Контрольная работа по «Технологии конструкционных материалов»

Министерство образования  и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное  автономное

образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования 

«Российский государственный 

профессионально-педагогический

университет»

филиал РГППУ в г. Березовском

Факультет высшего профессионального  образования

Кафедра профессионально-педагогического  образования

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

По дисциплине: «Технология  конструкционных материалов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                             Выполнил студент:           

 

                                                             Группа:                               СПМ-216

 

                                                             Проверил:                         Позднякова О. Б.

 

 

 

 

 

 

Березовский, 2011г.

 

 

Содержание

 

1.  Анализ исходных  данных………………………………………………….3

2.Физико-механические характеристики материала………………………...3

3.Исходные материалы для производства чугуна…………………………...4

4.Подготовка руды к плавке…………………………………………………..4

5.Выплавка чугуна в доменной печи…………………………………………8

6.Производство стали…………………………………………………………10

7.Изготовление вала…………………………………………………………..14

8.Список литературы………………………………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 9

Разработайте технологический процесс изготовления вала длиной 200 мм, диаметром 80 мм, работающего на кручение.

 

Анализ исходных данных

         Для вала работающего на кручение (передающего крутящий момент) целесообразнее для изготовления применить сталь ст40х такая сталь легко поддается механической обработке ( легко точится на токарном станке ). В тоже время обладает хорошими механическими свойствами для передачи крутящего момента, как правило приводные валы работающие  в режиме не равномерных нагрузок изготовляют из сталей ст40, ст40х, ст45, ст45х

 

Физико-механические характеристики материала

      Деталь изготовлена из стали 40Х по ГОСТ 1050-74 и обладает следующими характеристиками:

Химический состав:

Марка стали	С	Si	Mn	Cr	Ni
	Содержание элементов в %
40Х	0,42-0,50	0,17-0,37	0,50-0,80	≤0,25	≤0,25

 

Такая сталь обладает следующими механическими свойствами:

- временное сопротивление при  растяжении у_вр=598 МПа,

- предел текучести у_т=590-690 МПа,

- относительное удлинение д≥10 %,

- среднее значение  плотности: 

- удельная теплопроводность: 680 Вт/( )

- коэффициент линейного  расширения б=11,649*10⁶ 1/Сє

Сталь 40Х конструкционная  сталь, подвергаемая закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После  такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Такие стали обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для вала требуется более высокая поверхностная твердость, следовательно, после закалки его подвергают отпуску.

 

Исходные материалы  для производства чугуна

Сырье: железная руда добытая на Новоялтинском месторождении (Дмитровский район Орловской области)

Вспомогательные материалы: кокс (иногда природный газ), воздух, обогащенный кислородом, флюсы (известняк, доломит).

Подготовка  руды к плавке

Схема подготовки: дробление→ Обогащение→ окускование→ агломерация→  окатывание.

В настоящее время  для выплавки чугуна используют лишь около 5% сырой железной руды; 95% всей руды до плавки подвергают предварительной подготовке. Подготовка железной руды является одним из эффективных направлений в совершенствовании доменного производства и дает возможность использовать более бедные руды. Подготовка руд включает дробление, сортировку и другие операции.

Дробление обеспечивает нужную степень измельчения руды. Для плавки в доменной печи размер кусков руды должен составлять 10-80 мм, для агломерации - менее 5-10 мм, для магнитного обогащения-до 0,1 мм.

Сортировку руды по классам крупности при размерах кусочков более 1-3 мм проводят на механических грохотах. Для более тонко измельченных материалов используют гидравлическую классификацию. Разделяемый материал подают вместе с водой в специальные устройства, где крупные зерна быстрее оседают, отделяясь от более мелких. В устройствах типа гидроциклон разделение частиц по крупности происходит под действием центробежной силы.

Усреднение материалов по химическому составу и свойствам необходимо для обеспечения ровного хода доменной печи. Одним из основных методов усреднения руды является ее послойная укладка в штабеля большой емкости.

Обогащение руды приобретает  все большее значение. В настоящее  время до плавки обогащают около 80% всей руды.

Это связано с использованием все более бедных руд, а также  руд с тонковкрапленными в  пустой породе рудными зернами. Так, например, в результате обогащения бедных криворожских железистых кварцитов с 20-45% Fe получают концентраты с 60-65% Fe.

Основным способом обогащения железной руды в нашей стране является магнитный. Сущность сухой магнитной сепарации состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы руды отделяются от пустой породы. При мокрой сепарации измельченная руда при воздействии на нее магнитного поля одновременно промывается водой. Этот способ более гигиеничен, чем предыдущий, при котором выделяется много пыли. Магнитное обогащение можно непосредственно использовать только для так называемых силыюмагнитных магнетитовых и титаномагнетитовых руд. Для других руд средне- и слабомагнитных - перед обогащением производят магнетизирующий обжиг.

Среди других методов  обогащения наиболее распространен  гравитационный: отсадка и разделение в тяжелых суспензиях (взвесях), в которых рудный минерал тонет, а частицы пустой породы всплывают.

Для удаления рыхлой песчаной и глинистой пустой породы применяют  также наиболее простой и дешевый  способ - промывку водой.

Окускование. Пылеватая и мелкая руда, тонкоизмельченные концентраты (после обогащения) уносятся из доменной печи потоком газов. Это нарушает ее ход и приводит к значительному снижению производительности. Перед доменной плавкой такое железорудное сырье необходимо подвергать окускованию — агломерации или окатыванию.

В нашей металлургии применяют только офлюсованный агломерат. Для его получения в шихту вводят мелкоизмельченный флюс - известняк. Применение офлюсованного агломерата улучшает условия образования шлака в доменной печи, ускоряет процесс плавки, уменьшает затраты топлива, приводит к значительному повышению производительности доменной печи (на 25-30%) и снижению расхода кокса (до 20%).

 

Схема процесса спекания

1 - колосниковая решётка; 2 - постель; 3 - слой агломерируемой шихты; 4 - зона горения и спекания; 5 - слой агломерата

Окатывание (производство окатышей). Тонкоизмельченные концентраты обладают пониженной газопроницаемостью. Их спекание на агломерационных машинах оказалось малопроизводительным и экономически невыгодным.

Эффективным способом окусковывания  таких концентратов является окатывание. Схема производства окатышей представлена на рис. 4. Шихта состоит из тонкоизмельченного концентрата (меньше 0,5 мм), известняка (флюс) и возврата (отбракованных окатышей). Для лучшего окатывания шихту увлажняют (8-10%) и в ее состав добавляют небольшое количество связующего - бентонитовой глины и др.

Схема производства окатышей

1 - бункер о шихтой; 2 - шихтовый транспортер; 3- смесительный барабан; 4 - бункер для бентонита; 5 - гранулятор; 6 - машина для обжига; 7 - вентилятор для удаления газов в дымовую трубу; 8 - грохот для сортировки окатышей по степени крупности; 9 - l - зона сушки 200 - 400° С; ll - зона обжига 1300-1400° С; lll - зона охлаждения

Готовые окатыши подвергают сушке (200-400° С), а затем обжигу при 1300-1400° С, в результате чего они приобретают высокую прочность.

 

Выплавка чугуна в доменной печи

Основной химический процесс: содержащийся в руде оксид железа (III) восстанавливается оксидом углерода (II):

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса  и воздуха. Воздух сначала нагревают  приблизительно до 600 °С и нагнетают  в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:

Диоксид углерода поднимается  вверх в печи и реагирует с  новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:

Побочные процессы: одновременно восстанавливаются оксиды других элементов, содержащихся в железной руде:

железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема. Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

Содержащаяся в руде тугоплавкая примесь (оксид кремния) удаляется в виде шлака взаимодействием с оксидом кальция:

Оксид кальция образуется при разложении известняка или доломита:

Особенности технологического процесса: чугун получают в специальных печах — домнах. В верхнюю часть домны (колошник) подают последовательно сырье и вспомогательные материалы, в нижнюю (горн) продувают противотоком воздух, предварительно нагретый в регенераторе за счет сжигания колошникового газа. Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев. Производство непрерывное (однако засыпание шихты и выпуск чугуна производятся периодически).

Основной продукт: чугун.

Состав: сплав железа, содержащий более 2,5% С; 0,3—5% Si; до 1% Mn; 0,1% S и 0,2% Р, иногда легирующие металлы (Аl, Сr, Ni и др.).

Свойства: самый дешевый металлический материал, обладает хорошими литейными и антифрикционными свойствами, износостойкостью, способностью гасить вибрации. Различают передельный, литейный и легированный чугун. Легированный чугун отличается жаростойкостью и коррозионной стойкостью.

Применение: передельный чугун — для производства стали; литейный — для изготовления поршней, цилиндров, тормозных барабанов, шестерен, деталей автомобилей (задний мост, картер, ступицы и др.); легированный — для изготовления дверец мартеновских печей, колосников, деталей паровых котлов, печной арматуры, футерованных плит, газотурбинных установок.

Побочные продукты: шлак, колошниковый газ.

Утилизация побочных продуктов: шлак используют при производстве гравия, щебня, цемента, шлаковой ваты, колошниковый газ — для обогрева воздухонагревателей

 

 

Производство  стали 

Для изготовления вала необходимо получить качественную сталь ст40х. Такую сталь можно получить в кислородном конвекторе.

Сущность производства стали в конвертерах заключается  в том, что при вдувании газообразного  кислорода в металл происходит окисление железа, углерода, кремния и марганца.

В результате протекания этих реакций  выделяется тепло, обеспечивающее не только нагрев металла, но и возможность перерабатывать до 30 % металлолома. Продукты реакции окисления железа, марганца и кремния образуют первичный шлак, который может интенсивно растворять футеровку. Для предотвращения разрушения футеровки в конвертер добавляют известь. Шлак с высоким содержанием СаО слабо взаимодействует с футеровкой. Кроме того, такой шлак обеспечивает рафинирование стали от фосфора и частично от серы.

-

Рис. 1. Общий вид конвертера с верхней продувкой:

1 — опорный подшипник; 2— цапфа; 3 — кожух; 4 — опорное кольцо, 5-футеровка, 6— опорная станина

 

Устройство кислородного конвертера. В настоящее время при производстве стали применяется два типа конвертеров: с продувкой кислородом сверху и с комбинированной продувкой. На рисунке приведена схема конвертера с верхней продувкой. Собственно конвертер представляет собой металлический сварной кожух, футерованный внутри. В качестве огнеупорного материала используется обычно смолодоломитовый кирпич. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях. На нее воздействуют высокие температуры и ее колебания, она испытывает механические удары кусков твердых загружаемых материалов. Особо тяжелые условия работы футеровки—в зоне шлакового пояса. Стойкость футеровки достигает 1000 и более плавок.