Процессы и технические методы, применяемые в литейной отрасли

6 Процессы и технические методы, применяемые в литейной отрасли

6.1 Общий обзор

6.1.1 Процесс литья

Процесс состоит из следующих основных операций:

- плавка и обработка металлов, производится в плавильном цехе;

- подготовка литейных форм и стержней производится в формовочном цехе;

- разливка расплавленного металла в формы, охлаждение для затвердевания и извлечение отлитого изделия из формы производятся в литейном цехе;

- подготовка отливки для дальнейшей обработки.

В зависимости от типа металла, размера партии и типа продукции могут применяться различные варианты технологического процесса. В основе различия лежит тип металлов (черные или цветные металлы), а также тип используемой формовки (одноразовые или постоянные формы). Хотя возможны любые комбинации. На литейных заводах и предприятиях, имеющих литейные производства, для отливки черных металлов обычно используется формовка в одноразовых формах (т.е. формовка в песчано-глинистой смеси), а на литейных заводах для цветных металлов - постоянные формы (т.е. кокильное литье). По каждому базовому варианту технологического процесса существуют разнообразные технические методы, соответствующие типу используемой печи, системе изготовления форм и стержней (формовка в сырую или с использованием различных связующих веществ), а также применяемой системы литья и технических методов отделки. Для каждой технологии характерны собственные технические, экономические и экологические характеристики, преимущества и недостатки.
Примечание - в Главах 6, 7 и 8 для описания различных операций используется подход на основе последовательности технологических операций, от изготовления моделей до подготовки отливки для дальнейшей переработки и термической обработки. Приводится описание прикладных технических методов, указываются уровни выбросов и потребления, а также рассматриваются технические методы, целью которых является снижение воздействия на окружающую среду. В основе структуры Главы 9 лежит различие между типом металлов и типом формовки.


Рисунок 6.1 – Общая схема литейного процесса
6.1.1.1 В литейном производстве, начиная с литейного скрапа (лома, отобранного в соответствии с химическим составом) или чушек, осуществляется изготовление готовых отливок. Обычно это изделия, требующие последующей обработки или сборки для получения конечного продукта.

6.1.1.2 На стадии формовки принципиально различают постоянные и одноразовые формы. Литейные производства, осуществляющие заливку в постоянные формы, приобретают эти металлические формы у внешнего производителя, но задействуют обычно собственный цех для осуществления ремонта и обслуживания. Литейные производства, осуществляющие заливку в одноразовые формы, часто приобретают деревянные, металлические или пластмассовые модели (по своим чертежам форм) и задействуют собственный цех по обслуживанию и ремонту форм. Изготовление форм, стержней и одноразовых форм является этапом процесса литья.

6.1.1.3 В литейном производстве различают черную и цветную металлургию. Это связано в основном с различием в процессах, применяемых в обеих отраслях.

На предприятиях цветной металлургии применяются методы литья в формы. Они обеспечивают лучшую конечную обработку поверхности, что является важным для многих изделий из алюминия и латуни. Благодаря высокой скорости охлаждения, получаются отливки с высокой механической прочностью. Однако данный метод не позволяет изготавливать массивные или большие детали, для которых требуется метод литья в песчаные формы. Методы литья в песчаные формы применяются в цветной металлургии для изделий, которые изготавливаются малыми сериями. К цветным металлам (и их сплавам), рассматриваемым в настоящем пособии, относятся алюминий и медь.

Сплавы черных металлов благодаря их большей жесткости и прочности применяются в областях, отличных от областей применения цветных металлов. Размер изделий, которые можно производить, почти не ограничен. У черных металлов выше температура плавления, а потому требуются другие методы плавления. К черным металлам и их сплавам, рассматриваемым в настоящем документе, относятся различные сорта литейного чугуна (которые могут классифицироваться по их характеристикам или типу графита) и литейной стали.

6.1.1.4 На литейных предприятиях используются механизация и автоматизация в зависимости от необходимости в качестве и размеров серии. Наиболее гибкой организацией обычно обладает литейное производство, работающее по контрактам. Оно изготавливает разнообразные изделия в малых количествах (не более 100). В общем случае в литейном производстве данного типа используются методы ручной формовки с применением песчано-смоляных форм. Плавильная печь обеспечивает простое изменение сплава. Это подразумевает использование индукционных или вращающихся печей.

6.1.1.5 Для партий средних размеров (не более 1000 изделий) применяются механизированные линии формовки и заливки. В литейных производствах с одноразовыми формами используются формовочные автоматы. Это подразумевает использование сырой формовочной смеси, обеспечивающей быстрое изготовление формы. Размер автомата по изготовлению форм ограничивает максимальный размер отливок. Заливка может производиться вручную или с использованием разливочной машины. Управление вспомогательными процессами, типа подготовки формовочной смеси, осуществляется в полуавтоматическом режиме с дистанционным контролем. Используются печи как непрерывного (вагранные, шахтные), так и периодического действия. Для цветных сплавов применяются методы литья в формы.

6.1.1.6 Крупные партии мелких отливок изготавливаются заливкой в безопочные формы из сырой формовочной смеси. Для специальных применений на предприятиях цветной металлургии может использоваться и литье в формах, если этого требует качество готовой отливки, хотя на практике этот метод находит лишь ограниченное применение.

Основным отличием для партий средних размеров являются дальнейшая автоматизация подготовки, контроль качества и сборка форм. При литье в формы на предприятиях цветной металлургии часто применяется дальнейшая автоматизация, особенно при наличии цехов разливки по формам под давлением.

6.1.2 Чугунное литье

6.1.2.1 Литейный чугун представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий обычно от 2,4 % до 4 % углерода. Минимальное содержание углерода – 1.8 %. В различных количествах присутствуют также кремний, марганец, сера и фосфор. Выпускаются специальные марки чугуна с различным уровнем содержания никеля, хрома и других металлов. Благодаря высокому содержанию углерода, литейный чугун обладает низкой температурой плавления и хорошей способностью к литью в сравнении со сталью. Он характеризуется низкой пластичностью и не допускает проката или ковки. Посредством изменения соотношения углерода и кремния, легирования и термообработки можно добиться варьирования характеристик.

6.1.2.2 В зависимости от концентрации и формы углерода (чешуйчатый, шаровидный или связанный), можно выделить различные типы литейного чугуна:

- чугун с пластинчатым графитом: углерод в форме хлопьев;

- чугун с шаровидным графитом: углерод в шаровидной форме;

- чугун с компактным графитом: углерод в связанной форме.

6.1.2.3 Классификация литейного чугуна часто составляется исходя из свойств его материала:

- серый чугун: чугун с серой поверхностью излома. Несмотря на то, что это применимо в отношении чугуна с пластинчатым, шаровидным и компактным графитом, данный термин обычно используется в качестве синонима чугуна с пластинчатым графитом

- высокопрочный чугун: литейный чугун с повышенной пластичностью. Это один из эффектов, вызываемых сфероидизацией, но это относится и к ковкому чугуну. Этот термин часто используется как синоним высокопрочного чугуна

- ковкий чугун: чугун, обладающий способностью к расширению или изменению формы под молотом. Это свойство связано с низким содержанием углерода, благодаря чему большая часть углерода находится в связанной форме.

6.1.2.4 Литейный чугун можно плавить в вагранной печи, в индукционной печи (обычно тигельного типа без сердечника, но очень редко может использоваться и печь канального типа) или во вращающейся печи. Электродуговая печь крайне редко используется для получения литейного чугуна. На рисунке 6.2 представлена блок-схема процесса плавки и обработки металла для литейного чугуна в печах трех различных типов. Этот процесс обычно состоит из плавления – выпуска – обработки металла – розлива. Различные аспекты плавления и обработки металла рассматриваются в последующих разделах. Обработка металла включает различные этапы типа сероочистки, сфероидизации, инокуляции и удаления шлака. Этап сероочистки при вагранной плавке может также включаться в сфероидизацию, например, посредством использования процесса сфероидизации с одновременным удалением серы, типа процесса с использованием индукционного сердечника.



Рисунок 6.2 - Технологические блок-схемы плавки и обработки металла для литейного чугуна [1]
6.1.2.5 Вагранка является наиболее распространенным в Европе устройством для переплавки чугуна. На нее приходится порядка 55 % массы чугунного литья, производимого в Западной Европе. В наши дни вагранке все сложнее сохранять свое доминирующее положение на рынке. Частично это связано с качеством ее отходящих газов, требующих очистки. Сталкиваясь с вероятностью финансового бремени, связанного с инвестициями в оборудование по очистке отходящих газов с последующими отчислениями на амортизацию, многие малые и средние предприятия сделали выбор в пользу электрических и газокислородных плавильных агрегатов. Таким образом, количество вагранок, используемых в литейной промышленности, сокращается, однако их средний размер увеличивается. На рынке вагранок в Европе в последние годы произошли серьезные изменения. Например, реструктуризация коксовой промышленности привела к сокращению числа поставщиков и необходимости импортирования кокса в Европу. Других крупным изменением является сокращение числа производителей вагранок, при этом одна немецкая компания занимает почти монопольное положение в производстве вагранок с подогревом.

6.1.2.6 Многократное чугунное литье выполняется большей частью в сырых литейных формах со смоляными стержнями. Наиболее широко используются технологии холодных с аминосодержащими веществами и горячих стержневых ящиков. Если требуется высокая точность и высокое качество чистовой обработки поверхности, применяется способ изготовления оболочковых форм из смеси песка и термореактивных фенольных смол. Технология с использованием одноразовых форм применяется для многократного литья в ограниченном объеме. Отливки, изготавливаемые в малых количествах, выполняются в формах из формовочной смеси с химическим связующим. Для получения определенного чугунного литья используются специальные технологии с песчаными формовочными смесями, такие как вакуумная формовка и формование в выплавляемых моделях. Имеется также ряд литейных производств с непрерывной формовкой (отливкой в металлические формы), выпускающих чугунное литье, однако, короткий срок жизни формы, ограничивающий ее использование всего несколькими тысячами деталей, ограничил использование отливку в металлические формы в черной металлургии. [12], [10]

6.1.3 Стальное литье

6.1.3.1 Сталь является материалом, в котором (массовое) содержание железа выше, чем любого другого элемента, при содержании углерода обычно менее 2%, и который содержит обычно и другие элементы. Ограниченное число марок хромистой стали могут содержать более 2 % углерода, однако 2 % является обычно тем пределом, который разделяет сталь и литейный чугун [201, CEN, 2000]. Другим особенно полезным свойством стали является ее способность к горячей обработке. Низколегированная литая сталь содержит элементы Mn, Cr, Ni и Mo в количествах менее 5 %. Высоколегированная сталь включает более 5 % легирующих элементов, например, 12 % Cr и 8 % Ni. Производятся специальные марки стали с улучшенными свойствами: повышенной прочностью; более высокой магнитной проницаемостью; большей устойчивостью к коррозии, усталости или износу и улучшенного поведения при сварке либо при высоких или низких температурах.

6.1.3.2 Литая сталь обычно плавится в электродуговых печах (EAF) или в индукционных тигельных электропечах (IF). После расплавления жидкий металл можно подвергать рафинированию (т.е. удалению углерода, кремния, серы или фосфора) и раскислению (т.е. уменьшению количества оксидов металлов), в зависимости от основного металла и требований к качеству готового продукта. На Рисунке 6.3 представлена технологическая блок-схема плавки и обработки металла для литой стали в печах различных типов. [1]



Рисунок 6.3 - Технологические блок-схемы плавки и обработки металла для стали [1]

6.1.4 Алюминиевое литье

6.1.4.1 Примерно две трети всего алюминиевого литья используется в транспортном машиностроении: легковых и грузовых автомобилиях, автобусах, поездах и самолетах. Потребность в снижении расхода топлива и веса повысила интерес к алюминию. Общая масса алюминиевых деталей в среднем европейском автомобиле практически удвоилась в период с 1990 по 2000 год. Это растущее потребление алюминия в его основной потребляющей отрасли однозначно сказалось на общем количестве производимых отливок.

6.1.4.2 Алюминий разливается в основном в постоянные формы. Относительная доля применяемых методов литья алюминия представлена в Таблице 6.1:
Таблица 6.1 - Относительная доля применяемых методов литья алюминия [2], [3]

Тип литья	Относительная доля (%)
Литье в металлические формы под давлением	59
Литье в металлические формы под низким давлением и кокильное литье	37
Литье в песчаные формы	3
Другие	1

6.1.4.3 На предприятиях, производящих алюминиевое литье, используются различные типы плавильных печей, выбор которых зависит от конкретных требований. Применяются печи с прямым и косвенным нагревом, работающие на топливе и электричестве.

К видам ископаемого топлива, используемого в настоящее время, относятся природный газ, сжиженный нефтяной газ (LPG), печное топливо и мазут. Большинство литейных производств отдают предпочтение природному газу вследствие его эффективности. Электронагрев может обеспечиваться резистивными элементами или индукцией. Одним из наиболее важных параметров для плавильных печей и поворотных миксеров является мощность. Сегодня индукционные печи обычно используются при потребности в высокопроизводительной плавке, например, более 10 тонн/час. Шахтные плавильные печи и поворотные миксеры, а также тигельные печи часто используется при требующейся производительности плавки менее пяти тонн/час. Малые и средние тигельные печи часто применяются в случае необходимости в частом изменении химического состава сплава или при низких объемах производства.

6.1.4.4 Для выдержки электропечи выгодно отличаются отсутствием образующихся при горении отходящих газов и возможностью поддержания однородной температуры всего объема расплава, при сравнительно низких энергозатратах.

6.1.4.5 Для алюминиевого литья на литейных предприятиях в качестве исходного материала обычно используются легированные слитки, хотя в некоторых случаях металл подается уже в жидком виде.

6.1.5 Медное литье

6.1.5.1 Литье меди осуществляется в форме различных групп сплавов, в каждой из которых медь является основным элементом:

- Медь с высокой электропроводностью. Используется в основном из-за ее высокой электро- и теплопроводности. К применениям относятся формы для доменных печей и вагранок на горячем дутье, зажимы водоохлаждаемых уплотнительных колец, распределительные коммутационные устройства и т.п.

- Латуни. Сплавы Cu-Zn, в которых цинк является основным легирующим элементом. Они легко формуются, обладают превосходной способностью к механической обработке и высокой стойкостью к коррозии на воздухе и в пресной воде. Широко используются для изготовления водопроводной арматуры. Высокопрочные латуни имеют более высокий процент легирующих присадок и применяются в кораблестроении. Латуни отливаются в песчаных и в постоянных формах.

- Оловянистая бронза. Сплавы Cu-Sn, в которых олово является основным легирующим элементом. При содержании олова 10 – 12 %, отливки из оловянистой бронзы дороже латуни. Обладают высокой устойчивостью к коррозии и пригодны для транспортировки кислых вод, воды для подпитки котлов и т.п. Сплавы с высоким содержанием олова используются также в износостойких узлах. Применяемыми для них методами литья являются литье в песчаные формы и центробежное литье.

- Фосфористая бронза. Сплавы Cu-Sn, с добавлением примерно 0,4 – 1,0 % P. Они тверже оловянистой бронзы, однако, имеют меньшую пластичность. Используются для изготовления подшипников для высоких нагрузок и скоростей вращения, а также передаточных механизмов типа червячных шестерен.

- Свинцовистая бронза. Сплавы Cu-Sn-Pb. Используются почти исключительно для изготовления подшипников для умеренных нагрузок и скоростей.

- Пушечный металл. Сплавы Cu-Sn-Zn-Pb. Оптимальные сплавы для литья в песчаные формы. Обладают хорошим сочетанием жидкотекучести, способности к механической обработке и прочности, а также высокой устойчивостью к коррозии. Используются для литья сложных, герметичных под давлением изделий типа вентилей и насосов. Используются также для изготовления подшипников для умеренных нагрузок и скоростей.

- Алюминиевая бронза. Сплавы Cu-Al, в которых Al является основным легирующим элементом. Сочетают высокую прочность с высокой устойчивостью к коррозии. Диапазон их применения варьируется от декоративных архитектурных деталей до высоконапряженных технических компонентов. Широко используются в морском кораблестроении, в том числе для изготовления гребных винтов, насосов, клапанов. Применяются также в изготовлении безыскрового инструмента. Используются методы литья для Al.

- Никелин. Сплавы Cu-Ni, в которых Ni является основным легирующим элементом. Используются для изготовления, например, трубных изделий для морских трубопроводов со сложными условиями.

- Медно-бериллиевые сплавы. Бериллий разливается в виде медно-бериллиевого сплава для производства деталей, требующих устойчивости к коррозии и очень высоких механических характеристик. К ним относятся наконечники плунжеров для машин для литья под давлением, высокоточных деталей для электроэнергетики и машиностроения, детали для часов, инструменты и измерительные приборы. Применяются два типа сплавов: медно-бериллиевый сплав с 2 % Be и медно-кобальт-бериллиевый сплав с 0.5 % Be. Существует тенденция сокращения или исключения бериллия из сплавов из-за его канцерогенности. Литье производится в постоянные формы с использованием литья под давлением или кокильного литья в формы. Для изготовления высокоточных деталей используется метод прецизионной отливки по выплавляемым моделям [4].

жүктеу/скачать 9.9 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: