История развития кузнечно-штамповочного производства

КОВКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Методика проведения работы

Получение чугуна и стали

Учебный фильм

В представленном учебном фильме рассматриваются процессы производства чугуна и стали кислородно-конвертерным и мартеновским способом, а также производство стали в электропечах. При этом демонстрируется добыча железных руд на железнорудных карьерах взрывным способом, измельчение и обогащение руды на обогатительной фабрике.

1. Изучить материалы лабораторной работы.

2. Дать краткое описание в хронологическом порядке истории получения чугуна.

3. Кратко изложить сущность бессемеровского, томасовского и мартеновского способа получения стали.

4. Дать краткую характеристику кислородно-конверторного процесса получения стали на основании материала лабораторного практикума и учебного фильма.

5. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что такое «крица», хронология и способ ее получения?

2. В результате чего происходит обезуглероживание чугуна?

3. В чем сущность пудлингового процесса и причины его появления?

4. Недостатки кричного и пудлингового процессов.

5. Чем отличаются бессемеровский и томасовский процессы получения стали и его авторы?

6. В чем особенность томасовского способа получения стали?

7. Сущность мартеновского процесса получения стали и его авторы.

8. Что такое конвертер история его появления?

9. Основные преимущества кислородно- конверторного процесса получения стали по сравнению с мартеновским.

Обработку металлов давлением можно отнести к древнейшим человеческим ремеслам, первым из которых являлось кузнечное дело. Так найденные металлические изделия из золота были изготовлены около восьми тысяч лет назад. Позднее были обнаружены изделия из самородного серебра и меди, при этом ученые установили, что они были получены ковкой. Отметим также, что кузнечное ремесло высоко ценилось в античном мире. Среди олимпийских богов почетное место занимал покровитель кузнецов Гефест – сын главного бога Зевса и его жены Геры, который считался богом огня и художественного ремесла. Гефест пользовался уважением в своем окружении, потому что был мастером высочайшего уровня, создавшим на Олимпе себе и другим богам дворцы из металла. Легендарный древнегреческий поэт Гомер посвятил много строф своей поэмы «Илиада» замечательным творениям этого мастера.

На Руси кузнечное дело возникло приблизительно в VI веке до н.э. Русские кузнецы могли ковать из металла мечи и серпы, топоры и ножи, кольчуги и шлемы, искусство изготовления которых поражает наших современников. В первой половине XVI века русские кузницы поставляли на вооружение кованые вручную пушки. В 70-х годах XVIII века в Москве было более трехсот кузниц, а кузнецы, медники, слесари, серебряники по числу дворов занимали в городе второе место после галантерейщиков. В каждом доме были вещи, изготовленные кузнецами – от тонкого обручального кольца до окованных железом ларцов, в которых хранили самое ценное. Профессия кузнеца была очень уважаемой в народе. Труд кузнецов прославлен во многих литературных произведениях. Ярким примером является история русского мастера Левши, подковавшего английскую блоху, которую описал писатель Н.С. Лесков. О принадлежности к кузнечному делу самих владельцев или их предков свидетельствуют такие распространенные в мире фамилии, как Смит, Шмидт, Ферран, Коваль, Ковач, Чанг, а в России очень часто можно встретить Кузнецовых, Ковалевых и т.д.

Хронологически историю кузнечного дела принято начинать с железного века, когда первобытный человек впервые стал изготавливать из него инструменты. Тогда люди заметили, что если на углях нагреть определенный тип породы до очень высокой температуры, то получится железо. Поэтому можно утверждать, что кузнечное дело очень долгое время оставалось основным способом обработки металла для создания орудий. В целях защиты от зверей и врагов, а также для охоты и обработки земли первобытный человек ковкой изготовлял из железа боевое оружие и орудия мирного труда.

Прошли сотни лет после того как были сделаны первые простейшие железные копья, наконечники стрел и иглы, прежде чем люди узнали о магнитных свойствах железа. Первый компас состоял из кованых железных игл, плавающих в круглом флаконе. Это стало величайшим историческим открытием и с этого момента моряки больше не нуждались ни в звездах, ни в солнце, чтобы проложить курс своих кораблей.

Кованое железо содержало низкий процент углерода, поэтому было менее прочным, чем сталь, но оно отличалось высокой пластичностью и прекрасно поддавалось кузнечной сварке. При правильном режиме сварки получалось бесшовное соединение между деталями. Железо, состоящее из нескольких слоев или покрытий, было гораздо прочней, чем однослойное и его применяли для изготовления пушек. При этом кузнецы всегда участвовали в изготовлении оружия.

Интересно, что технология изготовления наконечников для копий существенно отличалась в Древней Руси и Римской Империи. Русские копья служили для колющего удара и его старались делать как можно тверже, в отдельных случаях вваривая стальные лезвия. Наконечник изготавливали с заостренной частью, которую вгоняли в древко копья. Намного сложнее была технология ковки римских копий особой конструкции. Их изготовление требовало особого мастерства. Железный стержень отковывали достаточно тонким, чтобы он пружинил. Со стальным наконечником стержень был соединен кузнечной сваркой, а с деревянным древком скрепляющей муфтой. Такая конструкция позволяла легионерам получать преимущество в бою. Не стараясь попасть в незащищенные части тела противника, римляне целились в деревянные щиты врагов. Вытащить такое копье в бою из щита было практически невозможно. Тяжелое, длинное древко оттягивало руку щитоносца вниз вместе со щитом. Кроме того тонкий железный стержень копья, изгибался вниз и древко упиралось в землю, затрудняя продвижение вперед. Враг становился беззащитным, и римляне уничтожали его мечом.

Следует отметить, что раньше кузнец владел несколькими специальностями, мог делать доспехи, оружие, орудия труда, замки, подковы для лошадей и многое другое. Кузнец даже мог вырывать людям зубы. В деревне у кузнеца обычно была своя кузница, в которой продавались различные бытовые предметы, в ней он ремонтировал цепи, колесные диски, топоры и другие инструменты.

Существуют факты, свидетельствующие об обработке метеоритного железа такими кузнецами в Сибири в XVIII веке. В одной из деревень вблизи Красноярска жил необыкновенной физической силы кузнец, отличающийся исключительной любознательностью и умом, фамилия которого была Медведев. И вот до Петербурга дошли слухи, что этот кузнец располагает сведениями об «упавшей с неба» железной глыбе и кует из него различные изделия. По приказу Екатерины на поиски метеорита в Красноярск был направлен известный естествоиспытатель Петр Симон Паллас. Оказалось, что рассказы о «черном камне», который упал с неба на берег Енисея, были правдой. За кузницей Медведева находилась глыба, весившая около 40 пудов. Палласово железо, так его именуют сегодня, совершило путешествие из Красноярска в Петербург и попало в столицу в 1772 году.

На протяжении веков кузнецы искали способы упрочнения металла и изобрели закалку стали. Они же разработали различные способы изменения содержания углерода и других элементов в железе, что расширило возможности его применения. В результате появились углеродистые и легированные стали, а также разные сплавы, используемые и в настоящее время.

Много веков назад в Дамаске был изобретен особый способ производства клинков, называемых дамасскими. Процесс создания лезвия был сложным и длительным. Сталь трех видов складывали слоями и ковали. Иногда количество слоев доходило до 192 и более. Дамасская сталь имеет сложную структуру, а поверхность каждого клинка уникальна. Благодаря сочетанию трех сортов металла, края лезвий становились очень острыми, долго не тупились, и точить их было просто. Дамасский меч представлял собой произведение искусства и мог стоить целого состояния.

Только в начале XVI века в кузнечном деле стало применяться первое оборудование для ковки – механические рычажные молоты с массой падающих частей 70–150 кг, приводимые в движение водой. В местах, где нельзя было воспользоваться энергией воды, применялись также копровые или пестовые молоты. Бабу (подвижную часть таких молотов) поднимали за канат, перекинутый через блок 7–10 человек, затем канат отпускали и она падала, нанося удар по поковке.

В дореволюционный период необходимо отметить огромный вклад в развитие кузнечного ремесла, внесенный тульскими оружейниками. В начале XVII века существовали уже кованые пушки, пищали и другое оружие. Но развитие кузнечного дела сдерживалось низкой технической культурой, к тому же мастера-кузнецы не могли наладить массовое производство изделий, необходимых государству. По указу Петра I в Туле в 1712 году был построен первый государственный оружейный завод, на котором впервые была применена горячая штамповка железа, а затем была изобретена одноручьевая молотовая штамповка оружейных деталей из железа. Петр I перед этим посетил много городов и стран Европы, где изучал кузнечные заводы, приглашал в Россию мастеров-умельцев. До сих пор в Германии рассказывают о том, что при посещении кузнечных заводов особое удовольствие царю доставляло забираться на хвостовик больших механических молотов с приводом от водяного колеса и раскачиваться на нем, как на обычных качелях.

Бурное развитие металлургической и металлообрабатывающей промышленности вызвала промышленная революция XVIII века. Постройка железных дорог, паровозов, вагонов, пароходов шла очень быстрыми темпами и требовала соответствующих механизмов для изготовления тяжелых и больших поковок.

Промышленная революция отразилась и на создании оборудования для ковки. В 1842 году англичанин Несмит запатентовал паровой молот и организовал их производство в шотландском городе Эдинбурге. Вот как описывают появление первого парового молота. Во Франции строился огромный пароход "Великобритания". Необходимо было изготовить железный гребной вал невиданных тогда размеров (диаметром около 77 см). Но ни одна из фирм не в состоянии была выполнить заказ. Тогда обратились к изобретателю и «чертеж был готов спустя полчаса по получении писания…» – писал Несмит.

Молот состоял из наковальни, куда кладут заготовку для ковки; из громадного куска металла в форме молота, производящего удар и парового цилиндра, поршень которого, идя вверх, поднимал на определенную высоту соединенный с ним молот (боек). Пар выпускался, вследствие чего, молот под собственной тяжестью мгновенно падал вниз, ударяя по заготовке.

До изобретения парового молота большие изделия, наподобие якорей судов, изготавливались из отдельных маленьких частей, а потом сваривались вместе. Главная особенность паровой машины была в том, что оператор управлял силой каждого удара. Несмит любил хвастать возможностью молота, демонстрируя, как тот мог сначала разбить яйцо, помещенное в фужер, не повреждая стекло, а затем следовал удар в полную силу, который сотрясал здание. Преимущества его изобретения стали настолько очевидными, что вскоре молот Несмита можно было встретить во всех больших мастерских по всей стране. У этого молота энергия пара расходовалась только на подъем подвижных частей. Такие молоты назвали молотами простого действия. Они имели несовершенное управление и низкий коэффициент полезного действия.

За короткий промежуток времени конструкция парового молота значительно усовершенствовалась. Давление пара стало использоваться не только для подъема бабы, но и для нанесения ударов по поковке. Для парораспределения и управления молотом были сконструированы золотниковая коробка, механизм управления и приспособления, позволяющие наносить автоматические удары. Современный паровой молот, оснащен механизмом, обеспечивающим возможность нанесения единичных и автоматических ударов, и приводится в действие и паром и сжатым воздухом. Такой молот называют молотом двойного действия.

С развитием машиностроения в XVIII и XIX веках и увеличением размера и веса поковок повышался и вес падающих частей паровых молотов. В ряде стран были сооружены паровые молоты с массой падающих частей (50 – 100 т) и выше. Так, на заводе Круппа, в городе Эссене (Германия) был изготовлен паровой молот с массой падающих частей 75 т, на бывшем Путиловском и Пермском заводах (Россия) – 50 т, на заводе в городе Крезо (Франция) – 100 т, на заводе Вифлеемской компании (США) – 125 т.

Например, уникальная отливка – чугунный шабот (основание, наковальня) массой 600 тдля самого мощного в то время ковочного молота с массой падающих частей 50 т была изготовлена в России в 1875 году. Для отливки этого гиганта на Мотовилихинском заводе в Перми построили огромный литейный цех. Двадцать вагранок в течение 120 часов непрерывно плавили металл. Шабот остывал три месяца, затем он был вынут из формы и с помощью только одних рычагов и блоков передвинут к месту расположения молота.

Горячая объемная штамповка возникла из ковки, а ее элементы были известны издавна. Археологические находки показывают, как с помощью фигурных штампов-обжимок в древности делали венчики для стрел. Кроме того, во многих операциях ковки есть признаки объемной штамповки в виде применения вспомогательного инструмента, например, обжимок, подкладных штампов. Разновидность ковки, при которой сразу всю поковку получают ковкой в подкладном штампе, можно отнести и к объемной штамповке, производимой на оборудовании для ковки.

Однако как самостоятельный вид обработки металлов давлением горячая объемная штамповка, возникла значительно позднее ковки. В России горячая штамповка впервые была применена на Тульском оружейном заводе кузнецом-оружейником В. А. Пастуховым, который в 1817 году на винтовом рычажном прессе в подкладных штампах отштамповал первую партию курков. Приблизительно в тоже время на Сестрорецком заводе, расположенном под Петербургом, использовали процесс калибровки-выглаживания для откованных вручную железных деталей, а также производили вальцовку сабельных клинков и штыков.

В 1819 году на Тульском оружейном заводе уже применялась одноручьевая штамповка для изготовления ряда железных оружейных деталей. Причем для некоторых деталей применяли обрезку заусенца и последующую правку. Проводили даже повторную штамповку со вторичной обрезкой заусенца. Для штамповки использовали молоты простого действия, а для обрезки и прошивки отверстия – винтовые прессы.

Появление во второй половине ХIХ века паровых молотов способствовало коренному усовершенствованию объемной штамповки, а использование с начала ХХ века горизонтально-ковочных машин еще больше расширило область применения горячей объемной штамповки.

В XIX веке для горячей объемной штамповки начали применять приводные механические и пневматические молоты, а затем стали использовать кривошипные прессы и другие кривошипные кузнечно-штамповочные машины. В ХХ веке были сконструированы и получили широкое распространение специальные молоты для горячей штамповки: с шаботом, бесшаботные молоты с двухсторонним вертикальным или горизонтальным ударом, не требующие громоздких фундаментов и не вызывающие сотрясения зданий, молоты с нижними цилиндрами, листоштамповочные и др.

В России в настоящее время имеются специальные штамповочные молоты с массой падающих частей 30 т в Чебаркуле, а также 16 и 25 т – в Санкт-Петербурге на заводе турбинных лопаток, которые имеют фундаменты, оснащенные амортизаторами. Каждый молот обслуживает по 2 манипулятора. Первый манипулятор подает заготовку из печи на молот, второй – убирает штамповку с молота и подает на обрезной пресс.

В 1861 году появились гидравлические прессы – машины для ковки крупных поковок. Это оборудование работает медленнее паровых молотов, не приводит к сотрясению почвы и зданий, не вызывает шума при работе. Деформирование металла на прессе производится не ударом, а постепенным давлением. Гидравлический пресс быстро завоевал себе достойное место в кузницах, особенно при ковке крупных поковок из слитков, а в последние годы гидравлические прессы широко применяются и для горячей штамповки.

Благодаря своим высоким технологическим качествам, гидравлические прессы стали вытеснять сначала тяжелые, а затем и средние молоты. Изготовление тяжелых молотов прекратилось, а уже имеющиеся молоты заменялись прессами. Так, самый тяжелый молот, с массой падающих частей 125 т на заводе Вифлиемской компании в США был заменен прессом усилием 140 МН.

Сейчас в России имеется два гидравлических пресса усилием 750 МН. Один установлен на металлургическом заводе в Самаре, другой работает на Урале в Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении. Проектирование этих прессов осуществлялось под руководством профессора Б.В. Розанова. В настоящее время в России и в Китае ведутся работы по созданию прессов усилием 800 МН.

В 1975 году в Советском Союзе по заказу французской фирмы «Интерфорж» был изготовлен сверхмощный гидравлический пресс усилием 650 МН для штамповки сложных крупногабаритных деталей авиационной и космической техники. Для его установки при въезде в город Иссуар построили огромный производственный корпус. Контракт предусматривал изготовление пресса а также его монтаж и пуск силами советских специалистов. В ноябре 1976 года пресс отштамповал первую партию деталей. Французские газеты называли его «машиной века» и приводили любопытные цифры. Масса этого гиганта составила 17000 т, что в два раза превышает массу Эйфелевой башни, а высота цеха, где он установлен, равна высоте собора Парижской богоматери.

Несмотря на огромные размеры пресса-гиганта, процесс штамповки на нем характеризуется большой скоростью при необычно высокой точности. Накануне пуска агрегата французское телевидение показывало, как траверса массой 2000 т аккуратно раскалывает грецкие орехи, не повреждая их сердцевину, или задвигает поставленный вертикально спичечный коробок, не оставляя при этом на нем ни малейших повреждений.

Машиностроение требует более быстрого роста производства кузнечно-прессовых машин по сравнению и ростом производства металлорежущих станков, значительного увеличения выпуска кузнечно-прессового оборудования, особенно мощных гидравлических, механических, ковочно-штамповочных и чеканочных прессов, горизонтально-ковочных машин и высадочных автоматов.

Возникновение такого метода обработки металла, как листовая штамповка было связано с необходимостью производства одинаковых по форме изделий для домашнего обихода, а также для изготовления оружия. Начало листовой штамповки в России относится IX – X вв. Уже тогда в Киеве, Чернигове и других местах южной России такие изделия, как шлемы, мечи, клинки и другие предметы вооружения из железа и стали, изготовлялись методом штамповки при помощи бородков (пуансонов) и форм (матриц). К тому же периоду относятся ковка и чеканка цветных и драгоценных металлов для самых разнообразных целей.

Особом искусством русских мастеров того времени являлось изготовление посуды из тонких листов металла.

Чеканка первоначально производилась путем нанесения узора стальными пуансонами. В X веке появляется плоскорельефная чеканка с образованием рисунка, возвышающегося над плоскостью детали. С IX века развивается искусство выпуклой чеканки, известное преимущественно по новгородским образцам, выполненным мастерами – художниками чеканочного дела. Новгородцы тогда же на ручных рычажных прессах при помощи несложных штампов изготовляли оружие и другие изделия.

В Московском государстве в ХV–XVI веках для производства оружия (защитного вооружения – панцирей, шлемов и т.д.) применялись методы штамповки с использованием подкладных штампов.

К этому же периоду относится штамповка – чеканка монет в Московском государстве, в то время как за границей монеты еще отливались. Однако это производство не было массовым, им занимались лишь ремесленники, работая вручную.

Свое дальнейшее развитие и совершенствование листовая штамповка получила уже в период бурного технологического развития в девятнадцатом веке, когда требовалось увеличение производства оружия и предметов быта. Совершенствование оружейного производства требовало серийного производства деталей и, конечно, значительного повышения их качества, что естественно потребовало новых технологических подходов к их изготовлению.

В начале двадцатого столетия листовая штамповка изделий из металла стала ключевым звеном в развитии такой отрасли, как автомобилестроение. И уже в течение всего двадцатого века данный вид обработки неизменно участвовал в технологическом процессе производства тяжелого машиностроения: тридцатые годы – судостроение, пятидесятые – ракетостроение. И это не случайно, процесс листовой штамповки позволяет получить сложные по форме изделия с сохранением и упрочнением качественных характеристик металла. При этом практически отсутствуют ограничения по размерам изготавливаемых изделий и объемам производства. Сейчас листовая штамповка широко применяется почти во всех областях металлообработки.

Русские ученые, машиностроители и изобретатели внесли крупный вклад в теорию и практику ковочно-штамповочного производства и кузнечного оборудования. Так, русский кузнец Марк Васильевич Сидоров и оружейник Василий Антонович Пастухов уже в начале XIX в. применили на Тульском заводе процесс горячей штамповки железа. Широко известны такие русские ученые как П.П. Амосов, П.М. Обухов и другие. С именем П.П. Амосова, например, связано раскрытие тайны булатной стали. Булатные клинки ценились очень высоко во все времена, так Бируни пишет, что стоимость индийского меча была равна цене лучшего слона. Исследования Амосова показали, что булат оказался высокоуглеродной сталью без каких-либо примесей. Российских ученых Д.К. Чернова и С.И. Губкина считают создателями современной теории обработки металлов давлением и теории кузнечных машин. Большой вклад в теорию и технологию кузнечно-штамповочного производства внесли А.Ю. Аверкиев, А.Г. Навроцкий, И.М. Павлов, В.П. Романовский, М.В. Сторожев, Е.И. Семенов, Л.Г. Степанский, В.А. Тюрин, Я.М. Охрименко, А.Г. Овчинников, Е.П. Унксов и другие ученые.

Дальнейшее развитие кузнечно-штамповочного производства, как прогрессивного метода обработки металлов, связано с разработкой новых технологических процессов формоизменения металлов и с дальнейшим внедрением механизации, автоматизации и компьютеризации всех операций этого производства. Особое внимание следует обратить на разработку таких процессов кузнечно-штамповочного производства, которые обеспечивают получение чистовых деталей, требующих только минимальной механической обработки резанием, например, шлифовки.

Дата добавления: 2017-02-01