Современные тенденции в литейном производстве

Все литейные металлы обладают сложной структурой, поэтому на жидко текучесть, оказывают влияние:

–вязкость;

–поверхностное натяжение;

–характер поверхностной оксидной пленки;

–наличие, содержание и состав включений;

–способ затвердевания;

–химический состав основного материала;

–физико-механические характеристики, прежде всего, удельный вес и температура плавления.

Жидко текучесть устанавливается по результатам химических анализов и технологических проб применительно к конкретному материалу отливки. Если ранее процесс течения жидкого металла был плохо управляемым, что приводило к различным дефектам литья – неравномерности структуры конечной продукции и пористости, то теперь ситуация изменилась. Чтобы производить отливки с оптимальным качеством и минимизировать издержки производства, освоены процессы компьютерного моделирования, в результате которых можно прогнозировать скорость потока и наличие различных охлаждающих эффектов.

3-D моделирование позволяет регулировать:

–вязкость расплава;

–интенсивность охлаждения;

–степень пористости.

Разрабатываемая технологом с учётом перечисленных факторов пространственная модель отливки, позволяет ещё на стадии проектирования технологии оптимизировать дизайн детали (обеспечивая её оптимальную конфигурацию), конструировать литейную оснастку, а также создавать наилучшую последовательность выполняемых операций.

Для определения жидко текучести разработаны специальные пробы. Мерой служит длина, на которую расплавленный металл заполняет спиралевидную литейную форму. На это свойство влияют многочисленные факторы. К примеру, жидко текучесть повышается при увеличении температуры, а снижаться может из-за высокой теплопроводности материала, из которого изготовлена форма, так как быстрое отведение тепловой энергии от расплава делает его менее текучим.

Сплавы приобретают способность лучше заполнять форму при введении в их состав неметаллических добавок. Так, сера, кислород и хром снижают жидко текучесть, а фосфор, кремний, алюминий и углерод – повышают.

Жидко текучесть сплава необходимо учитывать при выборе минимальной толщины стенок отливки. К примеру, когда речь идет о мелких изделиях из серого чугуна, для изготовления которых применяются песчаные формы, рекомендованная величина этого показателя колеблется от 3 до 4 мм. Если отливаются детали средней величины – от 8 до 10 мм, а если более габаритные – от 12 до 15 мм (для стали эти параметры должны составлять, соответственно, от 5 до 7, от 10 до 12 и от 15 до 20 мм).

Усадка и склонность к растрескиванию. В ходе охлаждения и кристаллизации, которая начинается при определенной температуре, а также уже после затвердевания металл, залитый в литейную форму, подвергается усадке. Последняя бывает линейной или объемной и измеряется в процентах. На ее величину влияют химический состав сплава, уровень нагрева, при котором выполняется литье, формы отливок и ряд других условий. Если говорить о линейной усадке, то в наименьшей степени ей подвержены отливки из серого чугуна и силумина (от 0,9 до 1,3%). Некоторые цветные сплавы усаживаются на 1,8% и даже на 2,5%. Большая усадка сильно затрудняет изготовление литых изделий, так как они страдают от формирования усадочных раковин и порообразования.

Предупредить образование пустот можно, используя прибыли – специальные дополнительные ванны с расплавом, из которых осуществляется питание отливок в ходе кристаллизации жидкого металла.

При неравномерном охлаждении отливок и механическом торможении усадки в толще металла формируется внутреннее напряжение. Особенно подвержены этому явлению изделия, имеющие стенки разной толщины. Там, где материал более толстый, он охлаждается и кристаллизуется медленнее. По этой причине величина усадки сплавов различна в разных местах изделия. Поскольку все части связаны друг с другом и не могут деформироваться по отдельности, возникающие напряжения вызывают растрескивание и приводят к короблению (температурной деформации).

Чтобы в металле при его охлаждении и кристаллизации не возникали серьезные напряжения и трещины, в конструкцию литых изделий необходимо закладывать стенки равномерной толщины с плавными переходами между ними.

Также важно избавлять отливку от элементов, которые затрудняют усадку. Для изготовления литейных форм и стержней следует использовать податливые материалы. Растрескиванию в наибольшей степени подвержены углеродистые и легированные типы стали, магниевые сплавы и значительная часть соединений на основе алюминия.

Газопоглощение. Расплавленные литейные соединения обладают способностью к растворению водорода, азота, кислорода и ряда других газов. В зависимости от того, в каком состоянии находится металл, происходит изменение интенсивности газопоглощения. Пока материал нагревается в твердом состоянии, значительного повышения не происходит.

Небольшой рост этого показателя наблюдается, когда начинается плавление, а затем в ходе дальнейшего нагревания расплава происходит резкое возрастание. В ходе кристаллизации и охлаждения газопоглощение снова возвращается к минимуму, а газы выделяются наружу, формируя пустоты в отливках.

На газопоглощение влияют химический состав соединений, температура, при которой выполняется литье, вязкость расплавленного металла и свойства используемых литейных форм. Чтобы снизить степень насыщения сплава газами, плавку выполняют в вакуумных камерах, в защитной атмосфере из инертного газа.

Ликвация. Этим термином принято обозначать неоднородный химический состав отливок. Ликвация может быть, как зональной, так и дендритной или внутризеренной. При зональной ликвации имеет место неоднородность химического состава по всему объему отливки после кристаллизации металла. Если речь идет о дендритном процессе, имеется в виду неоднородный состав в пределах отдельных дендритов или зерен сплава. На этот показатель оказывают влияние набор и процентные доли компонентов, форма отливаемых деталей, скорость охлаждения и другие факторы.

Для создания сложных изделий мы разрабатываем модельную оснастку на основе предоставленных эскизов, чертежей, 3D-моделей или образцов.

Литейные свойства материалов учитывают не только жидкотекучесть, но и уменьшение объёма, которое происходит в процессе охлаждения отливки. Такое явление называют усадкой; она составляет 1-3% от первоначальных размеров. Поскольку все металлы анизотропны, то различают линейную и объёмную усадку, которые определяют итоговый баланс металла. Первый параметр важен для отливок с увеличенным соотношением длины к ширине, а второй – для отливок сложной формы.

Литье металла – это востребованный технологический процесс, который позволяет изготавливать металлические изделия нужной формы. Проводится отливка из разных сплавов, обладающих той или иной степенью жидко текучести в расплавленном состоянии. Такой способ выполнения позволяет выпускать качественную продукцию без применения громоздкого оборудования и огромного количества работников. На современном рынке эта технология пользуется огромным спросом, а также входит в десятку самых эффективных и применяемых в мире.

Компоненты, пригодные для литья, разделяют на черные, цветные и редкоземельные. К черным сплавам относятся сталь, литейный и ковкий чугун. Все остальные сплавы относят к цветным и редкоземельным.

Для каждого вида сплавов используются специальные методы литья, позволяющие изготавливать изделия из следующих материалов: стали; чугуна; алюминия; меди; латуни; золота; серебра; платины; никеля; титана; бронзы; магния.

На сегодняшний день к редкоземельным металлам относятся 17 элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, скандий и иттрий.

За все время существования литейного производства было разработано много разных технологических решений с разными условиями отливки. При отливке изделий из черных металлов используют 5 видов стали с разным содержанием углерода. Изделия с повышенной прочностью отливают из легированной стали. Это самый распространенный материал, который используется для промышленной заливки

ГЛАВА 2. Л

ИТЕЙНЫЙ ЧУГУН

Чугун является одним из важнейших сплавов, благодаря распространенности исходного элемента – железа, и относительной легкости производства, его применяют в самых разных областях. Чугун отличается широким спектром применения благодаря тому, что процесс производства чугунных изделий отличается относительной простотой и экономичностью. Ассортимент чугунных изделий обширный, они получаются долговечными, стойкими к износу и вибрации, материал легко обрабатывается, обладает способностью накапливать тепло. Возможно получение разных сортов сплава с различными исходными свойствами. Характеристики варьируются количеством углерода и других присадок.

Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн. Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом, таблица 2.1.

Таблица 2.1. Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна

1

Китай

543,748 млн т

2

Япония

66,943 млн т

3

Россия

43,945 млн т

4

Индия

29,646 млн т

5

Южная Корея

27,278 млн т

6

Украина

25,676 млн т

7

Бразилия

25,267 млн т

8

Германия

20,154 млн т

9

США

18,936 млн т

10

Франция

8,105 млн т

2.1. Классификация чугуна

Чугун представляет собой сплав, основными компонентами которого являются железо, углерод и кремний. Если сравнивать содержание и состояние углерода в сплаве, то по этим признакам чугун делится на следующие категории.

1.Серый чугун. Содержание углерода высокое (обычно от 2,5 до 4%), графит распределен в виде хлопьев. Хорошее виброгашение, стойкость к истиранию и обрабатываемость. В основном используется для станин станков, труб, блоков двигателей и т.д. Структура металла формируется при медленном охлаждении, поэтому он получает хорошую жидко текучесть (качественно заполняет литейную форму и воспроизводит ее), не формирует усадочных дефектов. Поэтому из него изготавливают отливки сложной формы (в том числе и крупные).

2.Ковкий чугун. Существуют два основных класса ковкого чугуна: обычного качества и перлитный. Механические свойства материала улучшаются благодаря добавлению сферического агента, который придает графиту сферическую форму. Высокая прочность, вязкость и коррозионная стойкость. В основном используется для изготовления высокопрочных труб, рис.2.2, автомобильных деталей, сельскохозяйственной техники и т.д.

Рис.2.2. Высокопрочные чугунные трубы

3. Белый чугун. Весь углерод сосредоточен в цементите (в связанном состоянии); место излома отливает белым (отсюда и название). Материал известен высокой твердостью и хрупкостью, из-за чего практически не поддается обработке. В составе есть легирующие добавки (никель, марганец, молибден). Использование: основа для ковких чугунов, литые износостойкие детали.

4. Половинчатый (отбеленный). Поверхностный слой отливок обладает структурой белого чугуна (слой толщиной 12-30 мм), внутренний – сплава с графитом. Сплав имеет высокую твердость на поверхности. Применение довольно широкое, но ограниченное там, где нужна высокая износостойкость: тормозные колодки, лемех плугов, а также валки листовых прокатных станов.

5. Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун, содержит графит в шаровидной форме. Этот вид графита отличается высокой вязкостью и ковкостью, пригоден для кузнечной обработки. Из него отливают трубы, трубопроводную арматуру, ответственные и высоконагруженные детали механизмов.

6. Легированный чугун. Он получается путём введения в состав обычного чугуна легированных компонентов, таких как кремний, хром, алюминий и другие. С помощью легирования чугун получает особые свойства. Легированные чугуны по своим особенностям могут быть: износостойкими, жаростойкими, антифрикционными и жаропрочными.

Если брать во внимание цель использования, то чугун можно разделить на две группы:

Передельный (нужен для передела в сталь). Процесс двухэтапный. Сначала из железосодержащей руды получают чугун (так как его температура плавления ниже). Затем из него удаляют лишний углерод путем продувания кислородом или сжатым воздухом, и получают сталь. В процессе важен контроль содержания кремния, серы, марганца и фосфора.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4,0-4,4% С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Мn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Передельный чугун некоторых марок, предназначенный для передела в сталь в конвертерах, имеет пониженное содержание фосфора (до 0,07%).

В зависимости от массовой доли кремния и назначения изготовляют:

–передельный чугун для сталеплавильного производства марок П1, П2;

–передельный чугун для литейного производства марок ПЛ1, ПЛ2;

–передельный фосфористый чугун марок ПФ1, ПФ2, ПФЗ;

–передельный высококачественный чугун марок ПВК1, ПВК2, ПВКЗ.

Литейный. Используется для изготовления отливок (в литейном производстве). В состав входит кремний, подавляющая часть углерода содержится в виде свободного графита. Выплавляется несколько сортов: древесно угольный, коксовый, специальный. Сплав хорошо обрабатывается; его применяют в разных областях промышленности (например, в машиностроении).

Форма графитовых включений в сплаве может быть разной, возможны, следующие варианты.

С шаровидным графитом. В расплав добавляется чистый магний или другие модификаторы; в результате получается высокопрочный модифицированный чугун. Он нужен для производства износостойких деталей, способных работать при высоких температурах, больших нагрузках и в агрессивных средах.

С хлопьевидным графитом. Его получают путем отжига белого чугуна; сплав получается не только прочным, но и пластичным. Существует две разновидности: черно- и белосердачный сплав; они идут на изготовление деталей ответственного назначения, способных работать в условиях ударных и вибрационных нагрузок.

С вермикулярным (уплотненным) графитом. Сплав отличается высокими физико-механическими свойствами (они выше, чем у серого чугуна). Его используют, когда нужна большая прочность при нагрузках, например, при изготовлении корпусов турбин, блоков дизельных двигателей, тормозных дисков для высокоскоростных поездов. Специальные сплавы и присадки к ним. Для особых применений нужен чугун с определенными механическими свойствами: стойкий к износу, коррозии или высокой температуре, сплав с особыми электромагнитными свойствами, для художественного чугунного литья. Нужные характеристики достигаются разными способами, например, применяются специальные технологии отжига и охлаждения.

Также широко применяется легирование, то есть изменение структуры металла добавлением специальных присадок. Легирующими элементами служат следующие вещества:

Кремний. Вместе с углеродом он является основной легирующей добавкой. Кремний улучшает литейные свойства сплава, способствуя выделению графита.

Хром. Он делает сплав жаро- и износостойким, увеличивает стойкость к коррозии.

Алюминий. Сплав приобретает жаростойкие и износостойкие свойства, в том числе, и при высоких температурах.

Марганец. Металл становится износостойким и маломагнитным.

Никель. Низколегированные сплавы (содержание примесей не превышает 2,5%) становятся коррозийно-стойкими в газовых средах двигателей внутреннего сгорания, получают повышенную прочность и износостойкость. Высоколегированные – становятся жаропрочными, износо- и хладостойкими, маломагнитными.

Литейный чугун используют для переплава его на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит повышенное количество кремния (до 2,75-3,25%).

Широко используются следующие марки чугуна.

1.СЧ- серый чугун (ГОСТ 1412-85): СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30;

2.ВЧ- высокопрочный чугун (ГОСТ 7293-85): ВЧ 40, ВЧ 50;

3.АЧС- антифрикционный чугун серый: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6;

4.АЧВ- антифрикционный чугун высокопрочный: АЧВ-1, АЧВ-2, АЧВ-3, АЧВ-5;

5. Легированные чугуны (ГОСТ 7769—82): ЧХ2, ЧХ3, ЧХ3Т, ЧХ9Н5, ЧХ16, ЧХ16М2, ЧХ22, ЧХ22С, ЧХ28, ЧХ28Д2, ЧХ32, ЧС5Ш, ЧС13, ЧС15, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х, ЧН4Х2, ЧН4Х2.

Обозначения: Ч– чугун, Х– хром, С– кремний, Г– марганец, Н– никель, Д – медь, М– молибден, Т– титан, П– фосфор, Ю– алюминий, Ш– шаровидная форма графита.

Преимуществами чугунного литья являются такие важные показатели, как:

–чугун не боится ржавчины (коррозийная стойкость);

–высокая огнестойкость – выдерживает нагрев до тысячи градусов;

–хорошо подвергается обработке;

–устойчивость к агрессивным воздействиям и колебаниям температуры;

–долговечность;

–стабильная усадка благодаря таким составляющим элементам, как углероды и железо;

–привлекательная стоимость при достаточно высоком качестве – чугунное литье простое и недорогое в производстве.

Литейный чугун, который используется в разных сферах производства, отличается низкой себестоимостью, сам материал имеет небольшую прочность и обрабатывается при помощи обычного резания.

Стали и чугуны являются сложными по составу (многокомпонентными) сплавами, но в основном состоят из двух главных компонентов: железа и углерода. Поэтому их с известным приближением можно рассматривать как двойные железо –углеродистые сплавы.

Свойства чугуна определяется главным образом его структурой, формирование которой является результатом кристаллизации и перекристаллизацией.

2.2.Плавка чугуна в литейных цехах

Чугун литейный предназначен для использования в литейно-чугунных цехах при изготовлении отливок. Чугун литейный из железных руд выплавляют в доменных, низкошахтных и в электрических печах. Подавляющее количество литейного чугуна в России и за рубежом производят в доменных печах; выплавка чугуна в низкошахтных и электрических печах не получила широкого распространения. Основными исходными материалами для производства чугуна являются железные руды —окислы железа в соединении с пустой породой. В земной коре содержится около 5,1% железа в виде различных химических соединений. Качество железной руды, идущей на выплавку чугуна, определяется по содержанию железа, составу пустой породы, физическому состоянию и восстановимости.

2.2.1 Доменная плавка чугуна

Доменная печь представляет собой металлургический агрегат шахтного типа. Рабочее пространство печи имеет определенный профиль, элементы которого заранее рассчитываются. При выборе профиля доменной печи руководствуются стремлением обеспечить плавное опускание шихтовых материалов, рациональное распределение газового потока по сечению печи, успешное и наиболее интенсивное протекание восстановительных процессов, а также процессов образования, формирования и разделения чугуна и шлака. Схема доменной печи представлена на рис.2.3.

Рис.2.3. Схема доменной печи

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи.

Основное оборудование доменного цеха – доменная печь – это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Основные виды сырья для производства чугуна – железные руды, кремнезем, глинозем, пустые породы с содержанием оксидов кальция и магния. Руда, кроме основного материала, содержит и дополнительные компоненты – ценные и редкоземельные металлы. Если их содержание невелико, они используются в производстве чугуна. Если же процентное содержание позволяет извлекать из них, например, молибден, ванадий или никель, такую руду разделяют на компоненты.

Породу, добытую из недр, переводят из сырой в товарную. Происходит это в несколько этапов:

–дробление для раскрытия рудного минерала;

–грохочение для калибрования кусков разного размера;

–окускование с целью получения крупных кусков руды из мелких;

–агломерация (спекание);

–обогащение для отделения пустой породы;

–обжиг – для удаления серы, воды и углекислоты;

–усреднение состава для достижения однородности.

После всех подготовительных процедур руду направляют на переплавку. Это делают в доменных печах на металлургических комбинатах.

В промышленном применении наиболее ценными являются руды:

–магнитный железняк, в котором содержание Fe колеблется от 45 до 70% и почти отсутствуют вредные примеси;

–красный железняк (55-60% Fe);

–бурый железняк (35-50%), основной недостаток – значительное количество вредных примесей;

–шпатовый железняк (30-45%).

Характеристики руды определяет ее химический состав. Чем выше содержание основного компонента, тем она ценнее. Наличие вредных примесей и количество пустой породы делает производство металла из руд низкого качества более дорогостоящим. Чем выше содержание железа и меньше дополнительных компонентов, тем выше качество чугуна и дешевле его производство.

Флюсы- это минеральные вещества, которые добавляют в руду при выплавке, способствуют снижению температуры плавления и удалению шлака – золы, пустой породы, серы. Флюсами служат доломит, известняк, мартеновский шлак, кварц, кремнезем.

При выплавке чугуна используют основное топливо – кокс. Его получают путем спекания без доступа кислорода из каменного угля. Качественный кокс содержит незначительное количество золы и серы. Он прочный и способен выдержать давление расплавляемой руды, не разрушаясь.

Еще один источник топлива – древесина. Ее жгут без доступа воздуха для получения угля. Однако ее крепость и дороговизна позволяют использовать такое топливо в металлургии регионов, богатых нестроевым лесом.

В качестве добавки к коксу применяют антрацит. У него высокая теплотворная способность, малая зольность и низкое содержание серы. В последнее время стали широко применять для выплавки чугуна торфяной кокс. С таким топливом сплав получается высокого качества при меньшей стоимости.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи – расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Этапы производства чугуна в доменных печах – это сложный и многоступенчатый процесс получения прочного и высококачественного чугуна способом доменной плавки. Рассмотрим ключевые этапы, на которых делают чугун в промышленности.

Этап 1: Подготовка сырья. Производство чугуна начинается с тщательной подготовки сырья, из которого чугун получают. В этот этап входит обогащение железной руды – измельчение, сепарация и агломерация или пеллетизация с добавлением флюсов, таких как известняк. Также производится кокс из каменного угля путем пиролиза в коксовых печах. Контроль качества каждого компонента строго обязателен, чтобы в доменном процессе получить чугун высокого качества. Иногда используют переработанные материалы и специальные добавки для корректировки состава чугуна.

Этап 2: Загрузка сырья в доменную печь. Доменное производство начинается с послойной загрузки шихты: слои кокса, железной руды и флюсов укладываются в печь, поддерживая оптимальный теплообмен и процессы восстановления. Сначала в печь загружают кокс, формируя "коксовую подушку" на дне, затем чередуют слои. Загрузка автоматизирована с использованием конвейеров, ковшей и систем распределения, что делает процесс точным и равномерным. Продукты доменной плавки – жидкий чугун, шлак и газ – появляются после запуска процесса горения и восстановления.