формовочную землю. Модель сообщает форме только наружные очертания будущей детали. Внутренние же очертания (полости) получаются посредством соответствующих стержней, приготовляемых из формовочной земли особого состава. Для заливки жидкого металла при формовке устраивают систему каналов – литниковую систему.

При серийном и массовом производстве отливок применяют формовочные машины, исключающие тяжелый физический труд формовщика, резко повышающие производительность труда и улучшающие качество форм. При массовом производстве вместо земляных форм (используемых лишь один раз) применяют многократно используемые металлические формы (кокили). Кокильное литье позволяет получать отливки с более чистой поверхностью; оно во много раз производительнее, чем литье в земляные формы, и требует значительно меньшей производственной площади.

После затвердения металла в форме из нее извлекают отливку (земляная форма при этом разрушается). Первой операцией по очистке отливки является удаление литников, т.е. металла, затвердевшего в литниковой системе.

Полученная в земляной форме отливка обычно имеет неровную поверхность, покрытую большими или меньшими выступами, образующимися в результате заполнения металлом трещин в формах, возникающих при их заливке. Очистку поверхности отливок производят в литейном цехе при помощи различных механических средств.

Дальнейшую обработку заготовок, получаемых в литейном цехе, производят на металлообрабатывающих станках механического цеха. Чем грубее, с большими допусками, изготовлена отливка, тем больше труда и времени затрачивается на последующую ее обработку, т.е. превращение заготовки в соответствующую деталь машины. При этой обработке много металла теряется в виде отходов (стружки).

Для сокращения затрат труда на обработку отливок и потерь металла в настоящее время все шире внедряют в производство методы точного литья, дающие отливки высокой точности, требующие лишь чистовой обработки. Для получения точных и чистых отливок применяют заливку металла в формы под давлением и центробежное литье (заливка металла во вращающуюся форму), обеспечивающие точное заполнение формы металлом. Из сплавов цветных металлов таким путем теперь получают детали с точностью до сотых долей миллиметра. Кокильное литье (как и другие неземляные формы) тоже дает отливки повышенной точности. К методам точного литья относят также литье по выплавляемым моделям и литье в скорлупчатые (оболочковые) формы. Эти методы литья очень прогрессивны. Их применяют для получения малых отливок сложной формы и очень точных размеров. Полученные этими методами отливки не требуют механической обработки

Кузнечно-штамповочное производство. Все процессы по изготовлению и обработке заготовок, основанные на применении давления – ковки и прессовки, концентрируют в кузнечно-прессовом цехе. Для облегчения такой обработки металл (особенно при крупных деталях) предварительно приводят в пластическое состояние нагревом.

Кузнечно-прессовый цех оборудован механическими молотами, действующими динамически (ударом), и прессами, развивающими статическое усилие (безударное давление). Усилие механического молота определяется весом падающего бойка, достигающего 3-5 т. Значительно большие усилия развивают современные прессы – до 10000 т и более. В различных случаях применяют либо метод свободной ковки (одиночные поковки), либо массовую ковку в определенных формах. При свободной ковке нужную сторону обрабатываемой заготовки подставляют под удары механического молота. Такая ковка требует высокого мастерства и ее применяют при изготовлении небольшого количества поковок.

При массовом производстве поковок применяют более эффективный метод штамповки, т.е. ковку деталей в формах. Такие формы называют штампами. При штамповке детали получают, очень точных размеров и при этом экономнее, расходуется металл.

Для ковки металл нагревают до температуры около 1100° С. Если же в процессе ковки производят и сварку металла, то температуру его доводят до 1300 С. Для нагрева применяют горны (для мелких деталей) и специальные печи (для крупных поковок). Кроме того, во многих случаях имеются также и особые печи для термической обработки (закалка, отпуск) деталей или поковок. Обработка металла ковкой и штамповкой выгоднее обработки резанием (см. ниже). Наряду с резким увеличением производительности труда применение ковки и штамповки улучшает качество изделий и позволяет получить большую экономию металла.

Благодаря преимуществам обработки металла и изготовления деталей машин методом давления ковку и особенно штамповку все шире применяют в машиностроительном производстве. Немало сложных машин собирают преимущественно из штампованных деталей. Например, в современном автомобиле штампованные детали составляют 80% от общего веса, в тракторе – 70%. Максимальная замена обработки металла резанием методом штамповки дает значительною экономию металла.

8.4. Обработка металлов резанием

Обработка металлов резанием бывает механической, осуществляемой на различных металлорежущих станках, и ручной, называемой иначе слесарной. Ручную обработку применяют теперь лишь при некоторых ремонтных работах и в случаях необходимости подгонки деталей три монтажных работах. Изготовления деталей машин в заводских условиях в настоящее время полностью механизировано, а точность изготовлетия настолько велика, что при соединении их друг с другом исключается надобность ручной подгонки. Ремонт машин также все более сводится лишь к замене износившихся деталей новыми, изготовленными в заводских условиях. Такой ремонт производят быстро, высококачественно, и он обходится значительно дешевле.

Рис. 8.5. Виды резания:

а – разрезание; б – срезывание; в – снятие стружки

Различают три вида резания (рис. 8.5): разрезание, когда обрабатываемый материал разделяют на части клинообразным резцом (например, зубилом); срезание при помощи резцов, движущихся по принципу ножниц, и резание путем снятия стружки с поверхности, имеющее наибольшее значение при обработке металлов.

Снятие стружки производится в результате относительного перемещения соответствующего резца и обрабатываемой детали. Скорость снятия стружки зависит от твердости и формы резца, твердости обрабатываемого металла, конструкции и мощности металлообрабатывающего станка.

Для закрепления обрабатываемых изделий и режущих инструментов, а также для их относительного перемещения служат рабочие органы металлорежущих станков. Рабочие органы станков выполняют как основные движения, так и вспомогательные. Основными движениями называют те, при которых производится самый процесс резания, т.е. снятие стружки. Движения же по подводу и отводу резцов или обрабатываемых изделий называют вспомогательными, так как при них резание непосредственно не производится.

Основные движения рабочих органов станков в свою очередь подразделяют на главное движение и движение подачи. Каждое из них может осуществляться в зависимости от характера режущего инструмента и конструкции станка, как режущим инструментом, так и обрабатываемым изделием. Резание, т.е. снятие стружки, происходит только при сочетании главного движения и движения подачи. На схеме (рис. 8.6) представлены различные сочетания главного движения и движения подачи, характерные для различных типов металлорежущих станков.

В связи с внедрением в машиностроение твердых металлов и сплавов для их обработки необходимы резцы, имеющие еще более высокую твердость. Для изготовления резцов применяют сверхтвердые сплавы (победит и др.). Однако эти сплавы дороги и изготовление из них большого количества крупных резцов экономически невыгодно. В целях экономии дорогого металла применяют биметаллические резцы, т.е. резцы, состоящие из двух слоев разных металлов. В резце работает и подвергается износу только одна из его поверхностей. Следовательно, важно обеспечить достаточную твердость только работающей поверхности резца. Для этого на резец, изготовленный из дешевого металла,

наплавляют или припаивают тонкий слой сверхтвердого сплава. В результате получается относительно дешевый и вместе с тем твердый и долго действующий резец.

Для упрочнения поверхности резцов применяют термическую закалку (путем нагрева стали до определенной температуры и последующего быстрого охлаждения ее в воде или в масле). При таком способе закалки невозможно обеспечить термическую обработку только поверхностного слоя металла. Закалку, а вместе с тем и хрупкость получают и внутренние слои металла, в результате чего резец становится хрупким и при увеличении нагрузки ломается.

Для устранения этого недостатка разработаны способы закалки резцов при помощи электрического тока высокой частоты. Поверхность резца, помещенного в электромагнитное поле, создаваемое таким током, мгновенно нагревается, в то время как внутренние слои металла не нагреваются. Последующее охлаждение сообщает твердость только поверхности закаляемого резца. Таким образом, высокочастотная закалка позволяет получать очень твердые и вместе с тем прочные, неломкие резцы.

Разработана технология производства сверхтвердых металлокерамнческих резцов, превосходящих резцы из самых твердых сплавов (о металлокерамике см. ниже).

Наилучшими же, хотя и дорогими, являются резцы с алмазными насадками, которыми обрабатывают наиболее твердые сплавы и другие материалы, они обеспечивают самую высокую точность обработки.

Применяя резцы, изготовленные новейшими методами, токари-скоростники достигают очень высоких скоростей резания металла – 500-700 м/мин.

Классификация металлорежущих станков. В машиностроительной промышленности применяют сотни различных видов металлорежущих станков. Отдельные их виды объединяют в группы на основании некоторых важнейших, присущих станкам особенностей. При этом учитывают, во-первых, характер главного движения, которое может быть вращательным (например, токарный станок) или поступательным (строгальный станок), во-вторых, распределение главного движения и движения подачи между режущим инструментом и обрабатываемым изделием. Например, на обычном токарном станке главное движение осуществляется обрабатываемым изделием, а движение подачи – резцом; на сверлильном станке оба основных движения совершает режущий инструмент (сверло), в то время как обрабатываемое изделие в процессе обработки неподвижно.

При группировке металлорежущих станков учитывают и вид применяемых инструментов (резец, фреза, сверло, точильный или шлифовальный круг и т.д.).

Выделяют следующие группы станков.

Токарные станки. В обычных типах токарных станков обрабатываемое изделие получает вращательное движение, а стружку снимают резцом, закрепленным в суппорте и вместе с ним перемещающимся параллельно или перпендикулярно оси вращения изделия. Снятие стружки на токарных станках возможно как с наружной, так и с внутренней поверхности обрабатываемого изделия.

Сверлильные и расточные станки. Сверлильные станки служат для сверления отверстий, расточные – для их расширения. В качестве режущих инструментов применяют сверла и фрезы, выполняющие как главное движение, так и движения подачи.

Фрезерные станки. На этих станках разнообразные операции по обработке изделий производят специальными режущими инструментами – фрезами. Фреза – сложный режущий инструмент, имеющий целый ряд резцов, расположенных по окружности стального диска или цилиндра. Каждый резец вращающейся фрезы снимает с поверхности обрабатываемого изделия короткую стружку. При высоких скоростях вращения фрезы обрабатываемая поверхность получается ровной и обычно достаточно гладкой.

Главное движение на фрезерных станках выполняет фреза, движение же подачи может осуществлять и фреза и обрабатываемое изделие.

Строгальные станки. Снятие стружки с обрабатываемого на строгальных станках изделия производится в результате поступательного движения резца или изделия (главное движение) и периодической (после каждого главного движения) подачи изделия или резца.

Шлифовальные станки. На этих станках производят шлифовку поверхностей обрабатываемых изделий. В качестве рабочего инструмента на шлифовальных станках применяют вращающиеся круги из наждачного камня, из шерсти и других материалов. Шлифовальные круги, следовательно, выполняют главное движение. Движение подачи может осуществляться либо шлифовальным кругом, либо обрабатываемым изделием.

Кроме указанных основных групп существует много других, более специализированных станков.

Каждую группу металлорежущих станков в свою очередь подразделяют на более мелкие группы (типы) станков, отличающиеся друг от друга конструктивными особенностями и более или менее узкой специализацией. Например, кроме универсальных токарных станков различают: револьверные станки, имеющие на суппорте поворотную револьверную головку, на которой одновременно может закрепляться целый комплект резцов в соответствии с требованиями технологического процесса; многорезцовые, карусельные, токарные полуавтоматы и автоматы. Каждый из этих станков выполняет только определенную операцию по обработке того или иного изделия.

Есть много типов сверлильных станков – вертикально-сверлильные, радиально-сверлильные, горизонтально-сверлильные, одношпиндельные и многошпиндельные полуавтоматы. Существуют и различные типы расточных станков.

В зависимости от степени специализации металлообрабатывающие станки подразделяются на универсальные, специализированные и специальные станки.

Универсальные станки имеют общее значение, так как на них можно выполнять различные операции. Такие станки применяются для изготовления единичных или небольшого числа одинаковых изделий (соответственно индивидуальное и мелкосерийное производство.)

Специализированные станки используют при изготовлении значительного числа однотипных изделий; их применяют в крупносерийном производстве.

В массовом производстве применяют преимущественно специальные станки – полуавтоматы и автоматы, приспособленные для обработки деталей одного типа и размера (одного типоразмера).

Специализированные и в еще большей степени специальные металлообрабатывающие станки отличаются высокой производительностью и при полном использовании их мощности экономически много эффективнее универсальных станков.

Автоматизация процессов в мелкосерийном и индивидуальном машиностроительном производстве осуществляется на основе внедрения станков с программным управлением. Такие станки автоматически выполняют требуемые операции по программе, записанной на магнитной или перфорированной ленте; при помощи счетно-решающих устройств они контролируют и регулируют процесс. Производительность и точность работы станков с программным управлением очень высоки. Различные станки, работающие по одной программе, выпускают совершенно одинаковую продукцию. Программу работы станка можно быстро заменять. Таким образом, автомат одновременно становится и универсальным станком, пригодным для использования в мелкосерийном и индивидуальном производстве. Из станка с программным управлением можно комплектовать и автоматические поточные линии, управляемые электронно-вычислительными машинами.

Поточный метод производства. В машиностроении, особенно на предприятиях, выпускающих массовую продукцию, широко применяют поточный метод производства. Главной особенностью поточного метода является непрерывность процесса изготовления деталей, узлов, готовых машин. Обрабатываемые детали равномерно перемещают от станка к станку, от одного рабочего места к другому. При этом станки, рабочие места расположены в порядке последовательности выполняемых операций. Производственных потоков на предприятии может быть много. Каждый из них действует как слаженный механизм и требует четкости выполнения каждой операции. Венцом поточного метода производства являются автоматические линии, автоматически действующие цехи и целые предприятия, в которых весь производственный процесс осуществляется в виде единого потока.

Поточный метод широко применяют и при сборке машин. Высокая точность изготовления и взаимозаменяемость деталей и узлов позволила организовать на крупных заводах сборку машин поточным методом – на конвейере, благодаря чему скорость сборки возрасла во много раз. Поточная сборка рсчленена на ряд простых операций, не требующих ни высокой квалификации, ни значительных усилий рабочих. Собираемая машина движется по конвейеру и постепенно обрастает деталями и узлами. Наконец, с конвейера сходит полностью собранная и готовая к действию машина.

Поточный метод производства экономически очень эффективен: он повышает производительность труда и способствует лучшему использованию оборудования и производственной площади предприятий.

8.5. Прогрессивные методы обработки металлов

Кроме указанных выше методов обработки металлов и изготовления заготовок и деталей машин применяют и другие– сравнительно новые и весьма прогрессивные методы.

Сварка металла. До изобретения сварки металла производство, например, котлов, металлических корпусов судов или других работ, требующих соединения друг с другом металлических листов, было основано на применении метода клёпки.

В настоящее время клёпку почти не применяют, ее заменили сваркой металла. Сварное соединение надежнее, легче, производится быстрее и позволяет экономить металл. Сварные работы требуют меньшей затраты рабочей силы. Сваркой можно также соединять части поломанных деталей и путем наварки металла восстанавливать изношенные детали машин.

Существуют два способа сварки: газовая (автогенная) – при помощи горючего газа (смесь ацетилена и кислорода), дающего очень горячее пламя (свыше 3000° С), и электросварка, при которой металл плавится электрической дугой (температура до 6000°С). Наибольшее применение в настоящее время имеет электросварка, при помощи которой прочно соединяют мелкие и крупные металлические части (сваривают друг с другом части корпусов крупнейших морских судов, фермы мостов и другие строительные конструкции, части огромных котлов самого высокого давления, детали машин и т.п.). Вес свариваемых частей во многих машинах в настоящее время составляет 50-80% их общего веса.

Традиционная обработка металлов резанием достигается снятием стружки с поверхности заготовки. В стружку идет до 30-40% металла, что весьма неэкономично. Поэтому все большее внимание уделяется новым способам обработки металлов, основанным на безотходной или малоотходной технологии. Появление новых методов обусловлено также распространением в машиностроении высокопрочных, коррозийно-стойких и жаропрочных металлов и сплавов, обработка которых обычными методами затруднена.

К новым методам обработки металлов относятся химические, электрические, плазменно-лазерные, ультразвуковые, гидропластические.

При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слоя металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Она заключается в регулируемом по времени и месту растворении металла с поверхности заготовок путем травления их в кислотных и щелочных ваннах. В то же время поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора.

Химическими методами обработки получают местные утонения на нежестких заготовках, ребра жесткости; извилистые канавки и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают поверхности, труднодоступные для режущего инструмента.

При электрическом методе электрическая энергия преобразуется в тепловую, химическую и другие виды энергии непосредственно в процессе удаления заданного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохимические, электроэрозийные, электро-термические и электромеханические.

Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющуюся анодом, происходит химическая реакция, и образуются соединения, которые переходят в раствор или легко удаляются механическим способом. Электрохимическую обработку применяют при полировании, размерной обработке, хонинговании, шлифовании, очистке металлов от оксидов, ржавчины.

Анодно-механическая обработка сочетает электротермические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент – к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоки. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту
задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки.

При пропускании через электролит постоянного тока происходит процесс анодного растворения металла как при электрохимической обработке. При соприкосновении инструмента (катода) с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки (анода) происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при движении инструмента и заготовки.

Электроэрозионная обработка основана на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Она применяется для прошивания полостей и отверстий любой формы, разрезания, шлифования, гравирования, затачивания и упрочнения инструмента. В зависимости от параметров импульсов и вида, применяемых для их получения генераторов электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную.

Электроискровую обработку применяют для изготовления штампов, пресс-форм, режущего инструмента и для упрочнения поверхностного слоя деталей.

Электроимпульсная обработка используется как предварительная при изготовлении штампов, турбинных лопаток, поверхностей фасонных отверстий в деталях из жаропрочных сталей. В этом процессе скорость съема металла примерно в десять раз больше, чем при электроискровой обработке.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом (инструментом) и удалении из зоны обработки расплавленного металла механическим способом. Метод не обеспечивает высокой точности и качества поверхности деталей, но дает высокую скорость съема металла, поэтому используется при зачистке отлива или проката из специальных сплавов, шлифовании (черновом) корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов.

Электромеханическая обработка связана с механическим действием электрического тока. На этом основана, например, электрогидравлическая обработка, использующая действие ударных волн, возникающих в результате импульсного пробоя жидкой среды.

Ультразвуковая обработка металлов – разновидность механической обработки – основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником энергии служат электрозвуковые генераторы тока с частотой 16-30 кГц. Рабочий инструмент пуансон закрепляют на волноводе генератора тока. Под пуансоном устанавливают заготовку, и в зону обработки поступает суспензия, состоящая из воды и абразивного материала. Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, которые скалывают частицы материала заготовки. Ультразвуковая обработка используется для получения твердосплавных вкладышей, матриц и пуансонов, вырезания фигурных полостей и отверстий в деталях, прошивки отверстий с криволинейными осями, гравирования, нарезания резьбы, разрезания заготовок на части и др.

Плазменно-лазерные методы обработки основаны на использовании сфокусированного луча (электронного, когерентного, ионного) с весьма высокой плотностью энергии. Луч лазера используется как в качестве средства нагрева и размягчения металла впереди резца, так и для выполнения непосредственного процесса резания при прошивке отверстий, фрезеровании и резке листового металла, пластмасс и других материалов.

Процесс резания идет без образования стружки, а испаряющийся за счет высоких температур металл уносится сжатым воздухом. Лазеры применяют для сварки, наплавки и разрезания в тех случаях, когда к качеству этих операций предъявляются повышенные требования. Например, лазерным лучом режут сверхтвердые сплавы, титановые панели в ракетостроении, изделия из нейлона и др.

Гидропластическая обработка металлов применяется при изготовлении пустотелых деталей с гладкой поверхностью и малыми допусками (гидроцилиндры, плунжеры, вагонные оси, корпуса электродвигателей и др.). Пустотелую цилиндрическую заготовку, нагретую до температуры пластической деформации, помещают в массивную разъемную матрицу, сделанную по форме изготавливаемой детали, и закачивают под давлением воду. Заготовка раздается и принимает форму матрицы. Детали, изготовленные этим способом, имеют более высокую долговечность работы.

Новые способы обработки металлов выводят технологию изготовления деталей на качественно более высокий уровень по сравнению с традиционной технологией.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Машиностроительный комплекс

Заготовка

Литейное производство

Вагранка

Формовочный материал

Кокили

Отливка

Главное движение

Движение подачи

Биметаллические резцы

Фрезерование

Анодно-механическая обработка

Электроэрозионная обработка

Гидропластическая обработка

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Сущность литейного производства и его развитие.

2. Особенность работы вагранки.

3. Формовочные материалы, их свойства.

4. Способность получения точных и чистых отливок.

5. Сущность кузнечно-штамповочного производства.

6. Виды резания металлов и их сущность.

7. Главное движение резания и движения подачи.

8. Режущий инструмент в машиностроении.

9. Основные группы металлорежущих станков.

10. Назначения универсальных, специализированных и специальных станков.

11. Особенности работы станков с программным управлением.

12. Суть поточного метода производства.

ГЛАВА 9. СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЙ ХИМИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

9.1. Понятие о химическом производстве

Химия, химическое производство всегда играло важнейшую роль в развитии производительных сил, в обеспечении жизненных потребностей человека. Химическая промышленность объединяет предприятия горно-химической (добывающей) и основной химии и выпускает сотни тысяч химических веществ. Среди них можно назвать основные: сода, метанол, синтетические смолы, пластмассы и изделия из них, волокна и нити химические, лакокрасочные материалы и пигменты, синтетические красители, химические реактивы, стеклопластики и стекловолокно, кинофотопленка, магнитные ленты, товары бытовой химии, минеральные удобрения, резинотехнические изделия, кокс, бензин, топливо и смазочные масла, каучук синтетический, продукция парфюмерного, фармацевтического, микробиологического производства и многое другое.

Уровень развития химии и использование ее материалов в различных отраслях промышленности в наше время служит определенным мерилом научно-технического прогресса общества. Доля химической промышленности в общем объеме промышленного производства в Украине в несколько раз ниже, чем в США, Японии, Румынии. Возможности страны осуществить перевод экономики на интенсивный путь развития во многом зависят от состояния химической промышленности, развитие которой позволяет улучшить структуру общественного производства. Ведь химическое производство тесно связано со всеми отраслями народного хозяйства. Например, производство чугуна, стали и большинства цветных металлов основано на химических и электрохимических процессах; производство кокса является химическим производством. Цемент, стекло, линолеум, битум и другие материалы производятся путем химических методов воздействия на исходные вещества. С использованием химических процессов выпускается огромное количество изделий и продуктов легкой и пищевой промышленности и т.д.

Анализ развития экономики промышленных стран мира показывает, что с повышением технического уровня всех отраслей материального производства быстро растет и степень их химизации. Эта тенденция усиливается вследствие высокой эффективности производств, основанных на химических процессах, и высокой производительности труда в них, непрерывного роста потребностей народного хозяйства в материалах с новыми, уникальными свойствами.

С другой стороны, при больших масштабах химического производства высоки и выбросы в воздушный и водный бассейны, наносящие ущерб здоровью людей и природе. Борьба с вредными выбросами – важнейшая социальная и хозяйственная проблема.

9.2. Технология коксохимического производства

Кокс – твердый матово-черный, пористый продукт. Из 1 т сухой шихты получают 650-750кг кокса. Он используется главным образом в черной и цветной металлургии, литейном производстве, а также для газификации, производства карбида кальция, электродов, как реагент и топливо в ряде отраслей химической промышленности. Кокс должен обладать достаточной механической прочностью, так как он может разрушаться в металлургических печах под давлением столба шихты, что нарушает их нормальную работу, снижает производительность и т.п.; он должен обладать теплотворной способностью 31, 4 – 33, 5 МДж/кг. Кокс получают на коксохимических заводах путем разложения коксующихся углей без доступа воздуха. Показателями качества кокса является горючесть и реакционная способность. Первый характеризует скорость горения кокса, второй – скорость восстановления им двуокиси углерода. Оба эти процесса гетерогенные, скорость их определяется не только составом кокса, но и его пористостью, так как от нее зависит поверхность контакта взаимодействующих фаз. Качество кокса также характеризуется содержанием в нем серы, золы, влаги и выходом летучих.

Сера, содержащаяся в коксе, при доменной плавке переходит в чугун, ухудшая его качество. Допустимое содержание серы в коксе 1, 2 – 1, 7%. Зола в коксе - это балласт, и содержание ее равно примерно 17%. Выход летучих веществ из кокса составляет около 1, 0%. В коксе допустимо до 5% влаги, так как увеличение влажности понижает его теплотворную способность.

Коксовый газ получается в количестве 310 – 340м3на 1 т сухого угля. Состав и выход коксового газа определяются главным образом температурой коксования. Из камеры, в которой проводится коксование, выходит так называемый прямой коксовый газ, содержащий газообразные продукты, пары каменноугольной смолы, сырого бензола и воды. После удаления из него смолы, сырого бензола, воды и аммиака получается так называемый обратный коксовый газ, который используется как сырье для химических синтезов. Помимо этого коксовый газ применяется для обогрева коксовых, сталеплавильных и других печей.

Каменноугольная смола – вязкая черно-бурая, со специфическим запахом жидкость, содержащая около 300 различных веществ. Наиболее ценными компонентами смолы являются бензол, толуол, ксилолы, фенол, крезолы, нафталин, антрацен, фенантрен, пиридин, карбазол, кумарон и др. Плотность смолы 1, 7 – 1, 20 г/см3. Выход смолы составляет от 3 до 4% от массы коксуемого сухого угля. Состав смолы зависит главным образом от температуры коксования, а выход – от температуры и природы исходных углей. С повышением температуры углубляется пиролиз углеводородов, что снижает выход смолы и увеличивает выход газа. Из каменноугольной смолы выделяют около 60 продуктов, используемых в качестве сырья для производства красителей, фармацевтических препаратов, инсектофунгицидов, пластических масс, химических волокон и т.п.

Сырой бензол – это смесь, состоящая из сероуглерода, бензола, толуола, ксилолов, кумарона и других веществ. Выход сырого бензола составляет в среднем 1, 1% от массы угля. Выход зависит от состава и свойств исходного угля и температурных условий процесса. При разгонке из сырого бензола получают индивидуальные ароматические углеводороды и смеси углеводородов, служащие сырьем для химической промышленности.

Смола и сырой бензол служат главными источниками получения ароматических углеводородов для химической промышленности.

Надсмольная вода представляет собой слабый водный раствор аммиака и аммонийных солей с примесью фенола, пиридиновых оснований и некоторых других продуктов. Из надсмольной воды при ее переработке выделяется аммиак, который совместно с аммиаком коксового газа используется для получения сульфата -аммония и концентрированной аммиачной воды.

Коксование является одним из старейших химических производств. До середины XIX в. коксование проводилось для производства кокса для металлургии. Со второй половины XIX в. после получения в России Н.Н. Зининым анилина из нитробензола потребовались бензол, толуол, фонолы, крезолы, нафталин, антрацен и другие продукты, содержащиеся в каменноугольной смоле и сыром бензоле. Каменноугольная смола и сырой бензол превращаются из отходов производства в основные и важнейшие продукты. Почти на всех заводах строятся установки, на которых улавливаются каменноугольная смола и сырой бензол. Таким образом, создаются единые коксохимические производства.

Сырьем для коксования служат спекающиеся угли, которые дают прочный и пористый металлургический’ кокс, например коксующиеся угли марки К. В промышленной практике обычно составляется смесь – шихта, состоящая не только из коксующихся углей, ноиз углей других марок. Это позволяет расширить сырьевую базу коксохимической промышленности, получить качественный кокс и обеспечить высокий выход смолы, сырого бензола и коксового газа. В углях, используемых для коксования, количество влаги должно быть в пределах 5…9%, золы до 7%, серы до 2%.

Технологический процесс химического производства начинается с подготовки сырья и приготовления шихты. Поступающий на предприятие уголь разделяется по составу и свойствам на группы, дробится и перемешивается, затем проходит стадию обогащения путем грохочения, обеспыливания, флотации и других процессов с целью устранения посторонних примесей.

Далее компоненты шихты подвергаются сушке и окончательному дроблению до крупности зерен не более 3 мм. Подготовленные компоненты шихты подаются в смесительные машины и затем в бункеры-накопители угольной башни.

Готовая шихта определенными дозами высыпается в бункеры загрузочного вагона, который доставляет ее в камеры коксовой батареи (рис. 9.1).

Нагревание угля сопровождается физическими и химическими превращениями: до 250 °С испаряется влага, выделяются окись и двуокись углерода; около 300° С начинается выделение паров смолы и образование так называемой пирогенетической воды; выше 350°С уголь переходит в пластическое состояние; при 500-550°Снаблюдается разложение пластической массы с выделением первичных продуктов (газа и смолы) и твердение ее с образованием полукокса. Повышение температуры до 700°С приводит к разложению полукокса, выделению из него газообразных продуктов; выше 700°С преимущественно происходит упрочнение кокса. Летучие продукты, соприкасаясь с раскаленным коксом, нагретыми стенками и сводом камеры, в которой происходит коксование, превращаются в сложную смесь паров (с преобладанием соединений ароматического ряда) и газов, содержащих водород, метан и др. Большая часть серы исходных углей и все минеральные вещества остаются в коксе.

Рис. 9.1. Устройство коксовой батареи:

1 – коксовыталкиватель; 2 – газосборник; 3 – стояк; 4 – люк; 5 – загрузочный вагон; 6 – башня для тушения; 7 – герметичная дверь; 8 – рампа; 9 – тушильный вагон; 10 – газопровод; 11 – коксовая камера; 12 – регенератор; 13 – простенок; 14 – угольная башня 3000 т.

Устройство и работа коксовых печей – аппаратов косвенного нагрева, в которых тепло к коксуемому углю от греющих газов передается через стенку. Основным фактором, определяющим протекание процесса коксования, является повышение температуры, которое необходимо для нагрева шихты до температуры сухой перегонки и проведения эндотермических реакций коксования. Предел повышения температуры ограничивается снижением выхода смолы и. сырого бензола, изменением состава продуктов коксования, нарушением прочности огнеупорных материалов, используемых для кладки печей.

Коксовая печь или батарея (рис. 9.1.) состоит из 61-69 параллельно работающих камер 11, представляющих собой длинные, узкие каналы прямоугольного сечения, выложенные из огнеупорного кирпича (динаса). Каждая камера вмещает от 15 до 23т шихты, имеет переднюю и заднюю съемные двери, которые в момент загрузки камеры плотно закрыты и снимаются при выгрузке кокса. В своде камеры находятся загрузочные люки 4, которые открываются при загрузке угля и закрыты в период коксования. По рельсовому пути, расположенному над коксовыми камерами, перемещается загрузочный вагон 5, который через загрузочные люки подает шихту в коксовые камеры. Вдоль одной из сторон батареи по рельсовому пути перемещается коксовыталкиватель 1 – машина, которая после окончания процесса коксования вскрывает двери камеры и выталкивает образовавшийся кокс. С другой стороны по рельсовому пути перемещается тушильный вагон 9, который принимает раскаленный кокс, транспортирует его под башню тушения 6 и затем выгружает на рампу 8. Нагревание угля в камере происходит через стенки камеры дымовыми газами, проходящими по обогревательным простенкам, расположенным между камерами. Горячие дымовые газы получаются в результате сжигания доменного, обратного коксового или реже генераторного газов. Тепло дымовых газов, выходящих из обогревательного простенка, используется в регенераторах 12 для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающих на обогрев коксовых печей, в результате чего увеличивается тепловой кпд печи. При работе коксовой камеры для обеспечения равномерности прогрева угольной загрузки необходимо правильно выбрать габариты камеры и равномерно распределить греющие газы в обогревательном простенке. Ширина камеры обычно составляет 400-450 мм. Длина камеры ограничивается статической прочностью простенков, трудностью удаления кокса из камеры, сложностью распределения газов в обогревательном простенке. Длина камеры равна примерно 14м. Высота камеры определяется в основном условиями равномерного обогрева ее по высоте. С этой точки зрения удовлетворительные результаты получаются при высоте камеры около 5, 5 м.

Равномерное распределение греющих газов достигается разделением обогревательных простенков вертикальными перегородками на ряд каналов, называемых вертикалами. По вертикалам движутся греющие газы, которые отдают тепло стенкам камеры и уходят в регенераторы. Разность температуры между греющими газами в обогревательном канале и угольной шихтой изменяется во времени. После загрузки камеры шихтой значение ее велико, в холодную шихту в единицу времени поступает большое количество тепла, и уголь у стенок камер начинает коксоваться. Однако средние слои шихты при этом остаются холодными.

По мере прогрева угля разность температур постепен-но уменьшается, количество передаваемого тепла в единицу времени падает, но все же вследствие непрерывного при-тока тепла от газов происходит постепенное повышение темпе-ратуры по сечению камеры. Поэтому состояние материалов в камере во время коксования (рис. 9.2): у стенок будет слой образовавшегося кокса, далее при снижении температуры от стенок к оси камеры распо-лагается слой полукокса, затем угля, находящегося в пласти-ческом состоянии, и наконец в центре камеры неизменная шихта. Через 12-14 ч темпе-ратура по сечению выравнивается, слои перемещаются к оси камеры и постепенно угольная загрузка прококсовывается. Таким образом, по окончанию процесса коксования нагревающие устройства отключаются, стояки переключаются, к дверям камеры подводится выталкиватель, который выгружает коксовый пирог в тушильный вагон, медленно движущийся вдоль батареи. Затем выталкиватель навешивает двери освободившейся камеры и отправляется к следующей камере, а загрузочный вагон открывает загрузочные люки и производит загрузку новой дозы шихты.

Продолжительность выгрузки-загрузки камеры составляет около 15 минут. Поэтому для рационального использования механизмов число камер в батарее доводят до 70.

Выгруженный кокс подвергается тушению, так как при соприкосновении с воздухом он загорается.

Тушильный вагон доставляет его в башню, где кокс гасится водой, а после тушения высыпается на рампу, где остывает в течение 20 минут. Остывший кокс транспортируется на сортировку.

Выход кокса составляет 70-80% от массы шихты. Производительность одной кокосовой батареи составляет около 1500т кокса в сутки. В зависимости от назначения кокс делится на доменный, литейный, энергетический (предназначенный для получения ферросплавов, карбида кальция, электродов, для агломерации железных руд).