Плавлення металу і заливання форм

Ливарні властивості металів. Придатність сплавів для вироб­ництва литва визначається їхніми ливарними властивостями: рідкотекучістю, усадкою, ліквацією, газотвірною здатністю і темпера­турою плавлення.

Рідкотекучість — здатність металу з визначеною точністю запов­нювати форму. Вона залежить від складу сплаву, його властивостей (в'язкості і поверхневого натягу) і від ступеня перегрівання відносно температури плавлення. Зі зниженням в'язкості й підвищенням температури металу, що заливається, рідкотекучість поліпшується. Гази і нерозчинні домішки в металі знижують його рідкотекучість. На заповнення форми металом впливають також розмір і конструк­ція ливникової системи, теплопровідність форми, її газопроникність і деякі інші чинники.

Усадка — зменшення об'єму і лінійних розмірів виливка при охо­лодженні його від температури заливання до нормальної темпера­тури. Величина усадки зазвичай характеризується лінійною усад­кою. Велика усадка спричинює появу у виливку дефектів — усад­кових раковин, пор, тріщин, короблень.

Ліквація — неоднорідність складу виливка, що затверднув. Вона погіршує якість виливка, оскільки неоднорідність складу зумовлює неоднорідність структури і властивостей у різних його частинах.

Газотвірна здатність сплаву характеризується кількістю газу, що виділяється під час кристалізації. Гази (водень, азот, оксид вуг­лецю, вуглекислота та ін.) розчиняються в сплавах при їх плавленні та перегріванні в печах і тим у більшій кількості, чим вища темпе­ратура нагрівання. Під час охолодження металу у формі розчин­ність газів зменшується, при виділенні їх у великій кількості у ви­ливках утворюються газові раковини.

Сплави, які застосовують для одержання литва. Як ливарні сплави застосовують сірі чавуни (в окремих випадках — білі), сталь, бронзи, спеціальні ливарні латуні, сплави алюмінію, магнію та ін. З усіх перелічених сплавів кращі ливарні властивості має сірий ча­вун, який містить підвищену кількість вуглецю і силіцію. Він має добру рідкотекучість, мінімальну усадку (близько 1 %), не виділяє великої кількості газів, не схильний до помітної ліквації і плавиться за порівняно низької температури (залежно від вмісту вуглецю та інших домішок температура закінчення плавлення чавуну стано­вить 1150...1250 °С). Високі ливарні властивості сірого чавуну, не­висока вартість і доступність сприяли значному поширенню його в ливарному виробництві.

Сталь має гірші ливарні властивості: високу температуру плав­лення (температура закінчення плавлення 1400...1500 °С), меншу рідкотекучість, більшу усадку (близько 2 %), схильна до ліквації, розчиняє, а потім виділяє значну кількість газів. Унаслідок цього для одержання якісного литва зі сталі потрібно застосовувати особ­ливу технологію.

Білий чавун, який має знижений вміст вуглецю і силіцію, за сво­їми ливарними властивостями займає проміжне положення між сірим чавуном і сталлю. Він має підвищену усадку (близько 1,5 %), знижену рідкотекучість і підвищену температуру плавлення порів­няно з сірим чавуном.

Унаслідок високої твердості і крихкості білий чавун рідко засто­совують для виготовлення литва, але він є ливарним матеріалом при одержанні деталей з ковкого чавуну, а також потребує особли­вої технології для отримання якісних заготовок.

Олов'яні і безолов'яні бронзи, а також ливарні латуні, які містять підвищену кількість легувальних елементів і утворюють при затвердненні дво- або трифазну структуру, мають високі ливарні вла­стивості. Однофазні бронзи і латуні обробляють тиском.

Олов'яні бронзи мають невелику усадку (1,3...1,5 %) і задовільну рідкотекучість. Безолов'яні алюмінієві бронзи характеризуються гір­шими ливарними властивостями — більшою усадкою (2,5... 3,0 %), схильністю до поглинання газів та утворення крупнозернистої струк­тури, що потребує розробки спеціальної технології при виготовленні з них литва. Високі ливарні властивості мають силіцієві латуні, які часто застосовують як замінники олов'яних бронз. Із алюмінієвих сплавів найпоширенішими є сплави алюмінію з силіцієм — силумі­ни, які характеризуються підвищеною рідкотекучістю і малою усад­кою.

Плавлення чавуну

Будова і принцип дії вагранки. Для плавлення чавуну в ли­варних цехах найчастіше застосовують вагранки, в яких одержують близько 80 % усього рідкого чавуну для заливання форм. Схему ва­гранки з накопичувачем зображено на рис. 6. Вагранка — це ци­ліндрична шахтна піч, зовні вкрита сталевим кожухом 6, а всере­дині обкладена вогнетривкою шамотною цеглою 7. Опорою вагран­ки є кільцева плита 2, встановлена на чотири колони 1. Отвір у плиті закривається металевим піддоном, на який через робоче вікно З набивається піскова суміш з нахилом у бік льотки 12.

У нижній частині вагранки на відстані 200... 250 мм від поду розміщено ряд фурм 4. У фурми надходить повітря з кільцевої ко­робки 5, в яку воно подається спеціальним вентилятором. Нижня частина вагранки від поду до першого ряду фурм називається гор­ном, від верхнього ряду фурм до завантажувального вікна 9 — шахтою. Вище від завантажуваль­ного вікна шахта переходить у газовідвідну трубу 10, яка за­кінчується іскрогасником 11.

Рис. 6. Схема вагранки

Вагранка, як усі шахтні печі, є піччю безперервної дії. Зверху через завантажувальне вікно 9 засипають металеву шихту, па­ливо і флюси. На рівні заванта­жувального вікна шахту викла­дають чавунними плитами 8. Знизу через фурми 4 вдувають повітря для горіння. Паливо зго­ряє в зоні фурменого поясу, гаря­чі гази піднімаються вгору, обті­кають і нагрівають матеріали, що опускаються вниз. При досягнен­ні поясу плавлення (вище від фурм на 800... 1000 мм) шихта плавиться, рідкий чавун стікає в нижню частину вагранки, а звід­ти — в накопичувач 13. Накопичувач призначений для збирання рідкого чавуну і відокремлення його від коксу, що сприяє поліп­шенню якості чавуну. Для випускання чавуну і шлаку є льотки від­повідно 15 і 14. Основним розміром вагранки, що визначає її продук­тивність, є діаметр. Питома продуктивність вагранки становить 6... 8 т/год металу, виплавленого з 1 м² її поперечного перерізу.

Перед черговою плавкою чавуну вагранку очищають, ремонту­ють вогнетривку кладку і набивають під. На під завантажують дрова і засипають шар холостої колоші коксу вище від фурм на 70...80 см. Дрова запалюють і після розігрівання коксу на його холосту колошу завантажують металеву частину шихти, потім робочу колошу коксу і, нарешті, шар флюсу. Пошарово вагранку завантажують до рівня завантажувального вікна. У процесі плавлення шихтові матеріали поступово опускаються, а через завантажувальне вікно вагранку постійно довантажують.

Розплавлений чавун на шляху до накопичувача контактує з розжареним коксом і насичується вуглецем і сіркою. Зменшити вміст вуглецю в рідкому чавуні можна збільшенням кількості ста­левого брухту в шихті, а зменшити вміст сірки — застосуванням більш основних шлаків. Для компенсації втрат вигорілих мангану і силіцію в шихту вводять феросплави.

Особливості плавлення чавуну у вагранці. Сировиною для плавлення чавуну у вагранці є металева шихта, паливо і флюси.

Металева шихта складається з ливарного чушкового чавуну (про­дукту доменної плавки), чавунного брухту, поверненого металу (ли­вників і браку литва) і спеціальних добавок (сталевого брухту, феро­сплавів).

Паливом для вагранки, як правило, є кам'яновугільний кокс, але його можна замінити торфовим або нафтовим коксом, деревним ву­гіллям і термоантрацитом (антрацитом, термічне обробленим без доступу повітря за температури 1100... 1200 °С з метою підвищення стійкості до розтріскування за високих температур).

Для обшлаковування золи палива і оксидів, які утворюються в процесі плавлення, вводять флюс-вапняк.

Звичайні вагранки працюють на холодному дутті. Залежно від їх розміру повітря подають під тиском 3... 12 кПа (300... 1200 мм вод. ст.).

У вагранці створюється слабкоокиснювальна атмосфера, і деякі складові чавуну окислюються. Насамперед і більшою мірою окислюються (вигоряють) компоненти, які мають найбільшу спорідне­ність з киснем,— силіцій (на 10...15 %) і манган (на 15...20 %). За­гальний вигар металу при переплавленні його у вагранці невели­кий і становить 1,5...2,5%. Оксиди, що утворюються (SiO₂, FeO, МпО), разом із золою становлять шлак.

Сірка, фосфор і вуглець не вигоряють у процесі переплавлення чавуну у вагранці. Навпаки, вміст сірки і, як правило, вуглецю збі­льшується внаслідок контакту металу з коксом. З вагранки важко одержати чавун, який містить менш як 3 % вуглецю. Кількість сірки в чавуні може збільшитися на 50 % і більше. Це е головним недолі­ком плавлення чавуну у вагранці.

Перевагами плавлення у вагранці е простота її будови, мала ви­трата палива (10... 12 % від маси чавуну), малий вигар металу, ви­сока продуктивність і безперервність плавлення. Останнє особливо важливе при заливанні на конвеєрі.

Щоб збільшити продуктивність вагранки, підвищити температу­ру чавуну, що випускається, і знизити витрати палива, застосовують різні методи інтенсифікації: підігрівання дуттям, заміна частини коксу природним газом, введення кисню у вагранки та ін.

Для збільшення часу безперервної роботи вагранки і проведення інтенсивного процесу плавлення використовують водяне охоло­дження футерівки. Застосовуючи водяне охолодження, можна збі­льшити час безперервної роботи вагранки з 8...10 до 25...40 год і більше, що сприяє підвищенню продуктивності, зменшенню витрат палива і вогнетривів.

Крім вагранок, для плавлення чавуну в ливарних цехах застосо­вують електричні, рідше полуменеві та комбіновані шахтно-полуменеві печі.

Плавлення сталі

Для одержання рідкої сталі в ливарних цехах застосовують такі самі печі, як і в металургійному виробництві, але меншої місткості:

мартенівські, електричні (дугові й індукційні високочастотні) і малі конвертори. На відміну від металургійного виробництва, плавлення в основних мартенівських печах ведуть зазвичай скрап-процесом, оскільки на машинобудівних заводах немає свого чавуну і вигідні­ше застосовувати дешевшу сировину — скрап. Електропечі застосо­вують для одержання високоякісних і легованих сталей методом переплавлення сталевого брухту, поверненого металу, легованих відходів тощо під кислими шлаками. Для плавлення звичайних сталей, до яких не ставлять високих вимог, застосовують малі кон­вертори місткістю 1,5...3,0 т.