Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

зменшуються її поперечні розміри. У процесі протягування заготівка

витягується й дещо розширюється.

У процесі осаджування зменшується висота заготівки та збільшуються її

поперечні розміри. Осаджування лежить в основі виготовлення дисків,

фланців тощо.

262

Згинанням виготовляють гаки, скоби, якорі тощо. Під час цієї операції

заготівку згинають під необхідним кутом. Місце згинання нагрівають.

Рубанням заготівку поділяють на частини. У процесі рубання

використовують прямі та фасонні сокири.

Дрібні та середні поківки масою до 1 т виготовляють у ковальсько-пресових

цехах за допомогою пресів. У процесі виготовлення поківок є значні втрати

металу: чим складніша за формою поківка, тим більші втрати металу.

Штампуванням називають спосіб виготовлення виробів за допомогою

спеціальних форм-штампів. Кожний штамп призначений для отримання

виробів лише певної форми та розміру. Виріб, отриманий штампуванням,

називають штампівкою. Заготівки перед штампуванням можуть бути

нагрітими до певної температури обо ні. Залежно від цього штампування

називають гарячим або холодним. Залежно від форми заготівки штапуван-ня

буває об'ємне та листове.

Об'ємне штампування проводять у штампах, які складаються з двох частин:

верхньої та нижньої. У процесі об'ємного штампування метал переміщається

від центра заготівки до країв, обмежених стінками порожнини штампа (рис.

5.17). Внутрішня порожнина штампа є відбитком зовнішньої форми виробу,

який треба виготовити.

Порівняно з вільним куванням об'ємне штампування має такі переваги:

невеликі вимоги до фаховості працівників; отримані

І вироби (штампівки) мають менший припуск на оброблення різанням (у 3...4

рази); точніша форма штампівок; вища продуктивність (у 50... 100 разів)

тощо. Недоліками об'ємного штампування є обмеженність маси штампівок

(0,3... 100 кг, у деяких випадках — до 1,5 т); кожна нова штампівка потребує

виготовлення нового штампа (вартість штампів дуже велика і вони придатні

лише для данного виробу-штампівки).

Технологічний процес об'ємного штампування складається з таких операцій:

• різання вальцівок на заготівки певного розміру та маси;

• нагрівання заготівок;

• штампування нагрітих заготівок;

• обрізування зайвого металу (облоїв);

• правлення штампівок;

263

• термічна обробка;

• очищення поверхонь штампівок від окалини тощо.

Листовим штампуванням виготовляють плоскі й об'ємні тонкостінні вироби з

листів за допомогою штампів (рис. 5.17). Штампи складаються з матриці та

пуансона, які деформують заготівку: матриця надає заготівці зовнішньої

форми, пуансон — внутрішньої.

Листове штампування може бути гарячим і холодним. Найпоширеніше

холодне штампування з металевих листів товщиною (0,1...5) мм. Вироби,

товщина стінок яких перевищує 5 мм, одержують гарячим штампуванням.

Листове штампування — економічний і продуктивний спосіб виготовлення

як простих, так і складних за формою виробів.

Листовим штампуванням виготовляють деталі велосипедів, автомобілів,

мотоциклів, рами та кузови автомобілів, деталі приладів, літаків, вагонів

тощо.

Основний недолік листового штампування — значні відходи (до 40%).

1. Волочіння. Волочінням називають спосіб виготовлення виробів

протягуванням заготівки через спеціальний отвір.

Інструмент, з декількох отворів, називають волочильною дошкою, волокою

або матрицею. Волоки виготовляють з інструментальної сталі, твердих

сплавів і технічних алмазів. Для зменшення тертя в отворі волоки заготівку

змащують мінеральними мастилами, графітом або іншими речовинами.

Змащування зменшує витрати енергії та шорсткість поверхні виробу. На рис.

5.18.а схематично зображено процес волочіння: загострену заготівку 2

протягують через отвір волоки 1 і одержують виріб 3.

Виріб, отриманий волочінням, називають волочівкою. Волочінням

винотовляють тонкий дріт (діаметром 16...0,002 мм), прутки різного профілю

та труби з товщиною стінки (0,05... 15) мм. Вироби, виготовлені волочінням,

мають велику точність розмірів, а поверхня — малу шорсткість. У процесі

волочіння заготівка може бути гарячою або холодною.

У ході холодного волочіння кінець заготівки загострюють, щоб він вільно

пройшов через отвір волоки, і захоплюють кліщами волочильні. Внаслідок

тертя, яке виникає під час проходження металевої заготівки через отвір,

отриманий дріт наклепується, структура стає волокнистою. Щоб позбутися

наклепу дріт відпалюють.

264

У ході гарячого волочіння, яке проводять дуже рідко, заготівку попердньо

відпалюють для отримання дрібнокристалітної структури металу та

підвищення його пластичності, потім очищають від окалини в розчині

сірчаної кислоти та промивають у нейтралізуючому розчині.

Рис. 5.18. Схеми способів виготовлення виробів тиском: а — волочіння, б —

пресування.

Швидкість волочіння залежить від температури нагрівані заготівки та

діаметра виробу. Наприклад, якщо діаметр заготі

ки дорівнює 6 мм, то швидкість волочіння становитиме

,м

-1

5

якщо діаметр 2 мм, то швидкість волочіння —

.м,

-1

6616

Швидкість виготовлення труб і прутків значно менша.

2. Пресування. Пресуванням називають спосіб виготовлення виробів

витисканням заготівки із замкненої порожнини (контейнера) через отвір у

матриці.

У процесі пресування (рис. 5.18, б) конструкційний матеріал (заготівка)

переміщується лише в напрямі отвору. Отвори можуть мати різну форму. У

процесі пресування отримують вироби, поперечний переріз яких відповідає

формі отвору. Виріб, отриманий пресуванням, називають пресівкою.

Пресуваням виготовляють дріт з найменшим діаметром 5 мм, прутки

діаметром (5...250) мм, труби із зовнішнім діаметром (200.. .400) мм і

найменшою товщиною стінки 1,25 мм та інші вироби. Пресуванням

виготовляють вироби з міді, алюмінію, цинку, свинцю, магнію та їх сплавів, а

також із сталі. Заготівки з більшості металів і сплавів перед пресуванням

нагрівають.

Пресування є двох видів — однобічне та зустрічне.

265

У ході однобічного пресування (рис. 5.18) напрями руху (переміщення)

заготівки та пуансона збігаються. Нагріту заготівку 1 закладають у контейнер

2, куди вкладають також прес-шайбу 3. Пуансон 4 тисне на прейс-шайбу,

внаслідок чого метал заготівки витискається через отвір матриці 5 у вигляді

прутка (виробу) 6. Витиснути з контейнера весь метал не вдається. У ньому

залишається (8... 12)% маси заготівки. Однобічним пресуванням виго-

товляють труби і дріт.

У ході зустрічного пресування матриця поєднана з прес-шай-бою.

У процесі пресування заготівка залишається нерухомою, переміщується

матриця. Метал заготівки витискається назустріч руху матриці. Зустрічне

пресування потребує менших зусиль, ніж однобічне. Крім того, у контейнері

залишається невикористаним менший залишк металу (6... 10)%, ніж у процесі

прямого. Цим способом пресують труби та дріт.

Змінюючи матрицю, можна легко перейти від виготовлення виробів одного

профілю до виготовлення іншого профілю. Тому малі серії виробів з одним

профілем економічніше виготовляти пресуванням, ніж вальцюванням.

5.5. Технологія кольорових металів

5.5.1. Класифікація кольорових металів

Кольорові метали: мідь, алюміній, магній, титан, свинець, цинк, олово та ін.

незважаючи на їх відносно високу вартість, широко застосовуються в

промисловості. Однак у тих випадках, коли це можливо, кольорові метали

замінюють чорними чи неметалевими матеріалами — пластмасами, тощо.

Мідь за застосуванням в промисловості займає одне з перших місць серед

кольорових металів. Високі пластичність, електропровідність,

теплопровідність і підвищена корозійна стійкість — найцінніші властивості

міді. Внаслідок високої електропровідності мідь — прекрасний метал для

електромашинобудування, виготовлення кабелів і проводки для передачі

електроенергії. Мідь є основою в сплавах, що широко застосовуються в

машинобудуванні.

Алюміній — легкий метал, має високу пластичність, високу

електропровідність і на повітрі стійкий проти корозії (на поверхні алюмінію є

цільна оксидна плівка, що перешкоджає подальшій корозії). Його

застосовують для виготовлення електро-

266

проводів, посуду, для захисту інших металів і сплавів від окислення. В

машинобудівництві чистий алюміній використовують рідко через незначну

міцність. Він є основою для одержання багатьох сплавів, які широко

застосовуються у літакобудуванні, авто-, ва-гоно- і приладобудуванні, тощо.

Магній — дуже легкий метал. Основним недоліком магнію є його незначна

хімічна стійкість. Чистий магній як конструкційний матеріал не

застосовується. Він застосовується як основа для дуже легких

конструкційних сплавів.

Титан і його сплави мають високі антикорозійні властивості при значній

щільності. Широко застосовуються в машинобудуванні (літако- і

суднобудування, ракетобудування, хімічна і атомна промисловість).

Промислове виробництво титану почалося в 1946 р. і швидко зростає.

5.5.2. Технологія міді

Сировина. Мідні руди поділяються на дві основні групи: сульфідні, у яких

мідь зв'язана із сіркою в складі сульфідних мінералів, і окисленні, де мідь

входить до складу оксидів. Зустрічається самородна мідь (99,9% Си); однак

промислові руди із самородною міддю дуже рідкі (лише близько 5% усіх

світових родовищ міді) і промислове значення їх невелике.

На сульфідні руди приходиться близько 80% усіх світових запасів міді.

Найбільш розповсюджений у сульфідних рудах халькопірит (мідний

колчедан)

CuFe

. За ним йде халькозин (мідний блиск)

борнит

FeC

і рідше ковелін CuS. У таких рудах звичайним мінералом є

малахіт

CuC

)OH(Cu

іноді куприт

тенорит (мелаконіт) CuO, азурит

CuC

)OH(Cu

Середній вміст міді в промислових рудах (1...2)%, мінімальний — 0,5%;

руди, що містять 3% міді і більше, вважаються багатими. До складу

порожньої породи входять барит, кварц, кальцит і різні алюмосилікати.

На території країн СНД основні родовища мідних руд знаходяться на

Південному Уралі, в Казахстані, Закавказзі та Узбекистані, на Таймирі.

Сьогодні до 80% усієї міді одержують піроме-талургійним способом, тобто

виплавляють із сульфідного мідного концентрату (продукту збагачення руди

флотацією).

Близько 20% міді одержують з руд гідрометалургійними способом, при

якому руда обробляється розчинником, що переводить мідь у розчин. З

розчину мідь осаджують електролізом чи

267

хімічним способом як і при пірометалургійному способі. Мідні концентрати

піддають окисному випаленню і потім проплавляють у полум'яних відбивних

чи електричних печах. Іноді концентрати вишматовують, тобто брикетують,

спікають, потім плавлять у шахтних печах. У результаті плавки одержують

два розплави, що не змішуються; на поду печі — штейн, поверх нього —

шлак, в який переходить вся порожня порода й більша частина заліза в

окисленому стані. Таким чином, в основі піромета-лургійного способу

лежить поділ рідких фаз.

Штейн — складний сульфідний розплав, що містить (10...60)% Си, (15...50)%

Fe і близько 25% S(CuS + FeS складає в штейні (80...90)%, а також домішки

сульфідів інших металів (нікелю, свинцю, цинку) благородних металів і

шлаку — (4...5)%.

Переробка штейнів здійснюється в конверторах, де через рідкий штейн

продувають повітря, в результаті чого сірка вигоряє, а залізо шлакується.

Продуктами цієї переробки є чорнова мідь і конверторний шлак. Цей процес

називають бесемеруванням штейнів. Чорнова мідь містить (98,5...99,5)% міді

і до 1,5% різних домішок, головним чином, заліза, сірки і кисню, а також

нікелю, кобальту і багатьох інших металів, у тому числі срібла і золота. Вона

піддається вогневому й електролітичному рафінуванню.

Окремими складовими технології міді є флотація, обпалювання.

Флотація. Насамперед мідну руду піддають збагаченню способом флотації з

метою вилучення більшої частини порожньої породи й одержання мідного

концентрату. Для флотації руду дроблять і подрібнюють на кульових млинах.

До подрібненої до зерен розміром зерен (0,05...0,5) мм руди додають

маслянисті синтетичні речовини, мінеральні і рослинні олії, при цьому

крупинки сульфідної міді покриваються масляною плівкою, що сприяє

наступному вилученню їх від порожньої породи. Підготовлена руда з

бункера надходить у камеру флотаційної машини (рис. 5.19), яка

наповнюється водою через трубу 5.

По трубі 8 у машину безупинно надходить повітря, що через отвори у дні 1 і

тканину, що покриває дно, надходить у ванну. Пухирці повітря прилипають

до часток рудних мінералів, що погано змочуються, і виносять їх на

поверхню, утворюючи шар піни 3. Піну випускають через злив 4 і сушать. У

результаті одержують мідний концентрат, що утримує звичайно (15...20)%

Си. Частки порожньої породи добре змочуються водою й осідають у нижній

частині 7 машини, відкіля видаляються через отвір 6.

268

Рис. 5.19. Флотаційна машина

Концентрати обпалюють з метою окислення заліза, зменшення змісту сірки і

вилучення миш'яку, сурми й інших домішок, щоб при плавці одержати

багатий міддю штейн. Обпалюють концентрат в багатоподових печах з

механічним перегинанням чи у печах "киплячого шару".

Багатоподова піч має форму циліндра діаметром (6...7) м і висотою (9... 10) м.

Робочий простір печі розділений по висоті перекриттями із шамотної цегли;

у результаті утворюється кілька (7...12) внутрішніх подів і один зовнішній.

На рис. 5.20 наведено схему семиподової випалювальної печі (верхній під

призначено для сушіння концентрату). По осі печі проходить порожній

обертовий сталевий вал 2, до якого на рівнях кожного відділення

прикріплено перегрібані l із гребками Повітря для випалу надходить у піч

через вал і перегрібачі.

Рис. 5.20. Випалювальна піч.

269

Розігрів печі проводять за допомогою газових чи нафтових форсунок 3.

Перегрібачі поступово переміщують концентрат до пересипних отворів, що

розташовані біля вала, через які він зсипається на перший ряд, а там від

середини перегрібана до краю та через отвір попадає на другий ряд і т.д.

Найвища температура в печі (650...800) °С підтримується на

передостанньому поді внаслідок горіння сульфідів без витрати палива; на

нижньому поді недогарок (обпалений концентрат) охолоджується до 600 °С.

Гази, приходячи з пода на під через пересипні отвори, назустріч концентрату,

що пересипається, збіднюються киснем та збагачуються сірчистим газом

. З верхнього пода вони відходять у газопровід при температурі

(320...400) С, а потім направляються в пилоуловлювачі і на виробництво

сірчаної кислоти. Основні реакції при випалі міді такі:







SOOFeO

,Fe

2322

2532







SOCuOu

O,SC

2222

При випаленні мідних концентратів вилучається від 30 до 75 % сірки в

залежності від складу концентрату, його подрібненості й інших причин.

В останні роки почали застосовувати більш продуктивне випалення

концентратів у "киплячому шарі". На рис. 5.21 наведено схему печі такого

випалення.

Концентрат через отвір 8 подають у піч, а повітря вдмухують через отвір 7,

повітряну камеру 5 і насадки 4. Регулюванням тиску повітря досягають, щоб

зерна чи окатиші концентрату не лягали шаром на під 6, а утримувалися в

потоці повітря, утворюючи шар, подібний киплячій в'язкій рідині. Цей шар

називають киплячим шаром.

Таке "кипіння" в багато разів прискорює окислення в порівнянні з

випаленням у багатоподових печах, де зерна концентрату час від часу лише

перегрібаються. Недогарок самопливом пересипається через поріг З і

викидається з печі на плавку. Обпалені дрібні зерна і пил виносяться з газами

в циклони 1 і звідти по трубах 2 зсипаються вниз.

Плавлення міді у відбивних печах. Схему печі для плавки наведена на рис.

5.22. Шихта завантажується через отвори І у зводі, що розташовані над обома

бічними сторонами печі, і зсипається відкосами біля стін. На відкосах

переважно і плавиться шихта і стікає у ванну по поду печі. На відміну від

мартенівської і рафінувальної печей для міді, з яких метал випускається після

кожної плавки, у відбивних печах шихту плавлять безупинно до зносу зводу.

Стінки в них захищаються відкосами із шихти, а під — більш-менш товстим

шаром штейну, що постійно на ньому зберігається. Штейн час від часу

випускають у ківш, пробиваючи шпури (льотки) З, 4, що потім забивають

глиною. Шлак безупинно сходить через поріг у вікно 2.

Рис. 5.22. Відбивна піч для плавки міді

271

Сучасна відбивна піч має довжину робочого простору (32...36) м і ширину

(7...8) м. Останнім часом нижню частину печі і звід викладають з більш

стійких хромомагнезитових і магнезитових цеглин, причому звід роблять

підвісним.

Відбивні печі нагрівають мазутом, вугільним пилом чи природним газом.

Гази, що відходять, очищають від пилу, що потім надходить в оббіг (тобто

знову в піч), а гази використовують для обігріву парових казанів, що

знаходяться якнайближче до печі.

Головні реакції при плавці відбуваються між сульфідами

FeS,S

оксидами

OFe

що складають основну масу недогарку і флюсу.

Для утворення шлаку потрібна температура близько 1100 °С, а для утворення

штейну — (800...900) °С, тому тепловий режим печі визначається в першу

чергу умовами шлакоутворення. Основні реакції плавки такі:

SOOFeOFeCu

243322

426 



FeSFeSCu



FeOFe

OFe



SiOFeO

SiFeO

422





Сульфід

і сульфід заліза FeS складають основну масу

штейну, а силікат заліза — шлаку. Флюсом звичайно служить кремениста

золотовмісна руда, причому золото майже цілком витягається в штейн.

Продування мідних штейнів. Чорнову мідь одержують зі штейнів у

конверторах. Майже на всіх заводах працюють гори-

Рис. 5.23. Конвертер для виплавки міді: а — загальний вигляд, б —розріз

272

зонтальні конвертери. На рис. 5.23, а. наведено загальний вид такого

конвертора, а на рис. 5.23, б. — його розріз. Конвертор установлюють на

роликах 4 і за допомогою механізмів нахиляють для зливу шлаку чи чорнової

міді. Штейн заливають ковшами через горловину 1. У вогнестійкій

магнезитовій кладці 2 є фурми 5, через які під тиском (0,08...0,12) МПА

подається повітря.

Штейн продувають повітрям у присутності кварцового флюсу, при цьому

сульфід заліза (II) інтенсивно горить, утворюючи оксид заліза й оксид сірки

(IV) (сірчистий газ):

SOO

Fe,Fe

51 



Оксид заліза (II) шлакується з флюсом

SiOFeO

SiFe

422





а сірчистий газ виводиться по газопроводу на очищення від пилу і на

виробництво сірчаної кислоти. Шлак зливається з конвертора в ковші, а

потім надходить у відбивну піч для витягу міді. Після вигоряння і

шлакування заліза в конверторі залишається майже чистий сульфід міді

— білий штейн (80% Сu). На цьому закінчується перший період

плавки. Після видалення шлаку продувають білий штейн на чорнову мідь

(другий період). При цьому відбувається окислення сульфідів міді:

SOCuOCu

O,S

2222

51 



Оксид міді (І) реагує із сульфідом міді (І), у результаті чого виходить мідь:

SOCuCu

CuSO

222

62 



Тривалість бесемерування мідних штейнів складає в середньому (10...15)

годин, але може доходити і до двох діб при штейнах бідних міддю.

Окислення сірки і заліза забезпечує підтримку в конверторі температури в

межах (1250... 1350) °С.

Вогневе рафінування чорної міді роблять для видалення заліза, сірки й інших

домішок, що погіршують властивості міді. Операція вогневого рафінування

складається з розплавлення чорнової міді, окислення домішок, вилучення

розчинених газів і розкислення міді.

У відбивній печі розплавлена на поду чорнова мідь окислюється повітрям,

що вдмухується в неї через залізні труби. Оксид міді, що утворюється,

поширюється по всьому об'єму ванни і сприяє окисленню домішок. Оксиди

домішок спливають у шлак, що по нагромадженні скочують. Для вилучення

розчинених газів і відновлення оксиду міді після скочування шлаків у ванну

зану-

273

рюють сирі дерев'яні жердини і засипають шар дрібного деревного вугілля.

Сире дерево викликає бурхливу реакцію утворення пари води, що сприяє

перемішуванню міді і вилученню S02 і інших газів (це називається

дражнінням міді). Деревним вугіллям забезпечується відновлення міді з

оксиду (розкислення).

Якщо конверторна і рафінувальна дільниці на одному заводі, то в піч

занурюють рідку конверторну мідь. Вмісткість сучасних рафінувальних

печей досягає (250...400) т міді. Для використання теплоти газів, що

відходять, у рафінувальних печах також ставлять парові казани. Тривалість

рафінування при завантаженні в піч чушкової міді складає (16...26) годин, а

при заливанні міді — (10...14) годин.

Електролітичне рафінування міді здійснюють з метою одержання

найчистішої міді (99,99% Си і вище) для електротехнічної промисловості і

побічного витягу золота і срібла, селена, телуру, тощо, які майже завжди

містяться в конверторній міді і при вогневому рафінуванні цілком

залишаються в ній. Зараз електролізом рафінують близько 95% міді, що

виплавляється в нашій країні.

При електролітичному рафінуванні використовують мідь у вигляді плит-

анодів, відлитих після вогневого рафінування. їх завантажують в

електролітичні ванни, заповнені водяним розчином мідного купоросу із

сірчаною кислотою (близько 200 г/л), підключають до позитивного полюсу.

При увімкненні струму мідь з анодів розчиняється і стільки ж міді з розчину

наростає щільним шаром на катодах. Для перемішування і сталості

температури з одного кінця у ванну безупинно притікає електроліт,

підігрітий до (50...55) °С, а з іншого стікає через жолоб у бак.

Частина домішок (цинк, нікель, залізо й ін.) теж розчиняються з аноду,

забруднюючи електроліт. Інші нерозчинні домішки, у їхньому числі срібло,

золото, селен, телур у вигляді твердих часток, збираються на дні ванни,

утворюючи шлам, що періодично випускають, фільтрують і відправляють на

переробку для витягу всіх цінних складових частин. Вартість

електролітичного рафінування окупається рідкими металами, що випадають

у шлам.

Щільність струму при рафінуванні (100..200) А на 1 м2катодів, напруга —

(0,3...0,35) В; середній вихід шламу — (0,2...0,5)% від ваги анодів.

Тривалість розчинення анодів до змін їх — у середньому (20...ЗО) діб. Витрат

електроенергії на тонну катодної міді — (700... 1100) МДж.

274