Глава 2. технология и оборудование 3 страница
2.5. ЛИТЬЁ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
Для литья в металлические формы применяют машины литья под давлением, а также однопозиционные кокильные станки и кокильно-карусельные машины.
Машины литья под давлением подразделяются на машины с горячей и холодной камерой прессования. Выбор типа камеры прессования определяется взаимодействием заливаемого металла с поверхностью камеры прессования (табл.2.16). Для сплавов с высокой температурой плавления или химически активных к материалу камеры прессования (обычно чугун) выбирают машины с холодной камерой прессования во избежание частого ремонта. С другой стороны, машины с горячей камерой прессования имеют примерно в два раза большую производительность.
Таблица 2.16.
Выбор типа машин литья под давлением
| Сплав | Рекомендуемый тип камеры прессования |
| Cu | Только холодная камера прессования |
| Al и Mg | Холодная камера прессования, для мелких тонкостенных отливок - горячая камера прессования |
| Zn | Горячая камера прессования |
Машины литья под давлением характеризуются:
1. Максимальными размерами прямоугольных форм и расстояния между плитами. Эта характеристика определяет наибольшие габаритные размеры выпускаемых отливок
2. Максимальной порцией заливаемого металла (для машин с холодной камерой прессования).
3. Усилием прессования. Повышение давления прессования - наиболее эффективный способ устранения дефектов и получения плотных отливок.
4. Усилием запирания. Усилие запирания должно обеспечить противодействие раскрытию формы из-за гидростатического давления металла и гидравлического удара при остановке поршня.
Минимальное усилие запирания определяется конфигурацией отливок по формуле [51]:
,
где Fпр- площадь проекции отливки на площадь разъема формы;
Рф - фактическое конечное гидростатическое давление в полости формы, равное 0,8 от расчетного удельного давления для машин с горизонтальной камерой прессования и 0,88 для машин с вертикальной камерой прессования;
v - скорость прессования, принимаемая в пределах 0,25-1,1 м/с;
k - коэффициент, учитывающий понижение динамического давления в результате поворотов металла и составляющий 0,6-0,7 для машин с горизонтальной камерой и 0,4-0,5 для машин с вертикальной камерой прессования;
с - скорость распространения звуковой волны в жидкости (примерно 1000 м/с);
g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2);
rж - удельный вес рабочей жидкости гидравлической системы машины;
rм - удельный вес заливаемого сплава;
Е - модуль упругости жидкого сплава.
Для массового малономенклатурного производства целесообразно выбирать высокопроизводительные машины с самым современным механизмом прессования, что позволит сохранять конкурентоспособность продукции в течение длительного времени. В случае изготовления на машине только одной отливки (подошвы утюгов и т.п.) наиболее выгодно использовать специально разработанные машины.
Производство отливок широкой номенклатуры (в условиях нестабильного заказа) требует применения машин с повышенной степенью универсальности: большее число пазов для крепления форм, дополнительные узлы для стержнеизвлекателей, несколько механизмов для выталкивания [52].
Для выбора кокильных станков существует гораздо меньше ограничений, чем для машин литья под давлением. Определяющее значение имеют размеры подкокильных плит и усилия запирания и раскрытия кокиля. Усилие запирания должно предотвратить раскрытие кокиля под действием только гидростатического давления расплава. Усилие раскрытия кокиля зависит от усадки заливаемого сплава и сложности конфигурации отливки и обычно несколько меньше усилия запирания.
Кокильно-карусельные машины представляют собой роторный конвейер, на который установлены кокили. Применение кокильно-карусельных машин не определяется характеристиками изготавливаемых отливок.
2.6. ПЛАВКА МЕТАЛЛА.
Печи для переплава подразделяются на топливные и электрические. Все электрические печи позволяют осуществлять регулировку температуры перегреваемого металла и имеют ступенчатую выдачу металла. К топливным печам относятся вагранки и пламенные печи. Электрические печи подразделяются на дуговые, индукционные (тигельные и канальные) и печи электросопротивления. Получение металла высокого качества требует применения вакуумных электропечей. Процесс плавки в коксовой вагранке (рис.3.14) идет за счет выделения тепла при горении углерода и догорании
Рис.3.14. Коксовая вагранка диоксида углерода. Регулирование темпе-
1-фурмы; 2 - летка
ратуры жидкого металла в вагранке практически невозможно. Вагранки имеют температуру чугуна на желобе до 1400 оС, в них практически невозможно проводить металлургическую обработку, что требует применения в шихте дорогих передельных и литейных чугунов (табл.2.17).
Существенным недостатком ваграночной плавки является высокое содержание серы в выплавляемом чугуне, из-за чего невозможно получать высокопрочный чугун.
Таблица 2.17
Состав шихты ваграночной плавки и электроплавки [53]
| Составляющие шихты | В вагранке, % | В электропечи, % |
| Литейный доменный чугун | 25,1 | 8,5 |
| Передельный доменный чугун | 25,5 | 12,4 |
| Стальной лом | 9,6 | 40,4 |
| Чугунный лом | 39,0 | 37,8 |
| Чугунная стружка | 0,7 | 0,7 |
| Стальная стружка | 0,1 | 0,2 |
В настоящее время большинство технических и экологических проблем, приведших к сокращению ваграночной плавки, успешно решены [54]. Для повышения температуры выпускаемого чугуна используется подогрев дутья, обогащение дутья кислородом, двух- и трехрядные фурменные пояса, что позволяет поднять температуру выплавляемого чугуна до 1600 оС. Разработаны эффективные технологические процессы непрерыв 
ной или периодической десульфурации. Современные системы очистки ваграночных газов превосходят по достигаемым параметрам очистки требования экологического законодательства. В результате реализации всех перечисленных мероприятий стоимость современного ваграночного комплекса приближается к стоимости электропечей соответствующей производительности.
Для сокращения расхода дорогостоящего топлива - кокса разработаны газовая (рис.2.15) и коксогазовая вагранки. Процесс плавки в газовой вагранке обеспечивается Рис.2.15. Газовая вагранка выделением тепла при горении газа.
1- горелки.
Камера сгорания в газовой вагранке отделена от зоны нагрева металлошихты выступом футеровки либо водоохлаждаемой решеткой. В газовой вагранке достигается температура чугуна 1530 оС и резко снижаются вредные выбросы [55]. В ней можно плавить любые сплавы (кроме стали), например алюминий [56].
Ваграночные газы содержат большое количество ядовитых угарного газа, диоксида серы, пыли. Эти факторы, а также рост стоимости кокса в 70-х годах привели к сокращению ваграночной плавки [54]. Однако нельзя не учесть и такие преимущества вагранки, как низкая стоимость футеровки, дешевые флюсы, простая технология удаления шлака, высокое качество выплавляемого чугуна, который характеризуется низкой склонностью к отбелу и высокой жидкотекучестью.
Тем не менее для получения высококачественных сплавов с низким содержанием вредных элементов (табл.2.18) и для предотвращения загрязнения окружающей среды (табл.2.19) необходимо применение электроплавки.
Таблица 2.18
Содержание вредных примесей в чугуне [57].
| Плавильный агрегат | Содержание элементов, % | |||
| [O]*10-4 | [H]* 10-4 | [N] *10-3 | [S]*10-2 | |
| Коксовая вагранка холодного дутья | 15-30 | 2-5 | 6-12 | 6-12 |
| Коксовая вагранка горячего дутья | 10-20 | 2-3 | 6-12 | 6-10 |
| Газовая вагранка | 7-12 | 3-6 | 5-10 | 3-5 |
| Дуговая печь | 1-5 | 1-3 | 8-15 | 4-6 |
| Индукционная печь | 1-5 | 1-3 | 2-6 | 4-6 |
Таблица 2.19.
Экологические показатели чугуноплавильных печей [57,58]
| Плавильная печь | Газы,м3/т | Шум, дБ | Пыль, кг/т | Шлак, кг/т |
| Вагранки закрытого типа, водоохлаждаемые | до 80 | 10-18 | 120-150 | |
| Газовые вагранки | до 60 | 1,5-2,5 | 40-70 | |
| Индукционные тигельные печи | 10-30 | до 60 | 0,3-5,0 | 10-25 |
| Дуговые печи: | ||||
| Переменного тока | 120-150 | до 90 | 5-10 | 40-60 |
| Постоянного тока | 30-50 | до 80 | 1-2 | 40-60 |
Пламенные печи (рис.2.18) плавят металл за счет тепла продуктов горения при их прохождении через печь. В качестве топлива можно использовать любые горючие материалы, но необходимо учесть, что при использовании газа или мазута горение может быть организовано непосредственно над зеркалом металла, т.е. потери тепла минимальны, а при использовании твердого топлива необходима топка, и, соответственно, дополнительное тепло на ее нагрев. С другой стороны, непосредственный контакт металла с продуктами горения приводит к поглощению газов расплавом. Естественная конвекция расплава в печи практически отсутствует, поэтому для получения гомогенного расплава используют качание (барабанные печи). В пламенных печах на газовом и жидком топливе возможно регулирование температуры. Регулирование печной атмосферы практически невозможно, но зато облегчена металлургическая обработка расплава благодаря высокой температуре шлака.
При плавке в дуговых печах (рис.2.17) источником энергии является электрическая дуга, проходящая между электродами и плавящимся металлом. Температура в области дуг может достигать 3000 оС, что позволяет плавить любые металлы, низкосортные металлоотходы и крупногабаритную шихту. С другой стороны, из-за большого перегрева металла под дугами и слабой конвекции возникает неравномерность химического состава металла в объеме печи. Этот недостаток в небольших печах может быть устранен качанием печи (барабанные печи) либо установкой индуктора. Металлургическая обработка металла благодаря высокой температуре шлака достаточно эффективна. Дуговые печи подразделяются на печи постоянного и переменного тока. Печи переменного тока исключительно экологически вредны ( шум, пыль, газы). Этих недостатков практически лишены печи постоянного тока.
Рис. 2.17. Дуговая печь. Рис.2.18. Пламенная печь.
1 - электроды; 2 - летка; 1 - горелки; 2 - летка;
3 - смотровое окно. 3 - дымовая труба.
Принцип действия индукционных печей основан на формировании переменным электромагнитным полем вихревых токов в шихте (расплавленном металле). Электромагнитные силы, действующие на расплавленный металл на стадии перегрева, вызывают его принудительную конвекцию в печи. В результате металл, выдержанный в индукционной печи, исключительно равномерен по химическому составу. Металлургическая обработка металла в индукционных печах затруднена, поскольку шлак не электропроводен, следовательно, нагревается от металла и имеет более низкую температуру. Индукционные печи подразделяются на тигельные (рис.2.19) и канальные (рис.2.20).
Рис.2.19. Индукционная Рис.2.20. Индукционная
тигельная печь. канальная печь.
1 - индуктор; 1 - индуктор; 2 - канал.
2 - тигель с расплавом.
В тигельных печах вихревые токи наводятся непосредственно в расплавляемой шихте. Чем меньше размер загружаемых кусков шихты, тем выше должна быть частота тока, питающего индуктор (эффект наборного сердечника трансформатора) (табл.2.20).
Таблица 2.20.
Зависимость кусковатости шихты от частоты тока индуктора [29]
| Частота тока, Гц | Минимальный размер кусков шихты, мм | ||
| сталь | Алюминий | Медь | |
| 1 000 |
Эта зависимость приводит к необходимости использования пускового слитка при пуске холодной печи или оставлению "болота". Различают печи промышленной частоты (50-60 Гц), средней частоты (150-450 Гц) и высокочастотные (10000-20000 Гц), а также печи с переменной частотой. Высокочастотные печи используются только в лабораторных целях. При повышении частоты тока движение в тигле печи становится менее интенсивным. Повышение частоты тока позволяет осуществлять плавку мелкой шихты, но и существенно увеличивает капитальные затраты, снижает производительность и к.п.д. печи и уменьшает равномерность химического состава металла, т.е. сводит на "нет" преимущества индукционного переплава.
В канальных печах вихревые токи наводятся в расплавленном металле, находящемся в открытом или закрытом канале. Передача теплоты из канала расплавляемой шихте производится конвекцией, вызываемой электродинамическим перемешиванием расплава. Поэтому температура в канале примерно на 100 оС выше температуры металла в ванне. Она ограничена стойкостью футеровки канала и составляет 1500-1550 оС. Во избежание разрыва вторичной обмотки индуктора (металла) в канальных печах всегда есть "болото" объемом 0,2-0,5 садки, что снижает производительность печи и не позволяет проводить частую смену сплава. "Ахиллесова пята" канальных печей - сам канал, футеровка которого подвержена интенсивному термическому и механическому воздействию расплавленного металла.
В электропечах сопротивления (рис.2.22) теплота шихте передается от нагревательных элементов излучением либо теплопроводностью через стенку тигля. Таким образом, температура в печи определяется температурой плавления нагревательных элементов (табл.2.21).
Таблица 2.21.
Материалы, используемые для нагревательных элементов [59]
| Материал | Хим. состав | Тпл,оС | Максимальная Т нагрева, оС |
| Нихром | Х20Н80 | ||
| Ферронихром | СтХ15Н60 | ||
| Молибден | Mo | ||
| Вольфрам | W | ||
| Графит | C |
Несмотря на отсутствие принудительной конвекции в электропечах сопротивления металл достаточно однороден по химическому составу из-за отсутствия местного перегрева. По технологическим параметрам очень близки к электропечам сопротивления пламенные тигельные печи (рис.2.21).
Рис.2.21. Пламенная тигельная Рис.2.22. Электропечь сопротивления.
печь. 1 - нагревательные элементы;
1 - горелка; 2 - тигель. 2 - тигель с расплавом.
Основные технико-экономические показатели работы плавильных печей приведены в табл.2.22.
Таблица 2.22.
Технико-экономические показатели плавильных печей
[1,29,32,60-62]
| Плавильные печи | Тепловой КПД,% | Угар легирующих | |
| плавка | перегрев | элементов, % | |
| Вагранка: | 0,4-0,6 | ||
| коксовая закрытого типа водоохлаждаемая: | |||
| холодного дутья | 0,05-0,07 | Сr - 15-30,Ni-до 10 | |
| горячего дутья | 0,1-0,2 | Сr - 10-20,Ni – до 5 | |
| с обогащением дутья 3-4 % кислорода | 0,1-0,2 | Сr - 15-30,Ni-до 10 | |
| Газовая | 0,1-0,2 | Сr - 20-40,Ni-до 10 | |
| Металлургическая | 0,1-0,2 | Сr - 10-15,Ni-до 5 | |
| Индукционная тигельная: | Ni – 0 | ||
| промышленной частоты | 0,5 | 0,65-0,7 | |
| средней частоты | 0,6 | 0,68-0,74 | |
| Индукционная канальная | 0,6-0,96 | 0,6-0,8 | |
| Дуговые | 0,8-0,85 | 0,2 | Сr - 15-30,Ni-до 10 Ti-30-60, Zn - 30-60 |
| Электросопротивления | 0,32-0,63 | ||
| Пламенные | 0,2-0,3 | Сr-15-30, Ni - 0 |
2.7.КОНТРОЛЬ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
И ЗАЛИВКА МЕТАЛЛА.
Необходимость повышения качества отливок заставляет ужесточить требования к составу сплава, температурному режиму плавки и заливки. Эффективный контроль этих параметров в процессе плавки осуществляется в настоящее время методами, представленными в табл.2.23.
Для получения металла с заданной структурой и свойствами после экспресс-анализов проводится металлургическая обработка - рафинирование и модифицирование.
Таблица 2.23.
Методы экспресс-анализа металла [63].
| Контролируемый параметр | Оборудование (метод) | Недостатки метода |
| Температура расплава | Инфракрасные пирометры | Неточность измерения из-за дыма, плен и шлака на поверхности расплава. |
| Термопары погружения | Высокая стоимость расходных материалов | |
| Склонность чугуна к отбелу | Клиновые пробы | Значительный разброс результатов |
| Химический состав | Спектрографы | Высокая стоимость оборудования |
| Газоанализаторы | Высокая стоимость оборудования | |
| Анализ кривых "температура-усадка" при охлаждении пробы | Значительный разброс результатов | |
| Анализ на содержание Si | Измерение термоЭДС образца | |
| Анализ на со-держание С и Si | Анализ кривых охлаждения пробы |
При рафинировании литейных сплавов решаются две основные задачи: удаление из расплава нежелательных примесей и дегазация. Традиционные способы рафинирования предусматривают обработку расплава флюсами, вакуумирование расплава, продувку через расплав газов или газообразование прямо в расплаве посредством введения вспенивающихся веществ. Наиболее современным способом рафинирования является фильтрование через инертные или активные фильтры. Материал активного фильтра соответствует используемым флюсам [64] (т.е. производится принудительная обработка всего расплава флюсом) и дает максимальную очистку металла, но такие фильтры наименее долговечны. Выбор материала инертного фильтра определяется в основном температурой расплава (табл.2.24).
Таблица 2.24.
Сравнительные характеристики фильтров [65,66]
| Материал фильтра | Метод связывания | Максимальная температура, оС | Относительная прочность |
| Глинозем | Склеенные | Низкая | |
| Спеченные | Выдающаяся | ||
| Циркон | Спеченные | Выдающаяся | |
| Карбид кремния | Склеенные | Хорошая | |
| Шамот | Спеченные | Низкая |
Модифицирование - изменение структуры металла посредством добавки химических веществ. Для наиболее экономичного ведения процесса усвоение модификатора расплавом должно быть максимальным. Та же проблема решается при легировании расплава. При рассмотрении этого вопроса наибольший интерес представляет модифицирование чугуна магнием. Магний интенсивно реагирует с кислородом, кроме того, его плотность существенно ниже плотности чугуна - поэтому неизбежно всплытие магния на поверхность. Процесс модифицирования магнием в открытом ковше сопровождается сильным дымом, возможно расплескивание металла. Модифицирование - процесс, во время которого температура расплава, находящегося в ковше, неизбежно падает. Поэтому его необходимо перегревать. Ведение процесса непосредственно в форме или в литейной чаше устраняет этот недостаток.
Традиционно модифицирование чугуна магнием проводят в камере-автоклаве, постоянно перемешивая расплав в ковше специальными мешалками. Этот метод обеспечивает хорошее усвоение модификатора, но требует специального оборудования, не говоря уже о высокой стоимости эксплуатации. Современные способы модифицирования (табл.2.25, рис.2.23-2.30) позволяют избегать применения автоклавов.
Рис.2.23. Pour-over- процесс. Рис.2.24. Sandwich-процесс
Рис.2.25. Tundish-cover-процесс Рис.2.26. Колокольчик.
Рис.2.27. Конвертор Фишера. Рис.2.28. T-NOCK-процесс
Рис.2.29. Flotret-процесс Рис.2.30. In-mold-процесс
Таблица 2.25.
Способы модифицирования чугуна магнием
| Название процесса | Сущность способа | Усвоение магния, % |
| Pour-over [67] | Заливка расплава поверх модификатора | 20-40 (лигатура) |
| Sandwich [67] | Заливка расплава поверх модификатора, по-крытого стальным перфорированным листом | 30-50 (лигатура) |
| Plunger [67] | Модификатор опускается в колокольчике | 40-60 (лигатура) |
| Tundish- cover [68] | Pour-over-процесс в ковше с промежуточной крышкой, через которую заливают расплав | 40-60 (лигатура) |
| Tip [69] | Модификатор находится в камере ковша для модифицирования ( конвертор Фишера) и при горизонтальном расположении ковша не реагирует с расплавом. При повороте ковша в вертикальное положение модификатор оказывается под слоем расплава. | 60-80 (лигатура) |
| Flotret [67] | Заливка металла через специальную литейную чашу с модификатором. | 70-90 (лигатура) |
| In-mold [70] | Модификатор засыпается в специальную камеру в шлакоуловителе литейной формы | 90-100 (лигатура) |
| Controlled Quality Inoculation [20] | Подача проволоки с модификатором в литейную чашу во время заливки | 40-60 (магний) |
| T-NOCK [20] | Введение порошкообразного модификатора в полую струю расплава | 50-80 (магний) |
Для лучшего усвоения магния необходимо подвергнуть расплав глубокой десульфурации, т.к. магний связывается серой, в этих целях используется продувка инертными газами через пористую пробку (Porous-Plug Method) [67].
Для заливки используются ковши и разливочные устройства газового давления (повышенного и пониженного) и магнитодинамические насосы (табл.2.26, рис.2.31-2.37). Ковши подразделяются по способу разливки на стопорные, чайниковые с перегородкой и без нее, барабанные, с шиберным затвором. Принцип действия магнитодинамических насосов основан на взаимодействии электрического тока в металле, наводимого индуктором, и внешнего магнитного поля, что приводит к возникновению электромагнитных сил, под действием которых металл транспортируется через насос. Трансформаторный принцип наведения тока позволяет передавать энергию в металл без потерь, тем самым компенсируя тепловые потери и даже нагревая его.
Высокое качество металла при заливке обеспечивается благодаря подаче его снизу. Потери металла из-за угара, падение температуры расплава и загрязнение окружающей среды можно свести к минимуму, используя термо- и газоизолированные заливочные устройства.
1 - индуктор; 2 - электромагнит;
3 - тигель с расплавом; 4 - канал.
Рис.2.31. Магнитодинамический насос (погружной).
