Габаритные размеры (длина, ширина, высота), мм 1000X705X 1190 10 страница

Стержни со знаками изготовляют в металлических полирован­ных стержневых ящиках, затем прокаливают или сушат, контроли­руют их точность и прочность, после чего устанавливают в пресс-формы для изготовления удаляемых моделей. После образования оболочек на блоках моделей и удаления последних стержни в по­лости оболочковых форм зафиксированы знаками (рис. 6.31).

В области верхних знаков между стержнем и оболочкой преду­сматривают термические зазоры, чтобы при прокаливании оболочек последние не препятствовали расширению стержней, а также чтобы расширение оболочек при нагреве не вызывало растягивающих напряжений и трещин в стержнях. Зазоры предусматривают вокруг верхнего знака стержня и на его торце, величину их рассчитывают и выполняют путем наклеивания сгорающей при прокаливании пленки или слоя выплавляемого модельного состава.

Свойства керамических стержней. У стержней должна быть гладкая поверхность — высота микронеровностей Rz < 30 мкм; низкий коэффициент линейного расширения — менее 2·10-6 1/°С в ин­тервале температур 20—1100 °С; стойкость к тепловым ударам до температуры 1250—1300°С; точность разме­ров— в пределах менее ±0,15 % номиналь­ных; высокая прочность — σИ > 15 МПа; вы­сокая пористость (влагоемкость) — 25—30 %; низкая (сравнительно) плотность — 1200— 1700 кг/м3. Стержни также не должны дефор­мироваться при заливке оболочек расплавом. Деформация под нагрузкой 0,4 МПа не дол­жна происходить при температуре ниже 1250 °С. Стержень не должен взаимодейство­вать химически со сплавом или его окислами; удаление его из полостей отливок должно

Рис. 6.31. Схема оболочки со стержнем:

1 — керамический стержень; 2 — оболочка

осуществляться без особых затруднений механическим, электро­химическим, химическим способами. Материалы для изготовления керамических стержней должны быть недефицитными и по возмож­ности недорогими.

Этому комплексу свойств наиболее полно соответствуют порошки НКС и циркона (табл. 6.27). Так, коэффициент линейного расшире­ния при нагреве до 1100 °С стержней из кристаллического кварца 1,92·10-5 1/°С, а из порошков НКС — 2·10-7 1/°С, т. е. почти на два порядка меньше. Следует отметить, что тепловое расширение кри­сталлического кварца проходит обратимо и скачкообразно, изго­товление стержней из него не будет рассмотрено.

Таблица 6.27 I класс — спеченные керамические стержни

Примечание. Давление запрессовки стержней при их изготовлении 10 — 20 МПа: шероховатость поверхности 40 мкм; кажущаяся пористость > 20 %; растворимость в щелочи > 100 ч.

Классификация керамических стержней. Стержни подразделяют на спеченные (I класс) и холодноотвержденные (II класс).

Спеченные стержни получают сухим твердофазным и жидкост­ным спеканием. Под спеканием понимают изготовление камнеподоб-ных предметов после обжига сформованных с пластификатором смесей из полидисперсных порошков [40, 84],

Сухое спекание — это процесс, идущий в направлении умень­шения свободной энергии системы и протекающий при температуре не менее 0,8t плавления чистого огнеупорного окисла, при этом зерна порошков «свариваются» (спекаются друг с другом), стержни приоб­ретают прочность. Для уменьшения температуры и продолжитель­ности спекания в смеси вводят добавки — минерализаторы (напри­мер, в корундовую смесь вводят 5 % порошка стабилизированной двуокиси циркония) [15, 40]. Сухое спекание широко применяют для изготовления тонкостенных стержней, прочных при температуре 20 °С и заливке расплава.

Жидкостное спекание отличается от сухого тем, что в смесь по­рошков вводят легкоплавую добавку, например, тонкий порошок силиката натрия с температурой плавления ~700 °С. Затвердевшая после охлаждения жидкость служит связующим стержней. Однако такие стержни размягчаются и теряют прочность при нагреве до сравнительно невысоких температур.

II класс — холодноотвержденные стержни. Способ изготовления их основан на свойстве кислого (рН ≈ 2) связующего раствора ЭТС, например типа орг-1, переходить в желатинообразное, а затем в твер­дое состояние — гель — при введении в смесь щелочной жидкости с рН > 8 (табл. 6.28). Гель Si02 цементирует зерна основы, обес-

Таблица 6.28 II класс — холоднотвердеющие стержни

Примечания. 1. Во всех случаях связующий раствор типа орг-1; растворите­лем служит спирт этиловый; огеливатель вводят в количестве 1 % по массе сверх 100 %.

2. Шероховатость поверхности, проверяемая после прокаливания, должна быть в пре­делах 5 —15 мкм

печивает прочность стержню. Жидкость с высоким рН называют огеливателем; важно, чтобы огеливатель испарился при нагреве стержня, не вступал в химическое взаимодействие с собственно связующим (Si02) и основой. Стержни не спекают, а после сушки и контроля их используют при изготовлении моделей. Прокаливают стержни одновременно с прокаливанием оболочек. Прочность таких стержней до нагрева с оболочкой примерно на порядок ниже проч­ности стержней класса I. Поэтому при уменьшении толщин стенок отливок до 0,5—1 мм и уменьшении толщин стержней до 0,4—1 мм следует применять стержни, получаемые сухим спеканием.

Изготовление керамических стержней I класса включает: приго­товление пластичной горячей стержневой смеси, формирование стерж­ня в пресс-ящике и обжиг [68, 84, 94]. В обогреваемый смеситель загружают пластификатор (см. табл. 6.27), расплавляют его, вводят основу смеси и минерализатор, перемешивают их непрерывно, тем­пературу смеси поддерживают с помощью терморегулятора. Пласти­фикатор способствует введению горячей смеси в пресс-ящик, а после охлаждения он служит связующим стержня до его спекания. Целе­сообразно изготовлять стержни полыми — оболочковыми с толщиной стенок 1,5—2 мм [110]. Полости выполняют металлическими вкла­дышами с уклоном 1—3°, которые извлекают после затвердевания пластификатора. Перед укладкой стержней в короба для обжига в полость засыпают глинозем.

Обжигают стержни в засыпке из глинозема или на огнеупорных пористых драйерах. Это необходимо, так как при обжиге вследствие расплавления пластификатора стержень полностью теряет проч­ность; одновременно засыпка или драйер служит адсорбентом пла­стификатора.

Обжигают стержни в газовых печах, так как в них можно под­держивать окислительную среду, необходимую для сжигания пласти­фикатора и выделяемого им углерода. Известны два режима об­жига. По первому режиму стержни в коробах загружают в теп­лую печь и со скоростью —100 °С/ч повышают температуру до 1000— 1100 °С, выдерживают при этой температуре, затем обеспечивают температуру спекания порошков стержня, выдерживают несколько часов, после чего медленно охлаждают (примерная длительность цикла 20—25 ч). По второму режиму стержни в коробах загружают в печь при температуре спекания (1200—1300 °С), выдерживают 6—10 ч и охлаждают (стержни остывают вместе с коробами). Второй режим является предпочтительным, но связан с необходимостью применять термостойкие короба.

В процессе изыскания состава 2 (см. табл. 6.27) были проведены исследования [67], показавшие, что усадка цирконовых образцов, полученных прессованием термопластичной смеси и спеканием при 1350 °С, составляет 1,5—2% , а из карбида кремния образцы пока­зали расширение ~15 % вследствие окисления порошков при той же температуре обжига. Таким образом, применение смеси порошков циркона с порошком карбида кремния (7—8 %) позволило получать высокопрочные стержни практически без усадки при спекании Собственно связующим служит SiO2; Окисление и образование кера­мики начинается при температуре выше 900 °С. Реакции имеют вид

SiC + 1/2О2 → СО + Si.

Пары Si оседают на зернах циркона и мгновенно окисляются

Si + О2 →SiO2

В состав пластификатора вводят 3,5—3,7 % по массе сосновой канифоли, что улучшает заполняемость стержневых ящиков смесью при меньшем содержании пластификатора, снижает температуру запрессовки до 75—85 °С, устраняет необходимость смазывания ящиков, прессового стакана и пуансона. Перед обжигом и засыпкой глиноземом стержни «рихтуют» в гипсовых драйерах. Стержни укла­дывают в драйеры, на плоскость разъема последних кладут напол­нительные рамки и насыпают глинозем; далее драйеры ставят в тер­мошкаф и выдерживают в нем при температуре 40—50 °С до полного прогрева стержней. Затем драйеры со стержнями охлаждают на воздухе до температуры 20 С.

Изготовление керамических стержней II класса состоит из приго­товления стержневой смеси, запрессовки ее в ящик и сушки (отверж­дения) [89]. Применяют, как правило, связующие типа орг-1.

В литературе рекомендуют в качестве отвердителей растворы едкого натра. Но едкий натр не испаряется и не сгорает при нака­ливании, а с гелем Si02 образует легкоплавкое стекло с низкой вяз­костью, пленки которого окружают зерна основы. Деформация стержня интенсивно возрастает при нагреве его до температуры выше 600 °С. Стержни толщиной 0,4—2,5 мм быстро нагреваются до тем­пературы затвердевания расплава, деформируются или разрушаются, что приводит к браку отливок. Кроме того, при огеливании едким натром трудно управлять процессом огеливания и на стержнях образуются крупные трещины. Свойствами не образовывать с ма­териалом стержней легкоплавкие соединения и улетучиваться при прокаливании (t ≈ 300 °С) обладают, например, триэтаноламин, аммиак или их смеси, растворимые в спирте и воде. Как правило, количество огеливателя составляет 1 % по массе к связующему. Концентрацию его устанавливают опытным путем в зависимости от необходимой продолжительности огеливания.

Стержневую смесь приготовляют однофазным или двухфазным методами. При однофазном методе мерную дозу связующего для одного стержня смешивают с огеливателем и вводят туда предвари­тельно смешанные твердые составляющие. После 15—20 с переме­шивания смесь до начала огеливания запрессовывают в ящик.

На первой фазе двухфазного метода в течение 40—60 мин свя­зующее смешивают с основой до получения густой, но текучей смеси. Такая смесь при медленном перемешивании в защищенном от испа­рения спирта сосуде не изменяет свои свойства и может быть исполь­зована в течение нескольких дней [2]. На второй фазе процесса — перед употреблением смеси в нее при активном перемешивании

вводят огеливатель, перемешивают 15—30 с и запрессовывают смесь в ящик, где она отверждается.

При двухфазном способе нет ограничений по времени и интенсив­ности перемешивания смеси без огеливателя. Получают однородную смесь с равномерным распределением связующего на зернах, а также крупных зерен в объеме смеси. Это позволяет в один объем связую­щего замешать на 25—30 % больше твердых составляющих, чем при однофазном способе, достичь более плотной укладки зерен и, как следствие, уменьшить усадку при затвердевании геля и размеры трещин; а также повысить прочность стержней на 50—60 % при меньшем расходе связующего. Применение двухфазного способа позволяет механизировать процесс приготовления смеси.

Порцию смеси запрессовывают в металлический ящик и после перехода ее в резиноподобное состояние (через 1—2 мин) снимают одну половину ящика, а оставшийся во второй половине стержень сушат с помощью пламени горелки. С поверхности стержня испа­ряется и сгорает спирт, диффундирующий из глубинных слоев. Стержень твердеет. Этот процесс сопровождается усадкой связующего и образованием трещин. При медленном твердении стержня (в есте­ственных условиях) развиваются крупные трещины шириной до 1 мм. Интенсивный нагрев пламенем горелки ускоряет процесс необратимого твердения геля и предотвращает образование круп­ных трещин. Пары спирта сгорают на поверхности стержня и на ней образуется сетка мелких трещин, которые затирают густой суспен­зией с помощью тампона.

Вместо сжигания спирта горелкой можно применять вакуумную сушку. Стержень на нижней части ящика помещают в вакуумный шкаф и постепенно создают разрежение; вакуумная сушка умень­шает количество и размеры трещин, что приводит к повышению прочности стержней.

Повышение прочности керамических стержней пропиткой. Про­питывают стержни толщиной 0,4—4 мм раствором эпоксидной смолы: 9 частей смолы смешивают с 1-й частью полиэтиленамина; в 4 части этой смеси вливают 6 частей ацетона и получают однородный раствор; затем в него на 3—5 мин погружают стержни; после чего их сушат 10—20 мин в вытяжном шкафу; полимеризуют смолу в стержнях при 120—140 °С за 40—60 мин [33]. После этого прочность элек­трокорундовых стержней, предварительно спеченных при 1300 °С, повышается с 14—15 до 50МПа. В процессе прокаливания при 1000 °С электрокорундовых оболочек с пропитанными стержнями смола выгорает и прочность стержней становится примерно такой же, как до пропитки и их удаляют из отливок обычными способами. Этот же способ можно рекомендовать для существенного повышения прочности тонкостенных холодноотвержденных стержней.

ГЛАВА 7

ПЛАВКА МЕТАЛЛА И ЗАЛИВКА ФОРМ

Плавка металла и заливка форм являются важнейшей частью технологического процесса производства отливок, определяющей конечное качество литых деталей.

7.1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При литье по выплавляемым моделям в качестве составляющих шихты используют готовые сплавы в слитках, ферросплавы, лига­туры, поставляемые металлургическими заводами. Реже для вы­плавки сплавов особо ответственного назначения со строго регла­ментированным содержанием примесей используют чистые металлы. В качестве полноценных свежих сплавов широко используют отходы кузнечно-прессовых и металлообрабатывающих цехов: немерные заготовки, обрезки, высечки, облой, бракованные детали.

Ферросплавы применяют для выплавки сталей и сплавов, в ко­торых содержание железа и углерода не ограничено низкими пре­делами. В этом случае ферросплавами пользоваться экономичнее и удобнее, так как они легче растворяются в железной основе стали, чем чистые металлы, и меньше угорают. Низкоуглеродистые стали для шихты, содержащие малое количество примесей, можно приме­нять для выплавки любых марок сталей с необходимой подших-товкой.

Во всех случаях в шихту вводят возврат литейного производства (литники, выпоры, бракованные отливки). Возврат после необходи­мой подготовки (очистки, измельчения) является полноценным шихтовым материалом. Использование для плавки одного возврата литейного производства рекомендовать нельзя, так как при много­кратном переплаве повышается газонасыщенность металла и загряз­ненность его окислами.

Обычно в цехе выплавляют несколько литейных сплавов, поэтому должны быть приняты меры, предупреждающие смешивание возврата различного состава. Забракованные отливки легко различают по конфигурации. Литниковые системы же должны иметь постоянные для каждого сплава отличительные обозначения (различные приливы или клейма, выполняемые в пресс-форме). Например, на модели литниковой воронки выполняют одну или несколько полосок, слу­жащих различительным признаком марки сплава.

Возврат хранят по сплавам на шихтовом дворе в специальной замаркированной таре. Металлические отходы механических и куз-

нечных цехов сортируют и хранят по маркам. Эти материалы исполь­зуют как свежие добавки в шихту.

В случае, если те или иные отходы не соответствуют техническим условиям по химическому составу, их изолируют и пускают в пере­плав только в количестве, предусмотренном расчетом шихты. Если полный контроль химического состава невозможен, следует пред­варительно переплавлять смешанные отходы и отливать из этого переплава слитки, удобные для последующего использования в ка­честве шихты. О составе металла слитков судят по данным хими­ческого анализа плавки.

Шихтовые материалы очищают от ржавчины, окалины, масла, леска, остатков оболочки.

7.2. ЛИГАТУРЫ

При выплавке сплавов цветных металлов, имеющих сравнительно невысокую температуру плавления, широко применяют двойные и тройные лигатуры, содержащие более тугоплавкие элементы, что позволяет избежать перегрева основного сплава и связанного с этим повышенного угара.

Лигатуры должны иметь температуру плавления, близкую к тем­пературе плавления основного сплава, к которому их добавляют, при возможно более высоком содержании тугоплавкого элемента. Так, алюминиевомедная лигатура (67 % Аl + 33 % Сu), присажи­ваемая к алюминиевым сплавам с температурой плавления 650— 700 °С, имеет температуру плавления 548 °С, в то время, как темпе­ратура плавления чистой меди 1083 °С.

Лигатуры применяют также при выплавке сплавов с узкими пре­делами содержания легирующего элемента, когда введение его со­провождается бурной реакцией и степень усвоения непостоянна. Все лигатуры целесообразно готовить в высокочастотных индукцион­ных печах.

7.3. РАСЧЕТ ШИХТЫ

В производстве литья по выплавляемым моделям наибольшее распространение получили индукционные плавильные печи вмести­мостью до 250 кг. Одним из преимуществ этих печей является малый угар элементов, так как процесс плавки протекает быстро и идет под слоем нейтрального или восстановительного шлака. Угар элементов колеблется в значительных пределах. При плавке сталей и сплавов на основе никеля угар составляет:

Элемент . . . Fe С Si Mn Cr W Ti Al

Угар, % . . . 1—3 5—15 10—20 30—50 5—10 3—5 40—60 30—50

При плавке цветных металлов угар составляет:

Элемент . . . Zn Sn Pb Fe Al Si Mn

Угар, % . . . 6—10 1—3 2—4 1—2 1—3 5—7 1—2

Угар никеля, молибдена, серы и фосфора практически не проис­ходит. При плавке в печах с кислой футеровкой кремний не только не угорает, но, наоборот, содержание его увеличивается вследствие перехода из футеровки в металл. Чтобы получить высококачествен­ные по химическому составу отливки, необходимо компенсировать

угар элементов.

Шихту рассчитывают, пользуясь следующими исходными дан­ными: требуемым химическим составом сплава, химическим составом шихтовых материалов, угаром элементов.

Расчет шихты ведут на основные элементы и проверяют на допу­стимую величину вредных примесей. Расчетное содержание того или иного элемента в шихте определяют по формуле

Кш= [Kж/(100-y)] 100,

где Кж — известное содержание элемента в жидком сплаве, перед заливкой; у — известный угар элемента при плавке, % по массе.

Определив среднее содержание элемента в шихте, рассчитывают процентное содержание составляющих шихты.

Пример расчета шихты для выплавки стали 20Х25Н19С2Л в печи с основной

футеровкой (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Исходные данные о химическом составе стали 20Х25Н19С2Л для расчета шихты

Масса завалки 200 кг, из них 40 % свежих шихтовых материалов, что составляет 80 кг, и 60 % возврата — 120 кг.

Расчет содержания Сr. Требуемое содержание в отливках 25 % Сr

(y = 7)

KшCr = [25/(100—7)] 100 = 26,8 % или 53,6 кг.

Вносится Сr в шихту с возвратом 26·120/100 = 31,2 кг. Следует ввести в шихту Сr с феррохромом 53,6—31,2 = 22,4 кг. Требуется феррохрома (65,2 % Сr; 0,15 % С; по данным сертификата сумма других примесей 0,12 %)

22,4-100/65,2= 34,35 кг.

Расчет содержания Ni. Требуемое содержание в отливках 19 % Ni

(y = 0)

Кш Ni = Kж = 19 % или 38,0 кг.

Вносится Ni в шихту с возвратом

(18,8·120)/100= 22,56 кг,

Требуется электролитического никеля (99,8% Ni; 0,1 С; сумма примесей 0,6%) 38,0—22,56 = 15,44 кг (принимая 100 % Ni).

Расчет содержания Si. Требуемое содержание в отливках 2,5 % Si (у = 15)

Kш Si = [2,5/(100—15)] 100 = 2,94 % или 5,88 кг.

Вносится Si в шихту с возвратом [2,3·120/100] = 2,76 кг. Следует ввести Si в шихту с ферросилицием 5,88—2,76= 3,12 кг. Требуется ферросилиция (76,5% Si; сумма примесей, 1,2%) 3,12·100/76,5= 4,07 кг.

Расчет содержания Мn. Требуемое содержание в отливках 1 % Мn (y = 40)

КшMn= (1,0/(100—40)] 100= 1,7% или 3,4 кг.

Вносится Мn в шихту с возвратом [0,8·120/100] = 0,96 кг. Следует ввести Мn в шихту с ферромарганцем 3,4—0,96 = 2,44 кг. Требуется ферромарганца (82,0 % Мn; 1,2 % С; сумма примесей 2,6 %) 2,44·100/82 = 3,0 кг.

Расчет содержания Fe. Железо является основным компонентом спла­ва, содержание его должно быть 52,35 (у = 2)

KшFe = [52,35/(100—2)] 100== 53,4% или 106,8 кг.

Вносится Fe в шихту с возвратом 52,0·120/100 = 62,4 кг (по разности в химиче­ском составе возврата). Вносится Fe в шихту с ферросплавами 12,7 кг. Следует ввести Fe шихту с низкоуглеродистой сталью

106,8—75,1 = 31,7 кг.

Требуется низкоуглеродистой стали (98,5% Fe; 0,1 % С; сумма примесей 1,4%)

31,7·100/98,5 = 32,2 кг.

Расчет содержания С. Требуемое содержание в отливках 0,15 % С (y==10)

KшС= [0,15/(100—10)] 100= 0,17% или 0,340 кг.

Вносится в шихту: с возвратом 0,17·120/100=0,204 кг, с низкоуглеродистой сталью 0,032 кг, с ферросплавами 0,088 кг,

0,204 + 0,032 + 0,088 = 0,324 кг. Требуется дополнительно ввести С в шихту:

0,340—0,324 = 0,016 кг

(16 г углерода в виде дробленого боя графитовых электродов).

Далее рассчитанный состав шихты следует проверить на допустимое содержание вредных примесей S и Р. Допускается S — 0,03 %, или 0,06 кг; Р — 0,035 %, или 0,07 кг. Вносится в шихту (для S и Р, у = 0): с возвратом 0,02·120/100 = 0,024 кг S и 0,024 кг Р (по 0,02 %); с низкоуглеродистой сталью 0,009 кг S и 0,009 кг Р (по 0,03%); с ферросплавами 0,011 кг S и 0,013 кг Р (0,03 % S; 0,03—0,3 % Р).

Содержание серы: 0,024 + 0,009 + 0,011 = 0,044 кг или 0,022 % S < 0,03 % .

Содержание фосфора: 0,024+0,009+0,013=0,046 кг или 0,023 % Р < 0,035 %.

Расчетное содержание S и Р в шихте меньше допустимого предела.

Если проведенные проверки по содержанию углерода, серы и фосфора в шихте показывают повышенное их содержание, то следует применять для шихты сталь с меньшим содержанием углерода и ферросплавы с меньшим содержанием примесей.

Весьма незначительным количеством углерода (0,16 г в приведен­ном примере), необходимого для подшихтовки, в практической работе можно пренебречь, так как это составляет менее 0,01 % и значи­тельно меньше возможных ошибок при взвешивании шихты.

Данные расчета Шихты представляют в одной общей таблице. При составлении шихты для плавки необходимо иметь в виду рацио­нальное использование шихтовых материалов и металла в целом. Масса шихты (завалка) складывается из общей массы отливок, массы элементов ЛПС и безвозвратных потерь.

Коэффициент выхода годных отливок представляет собой отно­шение

Kв. г=Mо.ч / Мш,

где М0, ч и Мш — массы отливок (чистовой) и шихты.

Следует использовать максимальное количество возврата: лит­ники, выпоры, бракованные отливки. В идеальном случае возврат должен составлять основную массу шихты, а добавки свежих мате­риалов (ферросплавы, чистые металлы, лигатуры) в сумме должны компенсировать требуемый по норме расход металла

Hр=Mд + Бл

где Mд — масса обработанной детали; Бл — масса безвозвратных потерь (угар, сплеск, шлифовочная пыль).

Рациональное использование металла повышает коэффициент его использования

КИМ = Мд/Hр.

7.4. ПЛАВКА СПЛАВОВ

Для плавки сплавов могут быть применены любые плавильные печи, отвечающие требованиям выплавки данного сплава и условиям производства. Однако особенности технологии определяют следую­щие специфические требования к плавильным агрегатам: работа плавильных печей должна быть согласована по времени с циклом прокаливания форм; вместимость плавильных печей должна соответ­ствовать объему полостей одновременно заливаемых форм; для плавки и заливки специальных, в том числе пленообразующих сплавов, следует применять вакуумные печи, обеспечивающие ми­нимальное окисление сплава в процессе плавки и заливки.

Плавка металлов и сплавов характеризуется сложными физико-химическими процессами, протекающими при высоких температурах. Процесс плавки состоит из физических преобразований исходных материалов и химических реакций, в которых участвуют составляю­щие сплава и флюсы, а также печные газы и футеровка печей. Сущ­ность этих процессов подробно изложена в работах, посвященных теории металлургических процессов и производству сплавов. Здесь приведены только важнейшие сведения об особенностях технологии плавки сплавов, широко применяемых при литье по выплавляемым моделям.

В зависимости от рода футеровки сталеплавильных печей плавку стали ведут основным или кислым процессом. Основная футеровка печей позволяет выплавлять сталь с пониженным содержанием фосфора и серы, что достигают применением активных шлаков с высоким содержанием извести.

Фосфор — вредный элемент в стали. Он образует фосфиды железа, вытесняет углерод из карбидов железа, придает стали свойства хлад­ноломкости. Реакции окисления фосфора и дефосфорации идут в рас­плавленном металле (гомогенная реакция) и на поверхности раздела металл—шлак (гетерогенная реакция).

В печи с основной футеровкой окись кальция связывает пятиокись фосфора в химически устойчивое соединение — тетрафосфат кальция [(CaO)4·n Ps05], переходящее в шлак.

Сера — также вредный элемент в стали. Сульфиды железа, не растворяясь в твердом растворе, образуют хрупкую эвтектику по границам зерен и вызывают красноломкость стали в интервале температур 800—1200 °С. Процесс удаления серы (десульфурация стали) происходит в присутствии высокоосновного активного извест­кового шлака при высокой температуре.

Кислая футеровка печей разрушается основным известковым шлаком, поэтому известь при кислой футеровке применяют в огра­ниченном количестве. Кислые шлаки тугоплавки, малоподвижны. Удалить фосфор и серу в печах с кислой футеровкой практически невозможно. Однако сталеплавильные печи с кислой футеровкой имеют преимущества перед печами с основной футеровкой в долго­вечности и меньшей стоимости.

Подбирая шихту с малым содержанием серы и фосфора, можно успешно вести плавку в печах с кислой футеровкой. При плавке спе­циальных сталей с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия и со строго ограниченным содержанием кремния происхо­дит насыщение сплава кремнием, восстанавливающимся из кислой футеровки, что недопустимо.

При выплавке марганцовистых сплавов кислая футеровка быстро разрушается, так как закись марганца, реагируя с кремнеземом футеровки, образует легкоплавкий силикат марганца. Алюминий и титан восстанавливают кремний из футеровки. Никелевохромовые сплавы, выплавляемые в кислой печи, загрязняются мелкодисперс­ными включениями кремнезема («кремнистая муть»), которые иногда неразличимы под микроскопом, но, располагаясь между первичными кристаллами, сильно снижают ударную вязкость сплава и ухудшают его пластические свойства. Поэтому такие стали и сплавы плавят в печах с основной футеровкой.

В производстве литья по выплавляемым моделям сталь плавят без окисления, чаще всего методом переплава в электрических индук­ционных печах.

Для плавки без окисления тщательно рассчитывают шихту и со­ставляют ее из свежего сплава и возврата или при необходимости снижения содержания углерода в стали — из 70—80 % возврата и 20—30 % низкоуглеродистой стали (0,1-0,15 % С; ≤0,02 % Р).

Шихту расплавляют при максимальном нагреве металла. К рас­кислению приступают после расплавления шихты и доводки стали по химическому составу. При раскислении происходит восстановление

Рис. 7.1. Схема индукционной плавильной печи повышенной частоты с машинным преобра­зователем

закиси железа, растворенной как в металле, так и в шлаке. Кроме того, раскислители, частично восстанавливающие легирующие эле­менты, находятся в шлаке в виде окислов. Восстановленные легиру­ющие элементы вновь переходят в металл.

Устройство и работа индукционных печей повышенной частоты. Индукционные плавильные печи повышенной частоты (1000—2500 Гц) широко применяют в цехах литья по выплавляемым моделям. С такой частотой и работают современные установки с машинными и тири-сторными преобразователями. На рис. 7.1 приведена схема печи с ма­шинным преобразователем. К трубчатому индуктору, охлаждаемому протекающей внутри него водой, подводят переменный электрический ток, который, проходя по индуктору, создает переменный магнитный поток, пронизывающий футеровку печи и загруженные в тигель ку­ски металлической шихты. Возникающие в металле вихревые токи нагревают шихту до расплавления.

Печи с машинным вращающимся преобразователем состоят из следующих основных узлов; печи 1 с индуктором, конденсаторных батарей 2, возбудителя 3 к преобразователю повышенной частоты 4 электродвигателя 5, вращающего преобразователь, электромонтаж­ной, измерительной, блокировочной и пусковой аппаратуры (на схеме не показаны).

Собственно печь представляет собой каркас с изолирующими про­кладками, внутри которого укреплен индуктор. Изолирующие про­кладки необходимы для того, чтобы вокруг индуктора каркас печи не образовывал замкнутых контуров, что предотвращает утечку энергии в каркас. Тигель, расположенный внутри индуктора, набивают футеровочной массой по конусному металлическому шаблону. Шаблоны делают из листового железа (сварные). Небольшие шаблоны вынимают из печи после набивки. Шаблоны в печах большой вместимости рас­плавляются при первой плавке. Каркас печи укреплен на станине и вращается на цапфах, вокруг сливного носка печи. Поворот печи осу­ществляется электротельфером, гидроприводом или червячным по­воротным механизмом с помощью штурвала.