Производство заготовок. Литье. Серия учебных пособий. Книга 3. Проектирование и производство отливок (литых заготовок)
.pdfПри плавке алюминиевых бронз используют покровный флюс (бронзы - сплавы меди и олова, вместо олова используют алюминий БрА5, или алюминиево –железо - марганцовистые БрАЖMn 10-3-1,5).
При плавке латуни как флюс используют SiO2. (латуни - сплавы меди с цинком) Наиболее широко используют латуни с содержанием до 40 % Zn (Л60, 60 % Cu, ЛС-59-1, латунь с содержанием 59 % Cu и 1 % свинца).
В литейных цехах применяют разнообразные технологические варианты плавки и подготовки сплавов. Выбор способа плавки и состав шихтовых материалов определяют технологическими и физико-химическими свойствами сплавов, требованиями к отливкам и экономическим соображением. Плавку проводят в одном, либо в двух (дуплекс-процесс) агрегатах или в трех (триплекс-процесс) агрегатах последовательно.
Машиностроительные конструкционные чугуны выплавляют в вагранках, в дуговых и индукционных печах. Для производства легированных высококачественных чугунов используют дуплекс-процесс (различные сочетания печей).
Состав шихты рассчитывают графическим методом или аналитически. В состав шихты входит: чушковой чугун; отходы ЛП (литники, прибыли и бракованные отливки); стальной лом (скрап стружка, отходы кузнечных и прессово-штамповочных цехов); ферросплавы и флюсы (известняк, известь, бокситы); кокс. Все материалы шихты подготавливают, при необходимости, например, стружку брикетируют, а известняк дробят, дозируют (взвешивают) и подают в загрузочное окно вагранки.
4.1.1 Классификация печей
Разнообразие промышленных печей используемых в литейном производстве вызывает необходимость подразделения их на основные группы.
4.1.1.1 Классификация печей по технологическим признакам
Главными этапами получения готовых изделий в литейном производстве являются плавление металла и его разливка по формам и затем в ряде случаев термическая обработка отливок. Для получения высококачественных литейных форм их обязательно сушат. Исходя из этого, различают печи для получения расплавленного металла (плавильные), нагрева отливок с целью их последующей термической обработки (термические) и сушки литейных форм (сушила). Во всех этих печах протекают процессы превращения какого-либо вида энергии в тепловую, и затем передача этой теплоты к расплавляемому, нагреваемому или сушимому материалу.
4.1.1.2 Классификация печей по способу теплогенерации
По способу теплогенерации все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.
4.1.1.3 Классификация печей по способу теплопередачи
По способу теплопередачи различают печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвекцией. К первым относят высокотемпературные печи, в которых доля конвекции невелика. К печам, преимущественно с теплопередачей конвекцией в рабочем пространстве, относят в основном низкотемпературные печи, в которых излучение не играет существенной роли, например, сушила.
На рисунке 50 показаны некоторые виды плавильных печей, используемых для выплавки чугуна и стали.
5 6 7 8 9 10
а) |
|
1 |
1 |
1 |
б) |
1 |
г) |
д) |
|
|
|
в) |
а) – шахтная доменная; б) – пламенная; в) – индукционная; г) – дуговая; д) - плазменная)
1 — жидкий металл; 2 — кокс; 3 – воздухопровод; 4 - расплавляемый материал; 5 - пламя; 6 — индуктор; 7 — тигель; 8 - электрическая дуга; 9 - электрод; 10 – плазматрон и плазма
Рисунок 50 - Виды плавильных печей
Вагранка - простой распространенный плавильный аппарат в чугунолитейных цехах (рисунок 50 а) это шахтная плавильная печь. Ее рабочее пространство заполнено кусками кокса и металла. Теплота в печи выделяется при сгорании кокса. Металл плавится и перегревается, соприкасаясь с раскаленным коксом и его продуктами горения. Одновременно металл насыщается углеродом и серой — образуется чугун.
Производительность от 50 до 100 т в час. Для получения качественного расплава необходим правильный подбор всех шихтовых материалов.
Пламенная печь (рисунок 50 б) имеет рабочее пространство, заполненное пламенем и раскаленными продуктами горения топлива. В нижней части печи находится расплавленный металл. В процессе плавки металл соприкасается только с продуктами горения, шлаком и футеровкой печи. В пламенной печи можно выплавлять чугун и сталь. Используют пламенные печи вместимостью ванны до 200 т для получения крупных отливок.
Индукционные печи - бывают тигельными и капельными, работают используя магнитное поле. Бывают промышленной частоты, средней частоты (до 500 Гц) и высокочастотные (1000 - 10000 Гц), выполнение весьма разнообразно.
Индукционная печь (рисунок 50 в) — это электрическая печь Индуктор создает в нагреваемом металле переменное электромагнитное поле. В металле течет электрический ток, и металл расплавляется. Металл отделен от индуктора стенкой из огнеупорного материала. При плавке металл соприкасается только с футеровкой печи и шлаком. В печи выплавляют чугун и сталь
Вдуговых печах (рисунок 50 г) электрическая дуга с температурой 3000 °С создается в пространстве между электродом и нагреваемым металлом. В печи выплавляют чугун и сталь. Ванна с помещенными в нее электродами, дуга между электродами и металлом способствует повышению температуры и плавке шихты. Литейные конструкционные стали выплавляют трехфазных дуговых, индукционных и регенеративных мартеновских печах. В зависимости от химического состава сталей футеровка бывает кислой или основной.
Вплазменной печи (рисунок 50 д) рабочее пространство разогревается потоком газов, нагретых плазматроном до температуры от 6000 до 15000 °С. В печи, как правило, выплавляют стали специального назначения.
Печи сопротивления обеспечивают косвенный нагрев. Тепло выделяется
внагревателе, работают по принципу электродуховки.
Для получения ответственных отливок с высокими механическими свойствами и высокой плотностью используют электрошлаковую, вакуумнодуговую, плазменно-дуговую либо электронно-лучевую плавку металла.
4.2 Плавильные и раздаточно - подогревательные печи
Печи для приготовления расплава разделяют на собственно плавильные печи и раздаточно-подогревательные печи. В плавильных печах сплав плавят и в жидком виде подают его в раздаточно-подогревательную печь, откуда расплав заливают в форму.
4.2.1 Плавильные печи
При литье применяют пламенные и электрические плавильные печи: тигельные и отражательные; печи сопротивления и индукционные. Топливом для пламенных печей служит газ, мазут, кокс, электроэнергия. Плавильные печи должны обеспечивать необходимое качество расплава; непродолжительную плавку, минимальные потери на угар и незначительный расход топлива.
В тигельных печах расплав не соприкасается с продуктами горения. Плавку алюминиевых, магниевых, цинковых, свинцовых и оловянных сплавов ведут в плавильных печах с металлическими или графитовыми тиглями, работающими на мазуте, газе или электроэнергии.
Печи бывают стационарными или поворотными (рисунок 51).
3
1 |
5 |
1 - спускной желоб; 2 — дверка люка; 3 — крышка печи;4 — электроды; 5 — опорные катки; 6 — металл; 7 — электродвигатель для наклона печи
Рисунок 51 - Схема дуговой поворотной электропечи
Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.
Тепловая мощность, выражаемая в киловаттах (кВт), — это наибольшее количество теплоты, которое можно подать в печь Тепловая нагрузка — это количество теплоты, которое фактически подается в печь. Температурный режим — это изменение температуры печи во времени.
По тепловому режиму печи подразделяют на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие по методическому режиму. В печах, работающих по камерному режиму, температура рабочего пространства остается постоянной на протяжении всего времени работы печи, а в методических печах температура изменяется по длине печи или во времени.
Основные характеристики работы печи — ее коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент использования топлива (КИТ), а также производительность. Производительность печи — это количество металла прошедшего через печь за единицу времени (выплавленного в плавильной печи; перегретого - для миксеров и раздаточных печей; обработанного металла для термических печей и высушенного материала для сушильных печей).
4.2.1.1 Вагранка
Вагранка представляет собой плавильную печь шахтного типа. На рисунке 52 а изображена вагранка со стационарным капильником, а на рисунке 52 б, в –газовые вагранки.
б)
а)
в)
а) на твердом топливе; б) газовая вагранка; в) газовая с водоохлаждаемыми колосниками
1 – желоб; 2 - летка жидкого металла; 3 шлаковая летка; 4 – копильник 5 – съемный свод; 6 - соединительная летка; 7 – фурмы;8 – фурменный пояс;
9 – кожух и 10 – футеровка вагранки; 11 – труба и 13 – шахтная часть вагранки; 12 – загрузочное окно; 14 – чугунные пустотелые блоки; 15 – шиберы и патрубки; 16 – рабочее окно; 17 – дверца; 18 – калоша; 19 - подовая плита; 20 – опоры вагранки; 21 – полукруглые дверцы; 22 – круглое отверстие для удаления остатков плавки
Рисунок 52 - Схемы различных типов вагранки
Вертикальный цилиндрический кожух 9, изготовленный из листовой стали толщиной 8—1.2 мм, установлен на подовой плите 19. Внутри кожух футерован огнеупорным материалом 10 толщиной 250 - 300 мм. Подовая плита установлена на четырех колоннах 20. В центре подовой плиты имеется круглое отверстие для удаления остатков плавки. Отверстие закрыто двумя полукруглыми дверцами 21, подвешенными на петлях Специальный затвор исключает возможность раскрытая дверок. Иногда дверцы подпирают снизу стойкой 20. В кожухе вагранки имеются отверстия для загрузочного окна 12,
рабочего окна 16 фурм 7, соединительной летки 6.
Часть вагранки от загрузочного окна до подовой плиты называют шахтой 13, а выше загрузочного окна - трубой 11. Ниже загрузочного окна (на 0,8—1,2 м) шахту часто выкладывают не огнеупорными, а чугунными пустотелыми блоками 14, которые хорошо противостоят ударам загружаемого металла. Под вагранки 1 набивной. Вагранку разжигают дровами через рабочее окно, которое перед началом плавки плотно закрывают дверцей 17.
Копильник 4 предназначен для сбора необходимого количества чугуна. Копильник, как и вагранка, имеет кожух и футеровку. Жидкий металл из конильника выпускают через летку 2 по желобу 1; шлак — через шлаковую летку 3. Съемный свод 5 облегчает условия ремонта. Воздух вначале поступает в фурменный пояс 8 и затем по патрубкам — к фурмам. Шиберы 15, установленные на патрубках, позволяют регулировать расход воздуха на фурмы. На верхней части дымовой трубы, выходящей из здания, устанавливают искрогаситель, предназначенный для улавливания раскаленных частиц и пыли, выбрасываемых из вагранки.
Газовая вагранка (рисунок 52 б) содержит: 1 – горелки; 2 – керамическую калошу; 3 – шихту, 4 – футерованная стенка вагранки; 5 – загрузочное окно; 6 – жидкий метал; 7 – копильник; 8 – горелку для обогрева копильника, 9 – желоб.
Узлами вагранки с водоохлаждаемыми колосниками (рисунок 52 б) являются: 1 желоб, 2 – летка для выпуска металла и 13 – летка для выпуска шлака, 3 – перегретый металл, 4 – шлак и, 5 – корыто для сбора воды, поступающей по коллектору 7, в шахте 8 расположены газовые горелки 11, расплавляемый металл 9 (чушковой чугун и собственные отходы), 10 - силикатные шары,12 – туннели для сжигания газа.
4.2.1.2 Пламенные (мартеновские) печи
Мартеновская печь (рисунок 53) работает периодически. Продолжительность отдельной плавки складывается из продолжительности заправки, завалки, прогрева металла, плавления и доводки его химического состава.
Б - Б
А - А
Б
1 – рабочее пространство; 2 – головки для подачи воздуха и топлива; 3 – регенератор тепла; 4 – рабочие окна
Рисунок 53 – Схема мартеновской печи
Шихту загружают в мартеновскую печь через рабочие окна 4. В торцах печи имеются головки 2, которые служат для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство 1 и для отвода из него продуктов горения: через одну головку подают топливо и воздух, через другую — отводят продукты горения.
Печь заправляют после каждой плавки, так как кладку подины необходимо ремонтировать на горячей печи. Все дефекты, образующиеся при завалке печи твердой шихтой, а также физико-химические дефекты (разъедание и размывание кладки) должны быть сразу устранены. Только при этом условии возможна продолжительная работа печи без капитального ремонта.
Рабочее пространство — это часть печи, работающая в наиболее тяжелых условиях. Для ее кладки применяют огнеупоры, обладающие высокой огнеупорностью, удовлетворительной механической прочностью при высокой температуре (до 1800 °С) и устойчивостью против механического и физикохимического воздействия материалов плавки.
В фасонно-сталелитейных цехах, изготовляющих крупногабаритные отливки для машиностроительных заводов, применяют мартеновские печи вместимостью до 50 т. В мартеновской печи из шихты, состоящей из стального и чугунного лома, выплавляют сталь.
Рабочее пространство печи представляет собой ванну, над которой сжигают топливо, а в самой ванне расплавляют и перегревают металл. Твердые элементы шихты, расплавляясь, погружаются в жидкий металл ванны, поверхность которой подрыта слоем шлака. Для перегрева металла через слой шлака, имеющего незначительную теплопроводность, необходима большая разность температур между металлом и факелом для обеспечения хорошего отражения теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.
При температуре стали 1600 0С температура факела обычно достигает 1800—1900 °С. Для достижения такой температуры факела необходим подогрев воздуха, расходуемого для сжигания топлива. В качестве воздухоподогревателей применяют регенераторы, устанавливаемые под печью. При использовании топлива с низкой теплотой сгорания подогревают и воздух и топливо.
Выбор огнеупорного материала для футеровки ванны обусловлен технологией процесса плавки. При кислом процессе футеровка пода и нижнюю часть стен выполняют из динасового кирпича, а под печи — из кварцевого песка; при основном процессе — из магнезитового кирпича и магнезитового порошка. Верхнюю часть стен и свод печи независимо от технологии процесса плавки изготовляют из термостойкого хромомагнезитового огнеупора.
Производительность печи зависит от ее габаритных размеров и времени технологического процесса. В нагревательных печах, в которых металл необходимо нагреть лишь до заданной температуры производительность всегда выше, чем в печах, в которых после нагрева требуется определенная выдержка металла.
Количество топлива, подаваемого в печь (так называемая тепловая нагрузка печи), изменяется по ходу плавки. Максимальной тепловой нагрузке соответствуют периоды завалки и прогрева металла. В эти периоды за счет холодного (нерасплавленного металла в ванне можно увеличить количество сжигаемого топлива, так как низкая температура и большая поверхность шихты позволяют использовать мощный факел, не опасаясь перегрева и разрушения свода. По мере расплавления и доводки металла повышаются его температура и температура кладки. В этот период для облегчение условий работы свода, уменьшают тепловую нагрузку печи.
Наряду с плавильными печами в литейном производстве находят применение конвертеры. Их применяют, как для выплавки стали, так и для получения низкоуглеродистого чугуна. В конвертерном производстве топливом является сам жидкий металл. При окислении кремния и марганца теплота выделяется в количестве, достаточном для перегрева жидкого металла на 300— 400 °С. При конвертерном процессе элементы жидкого металла окисляются кислородом, подаваемым через фурму. При подаче кислорода в конвертор, наряду с окислением углерода, вначале окисляется железо, а затем в результате взаимодействия оксида железа окисляется кремний и марганец
4.2.1.3 Электрические плавильные печи
Для электропечей, изготовляемых по чертежам специализированных организаций и предприятий, действует следующая система обозначений: условное обозначение (индекс) состоит из трех или четырех основных букв, нескольких цифр и вспомогательных букв и цифр.
Первая буква в индексе всех печей обозначает метод нагрева:
И — индукционный, Д — дуговой, С — сопротивления косвенный,
П — плазменный, Э —- электронный.
Вторая буква в индексе для плавильных печей обозначает выплавляемый металл: С — сталь и сплавы железа, Т — титан, Ч — чугун, А — алюминий и его сплавы, Л — латунь.
Третья буква в индексе для плавильных печей обозначает конструктивные и другие особенности: для дуговых и плазменных печей: П —- поворотный свод; Б — барабанные; В — вакуумные; для индукционных печей: К — канальные, Т — тигельные.
Четвертая вспомогательная буква обозначает: А—агрегаты, М —- миксеры, Г — гарнисажные печи, Т — ток постоянный, Р — раздаточные. Цифра после, букв обозначает вместимость в тоннах, а следующая цифра (через дробь) указывает мощность источника питания (МВ.А).
В конце индекса указывается порядковый номер исполнения (И 5, И 2 или Н 1, Н 2 и т. д.).
Пример обозначения электропечи: печь ИЧТ — 1/0,4 — индукционная печь для плавки чугуна, тигельная, вместимость 1 т, мощность 1 / 0,4 МВ.А. Электропечь ДСП —1,5 — дуговая печь для стали с поворотным сводом, вместимость 1,5 т.