Технологические процессы и оборудование отраслей (стр. 3 )

·  Приготовление формовочной смеси, основными компонентами которой является песок, глина и вода.

·  Изготовление полуформ, которое осуществляется набивкой формовочной смеси в специальные металлические ящики без дна, которые называются опоками. Внутренняя полость форм образуется моделями.

·  Приготовление стержневой смеси, которая состоит из песка и специальных крепителей. Изготовление стержней путём набивки в стержневые ящики и сушка стержней в специальных сушильных печах.

·  Сборка литейных форм, при этом в нижнюю полуформу укладываются стержни. Затем нижняя опока накрывается верхней, при этом используются специальные направляющие, исключающие произвольное смещение форм относительно друг друга. Полуформы после этого скрепляются, чтобы исключить всплытие верхней полуформы под действием гидростатического давления металла.

·  Плавка сплава заданной марки в плавильных печах, которыми для чугуна и стали являются обычно электродуговые или индукционные печи, а для цветных металлов могут быть использованы печи электрического сопротивления.

·  Заливка форм, охлаждение, выбивка отливок из форм. Удаление из отливок стержней.

·  Обрубка литейной системы (питателей, прибылей, стояков) и очистка отливок от пригоревшей формовочной и стержневой смеси.

·  Контроль качества отливок.

4.2. Основные характеристики и требования к формовочным смесям

Основные характеристики и требования к формовочным смесям: пластичность, прочность, газопроницаемость, огнеупорность, теплопроводность, податливость, долговечность. Прочность 2,9 ... 15,7 МН/м2 для сырой смеси,
49 …196 МН/м2 – для стержней. Для сырых форм используются «тощие» смеси, содержащие глины 8 – 10 %, для сухих – «жирные», в которых глины до 20 %, остальное – песок.

Классификация формовочных смесей: для чугунного, стального и цветного литья; для сырых и сухих форм; облицовочные, наполнительные и единые. Для ручной формовки (особенно очень крупных отливок) выгодно применять не единую смесь, а две смеси (облицовочную и наполнительную). Облицовочная смесь состоит из свежих формовочных материалов (песка и глины), а наполнительная – из многократно используемой смеси, которую только измельчают и увлажняют после выбивки форм. Для машинной формовки, когда форма изготавливается на специальных формовочных машинах, используется единая смесь. В этом случае после выбивки форм в старую смесь добавляется 7 – 15 % свежих материалов, остальное – горелая земля. Оптимальная влажность формовочной смеси приблизительно 5 %.

Вспомогательные формовочные материалы:

·  Связующие: органические (древесный пек, сульфитно-спиртовая барда, синтетические смолы) и неорганические (жидкое стекло, цемент).

·  Противопригарные (пылевидный кварц, каменноугольная пыль).

·  Вещества, увеличивающие податливость форм в результате выгорания после заливки металла (опилки, каменноугольная пыль).

·  Вспомогательные составы: замазки для ремонта форм и стержней, клеи для склеивания сложных стержней, краски, предотвращающие пригар форм и стержней, припылы, которыми покрывают поверхность моделей и стержней для предотвращения прилипания к ним формовочных и стержневых смесей и др.

Стержни работают в тяжелых условиях, т. к. окружены жидким металлом со всех сторон. Кроме того, они часто подвержены изгибным нагрузкам, потому что опираются в формах только на свои концевые части, которые называются знаками. Поэтому к ним предъявляются высокие требования к прочности. Одновременно, стержни должны обладать легкой выбиваемостью, высокой податливостью в процессе кристаллизации отливки, низкой газообразующей способностью. Для их изготовления используются свежий песок и крепители, виды которых показаны в табл. 2.

Таблица 2

Стержневые смеси на основе песка

Связующие	Способ сушки
Глина, пек, барда	Тепловая в электропечах сопротивления при t = °С
Синтетические смолы	Тепловая в нагреваемой металлической оснастке при t = ° в течение 3 с или холоднотвердеющие.
Жидкое стекло	Химическая: продувкой СО2 с давлением 0,1 ... 0,3 МПа в течение 1 мин. Затвердевание в результате реакции: Na2O . SiO2. H2O + CO2 = Na2CO3 + SiO2(гель) + H2O

Приготовление формовочных и стержневых смесей происходит следующим образом. Свежие материалы подвергаются сушке, размолу и просеиванию. Горелая формовочная смесь разминается в валках, подвергается магнитной сепарации и просеиванию. Затем производится смешивание свежей и горелой смесей и увлажнение в специальных смесителях, которые называются бегунами. Перед формовкой смесь хранится в бункерах. Для разрыхления она может дополнительно обрабатываться в дезинтеграторах и аэраторах.

4.3. Формовка

Формовка производится по металлическим или деревянным моделям. Для простой отливки (рис. 4. 2, а) приведён пример деревянной модели (рис. 4.2, в), состоящей из двух половин, призванных образовывать две полуформы. Схема ручной формовки приведена на рис. 4.3. Набивка формовочной смеси производится ручными трамбовками. При формовке больших отливок используются ручные пневматические трамбовки.

 

 

Уплотнение формовочной смеси при машинной формовке может осуществляться прессованием, встряхиванием или метанием смеси с помощью пескомета (рис. 4.4).

 

Изготовление стержней производится вручную или на пескодувных, пескострельных машинах. После формовки производятся сушка, отделка и окраска стержней.

Для получения отливок без усадочных раковин и пористости стремятся изготавливать отливки с приблизительно одинаковой толщиной стенки, без резких утолщений, которые являются тепловыми узлами. В таких узлах кристаллизация металла происходит в последнюю очередь, что способствует образованию в них усадочных раковин и микрорыхлот.

Тема 5. Плавка чугуна и стали

5.1. Литейные свойства сплавов

Литейные свойства сплавов характеризуются температурой плавления, жидкотекучестью, величиной усадки (уменьшением размеров при кристаллизации), склонностью к образованию горячих и холодных трещин, газонасыщаемостью, склонностью к ликвации (образованию химической неоднородности по сечению отливки при кристаллизации).

Чугуны имеют низкую температуру плавления и малую усадку, высокую жидкотекучесть. Это самые технологичные и потому самые распространенные литейные материалы. Приблизительно 80 % выпускаемых промышленностью отливок изготавливают из чугуна, в основном заливкой металла в земляные формы. Литниковая система для получения отливок из серого чугуна обычно не содержит прибылей, а для получения отливок из ковкого и высокопрочного часто используются прибыли.

Сталь по сравнению с чугуном имеет более высокую температуру плавления и почти в два раза большую усадку. Кроме того, она имеет более низкую жидкотекучесть. Получить качественные отливки из стали значительно сложнее и дороже, чем из чугуна, т. к. для предотвращения усадочных раковин необходимо использовать в литниковой системе массивные прибыли. Наибольшее распространение имеет способ литья во влажные ПГФ. Для получения сложных тонкостенных отливок используют оболочковое литьё, когда основная форма изготавливается из смеси, по составу близкой к стержневым смесям. Для изготовления крупных ответственных отливок используют сухие формы. Для уменьшения пригара применяют формовочные смеси с высокой огнеупорностью. Для предотвращения образования горячих трещин используют стержни, прочность которых резко уменьшается в процессе кристаллизации металла, что обеспечивает их высокую податливость. Кроме нелегированных углеродистых сталей в особых случаях изготавливают отливки из коррозионностойких, окалиностойких, жаропрочных и др. специальных сталей. Ответственные стальные отливки для предотвращения коробления подвергаются отжигу для снятия внутренних напряжений.

Алюминиевые и магниевые сплавы имеют низкие температуры плавления, высокую жидкотекучесть и малую усадку. Перед разливкой их рафинируют (очищают) с помощью добавок AlCl, ZnCl. 70…80 % алюминиевых сплавов льют в постоянные формы, которые называются кокили. Заливка в кокиль производится самотёком. Для получения отливок, имеющих хороший внешний вид и высокие механические свойства, используется литьё под давлением в специальные металлические пресс-формы. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы системы Al-Si, которые называются силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9).

Магниевые сплавы имеют худшие литейные свойства, чем алюминиевые. Кроме того, они могут самовозгораться при плавке и заливке, активно поглощают водород. Плавка производится в тигельных и индукционных электропечах под слоем специального флюса или в среде защитного газа. Приблизительно 40 % отливок из этих сплавов изготавливают в кокилях. Лучшие литейные сплавы системы Mg + Al + Zr марок МЛ5, МЛ6.

Из медных сплавов наилучшими литейными свойствами обладают оловянистые бронзы. Безоловянистые бронзы имеют большую усадку. Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, высокую усадку.

Медные сплавы склонны к окислению, поэтому перед выпуском из печи их раскисляют фосфористой бронзой. При разливке необходима непрерывная струя металла. Эти сплавы склонны к образованию усадочных раковин, пористости и трещин. Плавка может производиться на воздухе, но значительно лучшее качество металла получается при плавке в среде защитных газов или в вакууме.
Большую часть отливок (» 80 %) изготавливают в разовых формах.

Таблица 3

Литейные свойства сплавов

Сплавы	tпл., °С	Усадка, %	Жидкотекучесть
Чугун серый	1100...1200	0,9...1,3	высокая
Чугун высокопрочный	1100...1200	до 1,7	высокая
Чугун ковкий	1100...1200	до 1,7	средняя
Стали, С = 0,12...0,6 %	1500...1600	1,8...2,5	низкая
Алюминиевые сплавы	660	0,8...1,45	высокая
Силумины	660	0,8...1,1	высокая
Магниевые сплавы	660	1,0...1,6	средняя
Бронза оловянистая	1100	1,4...1,6	высокая
Бронза без олова	1100	1,6...2,4	средняя
Латунь	1100	1,6...2,2	средняя

5.2. Исходные материалы для плавки

Состав шихты для стали и чугуна зависит от метода выплавки и применяемых плавильных печей, поэтому рассматривается для конкретного способа. Шихта для цветных сплавов: первичные и вторичные (переплавленные) металлы и сплавы, лигатуры (специальные сплавы из двух или нескольких металлов), флюсы (обычно хлористые и фтористые соли щелочных и щелочно-земельных металлов).

Для раскисления и легирования сталей и чугунов используются ферросплавы: ферросилиций Si = 13 … 92 % + Mn < 3 % и ферромарганец Mn = 70 … 75 % + + Si < 2 %.

Для образования легкоплавкого шлака, который служит для защиты металла от окисления и обеспечивает физико-химические процессы, способствующие удалению вредных примесей, используются флюсы. По виду химических реакций, происходящих в шлаке, различают кислые флюсы (SiO2,P2O5) и основные (CaO, MgO, FeO). Для сталей и чугунов применяются только SiO2 и CaO, MgO. Причём только CaO, MgO могут обеспечивать удаление вредных примесей, которыми являются сера и фосфор.

Топливо для пламенных печей: природный газ, СН4, С2Н6, кокс, мазут.

Огнеупорные материалы. Виды применяемых огнеупорных материалов зависят от вида процесса. При использовании кислых флюсов применяют кислые огнеупорные материалы: кварцевый песок, динасовый кирпич (» 95 % SiO2), огнеупорность (ОУ) » 1700 °С. При использовании флюсов применяют основные: магнезитовые, магнезитохромитовые (MgO, CaO, Cr2O3), ОУ » 2000 °С. Кроме того, применяются и нейтральные огнеупорные материалы: хромомагнезитовые, высокоглиноземистые (Al2O3), шамотные % SiO2 + 30...40 % Al2O3), углеродистые (С до 92 %), ОУ = 1°С. Основные свойства: огнеупорность, термостойкость, химическая стойкость, прочность.

5.3. Получение чугуна в доменной печи

Изготовление передельного чугуна, являющегося основным сырьем для выплавки стали и получения различных марок литейного чугуна, производится в доменной печи (рис. 5.1). Основным компонентом, из которого получается чугун, является железная руда, состоящая из оксидов железа разного типа (Feo, Fe2O3, Fe3O4). Получение железа, которое является основой чугуна, происходит в результате реакции восстановления оксидов железа продуктами неполного сгорания кокса (CO, С – атомарный). Расход кокса составляет 2 … 15 % от веса шихты.

Рис. 5.1. Схема доменной печи шахтного типа: 1 – засыпной аппарат, 2 – газоотвод, 3 – огнеупорный материал, 4 – фурма для подачи воздуха, 5 – летка для скачивания шлака, 6 – летка для слива чугуна

 

Шихта для доменной печи: железные руды, топливо (кокс) и флюс, которым является известняк. Через фурмы подается воздушно-кислородная смесь, подогретая до °С. Для ускорения процесса могут подаваться природный газ и кислород. Шлак, получающийся в результате расплавления флюса (CaO), защищает капли восстановленного железа от окисления продуваемым воздухом. Они стекают в горн по кускам шихты, насыщаясь при этом углеродом и вредными примесями. Из горна чугун периодически сливается после вскрытия нижней лётки. После слива чугуна лётка забивается огнеупорным составом и процесс продолжается. Непрерывная выплавка чугуна может продолжаться несколько месяцев, т. к. процесс постоянно поддерживается загрузкой сверху руды, кокса и флюса. Длительность процесса ограничивается необходимостью периодического ремонта огнеупорного покрытия печи (футеровки).

Для получения литейных чугунов различных марок (серого, ковкого, высокопрочного) применяются дуговые и индукционные печи объемом от 1 до 60 тонн. Процесс выплавки чугуна в них происходит периодически, т. е. имеется начало, когда происходит загрузка шихты, и конец, когда печь полностью освобождается от расплавленного чугуна и шлака. В качестве шихты используется передельный чугун, полученный в домнах, и возврат собственного литейного производства (литники, прибыли, брак), чугунный и стальной лом, стружка в брикетах. В основном используются кислые флюсы ( SiO2).

5.4. Плавка стали

Плавка стали на машиностроительных заводах производится в электропечах (дуговых или индукционных), в которых можно получать высокую температуру, создавать желаемую атмосферу (окислительную, восстановительную, нейтральную и в редких случаях вакуум). Выплавляют сталь обыкновенного качества, качественную или высококачественную углеродистые стали. При особых требованиях выплавляют низко-, средне - и высоколегированные стали.

Качество стали определяется в основном содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Уменьшить их содержание возможно только при основных шлаках, т. е. шлаках, обладающих основными свойствами. Напомним, что для этого используются печи с футеровкой, обладающей основными свойствами. Такие печи и плавильные процессы называются основными.

Плавка стали в основной дуговой электропечи

Дуговая плавильная печь (рис. 5.2): время плавки tпл = 4 …8 час., угар 5…8 % от веса металлической шихты, рабочее напряжение Uраб. = 160 … 600 В., ток I = 1 … 10 кА, ёмкость печей 0,5 т.

 

Процесс плавки разделяется на два существенно различающихся периода: окислительный (расплавление и кипение) и восстановительный (рафинирование).

1. Окислительный период. Главная задача окислительного процесса – довести химический состав до требуемого по содержанию углерода, обеспечить вы-равнивание температуры и химсостава по объему металла. После загрузки ши-хты опускаются электроды и включается электрический ток. Расплавление ши-хты происходит под действием дугового разряда. Дуга горит между электродами, на которые подаётся трёхфазный ток, и металлом. Недостатком электродуговых печей является сильный перегрев металла в зоне горения дуги. Температура в этой зоне почти вдвое превышает температуру плавления металла. Это приводит к сильному окислению металла (угару), причём значительное количество оксидов железа теряется в виде бурого дыма, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха.

После расплавления и в жидком сплаве происходят процессы окисления, но интенсивность этих процессов много меньше, чем на воздухе. Окисляется прежде всего железо, а затем и примеси. FeO распределяется между металлом и шлаком, растворяясь в них. Таким образом, FeO играет роль передатчика кислорода:

2Fe + O2 = 2FeO + Q,

Mn + FeO = MnO + Fe + Q,

Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe + Q.

В конце окислительного периода при t > 1400 °С начинается окисление С.

При использовании для выплавки стали чугуна (передельного и (или) литейного), углерода после расплавления обычно выделяется значительно больше, чем требуется. Для удаления излишнего углерода добавляют руду, содержащую оксиды железа. В результате происходит окисление углерода по реакции

С + FeO = Fe + CO­ - Q (эндотермическая реакция). Так как при этом выделяется угарный газ, то внешне это выглядит, как кипение стали. Хотя сталь имеет температуру значительно меньше, чем температура её кипения.

Основные шлаки позволяют в процессе плавления производить удаление вредных примесей (P, S). Дефосфоризация происходит по реакции

2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4P2O5 + 5Fe + Q – .

Соединения фосфора, растворяясь, распределяются между металлом и шлаком в определенном соотношении. После двух, трех скачиваний шлака можно обеспечить содержание Р < 0,015 %.

В этот же период проводят десульфацию. Наводят «белый» шлак СаО + С (кокс или электродный бой) + СаF2 (плавиковый шпат) в пропорции 12:1:2.

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO­ - Q.

Степень десульфации до%.

2. Восстановительный период. Цель: восстановить Fe из FeO. Оксиды железа при затвердевании стали выпадают из раствора и резко ухудшают прочностные и пластические свойства стали. Поэтому восстановление оксидов является очень важной частью процесса. Раскисление производят ферросплавами, которые могут вводиться в жидкий металл и непосредственно взаимодействовать с ним или погружаться на штанге в шлак. Первый способ называется осаждающим, второй – диффузионным. Наиболее быстрым и потому более дешёвым способом раскисления является осаждающий, но при его длительном использовании ухудшается пластичность и ударная вязкость металла. Это связано с накоплением оксидов в металле за счёт многократного использования при переплаве литниковых систем и литейного брака. Реакции при раскислении:

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe,

3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

При осаждающем раскислении оксиды Mn, Si, Al большей частью всплывают в шлак. Остающиеся в жидком металле оксиды представляют значительно меньшую опасность по сравнению с FeO, т. к. в меньшей степени снижают пластичность и ударную вязкость, но при длительном использовании этого вида раскисления постепенно происходит ухудшение вязких свойств металла. При диффузионном раскислении реакции происходят в шлаке. В результате действия закона Нернста (см. ниже) уменьшается содержание FeO в жидком металле. В зависимости от длительности второго периода и количества раскислителей получают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. Самый короткий восстановительный период у кипящих сталей. При их производстве используют для раскисления только марганец. Так получают низкоуглеродистые стали, которые обладают высокой пластичностью в результате очень малого содержания кремния. При разливке они кипят в изложнице.

Для получения легированных сталей производят легирование. Ферросплавы, содержащие Ni, Co, Mo, Cu, не окисляются, т. к. имеют меньшее сродство с O2, чем Fe. Поэтому их вводят в конце первого периода, чтобы обеспечить равномерное распределение в расплавленном металле. Более активные элементы Si, Mn, Al, Cr, V, Ti вводят в печь после раскисления или перед разливкой в ковш.

Индукционная тигельная плавильная печь (рис. 5.3)

В таких печах можно выплавлять сталь с низким содержанием углерода, т. к. нет науглероживания от графитовых электродов. По сравнению с электродуговыми печами, металл в них в меньшей степени насыщается газами. В основном применяются печи с кислой футеровкой. Нагрев металла производится в результате того, что индуктор печи, представляющий собой водоохлаждаемую катушку, наводит токи индукции в металле шихты или жидком металле. Частота переменного тока в индукторе j = /с. В индукционных печах отсутствует зона перегрева, поэтому угар металла значительно меньше, чем в электродуговых печах. Кроме того, переменное магнитное поле способствует усиленному перемешиванию жидкого металла, что приводит к быстрому выравниванию химического состава жидкого металла. Высокая температура ванны позволяет легировать тугоплавкими элементами. Однако низкая температура шлака затрудняет раскисление и рафинирование металла через шлак.

Шихтой является стальной лом, возврат литейного производства, брикетированная стружка. Для снижения концентрации углерода в жидком металле, по сравнению с его концентрацией в шихте, в качестве окислителей используются железная руда, окалина (FeO). Для последующего удаления оксидов железа применяют раскислители. Флюсы используются для получения шлака заданного состава. Шлаки служат для защиты металла от окисления и удаления вредных примесей. Для легирования применяют легирующие добавки (ферросплавы и лигатуры).

Цель плавки заключается в получении расплавленного металла для отливок требуемого химического состава, прежде всего по углероду и легирующим элементам, а также требуемого качества, прежде всего путем снижения содержания вредных примесей S, Р и газов.

S и P образуют кислые соединения Р2О5, FeS, которые в процессе плавки нейтрализуются основными окислами шлака, главным образом известью CaO. Таким образом, для удаления S и Р нужен основный шлак, а следовательно, и основная печь, т. е. с основной футеровкой.

 

В основных печах плавку конструкционной стали ведут на углеродистой шихте: стальной лом 90 %, электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2–3 %). Основный шлак: CaO 40 … 45 %, SiO2 20 … 25 %, FeO 10 … 15 %.

В кислой печи удаление S и P практически невозможно, поэтому нужна чистая по S и P шихта, шлак кислый (55 – 58 % SiO2), условия для раскисления более благоприятные, кремнезем связывает FeO в FeO´SiO2:

FeO + SiO2 ® FeO ´ SiO2.

В кислых печах плавку ведут на шихте из легированных отходов без окисления примесей (переплав).

Процесс плавки базируется на следующих законах:

Закон действующих масс: скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ.

Закон распределения Нернста: если вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, например, металл и шлак, то распределение вещества между ними происходит до установления определенного соотношения – константы распределения, постоянного для данной температуры. Следовательно, изменяя состав шлака, можно направленно изменять распределение примесей в шлаке и металле. Периодически скачивая шлак, можно эффективно удалять примеси из жидкого металла.

Принцип Ле Шателье: всякая система, находящаяся в состоянии равновесия, стремится сохранить это равновесие. При любом изменении извне факторов равновесия (температуры, давления, концентрации) внутри системы возникают процессы, противодействующие этому изменению. Следовательно, изменяя внешние факторы, в данном случае концентрацию компонентов и температуру, можно обеспечить развитие обратимых реакций в нужном направлении.

Способы улучшения качества стали

Вакуумная обработка (дегазация) стали в ковше. Разрежение до Р = 0,267 … 0,667 кПа способствует удалению почти всех растворённых в металле газов.

Разливка в инертной атмосфере уменьшает окисляемость металла.

Выдержка и разливка под слоем специального основного шлака: 53 … 55 % СаО; 43 … 45 % Al2O3; < 3 % SiO2; < 1 % FeO. Она обеспечивает частичное удаление вредных примесей.

5.5. Новые способы производства (переплава) стали

1. Электрошлаковый переплав (рис. 5.4) производится под слоем высокоосновного токопроводящего флюса (на основе плавикового шпата СаF2), температура ванны до 2000 °С. Емкость печи до 110 т. Хорошо удаляются S (» в 2 раза), неметаллические включения, газы. Обеспечивается высокая плотность, однородность и мелкозернистость слитка. Ток переменный (от трансформатора).

2. Вакуумно-дуговой переплав (рис.5.5). Емкость специальных печей до 50 т. Обеспечивается наилучшая дегазация сплава.

Существует также плазменно-дуговая плавка. Плазмотроны – t = 10°С за счет сжатия дуги инертным газом (низкотемпературная плазма).

Газы: азот, водород, аргон, гелий, воздух и их смеси. Дугу зажигают с помощью осциллятора – источника высокочастотного переменного тока высокого напряжения – для зажигания дуги без короткого замыкания. Плазменная струя – независимый источник тепла, что позволяет изменять в широких пределах степень нагрева и глубину проплавления, тепловая мощность ограничена. Плазменная дуга имеет большую тепловую мощность.

3.  Электронно-лучевой переплав в вакууме, t = 5°С, кинжальность 20:1. Электронная пушка: эмиссия электронов с нагретого катода, формируется пучок электронов, ускорение под действием U = 20кВ между катодом и анодом, фокусировка магнитными линзами и направление отклоняющей магнитной системой.

 

4. Лазерный переплав с помощью оптического квантового генератора
t < 6000 °С. Диаметр пятна » 0,01 мм. Лазерный луч – вынужденное монохроматическое излучение, l = 0,1 … 1000 мкм.

Твердотельные лазеры (рабочее тело – рубин, стекло с ниодимом и др.).