Современные тенденции в литейном производстве
ВВЕДЕНИЕ
Литейное производство – основная заготовительная база машиностроения. Отливки и детали, полученные обработкой литых заготовок, составляют от 60 до 80% от массы современного технологического оборудования, автомобилей, железнодорожного транспорта, энергетических установок, специальной техники и механизмов. Cтатистический анализ показывает, что ведущие индустриальные страны постоянно модернизируют литейное производство, при этом увеличивается доля литья из легких цветных сплавов и высокопрочных чугунных отливок по отношению к отливкам из стали и серого чугуна, происходит снижение массы отливок за счет повышения их качества и улучшения конструкции. В развивающихся стран с активно растущей экономикой объемы производства отливок за последние 20 лет выросли в разы, причем это относится не только к Китаю, который стал безоговорочным лидером мирового производства литья, но и к таким странам, как Турция, Мексика, Индия, Бразилия, Вьетнам и др., таблица В1.
Таблица В1. Объем производства отливок в мире
Литейное производство способно выпускать не только массовые изделия с недостижимой в других процессах производительностью, но и уникальные отливки со сложнейшей геометрией и практически любых размеров от нескольких граммов до сотен тонн из широчайшей гаммы сплавов с самыми разнообразными свойствами.
В современном литейном производстве сегодня широко используются аддитивные и цифровые технологии, нано материалы и композиты. В технологических процессах стала использоваться робототехника и элементы искусственного интеллекта (техническое зрение, дистанционный контроль), а также системы автоматизированного управления технологическим процессом и организацией производства.
Конечно, модернизация производства, замена оборудования, внедрение и освоение новых технологий требуют немалых затрат, но и окупаются такие инвестиции довольно хорошо, так как литейное производство – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей машиностроения с одним из наиболее коротких сроков окупаемости. Недаром многие ведущие американские, японские, европейские компании, такие, как «Norican Group», «Fritz Winter», «Georg Fischer» и др., каждые 7–10 лет проводят полную модернизацию своих литейных цехов, придерживаясь правила: «систематическое обновление технологического оборудования и технологий –залог экономической эффективности и безопасности производства».
Несмотря на сложившиеся негативные стереотипы, современное литейное производство обладает значительным экологическим потенциалом: литейное производство –единственный вид промышленного производства, основным исходным сырьем для которого служит вторичное сырье –лом и отходы металлов и их сплавов. Литейное производство способное перерабатывать и повторно использовать практически все собственные отходы, включая свою же бракованную продукцию, а также и отходы смежных производств: штампового, термического, сварочного, механообрабатывающего, сборочного и т. д.
Аналогичным образом выглядит ситуация и с экологическими параметрами литейного производства. Выбросы, образующиеся в процессе реализации литейных технологий, отнюдь не являются уникальными или экстремальными ни по объемам, ни по токсичности. По индексу экологической опасности, рассчитанному по отношению к валовой продукции, литейные цеха находятся даже не в первой десятке, на порядок уступая предприятиям цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, микробиологическим и теплоэнергетическим предприятиям, предприятиям дерево обрабатывающей и целлюлозо-бумажной промышленности. Современные системы пыле газоочистки позволяют эффективно бороться практически с любыми выбросами, улавливать взвешенные частицы даже микронного размера с эффективностью до 99,9%, обеспечивая снижение концентраций пыли до 2 мг/м3, адсорбировать и обезвреживать практически любые газообразные загрязняющие вещества, включая SO2, NOx, углеводороды, CO, диоксины и пр. Надо только уделять вопросам очистки выбросов должное внимание и не игнорировать экологические требования и достигнутый уровень развития техники.
Литейные цеха не являются источниками жидких отходов, не сбрасывают технологические и сточные воды. Отраслевыми нормами проектирования в литейных цехах предусмотрено использование только замкнутых систем водооборота, которые пополняются из хозяйственно-бытовых контуров только для компенсации потерь, связанных с испарением. Стандартной технологической практикой литейных цехов является восстановление и повторное использование формовочных песчано-глинистых смесей и регенерация огнеупорного наполнителя отверждаемых литейных смесей. В большинстве цехов перерабатываются и повторно используются огнеупорные футеровочные и теплоизоляционные материалы. Причем степень регенерации и процент повторно используемых формовочных и футеровочных материалов постоянно увеличивается и на передовых предприятиях достигает 80–90% и более. Постоянно ведутся исследования, направленные на переработку и утилизацию металлосодержащих отходов: аспирационных металлосодержащих пыле, шламов металлообработки, окалины, металлургических шлаков и т. п. Некоторые из этих дисперсных отходов используются в качестве специальных добавок в формовочные и стержневые смеси (например, для создания легко отделимого пригара при изготовлении стальных отливок или для изменения теплопроводности стержневых смесей и снижения возникающих в них термических напряжений), в качестве компонентов экзотермических смесей и противопригарных красок и в качестве модифицирующих добавок при плавке литейных сплавов и т. п.
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
На литейных предприятиях продукция получается в результате плавления исходного материала с последующей его заливки в форму, а затем затвердевания. Литейные цеха производят изделия широкого ассортимента: от компонентов двигателей до разнообразной тары пищевой промышленности. Литьём получают продукцию из чугуна, из алюминиевых деталей и стальных изделий и т.д. Для литейного производства используются: чугун – серый, ковкий и легированный; сталь – углеродистая и легированная; цветные металлы и их сплавы – медные, алюминиевые, цинковые, магниевые и др., таблица 1.1.
Таблица 1.1. Металлы и сплавы, применяемые в литейных процессах
Сплавом называют искусственный материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один является металлом. В зависимости от количества компонентов различают двойные (бинарные), тройные и многокомпонентные сплавы. Сплавы могут иметь однородную структуру (гомогенные сплавы), а также состоять из нескольких фаз (гетерогенные сплавы.
Литейные сплавы производят на основе черных и цветных металлов. С их помощью в металлургии возможно получение бездефектных отливок заданной конфигурации с определенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Литейные сплавы подразделяют на три класса: чугун, сталь и цветные соединения.
Выбор сплава для литья – ключевой фактор, определяющий качество, прочность и долговечность конечного изделия. Разные металлы и их комбинации обладают особыми свойствами, такими как коррозионная стойкость, пластичность, твердость и теплопроводность.
Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма – графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.
Диаграмма железо–углерод, рис.1.1—графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических элементов в условиях равновесия.
Железо образует с углеродом химическое соединение – цементит Fe3C. Следовательно, компонентами данной диаграммы можно считать железо и цементит. Принципиально важным, для железоуглеродистых сплавов является то, что основной компонент – железо существует в двух аллотропических модификациях: объемно центрированного куба (Fe – ОЦК) и гранецентрированного куба (Fe – ГЦК).
Рис.1.3. Диаграмма железо–углерод
Обычно железо никогда не бывает абсолютно чистым, оно всегда содержит примеси. В настоящее время можно получить железо высокой чистоты, минуя доменную плавку, – железо прямого восстановления (примеси 0,01%), но чаще используют техническое железо (армко железо), которое содержит 99,8-99,9% железа и 0,1-0,2% примесей. Железо имеет высокую температуру плавления – 1539°С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911°С и 1392°С. При температуре ниже 911°С существует Fe с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911-1392°С устойчивым является Fe с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe или высокотемпературное Fe. Высокотемпературная модификация Fe не представляет собой новой аллотропической формы. При температуре ниже 768°С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно (немагнитно). Точка Кюри железа 768°С обозначается А2. Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью. Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. Цементитхимическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита точно не установлена (1250-1550°С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217°С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. В зависимости от содержания углерода, железоуглеродистые сплавы делятся на два класса: стали и чугуны.
В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают: – техническое железо – сплавы, содержащие до 0,02% углерода. – доэвтектоидные стали – сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, – эвтектоидные стали – сплавы, содержащие 0,8% углерода, -заэвтектоидные стали – сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода. В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.
1. Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67%С. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железо. В феррите сохраняется кристаллическая решетка, ( -железа) – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG, имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,025% при температуре 727С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. Свойства феррита близки к свойствам железа. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности σв 250 МПа; σт 120 МПа, относительное удлинение (δ) до 50%, а поперечное сужение φ -до 80%. До температуры 768°С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -железо. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в γ-железе с ГЦК-решеткой, который называется аустенитом. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при температуре 727С (точка S), максимальную – 2,14% при температуре 1147С (точка Е). Аустенит имеет твердость 1700 – 2000 МПа (200-250 НВ), σв 50 – 80МПа, пластичен (относительное удлинение). При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.
3. В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, феррит, вторичный цементит Ц2 и третичный цементит Ц3. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Ц1 выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Ц2 выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Ц3 выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
В процессе производства проводится заливка расплавленного материала в специальные формы. После охлаждения он принимает нужную форму и подвергается последующей обработке. Используются такие изделия в различных отраслях экономики: автомобилестроение; авиационная промышленность; машиностроение; стоматология; ортопедия; ювелирное производство.
За все время существования литейного производства было разработано много разных технологических решений с разными условиями отливки. Несмотря на то, что сталь и чугун происходят от одного сплава, характеристики и свойства у них разные. Основное различие – доля углерода в сплаве; пограничное значение: 2,14%. В стали углерода не больше 2,14 %, в чугуне его содержание увеличено от 2,14 до 6,67%. Включение углерода бывает в виде графита или цементита (карбида железа). В состав этих сплавов входят различные примеси и легирующие компоненты, помогающие улучшить их свойства. Температура плавления чугуна составляет 1150-1250℃, тогда как сталь плавится при 1500℃; при этом ее теплопроводность несколько ниже. Разница объясняется высоким содержанием углерода в чугуне. Сплавы отличаются и внешним видом. Сталь всегда выглядит более светлой, блестящей; оттенки чугуна более темные, матовые. Существует несколько видов этого продукта черной металлургии. Сплавы содержат постоянные примеси (кремний, марганец, серу, фосфор), иногда – легирующие добавки (никель, хром, алюминий, ванадий).
Чугунные сплавы остаются одними из самых востребованных в литейном производстве благодаря их высокой прочности, твердости и способности выдерживать большие механические нагрузки. Основные разновидности чугуна:
Серый чугун. Имеет хорошую литейную текучесть, низкую усадку при отливке и отличную обрабатываемость.
Высокопрочный чугун (сфероидальный графит). Сочетает прочность стали и литейные свойства чугуна, применяется в машиностроении.
Белый чугун. Отличается высокой твердостью и износостойкостью, но сложен в обработке.
Чугунные детали широко используются в станкостроении, трубопроводах, автомобильных блоках и других конструкциях, где требуется высокая устойчивость к износу и ударным нагрузкам.
Сталь – один из самых универсальных материалов для литья, обладающий высокой прочностью, пластичностью и устойчивостью к механическим повреждениям. В литейном производстве используются несколько типов стальных сплавов:
Углеродистые стали. Чем выше содержание углерода, тем прочнее, но менее пластичен сплав.
Легированные стали. Добавки никеля, хрома, молибдена и других элементов улучшают прочностные характеристики и коррозионную стойкость.
Нержавеющая сталь. Обладает высокой стойкостью к коррозии, используется в медицине, пищевой промышленности и строительстве.
Стальные сплавы применяются в строительстве, энергетике, судостроении и авиации, а также в производстве инструментов и деталей для тяжелой техники.
Медные сплавы (латунь, бронза) применяются там, где важны высокая теплопроводность, коррозионная стойкость и антимикробные свойства. Эти сплавы широко используются в следующих отраслях.
Электротехника. Медные сплавы обладают отличной электропроводностью.
Сантехника. Латунь устойчива к коррозии и подходит для трубопроводов.
Машиностроение. Бронза используется для подшипников, шестерен и втулок, широко применяются в авиастроении, автомобилестроении и машиностроении благодаря их малому весу и высокой прочности. Они обладают отличной коррозионной стойкостью, хорошими литейными свойствами и высокой теплопроводностью.
Среди наиболее популярных алюминиевых сплавов для литья можно выделить:
1.Силумин (Al-Si). Обладает высокой жидко текучестью, что делает его отличным выбором для сложных форм. Имеет хорошую коррозионную стойкость.
2.Al-Cu сплавы. Обладают высокой прочностью, но подвержены коррозии, поэтому часто используются с дополнительной защитой.
3.Al-Mg сплавы. Применяются в судостроении и авиации благодаря высокой устойчивости к морской воде.
Главный недостаток алюминиевых сплавов– их относительно низкая твердость по сравнению с чугуном и сталью. Однако их легкость и устойчивость к ржавчине делают их незаменимыми в ряде отраслей.
Выбор сплава зависит от конкретных требований к изделию: прочности, устойчивости к коррозии, теплопроводности и стоимости. Алюминий, чугун, сталь и медь – каждая из этих групп материалов имеет свои преимущества, что позволяет находить оптимальные решения для различных отраслей промышленности.
Литье металлов – производственный процесс, основанный на технологии заливки расплавленного, горячего металла в специальные литейные формы, в результате которого получают литые заготовки – отливки. Полость формочек повторяет конфигурацию будущих заготовок и представляет собой рабочую часть литейной формы, куда поступает жидкий металл. Здесь будущие заготовки охлаждаются, затвердеют и получают вид конечной продукции. До поставки потребителю алюминиевые отливки проходят механическую обработку (токарные работы, фрезерование, шлифование и полировка).
Такой способ применяется для получения алюминиевых отливок, которые за счет уникальных химических свойств используются во многих сферах: в приборостроении, в строительстве, в автомобилестроении, мебельном производстве (фурнитура и декоративные детали) и пр. Для их получения применяются различные технологии, выбор которых зависит от размеров, конфигурации и других показателей, требуемых от конечной продукции.
При изготовлении отливок роль основного инструмента выполняет литейная форма. Литейная форма – это система элементов, образующих рабочий объем плоскости, при заливке которого расплавленным металлом формируется отливка. На рис.1.2, показана литейная форма для тройника.
Литейная опока – приспособление для удерживания формовочной смеси при изготовлении формы. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 1 (рис.1.2, в), которые фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам (рис.1.2, д). Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему 8 – 12. После заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения форму разрушают, извлекая отливку (рис.1.2, е).
Рис. 1.2. Литейная форма и ее элементы: а – литейная форма; б – тройник; в – литейный стержень; г – литейная модель; д – стержневой ящик; е – отливка с литниковой системой
По виду материалов, используемых для изготовления литейных форм, их разделяют на две группы: формы из неметаллических материалов и металлические формы. К первой группе относят песчаные формы (сырые, сухие, подсушенные, химически твердеющие и т.д.). Песчаные формы, изготовленные без связующего по пено полистироловым моделям или пленочно-вакуумной формовкой, при этом формы, изготовленные по разовым моделям, и др. Эти формы, как правило, используют для изготовления отливок один раз и разрушают при извлечении отливок.
Вторая группа литейных форм представляет собой формы многократного использования. К этой группе относят кокили – металлические формы, прессформы для литья под давлением, кристаллизаторы для непрерывного литья, изложницы для центробежного литья и др. Многообразие современных литейных форм дает возможность изготовлять различные по массе, конфигурации, точности и свойствам металла отливки из любых сплавов.
Основные свойства литейной формы. В период заливки расплавленного металла, затвердевания и охлаждения отливки происходят силовое, тепловое и химическое взаимодействия между отливкой и формой. Силовое воздействие на форму проявляется в гидростатическом давлении залитого металла на стенки формы, что может приводить к ее разрушению. Вследствие трения заливаемого металла о стенки полости формы последние могут размываться. Кроме того, форма испытывает динамическое воздействие потока металла при смене им направления движения. При усадке отливки отдельные части формы будут препятствовать ее усадке. Сопротивление формы усадке может вызвать в отливке такие напряжения, которые приведут к образованию трещин. Тепловое воздействие во время заливки металла, его затвердевания и охлаждения отливки проявляется в переходе теплоты от отливки к форме. Отливка при этом охлаждается, а форма нагревается. Если огнеупорность формы ниже, чем температура расплава, то поверхность формы начнет расплавляться и спекаться с расплавом, образуя на поверхности отливки пригар. Пригар – трудноотделимый от поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частиц формовочной смеси, который ухудшает поверхностный слой отливки, увеличивает трудоемкость ее очистки. По сечению формы возникает перепад температур, который приводит к возникновению в ней напряжений, вследствие чего форма подвергается дополнительным механическим нагрузкам. В результате развития процессов теплопередачи начинает повышаться температура наружной поверхности формы, и с этого момента теплота от формы отводится в окружающую среду.
Химическое воздействие заливаемого металла с материалом формы проявляется в химических превращениях компонентов формовочной смеси под воздействием высокой температуры заливаемого металла в форму и в химическом взаимодействии оксидов залитого металла с формой. Например, оксиды железа взаимодействуют с оксидами кремнезема формы, образуя жидкоподвижное соединение (файялит) с низкой температурой плавления. Это приводит к снижению огнеупорности формы на границе контакта металла с формой. Особенно неблагоприятно проявляется химическое взаимодействие на участках формы, через которые металл протекает длительное время. При химическом взаимодействии металла и формы испаряется влага и вокруг отливки образуется определенная газовая среда, состав которой оказывает существенное влияние на образование пригара и газовых раковин.
Силовое, тепловое и химическое взаимодействия заливаемого металла и формы позволяют сформулировать основные свойства, необходимые литейной форме. Литейные формы должны обладать следующими свойствами:
–достаточной прочностью, при которой конфигурация и размеры формы не изменяются в процессе заливки металла, во время кристаллизации отливки и ее последующего охлаждения;
–достаточной податливостью, т.е. форма не должна оказывать сопротивления усадке отливки;
–достаточной огнеупорностью, т.е. форма должна обладать достаточной прочностью при высокой температуре и химической устойчивостью к заливаемому металлу;
–высокой газопроницаемостью, т.е. форма должна беспрепятственно пропускать через себя газы и пары влаги, образуемые при заливке расплавленного металла.
В литейных процессах поведение металлов и сплавов определяется их литейными свойствам и, наиболее важные среди них: жидко текучесть, малая усадка при кристаллизации, небольшая ликвация. Литейные свойства зависят главным образом от температуры и химического состава расплава.
Для того чтобы при заливке расплава в формы и его последующей кристаллизации не появлялись раковины, трещины и прочие изъяны, сплав должен удовлетворять ряду важных требований, касающихся его текучести, усадки, газопоглощения и ликвации, а также склонности к растрескиванию
Жидко текучесть. Эта характеристика описывает, насколько хорошо расплав течет по каналам литейных форм. От данного параметра зависит заполнение полостей и точное воспроизведение контуров отливок. Чем выше жидко текучесть литейного сплава, тем он более пригоден для отливки изделий сложной конфигурации.
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
543,748 млн т
2
66,943 млн т
3
43,945 млн т
4
29,646 млн т
5
27,278 млн т
6
25,676 млн т
7
25,267 млн т
8
20,154 млн т
9
18,936 млн т
10
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.
Этап 3: Редукция и плавка чугуна. В процессе доменной плавки кокс горит в нижней части печи с подачей горячего воздуха или подогретого дутья, выделяя угарный газ (CO) – основной восстановитель оксидов железа черной руды. При этом железо восстанавливается из оксидов и по мере опускания шихты в горячие зоны растворяет углерод, превращаясь в жидкий чугун. Этот способ получения чугуна является сердцевиной доменного процесса и обеспечивает образование необходимых физических и химических свойств сплава.
Этап 4: Слив расплавленного чугуна. Внизу доменной печи через специальные летки сливают расплавленный чугун, отделяя его от более легкого шлака, который всплывает на поверхность. Прежде чем чугун начнут сливать, шлак удаляют через отдельные каналы. Сам слив проходит с помощью открытия фурменных пробок, направляя металл в подготовленные ковши для дальнейшей обработки. Этот этап завершает процесс плавки чугуна в печах.
Этап 5: Очистка и повторное использование доменного газа.
Доменный газ – побочный продукт доменного производства – проходит очистку от пыли и примесей. После очистки его используют в качестве топлива для подогрева воздуха, поступающего в печь, что повышает экономичность доменной плавки и снижает экологическую нагрузку. Этот цикл энергоресурсов – важная часть производства.
Этап 6: Литьё чугуна. После выплавки чугун поступает на литьё – процесс изготовления изделий из чугуна методом заливки расплава в формы (литьё). Формы могут быть песчаными (одноразовыми) или металлическими (многоразовыми). Литейные методы варьируются от классического песчаного литья до центробежного и точного литья. На этом этапе получают различные чугунолитейные изделия с нужной формой и детализацией.
Этап 7: Очистка и обработка отливок. Готовые отливки проходят очистку от окалины, шлака и литниковой системы. Для этого применяют дробеструйную обработку и шлифовку. Часто производится термическая обработка для улучшения структуры и внутренних напряжений изделия, а также механическая обработка на станках для достижения требуемой точности размеров.
Этап 8: Контроль качества продукции. Завершающий этап – строгий контроль качества готовых изделий: визуальный осмотр, проверка размеров, испытания на прочность и другие механические свойства. Это гарантирует, что продукция соответствует стандартам и требованиям рынка.
Для интенсификации технологического процесса доменной плавки и экономии кокса применяют обогащение дутья кислородом, вдувание в горн доменной печи природного газа, мазута, пылевидного топлива. В России широкое распространение получило обогащение дутья кислородом в сочетании с вдуванием природного газа.
2.2.2. Плавка чугуна в вагранке
Вагранка отличается от домны тем, что в ней практически не происходит химических реакций, изменяющих состав чугуна. По конструкции вагранка, в отличие от домны, как правило, имеет цилиндрическую форму. Вагранку гораздо легче остановить, чем доменную печь, для ремонта или в случае другой необходимости, вследствие сравнительно небольших размеров. Несмотря на создание в настоящее время ряда новых плавильных агрегатов, основное количество чугуна для отливок выплавляется в вагранках. Вагранка, рис. 2.4, представляет собой шахтную печь, диаметр которой колеблется в пределах 700— 2300 мм, а производительность 4— 50 т/ч.
Рис. 2.4. Схема устройства вагранки открытого типа с копильником: 1 – летка, 2 – дверцы днища, 3 – горн, 4 – колонны, 5 – подовая плита, 6 _ лещадь. 7 – окна, 8 – фурмы, 9 – кирпичная кладка, 10 – кожух, 11 – чугунные кирпичи, 12 – загрузочное окно, 13 – искроуловитель. 14 – шахта. 15 – бадья, 16 – металлическая шихта, 17 – коксовая колоша, 13 – копильник, 19 – летка для расплава, 20 – желоб
Кожух вагранки 10 изготовляют из листовой стали в виде цилиндра, внутренняя поверхность которого выкладывается огнеупорным кирпичом 9. Между кожухом и огнеупорным кирпичом оставляется зазор размером 20—50 мм, который засыпается кварцевым песком. Кожух вагранки устанавливается на массивную стальную подовую плиту 5, имеющую посредине отверстие (равное внутреннему диаметру футеровки), которое закрывается дверцами 2, снабженными запорным устройством. В свою очередь, подовая плита опирается на четыре колонны 4, установленные на бетонный фундамент. Дно 6 вагранки, называемое лещадью, набивается слоем формовочной смеси. В нижней части вагранки у лещади предусмотрено отверстие – летка 1 для выпуска чугунного расплава в копильник 13, а затем через летку 19 и желоб 20 в разливочный ковш. Для выпуска шлака в копильнике предусмотрена шлаковая летка. Для введения необходимого для горения топлива воздуха в шахте вагранки предусмотрены окна 7 и специальные трубы S, называемые фурмами; в них воздух поступает из фурменной коробки, соединенной с вентилятором. Чтобы обеспечить равномерность распределения воздуха, он вводится в плавильную зону двумя рядами фурм, располагаемых в шахматном порядке.
Завалка исходных материалов в вагранку производится с колошниковой площадки через загрузочное окно 12 бадьей 15. Отходящие при плавке газы удаляются через верхнюю часть шахты 14, после чего направляются в искроуловитель 13. Для предохранения футеровки печи от ударов кусками загружаемой шихты верхнюю часть шахты вагранки выкладывают пустотелыми чугунными кирпичами 11.
По виду используемого при плавке топлива вагранки подразделяют на коксовые, коксогазовые и газовые.
Технологический цикл работы вагранки включает следующие операции: подготовку вагранки к плавке, розжиг, загрузку и пуск, обслуживание вагранки во время работы, остановку вагранки.
Подготовка вагранки к плавке, в основном, заключается в ремонте огнеупорной футеровки. Ремонт может быть капитальным, средним и текущим. При капитальном ремонте заменяется вся огнеупорная футеровка вагранки, при среднем – футеровка в наиболее напряженных местах: зоне плавления, фурменном поясе, переходной летке и других местах, подвергнувшихся значительному разрушению. Текущий ремонт производится после каждой плавки. Его объем определяется длительностью плавки и состоянием футеровки после плавки.
Длительность цикла работы вагранок без водяного охлаждения составляет 8 – 20 ч. При использовании водяного охлаждения длительность работы вагранки может быть доведена до 1 месяца.
Огнеупорная футеровка производится путем кладки шамотного кирпича на растворе, состоящем из 25–30% огнеупорной глины, 70–75% молотого шамота или 25–30% огнеупорной глины и 70–75% кварцевого песка.
После сушки на подину вагранки укладывают дрова для розжига кокса холостой колоши. Высота холостой колоши является одним из важнейших технологических факторов, от которого зависят производительность вагранки и температура выплавляемого чугуна; она должна быть 1,2–1,5 м над основным рядом фурм. Во время продувки выдувается коксовая пыль и мелочь, кокс разгорается. Можно загружать шихту. После розжига холостой колоши включают воздуходувку и подают в вагранку воздух; продувку производят в течение 2–3 мин.
Технология плавки в вагранке содержит еще много чисто эмпирических рекомендаций. Например, рекомендуется контролировать правильность выбора высоты холостой колоши по времени появления первых капель чугуна в зоне фурм. Если дутье подают сразу после полной завалки первого столба, то первые капли должны появляться у фурм через 15–20 мин. Если они появились раньше, то высота холостой колоши недостаточна. Для холостой колоши необходимо отбирать крупный кокс с размером кусков 100–150 мм. Загрузка осуществляется в такой последовательности: топливо–флюсы–металл. После небольшой выдержки для прогрева шихты включают подачу воздуха, и начинается процесс плавки.
Топливная рабочая колоша имеет слой кокса толщиной 150–200 мм. Расход топлива на топливную колошу составляет 8–18% (обычный расход 10–12%). Например, при толщине слоя кокса 150 мм для вагранки диаметром 700 мм масса топливной колоши составляет 27 кг, а металлической – 270 кг, т. е. приблизительно 1/10 часовой производительности вагранки.
При более интенсивном дутье необходимо давать больше кокса, чтобы не допустить спускания верхнего уровня холостой колоши, так как это может резко снизить температуру чугуна и ухудшить его качество. Избыток топлива в рабочих колошах может вызвать подъем верхнего уровня холостой колоши и замедление плавления. В рабочую колошу кокса дают флюс в количестве 2–3% от массы металл завалки.
Дальнейший ход плавки зависит от правильного соотношения количества подаваемого воздуха и расхода кокса. Количество воздуха, подаваемого в вагранку, обычно оценивается в кубических метрах в минуту на 1 м2 площади свободного поперечного сечения вагранки. Норма подачи воздуха в вагранку составляет в среднем 100–130 м3/м2∙мин, а в отдельных случаях 160 – 180 м3/м2∙мин) при выплавке, например, низкоуглеродистого чугуна.
Во время плавки в вагранке необходимо соблюдать правильность взвешивания и загрузки шихты. Нельзя допускать зависания шихты в шахте вагранки или ее опускания более чем на высоту двух колош ниже завалочного окна.
При плавке должны контролироваться следующие параметры: количество подаваемого воздуха, его давление, температура чугуна. Необходимо следить, чтобы не зашлаковывались фурмы, их следует регулярно очищать. В аварийных случаях для разжижения шлака требуется добавить плавиковый шпат.
При окончании плавки в вагранке останавливают воздуходувку, выпускают шлак и жидкий чугун, открывают днище вагранки, при этом подина и холостая колоша вываливаются, кокс тушат водой.
Шлак является одной из основных фаз, участвующих в металлургическом процессе, его состав и свойства могут оказывать существенное влияние на ход плавки и свойства получаемого металла.
Источниками образования ваграночного шлака служат угар таких элементов, как Si, Mn, Fe, оплавление футеровки, загрязнение шихты (песок и посторонние примеси), зола топлива, флюсы. Всего шлака может быть 5 – 10% от массы металла. В состав шлака входят CaO, SiО2, А12О3, MnO, FeO, MgO. Могут входить и окислы других металлов: Сг2О3, TiО3, V3О3, P2О6, К2О5, Na2О, а также сльфиды (FeS и др.) Основные составляющие шлака: кремнезем, окись кальция СаО, глинозем А12О3. Для кислых ваграночных шлаков показатель кислотности составляет 1,2–1,9.
Состав шлака зависит от типа применяемой футеровки, количества и состава флюсов. Различают кислый и основной процессы плавки. При кислом процессе вагранку футеруют шамотом и применяют в качестве флюса известняк в количестве 2–3%. Вовремя, плавки образуется кислый шлак. В его составе преобладает Si02 (40-60%), а также содержится 10–20% А12О3 и 10–30% (СаО+MgO).
При основном процессе футеровку выполняют из основных огнеупоров. В качестве флюса добавляют 7–10% известняка. Шлак получается следующего состава: 20–30% SiО2, 5–10% А12О3, 40–50% СаО, 10–15% MgO. В соответствии с общими закономерностями физико-химических процессов элементы, при окислении которых образуются кислые окислы, более интенсивно окисляются при основных шлаках, и наоборот. Поэтому при основном процессе кремний будет больше окисляться, чем при кислом процессе, а марганец – наоборот. При основном процессе, как следствие, будет больше содержание углерода в полученном чугуне.
Главное преимущество основного процесса заключается в возможности удаления из металла до 40–50% S и 30–40% Р.
В основных шлаках имеется свободная окись кальция, которая способствует удалению серы. Десульфурация тем эффективнее, чем выше отношение СаО к SiО2 в шлаке, выше температура и меньше содержание FeO в шлаке,
Фосфор удаляется тем интенсивнее, чем выше содержание СаО и FeO в шлаке и чем ниже температура.
Плавку чугуна в вагранках, как правило, производят при кислых шлаках, так как этот процесс проще, футеровка дешевле. На протекание ваграночного процесса оказывает влияние не только взаимодействие шлака и металла как химических реагентов, но и поведение шлака как жидкой фазы. В зависимости от состава шлак может иметь различную температуру плавления и вязкость. При высокой вязкости шлака нарушается ваграночный процесс, так как могут образовываться настыли над фурами, где температура несколько ниже; вязкий шлак плохо разделяется с металлом, поскольку в шлаке могут оставаться включения металла – корольки, – безвозвратные потери металла.
2.2.3. Плавка чугуна в электропечах
2.2.3.1. Плавка чугуна в дуговых электрических печах
Для плавки чугуна применяют трехфазные сталеплавильные дуговые печи с зависимой дугой, в которых электрическая дуга образуется между электродами и металлом. Вместимость их составляет от 0,5 до 75 т. Они маркируются буквенной аббревеатурой ДСП и цифрами, например ДСП-12 или ДСП-50, что обозначает дуговую сталеплавильную печь вместимостью 12 и 50 т соответственно.
Схема дуговой печи приведена на рис. 2.5. Через свод 1 печи проходят три графитовых электрода 2, расположенные равномерно вокруг вертикальной оси печи. Между каждой парой электродов горит дуга прямого действия, замыкающаяся через металл. Печи имеют автоматическую систему перемещения электродов, поддерживающую заданную длину дуги в каждой из фаз.
Рис. 2.5. Схема дуговой электропечи переменного тока:
1 – свод; 2 – электроды; 3 – рабочее окно; 4 – выпускное отверстие
Электроды диаметром до 550 мм и длиной до 1800 мм имеют резьбовые отверстия в торцах. По мере сгорания нижних частей электродов, их наращивают, для чего в верхнюю часть работающего электрода ввинчивают соединительный графитовый ниппель, а на него навинчивают новый электрод. Расход электродов составляет 5-7 кг/т чугуна. Удельная мощность ДСП – от 200 до 700 кВт/т. Печи малой вместимости загружают через рабочее окно 3, а большой вместимости – сверху, при этом свод приподнимается и поворачивается в сторону или печь выкатывается с низу. Для слива шлака печь наклоняют в сторону рабочего окна, для выпуска металла – в сторону выпускного отверстия 4.
Дуговые электропечи прямого нагрева имеют высокий КПД при расплавлении шихты, они обеспечивают получение «горячего» шлака и, соответственно, возможность эффективного проведения рафинирующих процессов, в том числе и десульфурации чугуна, что особенно важно при получении высокопрочного чугуна. Кроме того, производительность их при одинаковой вместимости на 25-30% выше, чем индукционных печей. Однако эти печи имеют и существенные недостатки: низкий КПД при перегреве, значительный шум, обильное выделение дыма при работе и повышенный угар элементов. Поэтому они применяются преимущественно как плавильный агрегат в дуплекс-процессе плавки чугуна.
В последние годы вместо трехфазных дуговых печей для плавки чугуна успешно применяют дуговые печи постоянного тока (ДППТ). Их конструктивной особенностью является наличие только одного верхнего сводового электрода (катода), расположенного вдоль вертикальной оси печи, и подовых электродов (анодов) в подине печи. Схема дуговой печи постоянного тока приведена на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Схема дуговой печи постоянного тока:
СЭ – сводовый электрод; ПЭ1 и ПЭ2 – подовые электроды
Сводовый электрод является графитовым, а подовые электроды – медными водоохлаждаемыми. Источник электропитания, наряду с силовым трансформатором, включает тиристорный преобразователь.
Центральное размещение дуги обеспечивает более благоприятные условия для работы футеровки, поэтому износ её составляет менее 0,3 мм за одну плавку, а стойкость – до 2000 плавок и более без проведения ремонта. Постоянный ток обеспечивает более стабильное горение дуги, многократное сокращение пыли и газовых выбросов, а также низкий уровень шума. Наличие трех подовых электродов обеспечивает электродинамическое перемешивание расплава в ванне печи, что предохраняет расплав чугуна от местного перегрева. При этом снижается угар металла (до 1,5%) и уменьшается расход графитированных электродов.
ДППТ может эффективно работать как в плавильном, так и в миксерном режимах. В этом плане они представляю собой наиболее универсальный плавильный агрегат. Они отличаются низким расходом электроэнергии и графитированных электродов, длительной межремонтным сроком службы футеровки и низким расходом огнеупорных материалов, малым угаром шихты и существенным (на 40%) снижением эффекта мерцания (скачков тока) в питающей сети, а также минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду в части пыле-, газо- и шумовых выделений.
В дуговых электропечах чугун можно выплавлять по основному и кислому процессам. Основной процесс применяют при необходимости получения чугуна с пониженным содержанием серы. Он протекает с большим расходом электроэнергии, так как связан с наведением шлаков и большей продолжительностью плавки. Кислый процесс применяют, когда нет необходимости в проведении десульфурации чугуна.
Процесс плавки в дуговой электропечи имеет ряд особенностей. Они обусловлены:
–наличием «горячего» шлака и возможностью эффективного проведения процесса десульфурации;
–наличием зон высокого перегрева расплава под электродами и относительно большой температурной неоднородностью по объему металла в ванне печи;
–активным участием огнеупорной футеровки в протекании металлургических процессов.
Эти факторы оказывают соответствующее влияние на угар компонентов шихты, содержание газов и неметаллических включений в выплавленном чугуне.
Угар углерода и других компонентов при плавке в дуговой электропечи несколько выше, чем при других видах плавки. Среднестатистический угар углерода за цикл плавки и перегрева до температуры 1550С составляет от 10 до 25% от первоначального и зависит от исходного содержания углерода в шихте, состава шихты и состава шлака.
Плавление шихты производят в режиме максимальной мощности печи путем проплавления в шихтовом слое «колодцев» под электродами и последующего сталкивания шихты в эти колодцы. В этот дуга горит прерывисто, нестабильно, шумно (до 100 дБ) и дымно.
При формировании жидкой ванны расплава на его поверхность наводят шлак. Для этого в кислых печах используют кварцевый песок (до 2 мас. %) с небольшими добавками извести или известняка (10 и 20 мас.% соответственно от массы песка). Шлак должен иметь невысокую вязкость (легко сливаться с пробной ложки), а после затвердевания иметь плотный зеленоватый излом. Чёрный цвет и пузырчатый излом шлака свидетельствует о повышенном содержании в нем FeO. Такой шлак надо раскислять или частично скачать и навести новый. Основной шлак в печах с основной футеровкой получают при добавке около 3% известняка от массы шихты.
После полного расплавления мощность снижают во избежание перегрева и оплавления стен, и свода печи открытой дугой. Перегрев чугуна до заданной температуры происходит неравномерно – под электродами температура существенно выше, чем у откосов печи. Для выравнивания температуры и химического состава металла по объему ванны в печах емкостью более 20т часто применяют электромагнитное перемешивание. В этот период плавки значительная часть энергии, излучаемой дугой, передается своду и стенкам печи. КПД печи резко снижается, составляя 5-20%. Для уменьшения тепловой нагрузки на свод и стены печи нередко заглубляют электрическую дугу в жидкий металл. Глубина жидкого колодца приблизительно равна диаметру электрода. После достижения заданной температуры перегрева скачивают шлак, добавляют оставшуюся часть карбюризатора и наводят новый шлак.
Для усвоения углерода в печах, не имеющих устройств электромагнитного перемешивания, требуется увеличение продолжительности плавки по сравнению с печами с электромагнитным перемешиванием. Поэтому плавка синтетического чугуна требует повышенного (на 100-200 кВт∙ч/т чугуна) расхода электроэнергии на плавку.
Плавка в дуговых печах характеризуется повышенным растворением в жидком металле водорода и азота. Это объясняется тем, что в зоне горения дуги эти газы существуют в атомарном и частично ионизированном состоянии.
В процессе плавки следует периодически раскислять шлак добавками электродного боя, древесного угля или других карбюризаторов для предотвращения «кипа» ванны металла, протекающего по эндотермической реакции: [FeO] + [С] = [Fe] + {СО}. Раскисление шлака приводит к раскислению металла, вследствие чего реакция кипения не получает развития.
По результатам первого экспресс-анализа корректируют химический состав металла. Последовательность ввода ферросплавов и их количество устанавливают в зависимости от сродства каждого легирующего элемента к кислороду с учетом закономерностей угара в кислых и основных печах. Феррохром и ферромарганец вводят в конце плавки. Титан легко окисляется как в кислой, так и в основной печи, поэтому его вводят непосредственно перед выпуском металла. В основных печах угар кремния возрастает, поэтому ферросилиций вводят перед выпуском плавки. В кислых печах присадку ферросилиция можно проводить в любое время, так как угара кремния практически не происходит, однако, учитывая неблагоприятное влияние кремния на науглероживание чугуна и модифицирующий эффект, присадку ферросилиция следует давать перед выпуском чугуна из печи.
Процесс плавки в дуговой печи постоянного тока состоит из тех же этапов. При этом первый период проводят на высоком напряжении и небольшом токе дуги. Длинная дуга обеспечивает стабильный электрический режим, интенсивный нагрев печных газов, плавный нагрев всего объема шихты. Колебания активной мощности по сравнению со средним значением не превышают ± 10-20%. Колебания давления в печи за счет стабилизации электрического режима подавлены, подсоса воздуха в печь, как это происходит в ДСП, не наблюдается. В течение первого периода в шихте образуется расширяющаяся вверх воронка, которая исключает обрушивание шихты на сводовый электрод. Во второй период обеспечивается стабильный электрический режим при колебании мощности не более ± 5 %, что способствует быстрому расплавлению шихты и не приводит к заметному локальному перегреву металла. Ток дуги в этот период удваивают, а напряжение в 2 раза снижают.
Перегрев расплава под дугой во втором и третьем периодах предотвращается соответствующим размещением подовых электродов, формирующим тороидальное вращение металла в вертикальной плоскости, при котором поток металла с большой скоростью подтекает под дугу и уходит вглубь расплава. В этих условиях температурное поле расплава выравнивается за счет интенсивной конвективной теплопередачи через расплав, а высокая скорость движения металла под дугой не допускает его локального перегрева. Во всех периодах плавки происходит минимальный угар металла, не образуется первичный шлак. Состав шлака и его активность можно регулировать подачей шлакообразующих элементов. Образованный шлак жидко подвижен и из-за интенсивного перемешивания металла эффективно взаимодействует с расплавом.
Третий период проводят на короткой дуге: при напряжении на дуге в четыре раза меньшем, чем в первом периоде, а силе тока в четыре раза большем. При этом происходит до плавление шихты, нагрев расплава, рафинирование и перемешивание расплава и шлака. В этот период можно эффективно проводить (за счет активного перемешивания) окислительный процесс подачей кислорода или железной руды.
В процессе рафинирования нагрев металла ведется на полной мощности при коротких включениях дуги. Доля энергии, передаваемой в этот период непосредственно от дуги к расплаву, превышает 80% подведенной. Интенсивная теплопередача от дуги к расплаву реализуется при усиленном воздействии поля электромагнитных сил на расплав. Скорость теплопередачи от дуги к расплаву увеличивается пропорционально росту силы тока.
В процессе плавки постоянно происходит эффективное перемешивание металла и его активное взаимодействие со шлаком, что позволяет легче, чем на печи переменного тока, проводить процессы десульфурации и дефосфорации. Перемешивание также обеспечивает получение чугуна, однородного по химическому составу и температуре, способствует более полному удалению растворенных газов и неметаллических включений из расплава.
2.2.3.2. Индукционный нагрев
ГЛАВА 3. СТАЛИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ЛИТЬЯ
Для производства стальных отливок используют конструкционные нелегированные и легированные стали, а также высоколегированные стали со специальными свойствами. Более 95% стали получают двухступенчатым способом– сначала из железной руды производят чугун в доменных печах, а затем из чугуна производят сталь на этапе сталеплавильного передела. В состав металл шихты для производства стали, кроме чугуна, входит металлолом и различные металлические добавки.
В настоящее время мировое производство стали превышает 1,5 млрд. т в год, из которых на Россию приходится до 60 млн.т. Основными способами производства являются кислородно-конвертерный (более 60%), электросталеплавильный (более 30 %) и мартеновский (до 10% в России и ~ 1% в мире). Примерно 2-3% стали производят в электропечах с использованием материалов, полученных на установках прямого восстановления. По своей сущности выплавка стали представляет из себя сложный комплекс физико-химических и тепловых процессов, проводимых в сталеплавильных агрегатах в определенной последовательности. Конечной целью плавки стали является получение жидкого металла с заданным химическим составом (марки) и температурой при минимальных издержках производства.
Современная схема получения стали состоит из доменного процесса, при котором из железорудных материалов получают чугун, и сталеплавильного передела, в ходе которого из чугуна и металлического лома производят сталь. Высокое содержание углерода в чугуне, составляющем основу шихты для выплавки стали, предопределяет окислительный характер сталеплавильных процессов, в ходе которых сталь получают путем окисления примесей чугуна (и других шихтовых материалов) за счет использования различных окислителей. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.
Температура плавления сталей различного состава обычно находится в диапазоне 1400-1530°С, а величина перегрева может изменяться от 70 до 150°С в зависимости от технологии ковшевой обработки стали и разливки.
3.1.Классификация сталей
Классификация сталей производится по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, степени раскисленности (по поведению в процессе затвердевания) и др.
1.По способу производства стали классифицируют по типу агрегата (например, конвертерная, мартеновская, электросталь и т. д.), указывая, при необходимости, особенности технологии производства (например, основная или кислая мартеновская, обработанная вакуумом и т. п.).
2. По назначению стали подразделяют на следующие основные группы сталей, отличающиеся по химическому составу и свойствам:
конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин, механизмов и металлоконструкций;
инструментальные стали применяются для изготовления различных инструментов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования;
специальные стали с особыми свойствами это трубные, нержавеющие, электротехнические, подшипниковые, топочные и котельные, для железнодорожного транспорта, рессорно-пружинные, с особыми магнитными свойствами и др.
3. По качеству стали обычно классифицируют в зависимости от содержания в них серы и фосфора, выделяя при этом следующие группы:
стали обыкновенного качества, в которых содержание серы и фосфора не должно превышать 0,040-0,060%,
качественные стали должны содержать серы и фосфора не более 0,030-0,040%;
высококачественные стали – не более 0,020-0,030% серы и фосфора;
особо высококачественные, содержание серы и фосфора, в которых ограничивается уровнями в 0,005-0,010% и менее (в зависимости от индивидуальных требований).
4. По химическому составу стали подразделяют на:
углеродистые стали, в которых единственной легирующей примесью, определяющей механические свойства металла, является углерод. В зависимости от содержания в них углерода эти стали делят на низкоуглеродистые (менее 0,25% С); среднеуглеродистые (0,25-0,60% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
легированные – свойства, которых, определяются, помимо углерода, сочетанием других легирующих компонентов.
В зависимости от количества легирующих компонентов, легированные стали подразделяют:
–на низколегированные (углеродистые) с суммарным содержанием легирующих (помимо углерода) до 2,5-3,0%;
–среднелегированные – содержащие от 3 до 10% легирующих элементов;
–высоколегированные, содержащие более 10% легирующих примесей.
5. По степени раскисленности, характеризующей полноту удаления из металла растворенного в нем кислорода, стали подразделяют на три вида:
кипящие– с максимальным содержанием растворенного кислорода в стали, при затвердевании которого, вследствие снижения растворимости происходит активное газовыделение (в результате протекания реакции [О] + [С] = {СО}), создается впечатление «кипения» металла;
спокойные – содержание кислорода в которых не превышает его растворимость в твердом металле, в результате чего затвердевание стали происходит без газовыделения, то есть «спокойно»;
полуспокойные – занимают промежуточное положение между спокойной и кипящей сталями, как по степени раскисленности, так и по интенсивности газовыделения в процессе кристаллизации. Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризует потребительские свойства металла и отражается в маркировке, которая производится в соответствии с действующими, для каждой группы марок сталей, стандартами.
3.2. Сталеплавильные шлаки
Шлак является неизбежным побочным продуктом производства стали в открытых агрегатах. Его образование обусловлено следующими процессами, сопровождающими плавку:
обязательным окислением элементов металлической части шихты во время плавки;
неизбежным разрушением футеровки сталеплавильного агрегата под воздействием оксидов шлаковой фазы в условиях высоких температур;
использованием специальных неметаллических материалов (флюсов, твердых окислителей, разжижителей);
попаданием в сталеплавильную ванну оксидов в виде загрязнений (с металлическим ломом) или миксерного (доменного) шлака (с чугуном).
Основными источниками образования шлака при выплавке стали являются:
1) оксиды, образующиеся в результате окисления компонентов шихты: чугуна и лома (Fe, Si, Mn, P и др) – FeO, Fe2O3, SiO2, MnO, Р2О5 и др.;
2) продукты разрушения футеровки агрегата: СаО, MgO при разрушении основной футеровки (доломит, магнезит); SiO2 при разрушении кислой футеровки (динас);
3) загрязнения, вносимые металлическим ломом (песок, глина): SiO2, Аl2О3;
4) ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом (особенно легковесный), основными компонентами которой являются: FeO, Fe2O3, Fe(OH)2;
5) миксерный (доменный) шлак, попадающий в сталеплавильный агрегат с жидким чугуном, состоящий в основном из СаО, SiO2, MgO, Аl2О3 и др.;
6) добавочные материалы (флюсы и разжижители), такие как известняк, известь, боксит, плавиковый шпат и т.п., вносящие в шлак СаСО3, СаО, Аl2О3, SiO2, CaF2 и др.;
7) твердые окислители (агломерат, окатыши, железная и марганцевая руды), с которыми в шлак попадают такие соединения, как СаО, Аl2О3, SiO2, FeO, Fe2О3, MnO и др.
Химический состав шлака во многом определяет его свойства, поэтому оказывает существенное влияние на результаты сталеплавильных процессов. Шлак, в котором преобладают основные оксиды (СаО, MgO), называют оснóвным, а если в составе преобладают кислотные оксиды (SiO2; P2O5) – кислым. В сталеплавильном производстве работают со шлаками обеих групп: кислыми (45— 60% SiO2, 35-45% (FeO + MnO)) и основными (35-60% (СаО + MgO), 10-25% FeO, 15-30% SiO2, 5-20% MnO), однако доминирующую роль имеют сталеплавильные процессы с основными шлаками, способными поглощать вредные примеси (серу и фосфор).
Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в результате окисления углерода чугуна и, содержащихся в них примесей, особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления углерода, кремния, марганца и фосфора. Особую роль для качества стали имеют реакции удаления серы из металла. Кислород для протекания этих реакций поступает из атмосферы печи, из твердых окислителей (железорудные материалы), а также при продувке ванны газообразным кислородом.
Углерод является обязательной примесью стали, определяющей ее механические свойства. С повышением содержания углерода увеличивается твердость, прочность и упругость стали, но снижается ее пластичность и сопротивление удару, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.
Окисление углерода, содержащегося в исходной металл шихте, в основном в чугуне, оказывает решающее положительное влияние на ход и результаты окислительного рафинирования металла в любом агрегате:
1. Выделяющиеся при окислении углерода газы (СО и СО2) обеспечивают интенсивное перемешивание ванны (металла и шлака), без которого сталеплавильные процессы в существующих вариантах нереализуемы из-за низких скоростей диффузии в спокойном металле.
2. Газообразные продукты реакции окисления углерода (в основном пузыри СО), проходя через жидкий металл, способствуют удалению из него газов и неметаллических включений в процессе плавки (особенно в подовых процессах) и вовремя вакуумирования.
3. Окисление углерода газообразным кислородом дутья [С] + ½ {О2}={СО}, сопровождающееся выделением большого количества тепла, существенно улучшает тепловой баланс плавки.
4. Реакция окисления углерода [C]+(FeO)={CO}+[Fe] защищает железо от чрезмерного окисления во время окислительного рафинирования.
5. Непрерывное окисление углерода по реакции [С] + [О] = {СО}, определяет содержание растворенного кислорода в металле, от которого зависит содержание оксидных неметаллических включений в готовой стали, то есть ее качество.
Учитывая большое влияние процесса окисления углерода на ход сталеплавильных процессов, при достижении заданного содержания углерода в металле следует руководствоваться следующими положениями:
1. Обеспечение условий для непрерывного окисления углерода в течение всего периода окислительного рафинирования.
2. Создание запаса углерода в исходной шихте (превышение исходного содержания углерода над конечным), который следует расходовать в период окислительного рафинирования.
3. Проведение процесса обезуглероживания металла таким образом, чтобы имеющийся запас углерода был израсходован точно в течение того времени, которое требуется для решения других задач, кроме окисления углерода: нагрева, дефосфорации и десульфурации металла и т.п.
4. При выплавке стали с содержанием углерода менее 0,02-0,04%, обезуглероживание в сталеплавильном агрегате завершают при [С] = 0,04-0,06%, а требуемое содержание углерода достигают в ковше вакуумированием металла или обработкой нейтральным газом.
5 Если содержание углерода в конце плавки ниже требуемого, то после окончания плавки, обычно во время выпуска, производят науглероживание металла (не более чем на 0,05%) присадкой в ковш порошкообразных углеродистых материалов: графита, антрацита, кокса и т.п.
Кремний имеет неограниченную растворимость в жидком железе, а в твердом его растворимость не превышает 14%. В сталеплавильных процессах кремний может образовывать различные химические соединения, наиболее важными из которых являются SiO2 (в шлаке) и FeSi (в металле). Кремний при производстве стали используется в качестве раскислителя (для полуспокойных и спокойных сталей) и легирующего элемента. Сталь, легированная кремнием, обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, хорошей прокаливаемостью, жароупорностью, способностью в закаленном состоянии сохранять твердость при относительно высоких температурах и др.
Марганец растворяется в железе в любых соотношениях. С примесями металла марганец может образовывать различные химические соединения, наиболее важными из которых являются MnO (в шлаке), MnS (в металле и шлаке) и Мn3С (в металле). В готовой стали марганец в большинстве случаев является полезной примесью, поэтому применяется для раскисления и легирования металла. Марганец как раскислитель в количестве 0,25-0,50% содержится практически во всех марках углеродистой стали, причем в кипящей стали марганец обычно является единственным раскислителем. Кроме раскисления, добавки марганца в металл способствуют уменьшению вредного влияния серы на свойства стали. Марганец как легирующий элемент повышает прочность (пределы прочности и текучести), прокаливаемость (глубину прокаливания), износостойкость и упругость стали, но несколько снижает пластичность (относительное удлинение и ударную вязкость), поэтому, в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств, он широко применяется для легирования конструкционных, пружинно-рессорных, износостойких и других сталей.