Лекция № 33. Создание высокопроизводительных, энерго- и материалосберегающих технологий при изготовлении отливок

Внепечные методы обработки чугуна широко используют для изменения в нужном направлении жидкого состояния, структуры и свойств чугуна в отливках.

С этой целью в чугун после его выпуска из плавильного агрегата вводят различные добавки, которые взаимодействуют с расплавом. Изменяя состав и количество присадок, можно в широких пределах регулировать структуру и свойства чугуна. Эти добавки можно вводить в чугун на желобе плавильного агрегата, в разливочном ковше, в специальных устройствах. Температура жидкого чугуна должна составлять менее 1450 ⁰С, поскольку за время внепечной обработки она понижается на 40-80 ⁰С. Ввод добавок в жидкий чугун производится при заполнении ковша на 0,15-0,20 его вместимости, чтобы они перемешивались струей металла и равномерно распределялись во всей массе чугуна. Для лучшего растворения добавки размельчают на куски размером от 0,5 до 10 мм в зависимости от температуры и массы обрабатываемого чугуна.

Для повышения эффективности внепечной обработки иногда применяют дополнительное перемешивание (механическое, электромагнитное, вибрационное, барботацией), которое должно быть кратковременным и интенсивным во избежание чрезмерного охлаждения металла.

Расход добавок колеблется в пределах 0,05–4,0% массы обрабатываемого чугуна. Шлак, образующийся в результате внепечной обработки, необходимо удалять.

Разливку обработанного металла в литейные формы производят через 2–3 мин после введения добавки, в заканчивают через 10–15 мин в зависимости от массы, вида, марки чугуна и других факторов.

Ковшовые добавки используют для раскисления, десульфурации, модифицирования и микролегирования жидкого чугуна.

Следует отметить, что указанные процессы протекают обычно совместно и чаще всего одновременно, т.е. они взаимосвязанны. Этому способствуют благоприятные кинетические условия протекания реакций (высокая температура, достаточное значение энергии активации, энергичное перемешивание жидкого металла) и столь же благоприятные термодинамические условия (высокая степень химического сродства, большие отрицательные значения свободной энергии реакций взаимодействия).

Введение в жидкий металл различных присадок вызывает появление сил химической связи между катионами электроположительных элементов и анионами кислорода, серы, азота, водорода и углерода, растворенных в металле. В результате химического взаимодействия присадок с примесями чугуна (и стали) образуются оксиды, сульфиды, нитриды и карбиды.

Одно из основных направлений работ в области литейного производства – создание высокопроизводительных, энерго- и материалосберегающих технологий, снижение и ликвидация выделений токсичных веществ при изготовлении отливок. Основной источник токсичных веществ – связующие материалы, особенно синтетические смолы, используемые при изготовлении форм и стержней из ХТС. Поэтому снижение содержания и изыскание новых безвредных связующих материалов и разработка способов получения литейных форм без использования связующих – реальное направление решения этой задачи.

Один из способов литья, обеспечивающих возможность максимальной механизации и автоматизации технологических операций и относящихся к категории экологически безопасных и безотходных производств, – получение отливок в формах, изготовляемых из сухого формовочного материала с применением вакуума и синтетических пленок. Этот способ известен под названием "V – процесс" (вакуум-процесс) или вакуумно-пленочная формовка (ВПФ) и применяется для изготовления отливок из черных и цветных сплавов, изделий из полимербетона, керамики. Главные отличия ВПФ от всех известных способов изготовления отливок в разовые песчаные формы в том, что формовочная смесь не содержит связующего а необходимые прочностные и размерные характеристики литейной формы достигаются созданием разрежения в объеме формовочной смеси за счет применения герметизирующей синтетической пленки. При этом исключаются операции смесеприготовления и затраты на связующее, резко сокращается расход формовочных песков, повышается качество и размерная точность отливок. Важнейшее преимущество ВПФ – улучшение санитарно-гигиенических условий труда. При литье способом ВПФ отливки формируются в условиях взаимодействия металла с продуктами разложения синтетической пленки как на стадии заполнении, так и в процессе затвердевания.

В России разработан экологически чистый процесс получения литейных форм и стержней замораживанием водных керамических шликеров. Процесс не имеет аналогов в России и за рубежом и получил название низкотемпературная формовка (НТФ).

Суть процесса можно представить в виде следующей технологической цепочки:

Для НТФ исходными материалами являются огнеупорный наполнитель, силикогель и вода. Это позволяет в 4–5 раз снизить затраты на изготовление литейных форм по сравнению с ЛВМ. Использование мелкодисперсной керамики обеспечивает чистоту поверхности отливок на уровне Rz 10…20 мкм. Одна из особенностей процесса – возможность регенерации формовочных материалов. Исследования показали, что без ухудшения качества форм можно использовать до 70-80% отходов керамики. НТФ позволяет изготовлять детали с высокой размерной точностью (2…5 квалитет по ГОСТ 26645-85) и сложными внутренними полостями. Опробование НТФ для широкой номенклатуры отливок из различных материалов показало его универсальность, то есть пригодность для изготовления отливок из сплавов на основе железа, алюминия, меди, титана. Простота технологических операций дает возможность полной механизации и автоматизации процесса.

В литейном производстве низкотемпературная формовка наиболее эффективна при изготовлении точнолитых деталей с необрабатываемыми рабочими поверхностями, например, различного рода роторов и лопастых колес для нефтяных насосов, колес турбин для компрессоров, тормозных вентилируемых дисков для колес автомобилей и др.

Разливка стали, являясь заключительным этапом, требует тща­тельной подготовки средств труда и высокого уровня организации про­изводства. В противном случае не удается получить качественных слит­ков. Причем высокий уровень механизации и автоматизации здесь дик­туется жесткой необходимостью окончить процесс в короткий срок кри­сталлизации, который лимитируется быстрым охлаждением металла.

Процесс разливки складывается из двух стадий: выпуска стали из печи в ковш и собственно разливки ее в металлические формы (излож­ницы). Первой стадии предшествует взятие проб металла и их анализ в экспресс-лаборатории, с которой каждый сталеплавильный агрегат связан пневмотранспортом (пневмопочтой). Последний обеспечивает бы­струю подачу пробы на анализ химического состава и возвращение от­вета сжатым воздухом по трубопроводам. При положительном ответе, когда установлен факт соответствия качества пробы заданным требо­ваниям ГОСТа, ОСТа или технических условий на продукцию, присту­пают к выпуску стали в приемный, так называемый, сталеразливочный ковш.

В зависимости от конструкции плавильного агрегата и его пара­метров выпуск может быть непосредственно в ковш путем наклона агрегата (конвертеры, электрические печи) или по направляющим же­лобам и разделки выпускного отверстия печи (мартеновские печи).

Разливочный ковш

Ковш имеет прочный стальной корпус с цапфами 2 для захвата его краном (рис. 30). Внутри он выложен шамотным огнеупорным кирпичом, выдерживающим 10-20 приемов плавки. Полезная емкость рав­на или кратна емкости сталеплавильного агрегата. При одновременном сливе стали и шлака последний по желобу 4 направляют в шлаковую чашу, расположенную рядом. Сталевыпускное отверстие устроено в днище ковша. В него вставлен огнеупорный стакан 3, который удержи­вается шайбой. Стакан, перекрыт стопором /, футерованным огнеупор­ными кольцами. На нижнюю часть стопора навинчена огнеупорная проб­ка для удержания колец, а верхняя соединена с рычажным механиз­мом, поднимающим стопор при выпуске стали из ковша.

Более надежно в работе шиберное устройство, которое начали ис­пользовать вместо стопорного. Оно состоит из гнездового кирпича 1, в который установлен разливочный стакан 2 (рис. 30). К стакану крепит­ся неподвижная плита 3. При выпуске стали из ковша с помощью гид­равлического устройства перемещают подвижную плиту 4 с таким рас­четом, чтобы отверстие в ней совпало с соответствующим отверстием неподвижной плиты. Для формирования струи вытекающей стали к плите крепят стакан-коллектор 5. Плиты изготовлены из материала, основой которого является магнезит. Шиберный затвор выдерживает 3 плавки, а стопорный - лишь одну.

Рис. 30. Сталеразливочный ковш:

1 - стопор; 2 - цапфа; 3 - огнеупорный стакан; 4 – желоб

Стойкость футеровки ковша (до 50-70 плавок) повышают торкре­тированием: через каждые 3-6 плавок на нагретую изношенную футе­ровку сжатым воздухом наносят увлажненную огнеупорную массу. Перед подачей стали ковш тщательно просушивают.

Срок службы футеровки ковша можно повысить, сокращая время пребывания стали в нем, например, применением ковшей с двумя вы­пускными отверстиями, шиберные затворы которых управляются дис­танционно.

Непрерывная разливка

При прокатке стальных слитков приходится удалять головную и донную их часть, где металл обычно загрязнен и имеется усадочная раковина. Величина обрези нередко достигает 20-25 % от массы слит­ка. Использование утепляющих вставок хотя и снижает в 1,5-2 раза обрезь слитка, все же не является радикальным средством сокраще­ния указанных потерь. Именно это обстоятельство послужило толчком для создания непрерывной разливки стали (НРС). Процесс разработан группой ученых под руководством акад. И. П. Бардина и получил широ­кое распространение. Агрегаты для разливки стали данным методом называют машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), которые бывают различных конструкций: вертикальные (рис. 24, а), радиальные (рис. 24, б), криволинейные (рис. 24, в), горизонтальные (рис. 24, г), ро­торные (рис. 24, д). В зависимости от количества одновременно отли­ваемых слитков их делят на одно-, двух- и многоручьевые.

Классификация и маркировка

Наиболее широкое применение в народном хозяйстве получили чугуны и стали, в состав которых, помимо углерода, входят примеси постоянные (Si, Mn, S, Р), скрытые (О, N, Н), случайные (Ni, Ti и др.) и легирующие элементы. Последние специально вводят в стали для при­дания им тех или иных свойств.

Выпускаемые черной металлургией стали, классифицируют по хи­мическому составу, способу производства, назначению и качеству.

По химическому составу стали, делятся на: углеродистые и леги­рованные. На долю углеродистых приходится 90% от общего количе­ства стали, а легированных - 10%. Первые по содержанию углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3%), среднеуглеродистые (0,3-0,6%) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%). Увеличение содер­жания углерода в стали приводит к повышению прочности и снижению пластичности, ударной вязкости, свариваемости, обрабатываемости резанием. Марганец и кремний при содержании в пределах 0,3-0,8% и 0,4% соответственно благоприятно влияют на свойства стали. Кисло­род, водород, азот являются вредными примесями, так как повышают склонность стали к хрупкому разрушению.

В зависимости от способа производства различают конверторную, мартеновскую и электросталь.

По качеству (содержанию серы и фосфора) углеродистые конст­рукционные стали могут быть: обыкновенного качества, качественны­ми и высококачественными. Обычно в сталях содержание примесей серы и фосфора должно быть не более 0,02-0,04% каждой. Фосфор и сера отрицательно влияют на свойства стали. Растворяясь в ά-железе, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состоя­ние, то есть вызывает ее хладноломкость, при соединении серы с желе­зом образуется легкоплавкий сульфид, располагающийся по границам зерен, в результате уже при 800 С° сталь делается хрупкой. Введение в сталь марганца уменьшает отрицательное влияние серы, так как обра­зующий сульфид марганца плавится при 1620 С°.

По назначению стали делятся на конструкционные (низко- и среднеуглеродистыё), инструментальные и специальные.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) в зависимости от назначения подразделяются на груп­пы А, Б, В. Стали каждой группы делятся на категории: 1, 2, 3 и т.д. Существуют следующие марки сталей; группа А - Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6; группа Б - БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6; группа В - ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.

В сталях групп Б и В регламентируется содержание углерода в пре­делах 0,06-0,49%, марганца - 0,25-1,2%, серы и фосфора - 0,04-0,07%.

Качественные углеродистые конструкционные стали марок 10,20, 25...85 содержат соответственно 0,1; 0,2; 0,25;... 0,85% углерода (ГОСТ 1050-74).

Легированные конструкционные стали по преобладающему улуч­шающему компоненту получили название хромистых, хромоникелевых и т. д. Эти стали подразделяют на низко-, средне- и высоколегирован­ные, содержащие соответственно до 2,5; 2,5-10; свыше 10% соответ­ствующих элементов. Конструкционные легированные стали обознача­ют сочетанием букв и цифр, характеризующих их химический состав. Первые две цифры означают содержание углерода в сотых долях про­цента, стоящие далее буквы - легирующие элементы, а цифры, следу­ющие за этими буквами, - среднее содержание соответствующего элемента в процентах. Каждому легирующему элементу присвоена буква: алюминий - Ю; бор - Р; ванадий - Ф; вольфрам - В; кобальт - К; крем­ний - С; марганец - Г; медь - Д; молибден - М; никель - Н; титан - Т; хром - X; цирконий -Ц. Например, сталь 35Х2МА - высококачествен­ная хромомолибденовая, содержит 0,35% углерода, 2% хрома, 1% молибдена. Буква "А" означает высокое качество.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74) содержат 0,7-1,3% углерода. Обозначаются буквой "У". Цифра означает содер­жание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У8А со­держит 0,8% углерода и является высококачественной.

К специальным относятся стали, обладающие особыми свойства­ми: жаростойкостью, коррозийной стойкостью, износостойкостью, маг­нитной проницаемостью и другими специальными свойствами. Получение необходимых свойств достигается введением в сталь различных легирующих элементов. Например, добавление 12% марганца при со­отношении Mn:C^;-^: 10:1 придает стали невиданную износостойкость. При добавлении 18% хрома и 8% никеля получают нержавеющую сталь. Улучшение механических характеристик в большинстве легированных сталей достигается после их термической обработки.

В последние годы в нашей стране большое внимание уделяется увеличению производства низколегированных сталей. Высокопрочные низколегированные стали имеют предел текучести (σ_т) 600-900 МПа. Конструкции, изготовленные из этих сталей, экономичны в работе в са­мых тяжелых условиях эксплуатации не только при статических, но и при ударных и вибрационных нагрузках.

Высокопрочные стали широко применяются при изготовлении тяжелонагруженных узлов различных машин. Применение стали 14Х2ГРМ, например, позволило в 2-3 раза увеличить срок службы платформы ав­тосамосвала БелАЗ-549. Применение высокопрочных сталей позволя­ет на 20-40% снизить вес, а также стоимость и трудоемкость изготов­ления металлоконструкций и является важным направлением техничес­кого прогресса в промышленности.

Из чугунов наибольшее распространение получили серые² доэвтектические (2,4-3,8% углерода), имеющие высокую жидкотекучесть. В соответствии с ГОСТ 1412-79 они маркируются буквами СЧ и циф­рами, которые показывают минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение. Например, СЧ25 имеет предел прочности на ра­стяжении 245 МПа (25 кГс/мм²). Серый чугун, имеющий повышенную твердость и износоустойчивость, применяется для изготовления порш­невых колец двигателей внутреннего сгорания и других деталей, рабо­тающих в условиях высоких истирающих нагрузок.

Ковкий чугун, получаемый в результате длительного высокотем­пературного нагрева белого чугуна, применяется для деталей, работа­ющих при больших нагрузках. Маркируется он буквами КЧ с двумя цифрами, первая из которых обозначает средний предел прочности на растяжение, вторая - относительное удлинение. Например, КЧЗО-6 имеет предел прочности на растяжение 294 МПа (30 кГс/мм²) и относитель­ное удлинение не менее 6%.

Высокопрочные чугуны получают путем присадки в плавку раз­личных модификаторов (например, магния). Маркируют буквами ВЧ. Например, ВЧ 45-5. Применяют для деталей, испытывающих высокие нагрузки.