Получение и исследование физико-химических, химических и механических свойств сплава СЧ 15

 

 

Серый чугун. 

Структура не оказывает влияние  на пластичность, она остается чрезвычайно  низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность  в основном определяется количеством, формой и размерами включений  графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.

Серый чугун широко применяется  в машиностроении, так как легко  обрабатывается и обладает хорошими свойствами.

В зависимости от прочности серый  чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).

Серые чугуны при малом сопротивлении  растяжению имеют достаточно высокое  сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит  от количества углерода и кремния. С  увеличением содержания углерода и  кремния увеличивается степень  графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Учитывая малое сопротивление  отливок из серого чугуна растягивающим  и ударным нагрузкам, следует  использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим  или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

 

Обозначаются индексом СЧ (серый  чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на СЧ 15.

 

    

2.3.Общая характеристика  СЧ 15

Характеристика материала СЧ 15 представлена в табл.2.1;2.2;2.3;2.4;2.5;2.6

 

Механические свойства и  рекомендуемые составы серого чугуна 15

Таблица 2.1

Механические свойства серого чугуна 15 при растяжении и изгибе

Таблица 2.2 

Механические свойства серого чугуна 15 при сжатии

Таблица 2.3 

 

Механические свойства серого чугуна 15 при кручении

Таблица 2.4

Зависимость прочности ( В) и твердости (НВ) серого чугуна 15 от толщины стенок отливок                                                                     

Таблица 2.5

Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85)

Таблица 2.6

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 3.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ПРОЦЕСС ПЛАВКИ

    Вновь построенная или отремонтированная вагранка (см. рис.1.1.,1.2.) должка быть хорошо просушена. После розжига в нее загружают слой кокса высотой 500—1500 мм, который называется холостой колошей. Этот кокс служит для разогрева вагранки и поддерживает расплавляемые шихтовые материалы в зоне наиболее высоких температур, что способствует ускорению процесса плавки. Далее на разогретый кокс холостой колоши загружают рабочую коксовую колошу, флюс и первую порцию металлической шихты. Таким образом загрузка шихтовых материалов происходит слоями:кокс—флюс—металл. 
   В современных условиях загрузку шихты обычно осуществляют с помощью бадьи, вводимой в шахту вагранки наклонным (скиповым) подъемником (рис. 9). После загрузки шихтовых материалов открывают фурмы и дают дутье — воздух, необходимый для горения топлива. При этом летку оставляют открытой до тех пор, пока не появятся капли расплавленного чугуна. В плавильном поясе — зоне плавления (рис. 10) шихта расплавляется и вместе со шлаком чугунный расплав стекает в горн вагранки. Образующиеся при этом газы поднимаются вверх и по пути нагревают металлическую шихту и топливо, а затем уходят в систему подогрева дутья (см. рис. 3.1.). По мере сгорания кокса и плавления чугуна загружаемая в вагранку шихта опускается, а на ее место загружают сверху новые порции шихтовых материалов.

 

Рис. 3.1.. Скиповая загрузка шихты  в вагранку: 
1 — мостовой электрический кран, 2 — электромагнитная шайба, 3 — суточные бункера, 4 — пластинчатый транспортер. 5 — электровесовая тележка. 6. 7, 19 — приводные рольганги. 8, 17 — конечные выключатели, 9 — упоры 10 — тележка с пневмоприводом. 11 — съемная бадья. 12 — скиповый подъемник. 13 — пневмосталкиватель, 14, 15 — упоры для открывания и закрывания днища вагранки, 16 — скиповая тележка, 18 — электролебедка

       В процессе плавки чугунный расплав скапливается в горне вагранки. Шлак же, имеющий более низкую плотность, располагается на поверхности расплавленного чугуна. По мере скопления шлак выпускают через верхнюю — шлаковую летку, а накопившийся чугунный расплав — через нижнюю летку (см. рис.1.1.).При выпуске чугуна отверстие летки пробивают стальным ломиком, после чего расплавленный чугун по желобу направляется в разливочный ковш. После выпуска чугуна отверстие летки заделывают пробкой из огнеупорной глины. Процесс плавки завершается удалением остатков металла и шлака из вагранки через крышку в днище.

     3.1.Основы ваграночной плавки

    Вагранка — шахтная печь, работающая на принципе противотока: шихтовые материалы опускаются вниз шахты, а образующиеся газы — вверх. По условиям теплообмена между металлом, газами и топливом шахту вагранки можно условно подразделить на четыре зоны (см. рис. 10). Первая зона — подогрев шихты; она простирается от завалочного окна вниз до уровня, в котором температура кусков металлической шихты достигает 1150—1200°С. Вторая зона—плавление кусков металлических шихтовых материалов. В зависимости от размеров кусков и химического состава шихты продолжительность плавления составляет 5—15 мин. За это время куски, расплавляясь, успевают опуститься на 300—500 мм. Третья зона — перегрев чугунного расплава, берет начало от места образования капель чугуна и простирается до нижнего ряда фурм.

    Перегрев обусловливается стеканием расплавленного чугуна по кускам раскаленного кокса и омыванием его потоком разогретых до высоких температур газов. Четвертая зона — горн вагранки, располагающийся в нижней части шахты. Здесь кокс и продукты его горения имеют более низкую температуру из-за недостатка кислорода. Учитывая, что здесь чугун насыщается углеродом и серой, желательно ограничивать длительность пребывания чугунного расплава в горне вагранки.

 

Рис. 3.2. Зоны теплообмена  в вагранке

       Во время плавки чугуна в вагранке происходит изменение химического состава составляющих шихты: выгорание кремния (на 15%) и марганца (на 20%), увеличение количества серы и углерода, поступающих из кокса, образование шлака. Образуясь из флюсов, окислов элементов чугуна, частиц неметаллических материалов, оплавленной футеровки печи и золы кокса, шлак оказывает существенное влияние на характер плавки и свойства получаемого в вагранке чугуна. Шлак должен иметь низкую температуру плавления и хорошую жидкотекучесть (малую вязкость). Его количество составляет 3—4% от массы металла. Для удаления серы, которая является вредной примесью в чугуне (снижение жидкотекучести, склонность к образованию в отливках газовых и усадочных раковин), полученный в вагранке расплав обрабатывают кальцинированной содой, карбидом кальция.       С целью уменьшения содержания серы и фосфора  (он придает чугуну хладноломкость) чугун плавят в вагранках с основной футеровкой из магнезитового, доломитового и хромомагнезитового кирпича. Это позволяет применять основные шлаки и резко (на 40—60%) снизить содержание серы в чугуне. 
        Для повышений механических свойств расплав серого чугуна подвергают модифицированию — обработке ферросилицием, магнием, его сплавами и другими модификаторами. Ферросилиций (75%-ный) мелкими зернами в количестве 0,1—0,6% от массы обрабатываемого расплава ссыпают из вибрирующего совка в желоб, по которому выдается из вагранки расплавленный чугун. Модифицирование ферросилицием позволяет измельчать пластинчатые включения графита и таким образом повысить прочность чугуна. При модифицировании магнием и другими сильными модификаторами получают высокопрочный чугун с шаровидным графитом, прочность которого достигает 1200 МПа.

     3.2.Контроль за ходом плавки и качеством выплавляемого чугуна

    Получение чугуна заданного качества при минимальных затратах, обеспечивающих работу вагранки на наиболее рациональных режимах без остановки в течение всего рабочего времени, достигается систематическим контролем: 
за количеством загружаемых в вагранку шихтовых материалов, дозирование которых осуществляется с помощью весов (рис.3.3.); 
за уровнем шихты в вагранке, что исключает возможность его понижения ниже порога загрузочного окна. Контроль осуществляют с помощью приборов радиоактивного (с использованием изотопов радиоактивных элементов) и лазерного типов; 
за давлением и расходом подаваемого в вагранку воздуха с помощью U-образных манометров и сопл, манометрических датчиков; 
за температурой колошниковых газов, которая не должна превышать 300—400°С, с помощью термоэлектрических пирометров.

 

Рис.3.3.Весы стационарные шихтовочные (а), крановые (б), мостовые (в): 
1 — платформа, 2 — скоба для подвешивания весов на крюк мостового крана, 3 — передвижная гиря, 4 — крюк для подвески весовой воронки, 5 — циферблат-указатель массы шихты, 6 — тормоз, выключающий действие весов

       Контроль качества полученного в вагранке чугуна включает: 
определение химического состава. В современных условиях он осуществляется экспресс-методом с помощью прибора квантометра, позволяющего за 1—3 мин определить содержание пяти основных элементов и более (кремний, марганец и др.); 
установление показателей механической прочности чугуна (предала прочности при изгибе, твердости). Осуществляется на специально отлитых образцах в лабораториях механических испытаний на специальных приборах и машинах (пресс Бринелля и др.); 
определение Литейных свойств чугуна по технологическим пробам: спиральной — для определения жидкотекучести, клинообразной — для установления склонности к отбелу и др.

 

    3.3.Комплексная механизация и автоматизация ваграночного процесса плавки

    Учитывая необходимость создания устойчивого и оптимального теплового режима плавки, обеспечивающего высокое качество выплавляемого чугуна, отделом автоматизации Института проблем литья АН УССР (г. Киев) была разработана система комплексной механизации и автоматизации ваграночного процесса (рис.3.4.),которая включает: 
автоматическое управление и контроль дозировки и загрузки шихты, а также регулировки подачи дутья в вагранку; 
автоматическое включение и выключение в определенном порядке соответствующих механизмов при выполнении технологического процесса плавки в зависимости от поступающих сигналов системы автоматического управления и контроля, оснащенной специализированными цифровыми корректирующими и самонастраивающимися устройствами автоматического регулирования .

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.4.Система комплексной  механизации и автоматизации  ваграночного процесса плавки чугуна: 
1 — весовой бункер. 2 — рама, 3 — датчик массы; 4 — пластинчатый питатель. 5 — электропривод питателя, 6 — расходный встряхиваемый бункер, 7 — подъемный кран. 8 — магнитная шайба, 9 — бункер для ферродобавок, 10 — бункер для флюса, 11 — вибропитатель бункера для флюса, 12 — весовой бункер для кокса и известняка,

13 — датчик массы, 14 —  бункер для кокса, 15 — вибропитатель для кокса,16 — электропривод скипового подъемника, 17 — датчик уровня шихты в вагранке. 18 — воздуходувка, 19 — шиберное устройство, 20 — пульт управления. 21 — датчик температуры расплава на желобе, 22 — копильник, 23- — вагранка, 24 — датчики массы расплава в копильнике. 25 — скиповый подъемник, 26 — бадья, 27 — переходная воронка, 28 — электропривод, 29 — конвейер подачи кокса и флюса. 30 — электропривод, 31 — конвейер подачи металлической шихты 

 

Рис.3.5. Блок-схема управления тепловым ваграночным процессом: 
1 — вагранка. 2 — термопара. 3 — шибер воздухопровода. 4 — двигатель ДВ шибера, 5 — измерительный блок. 6 — экстремальный регулятор; ИП — измерительный прибор; Пр — преобразователь аналог-цифра; PC — реверсивный счетчик; Ин — инвертор. Кл — ключи; С — счетчик; БУ — блок управления; ЭЛД — элемент логического действия; ИЭ — исполнительный элемент; РВ — реле времени 

    Приведенная система  (см. рис.3.5.) предусматривает использование средств автоматического регулирования для проведения стадий ваграночного процесса плавки в соответствии с условиями, обеспечивающими качественное их выполнение. Примером может служить установка для контроля уровня шихты в вагранке радиоизотопным методом, которая надежно эксплуатируется в литейном цехе Луганского завода (рис.3.6.). В качестве генератора излучения использован изотоп кобальта Co60, который помещен в защитный свинцовый контейнер 4 с отверстием для узколимитированного луча. При ремонтных работах в вагранке это отверстие перекрывается свинцовой пробкой 7. Диаметрально противоположно источнику излучения установлен выносной блок 9, состоящий из пяти счетчиков, расположенных в стальном  защитном кожухе  2 с водяным охлаждением. При отсутствии шихты в зоне гамма-излучение беспрепятственна проходит от излучателя к счетчикам,  благодаря чему срабатывает гамма-реле 6, которое своими исполнительными контактами производит включение лампы и звонка. Как только при загрузке шихты ее уровень превысит установленный предел, интенсивность гамма-излучения резко снижается и гамма-реле выключает сигнальную лампу и звонок.