Производство стали в кислородных конвертерах

Известны три способа производства стали в конвертерах: кислородно-конвертерный, бессемеровский и томасовский.

Кислородно-конвертерный способ, который применяется в металлургической промышленности с 1956г., является наиболее прогрессивным. Кислородный конвертер (рис.1) представляет собой сталеплавильный агрегат грушевидной формы.

Внутри он выложен основным огнеупорным материалом, а снаружи обтянут стальным кожухом. Вверху конвертера есть отверстие (горловина), через которое загружают шихту и сливают шлак. На стыке верхней конической и средней цилиндрической частей конвертера расположена летка 4 для выпуска стали. Днище конвертера сплошное. В средней (наружной) его части есть две цапфы, расположенные перпендикулярно к оси конвертера. Цапфами он опирается на подшипники станины, в которых его поворачивают специальным механизмом на нужный угол при загрузке шихты, выпуске шлака и стали.

Вместимость кислородных конвертеров от 50 до 400 т.

Шихта состоит из жидкого передельного чугуна, металлолома (до 30% от массы чугуна), извести (для ошлакования фосфора серы), плавикового шпата CaF₂ (для разжижения шлака) и других добавок.

Сущность кислородно-конвертерного процесса заключается в том, что загруженную в конвертер шихту продувают сверху струей кислорода под давлением до 1,5МПа. Большое давление кислорода обеспечивает хорошее перемешивание металла. В начале продувки окисляются кремний, марганец и другие элементы, которые переходят в шлак. Процесс окисления примесей идет с выделением теплоты, поэтому топливо не требуется. После первого периода продувки кислородом, длящегося примерно 16 мин, фурму 5 поднимают, наклоняют конвертер, сливают через его горловину шлак и берут пробу металла. В конвертер добавляют известь, ставят его вновь в вертикальное положение, вводят фурму и начинают второй период продувки кислородом. Во второй период продувки продолжаются реакции окисления примесей, выгорает углерод, идут реакции шлакообразования. В конце второго периода продувки в конвертер вводят часть раскислителей. После удаления фурмы конвертер наклоняют, берут контрольную пробу стали, прожигают отверстие в боковой летке и выпускают сталь в разливочный ковш, где завершается процесс ее раскисления ферромарганцем, ферросилицием или комплексными раскислителями.

После выпуска стали сливают оставшийся шлак и заделывают выпускное отверстие.

Общая продолжительность технологического цикла плавки составляет 40…60 мин, а продолжительность продувки кислородом – 18…30 мин.

Кислородно-конвертерная сталь характеризуется хорошим качеством и меньшей себестоимостью по сравнению с мартеновской и электросталью. Недостатком кислородно- конвертерного способа является большой угар металла (6…9%

2. Расскажите сущность, разновидности и технологию выполнения диффузионной металлизации стали. Укажите область применения покрытий, полученных диффузионной металлизацией.

3. Расскажите устройство токарного резца, назовите его части, поверхности и углы заточки, назначение и числовые значения углов резца.

Токарный прямой проходной резец (рис.1) состоит из двух частей – рабочей части, имеющей режущие кромки, срезающие слой металла с заготовки, и крепеж­ной части (стержня), предназначенной для установки и крепления его в резцедержателе станка.

Рабочая (режущая) часть образуется рядом поверх­ностей, которые, пересекаясь, образуют режущие кромки и вершину резца.

Передняя поверхность – это поверх­ность, контактирующая в процессе резания со срезаемым слоем и стружкой. Задние поверхности резца контакти­руют в процессе резания с поверхностями заготовки.

 

 

Рисунок 1 – Части и элементы проходного токарного резца:

1 – крепежная часть (стержень) резца; 2 – рабочая часть; 3 – передняя поверхность; 4 – вспомогательная режущая кромка (лезвие); 5 – вершина; 6 – вспомогательная задняя поверхность; 7 – главная задняя поверхность; 8 – главная режущая кромка (лезвие)

 

Главная задняя поверхность – поверхность, обращенная к поверхности резания заготовки.

Вспомогательная зад­няя поверхность – поверхность, обращенная к обрабо­танной поверхности заготовки.

Передняя и главная зад­няя поверхности в пересечении образуют главную режущую кромку, формирующую большую сторону сечения срезаемого слоя. Передняя и вспомогательная задняя поверхности, пересекаясь, образуют вспомогательную режущую кромку, формирующую меньшую сторону се­чения срезаемого слоя.

Вершина резца – точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок.

Для увеличения износостойкости резца и повышения чистоты обработанной поверхности вершину его закругляют по радиусу или срезают, образуя переходную режущую кромку. Основную работу, связанную со срезанием припуска, выполняет главное лезвие, состоящее из главной режущей кромки и примыкающих к ней контактных площадок на передней и задней поверхностях рабочей части резца.

Чтобы резец мог выполнять работу резания, его ра­бочей части необходимо придать форму клина, затачи­вая ее по передней и задним поверхностям.

Режущие свойства резца в значительной степени зависят от углов его заточки или, как принято говорить, от геометрии резца. Для определения углов резца пользуются координат­ными плоскостями: основной, резания, главной секущей и вспомогательной секущей.

Основная плоскость – плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам.

Плоскость резания – плоскость, касательная к поверхности резания и перпендикуляр­ная основной плоскости.

Главная секущая плоскость А-А (рис.2) – плоскость, перпендикулярная к проекции главной режущей кромки на основную плоскость.

Вспомогатель­ная секущая плоскость Б-Б – плоскость, перпендику­лярная к проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость.

Главные углы резца определяют в главной секущей плоско­сти А-А (рис. 2).

Главный передний угол γ – угол между передней по­верхностью резца и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания, проходящей через главное режущее лезвие (точка М). Значение угла γ колеблется в широ­ких пределах: от -10° до +30° и выбирается в зави­симости от условий резания. Угол γоказывает решающее влияние на процесс образования и схода стружки. С увеличением угла γоб­легчается процесс стружкообразования и снижаются силы резания и расход мощности, но уменьшается проч­ность главной режущей кромки.

Главный задний угол α – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Его величина колеблется в пределах 4...15°, а чаще он равен 8^о. Угол α способствует уменьшению трения между поверхностью резания заготовки и главной задней поверхностью резца.

Угол заостренияβ – угол между передней и главной задней поверхностями резца.

Угол резания δ –угол междупередней поверхностью резца и плоскостью резания.

Из рисунка 2 видно, то углы β и δ зависят от уг­лов α и γ и связаны с ними следующими зависимостями:

β = 90 – (α + γ);(1)

δ = 90 – γ.(2)

 

Вспомогательные углы γ₁ и α₁ измеряются во вспо­могательной секущей плоскости Б – Б.

Основное назначение угла γ₁ – умень­шение трения между вспомогательной задней поверх­ностью резца и обработанной поверхностью заготовки.

Углы в плане φ, φ₁ , ε определяются в основной плос­кости.

Главный угол в плане φ – угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и на­правлением подачи, он изменяется в пределах 30.. .90°. Уменьшение угла φ повышает чистоту обработанной по­верхности и снижает износ резца, но приводит к уве­личению радиальной составляющей силы резания, по­этому чаще всего угол φ берется равным 45°.

Вспомо­гательным углом в плане φ₁ называется угол между проекцией вспомогательного режущего лезвия на основ­ную плоскость и направлением, обратным подаче. Обыч­но его значения выбирают в пределах 5. ..10°. С умень­шением φ₁ повышается чистота обработанной поверхно­сти, увеличивается прочность вершины резца и снижа­ется его износ.

Угол при вершине в плане ε – угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость.

Его определяют из соотношения:

 

ε =180 - (φ + φ₁). (3)

 

Угол наклона главной режущей кромки λ – угол между главной режущей кромкой и плоскостью, проведенной параллельно основной плоскости через вершину резца. Угол λспособствует отводу стружки в ту или иную сторону.

Для черновых резцов он колеблется в пределах от 0 до +10^о, для чистовых – от 0 до –3^о.

Угол λ = 0главная режущая кромка расположена параллельно основной плоскости и при резании стружка завивается в спираль.

Если уголλотрицательный, товершина резца находится выше других точек главной режущей кромки, поэтому стружка будет отходить в сторону обрабатываемой поверхности.

При положительном угле λ –вершина резца лежит ниже главной режущей кромки, в результате припуск снимается вначале отдаленными от вершины частями режущей кромки и в последнюю очередь вершиной резца, поэтому стружка сходит в сторону обработанной поверхности. При положительных углах λрезец является более стойким, однако обработанная поверхность может быть повреждена сходящей стружкой, поэтому такие резцы применяют для предварительной (черновой) обработки.

В зависимости от обрабатываемого материала, ма­териала резца и условий работы применяются различ­ные формы заточки передней поверхности резца: плос­кая с положительным углом γ, плоская с отрицательным углом -γ (для черновой обработки стали и чугуна) и ра­диусная (для чистого точения пластичных материалов).

У резцов вначале затачивают под заданные углы главную и вспомогательную задние поверхности, а затем переднюю поверхность. После этого на передней поверхности затачивают стружкозавивающую канавку (при необходимости), фаску и вершину по радиусу.

После заточки твердосплавные резцы подвергают доводке на алмазных кругах. Доводка позволяет получить на режущем лезвии высокий класс шероховатости поверхно­сти, обеспечивает высокую остроту лезвия и повышает стойкость резца в 1,5...2 раза.

 

 

БИЛЕТ №7

1. Расскажите технологический процесс выплавки стали в мартеновской печи; ее устройство и технико-экономические показатели работы.

Мартеновское производство стали приме­няют в металлургии с 1864г. Мартеновская печь (рис.2) по устройству представляет собой пламенную регенера­тивную печь симметричной конструкции.

Рабочее прост­ранство печи 4 ограничено подом 7, стенками и сводом 3. Слева и справа к рабочему пространству примыкают головки 1 и 5 с каналами 2 для подвода газообразного топлива и воздуха. В них начинается горение топлива. В перед­ней стенке печи есть несколько окон 9, через которые загружают шихту, берут пробы стали и наблюдают за плавкой. Подина печи наклонена к задней стенке, в которой находится летка для выпуска стали, которая во время плавки закрыта пробкой из огнеупорной массы; для выпуска стали пробку снаружи пробивают.

Печь снабжена устройствами для подогрева воздуха и газа, называемыми регенераторами 6 и 8.

Схема мартеновской печи:

1,5 – головки печи; 2- газовые и воздушные каналы в головке печи; 3- свод печи; 4- рабочее пространство печи; 6,8 – газовые и воздушные регенераторы; 7 – подина печи; 9- завалочные окна

Продукты сгорания топлива, выходящие из рабочего пространства печи, имеют высокую температуру. Они направляются в регенераторы, нагревают их насадку до температуры 1200...1300°С и уходят в дымовую трубу. Другая нагре­тая пара регенераторов в это время нагревает воздух и газ, поступающие в печь, до температуры 1100...1200°С. Периодически (через 10…15 мин) направление движения газов в регенераторах, головках и рабочем пространстве изменяется на обратное; такая схема обеспечивает постоянный подогрев поступающих газов и температуру в плавильном пространстве до 1700^оС.

В качестве топлива для мартеновских печей используют природный газ, смесь коксового, колошникового и при­родного газов или мазут (в отличие от кислородного конвертера для выплавки стали в мартеновской печи недостаточно того тепла, которое выделяется в результате экзотермических реакций окисления примесей чугуна).

В зависимости от состава шихты для плавки различают скрап-процесс и скрап-руд­ный процесс.

Скрап-процессом выплавляют сталь в мартеновских печах машиностроительных заводов, где накапливаются отходы производства: стружка, обрезки, брак, лом. Шихта состоит из 60…70% стального лома (скрапа) и 30…40% чушкового чугуна.

Скрап-руд­ный процесс ведется на металлургических заводах, где работают доменные печи. Шихта состоит из 50…80% жидкого передельного чугуна, 20…50% скрапа и 15…30% (от массы металлической части шихты) железной руды и известняка.

При плавлении шихты под действием высокой тем­пературы происходит окисление кремния, марганца, же­леза и других элементов кислородом, содержащимся в печных газах, а также кислородом, вдуваемым в печь через фурмы, расположенные в своде печи. Оксиды эле­ментов, входящих в состав шихты, известь, а также ча­стицы футеровки, сплавляясь, образуют шлак, который покрывает металл. В дальнейшем кислород печных га­зов действует на шлак, а шлак — на металл. Образую­щаяся при этом закись железа FeO вносит кислород в покрытый шлаком металл. Дальнейшее окисление угле­рода, кремния, марганца и других элементов произво­дится кислородом закиси железа, которая сама восста­навливается. Окислившийся углерод выделяется из ван­ны в виде СО и создает впечатление кипения. Содержа­ние углерода и примесей в металле уменьшается, и по­лучается сталь.

В процессе плавки берут пробы для анализа химиче­ского состава металла и вводят добавки для получения заданной марки стали. В конце плавки вводят раскислители (ферросилиций, ферромарганец) для восстанов­ления железа из его закиси. При выплавке легирован­ных сталей вводят добавки никеля, хрома или других легирующих элементов. Сталь выпускают в сталеразливочные ковши.

Вместимость мартеновской печи от 100 до 1000 т.

Продолжительность плавки от 2 до 12 ч.

Основными тех­нико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются производительность пе­чи, определяемая съемом стали с 1м² площади пода за сутки, и расход топлива на 1т выплавляемой стали. Средний съем стали с 1м² площади пода в сутки состав­ляет 10т/м², а расход условного топлива – до 80кг/т.

Основными недостатками мартеновского процесса яв­ляются большой расход топлива и большая продолжи­тельность плавки, а преимуществом — универсальность процесса по применяемой шихте и маркам выплавляемых сталей.

В настоящее время широко применяются двухванные мартеновские печи.

2. Назовите группы, свойства и применение латуней в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Приведите примеры марок по ГОСТу простых и специальных латуней и расшифруйте их.

3. Назовите элементы режима резания при точении и их определение, и выбор при составлении технологических карт на механическую обработку деталей.

К элементам резания при точении относят скорость резания, подачу и глубину резания. Совокупность этих величин называют режимом резания.

Скорость резания – путь перемещения режущего лез­вия инструмента относительно заготовки в на­правлении главного дви­жения в единицу време­ни.

Если главное движе­ние вращательное (точе­ние), то скорость резания определяют по формуле:

, (4)

где Д – наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм;

n – частота вращения заготовки, об/мин.

Подачей S, (мм/об), называется путь точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в направле­нии движения подачи за один оборот.

Глубиной резания называется расстояние ме­жду обрабатываемой и обработанной поверхностями за­готовки, измеренное перпендикулярно к оси заготовки, за один проход инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

При наружном точении глубина резания определяется по формуле:

 

, (5)

где Д – диаметр заготовки до обработки, мм;

d – диаметр заготовки после обработки, мм.

Объем металла, срезаемого за одну минуту, опреде­ляется то формуле:

. (6)

Геометрия срезаемого слоя характеризуется толщи­ной, шириной и площадью поперечного сечения.

Толщина срезаемого слоя а, мм, - расстояние между двумя последовательными положениями поверхности резания за один оборот заготовки, измеренное в направление, перпендикулярном к режущему лезвию.

Ширина срезаемого слоя в, мм, - расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания.

Номинальная площадь поперечного сечения срезаемого слоя определяется по формуле:

. (7)

Действительная площадь поперечного сечения срезаемого слоя f_g, вследствие того то участвуют два движения (V и S), будет меньше номинальной f на значение площади осевого сечения гребешка f_гр, остающегося на обработанной поверхности:

 

, (8)

 

Эти гребешки обусловливают шероховатость поверхности, которая повышается с возрастанием t, S и углов j и j₁ .

 

БИЛЕТ №8

1. Расскажите состав шихты и технологию выплавки стали в дуговых и индукционных электрических печах. Укажите технико-экономические показатели работы сталеплавильных электрических печей.

Выплавку стали в электрических печах начали применять с конца XIX в. Эта выплавка имеет ряд преимуществ перед другими способами получения стали. При использовании электроэнергии представляется возможность подводить тепло непосредственно к зонам реакций; развивать высокие температуры, что способствует ускорению плавки; наводить высокоизвестковистые шлаки для более полного удаления серы и фосфора. Благодаря возможности лучшего управления плавкой удается выдавать сталь точно заданного состава. В настоящее время этот способ плавки широко применяют для получения высококачественных углеродистых и легированных сталей, а также ферросплавов.

По конструкции электропечи делятся на дуговые и индукционные.

Рабочее пространство трехэлектродной дуговой печи (рис.3) в средней части имеет цилиндрическую форму, снизу ограничено сферическим подом 4. Через свод 2 в печь вводят три графитизированных или угольных электрода для подвода электрического тока. Современные дуговые печи имеют съемный свод, что позволяет загружать шихту практически в один прием сверху. С одной стороны печи расположено боковое рабочее окно 3, а с другой – выпускная летка 6. Печь оборудована реечным механизмом поворота5 для наклона в сторону рабочего окна для выпуска шлака (на 10…15^оС) и в сторону летки при выпуске стали (на 45^оС).

Принципиальная схема дуговой электропечи:

1 – электроды, 2 – съемный свод, 3 – рабочее окно, 4 – корпус печи, 5 – сектор для наклона печи, 6 – желоб для выпуска стали, 7 – электрододержателя

Электрический ток поступает от печного трансформатора на электроды.

Между электродами и шихтой возникает электрическая дуга, в результате чего в рабочем пространстве печи возникают высокие температуры (до 2500^о). Электроды удерживаются элетрододержателями, которые могут автоматически изменять длину дуги в зависимости от потребности процесса.

Печи работают на трехфазном токе при напряжении 160…600В, силе тока 1…10кА.

Плавка в дуговых печах состоит из следующих периодов: завалка шихты, плавление окислительный (окисление примесей за счет кислорода) и восстановительный (восстановление железа из FeO за счет ферромарганца, ферросилиция; удаление серы за счет извести) периоды и выпуск.

Как правило, печи работают на твердой шихте, в состав которой входят стальной лом (до 90%) с добавлением к нему до 10% чугуна. Используют также известь, ферросплавы и другие добавки. Для интенсификации плавки металл продувают кислородом.

Современные дуговые печи строят вместимостью 200…400 т. Продолжительность плавки составляет 4…8 ч.

Индукционная печь (рис.4) состоит из огнеупорного тигля 1, вокруг которого устроена водоохлаждаемая индукционная обмотка 2.

Схема устройства индукционной печи:

1 – огнеупорный тигель; 2 – индуктор; 3 – металл

При прохождении по обмотке тока высокой частоты (500…2000Гц) возникает магнитный поток, который пронизывает металлошихту, наводит в ней вихревые токи, нагревающие металл до расплавления. Металл в тигле постоянно подвергается перемешиванию под действием электромагнитного поля. После расплавления шихты сталь раскисляют и легируют.

Шихта для индукционных печей состоит из отходов легированных сталей или чистого по сере и фосфору углеродистого скрапа и ферросплавов. Очень важно для плавки в индукционной печи точно рассчитать шихту, так как в процессе самой плавки корректировать состав металла не представляется возможным.

Вместимость индукционных печей от 60кг до 25т. Длительность плавки 1…3ч

2. Назовите группы, свойства и применение в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении бронз. Назовите 2…3 марки бронз (литейных и деформируемых) и расшифруйте их.

3. Расскажите процесс образования стружки. Назовите виды стружки и факторы, влияющие на вид стружки.