Способ «вписанных окружностей»

Кристаллизация - это процесс возникновения и роста кристаллов при переходе металла из жидкого в твердое состояние.

Для образования кристаллов необходимы зародыши, или центры, кристаллизации, которые возникают самопроизвольно при понижении температуры расплава. Центрами кристаллизации могут служить примеси, образующиеся из продуктов реакций плавки металла в печи, а также специально вводимые в расплав модификаторы. Условия протекания кристаллизации определяют структуру и свойства отливки: чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кристаллы, и наоборот.

При затвердевании отливки формируется ее сложное неоднородное строение (рис. 4.8). Наружные слои стенки отливки имеют мелкозернистую плотную структуру, что объясняется высокой скоростью затвердевания из-за большой разницы между температурами формы и отливки. По мере повышения температуры формы интенсивность отвода теплоты в литейную форму уменьшается, что приводит к понижению скорости кристаллизации и увеличению размеров кристаллов. Поэтому механические свойства по сечению отливки будут различаться. Толщина стенок отливок имеет критическую величину, по достижении которой прочность отливок увеличивается непропорционально этой толщине. Например, при литье стали в песчаные формы критическая толщина стенок отливок 11... 39 мм, а для отливок из серого чугуна - 3 мм.

Уменьшение объема металла в процессе кристаллизации сплава вызывает формирование в отливках усадочных раковин или усадочной пористости.

Усадочная раковина - дефект в виде скрытой или открытой полости.

Усадочная пористость - дефект, представляющий собой мелкие поры.

Вероятность формирования усадочных раковин или усадочной пористости главным образом зависит от температурного интервала кристаллизации сплава.

Кристаллизация сплавов с нулевым интервалом кристаллизации происходит при постоянной температуре. Поэтому в отливке наблюдается четкая граница между жидкими и твердыми фазами (рис. 4.9). Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твердого металла.

Поскольку усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, то уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а-а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уровень жидкого металла понижается до уровня б-б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс кристаллизации. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к формированию сосредоточенной усадкой раковины 3. Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава (сплав АК12) и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянные бронзы и др.).

Формирование усадочной пористости объясняется наличием переходной твердожидкой зоны (рис. 4.10), в которой температура отливки изменяется от температуры ликвидуса до температуры солидуса. Вблизи температуры солидуса кристаллы 1 соприкасаются между собой. Это разобщает ячейки 2, заключающие в себе остатки жидкой фазы. Затвердевание небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина 3.

Множество таких межкристаллитных усадочных раковин и образует усадочную пористость. Формирование последней наблюдается в отливках из сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации. Усадочные раковины и пористость нарушают сплошность отливки и ослабляют ее сечение.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости можно путем непрерывного подвода металла в отливку в процессе кристаллизации - вплоть до полного затвердевания. С этой целью к массивным частям отливки устанавливают прибыли 1, 2 (рис. 4.11, а). Прибыли - резервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных или внутренних холодильников. Наружные холодильники 3 (см. рис. 4.11, а) устанавливают в форму с внешней стороны массивных частей отливки. Так как холодильники имеют высокую теплопроводность и теплоемкость, то отвод теплота от массивной части отливок происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости.

Внутренние холодильники 4 (рис 4.11, б) устанавливают внутрь полости формы, оформляющей массивные части отливки. Эти холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с основным металлом.

Для получения плотных отливок необходимо обеспечить надежное их питание и направленное затвердевание, которое должно проходить последовательно по всему объему отливки без образования в ней замкнутых объемов расплава. Направленность затвердевания определяют способом вписанных окружностей (рис. 4.12). Узлы 1 с окружностями наименьшего диаметра будут затвердевать первыми,

затем последовательно узлы 3, 2 и 4. В ходе затвердевания в узлах 2 и 4 неизбежно появление усадочных дефектов (усадочных раковин и пористости).

Для предупреждения появления усадочной раковины в узле 2 необходимо увеличить толщину стенки отливки между узлами 2 и 4 с помощью напуска 5, а для узла 4 предусмотреть прибыль 6. Прибыли удаляют с отливки в конце процесса ее изготовления.

Понижение температуры расплава при заливке формы дают некоторое уменьшение объема усадочных раковин и усадочной пористости в отливках.

При затвердевании отливки в форме будут выделяться газы, которые были растворены в жидком металле, формируя газовые раковины или газовую пористость в отливке.

 

Вопрос №15.

Производство чугуна. Руды, флюсы, топливо. Подготовка руды и флюсов к плавке. Метод прямого восстановления.

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидовFe₃O₄, Fe₂O₃; гидроксидов Fe₂O₃ nН₂О; карбонатов FeCO₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, А1₂О₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃O₄ (55... 60 % Fe), красный железняк Fe₂O₃ (55... 60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ x ЗН₂О и Ре₂0₃ • nН₂О (37... 55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO₃(30...40% Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10... 82 % Мn), а также передельных чугунов, содержащих до 1 %Мn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов: МnО₂, Мn₂О₃,Mn₃О_4, МпСО₃ и др.

Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Хромовые руды содержат хромит (РеО • Сг₂О₃), магнохромит (Mg, Fe), Cr₂O₃ (до 40 % Сг₂О³).

Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды (до 20 % Мn), хромоникелевые руды (37...47% Fe, до 2 % Сг, до 1 % Ni), железо-ванадиевые руды (до 0.17... 0,35 % V).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получать не­обходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом

Флюсом при выплавке чугуна в доменных печах является известняк СаСО₃ или доломитизированный известняк, содержащий СаСО₃ и MgCO₃, так как в шлаки должно входить определенное количество основных оксидов (CaO, MgO). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она переходит из кокса и железной руды при плавке. В известняке суммарное содержание оксидов SiO₂
и А1₂О₃ не должно превышать 1%. Содержание серы и фосфора должно быть минимальным. Для нормальной работы доменной печи шлак должен быть достаточно жидкотекучим при температуре

1450 С. В таком шлаке отношение кислотных оксидов к основным должнобыть около единицы:

(SiO₂ + А1₂О₃)/(СаО + MgO) = 1.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки - увеличение

содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Дробление руды осуществляется на щековых или конусных дробилках, а также в шаровых мельницах и других агрегатах. Размельченную руду сортируют по крупности грохочением, подобным просеиванию, на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав: плотностей составяющих, магнитных, физико-химических свойств минералов. Промывка руды водой

позволяет отделить плотные составляющие руды от пустой породы (песка, глины). Гравитация (отсадка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Окускование проводят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40... 50 %), известняка (15... 20 %), возврата мелкого агломерата (20... 30 %), коксовой мелочи (4... 6 %), влаги (6... 9 %), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300... 1500 °С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты и получается кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат.

При окатывании шихту из измельченных концентратов, флюса, топлива увлажняют, и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200...1350 °С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве входит в их состав.

 

Выплавка чугуна.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом; выделяющимся при сгорании топлива в печи и твердым углеродом.
Устройство доменной печи и ее ра ­ бота. Доменная печь (рис. 2.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает в себя колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 5,горн 7, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8,

через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опро­кидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в домен­ную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для рав­номерного распределения шихты в до­менной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки пово­рачиваются на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые материа­лы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был за­полнен. Полезный объем печи - это объ­ем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засып­ного аппарата при его опускании. Совре­менные доменные печи имеют полезный объем 2000... 5000 м³. Полезная высота Я доменной печи достигает 35 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необ­ходимый для горения топлива. Воздух нагревают для повышения температуры в печи и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухо­нагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка вы­ложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке по­дается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагре­вают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, по­даваемый турбовоздуходувкой машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревает­ся до температуры 1000... 1200 °С и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее про­странство. Доменная печь имеет несколь­ко воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других она отдает теплоту холодному воздуху, нагре­вая его. После охлаждения насадки возду­хом нагреватели переключаются.

 

Вопрос №16.