ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Раздел: Производство

Шихтовые материалы. Особенности процесса приготовления жидкого чугуна (применяемые шихтовые материалы и методы плавки) в значительной степени определяют свойства чугуна отливки.

В настоящее время до 90 % всего чугуна выплавляется в вагранках. Непрерывно возрастающие требования к свойствам чугунов, соединение новых марок модифицированных и легированных чугунов вызывают необходимость широкого внедрения плавки в электропечах, главным образом в индукционных печах промышленной частоты. Одновременно совершенствуется процесс ваграночной плавки с целью получения высококачественного чугуна при минимальных затратах.

Составляющими металлической шихты являются литейный и передельный чушковые чугуны, ферросплавы, собственные стходы производства (литники, брак), чугунный лом со стороны, стальной лом.

Состав литейных коксовых чушковых чугунов регламентирован ГОСТ 4832—80. Основным классификационным признаком является содержание кремния в диапазоне от 3,2—3,6 % до 1,2— 1,6 %, в соответствии с которым чугуны делятся на шесть марок. В зависимости от содержания других элементов чушковые чугуны делят на гр\ппы (по марганцу от 0,05 до 1,5 %), классы (по фосфору от 0,03 до 1,2 %) и категории (по сере от 0,02 до 0,05 %). Для удобства шихтовки масса одной чушки не должна превышать 25 кг.

При ваграночной плавке возможно использование и передельных доменных чугунов, отличающихся низким содержанием кремния (не более 1,3 %). При замене лнтейных чугунов в шихте передельными отмечается некоторое улучшение механических свойств, повышение жидкотекучести и склонности к отбелу выплавляемого серого чугуна. Однако применение передельных чугунов предопределяет существенное увеличение ферросилиция в металлозавалке и необходимость его точного дозирования.

Для выплавки чугунов, легированных хромом и никелем, используется природнолегированный чушковый чугун, выплавляемый из орско-халиловских руд. Этот чугун содержит 2,1—3,7 % Сг и до 0,6 % Ni.

Для регулирования содержания кремния и марганца в выплавляемом чугуне в шихту добавляют ферросплавы: ферросилиций, содержащий 20—75 % Si (ФС20Л, ФС45 и ФС75Л), и ферромарганец, содержащий 70—85 % Мп.

Значительную часть шихты составляют вторичные черные металлы: собственные отходы производства, стружка, а также чугунный и стальной лом со стороны. Существующие стандарты и технические условия предусматривают подразделение лома на группы в зависимости от химического состава (легированный и нелегированный). Установлены допустимые размеры кусков и их масса. Их максимальный размер не должен превышать 1/3 диаметра шихты вагранки.

В литейном цехе, как правило, проводят дополнительную сортировку и выборочный химический анализ лома и воз- врага, чтобы обеспечить минимальный разброс показателей химического состава каждой партии вторичных черных металлов, применяемых для шихтовки.

Топливом для вагранки служит в основном каменноугольный литейный кокс, классифицируемый согласно ГОСТ 3340— 71 на три сорта, отличающихся предельным содержанием серы (от 0,6 до 1,4 %) и зольностью (от 11 до 12 %). Содержание влаги должно составлять не более 5 %, выход летучих веществ — не более 1,2 %, минимальный размер кусков — 40 мм.

Литейный кокс отличается от металлургического доменного большей плотностью (пористость не выше 42 %) и, следовательно, более низкой реакционной способностью. В качестве флюса преимущественно используют известняк, содержащий не менее 50 % СаО и не более 3 % (Si02 + АШ3)-

Плавка чугуна в вагранке. Вагранка представляет собой шахтную печь непрерывного действия, работающую по принципу противотока, в которой металл соприкасается с твердым топливом и продуктами его горения. Металлическая шихта, опускаясь вниз, нагревается и плавится за счет теплоты поднимающихся газов и затем перегревается при дальнейшем контакте с раскаленным коксом. Из всех топливных печей вагранки имеют наибольший тепловой коэффициент полезного действия (КПД), достигающий 35— 45 %.

Вагранка (без трубы и искроуловителя). Цилиндрический кожух вагранки опирается на подовую плиту 3 и колонны 1. В подовой плите имеется отверстие, которое во время плавки закрыто крышкой 2. По окончании плавки крышка открывается, и через отверстие удаляются остатки кокса, шлак и др. Кожух изнутри футеруют, как правило, шамотным кирпичом или шамотной набивной массой. После футеровки стенок и закрытия

крышки 2 специальной массой набивают под 4, имеющий уклон к лётке 9 для выпуска жидкого чугуна.

Воздух для горения кокса подается от воздуходувки в фурменный коллектор 7. Давление воздуха в среднем (0,5—1). 104 Па. Из фурменной коробки воздух направляется в фурмы <9, расположенные на определенном расстоянии от пода. Пространство от уровня фурм до подины называют горном. В верхней части горна имеется лётка 5 для выпуска шлака. При отсутствии копильника жидкий чугун через лётку 9 по желобу 10 периодически выпускается в разливочные ковши. Над уровнем фурм находится шахта вагранки. Через окно 6 загружают шихтовые материалы, топливо и флюсы.

Продолжением шахты является труба вагранки, заканчивающаяся расширяющейся частью — искроуловителем, назначение которого состоит в улавливании мельчайших твердых частиц, уносимых отходящими газами. В вагранках закрытого типа отходящие газы отсасываются из шахты через отверстие, расположенное выше уровня загрузочного окна, и поступают в систему газоочистки.

Длительность плавильной кампании вагранки в небольших цехах мелкосерийного производства определяется организацией работы в формовочно-сборочном отделении. Обычно она не превышает 16—20 ч. В плавильном отделении устанавливают две вагранки, работающие попеременно через день.

В цехах серийного и массового производства можно использовать вагранки с длительным циклом работы, продолжительность плавильной кампании которых составляет 1—3 недели. Эти вагранки обычно имеют нефутерованный кожух выше уровня фурм, наружное поливное охлаждение. Плавка идет практически на гарнисаже, образующемся на внутренней поверхности шахты печи.

После выбивки и охлаждения вагранку очищают от шлаковых настылей, восстанавливают футеровку и набивают подину. В подготовленную к плавке вагранку через окно загружают первую порцию кокса. В несколько отверстий, имеющихся в нижней части горна, вставляют переносные газовые горелки и разжигают кокс. После того как весь кокс равномерно раскалится, горелки убирают, отверстия в горне заделывают огнеупорной массой; дальнейшее горение кокса идет при подаче воздуха через фурмы.

Первую порцию кокса, лежащую на подине вагранки, называют холостой колошей. Высота холостой колоши зависит от производительности вагранки и режима плавки. В большинстве случаев верхний уровень холостой колоши выше уровня фурм на 800— 1200 мм.

После того как холостая колоша доведена до заданного уровня и кокс в ней раскален, начинают загрузку вагранки. Через окно попеременно загружают рабочие колоши (металлические и топливные), а также флюс. Всего в шахте помещается пять—семь

рабочих колош. Затем включают дутье, и начинается процесс плавки. За определенный отрезок времени после начала плавки теплоты, выделившейся в результате горения кокса, оказывается достаточной для подогрева, а затем и для расплавления первой металлической колоши. За это время сгорает часть кокса холостой колоши, и уровень ее понижается (обычно на 100—200 мм). Но за расплавившимся металлом находится кокс рабочей колоши, который присоединяется к коксу холостой колоши и восстанавливает ее первоначальную высоту. Плавление следующих металлических колош идет в той же последовательности. Следовательно, для поддержания постоянной высоты холостой колоши в рабочей колоше кокса должно быть столько, сколько его сгорает за время расплавления одной металлической колоши.

В результате сгорания кокса и проплавления одной металлической колоши столб шихты и топлива в шахте опускается, и через загрузочное окно загружают очередную металлическую и топливную колоши и флюсы.

Интенсивное горение кокса обеспечивает кислород воздуха, поступающий через фурмы, углерод кокса взаимодействует с образовавшимся С02:

В соответствии с процессами, имеющими преимущественное развитие в отдельных областях, вагранку по высоте можно условно разделить на пять зон; I — подогрева, II — плавления, III — редукционную, IV — кислородную и V — горновую ( 86). Рассмотрим процессы, проходящие в этих зонах.

В I зоне газы движутся навстречу шихтовым материалам и нагревают их. Температура газов изменяется примерно от 1200 до 400 °С. Топливо, нагреваясь до 100 °С, теряет содержащуюся в нем влагу, а при нагреве до более высоких температур — и летучие вещества. Известняк, загружаемый в качестве флюса, полностью диссоциируем: СаС03 = СаО + С02.

Во II зоне металл, нагретый до температуры плавления, полностью расплавляется. Температура металла при этом остается постоянной. По мере сгорания кокса и снижения верхнего уровня холостой колоши зона плавления перемещается соответственно вниз. К моменту начала плавления следующей металлической колоши верхний уровень холостой колоши вновь возвращается в исходное положение за счет кокса рабочей колоши. В течение всего периода плавления куски металла омываются газами, не содержащими свободного кислорода. Газы в этой зоне значительно охлаждаются, передавая теплоту на расплавление металла.

В III и IV зонах капли металла перегреваются вследствие излучения раскаленного кокса, а также высокой температуры газов. Чем выше эта температура и больше время нахождения капли металла в III и IV зонах, тем выше степень перегрева. Температура чугуна повышается за счет теплоты окисления примесей чугуна. В этих зонах происходит окисление компонентов сплава. Менее интенсивно оно идет в III зоне, где газовая фаза слабо окислительная, и более интенсивно в IV зоне, из-за наличия в ней свободного кислорода.

Изменение состава чугуна при плавке будет зависеть тут интенсивности процессов окисления газовой фазой всех примесей, а также от процессов, происходящих при взаимодействии жидкого металла с коксом и шлаком В этих зонах капли металла, соприкасаясь с кусками кокса, растворяют углерод и серу кокса и насыщаются этими элементами. В этих же зонах формируется жидкий шлак из флюса, золы кокса, оксидов различного состава, разрушающейся футеровки и т. д.

В V зоне, только в верхней ее части, газовая фаза окислительная. Металл и шлак в этой зоне охлаждаются вследствие потерь теплоты через стенки горна. Состав металла изменяется только за счет насыщения серой и углеродом из кокса.

Перегрев чугуна. Важное значение для получения чугуна высокого качества имеет его перегрев в период пребывания в III и IV зонах вагранки. На  87 показано распределение температуры газовой фазы по высоте вагранки при разных расходах дутья, его температуры и расходах кокса. В зависимости от характера кривой распределения и средней температуры плавления /пл металла определяется верхний уровень области плавления и расстояние Л, которое проходит капля металла в зоне высоких температур. В IV зоне вагранки изменяется также максимальная температура /тах. Очевидно, количество теплоты, переданное капле металла, а следовательно, перегрев металла тем больше, чем выше максимальная температура газов /гаах и

длиннее путь, пройденный каплей металла в зоне высоких температур А, а также интенсивнее подъем температур у фурм. Это можно выразить формулой = afumax, где а — коэффициент, учитывающий условия теплопередачи и распределение температур.

Степень перегрева чугуна можно повысить, увеличивая расход кокса или расход воздуха, а также повышая температуру последнего ( 88). При увеличении расхода кокса и неизменном расходе воздуха повышается температура чугуна, но снижается производительность вагранки, так как на сгорание кокса одной рабочей колоши и проплавление одной металлической колоши требуется больше времени.

Увеличение расхода воздуха повышает производительность вагранки и до определенного предела температуру чугуна. Например, при расходе менее 7 % кокса повышение подачи дутья более 100 м3/(м2.мин) уменьшает температуру чугуна, так как за время расплавления одной металлической колоши сгорает больше кокса холостой колоши, чем имеется в рабочей топливной колоше, и зона плавления понижается.

Изменение состава чугуна. Газовая фаза в I— IV зонах, где металл нагревается, расплавляется и перегревается, является окислительной по отношению к железу и остальным элементам чугуна. Однако конечный состав чугуна определяется не только воздействием газовой фазы, но и влиянием шлака, а также взаимодействием жидкого металла с коксом. В результате окисления железо, кремний и марганец угорают и их оксиды (FeO, Si02, МпО) переходят в шлак. В зависимости от дутьевого и топливного режимов плавки и определяемого ими состава газовой фазы угар кремния

составляет 5—15 %, марганца — 10—20 %. Более значительный угар марганца по сравнению с угаром кремния обусловлен наличием кислых шлаков.

Фосфор окисляется до Р205, однако непрочный оксид не связывается кислыми ваграночными шлаками, полностью восстанавливается, и весь фосфор вновь переходит в металл. Таким образом, при обычных условиях плавки концентрация фосфора не изменяется.

Наиболее сложно регулировать содержание углерода в выплавляемом металле. Во всех зонах, где металл находится в жидком состоянии, одновременно происходят два процесса: окисление углерода в металле газовой фазой и науглероживание металла за счет углерода кокса. В нижней части горна, где газовая фаза восстановительная, происходит только последний процесс. Особое значение приобретает процесс науглероживания при использовании в составе шихты стального лома. Цель увеличения содержания стали в шихте — снижение содержания углерода в выплавленном металле. Но при этом повышается степень науглероживания.

Таким образом, конечное содержание углерода в выплавленном чугуне зависит от ряда факторов. Важнейшими из них являются содержание стали в шихте, окислительная способность газовой фазы и продолжительность нахождения жидкого чугуна в горне вагранки; также оказывают влияние факторы, определяющие интенсивность науглероживания углеродом кокса, т. е. температура в III и IV зонах, размер кусков кокса, содержание в нем золы и пр.

На практике для данных условий плавки экспериментально определяют коэффициенты, характеризующие изменение содержания углерода при проплавлении шихт различного состава.

Содержание серы в чугуне при обычных методах плавки на кислых шлаках повышается главным образом за счет насыщения кокса серой. Поэтому, чем выше содержание серы в коксе и больше его расход, тем выше концентрация серы в выплавленном чугуне при прочих равных условиях. Обычно содержание серы увеличивается на 50—150 % по сравнению с исходным. При необходимости получения чугуна с низким содержанием серы применяют специальные методы плавки в вагранке на основных шлаках.

Шлаки. Процесс плавления чугуна сопровождается образованием шлаков. Источниками шлакообразования являются оплавившаяся футеровка, зола кокса, различные оксиды, внесенные шихтой (окалина, песок и т. д.), продукты окисления компонентов чугуна при плавке (FeO, Si02, МпО и др.), флюс. Для регулирования состава шлака, обладающего минимальной температурой плавления и минимальной вязкостью, чаще всего используют известняк При обычной футеровке шамотным (А1г03 + ТЮ2>30%) или полукислым (А1203+ ТЮ2 > > 20 %) кирпичом получают кислые шлаки с основностью Ca0/Si02 = 0,5-г0,6, содержащие 40—50 % Si02, 18—25 % СаО, 9—18 % А1203, 4—8 % FeO, 2—5 % МпО, 1—4 % MgO и 0,05—0,1 % S.

При основной ваграночной плавке футеровку делают из магнезита, хромомагнезита или доломита, за счет введения повышенного количества известняка получают шлак с основностью Ca0/Si02 = 1,5-т-2, содержащей 25—30 % Si<)2, 42—50 % СаО, 6—8% А12Оя, 0,5—1 % FeO, 0,7—1,5 % МпО, 12—15% MgO и 0,9-1,1 % S.

При наличии свободного СаО в основном шлаке проходит реакция обессери- вания: FeS + СаО = CaS + FeO. Нерастворимое в металле соединение CaS переходит в шлак. Эффективности процесса обессеривания способствуют повышение основности шлака, снижение содержания FeO в шлаке и повышение перегрева. Основной ваграночный процесс позволяет не только предотвращать насыщение металла серой из кокса, но и выплавлять чугун с содержанием серы ниже исходного. При плавке на основных шлаках указанного состава дефосфорации не происходит, так как для удаления фосфора высокоосновный шлак должен содержать еще 20—30 % FeO, и плавка должна проводиться при возможно низких температурах.

Интенсификация плавильного процесса. Наиболее эффективным и широко распространенным методом интенсификации плавки в вагранках является использование горячего дутья, которое обеспечивает повышение температуры чугуна и снижение расхода кокса.

При неизменном расходе кокса можно обеспечить повышение температуры перегрева чугуна примерно на ~70 °С ( 89). При сохранении той же температуры чугуна расход кокса можно снизить на ~30 %. Возможна реализация промежуточного варианта, при котором имеет место экономия кокса при одновременном повышении температуры чугуна.

схема вагранки, где осуществляется подогрев дутья до 500 °С в конвекционно-радиационном рекуператоре U конструкция которого позволяет при необходимости кроме теплоты отходящих газов использовать внешний источник подогрева. Сжигаемые в рекуператоре газы предварительно очищаются в газоочистителе 2, содержание пыли в них 50—100 мг/м3. В систему газоочистки входит охладитель газов 3, дезинтегратор мокрой очистки 4, который одновременно создает необходимое разрежение, и осушитель 5. Подогретый воздух из рекуператора поступает в фурменный коллектор вагранки 6.

Основой плавильного комплекса является вагранка закрытого типа с нефутерованным кожухом ( 90, б). Конический стальной кожух печи U не имеющий футеровки от загрузочного окна до фурм, обеспечивает свободный сход шихты, а также интенсивное охлаждение водой. В верхней части печи находится футерованная кольцевая камера 2 газоотсоса, соединенная с системой очистки. Уровень завалки в шихте контролируется изотопным уровнемером <3. Во время розжига холостой колоши и в период простоя горячей порожней вагранки, например в выходные дни, печь закрывается крышкой 4. Горн 5 каналом 7, расположенным на уровне пода S, соединяется с двумя компрессионными сифонами 9, находящимися под давлением ваграночных газов. Чугун и шлак непрерывно выпускаются через один из сифонов, что значительно уменьшает износ футеровки горна. Горячее дутье подается через водоохлаждаемые медные фурмы 6, вдвинутые в зону горна.

На практике используют и другие методы, обеспечивающие увеличение производительности, снижение расхода кокса и повышение температуры чугуна. Это обогащение дутья 1—4 % кислорода и применение двух рядов фурм с контролируемым разделением дутья между фурхменными коллекторами. Для экономии дефицитного кокса используют коксогазовые вагранки, где наряду с фурмами установлены газовые горелки.

Повышение требований к чистоте газов, выпускаемых в атмосферу, предопределяет необходимость оборудования вагранок эффективными установками газоочистки. Наибольшее распространение получила предварительная и тонкая очистки в барботажных скрубберах и скоростных пылеуловителях с трубами Вентури. Для предварительной очистки применяют также сухие циклоны и мультициклоны различной конструкции, которые задерживают 99,9 % пыли, размер частиц которой более 40 мкм. В отдельных случаях высокая степень очистки обеспечивается более дорогими и сложными устройствами, к которым относятся дезинтеграторы, тканевые фильтры и системы электростатического осаждения.

Плавка чугуна в электропечах. Плавка чугуна в тигельных индукционных печах промышленной частоты имеет ряд преимуществ: возможность получения точного химического состава, низкий угар элементов (что особенно важно при выплавке легированного чугуна), высокий перегрев металла, возможность использования в шихте большого количества стальных отходов и стружки.

Тигельная индукционная печь ( 91, а) состоит из металлического кожуха в котором установлен тигель 2, закрывающийся крышкой 4. При плавке шихта загружается в тигель, который установлен в индукторе 3, связанном с магнитопроводамп 5 и системой водяного охлаждения 6. Протекающий в индукторе переменный ток возбуждает в садке вихревые токи, разогревающие и плавящие металл. Печь размещается на площадке 7 и при сливе металла наклоняется с помощью механизма поворота 8.

Печи большой емкости часто выпускают в комплекте с установкой для предварительного подогрева шихты в загрузочной бадье, что обеспечивает повышение производительности печи.

Недостаток этих печей — малая скорость плавления твердой завалки. Поэтому для повышения производительности и снижения расхода электроэнергии плавку, как правило, ведут на болоте», т. е. при выпуске сливают не более половины металла. Затем в жидкую ванну загружают твердую шихту, расплавляют, и цикл повторяется.

Тигли изготовляют в основном из кислой сухой набивной массы, содержащей молотые кварциты. Для спекания массы добавляют 1,5—2 % связующего — борной кислоты. Иногда используют нейтральные футеровочные массы на основе дистенсилима- нита или муллитокорунда. Стойкость тигля зависит от многих факторов: зернового состава огнеупорной массы, технологии набивки, режима спекания, состава шихты, температуры перегрева металлической ванны и т. д. Обычно тигель выдерживает от 100 до 300 плавок.

При индукционной плавке вследствие активного перемешивания расплава металлургическое взаимодействие жидкого чугуна со шлаком, футеровкой и газовой фазой происходит весьма интенсивно. В первую очередь идут различного рода окислительные реакции. Взаимодействие металла с футеровкой, при котором кремний восстанавливается углеродом расплава, может привести к глубокому разгару стенки тигля и даже к короткому замыканию витков индуктора. В зоне шлакового пояса износ футеровки максимален, здесь часто образуются трудноудаляемые настыти шлака, затрудняющие дальнейшую эксплуатацию тигля. Все это предопределяет необходимость постоянного контроля режима плавки, качества шихты, состояния футеровки тигля и т. д.

Одним из наиболее важных этапов плавки, особенно при получении синтетического чугуна на базе шихты из стальных отходов, является процесс науглероживания. Наилучшие результаты по степени усвоения в жидком металле (90—95 %) обеспечивает гранулированный графит или электродный порошок (стружка), причем 70 % карбюризатора загружают вместе с шихтой и 30 % — в жидкий чугун после расплавления.

Наиболее совершенным и эффективным процессом как с точки зрения качества получаемого чугуна, так и с экономической точки зрения является дуплекс-процесс. При этом процессе получают чугун в двух последовательно работающих плавильных агрегатах: в первом расплавляют шихту, а во втором жидкий чугун подвергается температурно-временной обработке, и при необходимости проводится доводка химического состава. В качестве первичных агрегатов обычно используют вагранку или индукционную тигельную печь, а вторичного — канальную индукционную, тигельную или дуговую печь.

Канальная индукционная печь ( 91, б) установлена на опорах 8 и состоит из металлического кожуха футеровки 2 и закрывается сверху крышкой 1. Принцип действия печи основан на использовании тока короткого замыкания. Трансформатор индукционной единицы 9 выполнен таким образом, что петля жидкого металла в канале 5 является вторичной короткозамкну- той обмоткой, разогревающейся при пропускании тока. Заливку металла в печь производят через лётку 10, а слив — через выпускную лётку 6, поворачивая печь с помощью механизма 7. Для охлаждения индукционной единицы служат вентиляторы 4. Канальные печи отличаются от тигельных более высоким КПД, средний удельный расход электроэнергии при перегреве металла ниже на 30—40 %.

Для плавки и выдержки чугуна дуговые электропечи прямого нагрева, в отличие от индукционных, используют значительно реже, хотя они имеют ряд преимуществ: высокий КПД при расплавлении, возможность проведения металлургических процессов в восстановительной и нейтральной атмосферах (что часто необходимо при получении высокопрочного чугуна), большая производительность. Однако эти печи имеют и существенные недостатки: низкий КПД при перегреве, значительный шум, выделение дыма при работе, большой угар элементов.

Экспресс-контроль чугуна при плавке и разливке. Температуру жидкого металла чаще всего контролируют оптическими пирометрами, однако точность показаний при этом зависит от квалификации оператора и наличия шлака или дыма у поверхности расплава. Наиболее точную оценку температуры обеспечивают контактные методы с использованием термопар погружения.

Склонность чугуна к отбелу определяют просто и быстро. Для анализа заливают клиновые пробы или пробы на кокиль и измеряют глубину отбеленного слоя.

Химический анализ чугуна в небольших литейных цехах выполняется традиционными аналитическими, спектральными и физическими методами контроля. В условиях крупномасштабного производства целесообразно применять многоканальные автоматические спектрографы, позволяющие за 1—3 мин определить содержание всех основных, легирующих элементов и примесей.

Для оперативной корректировки технологии плавки и разливки существуют методы экспресс-контроля чугуна непосредственно у плавильного агрегата. Для термоэлектрического экспресс-анализа содержания кремния заливают небольшой образец, который затем помещают в прибор между холодным и горячим контактными электродами. Полученная разность температур преобразуется в электродвижущую силу, величина которой пропорциональна содержанию кремния. Продолжительность анализа 5— 8 мин.

Более универсальным является термический анализ жидкого металла по кривым охлаждения. Метод состоит в непрерывном замере температуры при охлаждении пробы жидкого чугуна, залитого в специальный тигель с термоэлементом, и вычерчивании кривой. Углеродный эквивалент и содержание углерода и кремния определяют по температурным остановкам, соответствующим температурам ликвидуса и солидуса сплава.