Производство чугуна. 4

ВАРИАНТ 63

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

Вопрос 6

Какие требования предъявляются к железорудному сырью и топливу для современных доменных печей? Какие железорудные материалы и топливо удовлетворяют этим требованиям и применяются для выплавки чугуна?

Железные руды состоят из рудного минерала, пустой породы и примесей. Рудным минералом называют природные химические соединения железа (чаще всего окислы). В доменных печах железо практически полностью (98—99%) переходит в состав чугуна.

Пустая порода (балластные соединения, не содержащие железа) может и меть различный химический состав. Обычно она состоит из кварцита  или песчаника с примесью глинистых веществ и реже — из известняка или доломита. В доменной печи пустая порода плавится и переходит в состав шлака.

В зависимости от количества пустой породы железные руды разделяют на богатые, содержащие 45—70% железа, и бедные. Богатые руды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные подвергают обогащению, в результате которого увеличивается относительное количество окислов железа.

В железных рудах всегда содержится некоторое количество вредных примесей — серы, мышьяка и фосфора.

Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит 55—70% железа в виде безводной окиси железа Ре2О3 . Примесей серы и фосфора в нем мало. Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его в доменных печах хорошая.

Бурый железняк содержит 35—55% железа в виде водных окислов и чаще всего в виде лимонита. В некоторых видах бурого железняка содержится много фосфора. Пустая порода имеет песчано-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке гидратная влага при высоких температурах удаляется, руда становится пористой и хорошо восстановимой.

Магнитный железняк (магнетит) содержит 50—69% железа (в чистом виде 72,4%) в форме закиси-окиси железа Ре3О4. Пустую породу составляет кремнезем с некоторым количеством других окислов. Этот железняк — наиболее плотная железная руда темно-серого или черного цвета. В некоторых случаях магнитный железняк содержит много серы (до 1,5—2%) и загрязнен цинком. Восстанавливается магнитный железняк труднее, чем остальные железные руды.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30—40% железа в виде углекислой соли РеСО3. В чистом сидерите 48,2% Ре. Пустая порода сидерита состоит из кремнезема, глинозема и небольшого количества окиси магния. В некоторых случаях сидерит имеет песчано-глинистую пустую породу. Сидерит может быть желтовато-белого или серого цвета. Он легко выветривается (окисляется на воздухе) и, теряя СО.,, превращается в бурый железняк. Сидерит обладает наиболее высокой восстановимостыо из всех железных руд. Перед загрузкой в доменную печь сидерит обычно обжигают. В результате руда становится очень пористой и легко дробится, образуя лишь небольшие количества мелочи и пыли. В некоторых случаях в доменную печь загружают необожженный сидерит.

Комплексные железные руды, кроме железа, содержат и другие металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его, т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным железным рудам относятся следующие:

хромоникелевая железная руда, представляющая собой бурый железняк (35—40% Ре) с примесью хрома (0,8—1,6%) и никеля (0,4—0,7%);

ванадистые титаномагнетиты. Руды их состоят из смеси магнетита Ре2О3, ильменита РеО х хТЮ3 и трехокиси ванадия У2О3 и содержат 38—47% Ре, 5—15% ТЮ2, 0,3—0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путём;

хромистый железняк. Рудный минерал этих руд — хромит РеО-СЮ3, обладающий очень высокой температурой плавления.

Марганцевые руды. Железные руды обычно содержат незначительное количество марганца, поэтому при выплавке чугуна в шихту приходится добавлять марганцевую руду.

Рудным минералом марганцевых руд могут быть некоторые окислы марганца: МпО2 (перекись марганца — пиролизит), Мп,203 (окись марганца — браунит), Мп3О4 (закись-окись марганца — гаусманит) и соединения окислов марганца с окислами других элементов.

В доменном производстве применяют марганцевые руды с содержанием 25—40% Мп. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок. Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образуется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды промывают водой для обогащения.

В доменную печь загружают также некоторое количество металлургических отходов: колошниковую пыль (30-45% Fe и 3-12% С), которую предварительно подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца (10-18% Ре, 6-10% Мп); окалину прокатного и кузнечного производств и сварочные шлаки.

Для выплавки чугуна применяют твердое топливо.

Более 98% чугуна выплавляют на коксе и 1-2 % на древесном угле.

Топливо выполняет в доменной печи очень важную роль. Его горение создает высокие температуры, необходимые для восстановления руды, плавления и перегрева образующихся чугуна и шлака. Кроме того, часть углерода топлива непосредственно участвует в реакциях восстановления руды.

Используемый в доменном производстве кокс должен обладать высокой теплотой сгорания, достаточной прочностью и пористостью и содержать минимальное количество вредных примесей (серы и фосфора) и зол.

Вопрос 139

Перечислите основные виды брака чугунного и стального литья. Укажите причины образования брака и меры его предотвращения.

Раковины

Виды раковин. Наиболее частым видом литейного брака являются всевозможные раковины. Они выявляются большей частью только в процессе механической обработки отливок.

Раковины бывают газовые, усадочные (рыхлость и пористость), песочные и шлаковые.

Раковины газовые. Газовые раковины — это сферические или округленные пустоты с гладкой блестящей (у закрытых) или окисленной (у открытых) поверхностью, расположенные снаружи отливки или внутри ее.

Газовые раковины, образовавшиеся за счет плохого качества металла, чаще всего имеют малые размеры и разбросаны по всей массе отливки. Газовые раковины, образовавшиеся за счет дефектов форм и неправильной технологии заливки, концентрируются чаще всего на отдельных определенных участках формы и находятся на небольшой глубине от поверхности или стержня.

Причины образования газовых раковин следующие:

1. Выделение газов из металла вследствие уменьшения растворимости их в металле при его кристаллизации. Пузырьки газа стремятся всплыть на поверхность, часть их не успевает уйти за пределы отливки и остается в ней в виде газовых раковин.

2. Конструкция формы с такими поверхностями, которые затрудняют удаление скопившихся газов. Это вызывает образование раковин на поверхности отливки.

3. Плохая газопроницаемость формовочной смеси, в частности для стержней, при большом газообразовании.

4. Неудачный состав переплавляемой шихты, загрязненной ржавчиной, серой, водородом, исходным металлом, уже насыщенным газом, замасленной стружкой, а также присутствие в шихте влаги и чрезмерное содержание серы в коксе, нефти (в мазуте) и в сланцевом масле, если оно служит топливом.

5. Неправильное ведение плавки, вызывающее насыщение металла газом в процессе плавки, если металл плохо раскислен.

6. Слишком большая скорость заливки форм. Когда скорость заполнения формы металлом больше скорости отвода из нее газов, оставшиеся газы вызывают в отливках образование газовых раковин. Чем меньше скорость заливки, тем больше остается времени для удаления газов и воздуха через поры и вентиляционные каналы формы. При этом отпадает опасность прохождения газов через жидкий металл.

7. Неудачные способ заполнения формы — заливка прерывающейся струей. При быстрой заливке металла в форму сверху образуются брызги; они окисляются и при отливке чугуна и стали могут вызвать появление раковин за счет выделения окиси углерода при восстановлении окислов железа углеродом. Алюминиевая бронза и алюминиевые сплавы при заливке форм сверху вспениваются. Это также вызывает в отливке газовые раковины.

8. Недостаточное сечение или неправильное расположение выпора.

9. Насыщение чугуна в вагранке газами при избыточном количестве влаги в воздухе, подаваемом в вагранку.

10. Недостаточно горячий металл может содержать газовые пузыри, не успевающие выделиться при охлаждении металла.

11. Разливка металла в плохо высушенный и недостаточно нагретый ковш. Носок ковша должен быть особенно хорошо высушен перед разливкой.

12. Излишняя влажность формовочной смеси в отдельных местах, если форму приходится исправлять после выемки модели.

13. Чрезмерное уплотнение земли и заглаживание формы, уменьшающей газопроницаемость.

14. Ржавая поверхность холодильников и кокилей, которая при соприкосновении с жидким чугуном реагирует с углеродом металла, образуя окись углерода (СО).

15. Неправильная конструкция литниковой системы, при которой возможно засасывание воздуха или неспокойное поступление металла в форму, врыв струи, образование вихрей и неправильное вентилирование газов из стержней (направление вниз или навстречу поступающему в форму жидкому металлу).

16. Заливка струей с большой высоты, когда происходит засасывание воздуха, вспенивание и разбрызгивание металла (с образованием «корольков»).

17. Газы, выделяющиеся вследствие химической реакции в самом металле. Сернистый газ (SO2) обычно вступает в реакцию с медью, образуя закись меди (Cu 2O) и сернистую медь (Cu 2S):SO 2 + 6Cu <> Cu 2S + 2Cu 2O.

Реакция эта, однако, может идти в обоих направлениях в зависимости от концентрации участвующих веществ. От взаимодействия сернистой меди с закисью меди может выделяться сернистый газ, нерастворимый в металле и дающий крупные пузыри. Такие случаи нередко имеют место в заводской практике и особенно опасны при разливки красной меди.

Мелкие газовые пузырьки могут получиться на поверхности отливки из бронзы с примесью свинца. Эта газовая пористость происходит при окрашивании формы краской, содержащей графит. Окислы свинца в бронзе восстанавливаются графитом с выделением окиси углерода на поверхности отливки, соприкасающейся с графитовой краской.

При замене графита тальком (3MgO * 4SiO sub>2 * H sub>2O) источником газовой пористости может явиться кристаллизационная вода, выделение которой при температуре бронзы, залитой в форму, вызывает повышенную пористость на поверхности отливки. Предварительное прокаливание талька до 1000o обеспечивает удаление кристаллизационной воды. Тогда газовой пористости на поверхности отливки не получится. Растворенный в никеле кислород, действуя на углерод и серу, образует с ними СО и SO2, вызывающие газовые раковины.

18. Газы, образующиеся от избытка смазки металлической формы при заливке в нее жидкого металла.

19. Газы, выделяющиеся из трещин на изношенных металлических формах (адсорбированные газы в трещинах изложниц).

20. Поглощение сернистого газа, образующегося при горении кокса, содержащего серу, при плавке в вагранку бронзы (что иногда практикуется в литейных).

Бронзой поглощаются и другие газы, всегда присутствующие в атмосфере вагранки (азот, кислород, углекислый газ, водяные пары, окись углерода, водород, углеводороды, летучая сера, сероводород и др.)

21. Выделение водорода и окиси углерода сплавами, содержащими магний, цинк, алюминий, кремний, при действии водяного пара и углекислого газа, например:

Mg + H2O = MgO + H2;

Zn + H2O = ZnO + H2;

2Al + 3CO2 = Al2O3 + 3CO;

Si + 2CO2 = SiO2 + 2СО,

22. Плохо обожженный древесный уголь, вследствие дополнительной перегонки выделяющей на поверхности расплавленного металла углеводороды и водород. Водород может при этом поглощаться хорошо раскисленным сплавом, например, алюминиевой бронзой, кремнистой латунью, и отливка окажется пузыристой.

23. Насыщенный газами исходный металл для переплавки. В процессе переплавки в вагранке такого насыщенного газами металла газы передаются литью как бы по наследству.

Раковине усадочные (рыхлость и пористость). Усадочные раковины имеют вид углублений и пустот неправильной формы, образующихся в тех метах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Иногда вместо концентрированных усадочных раковин наблюдается местная рыхлость и пористость, вследствие которых отливки не выдерживают давления при гидравлическом испытании и бракуются.

Основной причиной образования усадочных раковин является уменьшение объема металла при затвердевании и дальнейшем охлаждении. Размер усадочных раковин зависит от степени (величины) усадки и от температуры заливки металла в форму (высокая температура заливки устанавливает объем усадочных раковин), а также от конструкции и размеров отливки и от скорости заполнения формы.

Меры предупреждения. В тех частях отливок, где следует ожидать образования раковин, в формах устраивают соответствующие прибыли, из которых в период усадки отливка питается жидким металлом. Металл в прибыли должен затвердевать в последнюю очередь. Для устранения пористости применяют холодильники, ускоряющие затвердевание металла в соответствующих зонах.

Усадочные раковины и рыхлость можно устранять изменением конструкции формы, уменьшая скопления металла в отдельных ее частях.

Раковины песочные.

Песочные раковины — это закрытые или открытые раковины неправильной формы в различных частях отливки, заполненные частично или полностью формовочным материалом.

Образование песочных раковин вызывают следующие причины:

1. Повреждение песочной формы при извлечении из нее модели или сборке формы (накладывании верхней опоки).

2. Разрушения частей формы струей металла при заполнении формы.

3. Размывание металлом слабо набитых мест формы или пережженных в сушиле.

4. Механическое засорение готовой формы.

5. Неправильные формовочные уклоны модели.

6. Отсутствие галтелей (закруглений в углах модели), необходимой величины (вследствие чего земля с углов осыпается).

7. Несоответствие размеров и конструкций опоки размерам модели (в тесной опоке тонкий слой земляной формы может осыпаться от удара струи жидкого металла).

8. Применение неисправных опок, вызывающих повреждение формы.

9. Неудовлетворительное качество формовочных материалов, разрушаемых в форме металлом.

10. Неравномерное уплотнение в форме формовочной смеси.

11. Недостаточное упрочнение формы или отдельных частей ее каркасами, крючками, шпильками и др.

12. Неправильная установка стержней.

13. Резкие удары, толчки по форме при переворачивании, сборке, передвижении.

14. Неправильная, неизбежная установка груза, который накладывается на форму во избежание подъема верхней опоки металлом..

15. Неправильное направление струи металла и заливки формы с большой высоты.

Раковины шлаковые.

Шлаковые раковины имеют неправильную форму и

шероховатую поверхность. Полость раковины бывает заполнена шлаком полностью или частично.

Размеры, количество ми расположение шлаковых раковин разнообразны и зависят от причин, вызвавших их образование,.

Основной причиной образования шлаковых раковин является попадание шлака в форму вместе с металлом при заливке вследствие:

1. Плохой очистки металла от шлака.

2. Недостаточного заполнения литниковой чаши во время заливки.

3. Неправильный литниковый системы.

4. Недостаточной жидкотекучести металла.

5. Перерыва струи металла при заливке.

Меры предупреждения. Для борьбы со шлаковыми раковинами необходимо

обеспечить повышенную температуру при плавлении металла с целью увеличить его жидкотекучесть и понизить вязкость. А также улучшить условия всплывания шлака при выдерживании металла в ковше или копильнике перед заливкой. Шлак необходимо счищать с поверхности металла счищалками. Для облегчения снятия жидкий шлак следует присыпать чистым сухим песком, который делает его более густым.

Чтобы шлак не попал в форму, необходимо принимать меры для задержки его не только в ковше, но и литниковой системе. В литниковой системе шлак задерживают шлакоуловителями, в которых он отделяется от металла за счет разности в удельных весах. Простейшим шлакоуловителем литниковой системы является уже сама литниковая чаша. Необходимо правильно подобрать размеры шлакоуловителя и сечений отдельных элементов литниковой системы.

При выборе литниковой системы следует руководствоваться ГОСТ и ведомственными или заводским нормалями. Даже при правильно построенной литниковой системе шлак может проникать в форму, если литниковая система не будет заполнена металлом в течении всей заливки или будет допущен перерыв струи.

Пригар

Другим видом брака является пригар. Отличительные признаки. Поверхность отливки бывает покрыта ошлакованной, оплавленной формовочной землей (химический пригар) и неошлакованной облицовочной землей с металлом, прониквшим в ее поры (механический пригар).

Причины образования. Низкая огнеупорность формовочной смеси создает условия для химического пригорания ее к отливке с образованием легкоплавких соединений с окислами железа, марганца и др. Легкоплавкие соединения проникают в глубь формовочной земли вследствие капиллярности. Такой пригар лишь с трудом удаляется пневмоническими зубилами и наждачными камнями.

Основными причинами механического пригара являются большая пористость облицовочной земли, вследствие которой в землю проникает жидкий металл, высокая температура металла при заливке формы и давление металла (напор) при заливке высоких отливок.

Трещины

Трещины бывают сквозные или несквозные, так называемые надрывы на поверхности отливок.

Отличительные признаки. Горячие трещины от внутренних напряжений образуются в то время, когда металл еще не остыл, за счет его повышенной усадки. Холодные трещины представляют собой разрыв металла в конце остывания за счет проявления внутренних напряжений, обусловленных усадкой. У горячих трещин, проявляющихся при высоких температурах, поверхность излома всегда бывает окислена, а у холодных — чистая поверхность или иногда покрыта легкими цветами побежалости.

Причины образования. Причинами образования трещин могут служить:

1. Неправильная конструкция самой отливки (резкие переходы в толщине, отсутствие галтелей или несоответствующий радиус их округлений).

2. Механическое сопротивление со стороны формы, стержней и каркасов, препятствующих свободной усадке.

3. Неправильная литниковая система (местный перегрев отливки).

4. Неправильные размеры и расположение холодильников, прибылей и выпоров.

5. Чрезмерно высокая температура заливки и вредные примеси в металле.

Иногда бывает достаточно даже легкого удара во время выбивки из опок, при обрубки или при небрежном обращении во время транспортировки, чтобы отливка дала трещину.

Меры предупреждения. Для устранения возможности возникновения трещин необходимо сводить к минимуму внутренние напряжение в отливке. Для этого нужно применять следующие меры.

1. Конструировать отливки так, чтобы они допускали по возможности свободную усадку по всем направлениям.

2. Стремиться заливать металл в сырую форму — более податливую, чем сухая.

3. Разница в толщинах сопрягающихся стенок должна быть минимальной.

Сложную отливку лучше составлять из нескольких частей, соединяемых затем в одно целое.

4. Радиус галтелей рекомендуется делать от 1/6 до 1/3 толщины соединяемых сечений. Размер радиусов галтелей следует выбирать равным 1; 2; 3; 5; 8; 10; 15; 20; 25; 30 и 40 мм.

5. В случае неизбежности неравномерного сечения в отливке ее следует конструировать так, чтобы массивные и тонкие части могли сокращаться при усадке, не мешая друг другу (например, следует применять пружинящие изогнутые спицы маховиков и зубчатых колес вместо прямых). Подводом металла в тонкие или в кварцевые части отливки можно выровнять скорость охлаждения их более массивных и центральных частей.

6. Применять металлические холодильники и холодильные формовочные смеси с повышенной теплопроводностью (хромистый железняк), способствующие предупреждению пороков усадочного характера. Смесью из хромистого железняка обкладывают те части формы (внутренние углы, стенки массивных частей), остывание которых нужно ускорить. Холодильная формовочная смесь удобнее металлических холодильников, так как ей легко придать любую форму при обкладывании моделей самой сложной конфигурации.

Меняя толщину слоя смеси, можно регулировать скорость остывания различных частей отливки как с наружной, так и с внутренней стороны.

7. Для борьбы с горячими трещинами от растягивающих усилий при усадки между смежными частями (например, фланцы, трубы, корпуса, краны паровой арматуры и т.п.) применять специальную высокоподатливую формовочную массу, а литниковую систему делать так, чтобы струя горячего металла не давала чрезмерных местных перегревов формы.

Другие дефекты литья

Дефекты в размерах и очертаниях отливок получаются вследствие перекоса форм и смещения стержней, раздутия форм при слабой набивке в опоках и ряда причин, связанных с дефектами опок и моделей и с плохим качеством работы при изготовлении форм.

Спаи и слоистость — пороки отливки в виде трещин, но с округлыми краями. Они получаются при заполнении форм недостаточно жидкотекучим металлом или же прерывистой струей.

Недоливы — когда часть отливок оказывается незаполненной металлом вследствие его плохой жидкотекучести, изобилия газов или пара в форме утечки металла по плохо скрепленному разъему форм.

Борьба с браком в литейных цехах

Предупреждение брака. Литейный брак приносит нашему народному хозяйству огромнейший ущерб, даже при условии использования забракованного литья в качестве шихтового возврата.

Этот ущерб велик, если учесть потери дефицита цветного металла. Только понимание сущности производства может помочь при всех условиях находить истинную причину брака и пути к его устранению. Глубокое понимание технологии дает возможность изменять способы производства и вводить новые.

Борьба с браком может быть успешной только в том случае, когда выявлены причины его и найдены способы устранения.

Способы снижения брака в литейной следующие:

1. Тщательное контролирование исходных материалов (шихты, формовочных земель и других видов сырья).

2. Выбор правильной технологии (формовка, плавка, заливка и т.д.)

3. Детальный инструктаж исполнителей с применением авторегулировки и контрольной аппаратуры (пирометров и пр.)

4. Строгая технологическая и организационная дисциплина.

5. Правильная организация технического контроля отливок.

6. Тщательный анализ изучение видов и предлагаемых причин брака.

7. Широкое внедрение различных методов исправления дефектов отливок.

8. совместная работа литейщиков и конструкторов, так как литейный брак нередко зарождается еще на столе конструктора.

Способы исправления литейного брака.

Во многих литейных существуют специальные отделы для исправления литейного брака, когда такое исправление технически и экономически целесообразно и не отражается на качестве изделий. Способы исправления литейного брака следующие:

1. Небольшая течь отливки, обнаруженная при испытании гидравлическим давлением, устраняется путем заварки, термической обработки (отжигом), пропитки под давлением бакелитовым лаком с последующей термической обработкой при температуре до 150-180 oC или запрессовкой в поры растворов различных веществ.

2. Заделка мелких трещин и раковин путем нанесения металла с помощью аппарата ЛК-2 или другого.

3. Газовая или электродуговая заварка пороков отливки после удаления дефектной части металла. Этот способ в последнее время применяется чаще других.

Вопрос 169

Опишите технологический процесс производства бесшовных труб. Укажите исходный материал, применяемое оборудование и схему процесса.

Технологическая схема производства бесшовных труб на непрерывном стане:

Вопрос 193

Опишите производство деталей из реактопластов различными способами литья.

Разработана технология получения из реактопластов изделий, абсолютно идентичных по своим свойствам изделиям из обычных пластмасс.

Освоение технологии литья реактопластов позволяет значительно снизить издержки и сократить сроки выпуска продукции, что особенно актуально для мелкосерийного многономенклатурного производства.

Схема технологического процесса:

1. Получение первой детали (механообработка или 3D-прототипирование)