Производство стали в дуговых электропечах

Цель работы: Изучить устройство дуговых электропечей, технологию выплавки стали в электрических печах, расположение оборудования и схему массопотоков в электросталеплавильных цехах.

В настоящее время наиболее качественные конструкционные, высоколегированные, инструментальные и шарикоподшипниковые стали выплавляют в дуговых электропечах вместимостью до 200 т. Источником тепла в них служит электрическая дуга, возникающая между угольными электродами и металлом. Электросталь имеет низкое содержание серы и фосфора, неметаллических включений, хорошо раскислена и по качеству превосходит кислородно-конвертерную и мартеновскую.

П ринципиальная схема устройства дуговой сталеплавильной пе­чи показана на рис.7.1.

Рис. 7.1. Схема дуговой электропечи:

1 – футеровка; 2 – желоб для выпуска стали; 3 – металлическая шихта; 4 – стальной кожух печи; 5 – стенка печи; 6 – свод печи; 7 – кабель; 8 – электрододержатель; 9 – электрод; 10 – рабочее окно печи; 11 – механизм наклона печи; 12 – под печи

Печь имеет цилиндрическую форму и состоит из стального кожуха, выложенного изнутри огнеупорным кирпичом (футерованного). Днище печи, на котором располагаются расплавляемые материалы, называется подом (подина). Сверху печь накрывается сводом, имеющим отверстия для трех электродов (по числу фаз трехфазного электротока). В стенке печи расположено рабочее окно для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб, закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через выпускное отверстие со сливным желобом. Печь опирается на секторы и имеет привод для наклона в сторону рабочего окна и желоба.

Схема технологического процесса производства стали в дуговых печах представлена на рис.7.2.

Рис. 7.2. Схема технологического процесса производства стали в дуговых электропечах

Существует два варианта проведения электроплавки:

1. На свежей шихте (с окислением примесей).

2. Переплав легированных отходов (без окислительного периода).

-При плавке по первому варианту шихта состоит из малоуглеродистого лома с добавкой науглероживателя (кокс, электродный бой) или чугуна. Передельный чугун добавляют в таком количестве, чтобы после расплавления шихты углерода было больше на 0,4...0,6%, чем в готовой стали, что необходимо для нормального кипения металла. Избыточное количество углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов (сплавы железа с элементами, необходимыми для легирования и раскисления) с целью получения стали нужного состава.

При производстве и последующей обработке высококачественных легированных сталей отходы производства составляют 30...50% (бракованные слитки, обрезь при прокатке, стружка и т.п.).

-При плавке по второму варианту состав готовой стали почти полностью определяется составом этих отходов и легирующие элементы добавляют только для некоторой корректировки состава. За счет отсутствия окислитель­ного периода плавка на отходах значительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте.

Рассмотрим основные технологические операции процесса выплав­ки стали в электрических печах.

-Заправка печи проводится перед каждой очередной плавкой. Она заключается в ремонте поврежденных участков подины, образовавшихся при предыдущей плавке. В эти места с помощью заправочной машины насыпают сухой магнезитовый порошок.

-Загрузка печи. Шихта загружается в печь сверху из корзины с откидным дном. Для этого свод поднимают и отводят в сторону. Ос­новную массу шихты (до 90% и более) составляет стальной скрап. В качестве флюса, используемого для образования шлака, применяют известь.

-Период плавления. После окончания завалки опускают свод, электроды подводят к поверхности шихты и включают ток. При постепенном опускании электроды проплавляют в шихте колодцы, а жидкий металл стекает вниз, собираясь в центральной части подины. Шлак, образующийся при плавлении флюса, закрывает жидкий металл, предохраняя его от окисления. На некотором расстоянии от поверхности жидкой ванны электроды останавливаются и затем по мере повышения уровня металла начинают подниматься вверх под действием автоматического регулятора.

-Расплавление шихты в печи занимает основное время плавки и в зависимости от размера печи и мощности установленного трансформатора составляет 1...3 ч.

Окислительный период плавки. Задачами этого периода являются: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора, дегазация металла, удаление неметаллических включений.

В начале окислительного периода в печь порциями добавляют железную руду. В результате присадки руды образуется окислительный шлак, содержащий до 15...20% FeO и до 50% СаО. Растворенный в металле углерод взаимодействует с FеО и растворенным в ванне кислородом по реакциям:

[С] + (FeO) = Fе_(ж) + {СO} ;

[C] + [O] = {CO} .

В квадратных скобках указаны элементы, растворенные в металле, в круглых - в шлаке, в фигурных – газовая фаза. Происходит бурное выделение пузырей СО, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. При кипении из металла удаляются растворенные в нем вредные газы N₂ и Н₂. Они проникают в пузырьки СО и вместе с ними удаляются из металла. Энергичное перемешивание способствует также и удалению из метал­ла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Для интенсификации окислительного периода плавки металл продувают кислородом. Удаление из стали фосфора происходит путем перевода его в шлак вида (СаО)₄Р₂0₅ в процессе реакции:

2 [Р] + 5 [O] = (Р₂ O₅);

(Р₂0₅) + 4 (СаО) = ((CaO)₄P₂0₅).

По достижению заданного содержания углерода и фосфора окислительный шлак удаляют с поверхности металла и переходят к восстановительному периоду.

Восстановительный период плавки. Задачи этого периода заключаются в следующем: раскисление металла, удаление серы, корректирование химического состава стали. В начале восстановительного периода в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести. Удаление растворенного в ванне кислорода осуществляется присадкой раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия) в металл и на шлак. При этом происходят следующие реакции:

[Mn] + [О] = (MnO);

[Si]+2[O] = (Si O₂);

2 [Аl] + 3[O] = (Аl₂0₃).

В результате раскисления растворенный кислород связывается в оксиды и удаляется из ванны в виде нерастворенных в металле неметаллических включений. В восстановительный период плавки активно происходит удаление серы из металла в шлак вида СаS по реакции

[FeS] + (СаО) = (CaS ) + (FеО).

После раскисления в сталь вводят легкоокисляющиеся легирующие элементы (хром, ванадий, титан) в виде ферросплавов. Никель, вольфрам и другие элементы, не окисляющиеся при плавке, вводят с шихтой или в процессе ее плавления. Плавку считают готовой, когда сталь име­ет заданный состав и температуру, обеспечивающую ее разливку.

-Выпуск металла. Печь плавно наклоняют в сторону выпускного отверстия и выпускают плавку по желобу в сталеразливочный ковш для последующей разливки в изложницы или на МНЛЗ (машинах непрерывного литья заготовок).

-Выпуск шлака. Шлак выпускают из печи в шлаковый ковш. Для этого печь наклоняют в сторону рабочего окна.

Основные линии массопотоков электросталеплавильного цеха:

доставка и загрузка стального лома;

доставка и загрузка в печь шлакообразующих материалов;

доставка и загрузка в печь и в ковш ферросплавов;

транспортирование ковшей с жидкой сталью к месту разливки и установкам внепечной обработки;

разливка и уборка слитков или литых заготовок;

уборка шлака.

Кроме того, в цехе существуют массопотоки, связанные с обеспечением ремонта печей и оборудования.

С овременный электросталеплавильный цех (рис.7.3) включает следующие пролеты: шихтовый А-Б, печной Б-В, пролет сыпучих материалов В-Г, распределительный Г-Д и далее группу пролетов МНЛЗ.

Рис. 7.3. Поперечный разрез современного электросталеплавильного цеха:

1 – бункер для лома; 2 – рельсовый путь; 3 – кран; 4 – рабочая площадка; 5 – герметичный кожух; 6 – кран; 7 – трубопровод; 8 – зонт; 9 – печь; 10 – тележка со шлаковым ковшом; 11 – конвейер; 12 – расходный бункер; 13 – питатель; 14 – весы – дозатор; 15 – конвейер; 16 – распределительная воронка; 17 – наклонный желоб; 18 – сталевоз; 19 – установки для доводки; 20 – кран; 21 – машина непрерывной разливки стали.

Особенностью этого цеха является установка печей в герметичном дымо- и шумоизолирующем кожухе , газы из которого отводят по трубопроводу к газоочистке. Стальной лом доставляют в шихтовое отделение по рельсовому пути и с помощью крана перегружают в корзины. По поперечным путям корзины перемещают в печной пролет и краном загружают шихту в печь, для чего раздвигают верхние шторы кожуха. Сыпучие материалы и ферросплавы из расходных бункеров выдают в весы-дозатор, а из них на продольный конвейер. Последний доставляет материалы в распределительную воронку, на­правляющую материалы в одну из наклонных течек для загрузки в печь, либо в ковш сталевоза либо к установке для довод­ки состава и температуры металла в ковше. После выпуска стали в ковш сталевоз выезжает из кожуха и устанавливается под установкой для доводки, где могут выполняться следующие операции: отбор проб, замер температуры, продувка аргоном с введением алюминия для раскисления, корректирующие добавки ферросплавов, добавки стальной обрези для корректировки температуры. Затем сталевоз выезжает в зону действия крана, которым ковш доставляется к МНЛЗ. Шлаковая тележка выезжает из кожуха в распределительный пролет, откуда шлаковые ковши вывозят автошлаковозами.

Контрольные вопросы

1. Каково устройство дуговой электропечи?

2. Какие существуют варианты проведения электроплавки?

3. Какие материалы входят в шихту?

4. Из каких операций складывается процесс производства стали в дуговых электропечах?

5. Каким образом происходит загрузка шихты в электропечь?

6. Назвать цель окислительного и восстановительного периодов плавки.

7. Как удаляют вредные примеси из металла в процессе выплавки стали в электропечах?

8. Как выполняют раскисление стали?

9. Как осуществляют выпуск продуктов плавки из печи?

10. Назвать основные линии массопотоков электросталеплавильного цеха.

11. Из каких пролетов состоит современный лектросталеплавильный цех?

12. Что является готовой продукцией электросталеплавильных цехов?

Лабораторная работа №8

обработка металлов давлением

Обработка давлением – технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла.

Классификация процессов обработки давлением

Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом.

По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:

– для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;

– для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки являются:

– сжатие между плоскостями инструмента – ковка;

– ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;

– затекание металла в полость инструмента – штамповка;

– выдавливание металла из полости инструмента – прессование;

– вытягивание металла из полости инструмента – волочение.

Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С.И. предложено различать виды деформации и соответственно виды обработки давлением.

Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.

Прокатка

Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием, наиболее распространённый. Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.

Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом она уменьшается в своём поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.

Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила и касательная сила трения (рис.8.1).

Рис.8.1. Схема сил, действующих при прокатке

 

Угол  – угол захвата, дуга, по которой валок соприкасается с прокатываемым металлом, – дуга захвата, а объем металла между дугами захвата – очаг деформации.

Возможность осуществления прокатки определяется условием захвата металла валками. Для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.

Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках. При прокатке стали  = 20–25⁰, при горячей прокатке листов и полос из цветных металлов  = 12–15⁰, при холодной прокатке листов  = 2–10⁰.

Степень деформации характеризуется показателями:

– абсолютное обжатие: – начальная и конечная высоты заготовки);

– относительное обжатие: .

Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. Поэтому для определения деформации (особенно когда обжатие по сечению различно) используют показатель, называемый вытяжкой (коэффициентом вытяжки).

,

где – первоначальные длина и площадь поперечного сечения, – те же величины после прокатки.

Вытяжка обычно составляет 1,1–1,6 за проход, но может быть и больше.

В процессе прокатки литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за счёт залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это придаёт заготовкам из проката высокую прочность и герметичность при небольшой их толщине.

Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно-винтовая (рис.8.2).

 а б в

Рис.8.2. Схемы основных видов прокатки:

а – продольная; б – поперечная; в – поперечно-винтовая

 

При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис.8.2, а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счёт сил трения. Этим способом изготавливается около 90% проката: весь листовой и профильный прокат.

Поперечная прокатка (рис.8.2, б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.

В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят специальные периодические профили, изделия, представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.

Поперечно-винтовая прокатка (рис.8.2, в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под углом друг другу. Прокатываемый металл получает ещё¨ и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок.

В качестве инструмента для прокатки применяют валки прокатные, конструкция которых представлена на рис. 8.3. В зависимости от прокатываемого профиля валки могут быть гладкими (рис.8.3, а), для прокатки листов, лент и т.п., и калиброванными (ручьевыми) (рис.8.3, б) для получения сортового проката.

Ручей – профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями называются буртами. Совокупность двух ручьёв образует полость, называемую калибром, каждая пара валков образует несколько калибров. Система последовательно расположенных калибров, обеспечивающая получение требуемого профиля заданных размеров, называется калибровкой.

а

б

Рис. 8.3. Прокатные валки: а – гладкий; б – калиброванный

 

Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки.

Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии. Начинается в горячем состоянии и проводится до определённой толщины заготовки. Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодном виде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячая обработка затруднена).

Основными технологическими операциями прокатного производства являются подготовка исходного металла, нагрев, прокатка и отделка проката.

Подготовка исходных металлов включает удаление различных поверхностных дефектов (трещин, царапин, закатов), что увеличивает выход готового проката.

Нагрев слитков и заготовок обеспечивает высокую пластичность, высокое качество готового проката и получение требуемой структуры. Необходимо строгое соблюдение режимов нагрева.

Основное требование при нагреве: равномерный прогрев слитка или заготовки по сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время с наименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива.

Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимости от температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марок углеродистой стали начинается при температуре 1200–1150⁰С, а заканчивается при температуре 950–900⁰С.

Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерное охлаждение приводит к образованию трещин и короблению.

При прокатке контролируется температура начала и конца процесса, режим обжатия, настройка валков в результате наблюдения за размерами и формой проката. Для контроля состояния поверхности проката регулярно отбирают пробы.

Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удаление поверхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю.

Процесс прокатки осуществляют на специальных прокатных станах.

Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, нагрев, термическая обработка, контроль и т.д.).

Форма поперечного сечения называется профилем проката. Совокупность профилей различной формы и размеров – сортамент.

В зависимости от профиля прокат делится на четыре основные группы: листовой, сортовой, трубный и специальный. В зависимости от того, нагретая или холодная заготовка поступает в прокатные валки, – горячий и холодный.

Листовой прокат из стали и цветных металлов подразделяется на толстолистовой (4–60 мм), тонколистовой (0,2–4 мм) и жесть (менее 0,2 мм). Толстолистовой прокат получают в горячем состоянии, другие виды листового проката – в холодном.

Прокатку листов и полос проводят в гладких валках.

Среди сортового проката различают:

• заготовки круглого, квадратного и прямоугольного сечения для ковки и прокатки;

• простые сортовые профили (круг, квадрат, шестигранник, полоса, лента);

• фасонные сортовые профили:

  • профили общего назначения (уголок, швеллер, тавр, двутавр);

  • профили отраслевого назначения (железнодорожные рельсы, автомобильный обод);

  • профили специального назначения (профиль для рессор, напильников).

Трубный прокат получают на специальных трубопрокатных станах. Различают бесшовные горячекатаные трубы диаметром 25–550 мм и сварные диаметром 5–2500 мм.

Трубы являются продуктом вторичного передела круглой и плоской заготовки.

Общая схема процесса производства бесшовных труб предусматривает две операции: 1 – получение толстостенной гильзы (прошивка); 2 – получение из гильзы готовой трубы (раскатка).

Сварные трубы изготавливают на трубосварочных агрегатах различными способами: печной сваркой, контактной электросваркой и другими из полос – штрипсов. Процесс изготовления трубы состоит из получения заготовки в виде свернутой полосы и сварки ее в трубу.

Особое место занимают станы спиральной сварки. Трубы получают завивкой полосы по спирали на цилиндрических оправках с непрерывной сваркой спирального шва автоматической сварочной головкой.

 Преимущества способа состоят в следующем: диаметр трубы не зависит от ширины исходного полосы, так как он определяется и углом подъема спирали; спиральный шов придает трубе большую жесткость; спирально-сварные трубы имеют более точные размеры.

Волочение

Сущность процесса волочения заключается в протягивании заготовок через сужающееся отверстие (фильеру) в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля. Схема волочения представлена на рис.8.4.

Волочением получают проволоку диаметром 0,002–4 мм, прутки и профили фасонного сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемых изделий. Волочение чаще выполняют при комнатной температуре, когда пластическую деформацию сопровождает наклеп, это используют для повышения механических характеристик металла, например, предел прочности возрастает в 1,5–2 раза.

Исходным материалом может быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали различного химического состава, цветные металлы и сплавы, в том числе и драгоценные.

Основной инструмент при волочении – волоки различной конструкции. Волока работает в сложных условиях: большое напряжение сочетается с износом при протягивании, поэтому их изготавливают из твердых сплавов. Для получения особо точных профилей волоки производят из алмаза. Конструкция инструмента представлена на рис. 8.5.

Рис.8.4. Схема волочения	Рис.8.5. Общий вид волоки

Волока 1 закрепляется в обойме 2. Волоки имеют сложную конфигурацию, ее составными частями являются: заборная часть I, включающая входной конус и смазочную часть; деформирующая часть II с углом в вершине α (6–18⁰ – для прутков, 10–24⁰ – для труб); цилиндрический калибрующий поясок III длиной 0,4–1 мм; выходной конус IV.

Технологический процесс волочения включает операции:

• предварительный отжиг заготовок для получения мелкозернистой структуры металла и повышения его пластичности;

• травление заготовок в подогретом растворе серной кислоты для удаления окалины с последующей промывкой, после удаления окалины на поверхность наносят подсмазочный слой путем омеднения, фосфотирования, известкования, к слою хорошо прилипает смазка и коэффициент трения значительно снижается;

• волочение, заготовку последовательно протягивают через ряд постепенно уменьшающихся отверстий;

• отжиг для устранения наклепа: после 70–85% обжатия для стали и 99% обжатия для цветных металлов;

• отделка готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины и др.).

Технологический процесс волочения осуществляется на специальных волочильных станах. В зависимости от типа тянущего устройства различают станы: с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепной, реечный); с наматыванием обрабатываемого металла на барабан (барабанный). Станы барабанного типа обычно применяются для получения проволоки. Число барабанов может доходить до двадцати. Скорость волочения достигает 50 м/с.

Процесс волочения характеризуется параметрами: коэффициентом вытяжки и степенью деформации.

Коэффициент вытяжки определяется отношением конечной и начальной длины или начальной и конечной площади поперечного сечения:

.

Степень деформации определяется по формуле

.

Обычно за один проход коэффициент вытяжки µ не превышает 1,3, а степень деформации ε=30%. При необходимости получить большую величину деформации производят многократное волочение.

Прессование

Прессование – вид обработки давлением, при котором металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие в матрице, соответствующее сечению прессуемого профиля.

Это современный способ получения различных профильных заготовок: прутков диаметром 3–250 мм, труб диаметром 20–400 мм с толщиной стенки 1,5–15 мм, профилей сложного сечения сплошных и полых с площадью поперечного сечения до 500 см².

Впервые метод был научно обоснован академиком Курнаковым Н.С. в 1813 году и применялся главным образом для получения прутков и труб из оловянисто-свинцовых сплавов. В настоящее время в качестве исходной заготовки используют слитки или прокат из углеродистых и легированных сталей, а также из цветных металлов и сплавов на их основе (медь, алюминий, магний, титан, цинк, никель, цирконий, уран, торий).

Технологический процесс прессования включает операции:

• подготовка заготовки к прессованию (разрезка, предварительное обтачивание на станке, так как качество поверхности заготовки оказывает влияние на качество и точность профиля);

• нагрев заготовки с последующей очисткой от окалины;

• укладка заготовки в контейнер;

• непосредственно процесс прессования;

• отделка изделия (отделение пресс-остатка, разрезка).

Прессование производится на гидравлических прессах с вертикальным или горизонтальным расположением плунжера мощностью до 10 000 т.

Применяются две метода прессования: прямой и обратный (рис.8.6).

При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении. При прямом прессовании требуется прикладывать значительно большее усилие, так как часть его затрачивается на преодоление трения при перемещении металла заготовки внутри контейнера. Пресс-остаток составляет 18–20% от массы заготовки (в некоторых случаях – 30–40%). Но процесс характеризуется более высоким качеством поверхности, схема прессования более простая.

 

а б

Рис.8.6. Схема прессования прутка прямым (а) и обратным (б)

методом: 1 – готовый пруток; 2 – матрица;

3 – заготовка; 4 – пуансон

При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение металла из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансона, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей. Обратное прессование требует меньших усилий, пресс-остаток составляет 5–6%. Однако меньшая деформация приводит к тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Конструктивная схема более сложная.

Процесс прессования характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом вытяжки, степенью деформации и скоростью истечения металла из очка матрицы.

При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию и имеет очень высокую пластичность.

К основным преимуществам процесса относятся:

• возможность обработки металлов, которые из-за низкой пластичности другими методами обработать невозможно;

• возможность получения практически любого профиля поперечного сечения;

• получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы;

• высокая производительность, до 2–3 м/мин.

Недостатки процесса:

• повышенный расход металла на единицу изделия из-за потерь в виде пресс-остатка;

• появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических свойств по длине и поперечному сечению изделия;

• высокая стоимость и низкая стойкость прессового инструмента;

• высокая энергоемкость.

Ковка

Ковка – способ обработки давлением, при котором деформирование нагретого (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота, или однократным давлением пресса.

Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях, перпендикулярных к движению деформирующего инструмента. При свободной ковке течение металла ограничено, частично, трением на контактной поверхности деформируемый металл – поверхность инструмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов.

Ковкой получают разнообразные поковки массой до 300 т.

Первичной заготовкой для поковок являются:

• слитки для изготовления массивных крупногабаритных поковок;

• прокат сортовой горячекатаный простого профиля (круг, квадрат).

Ковка может производиться в горячем и холодном состоянии.

Холодной ковке поддаются драгоценные металлы – золото, серебро; а также медь. Технологический процесс холодной ковки состоит из двух чередующихся операций: деформации металла и рекристаллизационного отжига. В современных условиях холодная ковка встречается редко, в основном в ювелирном производстве.

Горячая ковка применяется для изготовления различных изделий, а также инструментов: чеканов, зубил, молотков и т.п.

Материалом для горячей ковки являются малоуглеродистые стали, углеродистые инструментальные и некоторые легированные стали. Каждая марка стали имеет определенный интервал температур начала (1100–1300°С) и конца ковки (870–900°С), зависящий от состава и структуры обрабатываемого металла.

Различают ковку предварительную и окончательную. Предварительная (или черновая) ковка представляет собой кузнечную операцию обработки слитка для подготовки его к дальнейшей деформации прокаткой, прессованием и т.п. Окончательная (чистовая ковка) охватывает все методы кузнечной обработки, с помощью которых изделию придают окончательную форму.

В качестве оборудования применяются ковочные молоты и ковочные прессы.

Горячая объемная штамповка

Объемной штамповкой называют процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.

Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно изготовить приемами свободной ковки.

Объемную штамповку осуществляют при разных температурах исходной заготовки и, в соответствии с температурой, делят на холодную и горячую. Наиболее широкое распространение получила горячая объемная штамповка (ГОШ), которую ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения.

Исходным материалом для горячей объемной штамповки являются сортовой прокат, прессованные прутки, литая заготовка, в крупносерийном производстве – периодический прокат, что обеспечивает сокращение подготовительных операций.

Технологический процесс изготовления поковки включает следующие операции: отрезка проката на мерные заготовки, нагрев, штамповка, обрезка облоя и пробивка пленок, правка, термическая обработка, очистка поковок от окалины, калибровка, контроль готовых поковок.

Штамповку осуществляют в открытых и закрытых штампах. В открытых штампах получают поковки удлиненной и осесимметричной формы. В закрытых штампах – преимущественно осесимметричные поковки, в том числе из малопластичных материалов.

Штамповка жидкого металла является одним из прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать плотные заготовки с уменьшенными пропусками на механическую обработку, с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Технологический процесс штамповки жидкого металла объединяет в себе процессы литья и горячей объемной штамповки.

Процесс заключается в том, что расплав, залитый в матрицу пресс-формы, уплотняют пуансоном, закрепленным на ползуне гидравлического пресса, до окончания затвердевания.

Сопряжение пуансона и матрицы образует закрытую фасонную полость. Наружные контуры заготовки получают разъемной формой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной формой – при отсутствии выступов. Внутренние полости образуются внедрением пуансона в жидкий металл.

После извлечения из пресс-формы заготовку подвергают различным видам обработки или используют без последующей обработки.

Под действием высокого давления и быстрого охлаждения газы, растворенные в расплаве, остаются в твердом растворе. Все усадочные пустоты заполняются незатвердевшим расплавом, в результате чего заготовки получаются плотными, с мелкокристаллическим строением, что позволяет изготавливать детали, работающие под гидравлическим давлением.

Этим способом можно получить сложные заготовки с различными фасонными приливами на наружной поверхности, значительно выходящими за пределы основных габаритных размеров детали. В заготовках могут быть получены отверстия, расположенные не только вдоль движения пуансона, но и в перпендикулярном направлении.

Возможно запрессовывать в заготовки металлическую и неметаллическую арматуру.

Процесс используется для получения фасонных заготовок из чистых металлов и сплавов на основе магния, алюминия, меди, цинка, а также из черных металлов.

Холодная штамповка

Холодная штамповка производится в штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла.

Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения высококачественных заготовок небольших и точных из стали и цветных металлов. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости изготовления изделий. Возможность осуществления холодной штамповки и качество заготовок определяются качеством исходного материала. Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов.

Процессы холодной штамповки часто выполняют за несколько технологических переходов, постепенно приближая форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых изделий и осуществляя промежуточный отжиг для снятия наклепа и восстановления пластических свойств металла. В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов холодную штамповку делят на объемную и листовую.

 

Объемная холодная штамповка

Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Основными ее разновидностями являются: высадка, выдавливание, объемная формовка, чеканка.

Высадка – образование на заготовке местных утолщений требуемой формы в результате осадки ее конца (рис.8.7).

 Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка из черных или цветных металлов. Высадкой изготавливают стандартные и специальные крепежные изделия, кулачки, валы-шестерни, детали электронной аппаратуры, электрические контакты и т.д.

Рис.8.7. Схема высадки

 

Последовательность переходов изготовления деталей показана на рис.8.8: за три перехода (рис.8.8, а); за пять переходов (рис.8.8, б).

а б

Рис.8.8. Последовательность переходов изготовления детали

 

Высадка осуществляется на прессах, горизонтально-ковочных машинах, автоматических линиях, оснащенных холодновысадочными пресс-автоматами.

 Выдавливание – формообразование сплошных или полых изделий, благодаря пластическому течению металла из замкнутого объема через отверстия соответствующей формы.

Особенностью процесса является образование в очаге деформации схемы трехосного неравномерного сжатия, повышающего технологическую пластичность материала.

Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание (рис.8.9).

Выдавливание можно осуществлять и в горячем состоянии.

Она производится в открытых штампах, где излишки металла вытекают в специальную полость для образования облоя (рис.8.10, а), и в закрытых штампах, где облой не образуется (рис.8.10, б). Формовку в закрытых штампах применяют реже из-за больших сложности и стоимости получения заготовок точного объема, необходимости использования более мощного оборудования и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах получают в основном детали из цветных металлов.

Объемной формовкой изготавливают пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Холодная объемная формовка требует значительных удельных усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе деформации. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Для облегчения процесса деформирования оформление детали расчленяется на переходы, между которыми заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Каждый переход осуществляют в специальном штампе, а между переходами обрезают облой для уменьшения усилия деформирования и повышения точности размеров деталей.

а б в г

д е ж

Рис.8.9. Схемы выдавливания: а, б – прямого;

в, г – обратного; д, е – комбинированного; ж – бокового

 

Объемная формовка – формообразование изделий путем заполнения металлом полости штампа.

Схемы объемной формовки представлены на рис.8.10.

Заготовкой служит полоса или пруток, причем процесс штамповки может осуществляться непосредственно в полосе или прутке или из штучных заготовок.

В качестве оборудования используют прессы, однопозиционные и многопозиционные автоматы.

Чеканка – образование рельефных изображений на деформируемом материале.

Чеканка осуществляется в закрытых штампах на чеканочных фрикционных и гидравлических прессах.

а б

Рис.8.10. Схемы объемной формовки:

а – в открытых штампах; б – в закрытых штампах

 

При холодной штамповке коэффициент использования материала достигает 95%. При холодном деформировании формируется благоприятная ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках. Это позволяет получать конструкции с меньшими размерами и металлоемкостью, чем у конструкций, полученных обработкой резанием, не снижая при этом их надежность. Но для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производствах.

Листовая штамповка

Листовая штамповка – один из видов холодной обработки давлением, при котором листовой материал деформируется в холодном или подогретом состоянии.

Листовой штамповкой изготавливаются разнообразные плоские и пространственные детали – от мелких, массой от долей грамма и размерами в доли миллиметра (секундная стрелка часов), до средних (металлическая посуда, крышки, кронштейны) и крупных (облицовочные детали автомобилей).

Толщина заготовки при листовой штамповке обычно не более 10 мм, но иногда может превышать 20 мм, в этом случае штамповка осуществляется с предварительным подогревом до ковочных температур.

При листовой штамповке используют: низкоуглеродистые стали, пластичные легированные стали, цветные металлы и сплавы на их основе, драгоценные металлы, а также неметаллические материалы: органическое стекло, фетр, целлулоид, текстолит, войлок и др.

Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно автомобилестроении, ракетостроении, самолетостроении, приборостроении, электротехнической промышленности.

Основные преимущества листовой штамповки:

• возможность изготовления прочных легких и жестких тонкостенных деталей простой и сложной формы, получить которые другими способами невозможно или затруднительно;

• высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить механическую обработку;

• сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30 000–40 000 деталей в смену с одной машины);

• хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически выгодна и в массовом, и в мелкосерийном производствах.

Холодная листовая штамповка заключается в выполнении в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам придают форму и размеры детали.

Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий характерное изменение формы определенного участка заготовки.

Различают разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно завершается разрушением, и формообразующие операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе деформирования. При проектировании технологического процесса изготовления деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными эксплуатационными свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях труда.

Все операции выполняются при помощи специальных инструментов – штампов, которые имеют различные конструкции в зависимости от назначения. Штампы состоят из рабочих элементов – матрицы и пуансона, и вспомогательных частей – прижимов, направляющих, ограничителей и т.д. Пуансон вдавливается в деформируемый металл или охватывается им, а матрица охватывает изменяющую форму заготовку и пуансон.

Особенностью высокоскоростных методов штамповки является высокая скорость деформирования в соответствии с высокими скоростями преобразования энергии. Кратковременное приложение больших усилий разгоняет заготовку до скоростей 150 м/с. Последующее ее деформирование происходит за счет накопленной в период разгона кинетической энергии. Основными разновидностями высокоскоростной листовой штамповки являются: штамповка взрывом, электрогидравлическая и электромагнитная штамповка.

Контрольные вопросы

1. Что называют горячей и холодной деформацией?

2. Назовите основные виды обработки металлов давлением.

3. Поясните сущность процесса прокатки.

4. В чем отличительная особенность волочения?

5. При изготовлении чего применяется штамповка?