Литейные металлические сплавы

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Калужский филиал
Пояснительная записка по курсу:
«Технология конструкционных материалов»
Калуга 2006 г.

Программа
program LITS;
const E: real= 0.0001;
f: array[1..10] of real = (0.15,0.19,0.21,0.17,0.15,0.14,0.13,0.12,0.11,0.10);
var
A,B,C,W,V:integer;
S1,S2,S3,AL,AM,AR,BL,BM,BR,CR,KR,Y: real;
begin
write('InputA: ');
readln(A);
write('InputB: ');
readln(B);
write('InputC: ');
readln(C);S1 =10.01333\
S1:=5+4*(2*A+B+C)/3000;
Y:=f[round(C/100)];
write('InputW: ');
readln(W);
write('InputV: ');
readln(V);
write('InputS2: ');
readln(S2);
writeln;
if (S2 0.7*S1+E) then writeln('S2 vipolnit is prokata.');
if V >1.3*S2 then writeln('Vvesti svarku flanca.');
AL:=5.5*(S1+Y);
AM:=1.7*(S1+Y);
AR:=(S1+Y+W)/6;
BL:=5.5*S2;
BM:=1.7*S2;
BR:=0.7*S2;
CR:=(S1+S2)/6;
S3:=0.8*S1;
KR:=(S1+S3)/6;
writeln('S1 =',S1:4:5);
writeln('AL =',AL:4:5);
writeln('AM =',AM:4:5);
writeln('AR =',AR:4:5);
writeln('BL =',BL:4:5);
writeln('BM =',BM:4:5);
writeln('BR =',BR:4:5);
writeln('CR =',CR:4:5);
writeln('S3 =',round(S3+0.5));
writeln('KR =',KR:4:5);
writeln;
write('Pressenter to exit');
readln;
end.
S1 = 10.01333
AL = 55.78833
AM = 17.24367
AR = 5.35722
BL = 0.00000
BM = 0.00000
BR = 0.00000
CR = 1.66889
S3 = 9
KR = 3.00400
 

Введение
Сплавы обычно получаются в жидком состоянии.
Литейные металлические сплавы состоят из двух или несколькихсоставляющих. Основной составляющей является металл, придающий всему сплавуметаллический характер. Металлические сплавы обычно дешевле чистых металлов иимеют более высокие механические и физические свойства. Так, прочность стали(сплав железа с углеродом) значительно выше прочности железа; бронза (сплавмеди с оловом и другими элементами) и латунь (сплав меди с цинком и другими элементами)прочнее меди; силумин (сплав алюминия с кремнием) прочнее алюминия. Установленотакже, что многие сплавы отличаются гораздо лучшими, литейными свойствами, чемчистые металлы.
Большинство металлов, из которых изготовляются сплавы, находится вземной коре не в чистом виде, а в химическом соединении с другими элементами.Такие природные соединения металлов, содержащие различные посторонние примеси,называются рудами. Из этих руд после их подготовки на металлургических заводахполучают чистые металлы или сплавы.
Фасонные отливки из различных сплавов применяются во всех отрасляхпромышленности, строительства и быта. Особенно велика роль фасонных отливок вмашиностроении. Область применения литых деталей все время расширяется. Доля ихв общей массе машин составляет (%):
Металлообрабатывающие станки ……..80
Текстильные машины… ……..72
Прокатные станы… ……..68
Тракторы… ………….58
Паровые турбины… ……..55
Электровозы… ……..26
Отливки, изготовляемые в настоящее время, имеют толщину стенок от2 до 500 мм, массу от 10 г до 260 т и габариты от 1 см до 30 м. Естественно, что только сплавы, имеющие хорошие литейные свойства, могут обеспечитьтребуемые качества таких разнообразных отливок. Необходимо также, чтобы отливкипосле затвердевания и охлаждения обладали требуемыми механическими, физическимии химическими свойствами. Наряду с этим сплавы должны быть по возможностидешевыми и не содержать дефицитных элементов.
Немаловажное значение имеет температура плавления сплава. Чем нижетемпература плавления, тем с меньшими затратами тепла можно расплавить и перегретьсплав в плавильной печи до требуемой температуры при выпуске из печи и заливке.

Условияэксплуатации
В выхлопнойчасти корпуса турбины имеется профиль Жуковского, поверхность которого должнаиметь малую шероховатость. Данная деталь работает при высоких температурах идавлении.
Стальныелитые детали используют в труднейших условиях эксплуатации — при вибрационных изнакопеременных нагрузках, в разных агрессивных средах и т.д. Надёжностьприменения литых деталей проверена в течение многих лет эксплуатации различныхмашин и оборудования. Технический прогресс вызвал повышение требований ккачеству литых деталей. Многие литые детали ответственного назначения в связи сэтим подвергают просвечиванию рентгеновскими или гамма — лучами, проверяютультразвуком, магнитной дефектоскопией, методом керосиновой пробы и другимиспециальными методами контроля.
 
Литейные свойства сплавов
Важнейшие свойства сплавов: высокая жидкотекучесть, малая усадка,небольшая склонность к образованию литейных напряжений, незначительная ликвацияпримесей, мелкокристаллическое строение.
Жидкотекучесть. Способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму ивоспроизводить контуры полостей формы и стержней называют жидкотекучестью. Ожидкотекучести сплавов судят по длине (в см) заполненной части формы.Жидкотекучесть сплавов увеличивается с повышением температуры перегрева сплава.Однако во избежание появления брака по усадке, пригару формовочной смеси итрещинам температура сплава при заливке форм должна быть умеренно высокой.
Усадка. Процесс уменьшения линейных размеров и объема жидкого сплава вформе при охлаждении называют усадкой. В литейном производстве различаютобъемную и линейную усадку сплавов.
Объемной усадкой называют разность между объемом полости формы и объемомотливки после ее охлаждения. Линейной усадкой называют разность между линейнымиразмерами формы и остывшей отливки.
В практике литейного производства усадку обычно выражают впроцентах по отношению к первоначальному объему жидкого сплава (объемнаяусадка) или к первоначальным линейным размерам в полости формы (линейнаяусадка). Величина усадки зависит от химического состава сплава. Так, повышениесодержания углерода и кремния и уменьшение содержания марганца и серы в чугунеприводят к уменьшению усадки.
Для борьбы с линейной усадкой следует размеры модели делать большеразмеров отливки на величину литейной усадки. Борьба же с усадочными раковинамии пористостью более трудна. К основным
мерам предупреждения усадочных раковин и пористости относятся:
достаточное питание отливки путем увеличения сечения литниковой
системы, установка прибылей, применение холодильников, улучшениеконструкции отливки.
Литейные напряжения. В отливке в процессе ее остывания в формевозникают литейные напряжения: вследствие неравномерной усадки — усадочныенапряжения; ввиду неодинаковой скорости остывания отдельных частей отливки —термические напряжения; в связи с изменением кристаллического строения отливки— фазовые напряжения.
Усадке практически всегда в той или иной степени препятствуютболваны, стержни и т. п., и поэтому в разных частях отливки получаетсянеравномерная усадка.
В некоторых сплавах в процессе охлаждения изменяются структура иразмеры отдельных зерен, вследствие чего увеличивается или уменьшается объемотливок. Эти изменения в тонких и толстых частях отливки совершаются в разноевремя.
Литейные напряжения в отливках, вызванные этими явлениями, могутпривести к образованию горячих и холодных трещин, короблению отливки.
Ликвация. При затвердевании сплава, залитого в форму, на протяжениивсего времени его остывания происходит процесс выравнивания химического составапо всему сечению отливки. Однако этот процесс протекает медленно, вследствиечего в отдельных частях отливки, а также в отдельных зернах сплава, наблюдаетсяхимическая неоднородность, называемая ликвацией. Обычно ликвацияобусловливается тем', что отдельные составляющие сплава, имеющие неодинаковуюплотность и различные температуры затвердевания, отделяются от основной массысплава как в жидком состоянии, так и при его затвердевании.
Ликвация уменьшается при понижении температуры и скорости заливки,а также при ускорении затвердевания отливки. Наибольшей склонностью к ликвацииотличаются сплавы с большим содержанием свинца.
Строение (структура) сплавов. Наилучшие свойства имеют сплавы в томслучае, когда их структура получается мелкокристаллической и без промежуточныхпленок, ослабляющих связь между отдельными кристаллами (или группамикристаллов). Обычно в литейных сплавах рассматриваются не отдельные кристаллы,которые очень малы, а группы кристаллов, образующие кристаллиты или зерна.
Уменьшение размеров зерен сплава достигается понижениемтемпературы и скорости заливки и в особенности увеличением скорости охлажденияпри затвердевании отливки. Для того чтобы придать сплаву мелкозернистуюструктуру, в него вводят особые добавки — модификаторы.
Механическиесвойства стали 25Л
Прочность нарастяжение: />;
Пределтекучести: />;
Относительноеудлинение 20%;
НВ=143; у=58%.
Сталь 25Лимеет небольшое количество углерода и из-за этого высокую температуру плавления,для того, чтобы процесс заливки происходил нормально, сталь нужно нагреть дотемпературы примерно 1560° С.
Химическийсостав стали 25ЛЭлемент Mn Si P Cr Ni Cu S C Содержание % 0,35-0,90 0,22-0,90
/>0,04
/>0,3 0,3 0,3 0,045 0,22-0,3
Сталь 25Лимеет ферритно-перлитную структуру.
Влияниепримесей на свойства стали
Марганецвводится в сталь для раскисления и остаётся в ней в количестве 0,3...0,8%. Мn уменьшает вредное влияние кислородаи серы.
Кремний — полезная примесь, вводится в сталь в качестве активного раскислителя вколичестве до 0,4%.
Сера –вредная примесь, вызывает красноломкость стали, в стали она находится в видесульфидов FeS, которые образуют с железомэвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления и располагающуюся пограницам зёрен, при горячей деформации границы зерен оплавляются и сталь хрупкоразрушается. От красноломкости предохраняет марганец, который связывает серу всульфиды MnS исключающие образование легкоплавкойэвтектики. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшенииобрабатываемости резанием.
Фосфор –вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но снижает вязкостьпри пониженных температурах, т.е. вызывает хладноломкость.

Технологическаячасть
Последовательностьизготовления отливки:
1. Разработкатехнологического процесса.
2. Разработкачертежа отливки.
З. Плавка.
4.Изготовление стержневой смеси, стержней, форм.
5.Изготовление оснастки.
6. Получениеотливок.
7. Заливкаформ сплавом, сборка форм.
8.Термическая обработка отливок.
9. Контрольотливок (керосиновая проба).
 
Выбор положения отливки в форме
 
Положение отливки при заливке выбирается в зависимости от способаформовки, устройства литниковой системы, величины припусков на обработку,размера опок и т. д. Выбор правильного положения формы при заливке оказываетрешающее влияние на качество отливки и по существу предопределяет разъем формы ивесь технологический процесс формовки.
При разработке технологического процесса формовки надоруководствоваться следующими правилами.
1.Отливка в форме должна быть расположена так,чтобы наиболее
ответственные части, подвергающиеся механической обработке, находились в нижнейчасти формы
2.Отливки, имеющие форму тел вращения (цилиндровыегильзы,
барабаны, шпиндели и др.) с обрабатываемыми наружными и внутреннимиповерхностями, должны заливаться вертикально или центробежным способом.
3.Отливки из сплавов с большой усадкой необходимозаливать
в положении, обеспечивающем направленное затвердевание металла,
а верхние части отливки питать прибылями.
4.Плоские плиты и диски, а также тонкостенные отливки необхо-
димо заливать в наклонном положении.
5.Форма при заливке должна иметь такое положение, при которомстержни можно было бы устанавливать в форму легко и без крепления. Следуетизбегать применения подвесных стержней с односторонней посадкой, а такжедлинных, тонких, недостаточно закрепленных горизонтальных стержней.
Проектирование литниковых систем и прибылей
 
Литниковая система представляет собой ряд соединенных вопределенной последовательности элементов — каналов и предназначена длязаполнения форм металлом, а прибыли служат для питания отливок в процессекристаллизации. Иногда прибыль может быть связана конструктивно с литниковойсистемой.
Правильная конструкция литниковой системы должна обеспечивать:непрерывную подачу по кратчайшему пути сплава в форму; спокойное и плавное еезаполнение; улавливание шлака и других неметаллических включений; не вызыватьместных разрушений формы из-за большой скорости и неправильного направленияпотока металла; создание направленного затвердевания отливки; минимальныйрасход сплава на литниковую систему.
Литниковая система включает, как правило, следующие элементы:
1)      стояк — вертикальный канал, соединяющий литниковую чашу
(воронку) со шлакоуловителем;
2)      шлакоуловитель — горизонтальный трапецеидальный канал,
соединяющий стояк с питателями;
3)питатель — горизонтальный канал, соединяющийшлакоуловитель с отливкой;
4)выпор — вертикальный канал, расположенный насамой верхней части отливки или сбоку; он служит для отвода газов из формы и
наблюдения за ходом заполнения формы.
Оснастка
В комплектлинейной технологической оснастки входят модели, модельные плиты, стержневыеящики, опоки и т.д. модели — приспособления для получения в формовочнойотпечатков полости, соответствующих наружной конфигурации отливок. Размерымодели делают больше, чем соответствующие размеры отливок, на величину линейнойусадки сплава, которая составляет для углеродистой стали 1,8...2%.
Модели могутбыть деревянными или металлическими. Стержневые ящики для изготовления стержнейобеспечивают равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Как имодели, стержневые ящики имеют литейные уклоны, при назначении их размеровучитывают величину усадки сплава и припуска на механическую обработку.Стержневые ящики делают из таких же материалов, что и модели.
Опоки — прочные рамы различной формы, предназначенные для изготовления литейныхполуформ из формовочных смесей, соединяют опоки штырями.
В единичном имелкосерийном производстве применяют координатные модельные плиты,устанавливаемые на стол формовочной машины. Координатная металлическая плитаимеет большое число отверстий, что позволяет быстро устанавливать и закреплятьдеревянную модель на плите с помощью штырей.

Изготовлениестержневой смеси и стержней
Стержневаясмесь — многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующаяусловиям технологического процесса изготовления стержней. Формовочные истержневые смеси должны иметь хорошую пластичность, текучесть,газопроницаемость, выбиваемость, термохимическую устойчивость, непригораемостьи т.д.
 
Изготовлениястержней
1. Гидролиз.15% — раствор концентрир. (3% от объёма этилсиликата), ацетон 12, 6%.этилсиликат 77. 6%
2. Суспензия.Песок — кварц 33% с мариалитом 87%, кислая вода Н20+НСI — 9,8%,гидролизированный раствор этилсиликат — 30%.
Стержни изжидкой самотвердеющей смеси изготавливают путём заливки. Извлекают стержни изящика через 10-40 мин. после чего из него выжигается органическая составляющая.Затем стержни термически упрочняют.
Стержни,затвердевающие в стержневом ящике, имеют большую точность.
Составформовочной смеси
Формовочнаясмесь — это многокомпонентная смесь формовочных материалов (формовочныематериалы совокупность природных и искусственных материалов).
Песок — основной исходный материал для формовочных смесей, наиболее часто используюткварцевый песок, в основном состоящий из SiO2, обладает высокой огнеупорностью, прочностью,твёрдостью, термохимической устойчивостью.
В смесях длястального литья в качестве противопригарной добавки используют пылевидныйкварц, в формовочные смеси часто вводят 6% влаги в качестве связующегоматериала жидкое стекло и др. вещества — коллоидные растворы органическихвеществ, такие добавки повышают не только прочность; в результате их выгоранияувеличиваются также газопроницаемость и податливость смесей.
Газопроницаемостьсмеси увеличивается с применением песка с однородными размерами зёрен и суменьшением в ней содержания глины. Пластичность смеси улучшается с повышениемв ней (до определённого предела) связующих материалов и воды, а так же песка смелким зерном.
 
Облицовочнаясмесь
Кварцевыйпесок – 67%, оборотная смесь – 26%, жидкое стекло – 5%, глина – 2%, влага(сверх 100) – 6%.
Наполнительнаясмесь
Оборотнаясмесь – 94%, глина – 6%, влага (сверх 100) – 6%.
 
Изготовлениелитейной формы
Разоваяпесчаная форма пригодна только для одной отливки, при выемке готовой деталиформу разрушают.
Формуизготавливают из формовочной смеси. Сначала с помощью модели формируется нижняяполу форма. для этого модель устанавливают на модельную плиту, потомустанавливается опока и на ней накопительная рамка, высота которойсоответствует степени уплотнения формовочной смеси в форме, в рамку и опокузасыпают формовочную смесь и уплотняют её. Затем опоку переворачивают на 180°.Далее формуют верхнюю полуформу, ставят вторую опоку, засыпают в неё формовочнуюсмесь и уплотняют. Поднимают верхнюю полу форму и удаляют из неё модели. методуплотнения — пескомет.
Дляпредотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок, формы и стержнипокрывают тонким слоем противопригарных материалов, после чего стержниустанавливаются в полуформы и полуформы собирают. Точное соединение опокобеспечивают при помощи тщательно обработанных стальных штырей и центрирующихотверстий в приливах опок.
Для тогочтобы при заливке не произошёл подъём верхней опоки статическим давлениемметалла, её скрепляют с нижней опокой при помощи скоб.
Заливкаметалла
Металл влитейную форму заливают расплавом через литниковую систему. Она обеспечиваетнепрерывное поступление расплава в форму, предотвращает разрушение формы.Попадание шлака и воздуха. Для получения отливок без усадочных раковин ипористости. которые могут образовываться вследствие уменьшения объёма расплавапри его затвердевании, применяют прибыли, которые размещают в тех частяхотливки, где усадка проявляется наиболее значительно.
Заливкупроизводят не прерывая струю, во избежание слоев, после заливки и охлажденияметалла в форме до требуемой температуры отливку из неё удаляют (выбивают), приэтом форма разрушается.
Обрубку, т.е.удаление литников, прибылей и дефектов проводят на дисковых и ленточных пилах,газовой и электродуговой резкой, пневматическими зубилами и др.
После выбивкиотливок из формы на их поверхностях остаётся пригоревшая формовочная смесь и заусенцы,которые очищают. Отливку в дальнейшем подвергают термической обработке. Вид ТОзависит от вида сплава, применяемого для получения отливки.
Термическаяобработка
Для стали 25Л- нормализация, которая заключается в нагреве до температуры на 50˚-70˚и охлаждении на спокойном воздухе, но лучше использовать с обдувнойвентиляцией.
Нормализация,обеспечивая полную перекристаллизацию структуры, приводит к получению высокойпрочности стали, т.к. ускорении охлаждения распад происходит при более низкихтемпературах.
Посленормализации углеродистых сталей образуется ферритно-аустенитная структура. Приускоренном охлаждении, характерном для нормализации, доэвтектоидный феррит, припрохождении температурного интервала Аr3 — Аr, выделяется на границах зёренаустенита и не успевает образовать равноосные зёрна, поэтому кристаллы ферритаобразуют сплошные или разорванные оболочки вокруг зёрен аустенитно-ферритнойсетки.
Нормализацияпозволяет несколько уменьшить анизотропию свойств (неодинаковый химическийсостав по сечению), вызванную наличием в горячедеформированной стали вытянутыхнеметаллических включении.
Приускоренном охлаждении возникает больше самопроизвольно образующихся центровкристаллизации, поэтому строчечность структуры менее резко выражена. Этоявляется дополнительным преимуществом нормализации. При использованиинормализации идёт процесс обезуглероживания.
 
Способы получения жидкой стали для фасонного литья
 
В литейных цехах, изготовляющих фасонные стальные отливки, плавкустали производят главным образом в мартеновских и электрических дуговых ииндукционных печах.
В зависимости от требований, предъявляемых к стали, и качествашихтовых материалов используют печи с основной или кислой футеровкой,определяющей характер процесса плавки.
Основной процесс проводится в печах, футерованных магнезитовымкрипичом, или с магнезитовой, а также доломитовой набивкой. Эти огнеупорныематериалы состоят преимущественно из окиси магния (МgО) и окиси кальция (СаО).
В печах с основной футеровкой плавка ведется с применениемосновного шлака, содержащего высокий процент окиси кальция. Такой шлакпозволяет удалить из жидкой стали большую часть содержащихся в ней вредныхпримесей — серы и фосфора, которые соединяются с окисью кальция в прочныесоединения.
Кислыйпроцесс проводится в печах, футерованных материалами, одержащими главнымобразом окись кремния (SiO2).
 
Мартеновские печи
В фасонолитейных цехах преимущественно применяются мартеновскиепечи с основной футеровкой емкостью от 20 до 60 т. Показатели работымартеновских печей даны в табл.Основные показатели работы мартеновских печей
Емкость печи
по завалке, т
Площадь
пода, м2
Съем стали
с 1 м2
площади
пода в сутки,
т
Удельный расход условного топлива
на 1 т стали, кг
Стойкость
(количество плавок)
10
15
20
30
9,5
12,5
15,0
20,0
4,5—6,0
4,5—6,0
5,0—6.5
5,5— 6,5  190—280  460—600
40
50
25,0
29,0
6,0—7,5
6,0 — 7,5  180 — 260  400-500
/>

Под печи выполнен из чугунных плит, покрытых слоемтеплоизоляционного материала, нескольких рядов магнезитового кирпича и верхнегослоя магнезитовой наварки (при основном процессе) из магнезитового порошка всмеси с каменноугольной смолой.
Схема устройства мартеновской печи.
Свод печи делается из магнезитохромитовых или динасовых кирпичей.В передней стене 9 расположены окна 6, закрываемые дверцами, через которыезагружают шихтовые материалы, ведется наблюдение за ходом плавки и отбираютсяпробы металла.
Под ванны имеет наклон к задней стенке, в которой находится леткадля выдачи металла. Летка во время плавки заделывается доломитом илимагнезитом.
К обеим торцевым стенкам примыкают головки с каналами 1, 2, 3 и 7,через которые подается топливо и воздух и отводятся продукты горения.
Для повышения температуры пламени в печи газообразное топливо ивоздух предварительно нагреваются до 1100—1200° С при прохождении черезвоздушный 12 и газовый 13 регенераторы, которые нагреваются теплом отходящихпродуктов горения. Регенераторы заложены кирпичной кладкой с проходами длягаза.
Нижняя часть печи состоит из двух пар шлаковиков 10 и 11 (газовыхи воздушных), соединенных с одной стороны с головками печи, а с другой — срегенераторами. Шлаковики служат для собирания шлака и пыли, уносимых израбочего пространства продуктами горения. Две пары регенераторов 12 и 13 предназначеныдля аккумуляции теплоты отходящих продуктов горения и передачи ее газу ивоздуху. Регенераторы соединены боровами с перекидными клапанами и работаютпопарно и попеременно: в то время как одна пара регенераторов нагревает воздухи газ, другая — аккумулирует тепло отходящих продуктов горения. Спустя 10—15мин происходит перевод клапана в новое положение и начинает работать другаяпара регенераторов.
Жидкое топливо (мазут), также применяемое в этих печах, вводится спомощью форсунок и распыляется струей воздуха под давлением 5—6 кгс/см3.Такие печи имеют только одну пару регенераторов и соответственно одну парушлаковиков.
Плавку стали в мартеновских печах применяют преимущественнодлякрупных стальных отливок. Мартеновский способ выплавки стали обладаетследующими преимуществами: возможностью использования большого количествастального лома и передела в жидкую сталь исходных материалов разнообразногохимического состава; высоким качеством и возможностью выплавки сталей многихмарок; относительно небольшой стоимостью передела. Емкость мартеновских печейсоставляет 5—500 т, а в цехах фасонного литья машиностроительных заводов 5—100т.
По конструкции современные мартеновские печи подразделяют нанеподвижные или стационарные и качающиеся. Большинство мартеновских печейстационарного типа. Преимущество качающихся печей — это слив стали в ковш внесколько приемов, порциями, а также слив шлака в шлаковню по ходу плавки черезпорог загрузочного окна. Недостаток таких печей — сложность конструкции печи.
Мартеновские печи строят с кислой и основной футеровкой. Динасовыйкирпич применяют для кладки главных сводов, сводов головок и регенераторов,вертикальных каналов, стен шлаковиков в насадках и других частях основноймартеновской печи, а в кислых печах, кроме того, для кладки пода, передней изадней стенок, а для наварки пода после каждой плавки применяют кварцевыйпесок. Нижнюю часть регенераторов и борова выкладывают из шамотного кирпича,наружную часть — из обычного красного кирпича. Для уменьшения потерь теплотычерез кладку регенераторов шлаковики (выше уровня пола цеха и ниже его на1—1,65 м), а также часть рабочего пространства печи снаружи облицовываюттеплоизоляционным материалом. Для повышения стойкости кладки и улучшенияусловий труда современные мартеновские печи оборудуют системой водяногоохлаждения.
Продолжительность службы мартеновской печи при динасовом своде длябольших печей составляет 250—300 плавок, для печей малой и средней емкости400—500 плавок, а при магнезитовой футеровке свода да 700 и более плавок.
Современные мартеновские печи снабжены необходимойконтрольно-измерительной аппаратурой и оборудованы устройством дляавтоматического регулирования расхода топлива и воздуха, а также давления врабочем пространстве. Автоматически производится переключение клапанов,механизирован подъем заслонок рабочих окон и т. д.
Топливо мартеновских печей. На заводах, не имеющих доменного производства, применяютгенераторный или коксовый газ или жидкое топливо, а на заводах, имеющихдоменное производство, — смесь коксового и доменного газов с добавкой дляподсвечивания факела пламени генераторного газа или смолы.
Процесс выплавки стали в мартеновских печах. В зависимости отфутеровки ванны — основной (магнезитовой) или кислой (динасовой) — процессвыплавки стали может быть основным или кислым. В настоящее время почти всясталь выплавляется в печах с основной футеровкой. Это объясняется тем, что восновном мартеновском процессе можно переплавлять шихту с более высокимсодержанием фосфора и серы, чем в готовой стали. Мартеновским процессом можновыплавлять углеродистые, низко- и среднеуглеродистые стали, используемые дляпроизводства фасонных отливок.
Кислый мартеновский процесс, благодаря некоторым особенностям,обеспечивает получение плотной структуры стали, поэтому он незаменим привыплавке высококачественных сталей.
Наибольшее распространение для производства фасонных отливок получилскрап-процесс с использованием твердого передельного мартеновского чугуна.
Основной скрап-процесс на твердом чугуне. При скрап-процессеосновным источником кислорода для окисления примесей чугуна является газоваяфаза печи. Только незначительную часть кислорода дает железная руда, вводимая впечь по ходу плавки в количестве около 30%. Шихту для скрап-процессарассчитывают так, чтобы она содержала около 1% Мn, не более 0,3% Р, неболее 0,05—0,06% S и минимальное количество кремния. Обычно шихта при скрап-процессесодержит около 30% передельного мартеновского чугуна, до 15% стальной стружкипри выплавке углеродистых сталей и около 10% при выплавке легированных.Остальную часть металлической шихты составляет привозной стальной лом исобственный возврат. Шихту рассчитывают исходя из того, чтобы содержаниеуглерода в ней было на 0,3—0,5% больше содержания углерода в готовой стали.
Процесс плавки условно можно разделить на следующие периоды:заправка печи, завалка и плавление, кипение, раскисление и выпуск.
Заправка печи. В процессе эксплуатации печи ее под, стенки, откосы изнашиваются.Для поддержания пода, откосов печи в надлежащем состоянии их периодическиобновляют, осуществляя заправку печи. Для заправки печи применяют обожженный,молотый и просеянный доломит или металлургический магнезит, а иногда сыройдробленый доломит. Заправку печи производят в минимальное время, чтобыустранить окисление пода. Обычно эта операция не превышает 10—15 мин. Заправкузаканчивают заделкой выпускного отверстия магнезитовым порошком.
Заправку печи осуществляют машинами и вручную. Ее начинают, кактолько уровень металла в печи при выпуске готовой стали начнет понижаться.
Завалка шихты при работе на скрап-процессе на твердом чугуне. Чем быстрее производятзавалку, тем меньше продолжительность плавки. На под следует загружать мелкийчистый лом (10—20% общего количества стального лома в шихте); на лом известняк(6—7% массы металлической шихты) и иногда боксит; иногда же вместо известнякаприменяют известь. Это сокращает плавку стали и сокращает расход чугуна,идущего на завалку. Поверх известняка загружают боксит, после чего в течение10—15 мин прогревают известняк. На прогретый известняк загружают передельныйчугун (10—15% массы металлической шихты), затем стальную стружку, на которуюзагружают крупный лом. После хорошего прогрева металлической части шихтызаваливают остальной чугун. При работе скрап-процессом на твердой завалкезаправку порогов проводят быстро, чтобы предупредить заплывание их плавящимсячугуном, загружаемым в конце, периода завалки.
Плавление. Период плавления в печах, работающих скрап-процессом, длитсяусловно от конца завалки до полного расплавления и является самым длительнымпериодом мартеновской плавки. В период плавления полностью окисляется кремний ичастично марганец и фосфор, содержащиеся в передельном чугуне, а такжепроисходит процесс образования шлака. Для ускорения периода плавления воздухобогащают кислородом, который при работе печи на мазуте вводят в форсунки ивдувают вместе с воздухом распылителями.
При выплавке углеродистых сталей содержание углерода сразу жепосле расплавления не должно превышать более чем на 0,3% допускаемогосодержания углерода в готовой стали. Если углерода содержится меньше, то в печьвводят соответствующее количество передельного или зеркального чугуна.
К моменту полного расплавления стали образуется шлак из окисловметаллической части шихты, флюсов (известняк, боксит), материала пода и кладкипечи. Образование шлака до полного расплавления способствует ускорению иинтенсификации процессов дефосфорации, обессеривания, кипения ванны. Для этогов печь за 15—40 мин до полного расплавления стали вводят такое количествоизвести и боксита, чтобы основность шлака /> составляла1,5—2,0. Такой шлак содержит 30—35% СаО; 18—25% SiO2; 10—15% FеО. После расплавленияэтот шлак скачивают из печи для снижения содержания фосфора в стали. Послеспуска шлака наводится новый шлак нормальной основности (СаО>40% и SiO2
По окончании наведения нового шлака ванну переводят на режим «чистогокипения», происходящего только за счет кислорода, содержащегося в жидкой ванне.При этом постоянно повышают основность шлака, доводя ее к моменту окончаниякипения до 2,2—3,5. В период чистого кипения в стали увеличивается содержаниемарганца за счет его восстановления из шлака. Одновременно происходит окислениеуглерода со скоростью около 0,25% в час. Скорость окисления углерода может бытьповышена подачей кислорода в ванну. Чистое кипение способствует очистке сталиот растворенных газов и неметаллических включений. Период чистого кипениянаиболее ответственный, поэтому в этот период плавки периодически контролируютсостав стали и шлака.
После получения в стали заданного количества углерода производятпредварительное раскисление силикомарганцем, силикошпигелем и доменнымферросилицием. Через 5—10 мин приступают к окончательному раскислению идоведению стали до заданного химического состава. При выплавке легированныхсталей добавки в виде ферросплавов вводят в печь в разное время: никель — вначале плавки вместе с завалкой, хром — после предварительного раскисления,молибден — в период дефосфорации и наведения шлака и т. д.
Окончательное раскисление производят во время выпуска стали в ковшили на желобе мелкораздробленным ферросилицием ФС45 или ФС75. Для раскисления вковш вводят 0,8—1 кг алюминия на 1 т стали.
Интенсификация мартеновского процесса кислородом. Основным преимуществомприменения кислорода в мартеновских печах является повышение производительностипечей и снижение расхода топлива на 1 т стали, а также уменьшение количествапродуктов горения.
Интенсификацию мартеновского процесса осуществляют следующимиспособами: газификацией топлива дутьем, обогащенным кислородом; подачейкислорода для обогащения воздуха горения; расплавлением заваленного в печьскрапа кислородной струей и прямым окислением примесей ванны.
Существует несколько способов подачи кислорода для обогащениявоздуха. Наиболее распространен способ подачи кислорода непосредственно вголовки мартеновской печи. В печах с газовым отоплением кислород вводят вгазовую струю на выходе последней из газового канала в печь. Расход кислородапри обогащении воздуха в печах, отапливаемых жидким топливом, колеблется впределах 15—25 м3/т, а в газовых печах составляет 35 м3/т.Воздух обогащают кислородом главным образом в период завалки и расплавления.Производительность печи при этом увеличивается на 10—12%.
Для ускорения процесса расплавления вводят струю чистого кислородана скрап, заваленный в печь. Плавить скрап кислородной струей необходимо посленагрева его до 1400° С. Для ускорения процесса окисления углерода применяютметод окисления металла чистым кислородом, вводимым непосредственно в ванну.При таком прямом окислении металла кислородом значительно лучше удаляютсяфосфор и сера.
Прямое окисление кислородом осуществляют при помощи трубок илиспециальных сопл с водяным охлаждением, которые устанавливают в передней илизадней стенках, а иногда в своде печи. Удельный расход кислорода при прямомокислении углерода ванны 2,5—5,0 м3/т.
Кислый мартеновский процесс обычно используют для выплавкивысококачественных сталей. Окислительная способность шлака в кисломмартеновском процессе ниже, чем в основном, соответственно ниже концентрациикислорода в сплаве. При плавке высококачественных сталей применяют чистые посере и фосфору исходные шихтовые материалы и топливо с минимальным содержаниемсеры.
Используют два варианта кислого мартеновского процесса:кремневосстановительный (пассивный) и с ограниченным восстановлением кремния(активный).
При кремневосстановительной кислой мартеновской плавке процессведут так, что кремний восстанавливается из шлака и материала пода печи.Количества восстановившегося кремния достаточно для получения спокойной сталибез введения дополнительных раскислителей.
При процессе с ограниченным восстановлением кремния в печь вводятжелезную руду или окалину для повышения окислительной способности шлака ипонижения его температуры. Это способствует уменьшению восстанавливаемогокремния до 0,1—0,12%. Наряду с железной рудой или окалиной применяют такжедобавку в шлак извести, которая снижает в нем концентрацию кремния.