Основные сведения о производстве чугуна

 

Материалы. Для выплавки чугуна в доменных печах необходимы железная руда, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Руда. Железо составляет более 5 % земной коры. В природе оно находится в виде окислов, входящих в состав различных минералов. Руда состоит из минералов и пустой породы (песок, глина). В руде присутствуют такие примеси как фосфор, кислород, водород и азот. Они называются вредными, поскольку ухудшают свойства выплавляемого чугуна и частично удаляются до плавки. Промышленная руда – горная порода, из которой при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы. Промышленное содержание железа в рудах – 30-50 %, меди – 3-5 %. Богатые железные руды – красный (Fe₂O₃) и магнитный (Fе₃O₄) железняк – содержат до 60-70 % железа. Перед плавкой руду обогащают. Пустая порода удаляется путем дробления, промывания. После обогащения железорудный концентрат подвергают окускованию двумя способами. Агломерация заключается в спекании при 1300-1500 °С шихты, состоящей из крупных фракций концентрата, известняка, кокса и влаги. Окатывание применяют для обработки тонко измельченного концентрата: во вращающихся барабанах шихта приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. После этого окатыши сушат и обжигают.

Флюсы. Пустая порода состоит, в основном, из кислого окисла кремния (SiO₂) и нейтрального окисла алюминия (Al₂O₃). Для нормальной плавки необходимо, чтобы соотношение кислых и основных окислов в печи было одинаковым: в этом случае образуются легкоплавкие соединения с хорошей текучестью – шлаки. В печь загружают флюсы – обычный известняк СаСО₃ или доломитизированный с добавкой MgСО₃. При их термическом разложении образуются основные окислы и химический состав шлака выравнивается.

Топливо. Для доменной плавки требуется твердое неспекающееся топливо, которое служит для нагрева и расплавления шихты, а также химическим реагентом для восстановления окислов железа, примесей из руды и пустой породы. Обычно применяют кокс, который получают сухой перегонкой каменного угля при 1000 °С без доступа воздуха. При нагревании из него выделяются газообразные продукты, он размягчается и превращается в пористую массу – кокс. Требования к качеству кокса: содержание золы (8-10 %), серы (до 2 %) и фосфора (до 0,2 %).

Огнеупорные материалы. Плавка ведется при высоких температурах. Внутреннюю облицовку (футеровку) печей делают из огнеупорных материалов. Они делятся на кислые, основные и нейтральные в зависимости от того, какие окислы преобладают в их составе. Динасовый кирпич на 95 % состоит из кислого кремнезема SiО₂ (огнеупорность до 1700 °С); доломитовый, магнезитовый кирпич содержат основные окислы СаО и MgO (огнеупорность до 2000 °С); нейтральный шамотный кирпич – до 40 % Аl₂O₃ и 60 % SiО₂ (огнеупорность до 1750 °С).

Доменный процесс получения чугуна. Шихта (железорудный концентрат и марганцевая руда, кокс и флюсы) медленно опускается вниз навстречу потоку газов и постепенно нагревается (рис. 8.1).

Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса вступает в реакцию с кислородом воздуха и сгорает с образованием углекислого газа и выделением большого количества тепла (Q):

С + О₂ = СО₂ + Q.

Температура в этой зоне печи достигает 2000 °С. Углекислый газ поднимаясь вверх реагирует с новыми порциями кокса. Реакция идет с образованием угарного газа и поглощением тепла:

СО₂ + С = 2СО – Q.

При 400-600 °С в верхней части печи окись углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихте:

2СО = СО₂ + С.

Восстановление железа. Восстановление оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄ происходит путем последовательного отщепления кислорода:

Fе₂О₃ ® Fe₃O₄ ® FеО ® Fе.

Процесс восстановления железа газами (окисью углерода, водородом) называют косвенным, твердым углеродом – прямым. Окислительно-восстановительные реакции представлены ниже:

3Fе₂О₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂ 3Fе₂О₃ + С = 2Fe₃O₄ + СО

Fе₃О₄ + СО = 3FеО + СО₂ Fе₃О₄ + С = 3FеО + СО

FеО + СО = Fе + СО₂ FеО + С = Fе + СО.

Косвенное восстановление железа начинается при прогреве шихты до 600 °С и интенсивно протекает при 750-900 °C. Из руды образуется твердое губчатое железо. Частично закись железа FеО восстанавливается сажистым углеродом и твердым углеродом кокса.

Образование чугуна происходит при температуре 1000-1100 °C путем насыщения твердого железа углеродом при взаимодействии с окисью углерода и углеродом кокса, с образованием карбида Fe₃C:

2Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ 3Fe + C = Fe₃C.

Твердое железо переходит в жидкое состояние. Стекая по кускам раскаленного кокса, дополнительно насыщается углеродом (до 4 %), кремнием, марганцем, фосфором и в жидком виде накапливается в печи.

Кремний восстанавливается твердым углеродом из пустой породы, где находится в виде SiO₂. Реакции идут с поглощением тепла:

SiO₂ + 2С = Si + 2СО SiO₂ + 2C + Fe = FeSi + 2CO.

Mарганец содержится в руде в виде окислов и карбонатов (MnO₂, Mn₂O₃, MnCO₃) и восстанавливается до MnO газами с выделением тепла. Далее MnO восстанавливается до Mn углеродом. Часть марганца растворяется в железе, часть в виде MnO переходит в шлак:

МnO + С = Мn + СО.

Одновременно идет взаимодействие марганца с твердым углеродом с образованием карбида Mn₃C, который растворяется в железе.

Фосфор содержится в руде в виде фосфатных соединений. Фосфид железа (Fe₃P) и фосфор восстанавливаются как окисью углерода, так и твердым углеродом. Они полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в руде в виде органической серы и соединений. Она летуча, удаляется при нагреве шихты, частично, в виде S и FeS, растворяется в железе.

Шлакообразование. При термическом разложении известняка (флюса) образуется оксид кальция (CaO) и углекислый газ:

CaCO₃ ® CaO + CO₂.

Оксид кальция взаимодействует с твердой пустой породой и образует шлак, который содержит силикат и алюминат кальция:

CaO + SiO₂ = CaSiO₃ CaO + Аl₂O₃ = CaAl₂O₄.

Удаление серы в шлак также происходит при взаимодействии с продуктами термического разложения известняка:

CaO + FeS = CaS + FeO.

Кроме того, в шлаке содержатся окислы SiO₂, MnO, Аl₂O₃, FeO а также CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания вниз. Он легче чугуна, поэтому скапливается на поверхности чугунной ванны. По мере скопления чугун и шлак выпускают из печи. В ковшах емкостью до 140 тонн чугун транспортируется в сталеплавильный цех для передела в сталь или в литейный цех на разливочные машины. Шлак для удобства использования подвергают мокрой грануляции: под действием струи воды он рассыпается на мелкие гранулы.

Продукты доменной плавки. В доменных печах получают чугун разного химического состава. Передельный – используют для выплавки стали в конвертерах или мартеновских печах. Он бывает коксовый, фосфористый и высококачественный. Содержание: 4 % C; 0,3-1 % Si; 0,2-1 % Mn; 0,15-0,3 % P и 0,03-0,07 % S. По содержанию фосфора чугуны делятся на классы, по сере – на категории. Литейный чугун используют для производства литых деталей. Содержит до 3 % кремния для увеличения жидкотекучести. Доменные ферросплавы – применяют для легирования и раскисления стали. К ним относятся: доменный ферромарганец (70-75 % Mn и до 2 % Si); доменный ферросилиций (9-13 % Si и 3 % Mn); зеркальный чугун (2 % Mn и Si).

Побочные продукты доменной плавки. Гранулированный шлак используют для производства цемента, строительных кирпичей и блоков, щебня, шлаковаты и других строительных материалов. Применяются литые шлаковые изделия. Колошниковый газ содержит горючие составляющие: окись углерода и водород. После очистки от пыли используется для нагрева воздуха (в воздухонагревателях) и как топливо.

Технико-экономические показатели: коэффициент использования полезного объема печи – отношение полезного объема к среднесуточной выплавке чугуна – 0,4 м³ / тонна; расход кокса – 450-550 кг / тонна.

 

Производство стали

 

Сталь производят в агрегатах, использующих разные технологии выплавки: конвертеры, мартеновские печи, электропечи. От чугуна сталь отличается более низким содержанием углерода (около 2 %) и вредных примесей. Процесс превращения чугуна в сталь заключается в удалении углерода и примесей путем избирательного их окисления при продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом. В бессемеровских и томасовских конвертерах сталь сначала выплавляли путем продувки жидкого чугуна воздухом снизу. В настоящее время применяют более производительный способ – продувка чугуна кислородом сверху.

Кислородный конвертер (рис. 8.2) футерован основным огнеупорным кирпичом, имеет возможность поворачиваться относительно горизонтальной оси. Загружают его через горловину в наклонном положении: сначала стальной лом скрап (до 30 % от массы чугуна), потом жидкий чугун с температурой 1250-1400 °С. Конвертер возвращают в вертикальное положение. Через горловину вводят фурму, под давлением 9-14 атмосфер подают кислород с добавкой порошка флюса (извести CaCO₃). В начале процесса наиболее интенсивно окисляется железо:

2Fе + О₂ = 2FеО.

Одновременно происходит окисление примесей кислородом и образующейся закисью железа:

Si + O₂ = SiO₂ 2C + O = 2CO

Si + 2FеО = SiО₂ + 2Fе Mn + FеО = МnО + Fе

2P + 5FeO = 5Fe + P₂O₅.

Реакции окисления идут с выделением тепла, температура в конвертере поднимается до 2000-2500 °С. Когда температура слишком высокая – в печь загружают холодный скрап. Процессы шлакообразования, идут с участием продукта разложения флюса – (СаО):

SiO₂ + 2CaO = 2CaO × SiO₂ P₂O₅ + 4СаО = 4СаО × Р₂O₅

FеS + СаО = СаS + FеО.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в стали будет соответствовать норме. При избытке углерода, марганца и кремния делают дополнительную продувку кислородом.

Раскисление стали. В процессе выплавки сталь насыщается кислородом и становится непригодной для обработки давлением (ковка, штамповка, прокатка): при пластическом деформировании в нагретом состоянии возможно образование трещин. Для удаления закиси FеО сталь «раскисляют». Перед ее выпуском, в конвертер или разливочный ковш добавляют ферромарганец, ферросилиций и чистый алюминий, которые образуют нерастворимые окислы, всплывающие в шлак:

Mn + FеО = МnО + Fе Si + 2FеО = SiO₂ + 2Fе

2А1 + 3FеО = А1₂O₃ + 2Fе.

Взаимодействие закиси FеО с углеродом приводит к выделению пузырьков CO и выглядит при разливке, как «кипение» стали:

FeO + C = Fe + CO.

По поведению при разливке, стали разделяют на кипящие, полуспокойные и спокойные. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем. В них частично остается закись железа, реакция раскисления продолжается до полной кристаллизации слитка. Полуспокойная сталь раскисляется ферромарганцем и небольшим количеством ферросилиция. Спокойная сталь полностью, последовательно, раскисляется ферросплавами и дополнительно алюминием. «Кипения» стали при кристаллизации, не наблюдается. В конвертерах выплавляют углеродистые и низколегированные конструкционные и инструментальные стали.

Мартеновская печь работает на газообразном (кислород, доменный или природный газ) или жидком (мазут) топливе. Для подогрева воздуха имеются два регенератора, через которые проходят горячие печные газы. Они работают поочередно. Нагретый воздух смешивается с топливом и образует факел, направленный на шихту. Футеровка печи основная или кислая. Для кислого процесса требуется чистая по сере и фосфору шихта. Большую часть сталей выплавляют с использованием основного мартеновского процесса. Он делится на скрап-процесс и скрап-рудный процессы. Первый применяется на заводах, где нет доменных печей, основная масса шихты – скрап с добавкой передельного чугуна в чушках. При скрап-рудном процессе, состав шихты – жидкий чугун (до 75 %), скрап и железная руда.

Основной мартеновский процесс делится на три этапа: плавление, кипение и раскисление. Как в кислородном конвертере, так и в мартеновской печи при плавлении чугуна и скрапа примеси кремния, марганца и фосфора окисляются кислородом печных газов и закиси железа FeO. Образующиеся оксиды SiO₂, MnO, P₂O₅, а также сера в виде FeS взаимодействуют с оксидом кальция СаО (продуктом разложения известняка) и образуют шлак. В процессе кипения ванны окисляется избыточный углерод. Для этого в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом, пузырьки СО всплывают на поверхность – ванна «кипит». Шлак на поверхности ванны вспенивается, увеличивается в объеме и выливается. Реакция кипения называется главной, так как при этом происходит интенсивное перемешивание металла, выравнивается температура металла в ванне и его химический состав. Периодически делают химический анализ на содержание углерода, серы и фосфора. Затем сталь раскисляют ферросплавами и алюминием. Основным скрап-процессом выплавляют спокойные, углеродистые стали. При выплавке легированных сталей руду не добавляют, ферросплавы вводят после раскисления в готовую сталь в конце плавки.

Чаще используются двухванные печи (рис. 8.3). Тепло отходящих газов, образующихся в одной ванне при продувке жидкого металла кислородом, расходуется на нагрев холодной шихты во второй. Затем в эту ванну заливают чугун и начинают продувку, образующиеся газы направляют в первую ванну, где жидкий металл уже выпущен и загружена холодная шихта. Производительность таких печей в 2 - 4 раза выше, чем однованных, расход топлива в 10-15 раз меньше.

Плавка стали в дуговых электропечах. Электрические печи используют для переплава стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали. Дуговые электропечи (рис. 8.4) работают на трехфазном переменном токе (напряжение – 100-600 В, сила тока до 10 кА). Источник тепла – электрическая дуга с температурой до 6000 °С. На съемном своде, используемом для загрузки печи, установлены три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закрепленных в держателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродами и металлической шихтой 3 горит электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключен в стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. В стенке корпуса имеется рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Сталь выпускают по сливному желобу 2. Для наклона в сторону рабочего окна или желоба имеется привод 11.

При производстве конструкционных углеродистых сталей применяется плавка на углеродистой шихте. Она имеет много общего с основным мартеновским скрап-процессом. Состав шихты: скрап (90 %), передельный чугун или кокс для науглероживания стали, известь для образования шлака. После загрузки шихты опускают электроды, подают ток, зажигают дугу, процесс плавки начинается. На первом этапе окисляются кремний, марганец и фосфор; их оксиды взаимодействуют с флюсами и образуют шлак, который сливается. При разогреве шихты до 1500 °С добавляют руду и известь. Кислород, содержащийся в руде, окисляет углерод. Пузырьки СО, всплывая на поверхность, вызывают кипение жидкого металла. Это способствует уменьшению содержания в металле фосфора (до 0,01 %) и углерода. Образующийся шлак удаляют. Второй, восстановительный период, включает раскисление металла, удаление серы и доведение химического состава металла до заданного. При глубинном раскислении ферросплавы и алюминий добавляют в жидкую сталь, при диффузионном – в измельченном виде засыпают на поверхность шлака. В последнем случае раскисляется шлак:

2FеО + Si = 2Fе + SiО₂ FеО + С = Fе + СO.

Процесс протекает в шлаке и на границе шлак-металл. Содержание FеО в шлаке уменьшается; из стали FеО переходит в шлак. Оксиды (SiО₂, СO) остаются в шлаке, восстановленное железо переходит в сталь. Удаление серы обеспечивается лучше, чем в мартеновской печи:

FеS + СаO = FеО + СаS.

Во время восстановительного этапа плавки периодически берут пробы, для определения химического состава стали. Для получения легированных сталей при выплавке вводят ферросплавы. Переплавом легированной шихты из отходов легированных сталей производят, например, быстрорежущую сталь. При необходимости химический состав металла корректируется.

Выплавка стали в индукционных электропечах. Эти печи бывают тигельные (рис. 8.5) и канальные. Они имеют преимущество перед дуговыми в том, что нет перегрева металла и дополнительного науглероживания стали за счет электродов. Печь состоит из огнеупорного тигля, нагревательного индуктора и съемной крышки. Индуктор выполнен в виде катушки индуктивности из медной трубки, охлаждаемой за счет циркуляции воды. При прохождении через катушку переменного тока высокой частоты (500-2500 Гц) генерируется переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичном контуре (металлом загруженный в тигель) вихревые переменные токи Фуко, под действием которых металл нагревается и расплавляется. Вихревые токи создают интенсивную циркуляцию жидкого металла. За счет процессов перемешивания ускоряются химические реакции и выведение неметаллических включений, выравниваются температура и химический состав стали. Скрап и ферросплавы загружают одновременно, так как процесс плавки протекает быстро. Химический анализ расплава не делают. После расплавления шихты засыпают флюс. Раскисление стали ферросплавами и алюминием производится перед выпуском.

Индукционные печи применяются для выплавки высококачественных низкоуглеродистых и специальных легированных сталей и сплавов. Недостатки этого способа: высокая стоимость оборудования и низкая металлургическая активность шлака, который нагревается только за счет тепла металлической ванны.

Бездоменная металлургия. Получение губчатого железа в шахтных печах. На Оскольском комбинате из руд Курской Магнитной Аномалии выплавляют сталь, минуя доменный процесс. Руду обогащают и получают железнорудный концентрат (содержащий до 70 % Fe). Он измельчается, добавляется вещество для склеивания частиц концентрата в шарики – окатыши. В шахтной печи при 500-800 °C окатыши металлизируются: водород (Н₂) и оксид углерода (СО) восстанавливают железо. Процесс сопровождается постепенным увеличением температуры печи до 1100 °C. Металлизированные окатыши (90-95 % Fe) поступают в сталеплавильные дуговые электропечи.

Восстановление железа в кипящем слое. Мелкозернистую руду, концентрат помещают на решетку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением. Частицы руды, совершая непрерывное движение, находятся во взвешенном состоянии. «Кипящий» слой обеспечивает хороший контакт окислов железа с газом. На тонну восстановленного железного порошка расходуется до 600 м³ Н₂.

Получение губчатого железа в капсулах-тиглях. Капсулы загружают шихтой послойно. Внутренний и наружный – восстановительные слои (измельченное твердое топливо и известняк для удаления серы). Между ними находится слой измельченной руды или концентрата. Капсулы устанавливаются на вагонетки и медленно перемещаются через печь, разогретую до 1200 °C. Восстановленное железо спекается в полуфабрикаты в виде труб, их дробят и измельчают в порошок с содержанием железа до 99 % и углерода – 0,1-0,2 %.

 

Разливка стали

 

Сталь выпускают в разливочный ковш и транспортируют к месту разливки. Из ковша сталь разливается в изложницы (чугунные формы) разного поперечного сечения. Из слитков квадратного сечения получают сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки, рельсы). Слитки прямоугольного сечения прокатывают в листы, слитки круглого сечения идут для производства труб, многогранные – для поковок.

Для разливки спокойных сталей применяются изложницы, расширяющиеся кверху (рис. 8.6,а), с прибыльными надставками, футерованными огнеупором. Жидкая сталь в прибыли питает затвердевающий слиток, что уменьшает глубину усадочной раковины и отходы при ее обрезке. Размеры изложниц зависят от назначения слитка. Для разливки кипящих сталей применяют изложницы, расширяющиеся книзу. Если сталь заливается в изложницу из ковша сверху, то образуется много брызг, которые в виде капель застывают на стенках и снижают качество поверхности слитка. Для разливки легированных и высококачественных сталей применяется сифонная схема, когда заполняется одновременно несколько изложниц (рис. 8.6,б). Изложницы устанавливают на поддоне, в центре которого находится футерованный литник. Жидкая сталь из ковша по каналу поступает в нижнюю часть изложниц, заполнение происходит снизу без разбрызгивания металла.

При непрерывной разливке (рис. 8.7) жидкая сталь через промежуточный ковш подается в изложницу без дна – кристаллизатор. В его нижнюю часть вводят стальную штангу – затравку, на которой затвердевает металл. Затравка при помощи валков движется вниз и вытягивает твердеющий слиток. Полное затвердевание происходит в зоне вторичного охлаждения – в спрейере. Далее слиток перемещается в зону газовой резки на мерные заготовки. Слитки не имеют усадочных раковин и поступают на станы сортовой прокатки, минуя блюминги и слябинги.

Способы повышения качества стали. Выплавленная любым способом сталь содержит газы, вредные примеси и неметаллические включения,снижающие качество стали. Для дополнительной очистки стали, чаще всего, используют следующие технологические приемы:

1. Продувка стали в ковше инертными газами. Пузырьки газа поглощают, а затем выводят из стали неметаллические включения и растворенные в ней и водород, азот и кислород.

2. Обработка стали синтетическим шлаком. Способ позволяет удалять газы, неметаллические включения, серу. Шлак содержит окислы кальция (55 %), алюминия (40 %), кремния и магния. Его предварительно расплавляют и заливают в пустой ковш. Затем, с определенной высоты в ковш выливают сталь. Интенсивное перемешивание стали и шлака способствует полному завершению всех химических реакций.

Такой же эффект достигается при продувке стали шлакообразующей смесью, состоящей из порошков извести и плавикового шпата.

3. Очистка стали вакуумированием. При уменьшении атмосферного давления растворимость газов уменьшается. Сталь «закипает» и пузырьки выделяющихся газов (водород, азот и кислород) увлекают за собой неметаллические включения.

4. Повторный переплав стали. К таким способам относятся: электрошлаковый переплав, переплав в вакуумно-дуговой печи, переплав в электронно-лучевой печи и др. Дополнительная очистка достигается жидким шлаком или вакуумированием.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

 

Литейное производство – процесс получения деталей требуемой конфигурации, из расплавленного металла. Жидкий металл заполняет внутреннюю полость специальной литейной формы, имеющую конфигурацию будущей отливки. При охлаждении металл затвердевает и сохраняет форму этой полости. Литье часто единственный способ изготовления крупногабаритных деталей сложной конфигурации с большой массой. Литейная технология применяется и в случае, когда материал (например, чугун) не пластичен и не поддается обработке давлением (ковке, штамповке и др.).

Различными способами литья получают около 50 % всех деталей. Большая часть отливок изготовляется литьем в песчано-глинистые формы. Остальные способы литья относят к специальным: литье по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, литье в кокиль (в металлические формы), под давлением, центробежное литье и др. По количеству заливок литейные формы делятся на одноразовые и многоразовые. Одноразовая форма используется для получения единичной отливки, многоразовая форма – для сотен или тысяч штук.

 

Литейные свойства сплавов

 

Качество отливок определяется литейными свойствами сплавов.

Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов заполнять в расплавленном состоянии все полости литейной формы и точно воспроизводить ее очертания. Для измерения жидкотекучести применяют заливку технологической пробы – спирали сечением 0,56 см². Степень жидкотекучести оценивается по длине получившейся спирали.

Усадка – уменьшение линейных размеров и объема сплава при затвердевании. Различают линейную и объемную усадку. Усадка зависит от химического состава сплава, степени его перегрева, скорости охлаждения сплава, конфигурации отливки и конструкции формы. Усадочные раковины (крупные пустоты) и усадочная пористость (скопление мелких пустот) образуются в массивных местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь без подпитки расплавленным металлом. Для их устранения предусматривают: подпитку (поступление) жидкого металла из прибылей (дополнительных объемов расплавленного металла); принудительное охлаждение массивной части отливки, для выравнивания скорости охлаждения массивной и тонкой частей отливок.

Трещиностойкость – способность сплава противостоять образованию трещин в отливках. При неравномерном по объему охлаждении отливки усадка крупных и мелких частей отливки происходит неравномерно, возникают большие внутренние напряжения. Они могут привести к короблению отливки (изменению формы и размеров) и появлению трещин. Горячие трещины образуются в период кристаллизации отливки, холодные трещины – в затвердевшем сплаве при охлаждении.

Газопоглощение. В расплавленном состоянии металлы обладают способностью активно поглощать различные газы из атмосферы. При затвердевании газы выделяются из сплава и образуют газовые раковины и поры. Для борьбы с этим явлением плавку можно проводить под слоем флюса или в среде инертных газов. Необходимо также просушивать готовые формы и уменьшать влажность формовочной смеси.

 

9.2. Литье в песчано - глинистые формы

Основные операции технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах показаны на рис. 9.1. Для изготовления литейной формы необходимы модельный комплект и формовочная смесь.

Модельный комплект: модели, подмодельные, подопочные и сушильные плиты, стержневые ящики, опоки и др. С помощью модели в песчаной форме получают внутреннюю полость, соответствующую конфигурации отливки. В стержневом ящике изготовляют стержни для образования внутренних полостей отливки. Модели и стержневые ящики делают цельными или разъемными, что облегчает выемку модели из формы и стержня из ящика. Опоки – металлические рамы, служащие для удержания формовочной смеси и сборки литейной формы. Подопочные плиты предназначены для установки опок и готовых форм под заливку. Модельный комплект изготовляют по чертежам детали. В размерах модели и стержня должны учитываться припуски на механическую обработку и линейную усадку металла. Материалом для моделей и стержневых ящиков служат дерево, металл или пластмасса.

На рис. 9.2 показана схема изготовления литейной формы для получения втулки 1. Форма собирается из двух полуформ, полученных набивкой формовочной смеси в парные опоки 5 и 6. Для изготовления верхней и нижней полуформ используют разъемную модель 2. Отверстие в отливке 9 получают с помощью стержня 4, изготовленного в стержневом ящике из более прочной (стержневой) формовочной смеси. При сборке формы стержень устанавливают в углубления (гнезда), образованные в форме стержневыми знаками 3 на модели 2. Воздух и газы удаляются через выпор 8. Готовую отливку извлекают, отрезают литники, очищают поверхность от остатков формовочных материалов и направляют на механическую обработку.

Металл заполняет форму через литниковую систему (рис. 9.3). Она обеспечивает: подвод металла к внутренней полости формы и ее заполнение с требуемой скоростью (стояк 2, питатели 4); вывод газов и паров из формы (выпоры 6); постоянную подпитку отливки при затвердевании; задержание шлака, неметаллических включений на входе в форму (фильтр 7, шлакоуловители 3).

Формовочные смеси – материалы, из которых изготовляют литейные формы. Технологические свойства смесей. Прочность – способность смеси сохранять форму без деформаций при заливке металла. Пластичность – способность смеси воспринимать очертания модели. Непригораемость – способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без плавления или химического взаимодействия с ним. Газопроницаемость – способность смеси отводить газы через стенки формы. Податливость – способность формы и стержней деформироваться при усадке отливки.

Формовочные смеси состоят из наполнителя (песок, бывшие в употреблении смеси), связующего материала (глина), антипригарных добавок (каменноугольная пыль, графит, борная кислота и др.). На поверхности форм и стержней наносят краски (кремниевые или циркониевые) и пасты, которые увеличивают их термическую стойкость и поверхностную прочность. Выбор состава смеси зависит от состава сплава, который используют для отливок. Приготовление смеси начинают с подготовки материалов. Кварцевый песок промывают, сушат. Глину и уголь тонко измельчают, сушат. Отработанную смесь восстанавливают: спекшиеся куски дробят и пропускают через магнитный сепаратор для отделения металлических включений. Компоненты смешивают в нужных пропорциях. Смесь направляется в бункер-отстойник для выдержки (выравнивание влажности по объему). Готовую формовочную и стержневую смеси подают к месту формовки. Ручная формовка малопроизводительна, трудоемка, имеет ограниченное применение. При машинной формовке механизируются операции засыпки, уплотнения смеси в опоке и извлечения модели из формы и т. д. По способу уплотнения формовочной смеси в опоках формовочные машины делят на вибрационные, прессовые, вакуумные, пескометные и др.

Температура жидкого металла должна быть выше температуры плавления не более чем на 50-150 °С. Охлаждение отливки длится от минут до нескольких суток, в зависимости от массы. Далее производится извлечение отливки из формы – выбивка (форма разрушается). Эта трудоемкая операция, вручную проводится при единичном производстве мелких отливок. На операции обрубки у отливок удаляют литники, прибыли, выпоры, заливы по периметру стыка полуформ и т. д. Обрубка производится пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, газовой резкой и другими способами. Очистка отливок – удаление пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с поверхности производится в галтовочных барабанах с абразивом, дробеструйных камерах, химической или электрохимической обработкой.

 

Плавильные печи

 

В литейном производстве для каждого металла требуется своя плавильная печь и технология плавки. Плавка сталей ведется в индукционных и электродуговых печах, в печах с пламенным нагревом.

Плавку чугунов проводят, в основном, в вагранках. В качестве шихты применяют доменный чушковый чугун, чугунный и стальной лом, ферросплавы. Топливом является кокс или природный газ. Вагранка – типичная шахтная печь; отличается большой производительностью, простотой конструкции, более высоким коэффициентом полезного действия. Операции по загрузке шихты, плавка, выпуск чугуна и шлака производятся в автоматическом режиме. На ряде заводов применяют вагранки закрытого типа, оснащенные специальными системами очистки и дожигания ваграночных газов. Белый чугун плавят дуплекс-процессом – в вагранке, а затем в электропечи. При получении высокопрочного чугуна из стальных отходов, используют индукционные печи. Для плавки высококачественного чугуна используют дуговые печи.

Медные сплавы плавят в пламенных печах, в тигельных, дуговых и индукционных электропечах. Плавка ведется на воздухе, в среде защитных газов или в вакууме. Алюминиевые сплавы плавят в электропечах сопротивления, индукционных печах, тигельных горнах. Помимо обычной заливки в формы, применяют заливку под давлением для получения отливок повышенной плотности.

Магниевые сплавы склонны к самовозгоранию при температурах, близких к температуре плавления. Поэтому вести плавку на воздухе невозможно. Производят ее в бескислородной атмосфере или под слоем флюса на основе фторидов и хлоридов щелочных металлов в тигельных и индукционных печах. Для плавки титановых сплавов применяют тигельные печи; плавление и заливку производят в защитной атмосфере (обычно в среде аргона). Для отливок авиационной промышленности, используют электронно-лучевые вакуумные электропечи.

 

Специальные способы литья

 

В производстве литых заготовок значительное место занимают специальные способы литья, позволяющие получить отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на обработку, высокими эксплуатационными свойствами.

Литье по выплавляемым моделям. Модель отливки изготовляют в пресс-форме с высокой точностью из материалов с низкой температурой плавления (воск, стеарин, парафин). Для получения литейной формы модель многократно погружают в огнеупорную суспензию из кварцевой муки и раствора этилсиликата (связующего материала) с послойной просушкой в течение 12-24 часов. Перед заливкой расплава восковую модель удаляют из формы, выпаривая или выжигая. В результате, после прокаливания при температуре 900 °С, получается неразъемная, тонкостенная (6-8 мм), очень прочная оболочка – литейная форма. Этим способом можно получить отливки любой сложности, с минимальными припусками на обработку, практически из любых сплавов. Шероховатость поверхности отливки – до 2,5 мкм.

Литье в оболочковые формы применяется в массовом производстве малогабаритных отливок высокой точности. Формовочная смесь состоит из мелкого кварцевого, магнезитового песка (92-95 %) и порошка термореактивной фенолформальдегидной смолы (5-8 %). При нагревании смола сначала плавится, выше 300-350 °С – затвердевает.

Смесь засыпают в бункер и накрывают металлической, нагретой до 200-250 °С модельной плитой. На нижней поверхности плиты закреплены металлические модели отливок. Бункер переворачивается, формовочная смесь обсыпает нагретые модели. Смола плавится, затвердевая с песком, образует – оболочку толщиной 6-8 мм на поверхности модели. Оболочковые полуформы снимают с плиты, соединяют попарно между собой и заливают металл. Затвердевшая смола выгорает, форма легко разрушается. Неметаллические материалы обладают низкой теплопроводностью, кристаллизация расплава происходит медленно. Зерно в структуре сплава получается крупным, для отливок из инструментальных сталей необходима дополнительная термообработка.

Литье в кокиль. Кокиль – многоразовая металлическая (сталь, чугун) форма из двух или более частей. Для образования внутренних полостей (отверстий) в отливках применяют металлические или одноразовые стержни из формовочной смеси. Перед заливкой на внутреннюю поверхность кокиля наносят теплоизоляционный слой из огнеупоров (кварцевой муки, графита, мела