книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

смеси и на отливках появляются «рванины» — следствие обгара формы.

Формы для стальных отливок, в отличие от форм для чугун­ ных и цветных отливок, должны иметь большую плотность смеси для предохранения поверхности формы от размыва струей жидкой стали. Особенно сильно размываются литниковая воронка и литни­ ковые каналы. Для выноса из формы смытых частиц формовочной смеси применяют открытые прибыли, увеличивают припуск на механическую обработку в верхней части отливки, а крупногаба­ ритные формы при заливке иногда располагают с наклоном.

Переувлажнение формовочной смеси и содержание в ней значительного количества газотворных веществ способствует образо­ ванию газовых раковин на поверхности отливки. Заниженная же влажность фор­ мовочной смеси (ниже 3,5/6) препятствует хорошему уплотнению формы. При фор­ мовке по-сырому количество влаги не должно превышать 3,5—4,5%, а при фор­ мовке по-сухому 4,5—5,5%. Содержание в формовочной смеси углекислых солей и мела недопустимо, так как при высокой температуре они разлагаются и выделяют углекислый газ, приводящий к образова­

нию раковин в отливках.

Чтобы предупредить образование трещин, возникающих вслед­ ствие неравномерной усадки, формы изготовляют из податливых формовочных материалов, не препятствующих нормальной усадке. Для увеличения податливости в смесь вводят 15—30% древесной или торфяной муки, которая во время сушки выгорает и образует пустоты, облегчающие усадку. В стержни для этой цели вводят патоку, декстрин и другие выгорающие добавки.

Готовые формы сразу после сборки следует заполнять сталью, так как долгостоящие перед заливкой формы выветриваются, осыпаются или сыреют.

Чтобы предупредить образование усадочной пористости, в под­ прибыльной части отливки ставят наружные или внутренние холо­ дильники или применяют «утепленные» прибыли, при этом вводят термитную смесь в места формы, выполняющие прибыли.

Холодильники ускоряют процесс охлаждения утолщенных мест отливок и уменьшают напряжения, усадочные раковины и предот­ вращают возникновение горячих трещин. Холодильники могут быть изготовлены из прутков проката и могут быть литыми.

Поверхность внутреннего холодильника должна быть чистой и свободной от ржавчины и окислов. Внутренние холодильники должны свариваться с металлом отливки.

Наружные холодильники от приваривания их к отливке покры­ вают различными красками, например суриком или формовочной краской. Холодильники 1 перед установкой в форму (рис. 221)

360

должны быть тщательно очищены от грязи, масла и окалины. В тех случаях, когда используют внутренние холодильники, которые не свариваются с металлом отливки, применяют стальные прутки, последние при механической обработке высверливают из отливки.

Г Л А В А 111

ПЛАВКА И ЗАЛИВКА СТАЛИ

§1. ПЛАВКА В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ

Влитейных цехах для плавки стали применяют мартеновские печи, дуговые и индукционные электропечи, малые бессемеровские

конверторы.

Плавку стали в мартеновских печах применяют преимущественно для крупных стальных отливок. Мартеновский способ выплавки стали обладает следующи­ ми преимуществами: воз­ можностью использования большого количества сталь­ ного лома и передела в жидкую сталь исходных материалов разнообразного химического состава; высо­ ким качеством и возмож­ ностью выплавки сталей многих марок; относитель­ но небольшой стоимостью передела. Емкость марте­ новских печей составляет 5—500 т, а в цехах фасон­ ного литья машинострои­ тельных заводов 5—100 т.

По конструкции совре­ менные мартеновские печи подразделяют на неподвиж­ ные или стационарные и качающиеся. Большинство

мартеновских печей стационарного типа. Преимущество качающихся печей — это слив стали в ковш в несколько приемов, порциями, а также слив шлака в шлаковню по ходу плавки через порог загру­ зочного окна. Недостаток таких печей — сложность конструкции печи.

Мартеновская печь (рис. 222) состоит из ванны 1, в которой плавится сталь; свода, головок 2, имеющих вертикальные каналы, и пролеты,-направляющие газ и воздух в ванну; шлаковиков, реге­ нераторов; перекидных клапанов, боровов и дымовой трубы.

361

Газ, подведенный к печн, пройдя через открытый клапан, направ­ ляется по борову 6 в регенератор 8, подогревается в нем за счет теплоты раскаленной кирпичной кладки и затем через газовый шлаковик, канал 9 и головку 2 поступает в рабочее пространство. Левый воздушный шибер при этом закрыт, а правый открыт. Правый газовый клапан тоже закрыт. Воздух от вентилятора поступает через воздушный клапан по борову 5 в регенератор 4, в котором нагревается, а затем через канал 3, шлаковик и головку 2 поступает

врабочее пространство. Левый воздушный шибер закрыт, а правый открыт. Газ и воздух, смешиваясь в рабочем пространстве печи, воспламеняются и образуют факел. Продукты сгорания, направляясь через противоположную головку и регенераторы, нагревают их насадку. Охладившись до 500—600° С, продукты сгорания попадают

вдымовую трубу 7. Когда правые регенераторы достаточно нагре­

ваются, клапаны переключают, после чего газ и воздух движутся в обратном направлении.

Для загрузки шихтовых материалов и флюсов и обслуживания печи во время плавки в передней стенке печи сделаны рабочие окна (завалочные), в задней стенке — металлическая летка для выпуска жидкой стали.

Мартеновские печи строят с кислой и основной футеровкой. Динасовый кирпич применяют для кладки главных сводов, сводов головок и регенераторов, вертикальных каналов, стен шлаковиков, в насадках и других частях основной мартеновской печи, а в кис­ лых печах, кроме того, для кладки пода, передней и задней сте­ нок, а для наварки пода после каждой плавки применяют квар­ цевый песок. Нижнюю часть регенераторов и борова выклады­ вают из шамотного кирпича, наружную часть — из обычного красного кирпича. Для уменьшения потерь теплоты через кладку

ные мартеновские печи оборудуют системой водяного охлаж­ дения.

Продолжительность службы мартеновской печи при динасовом своде для больших печей составляет 250—300 плавок, для печей малой и средней емкости 400—500 плавок, а при магнезитовой футеровке свода до 700 и более плавок.

Современные мартеновские печи снабжены необходимой кон­ трольно-измерительной аппаратурой и оборудованы устройством для автоматического регулирования расхода топлива и воздуха, а также давления в рабочем пространстве. Автоматически произво­ дится переключение клапанов, механизирован подъем заслонок рабочих окон и т. д.

Топливо мартеновских печей. На заводах, не имеющих доменного производства, применяют генераторный или коксовый газ или жидкое топливо, а на заводах, имеющих доменное.производство, —

362

смесь коксового и доменного газов с добавкой для подсвечивания факела пламени генераторного газа или смолы.

Процесс выплавки стали в мартеновских печах. В зависимости от футеровки ванны — основной (магнезитовой) или кислой (дина­ совой) — процесс выплавки стали может быть основным или кис­ лым. В настоящее время почти вся сталь выплавляется в печах с основной футеровкой. Это объясняется тем, что в основном мар­ теновском процессе можно переплавлять шихту с более высоким содержанием фосфора и серы, чем в готовой стали. Мартеновским процессом можно выплавлять углеродистые, низко- и среднеуглеродистые стали, используемые для производства фасонных отли­ вок.

Кислый мартеновский процесс, благодаря некоторым особеннос­ тям, обеспечивает получение плотной структуры стали, поэтому он незаменим при выплавке высококачественных сталей.

Наибольшее распространение для производства фасонных отли­ вок получил скрап-процесс с использованием твердого передельного мартеновского чугуна.

Основной скрап-процесс на твердом чугуне. При скрап-про­ цессе основным источником кислорода для окисления примесей чугуна является газовая фаза печи. Только незначительный) часть кислорода дает железная руда, вводимая в печь по ходу плавки в количестве около 30%. Шихту для скрап-процесса рассчитывают так, чтобы она содержала около 1% Мп, не более 0,3% Р, не более 0,05—0,06% S и минимальное количество кремния. Обычно шихта при скрап-процессе содержит около 30% передельного мартенов­ ского чугуна, до 15% стальной стружки при выплавке углеродистых сталей и около 10% при выплавке легированных. Остальную часть металлической шихты составляет привозной стальной лом и собст­ венный возврат. Шихту рассчитывают исходя из того, чтобы содер­ жание углерода в ней было на 0,3—0,5% больше содержания углерода в готовой стали.

Процесс плавки условно можно разделить на следующие периоды: заправка печи, завалка и плавление, кипение, раскисление и выпуск.

Заправка печи. В процессе эксплуатации печи ее под, стенки, откосы изнашиваются. Для поддержания пода, откосов печи в надлежащем состоянии их периодически обновляют, осуществляя заправку печи. Для заправки печи применяют обожженный, моло­ тый и просеянный доломит или металлургический магнезит, а иногда сырой дробленый доломит. Заправку печи производят в минимальное время, чтобы устранить окисление пода. Обычно эта операция не превышает 10—15 мин. Заправку заканчивают заделкой выпускного отверстия магнезитовым порошком.

Заправку печи осуществляют машинами и вручную. Ее начинают, как только уровень металла в печи при выпуске готовой стали начнет понижаться.

Завалка шихты при работе на скрап-процессе на твердом чугуне. Чем быстрее производят завалку, тем меньше продолжительность

3 6 3

плавки. На под следует загружать мелкий чистый лом (10—20% общего количества стального лома в шихте); на лом известняк (6—7% массы металлической шихты) и иногда боксит; иногда же вместо известняка применяют известь. Это сокращает плавку стали и сокращает расход чугуна, идущего на завалку. Поверх извест­ няка загружают боксит, после чего в течение 10—15 мин прогревают известняк. На прогретый известняк загружают передельный чугун (10—15% массы металлической шихты), затем стальную стружку, на которую загружают крупный лом. После хорошего прогрева металлической части шихты заваливают остальной чугун. При ра­ боте скрап-процессом на твердой завалке заправку порогов про­ водят быстро, чтобы предупредить заплываиие их плавящимся чугуном, загружаемым в конце периода завалки.

Плавление. Период плавления в печах, работающих скрап-про­ цессом, длится условно от конца завалки до полного расплавления и является самым длительным периодом мартеновской плавки. В период плавления полностью окисляется кремний и частично марганец и фосфор, содержащиеся в передельном чугуне, а также происходит процесс образования шлака. Для ускорения периода плавления воздух обогащают кислородом, который при работе печи на мазуте вводят в форсунки и вдувают вместе с воздухом распылителями.

При выплавке углеродистых сталей содержание углерода сразу же после расплавления не должно превышать более чем на 0,3% допускаемого содержания углерода в готовой стали. Если углерода содержится меньше, то в печь вводят соответствующее количество передельного или зеркального чугуна.

К моменту полного расплавления стали образуется шлак из окислов металлической части шихты, флюсов (известняк, боксит), материала пода и кладки печи. Образование шлака до полного расплавления способствует ускорению и интенсификации процессов дефосфорации, обессеривания, кипения ванны. Для этого в печь за 15—40 мин до полного расплавления стали вводят такое количест-

во извести и боксита, чтобы основность шлака составляла

1,5—2,0. Такой шлак содержит 30—35% СаО; 18—25% Si02; 10—15% FeO. После расплавления этот шлак скачивают из печи для снижения содержания фосфора в стали. После спуска шлака наводится новый шлак нормальной основности (СаО > 40% и Si02 ==s; 20%) из свежеобожженной извести и боксита.

По окончании наведения нового шлака ванну переводят на режим «чистого кипения», происходящего только за счет кислорода, содержащегося в жидкой ванне. При этом постоянно повышают основность шлака, доводя ее к моменту окончания кипения до 2,2—3,5. В период чистого кипения в стали увеличивается содержа­ ние марганца за счет его восстановления из шлака. Одновременно происходит окисление углерода со скоростью около 0,25% в час. Скорость окисления углерода может быть повышена подачей кисло-

364

рода в ванну. Чистое кипение способствует очистке стали от раство­ ренных газов и неметаллических включений. Период чистого кипения наиболее ответственный, поэтому в этот период плавки периоди­ чески контролируют состав стали и шлака.

После получения в стали заданного количества углерода про­ изводят п р е д в а р и т е л ь н о е р а с к и с л е н и е силгщомарганцем, силпкошпигелем и доменным ферросилицием. Через 5—10 мин приступают к окончательному раскислению и доведению стали до заданного химического состава. При выплавке легирован­ ных сталей добавки в виде ферросплавов вводят в печь в разное время: никель — в начале плацки вместе с завалкой, хром — после предварительного раскисления, молибден — в период дефосфорации

выпуска стали в ковш или на желобе мелкораздробленным ферро­ силицием ФС45 или ФС75. Для раскисления в ковш вводят 0,8—1 кг алюминия на 1 т стали.

Интенсификация мартеновского процесса кислородом. Основным преимуществом применения кислорода в мартеновских печах явля­ ется повышение производительности печей и снижение расхода топлива на 1 т стали, а также уменьшение количества продуктов горения.

Интенсификацию мартеновского процесса осуществляют сле­ дующими способами: газификацией топлива дутьем, обогащенным кислородом; подачей кислорода для обогащения воздуха горения; расплавлением заваленного в печь скрапа кислородной струей и прямым окислением примесей ванны.

Существует несколько способов подачи кислорода для обога­ щения воздуха. Наиболее распространен способ подачи кислорода непосредственно в головки мартеновской печи. В печах с газовым отоплением кислород вводят в газовую струю на выходе, последней из газового канала в печь. Расход кислорода при обогащении воз­ духа в печах, отапливаемых жидким топливом, колеблется в преде­ лах 15—25 м3/т, а в газовых печах составляет 35 м3/т. Воздух обо­ гащают кислородом главным образом в период завалки и расплав­ ления. Производительность печи при этом увеличивается на 10—12%.

Для ускорения процесса расплавления вводят струю чистого кислорода на скрап, заваленный в печь. Плавить скрап кислород­ ной струей необходимо после нагрева его до 1400° С. Для ускорения процесса окисления углерода применяют метод окисления металла •• чистым кислородом, вводимым непосредственно в ванну. При таком прямом окислении металла кислородом значительно лучше уда­ ляются фосфор и сера.

Прямое окисление кислородом осуществляют при помощи тру­ бок или специальных сопл с водяным охлаждением, которые уста­ навливают в передней или задней стенках, а иногда в своде печи. Удельный расход кислорода при прямом окислении углерода ванны

2,5—5,0 м3/т.

365

Кислый мартеновский процесс обычно используют для выплавки высококачественных сталей. Окислительная способность шлака в кислом мартеновском процессе ниже, чем в основном, соответствен­ но ниже концентрации кислорода в сплаве. При плавке высокока­ чественных сталей применяют чистые по сере и фосфору исходные шихтовые материалы и топливо с минимальным содержанием серы.

Используют два варианта кислого мартеновского процесса: кремиевосстановительный (пассивный) и с ограниченным восстанов­ лением кремния (активный).

При кремневосстановительной кислой мартеновской плавке процесс ведут так, что кремний восстанавливается из шлака и материала пода печи. Количества восстановившегося кремния достаточно для получения спокойной стали без введения дополни­ тельных раскислителей.

При процессе с ограниченным восстановлением кремния в печь вводят железную руду или окалину для повышения окислитель­ ной способности шлака и понижения его температуры. Это способ­ ствует уменьшению восстанавливаемого кремния до 0,1—0,12%. Наряду с железной рудой или окалиной применяют также добавку в шлак извести, которая снижает в нем концентрацию кремния.

§2. ПЛАВКА В ОСНОВНЫХ И КИСЛЫХ ДУГОВЫХ

ИИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

Особенности плавки в дуговых печах. Главными особенностями электродуговой плавки являются следующие: возможность полу­ чения в плавильном пространстве печи восстановительной атмо­ сферы; более горячий шлак, разогреваемый дугами, позволяет получать жидкие, высокоактивные шлаки с содержанием FeO в 10 раз меньшим, чем в мартеновском процессе; отсутствие в атмо­ сфере печи кислорода и, как следствие, ведение окислительных процессов только за счет железной руды или вдуваемого в ванну кислорода, меньший угар элементов.

Однако в зоне горения дуги больше вероятность образования активного азота, который может растворяться в жидкой стали.

иболее высокие температуры перегрева стали способствуют пони­ жению содержания серы в стали.

Плавку в дуговых печах применяют при изготовлении мелких

исредних стальных отливок. Ёмкость садки печей в цехах фасонного стального литья колеблется от 0,5 до 10 т, а на заводах тяжелого машиностроения до 30 т. Выбор процесса плавки зависит от сорта стали и требуемой чистоты ее по сере и фосфору.

Печи с основной футеровкой применяют при изготовлении отли­ вок ответственного назначения из высокопрочной конструкционной легированной или жаропрочной стали. В них можно получить

366

I

сталь с низким содержанием серы и фосфора. Плавку стали в печах с кислой футеровкой производят только на чистых по содержанию серы и фосфора шихтовых материалах.

Наиболее простым и удобным в обслуживании сталеплавильным агрегатом является кислая дуговая электропечь. При кислом про­ цессе электроплавки достигается большая стойкость футеровки, снижается ее стоимость, уменьшаются расход электроэнергии и продолжительность плавки, сталь лучше раскисляется. Поэтому кислый процесс электродуговой плавки в литейных цехах применяют чаще основного.

Плавка в кислых дуговых печах. При кислом процессе футеровку печи выполняют из динасового или хромомагнезитового кирпича, иногда применяют металлический водоохлаждаемый свод.

Подготовка печи к плавке состоит в очистке печи от остатков шлака и металла предыдущей плавки, заправке пода, откосов и стен новыми материалами. Для заправки применяют кварцевый песок, содержащий не менее 96% SiOa и не более 1% примесей.

Шихту загружают в следующем порядке: на под — половину мелкой шихты, в зону действия электродов — среднюю и крупную шихту, сверху ее засыпают остатками мелкой шихты. Содержание углерода в шихте должно быть на 0,2—0,3% выше нижнего предела в готовой стали. Количество кремния и марганца берется таким, чтобы после расплавления в стали было 0,03—0,1% Si и 0,12—0,2% Мп.

Главная особенность кислого процесса электроплавки состоит в том, что плавка ведется под кислым шлаком, содержащим до 65% кремнезема. Под таким шлаком фосфор и сера не удаляются, поэтому содержание серы и фосфора в шихте должно быть мини­ мальным — ниже на 0,01 % пределов, допускаемых в отливках.

После расплавления определенного количества шихты, кото­ рое проводят максимально быстро, наводят оборотный шлак от предыдущей плавки, состоящий из 38—45% Si02, 22—28% FeO, 0,18—26% МпО и 6—7% CaO.

Окисление углерода и других примесей, происходящее в период кипения ванны, уменьшает содержание углерода на 0,15—0,2% за 25—30 мин кипения ванны. Для предупреждения восстановления кремния в период кипения в шлак добавляют известняк, понижаю­ щий концентрацию Si02 в шлаке.

После получения шлака светло-зеленого, дымчатого или светлоголубого цвета приступают к раскислению стали. Предварительное раскисление производят ферросилицием или силикомарганцем, а окончательное — присадкой алюминия в ковш при выпуске стали.

Плавка в основных дуговых печах. При основном процессе футеровку в печи делают из специального электрометаллургического магнезита, наваренного на магнезитовый кирпич, который уклады­ вают на слой теплоизоляционного кирпича. Плавку в печах с ос­ новной футеровкой'можно производить двумя способами: с окисле­ нием или без окисления. Плавку с окислением металла производят

367

при использовании шихты, химический состав которой неизвестен, или шихты, засоренной фосфором, а также при выплавке низко­ углеродистых сталей. Особенность этого способа состоит в наличии периода кипения ванны, происходящего вследствие окисления

дующие этапы: заправку печи, загрузку шихты, плавление, дефосфорацню, кипение, скачивание кислого шлака, науглероживание, раскисление, обессеривание и доводку. Этапы дефосфорацни, кипе­ ния и скачивания шлака составляют окислительный период плавки, этапы науглероживания, раскисления, обессеривания и доводки — восстановительный период плавки.

В окислительный период плавки окислительный шлак наводят за 30—60 мин до полного расплавления шихты, для чего вводят железную руду, обожженную известь и плавиковый шпат. Затем

впечь загружают железную руду и известь. После их расплавления

ивзаимодействия с металлом 60—70% шлака скачивают и вновь наводят шлак, повторяя операцию до 3 раз. В результате содержание фосфора в стали понижается до 0,01%. После дефосфорацни начи­ нается период кипения стали, обезуглероживания. Периодической присадкой прокаленной руды в ванну поддерживают ее кипение; затем одновременным повышением температуры и уменьшением подачи руды переводят ванну в режим чистого кипения (т. е. за счет кислорода, содержащегося в ванне). Перед чистым кипением ска­ чивают окислительный шлак. К концу окислительного периода содержание углерода в стали должно быть на 0,02—0,03% меньше нижнего предела в готовой стали, а содержание фосфора не более

0,015%.

Восстановительный период плавки является наиболее ответст­ венным. В этот период плавку можно вести различными способами, которые отличаются характером физико-химических процессов взаимодействия между расплавом и шлаком. При выплавке стали для отливок чаще всего используют вариант плавки под белым шлаком с раскислением стали ферросплавами в начале восстановительного периода. Белый шлак имеет состав: 60—65% СаО, 14—16% SiO,, 10—12% МпО; 5—10% CaF,, 2,5—4,0% А1а0 3 и до 1,5% FeO.

Белый шлак наводят следующим образом: после скачивания окислительного шлака в сталь вводят ферромарганец для доведе­ ния содержания марганца в требуемых пределах, затем на зеркало расплава загружают смесь из 80% извести и 20% плавикового шпата, в количестве от 1,5 до 3% массы расплава. После образования жидкого шлака наводят белый шлак из извести, плавикового шпата и пылевидного кокса в соотношении 8 : 2 :_1. Как только шлак станет светлым, в смесь, подаваемую в печь, добавляют поро­ шок ферросилиция, а количество кокса уменьшают. До конца плавки белый шлак поддерживают подачей в печь восстановительной смеси из извести, молотого ферросилиция, кокса и плавикового шпа­

368

та. Сталь выдерживают под белым шлаком около 1 ч. Количество углерода в стали при этом увеличивается на 0,02—0,04 %. Поскольку в белом шлаке содержится немного окислов железа и марганца, то они переходят из металла в шлак.

Белый шлак можно получать двумя способами: 1) раскислением шлака вначале углеродом, а затем кремнием; 2) раскислением кремнием с самого начала восстановительного периода плавки. Первый способ применяют при выплавке низкоуглеродпстых сталей, конструкционных сталей и легированных, содержащих более 0,15% С; второй — при выплавке нержавеющих и высоколегиро­ ванных сталей, содержащих до 0,15% С.

Плавка стали в индукционных печах. Особенностями процесса плавки в тигельных индукционных печах являются следующие: возможность плавки в любой атмосфере, состав которой можно контролировать; отсутствие электрической дуги или иного тепло­ носителя, способного науглероживать металл или насыщать его газами; непрерывное перемешивание ванны жидкого металла, что выравнивает химический состав, облегчает дегазацию и всплывание неметаллических включений; малая интенсивность взаимодействия шлаков с ванной металла, в результате ограниченные возможности управления процессом плавки с помощью регулирования состава шлаков; высокие температуры, легкость регулирования темпера­ турного режима плавки.

Эти особенности наиболее полно можно использовать при плавке легированных специальных сортов стали для отливок ответственного назначения. Поэтому индукционная тигельная плавка находит широкое применение именно в этой области.

Индукционные печи могут иметь основную и кислую футеровку. Печи с основной футеровкой используют для плавки высоколеги­ рованных сталей с повышенным содержанием марганца, титана, алюминия.

В индукционных тигельных печах процесс плавки протекает в условиях недостатка кислорода, окислительные процессы плавки затруднены, поэтому при выборе шихты исходят из того, что плавка будет сводиться к переплаву шихты.

Шихтовые материалы в печь загружают так, чтобы пространство между кусками было минимальным. Крупные куски укладывают ближе к стенкам тигля, а мелкие — в среднюю часть. Наиболее тугоплавкие составляющие шихты укладывают в нижнюю часть тигля.

Во время плавки шихту периодически осаживают, повышая плотность укладки нерасплавившихся кусков. После расплавления шихты наводят шлак. Шлак защищает металл от окисления, сни­ жает угар элементов. При кислом процессе шлак наводят из смеси шамота и стекла, а при основном из 70% обожженной извести, 20% плавикового шпата и 10% магнезитового порошка. Легирующие элементы (ферромолибден, никель, медь) вводят в печь одновременно с шихтой. Другие легирующие добавки вводят в такой последова­

369