Плавка і розливання сталі - ливарне виробництво
1. Способи отримання рідкої сталі для фасонних виливків
Залежно від вимог, що пред'являються до стали, і якості шихтових матеріалів застосовують печі з основною і кислою футеровкою, що визначає характер плавки.
У печах з основною футеровкою плавка ведеться з використанням основного шлаку, що містить високий відсоток окису кальцію. Такий шлак дозволяє видаляти з рідкої сталі більшу частину шкідливих домішок (сірки і фосфору), які з'єднуються з окисом кальцію в міцні з'єднання.
2. Конструкція і основні характеристики плавильних печей
Принцип регенерації полягає в тому, що насадка одне пари регенераторів нагрівається до температури 1250-1300 ° С відходять з печі газами з температурою близько 1600 ° С. Так триває 10-15 хв, після чого клапани автоматично переводяться в нове положення, змінюючи напрямок руху повітря і газів. Таким чином, кожна пара генераторів поперемінно нагрівається і віддає своє тепло на нагрівання повітря і палива.
Для завантаження шихтових матеріалів, взяття проби металу і шлаку, а також для видалення останнього в передній стінці розташовані вікна, які закриваються заслінками з оглядовими отворами. Готову плавку випускають через льотку, розташовану в задній стінці на нижньому рівні подини.
Електродугові печі отримали найбільш широке застосування в ливарному виробництві.
Піч має зварений сталевий кожух, футеровані вогнетривкою цеглою. Набивної під і футеровані бічні стінки утворюють робочий простір. Верхня частина печі перекрита знімним склепінням. Завантаження шихти і скачування шлаку виробляються через вікно. У сучасних печах для завантаження шихти є відвертається звід.
Від спеціального пічного трансформатора до трьох електродів-держателям підводиться електричний струм. При проходженні його по електродів між ними і металом виникають потужні електричні дуги з дуже високою температурою (4000-5000 ° С). Виділяється при цьому тепло використовується для розплавлення і перегріву сплаву. За допомогою механізму електродотримачі разом з електродами переміщаються по вертикалі, забезпечуючи можливість регулювання величини дуги. Механізм нахилу дозволяє робити плавний нахил печі в бік зливного жолоба і завантажувального вікна для завантаження шихти і скачування шлаку.
Мал. 2. Електрична дугова піч.
Найбільшого поширення набула виплавка сталі в печах з кислою футеровкою через меншу тривалості плавки, більшої стійкості футеровки і меншої витрати електроенергії.
Індукційні печі. У цих печах виплавляють високоякісні нержавіючі, жароміцні і інші леговані стали.
Футеровка тиглів індукційних печей при плавці сталі може бути кислою або основний. Кисла футеровка тигля набивається з суміші кварцового піску з 2-3% сухої борної кислоти. Основна футерування виконується з металургійного магнезиту, хромомагнезіта, електрокорунду з добавкою 15-20% прокаленного глинозему. В якості сполучних застосовують буру, рідке скло. Такими сумішами заповнюють зазор між листовим азбестом, що захищає індуктор печі, і шаблоном з м'якої сталі, який утворює внутрішню поверхню тигля. Суміш в зазорі ретельно ущільнюють і потім спекают, пропускаючи через індуктор електричні ^ -ський ток і поступово підвищуючи температуру спікання до робочої температури тигля.
Вакуумні індукційні печі. Фасонні виливки з високолегованих сталей і сплавів, призначені для деталей літальних апаратів, газових турбін і інших виробів, виплавляють у вакуумних індукційних печах. Це пов'язано з тим, що зазначені стали і сплави містять легкоокисляющиеся елементи (алюміній, титан і ін.), Схильні до утворення значної кількості окисних полон, різко знижують фізико-механічні властивості сплавів. У вакуумі сплави звільняються від газів і шкідливих домішок, які під час плавки видаляються.
Мал. 3. Схема індукційної вакуумної печі: поздовжній (а) і поперечний (б) розрізи.
У цій печі вакуумна камера являє собою горизонтальний ціліндп переміщуваний по рейках на колесах. Одна з торцевих стінок камери нерухома. До неї кріпиться кронштейн для установки індуктора з плавильним тиглем і майданчиком для установки ливарної форми. На цій же стінці поза камерою встановлений електродвигун з редуктором, що служить для повороту тигля разом з формою на 90 °. Токоподводящий шланг і введення для повороту печі через герметизовані вікна також прокладені в торцевій нерухомою стінці.
Водяна сорочка служить для охолодження вакуумної камери. Зовні на камері розташовані дозатор, оглядовим вічком, ардометр для виміру температури сплаву в тиглі і клапан для напуску повітря. Піч обслуговується з майданчика. Поруч з піччю розміщується пульт управління, оснащений приладами для контролю витрачається потужності при плавці, глибини вакууму, температури сплаву та інших параметрів.
Піч такої конструкції характеризується періодичним дією: вакуум в плавильної камері зберігається для плавки металу і заливки однієї форми, після чого він порушується.
3. Матеріали, що застосовуються при плавці
При виплавці сталі використовують такі матеріали: чушковий чавун, сталевий брухт, оборотний метал, феросплави, окислювачі та вогнетриви.
Сталевий брухт. Покупної лом складається з тих, хто прийшов в непридатність деталей машин і брикетованої стружки, постав-лямих по ГОСТ 2787-75. Оборотний метал складається з відходів сталеплавильного, ковальського, пресового і прокатного виробництв у вигляді обрізків, шлюбу, скрапу, літників.
Феросплави. При виплавці звичайних сталей застосовують феромарганець і феросиліцій, а легованих - ферохром, нікель, ферротитан, феррованадий, ферромолібден і ін. Феросплави, використовувані для розкислення і легування, повинні бути сухими (бажано, прожарений).
Як флюси зазвичай застосовують вапняк (ГОСТ 10726-74), плавиковий шпат (ГОСТ 7618-70), шамотний бій. Найбільш поширений вапняк або отримується після його випалу вапно. Плавиковий шпат використовують для розрідження густих вапняних шлаків, що покращує умови знесірчення рідкого металу. Для цієї ж мети застосовують і шамотна бої.
Як окислювачі використовуються залізна і марганцева руди різних родовищ, а також окалина з цехів гарячої обробки (кузні, прокатки).
Вогнетривкі матеріали. При основному процесі печі футеруются магнезитовим цеглою або магнезитової і доломітового набиванням, а при кислому процесі - динасові цеглою. Магнезитовий порошок отримують шляхом розмелювання магнезиту, випаленого при температурі 1650 ° С.
4. Технологія плавки сталі
Після випуску сталі в ківш проводять очищення поду печі від залишків металу і шлаку, а потім її заправку - виправлення поверхні пошкоджених ділянок магнезитовим порошком. Шихту збирають в мульди (ящики) і за допомогою спеціальних машин або кранів завантажують в піч, причому нагрів її в цей час не припиняється.
У періоди нагріву і плавлення шихти в піч вводять максимальну кількість палива і повітря з метою скорочення тривалості плавки. Надлишок подаваного з повітрям кисню створює в печі окислительную атмосферу, в якій відбувається окислення складових: кремній окислюється майже повністю, "зРганец - на 60-80%, фосфор -на 30-40% і хром - на 50« від первісного змісту. Окису цих елементів переходять в шлак, який після розплавлення видаляють і вводять свіжі матеріали для освіти нового шлаку.
За час нагрівання і плавлення шихти окислюється до 50% вуглецю, який у вигляді окису вуглецю видаляється в атмосферу печі.
Після повного розплавлення шихти відбуваються такі процеси: кипінняванни рідкої сталі з завантаженням на шлак залізної руди (рудне кипіння); кипінняванни без руди (чисте кипіння); розкислення стали. Одночасно зі сталі видаляється частина фосфору, а в кінці плавки - частина сірки. Для видалення фосфору шлак повинен містити таку кількість окису кальцію (СаО) і закису заліза (FeO), яке при взаємодії з фосфором окисляє його і переводить в шлак. Що містить сполуки фосфору шлак періодично видаляють з печі і замінюють новим.
Кипінняванни викликано тим, що окислений вуглець (СО) виділяється із сталі у вигляді бульбашок, захоплюючи за собою водень, азот і неметалеві включення. Кипіння відбувається тільки в тому випадку, якщо рідка сталь містить достатню кількість вуглецю і закису заліза і нагріта до високої температури. Для створення цих умов в шихту вводять 40-45% чушкового чавуну, що містить 4-4,5% вуглецю, а закис заліза вноситься з рудою. '
В результаті введення в сталь великої кількості закису заліза, що є шкідливою домішкою, якість її погіршується, тому в ході кипіння присадка руди зменшується, а потім і повністю припиняється. Ванна кипить за рахунок наявної в ній закису заліза (чисте кипіння).
Для видалення зі сталі сірки шлак повинен містити велику кількість окису кальцію і зменшені концентрації FeO і МпО, що досягається скачуванням залозистого шлаку і наводкою нового, вапняного. Однак після проведення цих операцій в стали залишається значна кількість закису заліза. Для видалення її виробляється розкислення стали шляхом введення в піч феромарганцю і низькокремнистий феросиліцію, а при випуску плавки - висококремниста феросиліцію і алюмінію на жолоб або в ківш.
Остаточне розкислення стали і доведення змісту в ній кремнію до заданого виробляють на жолобі 45- або 75-процентним ферросилицием, а в ківш вводять алюміній.
Плавка в електродугових печах. У цих печах виплавляють вуглецеві і леговані стали для складних виливків найвідповідальнішого призначення.
Плавку ведуть з окисленням або без нього. Плавку з окисленням, значно складнішу, ніж без окислення, здійснюють при використанні «засміченого» домішками фосфору та інших елементів сталевого брухту. Для плавки без окислення застосовують якісну шихту, і практично вона зводиться до простого переплаву металу і подальшої його доведенні.
Технологічний процес складається з наступних періодів: заправка печі, завантаження шихти (при піднятих електродах), плавлення, окислення (кипінняванни) і відновлення (розкислення і доведення стали за хімічним складом).
Після завантаження печі електроди опускають до поверхні шихти і для полегшення запалювання дуг підкладають під них 2-3 великих шматки коксу, потім включають струм.
У відновний період, найбільш відповідальний, сталь раскисляют і доводять до необхідного хімічного складу і температури при випуску. Розкислення проводять після видалення окисного шлаку і наведення білого шлаку з вапна і плавикового шпату. Раскислительной суміш, яку вводять в шлак, складається з вапна, меленого феросиліцію і меленого коксу (або електродного бою). Під цим шлаком ванна витримується, потім в неї вводять феросиліцій і феромарганець. Для додаткового розкислення стали при випуску її в струмінь вводять алюміній з розрахунку 0,5-1,5 кг на 1 т металу.
При виплавці легованих сталей необхідні елементи вводять в наступному порядку: нікель і вольфрам - з шихтою; хром - на початку відновного періоду; титан - за 2-3 хв до випуску сталі з печі або безпосередньо в ківш; алюміній безпосередньо в ківш.
Плавка в індукційних печах. Перед початком плавки ретельно перевіряють справність футеровки печі і виробляють дрібний ремонт (закладення дрібних тріщин) матеріалом, з якого виготовлений тигель. Це необхідно тому, що в індукційних печах з метою скорочення часу плавки і економії електроенергії товщину стінок тигля роблять можливо тонше.
Плавку в індукційних печах можна вести з окисленням і без нього. Як правило, застосовують безокислітельний процес (переплав), що характеризується невеликою тривалістю і низьким чадом. До шихтових матеріалів пред'являються більш високі вимоги. Вони повинні бути ретельно підібрані за хімічним складом і добре очищені від окалини та інших забруднень. Габаритні розміри шихти повинні забезпечувати можливість щільної її укладання в тигель.
Порядок завантаження шихти наступний: на дно тигля укладають дрібну стружку і потім феросплави; великі шматки розміщують вертикально уздовж стінок тигля, де индуцируемая сила струму найбільш велика, а легкоплавку частиною (дрібницею) заповнюють середину тигля.