Производство отливок из стали

Современный окружающий мир невозможно представить без изделий из стали, чугуна или цветных металлов, а это и легко объяснимо, так как продукция, созданная из этих видов материалов, является наиболее прочной, надежной и безотказной. Конечно, нельзя упускать из виду постоянно растущее производство изделий из пластмассы, резины или других синтетических материалов, однако такие изделия считаются менее экологически чистыми, а также не всегда есть возможность их использования в сложных климатических условиях.

Любое металлоизделие можно изготовить различными способами – сваркой, ковкой, литьем или иным способом. Но наиболее предпочтительными в использовании являются литые изделия. Необходимо отметить, что более 20% всех отливок в машиностроении изготовляют из стали. Этот металл применяют для производства большинства узлов и деталей в машинах и агрегатах, для производства различного инструмента, ответственных конструкций.

Целью данной курсовой работы является исследование процесса производства отливок из стали. Задачи данной работы – рассмотреть основы плавки и разливки стали, изучить особенности литья в песчаные и металлические формы, охарактеризовать основные принципы термической обработки отливок из стали и их технический контроль.

В этой курсовой работе будут рассмотрены такие способы изготовления отливок как литье в оболочковые формы, песчаные формы и кокиль, центробежное литье, литье под давлением. Также в данной работе будет изучен один из важнейших этапов производства стальных отливок – термическая обработка, благодаря которой удается придавать металлу заданные свойства.

При производстве любой продукции большое внимание уделяется контролю качества изделий, особенно это касается продукции, которая будет иметь ответственное назначение или использоваться в агрессивной среде. Именно отливки из стали чаще всего применяются в сложных условиях, поэтому в данной курсовой работе одна из глав посвящена изучению возможных дефектов стальных отливок и способов их устранения.

1.1 Плавка и разливка стали.

Литейным производством называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных деталей или заготовок путем заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию детали. После затвердевания металла в форме получается отливка (литая деталь или заготовка). Заготовки подвергаются в дальнейшем механической обработке. В машинах и промышленном оборудовании около 50% всех деталей изготовляют литьем.

Литьем изготовляют такие ответственные детали, как детали двигателей внутреннего сгорания (блоки цилиндров, поршни), рабочие колеса насосов, лопасти газовых турбин, станины станков и т.д.

Перед литейным производством стоит задача получения отливок с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам готовой детали или изделия, при этом наиболее трудоемкая операция механической обработки должна быть ограничена лишь чистовой обработкой или шлифованием. Этого можно достичь усовершенствованием и внедрением специальных, более точных способов литья (в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы и др.).

В отечественном машиностроении 21% всех отливок изготовляют из стали. При выборе сплава необходимо учитывать его свойства и стоимость. Так, если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100%, то стоимость отливки из стали составит 150%.

Сталью считают сплав железа с углеродом (до 2%). Детали сложной конфигурации, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, ударной вязкости или другим свойствам, обычно изготовляют из стали. В машиностроении применяют три группы литейных сталей: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами.

Из конструкционных сталей изготовляют детали, несущие главным образом механические нагрузки (статические, динамические, вибрационные и др.). По химическому составу их подразделяют на углеродистые (низко- и среднеуглеродистые) и легированные, а по структуре – на ферритно-перлитного и перлитного классов.

Из инструментальных сталей изготовляют литой инструмент (режущий, мерительный, штамповочный и т.п.). По химическому составу их подразделяют на средне-, высокоуглеродистые и легированные стали перлитного, мартенситного и карбидного классов.

Из сталей со специальными свойствами (коррозионно-стойкие, жаропрочные, кислотоупорные, износостойкие) выполняют литые изделия, подвергающиеся воздействию различных сред, высоких температур и нагрузок. Эти стали относят в основном к ферритному и аустенитному классам.

В литейных цехах наибольшее применение для плавки стали нашли дуговые электропечи, индукционные электропечи с сердечником, индукционные электропечи без сердечника.

Электроплавильные печи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. В электропечах можно быстро нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этих печах можно расплавлять сталь с образованием минимального количества неметаллических включений – продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных сталей, высоколегированных, инструментальных, коррозионно-стойких и других специальных сталей.

Электропечи бывают дуговыми и индукционными.

В дуговых электросталеплавильных печах в качестве источника теплоты используют электрическую дугу, возникающую между электродами и металлической шихтой. Эта печь питается трехфазным переменным током и имеет три цилиндрических электрода, изготовленных из графитированной массы. Электрический ток от трансформатора гибкими кабелями и медными шинами подводится к электродержателям, а через них к электродам. Между электродом и металлической шихтой возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 180-600 В, сила тока 1-10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем вертикального перемещения электродов. Печь имеет стальной сварной кожух. Кожух печи изнутри футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом. Подина, стенки и свод также выложены огнеупорным кирпичом. В стенках печи имеются рабочее окно для управления ходом плавки и летка для выпуска готовой стали по желобу в ковш. С помощью специального механизма печи может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. Емкость дуговой электропечи 0,5-400 т.

Индукционные электропечи с сердечником (низкой частоты) состоят из шахты и каналов (одного или трех), которые охватывают сердечник и первичную обмотку трансформатора. К первичной обмотке (индуктору) подводится ток промышленной частоты. Жидкий металл, предварительно залитый в канал, создает короткозамкнутый вторичный виток, в котором индуктируется (возбуждается) электрический ток большой силы. Возникающая в этом кольце электроэнергия превращается в тепловую; металл, залитый в канал, быстро нагревается и передает теплоту твердой шихте (загружаемой сверху в шахту) в результате циркуляции металла. Плавка в этих печах экономичнее, чем в высокочастотных, но требует предварительной заливки жидкого металла в каналы печи и чистку этих каналов от расплава предыдущей плавки.

Индукционные электропечи без сердечника представляют собой воздушный трансформатор, первичной обмоткой которых является медный полый водоохлаждаемый индуктор, а вторичной – загружаемая в тигель металлическая шихта. Принцип работы печи основан на поглощении электромагнитной энергии материалом металлической шихты, загружаемой в тигель, который установлен в переменном электромагнитном поле; при этом происходит нагрев и расплавление шихты. Применяют графитные или набивные тигли из огнеупорных материалов. В зависимости от частоты переменного тока, питающего индуктор, эти печи подразделяются на печи промышленной частоты (50Гц) и высокой частоты (более 500Гц). В таких печах также плавят сталь.

Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для непрерывной разливки стали. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и получаются слитки, которые затем подвергают обработке.

Сталеразливочный ковш имеет стальной сварной кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. В дне ковша имеется керамический стакан с отверстием для выпуска стали. Отверстие в стакане закрывается и открывается стопорным устройством. Стопор поднимают и опускают рычажным механизмом вручную или с помощью гидравлического привода с дистанционным управлением. Ковш за две цапфы поднимают краном. Емкость ковша выбирают в зависимости от емкости плавильной печи с учетом слоя шлака (100-200мм), предохраняющего зеркало металла в ковше от охлаждения при разливке. Обычно емкость ковшей 5-260 т. Для крупных плавильных агрегатов применяют ковши емкостью 350-480 т.

Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков. Конфигурация изложниц характеризуется формой поперечного и продольного сечений и зависит от сорта заливаемой стали. Изложницы выполняют квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

Для разливки спокойной стали применяют изложницы, расширяющиеся кверху, а для разливки кипящей стали – изложницы, расширяющиеся книзу. Изложницы, расширяющиеся кверху, обычно имеют дно, а расширяющиеся книзу делают сквозными, без дна. Изложницы для разливки спокойной стали имеют прибыльные надставки, футерованные изнутри огнеупорной массой с малой теплопроводностью.

Размеры изложниц зависят от массы слитка. Для прокатки отливают слитки от 200кг до 25т.

Экономически более целесообразна разливка стали в крупные слитки, так как при этом сокращаются затраты труда, на огнеупоры, потери металла, уменьшается продолжительность разливки. Однако масса слитка ограничивается мощностью прокатного оборудования и ухудшением качества слитка из-за неровности химического состава в различных его местах. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25т, легированные и высоколегированные стали – в слитки от 500кг до 7т, а некоторые сорта высоколегированных сталей в слитки массой несколько сот килограммов.

Для разливки стали применяют три основных способа – в изложницу сверху, в изложницу сифоном, на установках непрерывной разливки стали (УНРС).

В изложницы сверху сталь заливают непосредственно из ковша. При разливке сверху исключается расход металла на литники, проста подготовка оборудования к разливке, температура заливаемой стали может быть ниже, чем при сифонной заливке. Однако при разливке сверху сталь падает в изложницу с большой высоты, брызги металла застывают на стенках изложницы и ухудшают поверхность слитка, образуя окисные плены. Окисные плены не свариваются с телом слитка даже при прокатке, после которой необходимо зачищать поверхность для улучшения ее качества, что является очень трудоемкой операцией.

При сифонной разливке сталью заполняют одновременно несколько изложниц (от 4 до 60). Изложницы устанавливают на поддоне, в центре которого находится центровой литник. Сифонная разливка основана на принципе сообщающихся сосудов: жидкая сталь из ковша поступает в центровой литник и через каналы заполняет изложницы снизу. Этот способ разливки обеспечивает плавное, без разбрызгивания заполнение изложниц. Поверхность слитка получается чистой, сокращается продолжительность разливки, можно разливать большую массу металла одновременно на несколько мелких слитков. Однако при сифонной разливке повышается трудоемкость подготовки оборудования, увеличивается расход огнеупоров, появляется необходимость в расходовании металла на литники (до 1,5% от массы заливаемой стали), в перегреве металла в печи до более высокой температуры, так как при течении по каналам он охлаждается.

Оба способа разливки широко применяют. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху; для легированных и высоколегированных сталей – разливку сифоном.

Наиболее прогрессивный способ разливки – непрерывная разливки стали. Этот способ заключается в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство непрерывно подают в изложницу (охлаждается водой) без дна – кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток. Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, образующую его дно. Затравка имеет головку в форме ласточкина хвоста. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлаждается, затвердевает, образуя корку. Затравка тянущими валками вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком, сердцевина которого находится в жидком состоянии. Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора зависит от сечения слитка. Например, скорость вытягивания прямоугольных слитков сечением 150х500 и 300х2000 мм равна 1 м/мин. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой. Из зоны охлаждения слиток выходит полностью затвердевшим и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком на куски заданной длины. Для предотвращения приваривания слитка к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение с шагом 10-50мм и частотой 10-100 циклов в минуту, а рабочая поверхность кристаллизатора смазывается специальными смазками. Высота кристаллизатора 500-1500мм. В них получаются слитки прямоугольного поперечного сечения с габаритными размерами от 150х500 до 300х2000мм, квадратного от 150х150 до 400х400мм, круглые в виде толстостенных труб.

Вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке в слитках непрерывной разливки отсутствуют усадочные раковины, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру. Поверхность слитка получается хорошего качества. Выход годных заготовок может достигать 96-98% от массы разливаемой стали.

УНРС имеют один, две, три, четыре и более кристаллизатора (до восьми), что делает возможным одновременную заливку нескольких слитков.