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

 

 
Рис.3.6.Схема радиоизотопного  контроля уровня шихты в вагранке: 
1,5 — кронштейны. 2 — водоохлаждаемый защитный кожух блока счетчиков, 3 — гильза, 4 — контейнер с изотопом, 6 — гамма-реле, 7 — свинцовая пробка, 8 — кожух вагранки, 9 — выносной блок счетчиков

 

 
Рис.3.7.Схема автоматического  регулирования при плавке чугуна в вагранке: 
1 — пирометр, 2 — клапан, 3 — пружина. 4 — соленоид, 5 — электронный регулято

РАЗДЕЛ 4.СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ  КОНСТРУКЦИЙ ВАГРАНОК И ПРОЦЕССОВ  ПЛАВКИ ЧУГУНА

        Это  достигается за счет улучшения  условий эксплуатации вагранок, частичной замены или отказа  от использования кокса осуществлением  следующих мероприятий: 
     1.  Внедрением в производство ваграночных комплексов (см. рис.1.3.) производительностью 30—60 т/ч с подогревом дутья, очисткой отходящих газов, автоматизацией дозирования, взвешивания и загрузки шихты, удаления шлака. 
     2. Созданием водоохлаждаемых вагранок, работающих непрерывно в течение нескольких недель, позволяющих выплавлять чугун стабильного химического состава непрерывно на протяжении 16—24 ч в сутки; отсутствием футеровки (которая заменена водоохлаждаемым гарнисажем над фурмами) при условии, что горн футерован кислыми огнеупорами. Это обусловливает простоту в управлении процессом плавки и высокую его экономичность. Она обеспечивается также возможностью переплавки более дешевой шихты с высоким содержанием стального лома. 
     3. Оснащением вагранок шлакоразделителями, обеспечивающими сбор отдельно чугуна и шлака в наружных копильниках и специальных емкостях. Благодаря этому износ футеровки снижается, а время непрерывной работы вагранки увеличивается до семи недель. 
    4. Применением для футеровки шахты специальных цементных и набивных огнеупорных масс, графитовых блоков, что позволяет увеличить длительность рабочего цикла без выбивки до 13,5 мес. В качестве примера можно сослаться на вагранку непрерывного действия, работающую в литейном цехе Московского завода «Станколит». 
Частичная замена или отказ от применения кокса связана с использованием в качестве энергоносителей природного газа и мазута, которые дешевле кокса, что позволяет уменьшить энергозатраты на плавку и снизить насыщение чугуна серой и углеродом, резко сократить количество вредных выбросов в окружающую среду. Учитывая эти преимущества, в настоящее время созданы конструкции коксогазовых и бескоксовых (газовых, мазутных) вагранок.

Коксогазовая вагранка отличается от коксовой наличием камер сжигания природного газа, расположенных с наружной стороны нижней части вагранки. Через них также подается карбюризатор для науглероживания чугуна в зоне капельного его схода. Природный газ сжигается в потоке нагретого до 700°С воздуха, а образующиеся в камерах сжигания продукты горения направляются через медные водоохлаждаемые фурмы в шахту выше уровня фурм вагранки, что позволяет снизить расход кокса, уменьшить себестоимость чугуна. К преимуществам коксогазовых вагранок также следует отнести уменьшение количества шлака; снижение в отходящих газах содержания S02 и пылевидных частиц с 10 до 4 мг/м²; гарантию расплавления стального лома до температуры 1540°С; существенное снижение угара химических элементов в составе шихты; более высокий, достигающий 60%. термический к. п. д. 
       Бескоксовая вагранка (рис. 4.1.) имеет сопла для введения газа 6 и воздуха 7, которые дожигаются горелками 2. После расплавления шихты 9 чугунный расплав 4 стекает через слой огнеупоров 8 и решетку 1 (она состоит из стальных водоохлаждающих трубок) в горн. Учитывая угар углерода в процессе плавки на 5—12%, в горн через отверстие 5 вдувается пылевидный графит. Накапливаемый в горне чугун имеет температуру 1450— 1460°С, а на желобе вагранки 1400—1420°С. При использовании в качестве энергоносителя мазута сопла 6 заменяются форсунками. 
В настоящее время существуют принципиально новые конструкции печей и методы плавки чугуна. На рис.4.2. показана схема устройства агрегата, включающего вагранку 1 и сменную (выкатывающуюся) электрическую индукционную печь 2, в котором можно получать чугун с легирующими добавками.

 

Рис.4.1р.Схема устройства бескоксовой вагранки: 
1 — водоохлаждаемая решетка, 2 — горелки, 3 — шлак. 4 — расплав чугуна, 5 — отверстие для вдувания пылевидного графита, 6, 7 — сопла подачи газа и воздуха, 8 — огнеупорная холостая колоша, 9 — шихта

 

 

 

 

Рис.4.2.Плавильный агрегат  для получения легированного  чугуна: 
1 — вагранка, 2 — индукционная печь, 3 — решетка для удержания шихты, 4 — отверстие для ввода легирующих добавок, 5 — фланец, 6  — окно для удаления шлака, 7 — желоб для выпуска чугуна, 8 — тележка, 9 — домкраты для прижатия индукционной печи 2 к фланцу 5 вагранки

РАЗДЕЛ 5.ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ВАГРАНОЧНОГО ПРОЦЕССА

        Основной целью интенсификации является увеличение производительности вагранки за счет создания наиболее благоприятных условий для процессов горения кокса и теплообмена во всех зонах шахты (см. рис.3.2.), обеспечивающих высокий перегрев чугуна. Эта задача решается проведением ряда технологических мероприятий, основными из которых являются: 
подача строго регламентированного (не менее 150 м³/ мин при скорости 2,5 м/с) количества воздуха в вагранку; 
применение трехрядной системы фурм, что улучшает условия перегрева чугуна (повышение температуры в восстановительной зоне) за счет частичного дожигания в ней СО;  
подогрев вдуваемого в вагранку воздуха за счет использования тЦтлоты колошниковых газов (см. рис.1.3.), что позволяет увеличить производительность вагранки в среднем на 25%; 
обогащение дутья кислородом, который вдувается в нижний ряд фурм или через специальную медную фурму, помещаемую внутри воздушной фурмы, что позволяет повысить температуру продуктов горения, а с ней и температуру чугуна в среднем на 85°С; 
сортировка кокса на фракции, с тем чтобы использовать однородные по размеру (хотя и не очень крупные) куски кокса, что улучшает теплообмен между шихтовыми материалами в шахте, а следовательно, интенсифицирует процесс плавки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 6. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЛАВА СЧ 15

       6.1.Свариваемость металлов

     Свариваемость  металлов  включает в себя физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость — это свойство металла образовывать монолитное соединение. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд неметаллов. По технологической свариваемости оценивают поведение металла в процессе сварки, она характеризуется склонностью металла к окислению при сварочном нагреве, а также склонностью к образованию горячих и холодных трещин. 

 

      Склонность к окислению определяется химическими свойствами металла. Чем выше химическая активность металла, тем больше его склонность к окислению; следовательно, необходима более тщательная защита при сварке. К наиболее активным металлам относятся титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, молибден. Высокой химической активностью отличаются также цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель, сплавы на их основе. Сварка должна выполняться в вакууме, среде инертных газов или с использованием специальных покрытий или флюсов. При сварке этих металлов необходимо защищать не только расплавленный металл, но и остывающий шов, а также прилегающий к сварочной ванне основной металл, нагретый до высоких температур.

 

 

 

 

 

Рис.6.1.Технологические пробы  для определения склонности к  образованию горячих трещин таврого(а) и кольцевого(б) образцов:1-2-порядок сварки швов

    Склонность к образованию горячих трещин — возникновение трещин в процессе кристаллизации, т. е. во время существования твердой и жидкой фаз, а также при высоких температурах в твердом состоянии. При высоких температурах прочность материала понижена, поэтому он может разрушаться вследствие воздействия напряжений, возникающих при усадке шва и уменьшении объема металла при охлаждении. Горячие трещины могут возникать как в самом шве, так и в околошовной зоне. Для оценки материала на склонность к образованию горячих трещин выполняют два основных вида испытаний: сварку технологических проб и машинные способы испытаний.       В первом случае сваривают образец заданной жесткости, для чего используют тавровые и кольцевые пробы (рис.6.1). При проведении этих испытаний сначала сваривается шов 7, а затем шов 2, при этом в шве 2не должны образовываться трещины. Во время испытаний машинным методом растягивают или изгибают образец в процессе сварки. Склонность к горячим трещинам характеризуется величиной деформации, вызывающей появление трещин.

 

Рис.6.2.Крестовая технологическая  проба для определения склонности к образованию холодных трещин: 1-4-порядок  наложения швов

 

    Склонность к образованию холодных трещин — возникновение трещин вследствие закалки нагретого металла при быстром охлаждении, когда металл теряет пластичность, или под действием остаточных напряжений в сварных соединениях. В целях предотвращения холодных трещин осуществляют подогрев зоны металла, прилегающей к сварному шву, с целью снижения скорости охлаждения. Для испытаний используют технологические пробы (рис.6.2). В крестовой пробе цифрами указана последовательность наложения швов. В наиболее жестких условиях находится шов 4, где возможно образование трещин. Рассмотрим свариваемость сталей — наиболее распространенного материала для производства сварных конструкций. Основная опасность — это образование холодных трещин из-за склонности к получению закаленной структуры. Чем больше в стали углерода, тем выше эта опасность. Аналогично влияние легирующих элементов. Их суммарное влияние на свариваемость Сэ оценивается следующей формулой:

Сэ = С + Мп/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15. 

 

    К первой группе относятся стали, у которых Сэ < 0,25%, они хорошо свариваются без образования трещин. При Сэ = 0,25… 0,35% стали свариваются удовлетворительно, мало склонны к образованию трещин, но в ряде случаев требуется подогрев. При Сэ = 0,36…0,45% свариваемость сталей ограниченная, они склонны к трещинообразованию, их можно сваривать лишь при определенных режимах, требуется подогрев.

 

      6.2.Обрабатываемость резанием

      Обрабатываемость  резанием — это комплексная характеристика материала, которая оценивается рядом показателей: производительностью обработки, качеством обработанной поверхности, видом стружки. В зависимости от конкретных условий решающим может оказаться любой из критериев. Например, в условиях автоматизированного производства важнейшим является вопрос стружкообразования — стружка должна легко удаляться из зоны резания, т. е. быть элементной, а не сливной. Наиболее распространенной является оценка обрабатываемости материала по производительности. Критерием является скорость резания, при которой достигается заранее заданная стойкость инструмента. Используют критерий i>60 — это скорость резания, при которой достигается 60-минутная стойкость режущего инструмента до регламентируемого износа, м/мин. Критерий v60 является абсолютным показателем обрабатываемости. За эталон часто принимается сталь 45 твердостью 160… 180НВ.

    Шероховатость обработанной поверхности определяют на специальных приборах: профилометрах и профилографах. Шероховатость зависит главным образом от твердости материала — более высокая твердость обеспечивает меньшую шероховатость, т.е. лучшее качество поверхности. Лучшей обрабатываемостью по виду стружки обладают материалы с элементной, сыпучей, а не сплошной сливной стружкой. Сыпучая стружка образуется, если в структуре присутствует фаза, обладающая малой прочностью (например, графит в чугуне). Такая стружка легко удаляется из зоны резания, что особенно важно в условиях массового автоматизированного производства.

 

  

 

 

      6.3.Испытания технологических свойств

 

      Испытания на  загиб  производят в специальном приспособлении для листового, полосового и фасонного материалов. Металл при этом может быть в холодном и нагретом состояниях. Цель — определение способности металла принимать заданный по форме и размерам загиб. Толщина образца должна быть равна толщине материала, ширина — двойной толщине, но не менее 10 мм. Различают три вида загиба: загиб до определенного угла (рис.6. 3, а); загиб вокруг оправки до параллельности сторон (рис. 6.3, б), при этом толщина оправки регламентируется техническими условиями в зависимости от требований к пластичности; загиб вплотную до соприкосновения сторон образца ( «дублирование») (рис.6. 3, в). Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является свидетельством того, что металл выдержал испытания. 

 

Испытания на перегиб служат для определения способности металла выдерживать повторный загиб и разгиб. Испытанию подвергают полосовой и листовой металл толщиной не более 5 мм и проволоку (прутки) диаметром 0,8…7 мм. Образец, зажатый одним концом, подвергают попеременному загибу влево и вправо. За один перегиб считается загиб и разгиб на 90°. Испытания ведут до разрушения. Число перегибов до разрушения задается исходя из технических требований.

 

 

 

Рис.6.3.Схема испытания  металла на изгиб:

а-загиб до определённого угла α; б-загиб вокруг оправки до параллельности сторон;в-загиб в плотную до соприкосновения сторон; d-диаметр оправки; а- толщина образца

 

     Испытание на скручивание проводят для проволоки диаметром до 10 мм. Создают определенное натяжение проволоки (2% от разрывного усилия), скручивание проводят с равномерной скоростью до разрушения. Показателем пластичности является количество скручиваний (полных оборотов на 360°). 

     Испытания на вытяжку сферической лунки (метод Эриксена) проводят на листе и ленте толщиной 0,1 …2,0 мм для выяснения способности материала к холодной штамповке. Испытание заключается в вытяжке сферической лунки в образце, зажатом по контуру между матрицей и прижимным кольцом, путем вдавливания пуансона соответствующей формы. Испытание прекращается при появлении мелких трещин на стороне, противоположной вдавливанию, которые обнаруживают с помощью зеркала. Мерой способности металла к вытяжке является глубина h вытянутой лунки. Так, для сталей марок 05кп, 08кп, 08пс и Юкп при толщине листа 0,5 мм глубина вытяжки должна быть не менее: 9,0 мм для стали весьма глубокой вытяжки (ВГ); 8,4 мм для стали глубокой вытяжки (Г); 8,0 мм для стали нормальной вытяжки (Н). 

   Испытания на осадку характеризуют способность стали принимать холодную высадку, их проводят на образце, высота которого равна его удвоенному диаметру, а торцевые плоскости перпендикулярны оси. Испытания состоят в осаживании в холодном состоянии до определенной высоты, задаваемой техническими условиями (до ½ или ¼ длины образца). На торцах и боковых поверхностях осаженного образца не должно быть трещин и надрывов.

 

 

 

6.4.Обрабатываемость давлением  металлов

     Обрабатываемость  давлением (прокат, ковка и др.) зависит от пластичности металла. Напомним, что только для металлов возможна обработка давлением. Это связано с тем, что пластичность определяется металлическим, гибким и ненаправленным типом связи. Высокая пластичность присуща однофазным сплавам; появление второй фазы, особенно если она обладает высокой твердостью или малой пластичностью, резко снижает пластичность металла. Так, в системе А1 — Си (рис.6.4.) деформируемыми являются сплавы с содержанием меди до 5,7%, т.е. не содержащие эвтектики. Некоторые из этих сплавов являются однофазными (зона I) вплоть до начала плавления, другие (зона II) становятся однофазными при нагреве.