Производство металлов и их сплавов

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Производство металлов и их сплавов

Производство металлов и их сплавов

43

Реферат

На тему: Производство металлов и их сплавов

Содержание

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

МЕДЬ И ЕЁ СВОЙСТВА

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ЗАГОТОВОК ПЕРЕД ОМД

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Исходные материалы

Железо в чистом виде редко находят в поверхностных слоях земной коры. Благодаря большой склонности к окислению в земной коре встречаются обычно окислы железа в смеси с окисленными соединениями других элементов.

Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие геологи академики В. И. Вернадский и А. П. Виноградов считают, что в земной коре (до глубины 16 км) содержатся примерно 5% железа в виде окислов, карбонатов, сульфидов и других соединений. В отдельных местах земной коры имеются значительно большие скопления соединений железа. Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд.

Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки.

Эти руды содержат значительное количество рудного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко отделяющейся при переработке.

В зависимости от количества рудного вещества различают богатые и бедные руды. Железные руды принято называть богатыми, если они содержат более половины железа.

Пустой породой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов или в процессе обогащения (см. ниже), или переходят в шлаки при плавке.

Пустой породой в железных рудах чаще всего являются: кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит. Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит, магнетит и сидерит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде Fe2O3 -- безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железняках составляет 45--65% при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа Fe2O3-mH2O с переменным количеством гидратной влаги.

Собственно лимонитом обычно называют минерал, содержащий 57,14% Fe2O3 и 25,3% Н2О и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25--50 % Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным образом в виде Fe3O4 (закись-окись железа), обладающей хорошо выраженными магнитными свойствами. Магнетиты содержат железа от 40 до 70% и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeCO3. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магнезит, а содержание железа колеблется от 30 до 37%. Для повышения процента железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и другие материалы. К ним в первую очередь следует отнести марганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в доменную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное количество марганца для получения чугуна необходимого качества. Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным путем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют известняк СаСО3, содержащий минимальное количество вредных примесей.

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа (см. ниже). Благодаря своей большой механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применяется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих целей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82--88% твердого углерода, от 5 до 10% золы, однако всегда содержит и серу от 0,5 до 2,0%.

Исходные материалы для производства ЧУГУНА.

Подготовка железных руд к плавке.

Высокоглиноземистые огнеупоры (А12О3 более 45%) обладают очень высокой огнеупорностью (до 2000° С), высокой стойкостью к перепаду температур и большей устойчивостью против кислых и основных шлаков, но стоят они дорого.

Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Если необходимо магнитное обогащение крупных кусков (120--150мм), используют магнитные сепараторы, работающие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяется как сухая, так и мокрая магнитная сепарация.

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейшим ее видом является промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы.

Однако больший эффект можно достичь, применяя отсадочные машины или концентрационные столы.

Сыпучие шихтовые материалы (руда, известняк, скрап) загружают обычно первыми, и отдельные их слои хорошо прогревают. На подину принято сначала загружать железную руду, а потом известняк и сверху стальной лом. Все эти материалы подвозят к печам составом платформ в так называемых мульдах (металлические коробки с приспособлением для захвата их хоботом завалочной машины).

Шлак основных мартеновских печей, получаемый при завершении процесса, обычно содержит 10--15% FеО, 9--15% МnО, 18--25% 51О2, 40--47% СаО, ~ 1% P2О5, а также МgО, А12О3 и другие окислы.

Шлаки, скачиваемые в первый период плавки, содержат 1,5--3% Р2О5; в три раза больше, чем в шлаке завершающегося периода, FеО; в четыре раза меньше СаО.

Скрап-процесс в основной печи отличается от скрап-рудного процесса, особенно в период завалки и расплавления шихты; заключительная часть процесса отличается меньше.

Совсем иначе протекает кислый мартеновский процесс. В связи с тем, что футеровка кислых мартеновских печей выполнена из динаса, наварка пода и откосов проводится кварцевым песком, т. е. кислым материалом. Шлак в этой печи кислый и не содержит свободной извести. Следовательно, удаления серы л фосфора в этой печи не происходит. Поэтому шихтовые материалы н топливо должны содержать эти примеси в минимальном количестве.

Общая продолжительность плавки стали 220--260 т в печах обычно составляет 7--10 ч при расходе условного топлива 130-150кг на 1 т стали. Таким образом, основными недостатками мартеновского процесса следует считать большую продолжительность процесса и значительный расход топлива. Именно поэтому направление рационализаторских предложений производственных коллективов и исследований ученых -- металлургов направлены на устранение этих недостатков и повышение качества получаемого металла. Важнейшим фактором, совершенствующим и ускоряющим мартеновский процесс, является применение кислорода. В мартеновском процессе наметились два реальных и экономически целесообразных пути применения кислорода. Первый путь -- это обогащение воздушного дутья кислородом до 25--35%. В результате интенсификации горения и повышения окислительной способности печи сокращается общая продолжительность плавки, снижается расход топлива, увеличивается производительность. Так, например, при обогащении дутья печи в 100т кислородом до 29--30% расход кислорода составляет 55--70 м3 на 1 т стали, производительность печи увеличивается в 2,5 раза при сокращении продолжительности плавки с 9 ч до 3 ч 30 мин; расход топлива при этом снижается с 150 кг/т стали до 92 кг/т. Такое обогащение дутья кислородом и форсирование плавки, возможно, при наличии свода печи, сделанного из высокотермостойких огнеупоров.

Второй путь -- это применение кислорода для интенсификации окисления примесей путем кратковременного введения в печь кислорода. Наиболее перспективным в этом направлении является введение кислорода водоохлаждаемыми фурмами через свод печи '(до аналогии с кислородно-конверторным производством). Введение кислорода таким образом резко сокращает продолжительность окисления примесей в ванне печи, но сильно увеличивает (в 5--8 раз) содержание пыли в печных газах, за счет разбрызгивания шлака и испарения металла.

Получение стали в электрических печах из года в год увеличивается, так как в них можно получить более высокую температуру и восстановительную или нейтральную атмосферу, что очень важно при выплавке высоколегированных сталей.

Для производства стали наиболее часто применяют дуговые трехфазные электрические печи с вертикальными графитовыми или угольными электродами и непроводящим подом. Ток, нагревающий ванну в этих печах, проходит по цепи электрод--дуга--шлак--металл--шлак--дуга--электрод. Вместимость таких печей достигает 270т.

Печь состоит из металлического кожуха цилиндрической формы и сферического или плоского дна. Внутри печь футерована огнеупорными материалами. Подобно мартеновским, дуговые печи могут быть кислыми и основными. В основных печах подина выкладывается из магнезитового кирпича, сверху которого делается набивной слой из магнезита _или доломита (150--200 мм). Соответственно в кислых печах применяют динасовый кирпич и набивку из кварцита на жидком стекле.

Загрузку печей производят через окно (с помощью мульд и завалочной машины) или через свод (с помощью загрузочной бадьи или сетки). В этом случае свод с электродами делают съемным и в период загрузки его поднимают, а печь отводят в сторону и мостовым краном сразу или в два приема загружают полную садку печи. После этого сводом вновь быстро накрывают печь.

Получение стали в дуговых электрических печах имеет неоспоримые преимущества: высокое качество получаемой стали, возможность выплавлять любые марки стали, включая высоколегированные, тугоплавкие и жаропрочные; минимальный угар железа по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, минимальное окисление дорогостоящих легирующих присадок благодаря нейтральной атмосфере печи, удобство регулирования температурного режима.

Недостатком является: потребность в большом количестве электроэнергии и высокая стоимость передела. Поэтому дуговые электрические печи применяют главным образом для получения высоколегировынных сортов стали.

Обогащение руд флотацией

Флотацию редко применяют к железным рудам; обычно ее применяют при обогащении бедных руд цветных металлов и обязательно при обогащении комплексных руд, содержащих несколько цветных металлов, а также сульфидных или смешанных медных руд, содержащих около одного процента меди, непосредственно плавить которые очень дорого.

Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Через пульпу (смесь жидкости и мелких твердых частиц) пропускают пузырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости частицы одних минералов, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в которой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализированную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых минералов, остающихся в пульпе.

Для успешного осуществления этого метода обогащения необходимо:

а) тонко измельчить руду до размеров частиц, меньших 0,1 мм, что дает возможность получить кусочки руды, состоящие из одного минерала, а не из сростков нескольких, и облегчает мелким пузырькам воздуха поднимать тяжелые минералы;

б) получить в пульпе много мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.

Различают следующие флотационные реагенты:

вспениватели, делающие пузырьки пены устойчивыми, не лопающимися, препятствующие их коолисценсии (сосновое масло и другие вещества, получаемые при перегонке древесины и каменного угля);

коллекторы (собиратели), уменьшающие смачиваемость определенной группы минералов водой и облегчающие их сцепление с пузырьками воздуха.

При флотации часто применяют также депрессоры (подавит), предотвращающие действие коллектора на некоторые минералы. Подавителями служат неорганические электролиты, например цианистый натрий NaCN, известь СаО, которую применяют при флотации медно-цинково-пиритных руд, так как на халькопирит CuFeS2 известь не действует, но подавляет флотируемость цинковой обманки ZnS и пирита FeS2. При так называемой селективной флотации, когда из руды необходимо выделить концентраты нескольких металлов, применяются и многие другие химические вещества. Общий расход флотационных реагентов невелик, он составляет 50--300 г на 1 т руды.

Для механизации отдельных трудоемких подготовительных и вспомогательных этапов флотационного обогащения используют различные машины, облегчающие эти операции, например для измельчения руды (дробилки и мельницы), для разделения ее на мелкие и крупные фракции (грохоты и классификаторы), аппараты для разделения пульпы на жидкость и твердые частицы (сгустители и фильтры), собственно флотационные машины и многие другие. Кратко рассмотрим лишь один из типов машин:в машины через боковую трубу непрерывно подается пульпа, состоящая из воды, мелких частиц руды и уже внесенных в пульпу необходимых флотационных реагентов. Сверху по трубе засасывается воздух, вгоняемый в машину быстро вращающимся импеллером (300-- 600 об/мин). Циркулирующая в машине пульпа в смеси с пузырьками воздуха в верхней правой части машины собирает пену, которую непрерывно удаляют из машины медленно поворачивающимся пеносмесителем. Оставшаяся пульпа сливается через порог в боковой стенке машины (на схеме в задней стенке) и попадает в ее соседнюю секцию, так как флотационная машина состоит из 4--20 камер (секций).

Полученный после флотационного обогащения медный порошкообразный концентрат, содержащий 11--35% меди, 15--35% серы, 15--37% железа, а также немного кремнезема, окиси алюминия, окиси кальция, небольшие примеси цинка, никеля и некоторых других соединений, направляют на дальнейшую переработку.

Удаление растворенных газов из меди принято называть «дразнением на плотность». В металл ванны погружают .сырые деревянные жерди, древесина которых выделяет газообразные углеводороды, бурно перемешивающие медь и удаляющие наметал л а сернистый и другие газы. После удаления газов, для получения пластичной меди начинают раскисления или, как принято говорить на заводах, «дразнением на. ковкость».

Электролитическое рафинирование меди проводят в ваннах, наполненных раствором сернокислой меди, подкисленным серной кислотой.

Для получения бескислородной меди (марка МОб) и марок меди с пониженным содержанием кислорода (М1р, М2р и др.) переплавку катодов ведут в канальных индукционных электропечах со стальным сердечником, а разливку -- непрерывно в защитной среде. Для меди марок с буквой с применяют раскисление фосфористой медью.

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий -- второй (после железа) металл современной техники. Его мировое производство в ближайшие годы достигнет 15 млн. т. в год.

Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение в технике, является его небольшая плотность, равная 2,7 г/см3, т. е. алюминий почти в три раза легче железа.

Вторым очень важным свойством алюминия является его относительно высокая электропроводность, которая равна 34104 Ом-1см-1, что составляет 57% электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660° С, температура кипения около 2500° С.

Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводность и теплоемкость. Алюминий химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая, в отличие от окиси железа, не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий, несмотря на быстрое окисление при нормальных условиях коррозионностоек. Его кристаллическая решетка. Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Сопротивление на разрыв находится в пределах от 90 до 180 МПа (от 9 до 18 кгс/мм2) НВ20--40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Необходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линейную усадку -- 1,8%.

Вторая область его применения -- электротехника. Это обусловлено тем, что алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; электропроводность алюминия меньше меди, хотя провод из алюминия такой же электропроводности, как аналогичный медный провод, получается толще, но зато легче. Это важно для проводки во всех летательных и транспортных аппаратах, а также для проводов воздушных линий электропередач, где, применяя алюминиевые провода, можно реже ставить опоры.

Алюминий широко применяется в металлургии, где используется его большое сродство к кислороду для получения в чистом виде дорогих и редких металлов (например, хрома, ванадия и др.), низкие сорта алюминия используются для раскисления стали.

Руды алюминия

Алюминий -- наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в чистом виде он не встречается, зато минералов, содержащих алюминий, очень много.Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы.

Бокситы представляют собой сложную горную породу, которая содержит алюминий в виде гидроокисей. Вторая руда, которая используется для производства алюминия в нашей стране, -- нефелин. Химическая формула этого минерала

Na(K)2OAl2O3-2Si02

Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апатитонефелиновых пород очень много на Кольском полуострове. Они давно разрабатываются для получения фосфорных удобрений и их отходом являются нефелины.

Для получения алюминия особой чистоты широкое применение получил метод зонной перекристаллизации, в основе которой лежит не одинаковое распределение примесей алюминия (или другого рафинируемого металла) между жидкой и твердой фазой при частичном расплавлении.

Процесс зонной перекристаллизации алюминия практически ведут следующим образом. Слиток алюминия высокой чистоты (А99, А995), очищенный от пленки окислов травлением, помещают в графитовую лодочку и затем в кварцевую трубку, внутри которой создается - вакуум (остаточное давление не выше 0,1 Па (10-4-- 10-5 мм рт. ст.). Снаружи вдоль трубки медленно (1 см в минуту) передвигают узкий нагреватель (обычно кольцо высокочастотного индуктора), с помощью которого создается узкая расплавленная зона слитка (25--30 мм). Если в алюминии нет примесей второй группы, более чистой получается та часть слитка, с которой начиналась зонная переплавка. Обычно зонную переплавку повторяют в одном направлении подряд 10--15 раз, после чего можно получить металл особой чистоты (до 99,9999% А1).

ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ

Титан -- металл серебристого цвета с голубоватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см3; плавится при температуре около 1660° С, кипит при 3260° С. Титан имеет две аллотропические модификации; до 882° С существует -титан, имеющий гексагональную решетку и при более высоких температурах -титан с кубической объемноцентрированной решеткой.

Механические свойства титана значительно изменяются от содержания в нем примесей. Чистый титан ковок и имеет невысокую твердость НВ ~ 70; технический металл хрупок и тверд (НВ180-- 280).

Вредными примесями титана являются азот и кислород, резко снижающие его пластичность, а также углерод, который при содержании более 0,15% снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость. Водород сильно повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водородной хрупкостью.

На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротивляемостью коррозии в некоторых кислотах, в морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изменяет свои механические свойства при нагреве до 400° С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кислород и постепенно ухудшаются его механические свойства, а выше 540° С--становится хрупким. При нагреве выше 800" С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии для раскисления стали.

Титан давно и широко используется как хороший раскислитель и легирующая добавка в стали и сплавы цветных металлов.

При температуре 100--200° С реакция протекает вправо, а при 1300-1400°С- -влево.

Губку загружают в кольцевое пространство между стенкой реторты и молибденовой сеткой (рис. 171). На молибденовых держателях зигзагообразно закрепляют проволоку из чистого титана диаметром 3--4 мм и длиной около 10 м. После герметичного укрепления крышки и откачки воздуха до остаточного давления 0,1--0,01 Па (10~4--10~5 мм рт. ст.) реторту помещают в термостат с температурой 100--200° С и внутри ее особым приспособлением разбивают ампулу с иодом. Пары иода, заполняя все пространство реторты, реагируют с титановой губкой и стружкой, образуя пары йодистого титана.

Титановую проволоку накаливают до 1300--1400° С, пропуская через нее ток. На раскаленной проволоке эти пары разлагаются, образуя кристаллы чистого титана, и освобождают иод, который вновь реагирует с титановой губкой, нагретой до 100--200° С.

Общие сведения о магнии

Магний -- серебристо-белый металл. Важнейшее его физическое свойство--малая плотность, равная 1,738 г/см3 (при 20єС).

Природный магний состоит из смеси трех стабильных изотопов. Причем искусственный изотоп Мg28 с полураспадом в 21,3 ч может быть применен в качестве радиоактивного индикатора. Кристаллы магния обладают компактной гексагональной структурой.

Магний в виде слитков или изделий не огнеопасен. Возгорание магния может произойти лишь при температуре, близкой к точке его плавления (651° С) или после расплавления, если он не изолирован от кислорода воздуха. Магний не магнитен и не искрит при ударах или трении.

Предел прочности и другие механические свойства магния очень зависят от его чистоты и способа приготовления образца.

В настоящее время для получения магния применяют: магнезит, доломит, карналлит, а также морскую воду и отходы ряда производств.

Магнезит -- углекислый магний МgСО3. Природный минерал магнезит обычно содержит карбонат кальция, кварц, а также примеси других минералов, включающих окислы алюминия и железа.

Для производства магния применяют только чистый каустический магнезит, полученный по реакции МgСО3 = МgО + СО, при нагревании (обжиге) природного магнезита до 700--900є С

Дoломит-- горная порода, представляющая собой двойной карбонат кальция и магния МgСО3-СаСО3. Доломиты обычно содержат примеси кварца, кальцита, гипса и др. Содержание и окраска примесей определяют окраску породы. Доломит широко распространен в природе и составляет около 0,1% всех горных пород, входящих в состав земной коры. Доломит так же, как и магнезит, применяемый магниевой промышленностью, предварительно обжигают до получения смеси окислов МgО и СаО.

Карналлит МgС12 * КС1 · 6Н2О -- природный хлорид магния и калия -- очень гигроскопичное кристаллическое вещество, обычно окрашенное примесями в розовый, желтый или серый цвет.

Вторая группа -- неметаллические примеси, механически захваченные при извлечении магния из ванны. К ним относятся главным образом хлориды кальция, магния, натрия и калия, окись магния, а также нитрид и силицид магния.

Для рафинирования магния предложено много различных флюсов. В качестве примера можно привести флюс ВИ-2, содержащий 38--46% МgСl2; 32--40% KCl; 3--5% СаF2; 5--8% ВаС12, применяемый для переплавки магния, для плавки его сплавов в стационарных тиглях и в индукционных печах. Этот флюс хорошо рафинирует металл и плавится при температуре 420° С. Флюс ВИ-3 содержит обычно 34--40% МgС12; 25--36% КС1; 15--20% СаР2; 7--10% МgО; он является универсальным при плавке магниевых сплавов в выемных тиглях. При рафинировании к концу процесса по мере спокойного охлаждения металла образованный им шлак затвердевает, превращаясь в твердую корку.

Наилучшие результаты рафинирования можно получить при сублимации магния в вакууме, которая описана при очистке губчатого титана после его восстановления магнием.

Сварка, резка и пайка металлом.

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений заготовок по средствам установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями.

Сварочные процессы применяют для изготовления сварных конструкций, исправления брака при отливке деталей, для восстановления поломанных, изношенных частей.

Свариваются между собой как однородные детали, так и разнородные (сталь с медью, медь с алюминием и т.д.), а также металлы с неметаллами(керамикой, стеклом). ГОСТ 19521-74 определяет три класса сварки: термический, механический и термомеханический.

· К термическому виду сварки относятся сварки плавлением. К этому виду относятся дуговая, электрошлаковая, плазменная, электроннолучевая, лазерная, газовая, термитная сварка.

· К механическому виду сварки относятся те, при которых определяющим фактором является пластическое деформирование. К механическому классу относят холодную, ультразвуковую сварку, сварку взрывом, трением.

· К термомеханическому классу относятся те виды, при которых для образования сварных соединений используют тепловую энергию и внешнее давление. К этому классу относится контактная, газопрессовая, диффузионная и т.д.

Для изготовления сварных конструкций применяют следующие типы соединений: стыковое, внахлестку, заклепочное, тавровые, угловые.

Другие виды сварки(электронным лучом, лазерная, плазменная) выполняются за доли секунды, дают тонкий и чистый шов, свободный от дефектов.

Огневая резка применяется для разделения заготовок на части, прожигания отверстий, поверхностной обработке (строгание).

Пайкой соединяют части, используя при этом более легкоплавкий присадочный металл-припой. При пайке основной металл твердый, а припой расплавлен.

Дуговая сварка и резка.

В1802 году академик В.В.Петров открыл явление дугового разряда. В 1882 году русский изобретатель Н.Н.Бенардос предложил применить эл. дугу для сварки металлов угольным электродом. В1888 году горный инженер Славянов заменил графитовый электрод металлическим. В настоящее время около 99% работ, выполняемых дуговой сваркой производится по способу Славянова.

Сварка по способу Бенардоса.

Сварка производится графитовым электродом с присадочным металлом прутка или без него, сварка этим способом имеет ограниченное применение. Ею пользуются для соединения с отбортовкой тонких стальных заготовок, где не требуется присадочный металл, для цветных металлов и чугуна, а также для наплавки порошковых твердых сплавов. Обычно применяют постоянный ток, причем для устойчивости дуги и лучшего прогрева стыка при сварке пользуются прямой полярностью: заготовку включают анодом (+), а электрод катодом(-).

Сварка по способу Славянова.

При сварке применяют металлический электрод в виде проволоки. Дуга возбуждается между электродом и основным металлом и плавит их оба, причем образуется общая ванночка, где перемешивается весь расплавленный металл. Электродная проволока выпускается диаметром от 0,3 до 12 мм.

Средние, толстые и особо толстые покрытия обеспечивают устойчивость горения дуги, а также защиту и легирование металла. Состав этих обмазок подбирается так, чтобы вокруг дуги создавалась газовая

среда, защищающая металл электрода, стекающий в дуге и металл ванночки от окисления и растворения в нем газов. По мере плавления электродов обмазка ошлакуется, и шлак равномерно покрывает шов, защищая металл от окисления и насыщения азотом.

По толщине покрытия электроды бывают (ГОСТ 9466-75) с тонкими, средними, толстыми и особотолстыми покрытиями.

Тонкие покрытия являются стабилизирующими, они состоят из мела и жидкого стекла.

Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах: применяют токи от 1 до 3000 Н при напряжении от 10 до 50 В. Мощность дуги от 0,1 до 150 кВт.

Такой диапазон мощности дуги позволяет использовать ее для сварки как мельчайших, так и больших, тяжелых изделий.

Напряжение дуги в зависимости от силы тока выражается кривыми, определяющие вольтамперную или статическую характеристику дуги (1 для дуги 3 мм, 2 для дуги 6 мм).

Приведенные кривые показывают, что при токе свыше 50 А (наиболее часто применяемых при сварке) напряжение горения дуги почти не зависит от силы тока и определяется длиной дуги.

Типичными пороками сварных швов является непровар (местное отсутствие сплавления между наплавленным и основным металлом), пористость металла швов, шлаковые включения, трещины, пережег (окисление металла в шве и примыкающей к нему зоне).

Аппаратура для сварки.

Дуговая сварка возможна на постоянном и переменном токах; дуга на постоянном токе устойчивее, по расходу эл. Энергии выше. Для питания дуги постоянным током применяют генераторы и выпрямители.

Сварочные аппараты и генераторы делят на однопостовые - для питания одной дуги, и многопостовые - для питания нескольких дуг. Для сварки используют стандартное напряжение тока: 220, 380, 500 В.

Сварочные генераторы постоянного тока приводятся в действие электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания. Обмотка сварочных генераторов должна быть предохранена от разрушения токами короткого замыкания при возбуждении дуги. Внешняя вольтамперная характеристика этих генераторов и трансформаторов должна быть падающей, точнее напряжение должно уменьшаться с увеличением тока, а при токе короткого замыкания уменьшаться до нуля; напряжение холостого хода должно быть достаточным для возбуждения дуги.

Сварочные генераторы и трансформаторы должны обладать хорошими динамическими свойствами, точнее мгновенно реагировать на изменение вольтамперной характеристики сварочной дуги. Падающая характеристика в сварочных генераторах обеспечивается воздействием магнитного поля якоря на магнитное поле полюсов генератора, а в сварочных трансформаторах - последовательным включением индуктивного сопротивления - дросселя.

Дуговая резка.

Резкой с использованием дуги разделяют металл не выжиганием, а расплавлением. Этот способ применяют для резки углеродистой и легированной сталей, чугуна, алюминия, меди и их сплавов, отделение литниковой и т.д. Дуговая резка производится угольным или металлическим электродом. Автоматическая дуговая резка под флюсом применяется для разделки листов коррозионно-стойкой стали.

Воздушно-дуговая резка производится угольным или графитовым электродом, который закрепляется в резке или режущей головке. В контактно-сопловой части резака (головки) имеются отверстия, через которые струи воздуха, выдувают расплавленный металл из реза

Электродуговая сварка роботами.

В последние время все шире внедряется электродуговая сварка роботами взамен ручной сварке. При этом помимо высвобождения сварщика от тяжелого труда достигается повышение производительности и качества сварки, определяемая точностью и равномерностью перемещения дуги. Автоматическое программное управление дугой гарантирует отсутствием пор, трещин, незаваренных кратеров, прожогов и других дефектов.

Плазменная резка, сварка и наплавка.

Все более широкое применение приобретает плазменная поверхностная и плазменно-механическая обработки; плазменная струя используется также для нанесения защитных и декоративных покрытий, получения тонких металлических нитей, мелкодисперсных порошков металлов, для термической обработки.

1. Плазменная резка является наиболее производительным видом термической резки, широко применяемом в машино- и судостроении, на заводах подъемно-транспортного оборудования, в трубном производстве, где объем резки листового металла особенно велик. Сжатие и стабилизация дуги осуществляется потоком газа, проходящего вместе со столбом дуги через сопло плазматрона, в результате чего температура острого плазменно-дугового факела достигает 12000-20000 С, и свойства металла при таком мощном направленном потоке тепловой энергии практически не влияют на процесс резки. В результате локального удаления срезанного слоя поверхность резанья получается точной по контуру с малой степенью шероховатости.

2. Сварка плазменной струей дает хорошие результаты как для соединения тугоплавких металлов, коррозионно-стойких сталей, так и для сплавов алюминия и других цветных металлов. Швы, полученные плазменной сваркой, отличаются малой зоной термического влияния.

3. При плазменной наплавке присадочный материал может подаваться в виде проволоки, ленты или порошка, поэтому этим методом возможна наплавка всех видов наплавочных материалов. Высокая концентрация энергии в плазменной струе, стабильность дугового разряда, а также возможность раздельного регулирования нагрева основного и присадочного материалов являются преимуществом этого вида наплавки.

Электрошлаковая сварка.

Электрошлаковая сварка это способ бездуговой электрической сварки встык в расплавленном шлаке. Для наведения шлаков применяют те же флюсы. Что и при электрошлаковом переплаве стали. В перегретом шлаке расплавляется электродная проволока, и оплавляются свариваемые кромки заготовки, металл сливается в общей ванне и по затвердевании образуется сварной шов. Медные ползуны, охлаждаемые водой, по мере наплавлении шва автоматически перемещаются вверх и обеспечивают формирование шва

Контактная сварка.

При контактной сварке для нагрева свариваемых частей используют тепло, выделяемое при прохождении тока через место сварки. После достижения в зоне сварки необходимой температуры, свариваемые части сдавливаются. Существует три вида контактной сварки: стыковая, точечная, роликовая.

· При стыковой свариваемые части зажимают в контактных колодках сварочной машины и пропускают через них ток большой силы. Притом в зоне сварки выделяется большое количество тепла и части по стыку разогреваются до пластического состояния. Нагретые части сдавливаются. Стыковая сварка возможна при сечении до 50000 мм и более. Также ее применяют для соединения штамповочных листов. Прочность шва стыковой сварки не уступает прочности основного металла, поэтому эту сварку можно принять для ответственных соединений.

· При точечной сварке части зажимают между электродами, по которым пропускается ток большой силы от вторичной обмотки трансформатора. В следствии большого сопротивления место контакта свариваемых частей нагревается до термопластического состояния и под действием давления электрода происходит сварка. Внутри полых электродов циркулирует вода для их охлаждения.

· При роликовой сварке (шовной) соединяют листы толщиной 0,1-3 мм из низкоуглеродистой стали и листы толщиной до 1,5 мм из коррозионно-стойкой хромоникелевой стали, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов. Свариваемые части пропускают между вращающимися роликами - электродами шовной машины, через которые проходит ток, выделяющий тепло в месте соприкосновения свариваемых частей, в результате образуется сплошной шов.

Газовая сварка и резка.

Газовой сваркой выполняют стыковые и бортовые соединения. Угловые, тавровые, нахлесточные избегают выполнять газовой сваркой по причине возникновения деформаций и термических напряжений в изделиях.

Газопрессовая сварка применяется для стыковых соединений труб. Стыки нагревают кольцевой многопламенной горелкой и сдавливают свариваемые части. Этим способом пользуются также для сварки рельсов, бурильного оборудования и инструмента.

Газовую резку в струе кислорода используют для стали с массовым содержанием углерода до 0,7% и некоторых сортов низколегированной стали. Чугун, алюминий, медь и ее сплавы, а также высоколегированные стали непосредственно струей кислорода не режутся, для газовой резки этих металлов применяют порошковые флюсы, состоящие в основном из железного порошка и кварцевого песка. Флюс сгорает в струе кислорода и повышает температуру в месте резки настолько, что образующиеся тугоплавкие оксиды ошлакуются с оксидами железа и жидкий шлак выдувается струей газа.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ЗАГОТОВОК ПЕРЕД ОМД

ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА (УСТАНОВКИ)

Нагрев заготовок производится с целью уменьшения сопротивления деформированию. Нагрев металла для горячей обработки производится в пламенных и электрических печах.

Электрические печи для безокислителъного нагрева металлов бывают камерные и методические. В камерных печах температура одинакова на всём рабочем пространстве. В методических печах нагрев заготовок осуществляется постепенно по заданному режиму. Контактные электронагреватели применяются для нагрева током большой силы (при малом напряжении), проходящим через нагреваемую заготовку, которая в данном случае служит сопротивлением. Заготовка нагревается очень быстро, что обеспечивает высокую производительность и небольшую потерю тепла (к.п.д. установки 70-80%). Индукционный нагрев производится с помощью индукционного электронагревателя, состоящего из закрытого общим кожухом индуктора, в котором нагреваются заготовки, и монтируемой под ним батареи конденсаторов. Помещённый внутри индуктора металл нагревается под действием магнитного гистерезиса и возбуждаемых в нём вихревых токов. Высокий к. п. д. (60-70%) индукционного нагревателя достигается подбором тока соответствующей частоты.

По сравнению с нагревом заготовок в других печах или индукционном нагреве резко сокращается (в 15-20 раз) время (при подборе соответствующих частот стальная заготовка диаметром 40 мм нагревается до ковочной температуры за 30-35 с), слой окалины уменьшается в 4-5 раз, обезуглероженный слой практически отсутствует, уменьшается угар металла, улучшаются условия труда (отсутствие облучения от нагревательных печей, бесшумность нагрева и др.). При контактном и индукционном нагреве опасность образования трещин отпадает, так как под действием возникающего в самом металле тепла получается более равномерный нагрев.

Перед ОМД металлы и сплавы нагревают, чтобы увеличить пластичность и уменьшить сопротивление деформированию.

В процессе нагрева на поверхности заготовки образуется окалина, а под ней располагается слой обезуглеродного Ме. Толщина слоя, образующейся окалины, зависит от продолжительности нагрева, от хим. состава сплава, от температуры. Меньшее окалинообразование происходит при нагреве заготовок в электроустановке.

При нагреве нельзя допускать перегрева заготовок (перегрев устраняется отжигом) и пережога (брак окончательный - заготовки идут на переплав).

Нагрев осуществляют в пламенных печах (камерных, методических) и в электронагревательных устройствах (контактных, индукционных).

Прокатное производство

Прокаткой называется процесс деформирование Ме путем его осжатия между вращающимися валками прокатного стана.

Прокатка - это первичная обработка стальных слитков. Прокатка осуществляется с нагревом заготовок. Не нагреваются заготовки на завершающих операциях. В зависимости от расположения заготовки и валков различают 3 вида прокатки:

1. Продольная.

Оси валков заготовки валки вращаются в разные стороны. Заготовка за счет трения втягивается в зазор между валками и движется поступательно вдоль своей оси. При гладких валках получают листы; если волки имеют ручьи, то получают сортовый прокат.

2. Поперечная.

Валки имеют цилиндрическую форму. Оси валков оси заготовки. Валки вращаются в одну сторону, заготовка в противоположную и поперечным ? вталкивается в зазор между валками. В результате уменьшается поперечная сеч. Заготовки на длине приблизительно равной длине валка.

3. Поперечно-винтовая.

Оси валков располагаются под углом друг к другу и к заготовки, благодаря чему заготовка кроме вращающего движения имеет поступ. Этим способом получают бестовные трубы, тела вращения (шары).

Прокатный стан различают:

· по назначению (листовые, сортовые);

· по количеству волков (2-х, 3-х-волковые и т.д.)

· по количеству рабочих клетей и схеме из расположения.

Волочение. Прессование. Ковка, операции свободной ковки. Оборудование. Штамповка, объемная и листовая.

Волочение - это процесс деформирования металла путем его протягивания через отверстия в волоке, имеющее меньшее поперечное сечение, чем заготовка. В результате волочения поперечное сечение заготовки уменьшается и принимает форму сечения отверстия волоки, увеличивается длина заготовки, изделия получают точные размеры и чистую гладкую поверхность.

Волочение единственный способ получения проволоки d=0,006 мм.

При волочении инструментом является волочильная матрица, оборудованием - волочильные станы: 1) цепные и 2) барабанные.

Прессование - это процесс горячего деформирования Ме путем выдавливания его из замкнутой плоскости контейнера через отверстия в матрице.

Прессование различают прямое и обратное. При прямом прессовании больше усилий, более чистая поверхность, но больше отходов Ме. При обратном прессовании меньше усилий, меньше отходов Ме, но на поверхности можно видеть следы литого Ме.

При прессовании получают профили различных сечений, трубы, трубки.

Ковкой - называют процесс горячего деформирования Ме с помощью байков или другого инструмента на молоте или прессе. Течение Ме при ковке ограничено в направлении движения инструмента.

С помощью ковки получают фасонные заготовки для последующей механической обработки, которые называя поковками. Поковки имеют высокие механические свойства. Их масса может составлять от 50г. до 250т.(волы, скобы, крюки, волы прокатных станов).

Ковка и штамповка.

Ковка - операция малопроизводительная, поэтому применяется в условиях единичного многосерийного производства. Заготовками для ковки служит прокат (круглого или поперечного сечения). Ковку производят на молотах или прессах в условиях предприятий, кроме этого различают художественную ковку. Основными операциями ковки являются: осадка, протяжка, прошивка, рубка, гибка, закручивание. Для ковки применяют два типа молота: пневматический, паровоздушный. И прессы: гидравлические, ковочные с номинальным усилием до 31,5 мН.

Штамповка. Заготовками служит прокат (круг, квадрат). Штамповка - операция высокопроизводительная, применяется в условиях массового производства. Различают штамповку объемную и листовую, холодную и горячую. Объемная штамповка - выполняется на молотах или прессах. Течение металла ограничено полостью штампа. Штампы различают: одноручьевые и многоручьевые. Крепятся они при помощью клина и «хвоста ласточкина». Излишки металла, вытекающие в кольцевую канавку около ручья называемый облой или заусенец. Их отрезают на прессах. Нагрев заготовки осуществляется для повышения пластичности металла. Холодная объемная штамповка - это доштамповка горячештампованных поковок (чеканка), путем малых деформаций. Листовая штамповка осуществляется на прессах, винтовых, кривошипных. Для резки металла применяют ножницы (гильотинные). Основными операциями являются: вырубка, пробивка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача. Горячая листовая штамповка применяется для листов толщиной выше 6 мм,

Обработка металлов резанием.

1) Металлообрабатывающие станки и инструменты.

Для обеспечения установленной чертежом точности размеров и шероховатости поверхности большинство деталей машин и механизмов обрабатывает на станках снятием стружки. Обрабатываемые поверхности могут быть плоскими, цилиндрическими, коническими, фасонными или сложной криволинейной формы. Движение исполнительных органов станков делят на рабочие и вспомогательные. Рабочими называют движения, при которых снимается стружка; вспомогательными - движения, при которых с заготовки стружка не снимается. Рабочее движение можно разделить на главное движение и движение подачи. Главным движением называется движение, скорость которого является наибольшей.

При точении заготовки сообщается вращательное главное движение, а инструментом (резцом) - движение подачи

При фрезеровании главное движение сообщается инструменту (фрезе), а движение подачи - заготовки.

При сверлении, как главное движение, так и движение подачи обычно сообщается инструменту, однако в специальных станках это может не соблюдаться.

При строгании на поперечно-строгальных станках и обработке заготовок на долбежных станках главное движение сообщается инструменту (резцу), а движение подачи - заготовки или резцу.

При строгании на продольно-строгальных станках главное движение сообщается заготовке, а движение подачи - инструменту (резцу).

При протягивании главное движение (прямолинейное) сообщается инструменту (протяжке).

При круглом и плоском шлифовании главное движение всегда вращательное (шлифовальный круг).

2) Элементы резания.

Основными элементами резания являются:

1) t - глубина резания между обрабатываемой и обработанной поверхности, мм.

t=(D-d)/2

2) подача s- перемещение резца за один оборот заготовки, мм/об

3) ширена срезанного слоя b - расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностью измеренная по поверхности резания, мм.

Поверхность заготовки, с которой снимается стружка, называется обрабатываемой (1); поверхность, образуемая режущей кромкой инструмента в процессе резания, называется поверхностью резания (3). Поверхность, образующаяся после снятия стружки, называется обработанной (2).

3) Геометрия резца.

Резец - наиболее распространенный инструмент, применяемый при обработке материалов.

Резцы различают по виду обработки и оборудования (токарные, расточные, строгальные, долбежные, специальные); по выполняемой работе (проходные, подрезные, отрезные, расточные, резьбовые, фасонные, а также черновые, чистовые и для алмазного точения); по направлению подачи (радиальные и тангенциальные, а также правые и левые); по роду инструментального материала (из низко и среднелегированной стали, быстрорежущие, твердосплавные, алмазные, минералокерамические); в зависимости от формы сечения стержня (прямоугольные, квадратные, круглые); по форме головки (прямые, отогнутые, изогнутые, оттянутые); по способу изготовления (цельные, с припаянной или закрепленной механически пластинкой, с приваренной головкой).

При обработке мягких, углеродистых сталей, меди образуется сливная стружка; при обработке твердых сталей образуется стружка скалывания; при обработке чугунов и других хрупких металлов образуется стружка недолома.

4) Токарные станки, виды обработки, инструменты, приспособления.

В группу токарных станков входят токарно-винторезные, токарно-револьверные, многорезцовые токарные, карусельно-токарные, лобовые, токарные автоматы и полуавтоматы, сверлильно-отрезные (при вращающейся заготовки) и специальные токарные станки.

Основными инструментами для токарных станков являются: резцы различных типов, сверла, зенкеры, зенковки, развертки, плашки.

Основные виды работ на токарных станках: обтачивание (цилиндрических и конических поверхностей), обтачивание и подрезание торцевых поверхностей, расточка цилиндрических и конических отверстий, нарезание резьбы.

В качестве приспособлений на токарных станках служат: центры, самоцентрирующие патроны (3х - 4х кулачковые), планшайбы, люнеты.

Фрезерные станки и работы, выполняемые на них.

Фрезерные станки разделяются на консольные, продольные, портальные, карусельно-фрезерные, барабанно-фрезерные, копировальные и специальные.

Консольные станки предназначены для обработке небольших по высоте и нетяжелых заготовок, что определяется размерами столов (до 500*2000 мм) и наибольшим расстоянием (до 500 мм) от стола до торца шпинделя (у вертикальных) или до его оси (у горизонтальных).

Фрезерование, фрезы и вспомогательные инструменты.

Фрезерование является одним из высокопроизводительных и распространенных способов обработки резанием, его применяют для получения плоских или профильных (фасонных), гладких, рифленых, поверхностей деталей, получения пазов, различных канавок.

Фрезы в зависимости от положения режущей кромки относительно оси бывают с прямым и винтовым зубом; по форме задней поверхности зуба фрезы бывают затылованные и незатылованные (остроконечные).

По назначению фрезы подразделяют на следующие:

а) для обработки плоскостей - цилиндрические и торцовые;

б) для выемки пазов и шлицев - дисковые, пазовые, концевые, одноугловые, двуугловые, Т-образные;

в) для получения фасонных поверхностей - фасонные, модульные, червячные;

г) для резки металлов - отрезные (пилы круглые).

Шлифование.

Процесс обработки абразивными материалами называют шлифованием. Абразивные материалы (зерна высокой твердости с острыми кромками) могут быть в свободном виде (порошки) или в связанном (цементированном) в форме кругов, брусков, сегментов.

В большинстве случаев шлифование является отделочной операцией, обеспечивающей высокую точность (до 0,002 мм) и необходимый класс шероховатости поверхности, и применяется для обработки наружных и внутренних цилиндрических и конических, плоских и криволинейных поверхностей всех металлов и сплавов.

Шлифование применяют также для обдирочных работ, для заточки режущих инструментов. Наибольшее число шлифовальных работ выполняется с использованием быстро вращающегося абразивного круга.

По ГОСТу в зависимости от размеров зерен абразивов их делят на шлифзерна - зернистость от № 200 до № 16, шлифпорошки - от № 12 до № 3 (номер указывает средний размер зерна в сотых долях миллиметра) и микропорошки -- от М40 до М5 (номер определяет размер зерна в мкм). Выбор зернистости зависит от требуемой шероховатости: для обдирочной обработки применяют крупнозернистые абразивы, для чистовой и отделочной - мелкозернистые.

Связка обеспечивает получение компактных абразивных инструментов нужной формы и размеров и определяет их прочность и твердость. Применяют связки неорганические и органические. Наиболее распространена неорганическая связка - керамическая К, составляемая из огнеупорной глины, жидкого стекла и других компонентов. Органические связки -- вулканитовая В и бакелитовая Б имеют большую прочность и упругость и применяются для изготовления тонких (отрезных) кругов, для инструментов, используемых при доводочных операциях; круги на вулканитовой связке кроме того используют в качестве ведущих при бесцентровом шлифовании.

В группу шлифовальных стоиков входят станки для круглого, шлифования (центровые круглошлифовальные, бесцентрово-шлифовальные, внутришлифовальные), станки для плоского шлифования, притирочные и полировальные, заточные, обдирочные шлифовальные, а также специализированные и специальные.