Технологические основы производства потребительских товаров

     На  стадии гомогенизации обеспечивается химическая однородность стекломассы, так как после процессов силикато- и стеклообразования стекломасса  представляет собой сотообразные или  пучкообразные сплетения отдельных  слоев,  различающиеся по химическому  составу. Решающим фактором химически  однородной массы является повышение  температуры варки (до 1400-1600°С). Химическая однородность зависит от степени однородности и постоянства состава сырьевых материалов, шихты и условий варки, в частности уровня температур на стадиях стеклообразования и гомогенизации.

     Студка  – охлаждение стекломассы до температуры, при которой она приобретает  оптимальный для принятого метода выработки стекла вязкости. На этой стадии стекломасса должна быть не только охлаждена до установленной  выработочной температуры, но и подведена  к местам формирования стекла.

     Для варки стекла применяют периодические  и непрерывно действующие ванные печи. В производстве строительного  стекла – мощные автоматизированные стекловаренные ванные печи непрерывного действия производительности по сваренной  стекломассе до 350 тонн в сутки, а  в последнее время – до 600 тонн в сутки.

     Стекловаренная  печь – главный агрегат в технологическом  процессе производства стекла. Изготавливают  печи из огнеупорных материалов. Печь имеет от 6 до 8 горелок. В качестве топлива  используется природный  газ. Максимальная ширина бассейна варочной части достигает 10 м, общая длина  – 65 – 70 м, глубина бассейна – 1,2-1,5 м.

     Шихту и стеклобой загружают через загрузочный карман, соединенный с бассейном печи. Перемещаясь вдоль печи, шихта под воздействием высоких температур превращается в стекломассу. Охлажденная до необходимой выработочной температуры стекломасса поступает в выработочный канал на формирование изделий.

     Формирование  стеклянных изделий может производиться  вытягиванием, прокатом, прессованием, выдуванием, итьем и комбинированными способами. Выбор метода выработки  зависит от их конфигурации. Сложные  изделия из двух и более деталей  изготавливают свариванием или  склейкой. Листовое стекло вырабатывают из вязкой стекломассы путем вытягивания или проката. При лодочном и безлодочном способе выработки стекла применяются машины вертикального вытягивания.

     Лодочный  способ: в выработочный канал, где  стекломасса охлаждена до 100°С, погружается  шатовый параллелепипед (лодочка) со сквозным продольным вырезом в виде щели. Стекломасса выдавливается  через щель лодочки, прихватывается к металлической затравочной  раме и оттягивается вверх с помощью  асбестовых валиков машины вертикального  вытягивания в виде плотной стеклянной ленты.

     Безлодочный способ: формируется со свободной  поверхности расплавленной стекломассы. Для этого в массу погружается  поплавок на определённую глубину, благодаря  чему создаётся направленный поток  стекломассы. При этом способе вытягивание  ленты производится сначала вверх, затем она перегибается через  вал, расположенный на некоторой  высоте над зеркалом стекломассы, и  далее вытягивается в горизонтальном направлении. За счёт глубины погружения поплавка регулируется толщина ленты: чем глубже погружен поплавок, тем  она тоньше.

     В нашей стране освоен способ непрерывно производства листового стекла (флоат-процесс). Сущность этого процесса состоит  в том, что определённая доза стекломассы, имеющей температуру 1050°С, поступает  из стекловаренной печи в прокатную  машину, а затем по наклонной плите  в специальную ванну на зеркальную поверхность расплавленного металла (олово) и, растекаясь, превращается в  ленту. Перемещаясь по расплаву, лента  проходит последовательно зону нагрева  огненной полировки и охлаждения. Нагрев ленты снизу осуществляется расплавленным металлом, сверху –  газом. Температура в зоне нагрева 1000-1050°С, благодаря чему, все неровности на ленте исчезают и толщина её становится одинаковой. На выходе из зоны охлаждения лента имеет температуру 600°С и направляется в отжигательную  печь. Для предупреждения окисления  олова во флоат-ванне поддерживают азотно-водородную защитную атмосферу, иначе на поверхности стекла будут  образовываться дефекты.

     Выработанное  любым способом стекло подвергается отжигу. При выработке стекло охлаждается  неравномерно; наружные слои остывают быстрее, внутренние – медленнее  из-за низкой теплопроводности стекла. В результате отформированных изделиях появляется внутренние температурные  напряжения, которые могут вызвать  разрушение изделий. Для их уменьшения изделия подвергают отжигу, нагревая до температуры 400-600°С и медленно охлаждают.

     3. Основы металлургии  и металловедения

     Металлургия – раздел материаловедения, охватывающий процессы получения металлов, изменения их химического состава, структуры и свойств, придания материалу определенной формы. К металлургии относятся процессы извлечения металлов (дробление, обогащение, окусковывание и др.), процессы извлечения металлов из руд и других материалов; очистка металлов от нежелательных примесей; производство металлов и сплавов; термическая, химико-термическая и термомеханическая, электрическая обработка; обработка давлением и литьем; поверхностное покрытие материалов или диффузионное внедрение и т. д.

     Металловедением называется наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.

     Характерные свойства металлов, например, высокая  прочность, пластичность, электро- и  теплопроводность и другие, обусловлены  их строением на межатомном и внутриатомном уровнях.

     Металлы являются телами кристаллическими, т. е. их атомы в занимаемом ими пространством расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга – сущность кристаллического строения металлов.

     Сплавы  – сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами. (При сплавлении компоненты доводят до плавления, а при спекании их порошки смешивают и подвергают давлению при высокой температуре).

     Сплавы  считаются металлическими, если их основу (свыше 50% по массе) составляют металлические  компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими  механическими свойствами по сравнению  с чистыми металлами. По этой причине  они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов.

     Железоуглеродистые  сплавы – стали  и чугуны.

     Чугун – сплав железа с углеродом (>2,14%С). Получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом при высокой температуре. Кокс, сгорая, образует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe₂O₃ → Fe₃O₄→ FeO →Fe. Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5% углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы. В зависимости от количества и формы связи углерода и примесей с железом, чугуны имеют разные свойства, в том числе цвет, подразделяясь по этому признаку на белые и серые.

     Сталь – основной металлический материал, что в первую очередь обусловлено комплексом механических, физико-химическим и технологических свойств. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

     Углеродистые  стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени  раскисления и структуре в  равновесном состоянии.

     По  содержанию углерода: низкоуглеродистые (<0,3%С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7% С), Высокоуглеродистые (>0,7% С).

     По  назначению: конструкционные (цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные) и инструментальные (для режущего, измерительного инструмента, штампов  холодного и горячего (до 200° С) деформирования.

     По  качеству: обыкновенного (до 0,06%S и 0,07%P), качественные (не более 0,04%S и 0,035% Р), высококачественные (не более 0,025%S и 0,025%Р). Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали во многом зависит от содержания газов и вредных примесей – серы и фосфора.

     По  степени раскисления: спокойные (раскисляют марганцем, кремнием, алюминием - содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения), полуспокойные (занимают место между спокойными и кипящими) и кипящие (раскисляют марганцем - перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, при затвердевании он удаляется в виде СО). Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

     Сталь получают из чугуна путем удаления из него части углерода и примесей. Существует три основных способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.

     Конвертерный  основан на продувке расплавленного чугуна в больших грушевидных сосудах-конвертерах сжатым воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси, переводя их в шлак; углерод выгорает. При малом содержании в чугуне фосфора конвертеры футеруют кислыми огнеупорами, например динасом, при повышенном – основными, периклазовыми. Соответственно выплавляемую в них сталь называют бессемеровской и томасовской. Конвертерный способ отличается высокой производительностью, обусловившей его широкое распространение. К недостаткам его относятся повышенный угар металла, загрязнение шлаком и наличие пузырьков воздуха, ухудшающего качество стали.

     Мартеновский способ осуществляется в специальных печах, в которых чугун сплавляется вместе с железной рудой и металлоломом (скрапом). Выгорание примесей происходит за счет кислорода воздуха, поступающего в печь с горючими газами и железной рудой в составе оксидов. Состав стали хорошо подается регулированию, что позволяет получать в мартеновских печах высококачественные стали для отечественных конструкций.

     Электроплавление  является наиболее совершенным способом получения высококачественных сталей с заданными свойствами, но требует повышенного расхода электроэнергии. По способу ее подведения электропечи подразделяются на дуговые и индукционные. Наибольшее применение в металлургии имеют дуговые печи. В электропечах выплавляют специальные виды сталей  - средне- и высоколегированные, инструментальные, жаропрочные, магнитные и др.

     Свойство  железоуглеродистых сплавов испытывать фазовые превращения при кристаллизации и повторном нагревании – охлаждении, изменять структуру и свойства под  влиянием термомеханических и химических воздействий и примесей-модификаторов  широко используется в металлургии  для получения металлов с заданными  свойствами.

     Основными способами модифицирования структуры  и свойств стали, применяемыми в  металлургии, являются:

      - введение в расплавленный металл  веществ, образующих тугоплавкие  соединения (карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AlN; оксиды – (Cr, Fe)₂О₃, (Al, Fe)₂О₃), являющиеся центрами кристаллизации;

      - введение легирующих элементов,  повышающих прочность кристаллических  решеток феррита и аустенита,  замедляющих диффузионные процессы  выделения углерода, карбидов и  движение дислокаций;

     - термическая и термомеханическая  обработка стали.

     Легирующие  элементы вводят в конструкционные  стали в количестве: Cr – 0.8 – 1,1%; Ni – 0.5 – 4,5%; Si – 0,5 – 1,2%; Mn – 0,8-1,8%. Элементы W – 0,5-1,2%; Mo – 0,15-0,4%; V – 0,1-0,3%; Ti – 0,06-0,12%; B – 0,002-0,005% и другие вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni и Mn для дополнительного улучшения ее свойств. Являясь карбидообразующими элементами, они одновременно служат добавками-модификаторами, обеспечивающими зарождение и измельчение при кристаллизации расплава.

     Термическая и термохимическая обработка являются распространенными способами модифицирования структуры и улучшения свойств стали. Различают следующие их виды: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Отжиг включает процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений.

     Гомогенизации подвергают слитки легированной стали  при 1100 -1200°С в течение 15-20 ч для выравнивания химического состава, уменьшения дендритной и внутрикристаллической ликвидации, вызывающей хрупкий излом при обработке стали давлением, анизотропию свойств, образование флокенов и крупнозернистой структуры.