Разработка сквозной технологии производства пружин

Разработка сквозной технологии производства пружин

Министерство образования и науки РФ ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Носова»

Кафедра технологий и сертификаций и сервиса автомобилей

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему

«Разработка сквозной технологии производства пружин»

Выполнил ст. гр ТСА-09

Глухарёв А.В.

Проверил: доцент ктн :

Зотов С.В.

Магнитогорск 2011,г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДЕТАЛИ

1.1Выбор материала для изготовления пружин

2.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ

3. ГОРНО-РУДНЫЙ ЭТАП

3.1 Добыча руды

3.2 Подготовка железных руд

4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЭТАП

4.1 Производство чугуна

4.1.1 Конструкция доменной печи

4.1.2 Доменный процесс

4.2 Производство стали

4.2.1 Производство стали в кислородных конвертерах

4.3 Разливка стали

5. ЭТАП ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОГО ПРУТКА

5.1 Горячая прокатка

5.2 Очистка от окалины

6. СЛЕСАРНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

6.1 Обработка прутков на токарных линиях

6.2 Нагрев и навивка спиралью

6.3 Закалка и отпуск

6.4 Дробеструйная обработка

6.6 Нанесение защитного покрытия

6.7 Контроль статистической нагрузки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Пружины являются распространенным деталями общего назначения. От конструкций и качества изготовления пружин зависит работоспособность и долговечность различных автоматов и автоматических устройств.

В силовом отношении пружины представляют собой детали высоко напряженные. Погрешности, допущенные при проектирований и изготовлении пружин, приводят к серьезным поломкам дорогостоящих машин и агрегатов. Между тем пружина - одна из немногих деталей, хорошо поддающихся расчету, так как в силу сравнительной простоты конструкции аналитические зависимости с достаточной достоверностью отображают реальные условия ее работы

В большинстве случаев пружины используются в машинах и приборах в качестве силовых элементов, обеспечивающих действие необходимых усилий на определенных участках пути (предохранители и др), амортизаторов, предназначенных для восприятия энергии удара и последующего рассеивания ее в виде затухающих колебаний, аккумуляторов энергии как источники движения (пружинные двигатели) , чувствительных элементов, изменяющих свои размеры пропорционально приложенной нагрузке (силоизмерители).

В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовления распределительного вала автомобиля, начиная с этапа горно-рудного процесса, заканчивая шлифовкой готового вала и придания ему готового вида. Главной задачей работы является разработка наиболее рациональной технологии изготовления детали автомобиля - распределительного вала с соблюдением всех требований к такому виду деталей и обеспечения безотказной работы непосредственно в узле.

Использованные методы добычи необходимого материала и обработки были выбраны из множества других металлургических и производственных методов. В данном случае выбранный материал проходил следующие этапы производства:

)        Горно-рудный (добыча необходимого вида руды, ее обработка и обогащение);

)        Металлургический (получение чугуна в доменных печах, затем сталеплавильный процесс в кислородном конверторе и непосредственная разливка стали);

)        Обработка металла давлением (заготовку распределительного вала прокатывают в горячем состоянии и штампают для придания геометрии детали);

)        Слесарно-механическая обработка (фрезерование, обтачивание, термообработка, шлифовка)

1.     
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДЕТАЛИ

В зависимости от вида нагружения различают пружины растяжения, сжатия, изгиба и кручение.

Под нагрузкой в пружине одновременно возникают несколько компонентов напряжения. Поэтому в каждом конкретном случае приходится выделять наиболее существенные из них: растяжения, сжатие, изгиб, кручение.

Вид нагружения пружины может совпадать либо не совпадать с характером напряженного состояния (таблица 1). Рассмотрим область применения наиболее распространенных пружин, представленных в этой таблице.

Наиболее обширную группу составляют цилиндрические винтовые пружины (натяжные) (I) и сжатия (нажимные) (V), которые применяются в тормозных и предохранительных устроиствах для создания начальных усилий, в кулачковых механизмах, зубчатых, храповых механизмах с целью исключения зазоров при их работе, в рессорных и буферных устроисвах транспортных машин в качестве амортизаторов, а также в различных приборах для преобразования усилий в механические перемещения и т. д.

К пружинам сжатия относятся также пружины кольцевые (II) и тарельчатые ( IV), обладающие относительно большой жесткостью и поглощающей способностью при малых габаритах. Пружины этих типов применяются в тяжело нагруженных амортизационных системах. А также для виброизоляций различных конструкций.

Блочные пружины (III), работающие на сжатие, изготовляются из неметаллических материалов и применяются, главным образом, в качестве виброизоляторов.

пружина прут слесарный спираль

Таблица 1 Основные виды пружин

Плоские пружины, работающие на изгиб (VI), применяются в основном, в приборостроений для силового замыкания различных звеньев, замыкания и размыкания контактов электромагнитных реле, микровыключателей и т.д.

Пружины, воспринимающие крутящие моменты, могут быть плоскими спиральными, винтовыми цилиндрическими (VII) и стержневыми (торсионы) (VIII). Пружины кручения воспринимают моментные нагрузки и выполняют в механизмах и машинах те же функций, что и пружины растяжения - сжатия.

Плоские спиральные пружины нашли широкое применение в качестве движения (аккумуляторов энергии) в различных механизмах: часах, заводных игрушках и т.д.

Зависимость между относительным перемещением точек приложения активной и реактивоной нагрузок от величины самой нагрузки для пружин всех типов практически однозначна. Такая зависимость, выражение в графической (рисунок 2) либо аналитической форме, называется характеристикой пружины. При построении характеристики пружины по оси абсцисс откладывают перемещение (линейные F либо угловые), а по оси ординат - нагрузки (усилия P либо моменты М).

Рисунок 2 Характеристика пружин

Характеристика большинства пружин, применяемых в машиностроении, прямолинейны (1) либо являются монотонными выпуклыми (2) или вогнутыми (3) кривыми. Характеристики некоторых пружин могут быть ломаными (4). Немонотонные характеристики имеют так называемые «хлюпающие» упругие элементы, например мембраны, которые вследствие специфичности работы для и ограниченного применения в данной лабораторной не рассматриваются

Для пружины с монотонной характеристикой производная  называется жесткостью, а обратные называются податливостью пружины

Также для пружин имеет место быть такое явление как гистенезис, обусловленное внутренним трением в материале пружины, а в некоторых конструкциях- внешним трением между ее элементами, используется для демпфирования колебаний. Гистерезис, а также упругое последствие и ползучесть являются проявлениями упругих несовершенств материала. Упругое последствие проявляется в некотором запаздывании деформаций пружины относительно моментов приложения t=0 либо снятия t =  нагрузки (рисунок 3, б). пластическое последствие , являясь одним из проявлений ползучести, характеризуется той частью деформаций пружины, которая сохраняется после разгрузки неограниченно долгое время.

Рисунок 3, Упругое несовершенство материала: а- гистерезис; б - последствие;

Гистерезис, а также упругое последствие и ползучесть являются проявлениями упругих несовершенств материала. Упругое последствие проявляется в некотором запаздывании деформаций пружины относительно моментов приложения t=0 либо снятия t =  нагрузки (рисунок 3, б). пластическое последствие , являясь одним из проявлений ползучести, характеризуется той частью деформаций пружины, которая сохраняется после разгрузки неограниченно долгое время.

Другим проявлением ползучести является релаксация , то есть «рассасывание», ослабление напряжений при постоянной деформаций. Ползучесть обуславливает временную нестабильность характеристики пружины, что может привести к функциональному расстройству агрегата, а в некоторых случаях - к аварии

Характер нагрузки пружины по времени нагрузки пружины по времени может быть различным. Из всего многообразия законов нагружения остановимся на трех наиболее характерных.

Рисунок 4, характерные циклы напряжений: а - знакопостоянный; б - симметричный; в - пульсационный;

Статистическая нагрузка, при которой долговечность пружины наиболее велика.

Ударная нагрузка характеризуется ее мгновенным приложением и снятием с возникновением значительных внутренних напряжений.

Циклическая нагрузка характеризующая периодичностью действии. Характерные циклы в координатах напряжения - время представлены на рисунке 4. Основные параметры цикла(рисунок 4,а):

Коэффициент ассиметрий

Среднее напряжение

Амплитуда напряжения

При r = -1 цикл называется симметричным ( рисунок 4,б), а при r = 0 - пульсоционным (рисунок 4,в). В соответствие с этим различают пределы выносливости материала при симметричных и при пульсационном циклах.

1.1    Выбор материала для изготовления пружин

Материал для пружин должен удовлетворять комплексу разнообразных требований, продиктованных условиями работы и изготовления пружины. Это прежде всего высокие прочностные характеристики, дающие возможность проектировать пружины с минимальным весом и размерами. Поэтому желательно применение таких материалов, предел упругости которых приближается к их временному сопротивлению.

Материал пружин, работающих при циклической и ударной нагрузках, должен обладать высокими пределом выносливости и ударной вязкостью. Наконец, все пружины независимо от характера воспринимаемой нагрузки должны длительно сохранять свою геометрию и характеристику, что обеспечивается релаксационной стойкостью материала. Это требование, равно как и требование максимального увеличение предела упругости, особенно важно при работе пружин в условиях температур (свыше 120 градусов). Если пружина работает в агрессивных средах, материал должен обладать коррозионной стойкостью.

Требование к материалу, определяемые технологией изготовления пружины, включают в себя: достаточную пластичность (для осуществления навивки, штамповки, заневоливования), хорошую прокаливоемость (для равномерной термообработки по всему обьему), отсутствие склонности к поверхностному обезуглероживанию при термообработке и т.д. Перечисленные требования в сочетании со степенью ответственности пружины и экономическими соображениями.

Должны учитываться конструктором при назначении материала

Для изготовления пружин применится стальная углеродистая проволока холоднотянутая проволока круглого сечения от 0,14 до 8 мм, стальная пружинная холоднокатаная лента, качественная рессорно-пружинная горячекатаная сталь, сплавы цветных металлов.

В тех случаях, когда диаметр проволоки превышает 8 мм либо к ней предьявляются какие-нибудь особые требования, применяют качественную рессорно-пружинную сталь, технические условия на которую регламентированы ГОСТ 14959-69. Навивку пружин из этой проволки производят либо в холодном состоянии (в этом случае проволку перед навивкой тщательно отжигают), либо в горячем (тогда предварительная термообработка не требуется). После навивки пружины подвергаются термообработки - закалке и отпуску.

Выбор материала для изготовления цилиндрических пружин сжатия и растяжения из стали кругового сечения необходимо производить в соответствий и с ГОСТ 13764-68. Этот стандарт, однако, не распространяется на пружины работающие при высоких температурах).

Основываясь на ГОСТ 13764-68: в легковом автотранспорте (в подвеске) лучше всего использовать сталь марки : 60С2ГФ, а также её заменители 50ХФА,50ХГФА

Таблица 2 Химический состав в процентах стали марок 50ХФА, 50ХГФА, 60С2ГФ.

Сталь 50ХФА

Сталь 50ХГФА

Сталь 60С2ГФ.

Мы выбираем марку стали 60С2ГФ - эта сталь содержит в себе 0,6% углерода, 2% содержания кремния, а марганца и ванадия менее одного процента! Стали с содержанием марганца в малой степени подвержены поверхностному обезуглероживанию, благодаря чему диаметр заготовок может достигать 20 мм. Также в этой стали содержится кремний, который снижает склонность к образованию трещин и повышает предел упругости. А введение в сталь ванадия способствует повышению механических характеристик вообще и усталостной прочности в особенности, а также снижению склонности к обезуглероживанию.

Наряду с химическим составом большое влияние на работоспособность пружин оказывает качество поверхности проволоки, не гладкая поверхность, трещины, закаты, раковины, ржавчина и другие дефекты снижают усталостную прочность и могут свести на нет эффективности применения пружинных материалов.

2.     
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ

После переработки руды в доменной печи горячий металл поступает в кислородный конвертор, где производят жидкий металл с разливкой в слитке. Слиток подвергают предварительной термической обработке, которая состоит из высокого отпуска. Проходит снижение внутреннего напряжения и снижение твердости. Далее производится горячая прокатка(заготовка-слиток становится заготовкой-прутком) и затем идет обработка металла давлением. Заготовка поступает на сортовой стан с круглым сечением. После выхода из сортового стана мы имеем пруток-заготовка круглой формы, которую можно передавать на механическую обработку

После обработки металла давлением идет механическая обработка. Она заключается в том, что прокатанный пруток круглого сечения из пружинной стали марки 60С2ГФ подвергают следующим операциям.

Первая операция - обработка прутков на токарных линиях до нужного диаметра, со снятием верхнего обезуглероженного слоя.

Вторая - нагрев и навивка спиралью. Затем - закалка и отпуск. Потом дробеструйная обработка: в специальной камере пружины обстреливают потоком мелкой стальной дроби - так очищают от окалины, упрочняют поверхностный слой и повышают усталостную прочность.

Следующий этап - холодная осадка, или заневоливание пружин. Их трижды сжимают до соприкосновения витков, после чего длина уменьшается примерно на 18 мм от первоначальной.

Заключительная операция - контроль статической нагрузки. Сжав пружину с определенным усилием, измеряют ее длину.

Схема 1.1. Выбранный технологический маршрут изготовления детали.

3. ГОРНО-РУДНЫЙ ЭТАП

Изготовления распределительного вала производится из выбранной нами Сталь конструкционная рессорно-пружинная. 60С2ХФА, как и любая другая сталь, проходит изначально этап переработки руды, полученной на первом и основном этапе производства какой-либо стальной детали.

Горно-рудный этап заключается в добычи руды - минеральных ископаемых, содержащих металл в виде оксидов или сульфидов, пустую породу (кварц, песок, глина) и различные примеси (к полезным можно отнести марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден, а к вредным - серу, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и, в большинстве случаев, медь); и последующей ее обработке.

Классификаций руд по содержанию в них основного металла - железа:

·        Железные с содержанием основного металла (железа) около 70%:

Ø  Красный железняк (около 70% содержание железа);

Ø  Бурый железняк (50-70% содержание железа);

Ø  Шпатовый железняк (30-40% содержание железа;

·        Марганцевые с содержанием железа 20-50% и марганцем - 30-40%.

Руда, используемая в домне без предварительного спекания, должна быть механически достаточно прочной. так называемые мартеновские руды, вводимые в шихту, должны быть кусковыми и иметь высокое содержание Fe при отсутствии примесей S и Р.

Для изготовления стали для распределительного вала будем использовать красный железняк с содержанием железа около 70% или бурый железняк с содержанием железа в количестве 50-70%, что обеспечит нам более близкие к требуемым показатели материала.

3.1 Добыча руды

Рудное сырье в России добывается как методом открытых разработок, так и подземным способом - из шахт. Открытая добыча более дешевая, сопряжена с меньшими потерями сырья, однако экологически более опасна, связана с нарушением больших земельных площадей (примерно в десятикратном размере превышающем потери земли при шахтной добыче на единицу ресурса) и образованием большего объема отходов пустой породы.

Технологическая схема рудника.

Добыча руд подразделяется на производственные процессы, которые, в свою очередь, делятся на рабочие процессы и далее на операции. Эти процессы можно разделить на основные и вспомогательные.

А. Процессы горно-подготовительных работ, то есть проведение горных выработок, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому:

·        Проходка горно-капитальных выработок (при вскрытии);

·        Проходка выработок и бурение скважин эксплуатационной разведки;

·        Проходка подготовительных выработок (при подготовке этажных горизонтов);

·        Проходка подготовительно-нарезных выработок (при подготовке очистных блоков).

Б. Добычу (извлечение) полезного ископаемого:

·        Отбойка руды - отделение части руды от массива посредством приложения внешней силы, с одновременным дроблением ее на куски;

·        Доставка руды - перемещение отбитой руды в пределах выемочного блока или панели от места отбойки до места погрузки в транспортное средство откаточного горизонта;

·        Вторичное дробление- измельчение чрезмерно крупных кусков (негабарита) на более мелкие (его применяют в большинстве случаев, однако оно может не понадобиться при мелком дроблении руды)

·        Поддержание очистного пространства - комплекс мер, обеспечивающих управление горным давлением.

В. Процессы перемещения и дробления рудной массы вне очистного блока:

·        Подземное транспортирование - перемещение рудной массы по этажным выработкам к шахтному стволу или удаленному от очистного блока капитальному рудоспуску, а при штольневом вскрытии - к устью штольни и далее к месту разгрузки на земной поверхности. Транспорт осуществляется электровозами в вагонах, автосамосвалами и конвейерами. Последние широко применяются только при механической отбойке руд;

·        Подземное дробление в дробилках у шахтных стволов - измельчение рудной массы до крупности менее 200 мм;

·        Подъем руды и пустой породы на поверхность - перемещение руды (рудной массы) по вертикальным или наклонным шахтным стволам в скипах, клетях, конвейерами или в автосамосвалах.

·        Складирование руды на поверхности-- работы по размещению рудной массы на земной поверхности в бункерах или открытых складах, включая аварийные склады;

·        Отгрузка потребителям.

3.2 Подготовка железных руд

Основными видами подготовки являются обогащение руд и окускование рудной мелочи, которые осуществляют только после целого ряда предшествующих операций: дробления, грохочения, усреднения и обжига.

Процесс подготовки железных руд представлен на схеме 4.1.

Схема 4.1. Технология подготовки железных руд

Дробление руды.

Добываемые на рудниках куски руды достигают размеров 1,2-1,5 м. Дробление руды проводят в несколько приемов: крупное - до размера кусков 100-300 мм, среднее - (40-60 мм), мелкое-(2-25 мм) и тонкое - менее 1 мм. Для крупного и среднего дробления используют метод раздавливания кусков, который осуществляют в щековых, конусных или валковых дробилках, принцип действия которых показан на рисунке 4.1

Рисунок 4.1. Схема измельчения руды в дробилках:

а - щековой; б - конусной; в - валковой

Для получения определенной консистенции руды будем использовать щековые дробилки производительностью до 500 т / ч, где раздавливание кусков происходит при сближении 18 качающейся и неподвижно закрепленной щек, рабочие поверхности которых облицованы плитами износоустойчивой марганцовистой стали, так как производительность такого вида дробильного оборудования наиболее производительно.

) Грохочение.

Грохочение - сортировка руды, заключающаяся в разделении измельченных материалов на классы крупности при помощи решеток или механических сит.

) Обогащение.

Для повышения содержания железа и снижения содержания вредных примесей проводят обогащение сырой руды путем отделения рудного минерала от пустой породы, в результате чего получают концентрат и остаточный продукт - «хвосты». Обогащение осуществляется несколькими способами и основано на использовании различия в плотности, поверхностных и магнитных свойствах материалов:

·        Промывка. Этим способом обогащают руды, пустая порода которых состоит из глинистых и песчаных частиц, размываемых и уносимых потоками воды. Промывке подвергают крупнокусковые руды, так как мелкие фракции также уносятся водой. Наиболее широко используют корытную мойку производительностью до 100 т/ч, которая представляет слегка наклонный желоб длиной до 8 и шириной до 2,4 м. По длине желоба параллельно друг другу расположены два вращающихся шнека с набранными по спирали лопатками. В нижний конец желоба подают руду, а с противоположной стороны воду. Вращающиеся в разные стороны шнеки перемещают руду к верхнему концу желоба, разрушают непрочные частицы пустой породы, которая взмучивается и уносится встречным потоком воды. Содержание железа в руде повышается на 2-9% при степени извлечения железорудных минералов 85-89%.

·        Гравитация. Метод основан на разделении в жидкой среде рудных минералов и пустой породы, имеющих различную плотность частиц. Основными методами гравитационного обогащения являются отсадка и разделение в тяжелых жидких суспензиях в винтовых барабанных сепараторах. Первый проводят в отсадочных машинах с неподвижным или подвижным решетом за счет создаваемой решетом или поршнем пульсации воды, которая выносит более легкие частицы пустой породы в удаляемый верхний слой.

·        Флотация. Метод основан на различии поверхностных свойств частиц рудного минерала и пустой породы. Пульпу из воды и тонкоизмельченной руды с добавкой пенообразователей и собирателей перемешивают пузырьками воздуха в резервуаре. Смачиваемые частицы пустой породы оседают на дне и периодически убираются, а несмачиваемые частицы рудного минерала прилипают к пузырькам газа под влиянием поверхностно-активных веществ и всплывают на поверхность в виде пены, которую снимают вращающимися гребками. Способ позволяет из окисленных железных руд получить концентрат с содержанием железа до 70%.

) Окускование руды. Для использования в доменной печи полученный в результате обогащения мелкий железорудный концентрат должен быть превращен в прочный кусковой материал, который не истирался бы при опускании в печи и не забивал бы проходы для поднимающихся газов. Способами окускования являются агломерация и производство окатышей (окомкование):

·        Агломерация - процесс окускования мелких железорудных материалов - осуществляется путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или за счет подвода тепла извне. При агломерации в шихту можно ввести флюсы и другие полезные добавки, удалить вредные примеси (серу и частично мышьяк) и получить пористый, прочный и хорошо восстанавливаемый в доменной печи материал - агломерат. Шихту, состоящую из рудного концентрата или мелкой железной руды, колошниковой пыли, коксовой мелочи и известняка смешивают, увлажняют и загружают слоем 200-350 мм на колосниковую решетку, на которую предварительно загружена «постель» - слой мелкого агломерата. Затем холодный слой шихты нагревается проходящими через него горячими газами и испаряющаяся влага конденсируется в холодных нижних слоях, а верхние слои все более подсушиваются и нагреваются. В сухом слое воспламеняется топливо, частично восстанавливаются оксиды железа и образуются жидкие фазы, скрепляющие отдельные кусочки железной руды. Далее, при сгоревшем топливе, происходит охлаждение спекшившегося материала поступающим сверху воздухом. Схематически агломерационный процесс изображён на рисунке 3.

Рисунок 4.2. Схема агломерационного процесса:

а - в начале процесса после зажигания шихты горячие газы из зоны

горения подогревают шихту; б - зона горения опускается вниз; в -

заключительная стадия образования агломерата, который охлаждается

просасываемым воздухом

·        Производство окатышей. Процесс производства окатышей состоит из получения сырых (мокрых) окатышей и их упрочнения путем подсушки и обжига. Рудный концентрат увлажняют, в шихту добавляют связующее вещество - бентонит (мелкодисперсную глину), а при производстве офлюсованных окатышей - известь и после перемешивания окомковывают в грануляторе. Гранулятор представляет собой вращающийся барабан или чашу большого диаметра, которые поставлены под углом к горизонту 2-3,5 и 45-60° соответственно. Шихтовый материал слипается в комья и при вращении комки окатываются до сферической формы. В зависимости от режима вращения гранулятора сырые окатыши могут иметь размер от 2 до 30 мм. Затем их подвергают сушке при 300-600 °С и упрочняющему обжигу при 1200-1300°С в шахтных печах, конвейерных или кольцевых обжиговых машинах, а иногда и на агломерационных лентах. В результате обжига образуется либо керамическая связка, либо происходит частичное оплавление поверхности частиц и их сваривание. Окатыши получаются более прочными, чем агломерат, и хорошо выдерживают транспортировку и перегрузки без значительных разрушений.

4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЭТАП

Полученная в процессе обработки руды шихта в виде прочных окатышей транспортируется в доменную печь для получение необходимого состава стали - Стали 60С2ХФА

Производство стали включает в себя три этапа:

·        доменное производство, заключающееся в переделе полученной на горно-рудном этапе состава руды (шихты в виде окатышей) в чугун;

·        сталеплавильное производство, заключающееся в обработке полученного в домне чугуна и доведение его состава до состава, соответствующего составу выбранной стали - 60С2ХФА;

·        разливка стали в заготовки определенной формы.

4.1 Производство чугуна

Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах - железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже - из доломита или известняка.

В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают обогащению.

В доменном производстве применяют разные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая. Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца3.1

4.1.1 Конструкция доменной печи

Доменная печь является непрерывно работающим плавильным агрегатом шахтного типа. Сверху в нее загружают железорудные материалы (полученная на горно-рудном этапе шихта), кокс и отводят образующиеся газы, а снизу через фурмы подают горячий воздух и через летки выпускают жидкие продукты плавки - чугун и шлак. Внутренний объем печи, ограниченный огнеупорной кирпичной кладкой (футеровкой), называемый полезным объемом. Наиболее крупные доменные печи имеют полезный объем более 5000 , и их производительность достигает 12000т чугуна в сутки, т.е. ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Внутреннее очертание вертикального разреза рабочего пространства печи называют ее профилем, в котором различают колошник, шахту, распар, заплечики и горн (рисунок 4.1). Профиль выбирают таким, чтобы в печи происходило равномерное опускание загруженных материалов и равномерное распределение по горизонтальному сечению печи поднимающихся снизу газов.

Рисунок 5.1. Вертикальный разрез доменной печи:

- фундамент, 2 - воздушное охлаждение низа лещади, 3 - лещадь, 4 - горн, 5 - заплечики, 6 - распар,7 - шахта, 8 - колошник.

Ниже колошника расположена шахта, расширение которой книзу позволяет материалам свободно опускаться вниз. Заплечики имеют сужающуюся книзу конусообразную форму, обусловленную тем, что в них происходит уменьшение объёма материалов в связи с образованием жидких продуктов плавки и выгоранием кокса. Между шахтой и заплечиками находится наиболее широкая цилиндрическая часть - распар. Над фундаментом печи расположена лещадь. Нижнюю часть лещади выкладывают из графитированных углеродистых блоков, наружную - из углеродистых блоков, а центральную из высокоглинозёмистого кирпича. Нижняя часть горна от лещади до леток служит для накопления чугуна шлака. В горне расположены летки для выпуски чугуна и шлака.

Распар и шахту выкладывают из шамотного кирпича; снаружи устраивают холодильники для отвода тепла от кладки и продления срока её службы. Колошник, располагаемый в верхней части шахты, изготавливают из стальных плит. Колошниковое устройство представляет собой систему механизмов, предназначенных для загрузки в печь шихты, отвода из неё газов и проведения монтажных работ. Материал подают на колошник при помощи двух тележек - скипов, движущихся по наклонному мосту.

4.1.2 Доменный процесс

В доменной печи загружаемые шихтовые материалы в результате протекания механических, физических и физико-химических процессов постепенно превращаются в чугун, шлак и доменный газ. Задача доменного процесса заключается в восстановлении оксидов железа, что обеспечивается непрерывным встречным движением шихты (вниз) и газов (вверх) и взаимодействием опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газов, образующихся при горении кокса в горне.

Длительность пребывания каждой опускающейся порции материалов в доменной печи составляет 4-6 ч. Образующиеся при сгорании кокса у фурм газы движутся вверх с большой скоростью навстречу твердым материалам по всему сечению печи, причем длительность пребывания образующегося газа в доменной печи составляет 1-3 с. За это время газ нагревает шихтовые материалы и восстанавливает оксиды металлов.

В процессе нагревания опускающихся материалов из них удаляется влага, происходит разложение карбонатов, а оксиды железа под действием восстановительных газов СО, Н₂ и твердого углерода кокса постепенно превращаются в железо по схеме: Fe₂0₃->Fe₃04->Fe0->Fe.

Металлическое железо еще в твердом состоянии начинает науглероживаться, в результате чего снижается его температура плавления. Восстановление железа заканчивается при температуре 1000-1100°С и из оксидов начинают восстанавливаться кремний, марганец и фосфор, которые вместе с науглероженным железом образуют стекающие в горн капли чугуна.

В нижней половине шахты из составных частей пустой породы руды и флюсов начинается образование состоящего из оксидов (Si0₂, А1₂0з, CaO, MgO) жидкого шлака, понижению температуры которого способствуют оксиды железа и марганца (FeO, МnО). В стекающем вниз шлаке постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а также зола сгоревшего кокса. В зоне заплечиков и горна из оксидов, растворенных в шлаке, при его взаимодействии с раскаленным коксом происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора. Здесь же поглощенная металлом в процессе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор полностью восстанавливаются из шлака и переходят в чугун, а степень восстановления марганца и кремния и полнота удаления серы из чугуна во многом зависят от температуры, количества и состава шлака.

Жидкие чугун и шлак, имеющие разную плотность, разделяются в горне на два слоя.

Высокие показатели плавки могут быть достигнуты только при равномерном распределении газового потока по сечению печи. При этом большое значение имеет газопроницаемость столба сырых материалов, их распределение во время загрузки на колошнике и перераспределение при движении в доменной печи. Для того чтобы обеспечить необходимое распределение шихты на колошнике, при котором достигается равномерный газовый поток по сечению печи, принимают различные меры.

Опускание шихты в доменной печи происходит благодаря сгоранию кокса, уплотнению материалов и образованию жидких продуктов, занимающих меньший объем. Поскольку основное количество кокса сгорает в фурменной области на расстоянии 1,2-1,6 м от стенок печи, то и скорость опускания шихты у стенок печи выше, чем по оси. Скорость опускания материалов у стенок печи составляет 90-140, а в центре печи 70-120 мм/мин.

Наиболее широко по сравнению с другими методами воздействия на распределение материалов и газов в печи используется изменение порядка загрузки кокса и агломерата.

О равномерности распределения газового потока обычно судят по температуре и составу газа в верхней части шахты и на колошнике печи.

Процессы в горне доменной печи. Подаваемое через фурмы горячее дутье участвует в процессах сжигания углерода кокса, углеводородов природного газа, мазута и окисления составных частей чугуна. Струя нагретого до 1100-1300°С воздуха обладает высокой кинетической энергией и вызывает циркуляцию кусков кокса, который горит во взвешенном состоянии. При его сгорании развиваются температуры до 2000 °С. Здесь располагается, так называемая, окислительная зона (до 1800 мм), характеризуемая наличием свободного кислорода и больших количеств диоксида углерода.

Горение углерода кокса происходит за счет кислорода воздуха по реакции:

С + 0₂=С0₂ + 393,5 кДж.

По мере удаления от фурм в условиях высоких температур и избытка углерода начинает развиваться реакция:

СО₂+С=2СО-171,5 кДж.

Суммарную реакцию горения углерода кокса и образования СО, который является восстановителем, можно представить уравнением:

С + О₂=2СО + 221,0 кДж.

Азот воздушного дутья (около 79 %) в реакциях горения не участвует и полностью переходит в горновой газ. При использовании сухого воздушного дутья горновой газ за пределами окислительной зоны содержит примерно 35% СО и 65% N₂. Его состав изменяется при обогащении дутья кислородом. Так, например, при увеличении в дутье содержания кислорода от обычных 21% до 30% газ будет содержать 46% СО и 54% N₂.

При искусственном увлажнении дутья до 3-4% происходит разложение влаги углеродом по реакции:

Н₂О + С = Н₂+СО-131,3 кДж

и содержание водорода в газах достигает 2-3%.

При вдувании в горн природного газа в доменном газе увеличивается содержание Н₂ и СО, но при этом в фурменной зоне не повышается температура, так как образующиеся при их сгорании Н₂0 и С0₂ в дальнейшем разлагаются углеродом кокса с поглощением тепла.

Средний состав покидающих горн газов, %: 35- 45 СО; 1-12 Н₂ и 45-64 N_a, а температура 1600 °С.

Горячий газ быстро поднимается навстречу шихтовым материалам и отдает им свое тепло, при этом СО и Н₂ расходуются на восстановление оксидов, превращаясь в С0₂ и Н₂0. Выходящий из печи колошниковый газ имеет температуру 200-400 °С и содержит примерно 20-30% СО; 2-8% Н₂; 18% С0₂; 0,2-0,5% СН₄ и до 60% N₂.

Применение комбинированного дутья, которое включает в себя окислители (кислород) и восстановители (природный и коксовый газы, мазут) обеспечивает экономию дорогостоящего кокса и повышение производительности печи.

Восстановление оксидов железа, кремния, марганца и других элементов. Восстановлением называют физико-химический процесс получения металлов из их оксидов с помощью восстановителя - вещества, которое способно соединяться с кислородом, входящим в состав оксидов. Восстановителем может быть элемент или химическое соединение, которое обладает большей химической активностью или большим сродством к кислороду, чем металл восстанавливаемого оксида. В доменной печи восстановителями служат газы СО и Н₂ и углерод кокса.

Восстановление оксидов твердым углеродом называется прямым, а газами - косвенным. Прямое взаимодействие углерода кокса с твердыми оксидами ограничено из-за плохого контакта между соприкасающимися кусками и под прямым восстановлением следует понимать участие твердого углерода и его расходование на восстановление оксидов косвенным путем. Фактически процесс прямого восстановления связан с газовой фазой и состоит из двух стадий - реакции косвенного восстановления и реакции взаимодействия С0₂ с углеродом:

МеО + СО= =/Mе+С0₂ и С0₂+С=2СО.

Суммарная реакция:

МеО+С=Ме+СО.

С развитием реакций прямого восстановления сокращается количество твердого углерода, достигающего зоны фурм в верхней части горна, что снижает приход тепла. Кроме того, реакции прямого восстановления протекают с поглощением тепла. В связи с этим необходимо нагревать дутье до более высоких температур и увеличивать расход кокса. Поэтому прямое восстановление оксидов углеродом менее желательно, чем косвенное.

Для развития реакций косвенного восстановления нужно использовать природный газ или мазут, повышать равномерность распределения материалов и газов в печи, соответствующим образом подготавливать шихту к плавке. При надлежащем выполнении этих условий степень прямого восстановления может быть снижена с 50-60 до 20-40%.

Восстановление оксидов железа.

Восстановление оксидов железа до железа протекает последовательно: при температуре выше 570°С Fe₂0₃->Fe₃04->Fe0->Fe. При более низких температурах оксид FeO неустойчив и превращается в Fe или Fe₃0₄ и восстановление проходит следующие стадии: Fe₂0₃ ->Fe₃0₄->Fe.

Восстановление оксидов железа оксидом углерода протекает по следующим реакциям: при температуре более 570 °С:

Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃O_s + СО_г + 53,8 кДж; FeA + СО = 3FeO + С0₂ - 36,7 кДж;

FeO + СО = Fe + СО_г + 16,1 кДж;

при температуре менее 570 °С

Fe_a0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂ + 53,8 кДж;

Fe₃0„ + 4СО = 3Fe + 4СО„ + 2,9 кДж.

Восстановление заканчивается в верхней половине заплечиков, и материалы нагреваются до 1200-1300°С.

В восстановлении оксидов железа принимает участие и водород, образующийся при разложении влаги дутья и метана, природного газа. В этом случае восстановление водородом протекает по реакциям аналогичным реакциям восстановления с помощью СО.

При этом только реакция восстановления Fe₂0₃ до Fe₃0₄ идет с выделением тепла, все же остальные - с поглощением.

Железо в доменной печи восстанавливается из оксидов почти полностью. Степень восстановления железа составляет 99,0-99,8%, а оставшаяся незначительная часть переходит в шлак.

Восстановление оксида кремния.

Кроме оксидов железа железная руда может содержать кремнезем, а агломерат и силикаты - соединения кремнезема с другими оксидами. Оксид кремния (Si0₂) намного устойчивее оксида железа, поэтому кремний восстанавливается только углеродом в нижней части печи при высоких температурах и с поглощением тепла, т. е.:

Si + 2С = Si + 2СО - 635,1 кДж.

Восстановление начинается при 1500°С, но в присутствии восстановленного железа происходит образование силицидов типа FeSi, сопровождающееся выделением тепла и растворением кремния в железе. В результате этого реакция прямого восстановления кремния протекает при более низких температурах (1050-1150°С). Условно эту реакцию можно представить в следующем виде:

Si₂ + 2С + Fe = FeSi + 2СО - 554,7 кДж.

Для более полного восстановления кремния необходимо повышать температуру и обогащать воздушное дутье кислородом, увеличивать расход кокса.

Восстановление оксидов марганца. Марганец, как и кремний, попадает в доменную печь либо с агломератом в виде силикатов марганца Mn0-Si02 и (Mn0)2-Si02, либо с марганцевой и железной рудой в виде оксидов Мп02, Мп20з и Мп304. Восстановление марганца из его оксидов протекает постепенно по схеме: Мп02 - Мn20- Мn30- МnО-Мп.

Первые три оксида легко восстанавливаются доменными газами при умеренной температуре 200-500 °С на колошнике по реакциям, идущим с выделением тепла:

МnО_г + СО = 0₃ + СО₃ + 227,5 кДж;

Mn₂0₃ + CO = 2Mn₃0₄ + СО₂ + 170,3 кДж; Mn₃0₄ + CO = 3МnО + СО₂ + 52,1 кДж.

Последняя стадия восстановления Мn из МnО протекает с поглощением большого количества тепла за счет углерода топлива при температурах более 1200 °С по реакции:

МnО + C = Мn + СО - 288,3 кДж.

Степень восстановления марганца при выплавке обычных чугунов составляет примерно 60 %, а при выплавке марганцовистых ферросплавов достигает 90 %. Остальное количество марганца теряется в шлаке в виде оксидов и частично улетучивается с доменным газом. Для более полного извлечения марганца необходимо обеспечить высокое содержание извести в шлаке, а также дополнительный приход тепла за счет повышения расхода кокса и температуры дутья.

Поведение других элементов. В состав доменной шихты в небольших количествах входят химические соединения элементов, степень восстановления которых зависит от их расположения в ряде напряжений или химической активности. Медь, никель, мышьяк, фосфор полностью восстанавливаются и переходят в чугун. Цинк также восстанавливается полностью, но улетучивается и отлагается в порах и швах огнеупорной кладки печи и разрушает ее. Ванадий и хром восстанавливаются соответственно на 80 и 90%, а титан на 2-5 %. Свинец, полностью восстанавливаясь из сульфидов, накапливается в горне под слоем чугуна и проникает в мельчайшие поры и зазоры в огнеупорной кладке лещади и горна, разрушая их. Алюминий, магний и кальций, обладающие высоким сродством к кислороду, в условиях доменной плавки не восстанавливаются из своих соединений.

Железо, восстановленное в доменной печи из его оксидов, растворяет углерод и другие элементы, образуя чугун. Науглероживание железа начинается уже при его появлении в виде твердой пористой массы в зоне умеренных температур при 400-500 °С. В присутствии свежевосстановленного железа оксид углерода разлагается с образованием сажистого углерода, который, обладая большой поверхностной активностью, науглероживает твердое железо. Процесс науглероживания железа можно представить реакциями:

СО = СО, + С_саж и 3Fe + С_саж = Fe₃C + 15,3 кДж.

Температура плавления железа снижается по мере его науглероживания. Если чистое железо плавится при 1539 С, то его сплав с 4,3 % С при 1135 "С.

Примерно при 1250-1300°С, когда температура плавления сплава железа с 2-3 % С становится равной температуре доменных газов, начинается оплавление частиц железа и образование капель чугуна, которые стекают в горн печи. Капли соприкасаются с кусками раскаленного кокса и в результате прямого растворения углерода содержание его в металле еще больше увеличивается до 3,5-4,5 %.

На разных горизонтах печи в железо в небольших количествах переходят и другие элементы, такие как кремний, марганец, фосфор, сера, а в некоторых случаях и ванадий, мышьяк, хром, никель, медь. Окончательное содержание углерода в чугуне не регулируется и зависит от температуры чугуна и содержания в нем кремния, марганца, фосфора и других элементов, влияющих на растворимость углерода в железе. Обычно содержание углерода в передельном чугуне составляет около 4,5 %, а в литейном 4,0 %.

Параллельно с образованием чугуна в доменной печи образуется шлак из невосстановившихся оксидов, содержащихся в пустой породе агломерата или руды и флюса. На верхних горизонтах печи сначала образуется легкоплавкий первичный шлак с повышенным содержанием оксидов железа и марганца (FeO и МnО). По мере стекания вниз этот шлак все более нагревается, и в нем растворяются другие невосстановившиеся оксиды, такие как Si0₂, А1₂0з, СаО и MgO, а содержания FeO и МnО в нем уменьшаются вследствие восстановления железа и марганца. На горизонте фурм в горне в шлак переходит зола сгоревшего кокса. Постепенно в шлак переходит сера, при взаимодействии с известью образуя прочный сульфид CaS. Конечный шлак, плавающий на поверхности чугуна в горне, на 90 % состоит из CaO; Si0₂; А1₂0₃, а остальное - небольшие количества FeO, МпО, MgO, CaS.

В доменную печь фосфор попадает с минералами пустой породы агломерата или железной руды преимущественно в виде прочного соединения (СаО)₄-Р₂Об. Разложение этой соли облегчается в присутствии оксида кремния в результате протекания реакции:

(СаО)₄- РА + SiO, = 4СаО -Si0₂ + РА,

а свободный фосфорный ангидрид Р₂0₅ при температуре более 1100°С восстанавливается углеродом кокса по реакции:

РА + 5С = 2[Р] + 5СО

и весь фосфор практически полностью переходит в чугун. Получить низкое содержание фосфора в чугуне возможно только при условии загрузки в доменную печь малофосфористых шихтовых материалов.

Сера также является вредной примесью, так как ухудшает текучесть литейных чугунов и вызывает красноломкость или разрушение стали при обработке давлением. На выпуске из доменной печи содержание серы в чугуне не должно превышать 0,03-0,07 %. Большую часть серы (70-95 %) вносит в доменную печь кокс в виде органических соединений, а остальную часть - агломерат, окатыши и флюсы в виде сернистого железа FeS, пирита FeS₂, барита BaS0₄ и гипса CaS0₄-2H₂0. До 20 % всей серы уносится из печи с доменными газами в виде H₂S и S0₂, а остальная сера остается в металле и шлаке в виде сульфидов FeS и CaS.

Чтобы удалить серу из чугуна в шлак, нужно перевести ее в нерастворимые в чугуне прочные соединения, например в CaS. Для этого нужно, чтобы шлак в доменной печи был жидкоподвижным, хорошо нагретым и имел высокое содержание СаО для осуществления реакции:

FeS + СаО = CaS + FeO.

Эта реакция хорошо протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака, который поглощает CaS, а образующийся оксид железа FeO восстанавливается углеродом по известной реакции. Однако при повышении основности шлака Ca0/Si0₂ увеличивается его вязкость и снижается способность поглощать серу. Поэтому для улучшения условий удаления серы используют добавки оксида магния, разжижающие шлак.

Основным продуктом доменной плавки является чугун, а побочными - шлак и доменный или колошниковый газ. Все они используются в промышленности, т. е. можно считать, что доменная печь работает по безотходной технологии.

Чугун - это сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В состав легированных чугунов входят, кроме того хром, никель, титан и ванадий, количество которых зависит от состава шихтовых материалов и назначения чугуна. Доменные чугуны по своему назначению подразделяются на несколько видов.

Передельный чугун предназначен для дальнейшего передела в сталь в конвертерах, мартеновских и электрических печах. Он используется в жидком или твердом виде. На его долю приходится около 90 % выплавляемого чугуна. Средний состав передельного чугуна, %: 4,0- 4,5 С; 0,3-1,2 Si; 0,2-1,2 Мn; 0,15-0,20 Р и 0,02-0,07 S.

4.2 Производство стали

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, примесей серы и фосфора. Исходные материалы для получения стали - передельный чугун и стальной лом (скрап). Следовательно, сущностью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

В настоящее время сталь получают в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Кислородно-конверторное производство является наиболее подходящим, так как этот такой вид выплавки стали имеет высокую производительность, относительную легкость по сравнению с другими видами и быстроту, низкие затраты на строительство и выхода от того, что не используется никакое топливо, обеспечивает высокое качество получаемой продукции (высококачественная легированная сталь). Порядка 70% всей стали в России получается с помощью КК.

Кислородно-конверторный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Успех кислородно-конверторного процесса объясняется возможностью переработки чугунов практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30%.

4.2.1 Производство стали в кислородных конвертерах

Конвертор имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. К центральной части корпуса конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360° со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. (Рисунок 5.1).

Рисунок 5.1. Конвертор с двухсторонним приводом механизма поворота.

В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку позволяет исключить попадание шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде

Футеровка конвертера. На рисунке 5.2. представлена конструкция трехслойной футеровки конвертера. Футеровка состоит из арматурного слоя 3, прилегающего к кожуху, промежуточного 2 и рабочего слоя 1, обращенного внутрь конвертера. Арматурный слой выполняется из обожженного магнезитового кирпича.

Рисунок 5.2. Футеровка кислородного конвертера.

Промежуточный слой, защищающий основной арматурный слой, выполняется из набивной смолодоломитовой массы. Рабочий слой выполняют из доломитомагнезитового кирпича. Футеровку выполняют из необожжённых кирпичей.

Кислород поступает в конвертер по водоохлаждаемой фурме, изготовленной из трёх цельнотянутых труб, концентрически входящих одна в другую.

Шихтовые материалы кислородно-конвертерного процесса состоят из металлической части (чугун и металлический лом) и неметаллической (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, охладители - железная руда, окалина и т.д.) и добавок (легирующих и раскислителей). Кроме указанных материалов иногда применяют агломерат, окатыши, рудоизвестковые брикеты, марганцевую руду. Доля чугуна в металлической части шихты колеблется от 70 до 100 %. Известь применяют для формирования жидкоподвижного шлака. Боксит и плавиковый шпат используют в качестве разжижителей шлака.

Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов (рисунок 5.4):

·        загрузки металлолома (скраб или железный лом, заливки чугуна,

·        продувки кислородом;

·        загрузки флюса - шлакоорбразующих смесей (известь, железная руда, окалина),

·        слива стали и шлака.

Рисунок 5.3. Технологическая схема производства стали в кислородном конверторе.

Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5% 0₂. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40-60% от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего через 5-7 мин после начала продувки.

Важным моментом в технологии кислородно-конвертерного процесса является шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и стойкость футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса (длительность продувки 14-24 мин). Формирование шлака необходимой основности и с заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно низких температурах (1450- 1500°С и менее).

Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, так как влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и рафинирование металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.

Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течение продувки.

С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс дефосфорации - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора происходит в первой половине продувки при сравнительно низкой температуре металла, высоком содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить <0,02% Р в готовой стали. По достижении заданного содержания углерода дутьё отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку выливают в ковш. Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое проводят в сталеразливочном ковше. Одновременно со сливом стали по специальному поворотному желобу в ковш подают раскислители и легирующие добавки. Шлак сливают через горловину в шлаковый ковш. Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью компьютеров.

Получаем сталь с определенным составом, соответствующим требованиям:

4.3 Разливка стали

Непрерывная разливка стали - процесс получения из жидкой стали слитков-заготовок для дальнейшей обработки металла давлением, формируемых непрерывно по мере поступления жидкого металла.

Готовая сталь после окончания процесса плавки выпускается в разливочный ковш и разливается при помощи крана. Из конвертора сталь с заданным составом выпускается в ковш путем наклона. Ковши для разливки стали чаще всего делаются стопорными. Сталь из таких ковшей разливается через отверстие в особом огнеупорном стакане 4. (рис. 4.4), вставленном в днище. Выпуск стали приостанавливается стопором 5, который представляет собой стальной стержень, защищенный от действия металла и шлака огнеупорными трубками с укрепленной снизу специальной пробкой 7, закрывающей отверстие в стакане. Пробки и стаканы изготовляются из шамота, графита и магнезита. Стопор с помощью вилки соединен с рычажным механизмом 4, служащим для поднятия и опускания его при открытии и закрытии отверстия во время разливки. Кожух 3 ковша изготовляется из листовой стали. По окружности он опоясывается стальным кольцом с цапфами 6, служащими для захвата крюками мостового разливочного крана. Футеруют ковш шамотным кирпичом. Футеровка 2 ковшей делается тщательно, с незначительной толщиной швов во избежание разрушения металлом. Стойкость футеровки составляет 25-50 плавок. Перед наполнением жидким металлом ковши сушат и нагревают до 700-800° С.

Изложницы, в которые заливается сталь, отливаются главным образом из чугуна и редко из стали. Размеры изложниц зависят от веса заливаемого слитка, который достигает от 100 кг до 100 т и более.

Стойкость чугунных изложниц 60-100 плавок.

Рисунок 5.4. Схема устройства стопорного разливочного ковша для разливки стали.

Существует три основных способа разливки стали: сверху, сифонный и непрерывный.

Наиболее прогрессивным способом является непрерывная разливка стали, который мы и выбираем основным для разливки стали в заготовки-слитки.

Металл из ковша 1 (рис. 4.5) заливается непрерывной струей в промежуточное устройство 2, а из него поступает в охлаждаемые водой кристаллизаторы 3, в которые предварительно закладываются стальные заготовки, образующие дно. При соприкосновении жидкого металла с этими заготовками (затравками) и стенками кристаллизаторов начинается быстрое затвердевание его, еще более усиливающееся при проходе через зону 4 вторичного охлаждения. Затвердевшая заготовка вытягивается роликами 5, действующими от специального механизма к тележкам газорезок 6, разрезается на куски, а затем по конвейеру поступает в прокатный цех. Применение способа непрерывной разливки стали позволяет сократить отходы металла с 15-20% при обычной разливке до 3-5%, т. е. в 5 раз.

Рисунок 5.5. Схема непрерывной разливки стали

Полученные слитки из стали заданного состава и определенного размера и массы отправляются в цех горячей прокатки.

5. ЭТАП ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОГО ПРУТКА

.1 Горячая прокатка

Полученные после разливки стали заготовки-слитки необходимых размеров отправляются в цех горячий прокатки, которая позволяет изменить размеры слитка ближе к требуемой форме, и способствует повышению механических свойств стали.

Прокатке подвергаются 80% всех выплавляемых металлов.

После прокатки необходимо получить заготовку в форме прутка (рисунок 5.1.) с размерами, близкими к требуемым размерам детали. В связи с этим выбираем определенное расстояние между прокатными валками прокатного стана, температуру и термическую обработку.

Рисунок 6.1. Стальной пруток.

Такой вид сырьевого металлопроката, как круг металлический представляет собой длинный стержень, имеющий круглое сечение. Обычно с металлургического комбината выходят стальные круги, имеющие длину 5-6 метров, сечением от 1.8 (пруток стальной), до 270 мм. Круг стальной благодаря форме своего сечения может легко обрабатываться на токарных станках, без необходимости предварительного формирования круглого сечения. Сортамент этого вида металлопроката чрезвычайно разнообразен. При производстве круга стального могут использоваться любые виды как углеродистой, так и легированной стали, которые позволяют осуществлять прокатку. Кроме сорта используемой стали, в зависимости от способа прокатки сталь круглая разделяется на горячекатаную, калиброванную и кованную.

Горячая прокатка позволяет осуществить гомогенизацию круга стального, и повысить его ударную вязкость.

Горячую прокатку производим при температуре 1760 до750^оС (для повышения пластичности и понижения прочности) с последующим охлаждением.

Пластическое деформирование металлов основано на двух основных параметрах: предел упругости и предел временного сопротивления на разрыв.

Вид проката - периодический, сечение - круглое, форма - пруток.

Предварительно нагретая заготовка в печи поступает на стан, где и осуществляется ее прокатка.

Прокатный стан представляет собой установку типа токарного станка, на направляющих станины которой перемещается тянущая тележка с захватом для заготовки. Приводные прокатные валки смонтированы так, что могут изменять свое положение, образуя просвет определенных размеров; число валков - три.

Таким образом, по мере изменения образующегося просвета между валками и протягивания заготовки получается готовый профиль переменного сечения.

Следует отметить, что получение профилей переменного сечения по данной технологической схеме не является сложным. Большим преимуществом является в известной мере независимость процесса прокатки и размеров заготовки от конечного профиля; переходы с одного профилеразмера на другой не требуют остановок стана для перевалок или смены калибра. Сам процесс прокатки на стане может быть непрерывным во времени, если стан обеспечивается необходимой заготовкой.

Рисунок 6.2. Схема прокатки на трехвалковом стане.

Прокатка осуществляется дисковыми или коническими валками, расположенными под углом 120^о друг к другу. Валки могут быть установлены с некоторым перекосом. Способ заключается в том, что три приводных валка 1 вращают заготовку 2, которая принудительно перемещается в осевом направлении со значительным натяжением. Гидравлическое устройство перемещает зажимной патрон 3 вместе с металлом в направлении рабочего хода. Во время прокатки валки сближаются и разводятся на требуемый размер гидравлической следящей системой в соответствии с заданным профилем копировальной линейки или системой ЧПУ по заранее заданной программе. Переход от одного профиля к другому осуществляется без замены валков, только за счет смены копира или программы.

Далее раскат разрезается на мерные, согласно раскрою, длины и подвергаться обработке на последующих технологических операциях.

После этого следует термическая обработка заготовки - нормализация при температуре 880^оС с последующим охлаждением на воздухе.

При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру.

5.2 Очистка от окалины

Удаление окалины производят механическим, химическим и электрохимическим способами, а также комбинациями этих способов.

При механической очистке поверхности от окалины пруток подвергают периодическим перегибам в разных плоскостях между роликами, после чего металл поступает на завершающую очистку стальными щетками. Такой способ экономически целесообразен, пригоден для очистки поверхности главным образом из углеродистой стали, окалина которой при перегибах сравнительно легко разрушается и опадает. Из механических способов, обеспечивающих достаточно успешную очистку поверхности металла, находит применение дробеструйная обработка. Под действием ударов дроби окалина на поверхности обрабатываемого изделия разрыхляется и удаляется. Этот способ очистки поверхности металла от окалины во многих случаях не требует дополнительного травления и наиболее часто применяется в калибровочных цехах.

Химические способы удаления окалины получили широкое распространение благодаря своей надежности, хотя они менее экономичны по сравнению с механическими способами. Травление углеродистых и ряда легированных сталей производят в серной или соляной кислотах. Высоколегированные стали (кислотоупорные, нержавеющие и др.) травят в смесях кислот (серная и соляная, серная и азотная и др.). Травление металла в кислотах для очистки от окалины обычно производят с добавлением в ванну присадок (ингибиторов травления), которые значительно уменьшают скорость растворения основного металла, но не влияют на скорость растворения окалины, что предотвращает перетравливание. Кроме того, присадки снижают диффузию водорода (Н₂) в металл, уменьшают загазованность травильных отделений, улучшают условия труда.

Все операции по подготовке поверхности металла выполняют в специальном изолированном помещении. Для травления и обработки поверхности прутков существуют травильные машины периодического и непрерывного действия. Обработка в машинах непрерывного действия обеспечивает быстрое и равномерное травление изделий любых сечений. Этот способ является наиболее прогрессивным, так как в непрерывном процессе можно сочетать термическую обработку, удаление окалины и нанесение подсмазочного слоя. Такая поточная обработка обеспечивает полную автоматизацию процесса, повышает качество металла, снижает трудоемкость операций.

Рисунок 6.3. Схема непрерывного травильного агрегата башенного типа:

1 - разматыватель, 2 - правильная машина, 3 - гильотинные ножницы, 4 - сварочная машина с гратоснимателем, 5 - тянущие ролики, 6 - петлевое устройство, 7 - шахта травления, 8 - ванна промывки и нейтрализации, 9 - сушильное устройство, 10 - петлевая яма, 11 - моталка.

Скорость движения полосы через травильные ванны равна 3-5 м/с; скорость полосы на головном и хвостовом участках линий должна быть больше указанной, так как здесь необходимы периодические остановки для сварки концов двух полос, вырезки мест сшивки и разрезки полосы.

До последнего времени для травления углеродистой листовой стали раствор соляной кислоты применяли редко. Это объяснялось меньшим расходом серной кислоты и лучшей ее способностью удалять окалину. Кроме того, серную кислоту производят высокой концентрации (94-96 %); транспортировать ее можно в цистернах, а хранить в железных емкостях.

Большое распространение получило травление в растворе соляной кислоты в агрегатах горизонтального и вертикального типов (рис. 5.3).

Вертикальное строение башни позволяет использовать петлю непосредственно в башне вместо отдельной петлевой ямы. Механическое оборудование для транспортировки полосы при входе в агрегат и выходе из него соответствует оборудованию горизонтального непрерывного травильного агрегата.

Непосредственно после травления металл тщательно промывают для удаления остатков раствора кислоты, солей железа, шлама, травильной присадки, грязи. Промывку производят немедленно после травления, так как задержка ведет к высыханию травильной жидкости и выделению трудно растворимых солей железа. Обычно промывку ведут сначала в горячей воде, что обеспечивает интенсивное растворение солей, а затем для лучшего удаления шлама - в струе холодной воды из шланга под давлением около 0,7 МПа.

После удаления окалины наносят подсмазочный слой, который должен хорошо удерживать смазку при волочении и способствовать предохранению налипания металла на рабочую поверхность волоки.

После травления, промывки, нанесения подсмазочного слоя металл сушат в специальных камерах при циркуляции воздуха температурой 300-350°С. Сушка удаляет влагу, а также устраняет возможную травильную (водородную) хрупкость, которая может возникнуть от того, что часть водорода, образующегося при травлении, диффундирует в металл и вызывает ухудшение его пластических свойств.

Таким образом, заготовка в форме прутка размерами, максимально приближенными к требуемым, очищенная от окалины непрерывным травлением в кислоте.

6. СЛЕСАРНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

После того как мы, методом прокатки, получили прокатанный пруток круглого сечения из пружинной стали марки 60С2ГФ. Затем производят 5 операций:

.        Обработка прутков на токарных линиях

.        Нагрев и навивка спиралью.

.        Закалка и отпуск

.        Дробеструйная обработка

.        Холодная осадка или заневоливание

.        Контроль статистической нагрузки

6.1 Обработка прутков на токарных линиях

Чтобы получить точно обработанное изделие, необходимо снять, по крайней мере, две стружки. Первый проход называется черновым, второй - чистовым или отделочным. нам требуется, обточить, заготовку диаметром 15 мм до 12,9±0,05 мм, то - есть снять 3 мм по диаметру, то глубина резания чернового прохода должна быть меньше 2 мм. При этом можно дать резцу довольно крупную подачу, не рискуя подвергнуть резец или изделие действию слишком больших усилий.

Рисунок 7.1

Для черновой обточки сдвигают верхние салазки суппорта как можно дальше влево и закрепляют резец в резцедержателе так, чтобы он выступал вперед лишь, на сколько, сколько требуется и притом был перпендикулярен к линии центров или повернут слегка вправо, а носок его был выше линии центров на 0,4-0,8 мм.

На один конец изделия надевают хомутик, в центровое отверстие другого торца пускают масла и ставят изделие на центра, так, чтобы оно не хлябало, но и не было слишком туго зажато. На чистовую обработку оставляют в среднем 0,7-0,8 мм по диаметру изделия, то - есть глубина резания чистового прохода должна составлять 0,35 - 0,4 мм.

Пускают станок и подают резец вручную на длине 3-5 мм, следя за тем, чтобы не «запороть» изделие, при этом метал, слишком глубоко не снимается. Останавливают затем станок и измеряют диаметр в обточенном месте.

Если он больше окончательного на величину чистовой обработки 0,7-0,8 мм, выключают продольный самоход и обтачивают изделие, примерно, до половины длины. Затем снимают изделие со станка и, не трогая поперечной установки резца, отводят суппорт обратно к заднему центру, закрепляют хомутик на другом конце изделия ставят его на центра и обтачивают вторую половину до обработанной части. После чернового прохода диаметры обеих половин должны быть одинаковы, и граница обеих обработанных половин должна быть незаметна.

При чистовой обработке изделия диаметр его должен уменьшиться на 0,7-0,8 мм. Величина припуска, оставляемого на чистовой проход, зависит в значительной степени от характера черновой обработки (при очень большой подаче поверхность получается неровной даже в том случае, когда пользуются довольно остро заточенным резцом).

Глубина резания чистового прохода должна быть не меньше 0,4 мм (припуск по диаметру 0,8 мм), так как при более тонкой стружке режущее ребро не может забирать металл достаточно глубоко, и в результате резец будет не столько резать, сколько скоблить металл. Вследствие этого инструмент быстро тупится, и поверхность изделия получается недостаточно чистой.

Рисунок 7.2

Необходимое условие чистой обработки - острое режущее ребро резца. После обдирки нескольких изделий часто бывает необходимо переточить резец, но если он обточил только одну - две штуки, достаточно слегка подправить его на оселке. Чистовая обточка производится следующим образом. Винтом поперечной подачи подводят конец резца к обточенной начерно поверхности изделия, затем подают резец вправо к заднему центру. Пользуясь делениями на втулке рукоятки поперечного винта, подают резец вперед, но не на полную требуемую величину, и снимают полоску, достаточно широкую для того, чтобы можно было проверить размер кронциркулем. Эта предосторожность отнимает немного времени, и никогда не следует упускать ее. Замечают, сколько еще надо снять по диаметру, выключают продольный самоход, отводят резец назад к заднему центру, затем устанавливают поперечные салазки точно на требуемый диаметр и обтачивают изделие до половины. Выключают самоход, останавливают станок и, не трогая рукоятки поперечной подачи, снимают изделие и отводят суппорт в начальное положение (к заднему центру). На обработанный начисто конец изделия надевают хомутик, подложив под его зажимной винт полоску меди или латуни. Смазывают задний центр, снова ставят изделие на центра и обтачивают остающуюся часть таким же порядком. Если положение поперечных салазок оставалось неизменным, диаметры обеих частей изделия будут одинаковы; если передний центр не бьет, то граница обточки обеих половин будет совершенно незаметна; если центра станка установлены правильно, изделие будет цилиндрическим, то-есть диаметр его по всей длине будет одинаков.

6.2 Нагрев и навивка спиралью

Материал перед навивкой проходит обязательный разогрев.

Способы нагрева :

проходные электрические печи (показана на рисунке 7.3)

проходные газовые печи

нагрев с использованием токов высокой частоты

После того как заготовка прошла обработку на токарных линиях и была нагрета в проходной печи, она отправляется на горячую навивку.

 Навивка пружин это технологическая операция, при которой проволока или лента изгибается в цилиндрическую, Навивка пружины делается на специальных полуавтоматах (Рисунок 7.5) или на переоборудованных токарных станках (Схема 7.1, Рисунок 7.4).

Рисунок 7.3 проходная электрическая печь

Схема 7.1 схема навивки цилиндрических пружин с помощью подающих роликов и двух упорных штифтов на пружинонавивочном автомате: 1 - ролики, подающие проволоку; 2 - шаговая лапка; 3 - наружный нож; 4 - внутренний нож; 5 - наружный штифт; 6 - внутренний штифт; 7 - шаговый клин.

Рисунок 7.4 способы навивки цилиндрических винтовых пружин: а- на оправке, б- на штифтах

Рисунок 7.5. пружинонавивочный автомат модели А450 для горячей навивки пружин: 1 - электродвигатель, 2 - шпиндель с зажимным устройством, 3 - копир, 4 - привод копира, 5 - траверса, 6 - задняя стоика, 7 - гладкая оправка, 8 - панель кнопок управления, 9 - передняя стойка

Винтовые цилиндрические пружины навивают на пружинонавивочных станках - автоматах моделей А540, А540А и А541. Автоматы предназначены для горячей навивки пружин из прутков круглого и квадратного профиля и из полосы. На автоматах (рис. 36) предусмотрены наладочный и автоматический режимы работы. При наладке можно кнопками включать любой механизм. При автоматической работе совершается законченный цикл навивки по заданному режиму, по окончании навивки пружина сбрасывается со станка.

Станина автомата имеет стол, на котором установлена с левой стороны бабка, вращающая оправку. С правой стороны стола расположена стойка. К стойке прикреплена траверса, связанная другим концом с бабкой вращения. Взаимное расположение стола, корпуса бабки и траверсы обеспечено штифтами. Траверса имеет направляющие, по которым перемещается механизм оправки. Ход оправки ограничивается упором. Левая часть стола имеет коробку, разделенную на две половины, в которых размещены пневматическая аппаратура и электроаппаратура. Через всю станину от бабки до стойки установлена стальная балка квадратного сечения, на которой находится привод узла копира.

Автоматы моделей А540 и А540А отличаются один от другого только узлами привода копира. Смазка отдельных узлов автомата индивидуальная. Система смазки снабжена шприцем для прокачивания шариковых и колпачковых масленок. Червячная пара в бабке вращения оправки смазывается погружением зубьев червячного колеса в масляную ванну.

Навивочное приспособление автомата снабжается набором гладких оправок, размер которых определяется внутренним размером навиваемых пружин. Оправка получает вращательное движение от червячной пары бабки вращения. Параллельно оправке устанавливается копир-червяк, который изготовляют по размерам горячей пружины. Горячая заготовка устанавливается в специальный захват - прижим, который имеет профиль навиваемой заготовки. При наладке прижим захвата и начало ручья копира устанавливают так, чтобы они совпадали с направлением навивки пружины. Горячая заготовка устанавливается в зажимное устройство, копир и оправка приводятся во вращательное движение. По окончании навивки пружины автомат останавливает вращение оправки и копира. Под действием пневматического цилиндра оправка выводится из навитой пружины. Навитая горячая пружина свободно спадает с зажимного устройства по желобу в тару.

Оснастка к пружинонавивочному станку-автомату с оправкой состоит из копира, гладкой оправки и зажимного устройства.

Копир имеет форму червячного вала, ручей которого по форме и размерам соответствует форме и размерам навиваемой пружины. Копир устанавливают и закрепляют на приводе копира. Поджимной пружиной, установленной на приводе копира, устраняют несоответствие в расположении ручья копира и зажима.

Гладкая цилиндрическая оправка 'имеет на одном конце утолщенную часть с фланцем и резьбой. Оправка закрепляется колпачковой гайкой на штоке гидравлического цилиндра, который обеспечивает ее перемещение из зоны навитой пружины.

Зажимное устройство смонтировано в шпинделе навивочного станка. Оно состоит из выступа на шпинделе, образующего гнездо для установки конца заготовки и прижима. Прижим представляет рычаг, закрепленный на оси в шпинделе. Прижим срабатывает под действием пневматического устройства.

6.3 Закалка и отпуск

После того как пружина сформировалась её подвергают закалке.

Закалка пружины заключается в том что, пружину подают в закалочный барабан, частота вращения которого устанавливается с учетом времени на закалку пружины в зависимости от диаметра ее прутка. Температура закалки 830-870С.

Если технологически невозможно навить и закалить пружину с одного нагрева, то после навивки ее повторно нагревают под закалку. При массовом производстве пружин операции нагрева и закалки механизируют, для чего в цехе устанавливают печь с подвижным подом и рядом с ней располагают закалочный бак с конвейером.

Пружины из нагревательной печи скатываются по наклонной плоскости на конвейер, а затем в бак, где закаливаются. Закалочная среда - вода при температуре 30-40 °С (для пружин с диаметром прутка более 25 мм) или трансформаторное или веретенное масло при температуре не выше 60°С.Для улучшения механических свойств и устранения внутренних напряжений все пружины после закалки подвергают отпуску в двухзонных конвейерных печах.

Сразу же после закалки пружины рекомендуется подвергать отпуску. Во избежание искривления длинные пружины перед отпуском надеваются на трубки из толстого листового железа. Перед отпуском необходимо удалить масло с поверхности пружин. Для этого их промывают в течение 10 мин. в нагретом до 40 - 60° содовом растворе и сушат в опилках. Если масло с пружин не удалено, оно сгорит при отпуске, что может привести к повышению температуры отпуска и понижению упругих свойств отдельных пружин. Для получения однородной структуры и одинаковой твердости металла по всей длине пружины отпуск лучше производить в селитровых или свинцовых ваннах; можно использовать также и электропечи типа ПН-31/31 с вентилятором.

Продолжительность отпуска устанавливается из расчета 1,5 мин. на 1 мм диаметра проволоки, но не менее 30 мин. Твердость пружин после закалки и отпуска должна составлять Ндс ~ 40 - 47. Необходимо иметь в виду, что на самой пружине точно определить твердость весьма затруднительно. Поэтому при обработке партии пружин к одной из них привязывают кусок проволоки, из которой изготовлена пружина. По твердости этого куска и судят о твердости пружины. Отпуск преследует цель уменьшить твердость этих витков во избежание их поломки. Такой отпуск производят в свинцовых или соляных ваннах. При этом крайние витки необходимо тщательно изолировать от соседних с помощью асбеста. Выше был рассмотрен процесс термической обработки пружин, изготовленных из отожженной проволоки.

6.4 Дробеструйная обработка

Дробемётный или дробеструйный наклёп также является одной из последних операций технологического процесса, повышающего динамическую прочность пружин. Из всех методов упрочнения пружин, применяемых в производстве, дробемётный наклёп наиболее распространён. Это объясняется, с одной стороны, высокой эффективностью упрочняющего воздействия и производительностью процесса, а с другой стороны, сложностью геометрии и профиля пружин, затрудняющих применение других методов поверхностного упрочнения, за исключением гидроабразивной обработки. Дробемётная обработка производится на механических дробемётных машинах стальной или чугунной дробью и является более экономичной (по сравнению с гидро- и пневмообработкой), так как создает более широкий и однородный по плотности поток дроби. При дробемётной обработке на поверхности витков создаются двухсторонние остаточные напряжения сжатия, препятствующие раскрытию усталостных трещин и повышающие предел выносливости на 40...80% .

Величина остаточных напряжений и их глубина (глубина наклёпа) зависят от режимов обработки и прочности обрабатываемого материала. С увеличением скорости (50...80 м/с), увеличением диаметра дроби (0,4...2 мм) и с уменьшением предела прочности (твёрдости) материала глубина наклёпа увеличивается. Для нетермообработанных низкоуглеродистых сталей глубина наклёпа может составлять 0,8...1 мм, а остаточные напряжения -40...-50 кг/мм². Для прочных материалов (пружинная термообработанная сталь) глубина наклёпа 0,15...0,35 мм; напряжения 100...120 кг/мм². После наклёпа пружины подвергаются низкотемпературному отпуску при 180...220°С в течение 30 минут.

Следует отметить, что дробемётный наклёп повышает релаксацию нагрузки у пружин, особенно у пружин из проволоки малого диаметра. Интенсивность наклёпа проверяют по величине прогиба контрольной пластинки, которая крепится одной стороной к державке и наклёпывается вместе с пружинами в дробемётной камере. По прогибу пластинки судят о степени наклёпа самих пружин .

6.5 Холодная осадка

Пластическая холодная осадка пружин, навитых с шагом, большим, чем у пружин по ГОСТ, также является последней операцией изготовления. Как правило, осадка производится до соприкосновения витков, при этом деформация наружных волокон сечения витка превышает упругую деформацию на 50... 100%. Осадка производится однократная или трёхкратная без значительной выдержки по времени. При разгрузке осаженной пружины сердцевина её витков, деформированная упруго, стремится освободиться от напряжений и вернуться в исходное положение, что не может осуществиться полностью, так как данный процесс тормозится пластически деформированными наружными слоями витков.

В результате такого взаимодействия в упругой части витков сохраняются в ослабленной степени напряжения, возникшие при осадке, в то время как пластически деформированные слои, расположенные ближе к поверхности витков, увлекаются упругой зоной и вновь получают некоторые деформации и напряжения, но по направлению уже противоположные тем, которые они имели при первичном нагружении

Возникшие таким образом отрицательные остаточные напряжения, складываясь с положительными от рабочего нагружения, уменьшают последние, что позволяет повысить нагрузку пружин в эксплуатации. Иными словами, в упругой области нагружения промежуточные волокна витков, находящиеся на середине радиуса, работают при напряжениях, в два раза меньших, чем наружные. А в момент пластической осадки в них возникают такие же высокие напряжения, как и на наружном волокне, если не учитывать упрочнения. При этом крутящий момент в сечении витка и усилие в пружине значительно возрастают.

Известно, что в пружинах малого индекса C=D/d, вследствие значительной кривизны витков, коэффициент концентрации напряжений на внутреннем волокне достигает 1,25...1,35.

Операция глубокой осадки уменьшает этот коэффициент почти до нуля, т.е. суммарные рабочие и остаточные напряжения, рассчитанные после осадки как для кривого бруса, мало отличаются от напряжений, рассчитанных для прямого бруса Поэтому упрочняющий эффект при осадке пружины малого индекса С<4 значительно выше, чем у нежёстких пружин с большим индексом С>10.

6.6 Нанесение защитного покрытия

Для того чтобы защитить поверхностный слой пружины от атмосферного воздействия или от воздействия среды, в которой работает пружина, поверхность пружины покрывают специальным слоем, который защищает ее от преждевременного разрушения. Существует много видов защитных покрытий. Выбор того или иного вида покрытия зависит от условий работы пружины.

Антикоррозионные покрытия должны обеспечивать прочное сцепление покрытия с основным металлом; гладкое и равномерное распределение защитного слоя по всей поверхности пружины; защитный слой должен быть плотным и беспористым; защитное покрытие не должно приводить к ухудшению механических свойств пружин.

Самыми распространенными видами покрытий являются металлические, неметаллические и химические.

Металлические покрытия получают нанесением на поверхность основного металла другого металла. Процессы нанесения покрытия именуют по названию металла, который наносится на поверхность основного металла. Нанесение хрома на основной металл называют хромированием, никеля - никелированием. Поверхность пружин может быть покрыта цинком, кадмием, оловом, медью и другими металлами.

Неметаллические покрытия получают нанесением на поверхность металла лака, краски, эмали, различных смазок и т. п. Этот вид покрытия применяют для крупных и средних пружин, а также для пружин, находящихся на длительном хранении.

Химические покрытия заключаются в нанесении защитных пленок под действием химической реакции. К этому виду покрытий относят оксидирование, фосфатирование и др.

При нанесении защитного слоя особо важное значение имеет подготовка поверхности пружин. Только по еле тщательной подготовки поверхности под покрытие можно получить высококачественную защиту от вредного воздействия среды, которая разрушает основной материал пружины.

Распространенным видом покрытия является воронение. Существуют два основных способа воронения: термический и химический.

Термический способ воронения заключается в нанесении на поверхность тонкого слоя раствора масляного или асфальтного лака, в нагреве до температуры 350- 450° С, выдержке при этой температуре и охлаждении в масле.

Химический способ воронения самый распространенный и заключается в обработке деталей в концентрированном растворе щелочи и азотнокислых солей при температуре 120-150° С. Детали, обработанные этим способом, имеют темную глянцевую поверхность.

Химический состав щелочной ванны должен постоянно корректироваться при строгом соблюдении температуры нагрева. Правильная подготовка поверхности пружин также имеет большое значение для воронения.

Другой способ нанесения защитного покрытия - олифование поверхностного слоя пружин - заключается в обезжиривании поверхности в течение 15-20 имя в бензине, промывке в бензине и собственно в олифовании, для чего пружины погружают в раствор натуральной олифы с авиационным бензином. При этом на 1 часть олифы берется 9 частей по объему авиационного бензина. После олифования нанесенный слой просушивают в течение 20 - 25 мин при температуре 100° С и осуществляется полимеризация пленки олифы в сушильном шкафу при температуре 180-220° С с выдержкой в течение 30 мин.

Олифование дает прочное покрытие. Однако в массовом производстве олифование не обеспечивает высоких производительности и качества из-за потеков олифы между витками и на кольцах пружины. Последнее препятствует равномерной сушке пленки, которая разрушается при испытании и сборке.

Хорошими защитными свойствами обладают лакокрасочные покрытия. Лакокрасочное покрытие должно быть беспористым, оплошным и плотным во избежание проникновения влаги и вредных химических веществ. Оно должно обладать эластичностью и не снижать рабочую характеристику пружин. Такое покрытие выдерживает большое число растяжений и сжатий и гарантирует удовлетворительную защиту поверхности пружин.

Олифование, лакирование и окраска применяются в мелкосерийном производстве крупных и средних витых пружин.

6.7 Контроль статистической нагрузки

Контроль статической нагрузки - последняя операция в изготовлении пружин подвески автомобиля. Этот этап проходят абсолютно все изделия. Он заключается в том что пружину сжимают с определенной нагрузкой и измеряю расстояние между витками. Если пружины не попадают в допуск, они выбраковываются, а остальные в зависимости от полученного значения контрольной нагрузки делятся на 2 класса. Пружины с плюсовым полем допуска по нагрузке относятся к классу А, с минусовым - к классу В. При этом пружины подвески метятся краской (распылителем наносится полоса на внешней стороне витков), соответствующей классу.

Большая часть устанавливаемых на автомобили пружин метятся либо зеленой, либо желтой краской. Вполне резонно возникает вопрос: какие пружины лучше подобрать для своего автомобиля? Конечно, как пружины класса А, так и пружины класса В имеют равное право на существование. Деление же на классы принято для того, чтобы уменьшить разницу в длине пружин правого и левого бортов автомобиля - а это неизбежно при массовом производстве, - которая отрицательно сказывается на его управляемости и устойчивости (так как приводит к перекосу автомобиля относительно продольной оси). Если вы часто ездите на своем автомобили с полной нагрузкой, вам следует выбрать пружины класса А, так как они выдерживают чуть большую нагрузку. Но при этом следует иметь в виду, что разница (проконтролировать которую сложно) незначительна и может составить от 0 до 25 килограмм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был разобран процесс изготовления пружины. Предложена схема маршрутной технологии производства детали, разработаны режимы термической обработки, обеспечивающие необходимый уровень механических свойств металла.

В работе обосновано применение материала - стали 60С2ХФА для изготовления пружин и предложены ее заменители.

Также была рассмотрена технология изготовления пружины автомобиля, основанная на этапах производства детали:

)        Горно-рудный этап;

)        Металлургический этап;

)        Обработка металла давлением;

)        Слесарно-механическая обработка готового металла.

Было предложено и рассмотрено производственное оборудование на каждом из этапов производства детали, его механизмы и особенности, поэтапные процессы изготовления детали автомобиля - пружины подвески автомобиля и методы обработки уже готовой детали.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Пружины и рессоры Радчик А.С. Буртковский И.И 1973

<http://www.sak.ru/reference/material/steel/steel1-1.html>

<http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%F0%EE%EA%E0%F2%EA%E0>

В.К. Бабин, Н.Д. Лукашкин, А.С. Морозов. Основы металлургического производства - Металлургия,1988 г.