Проектирование линии производства стального литья

ВВЕДЕНИЕ

      В металлургический комплекс входят черная и цветная металлургия, охватывающие все стадии технологических процессов: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции. Металлургический комплекс – это взаимообусловленное сочетание следующих технологических процессов: добыча и подготовка сырья к переработке (добыча, обогащение, агломерирование, получение необходимых концентратов и др.); металлургический передел – основной технологический процесс с получением чугуна, стали, проката черных и цветных металлов, труб и др.; производство сплавов; утилизация отходов основного производства и получение из них различных видов продукции.

Литейное производство, это одно из основных отраслей современного машиностроения. Почти все машины и приборы имеют литые детали – станки и прокатные станы, автомобили и самолеты, тракторы и локомотивы, гидротурбины и видеотехника и т.д.

Перспективность литейной технологии изготовления заготовок и деталей различного назначения обусловлена надежностью и универсальностью, позволяющими получать изделия из различных сплавов массой от граммов до сотен тонн с размерами от десятков миллиметров до десятков метров.

Из всего объема отливок  более 80 % изготавливаются в разовых  песчано-глинистых формах. Этот метод относительно простой способ получения отливок. Из песчано-глинистых смесей можно получать отливки весьма сложной конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из различных сплавов как в условиях единичного, так и серийного и массового производства

 

 

Схема литья в песчано-глинистые  формы

Рис.1

 

Задача проекта: отлить заготовку зубчатого колеса путем литья в кокиль.

Характеристики детали:

Деталь "заготовка колеса", изготавливается из стали 20ХН3А ГОСТ 4543-71 с габаритными размерами 594мм×370мм×360мм. Масса отливки 200 кг, преобладающая  толщина стенки 80 мм. Деталь относится  к отливкам IV группы сложности. Химический состав и свойства данной стали приведены  в табл. 1.1

Таблица 1.1 – Химический состав и механические свойства стали 20ХН3А ГОСТ 4543-71

Химический состав в % материала 20ХН3А

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.17 - 0.24	0.17 - 0.37	0.3 - 0.6	2.75 - 3.15	до 0.025	до 0.025	0.6 - 0.9	до 0.3
0.17 - 0.24	0.17 - 0.37	0.3 - 0.6	2.75 - 3.15	до 0.025	до 0.025	0.6 - 0.9	до 0.3

 

Механические  свойства при Т=20^oС материала 20ХН3А .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ø 15		930	735	12	55	1080	Закалка и отпуск

 

Физические  свойства материала 20ХН3А .

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.12		36	7850		270
100	2.04	11.5	35	7830	494	300
200	1.94	11.7	34		507	350
300	1.88	12	33	7760	523	450
400	1.69	12.6	33		536	550
500	1.69	12.8	31		565	650
600	1.53	13.2	31	7660	586
700	1.38	13.6	30		624
800	1.32	11.2	28		703
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

 

Сталь 20ХН3А применяется: Шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, червяки, муфты и другие цементируемые  детали, к которым предъявляются  требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой  поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

Технологическая линия  получения  чугуна

         Для производства чугуна нужны железная руда, топливо и флюсы. Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре (4,2 %) после кремния(26 %) и алюминия(7,4 %). Железо в недрах земли в чистом виде не встречается. Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Экономическая целесообразность извлечения железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождений.

        На Урале известно более 75 больших и малых месторождений железных руд. Часть открытых месторождений Урала еще недостаточно изучена и на балансе не состоит. Большинство железорудных месторождений Урала давно и интенсивно эксплуатируется и в значительной мере уже выработано. Их остаточные запасы весьма ограничены.

 Рассмотрим более детально важнейшие железорудные районы и месторождения Урала.

 На северном Урале расположен Северо-Ивдельский железорудный район, включающий месторождения Северной и Лангуро-Самской групп, а также Масловское месторождение. Эти месторождения служили рудной базой Серовского металлургического завода, часть из них разрабатывалась открытым способом Полуночным и Марсятским рудоуправлениями. Месторождения представлены магнетитами, мартитами и бурыми железняками. Содержание железа изменяется в широких пределах, составляя 45-50 % для магнетитовых и мартитовых руд и 32-40 % для бурых железняков. Магнитные железняки содержат значительное количество (до 1,40 %) серы. Содержание фосфора не превышает 0,2 %.

Там же (в Серовском и Североуральском районах Свердловской области) расположена Богословская группа мелких месторождений (в нее входят Ауэрбаховский, Воронцовский, Покровский, Баяновский, Северо-Песчанский и другие рудники). месторождения также представлены магнетитовыми рудами, красными и бурыми железняками.

 Содержание железа в рудах месторождений Богословской группы также изменяется в широких пределах от 40 до 58 % для магнитных железняков и гематитовых руд и 32-40 % для бурых железняков. В рудах отмечается повышенное содержание меди, а в руде Ауэрбаховского месторождения – хрома. Содержание фосфора обычно не превышает 0,1 %, но некоторые из руд имеют повышенное содержание серы (до 3,8 %). 

Месторождение еще слабо  разведано и изучено, особенно в  отношении технологии подготовки руд  к плавке и самой плавки. Наиболее вероятным и эффективным способом их обогащения является пирометаллургический метод. Этот метод заключается в  том, что в процессе восстановительного обжига руды значительная часть железа переходит в металлическое состояние. Последующая магнитная сепарация  обоженного продукта позволяет получать концентрат, содержащий 81,2-81,5 % железа, в том числе 77,3-79,7 % железа металлического при высокой степени его извлечения. Около 75 % хрома переходит в хвосты, из которых его можно извлекать другими методами. Никель на 77-82,5 % переходит в концентрат. Однако это технология относительно дорогая. Окончательного решения по использованию руд этого месторождения пока нет.

 В северо-восточной части Свердловской области находится Алапаевская группа небольших месторождений, представляющих рудную базу Алапаевского и Верхне-Синячихинского металлургических заводов. Руды представлены бурыми железняками со средним содержанием железа для различных месторождений в пределах 38-41 % , чистыми по сере (в среднем 0,02 %). Содержание фосфора не превышает 0,1 %. В пустой породе преобладают кремнезем и глинозем. Балансовые запасы руд этой группы составляли около 58,6 млн. т. В настоящее время добыча руд не ведется.

 Тагило-Кушвинский железорудный район включает в себя 11 относительно небольших месторождений (Высокогорское, Лебяжинское, Гороблагодатское и др.). Общие балансовые запасы руд этого района составляют около 1,09 млрд. т. Месторождения этого района относятся к месторождениям скарнового типа, представлены преимущественно магнетитовыми и в меньшей степени полумартитовыми и мартитовыми рудами. Незначительное распространение имеют бурые железняки. Среднее содержание железа по типам руд и месторождениям колеблется в широких пределах (от 32 до 55 %).

В Тагило-Кушвинском районе находится также Волковское месторождение комплексных железованадиевомедных и фосфорных руд. В среднем они содержат (в %): Fe 18,0; Cu 0,8; P2O5 5,57; V 0,26; SiO2 35,4; CaO 12,8; Al2O3 12,4. Месторождение разрабатывается красноуральским медеплавильным комбинатом с начала 80-х годов.

Качканарский железорудный район представлен двумя крупными месторождениями комплексных титаномагнетитовых руд: Гусевогорским и собственно Качканарским. Балансовые запасы руд этих месторождений составляют 11,54 млрд. т, из них 6,85 млрд. т – разведанных. По своему генетизу эти месторождения относятся к магматическому типу. Руды бедные, вкрапленные, содержание железа в них составляет 16-17 %. Основными железорудными минералами в них являются магнетит и ильменит. В малых количествах присутствует гематит. Ильменит образует тончайшие включения в магнетите. Содержание диоксида титана в руде составляет 1,0-1,3 %. Кроме железа и титана в рудах присутствует ванадий (около 0,14 % V2O5). Положительным является высокая основность (до 0,6-0,7) пустой породы. Руды чистые по сере и фосфору.

Рассмотрев месторождения  на Урале, добыча руды будет проводиться в Качканарском месторождении. Оно является наиболее выгодным по своему географическому местоположению, относительно близко, что позволит сократить транспортные расходы. Также это единственное месторождение на Урале , где руда уже оснащена ванадием, что позволит нам сократить  время и дополнительные затраты при дальнейшем производстве чугуна и стали. Добыча руды будет осуществляться открытым способом с погрузкой экскаваторами ЭКГ-8(10).

Добытая руда проходит подготовку к металлургическому переделу.

     Чем тщательнее  подготовлена железная руда к  плавке, тем выше производительность  доменной печи, ниже расход топлива  и выше качество выплавляемого  чугуна. Для этого нужно пройти несколько операций. Дробление, позволяет получить заданную степень измельчения руды, необходимую для плавки и обогащения. Дробление происходит с помощью молотковой дробилки на куски размерами до 50мм.

 Затем идет сортировка, она обеспечивает отбор кусков размером 10-50мм, обогащение, способствует повышению содержания в руде железа за счет отделения пустой породы. Обогащение осуществляется магнитным способом. После обогащения содержание железа в руде повышается до 70%, и окускование дает возможность объединить мелкие фракции руды в куски размером свыше 10мм, т.к. более мелкие куски уносятся из доменной печи потоком газа, что снижает эффективность процесса.

 

Схема молотковой дробилки

 
1-вал. 2-ротор. 3-молоток. 4-сито;

А-направление подачи стружки в  дробилку,

Б-направление вращения ротора.

 

Рис.2

Когда руда подготовлена к плавке,  ее загружают в доменную печь.

Доменный процесс.

Для получения чугуна недостаточно только подготовленной руды,  также нужно топливо(кокс) и флюс.

В качестве топлива в современной  доменной плавке применяют кокс, мазут, природный и коксовый газы и каменноугольную  пыль. Основным видом топлива является кокс. Коксом называется пористое спекшееся  вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200С без доступа воздуха. Это единственный материал, который сохраняет форму куска в доменной печи на всем пути движения от колошника к горну. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается прохождение газового потока через слой жидких, полужидких и твердых материалов в доменной печи. Загружаемый в доменную печь кокс не должен содержать ни мелких кусков, ухудшающих газопроницаемость шихты, ни чрезмерно крупных кусков, которые, как правило, поражены трещинами и легко разрушаются в печи с образованием мелких фракций.