Введение
Актуальность дипломного проекта. Железнодорожный транспорт Казахстана по своей протяженности и объемам перевозок занимает третье место в СНГ после России и Украины. При Советском Союзе ежегодно заводами выпускалось три млн. тонн колес, из них 200 тыс. тонн выделялось Казахской железной дороге.
На Нижнетагильском металлургическом комбинате по проекту индустриализации предусматривается выпуск ежегодно 205 тыс. тонн железнодорожных колес. Этого будет достаточно для республики.
Научная новизна и практическая значимость. 19 июня 2009 года в рамках межрегионального инвестиционного форума в Усть-Каменогорске АО «Казахстан Темир Жолы» (КТЖ) и KSP Steel подписали долгосрочный договор о гарантированной закупке рельсов.
Согласно условиям договора, предприятие с 2012 года будет поставлять железной дороге 100 тысяч тонн рельсов в год. До этого срока отечественный производитель обязан подготовить производственные мощности, приобрести необходимое оборудование, получить соответствующие сертификаты качества и выпустить рельсы согласно общепринятым мировым техническим характеристикам.
Договор заключен в рамках программы увеличения доли казахстанской составляющей в объеме товарно-материальных ценностей, закупаемых для нужд КТЖ и дочерних предприятий на 2009-2013 годы. Предусмотрено увеличение заказов с 16,6 миллиарда тенге в 2009 году до 174 миллиардов тенге к 2013 году. При этом доля казахстанского содержания увеличится с 70% до 95%. Всего в рамках программы заключено 54 меморандума с крупными промышленными предприятиями и предпринимательскими организациями республики.
Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. Сейчас АО «Казахстан Темир Жолы» приобретает железнодорожные колеса в России. Однако, по словам господина Султанова (вице-президент КТЖ), с этим имелись проблемы - их снабжали по остаточному принципу и по достаточно дорогой цене. Если это производство будет запущено, спрос на его продукцию будет обеспечен, считают в «КТЖ»: во-первых, железная дорога Казахстана - достаточно развитая сеть, во-вторых, рассматривается новый проект «Восток - Запад», это строительство двух новых веток по направлению Жезказган - Бейнеу. С другой стороны, отечественные рельсы будут иметь конкурентоспособную цену. Главное, подчеркнул вице-президент «КТЖ», они соответствуют техническим спецификам, а это - основное условие, то есть рельсы будут конкурентоспособны и по качеству. И в этом случае национальная компания может проводить прямые закупки у отечественных предприятий, ведь цель меморандума, подписанного областью и «КТЖ», - увеличение казахстанской доли в закупаемой компанией железнодорожной продукции.
Производство железнодорожных и других типов рельсов сосредоточено на специализированных рельсобалочных станах.
Предлагаемая технология производства железнодорожных рельсов обеспечивает заметное повышение их конструкционной прочности, а следовательно, и эксплуатационной стойкости. Он применим для изготовления рельсов всех типоразмеров. Способ может быть реализован на существующем оборудовании металлургических предприятий без больших перестроек и капитальных вложений и без снижения производительности их изготовления.
Цель, задачи и объект дипломного проектирования. Целью дипломного проектирования является производство железнодорожного профиля.
Задачами дипломного проектирования является:
разработка схемы расположения основного оборудования колесобандажного стана;
кинематический расчет двигателя;
расчет выбора подшипника проектируемого узла;
расчет энергосиловых параметров и кинематических параметров;
разработка основных мероприятий по охране труда и безопасности жизнедеятельности в рельсобалочном цехе;
технико-экономическая оценка предлагаемых проектных решений.
Объектом дипломного проектирования является участок колесобандажного цеха, профиль железнодорожных колес.
Теоретическая и методологическая основа. При расчете калибровки прокатных валков использовались основные положения теории прокатки, как раздел механики деформируемого твердого тела. Расчет усилий осуществлялся по формулам Целикова А.И. и Чекмарева А.П.
Практическая база. За практическую базу написания дипломного проекта
взята технология производства рельсов ОАО «Нижнетагильского металлургического
комбината» - одного из крупнейших металлургических комплексов России,
крупнейшее в мире предприятие по производству различного вида железнодорожных
рельс.
1. Организационная часть
.1 Общее описание цеха
вагонный колесо упрочнение подшипник
Колёсобандажный цех
В колесобандажный цех входят колесопрокатный и бандажный станы. Проектная мощность колесопрокатного стана- 205 тысяч тонн проката в год. Его специализация - производство цельнокатаных железнодорожных колес и заготовок колес для тепловозов, электровозов, вагонов метрополитена, железных дорог узкой колеи, кранов, тележки другого оборудования.
Проектная мощность бандажного стана- 148 тысяч тонн проката в год. Специализация - производство бандажей для локомотивов, вагонов для железных дорог широкой колеи, вагонов метрополитена, трамваев, а также различных колец простой и сложной конфигурации для машиностроения.
Колесобандажный цех представляет собой комплекс в составе двух отдельных станов: колесопрокатного и бандажного.
Специализация - выпуск цельнокатаных железнодорожных колес и заготовок колес для подвижного состава и кранового машиностроения.
Исходная заготовка - круглая непрерывно-литая заготовка диаметром 430 мм.
Состав оборудования:
заготовительный участок с шестью пильными установками для порезки на штучные заготовки, обеспечивает заготовками колесопрокатный и бандажный станы;
печной участок в составе двух кольцевых печей с вращающимся подом;
прессо-прокатный участок в составе пресса усилием 3000 т для обжатия и калибровки заготовки, пресса усилием 500 т для прошивки отверстия, пресса усилием 7000 т для формирования ступицы с отверстием и прилегающей к ней части диска, семивалкового прокатного стана для выкатывания обода с гребнем и прилегающей к ободу части диска, пресса усилием 3000 т для калибровки колеса, выгибки диска и нанесения маркировки;
в 2005 году введен новый прессо-прокатный участок производительностью 630000 тысяч колес в год в следующем составе:
установка для гидрослива окалины
три пресса с суммарным усилием 19 тыс. тонн
колесопрокатный стан
маркировочная машина
система автоматического замера геометрических параметров и регулировки режимов обработки;
С освоением нового прессо-прокатного участка оборудование старого ППУ будет выведено из эксплуатации.
участок термической обработки в составе двух кольцевых печей с вращающимся подом для нагрева под закалку, шести закалочных горизонтальных столов, 48 колодцевых отапливаемых печей для отпуска колес садкой по 6 колес в стопе;
участок механической обработки колес в составе станков модели 1В502, 1В503, М153, VDM 120-12;
в 2005 году введен в эксплуатацию участок полнопрофильной механической обработки колес с производственной мощностью 180 000 шт. в год в следующем составе:
две роботизированные линии, включающие 7 станков полнопрофильной обработки колеса
станки для балансировки колес и расточки отверстия в ступице;
участок приемки колес в составе двух стендов с установками УЗК, стенды вихретокового контроля.
в 2004 году введена вторая линия выходного контроля колес производительностью 300 тысяч штук в год в следующем составе:
оборудование для дробеструйной обработки
оборудование для замера твердости
установка ультразвукового контроля колес
участок покраски колес;
Бандажный стан
Специализация - выпуск бандажей для подвижного состава и заготовок колец различной конфигурации для машиностроения.
Исходная заготовка - круглая непрерывнолитая заготовка диаметром 430 мм.
Состав оборудования:
печной участок в составе методической и двух камерных печей для нагрева заготовок;
прессо-прокатный участок в составе пресса усилием 3200 т для осадки заготовки и прошивки отверстия, чернового стана для предварительной раскатки заготовки, чистового стан для раскатки бандажей и колец до требуемых размеров и формы, пресса усилием 400 т для нанесения маркировки;
участок замедленного охлаждения для противофлокенной обработки бандажей и колец из флокеночувствительной стали;
участок термической обработки в составе 16 печей шахтного типа для нагрева под закалку и отпуск, специальных закалочных баков;
два стенда ультразвукового контроля бандажей.
Производственная мощность, тыс.т в год:
колесопрокатного стана - 205
бандажного стана - 148
По пропускной способности заготовительного участка цеха в составе 6
пильных установок производственная мощность цеха составляет 235 тыс. тонн в
год.
1.2 Технология упрочнения железнодорожных колес
Содержание водорода в жидкой колесной стали может достигать 7-8 см3/100г металла. В этой связи колесный металл является флокеночувствительным. Приведена макроструктура обода и ступицы колеса, пораженных флокенами. Противофлокенная термическая обработка осуществляется как специальная операция в общем технологическом процессе производства колес.
В мировой практике производство железнодорожных колес технология противофлокенной термической обработки вводиться к необходимости изотермической выдержки различной продолжительности при субкритических температурах с последующим замедленным охлаждением. Протифлокенная термическая обработка заключается в переохлаждении колес после их изготовления до температуры интервала, обеспечивающего протекание превращения переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь, растворимость водорода при этом значительно уменьшается в связи с изменением кристаллической решетки- ГЦК в ОЦК.
Этот интервал составляет 450-550 ºС. Для повышения диффузионной подвижности водорода колеса нагревают до субкритических температур (650ºС) и выдерживают при этой температуре не менее 4,5 ч. Продолжительность изотермической выдержки должна определиться содержанием водорода в данной плавке.
Новые прессо-прокатные линии оборудованы конвейерными печами для осуществления противофлокеной термической обработки. Длина туннельной печи 125 м. Колеса, подвешенные на крюки, проходят через печь с определенной скоростью, что и обеспечивает необходимую изотермическу выдержку.
На диффузионную подвижность водорода большое влияние оказывает величина водопроницаемости. Проницаемость и коэффициент диффузии водорода в значительной степени при постоянной температуре определяются структурным состоянием, степенью ее дефектности, природой и характером распределения неметаллических включений, и , наконец, плотностью материала, т.е. наличием пористости. Все это имеет принципиальное значение при разработке режимов противофлокенной термической обработки железнодорожных колес.
Экспериментальные данные по изменению потока водорода в зависимости от температуры раздельно для проницаемости, осуществляемой через объем зерен (транскристаллитная диффузия), и по их границам (межкристаллитная диффузия). Полученные результаты свидетельствуют о том, что во всех опробованных вариантах водопроницаемость колесной стали обусловлена преимущественным развитием межкристаллитной диффузии.
Анализ результатов свидетельствует о существенном влиянии температуры предшествующей термической обработки на различную меру развития диффузии по транс- и межкристаллитному механизму.
Величина зерна исследованной стали после нагрева до температуры 760, 850 и 1000ºС, выдержки при этих температурах 30 минут и охлаждение до 700ºС с печью составила соответственно 6-8,6-7, и 2- балла. С повышением температуры аустенитизации увеличивается общее количество и толщина сетки структурно свободного феррита, расположенного по границам зерен.
Максимальное значение проницаемости за счет развития транскристаллитной диффузии наблюдается для стали, предварительно нагретой до 850ºС, а минимальное в случае нагрева стали до 1000ºС.
Межкристаллитная диффузия и ее вклад в значения суммарной проницаемости усиливается по мере снижения температуры аустинитизации изменяется аналогично проницаемости, реализуемой по границам зерен.
Технологических температур в зависимости от структурного состояния стали. Зависимость изменения коэффициента диффузии водорода (интегрального) в функции температуры представлена. Различия в коэффициенте диффузии водорода для трех состояний стали начинают существенно проявляться с температуры 550-500 ºС и коэффициента диффузии водорода в колесной стали получены после предварительной аустинитизации при температуре 760ºС.
Приведенные выше результаты легли в основу разработки нового режима противофлокенной обработки колес. На настоящий момент не существует единой точки зрения на физику процесса вскрытия внутренней полости. По разному трактуются эпюры осевых, радиальных и тангенциальных (раскручивающих, направленных по касательной) напряжений. Согласно одной теории в основе лежит твердое (хрупкое) разрушение внутреннего слоя давлением внешних слоев, согласно другой теории в основе физики процесса лежит пластическая деформация.
Наибольшее распространение получили прошивные станы(рабочие клети) с бочкообразными валками. Двухопорное крепление валков на таких станах позволяет применять их для получения гильз не только мелких размеров (диам. до 140 мм), для прокатки которых используют также станы с дисковыми и грибовидными валками, но и для гильз более крупных профилей с максимальным диам. до 630 мм. Прошивка гильз больших размеров сопровождается высокими давлениями на валки и консольное крепление валков не может быть надежным. Конструкция рабочей клети прошивного стана в значительной мере определяется конкретным назначением стана. В случае использования его только для получения толстостенных гильз рабочая клеть оборудована двумя вспомогательными холостыми валками или одним вспомогательным валком и неподвижной проводкой (линейкой). При необходимости получения на стане тонкостенных гильз клеть имеет две неподвижные проводки - линейки, плотно прилегающие к рабочим валкам. В этом случае необходимость плотного прилегания линеек к рабочим валкам диктуется тем, что тонкостенные гильзы характерны малой устойчивостью по поперечному сечению и металл может затекать в щель между рабочие валком и инструментом, ограничивающим поперечную деформацию. Если этим инструментом является вспомогательный валок, то щель оказывается значительной; применение линеек позволяет избежать больших зазоров. В то же время прошивка толстостенных гильз вследствие их большой жесткости по поперечному сечению может протекать успешно даже при значительных зазорах между рабочим и вспомогательным валком.
Применение вспомогательных валков целесообразно, так как это обеспечивает меньшее осевое скольжение металла. Кроме того, заметно сокращается расход инструмента, особенно при прокатке высоколегированной стали, когда стойкость линеек невелика. Важной характеристикой рабочей клети прошивного стана является возможность изменения угла подачи применением разного наклона рабочих валков. В станах старой конструкции этот угол не регулировался и находился в пределах 4°30'-6°30\ В рабочих клетях, созданных в более поздний период, как правило, предусматривается регулирование угла подачи. Это хотя и усложняет конструкцию рабочей клети, но целиком оправдывает себя, так как значительно повышает маневренность стана, необходимую при широком сортаменте труб как по размерам, так и по маркам стали. Современные рабочие клети прошивных станов (рис. 24) имеют массивную литую станину коробчатой формы со съемной крышкой. Внутрь станины закладываются пустотелые цилиндрические барабаны с проемами, в которых помещаются подушки рабочих валков. Барабаны могут поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной оси прошивки, изменяя тем самым угол подачи. При- вод для поворота барабанов может применяться разных конструкций. В зарубежных конструкциях для поворота барабанов