Добиване на чугун Добиването на чугун може да се извърши по няколко начина: във висока пещ, в която се използува като гориво металургичен кокс; във висока пещ, в която се използува като гориво дървени въглища; във висока електрическа пещ; в нискошахтова електрическа пещ; в къса барабанна въртчща се пещ и др. Измежду тези начини засега най – голямо приложение намира добиването във висока пещ с кокс. Добиване на чугун във висока пещ (вагрянка) Изходни материали За добиване на чугун във висока пещ служат железни руди, манганови руди високопещен газ, гориво и прибавки. Железни руди. Железните руди представляват минерали, които съдържат желязо в количества, позволяващи икономически изгодно преработване на рудата. Те се състоят от две части – рудно вещество (химическо съединение на желязото) и скална маса. По – важните железни руди, които се използуват понастоящем за добиване на чугун, са: магнетит (Fe3O4), хематит (2Fe2O3.3H2O), сидерит (FeCO3). Манганови руди. В железните руди обикновено се съдържа недостатъчно манган, който представлява една от съставките на чугуна. За да се достигне необходимото количество манган при добиването на чугун, се използуват манганови руди. Най – често използуваните манганови руди съдържат 25 до 80% манган във вида на различни манганови окиси. Такива са MnO2 – пиролузит, Mn2O3 – манганит, Mn3O4 – хаусманит, и др. скалната маса на мангановите руди съдържа главно глинести пясъчници, поради което е доста ронлива. Отпадъчни материали. Освен железни и манганови руди при добиването на чугун във високата пещ като изходен материал се използуват и някои отпадъци от металургичното производство. Такива са: пепел от високопещния газ, който съдържа 40 – 50% Fe, шлака от стоманодобивните пещи, съдържаща значителни количества манган окисни люспи, получени при валцоването на металите във валцовачните цехове и др. преди да се поставят в пещта, тези материали се подлагат на съответна предварителна обработка. Горива. Топлината необходима за протичане на металургичните процеси във високата пещ, се получава от изгарянето на гориво. За тази цел се използува най – често металургичен кокс и в редки случаи дървени въглища. Прибавки. Освен руди и гориво при добиването на чугун във висока пещ се използуват и прибавки (флюси), като например варовик (CaCO3), доломит (CaCO3.MgCO3), кварцов пясък (SiO2) и др. Задачата на тези прибавки е да подпомагат образуването на подходяща шлака и с това да улеснят отделянето на скалната маса от метала. Подготовка на материалите за добивния процес За правилното протичане на процесите във висока пещ материалите, които се насипват в нея, трябва да се намират в най – подходящ вид, т.е. да имат определена едрина, определен химически състав и пр. За тази цел обикновено те се подлагат на предварителна механична и химична подготовка. Подготовка на железните руди. Подготовката на железните руди се състои в тяхното раздробяване посредством различни машини за разтрошаване, промиване в барабани за отделяне на полепналата пръст, сортиране и смесване на различни видове руда, обогатяване, уедряване и др. Подготовка на прибавките и на кокса. Подготовката на прибавките се състои в раздробяване и пресяване, за да се отстрани пепелта. Подготовката на кокса се състои в пресяване, за да се отдели ситнежът. Устройство на високата пещ и допълнителните съоръжения Високата пещ представлява шахтова пеш със своеобразен профил. Съвременните пещи се строят с височина до 30 метра, полезен обем до 2700 кубични метра и производителност до 4800 тона чугун за денонощие. За правилната работа на пещта са необходими редица допълнителни

съоръжения, като устройство за пълнене, въздухонагреватели, газоочистители, компресори за въздух, транспортни съоръжения и др. всички тези съоръжения представляват неделима част от пеща и се намират в определена функционална връзка помежду си. Самата висока пещ се състои от два пресечени корпуса - горен голям, наречен шахта, и долен малък, свързан с широките си основи посредством къс цилиндър. В най – долната си част пещта завършва с цилиндрична част, наречена огнище. Най – горната част на шеща също е цилиндрична и се нарича гърло. Този профил на пещта е необходим, за да се даде възможност на материалите, насипани в пещта, да се свличат безпрепятствено надолу, преминавайки през области с постепенно повишаващи се температури, при което, както се знае, те увеличават обема си, а след стопяването те го намаляват. Пещта е направена от стоманен ламаринен кожух, който отвътре е иззидан с висококачествени огнеупорни шамотни тухли. По този начин, от едната страна, стоманения кожух се предпазва от прекалено загряване и евентуално стопяване, а от другата страна, се намаляват топлинните загуби на пещта в следствие на топлоизлъчване. Материалите, необходими за добиване на чугун (руда, гориво, прибавка), наречени шихтови материали, се насипват в пещта през гърлото, в което се намира специално приспособление за пълнене. Това приспособление се състои от два конуса – голям (долен) и малък (горен), разположени един върху друг. Когато в пещта не се насипва материал, двата конуса се повдигнати нагоре – те са затворени. При пълнене материалът се насипва над горния конус. След това последния се спуска надолу, материалът пада върху долния конус, горният конус се затваря (повдига нагоре), а долният се отваря (спуска надолу) и материалът се изсипва в пещта, след което и долният конус се затваря. Посредством това устройство, при което при пълнене единият от двата конуса е винаги затворен, газовете, които се отделят в пещта, не се изпускат в атмосферата, а се улавят и през тръба се отвеждат за по – нататъшно използуване, тъй като съдържат значителни количества топлина. Подаването на шахтовите материали в гърлото на пещта се извършва напълно механизирано със специални вагонетки – подемници. За изгарянето на кокса в пещта се вдухва предварително загрят и сгъстен въздух. Този въздух се довежда до въздушния пояс, който във вид на тръба опасва пещта в най – широката ú част, и оттам се разпределя посредством тръби и специални водоохлаждани бронзови дюзи – форми, в горната част на огнището. Дюзите са разположени радиално по сечението на пещта и в зависимост от големината ╒ техният брой е от 6 до 20. Полученият течен чугун се събира в огнището, откъдето периодически (всеки 2 до 3 часа) се изпуска през специален отвор, разположен малко над дъното на пещта. Течната шлака, която има по – голямо относително тегло, се събира над стопения чугун. Тя се изпуска през отвор,

който е разположен най – често срещуположно и във всички случаи на известна височина над отвора за изпускане на чугуна. Поради високата температури, които са се получили в топлината зона на пеща, в долния конус и в огнището, тези части на пещта се охлаждат. За тази цел в тяхната огнеупорна зидария се вграждат специални касетки, в които циркулира охлаждаща вода. Разходът на охлаждаща вода е около 50 кубични метра вода за 1 тон добит чугун. Както вече се каза, за изгарянето на кокса в пещта се вдухва сгъстен загрят въздух. Въздухът се загрява, за да се намали разходът на кокс и да се повиши температурата в пещта. Загряването на въздуха се извършва в специални въздухонагреватели, наречени каупери, като за целта се използува топлината на излизащите от пещта газове. Кауперите представляват затворени стоманени кули с височина до 46 метра и диаметър 5 – 6 метра. Отвътре кауперите са иззидани с огнеупорни материали така, че се образува едно горивно пространство с кръгло или елипсовидно сечение и една огнеупорна решетка. Загряването на каупера трае около 2 пъти по дълго (около 2 часа), отколкото загряването на въздуха в същия каупер (около 1 час). Поради това за правилната работа на една висока пещ са необходими поне 3 каупера – 2 каупера за загряване едновременно от газа, а един загрява въздуха. Обикновено към всяка висока пещ се строят 4 – 5 каупера, за да има винаги запас, в случай че някой от кауперите се повреди. Горивните процеси се извършват, общо взето, по следния начин. Кислородът от въздуха, който се вдухва през формите на пещта, окислява въглерода от кокса, при което се отделя значително количество топлина по реакцията C+O2=CO2+Q Намирайки се в контакт с разжарения кокс, полученият въглероден двуокис при високи температури (над 1000°С) се разлага почти напълно във въглероден окис по реакцията CO2+C=2CO – Q Главната задача на металургичните процеси е да се дезоксидира желязото от железния оксид и да се отдели скалната маса от желязото. Заедно с това при съществуващите условия в пещта се извършват и други процеси, в резултат на което именно се получава на чисто желязо, а сложна сплав на желязото – чугун. При постепенно свличане на шихтовите материали, които преминават през различни температурни области се извършват следните процеси. Близо до гърлото на пещта при температура 102 – 105 °С се изпарява хигроскопичната влага (несвързаната вода). След това при около 200 – 400°С се отделя хидратната (свързана във вид на молекула) влага. Тук се отделя например водата, която се съдържа в лимонита, в глинестите вещества на рудата и др. приблизително в тези температурни области се отделят и летливите вещества на кокса във вид на CH4. При достигане на материала в области с температура 400 - 900°С се извършва дисоциация (разпадане) на карбоните, при което се отделя въглероден двуокис и съответен окис. Карбонати в шихтата са например някои от прибавките – варовик (CaCO3), магнезит (MgCO3), доломит (MgCO3.CaCO3), а също така и желязната руда сидерит. Едни от най – важните металургични процеси във висока пещ са редукционните процеси (отнемане на кислород от окисните съединения). Редукцията се извършва от редуктора (окислители), които имат по – голямо сходство (афинитет) км кислорода, отколкото металът, образуващ окиса. Във висока пещ такива редуктори са:

Въглеродния окис, който се образува около отворите за въздух при горенето на кокса;

Водородът, който се получава в долните части на пещта от взаимодействието на влагата на вдухвания въздух с въглерода от кокса по реакцията H2O+C=CO+H2;

Твърдия въглен от разжарения кокс Редукцията с въглероден окис се нарича индиректна, а редукцията с твърд въглен – директна. Редукцията на железния окис се извършва най – интензивно в областите с температури от 400 – 950°С чрез постепенно отнемане на кислорода в следния ред: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe При това по – голямата част от редукцията се извършва от въглеродния окис, т.е. индиректно по реакциите: 3Fe2O3+CO = 2Fe3O4+CO2+Q Fe3O4+CO = 3FeO+CO2 – Q FeO+CO = Fe+CO2+Q

Други методи за добиване на чугун Освен във висока пещ чугун се добива и по други начини, каквито са добиване на чугун във висока електропещ, в нискошахтова електропещ и в барабанна въртяща се пещ.

Добиване на чугун във висока електропещ. При този метод вместо кокс като източник на топлина се използува електрически ток. По своя вид високата електропещ, общо взето, прилича на коксовата висока пещ с тази разлика, че тя е с по – малки размери и че огнището е силно разширено и в него са разположени 4 – 8 въглени електрода, които служат за получавване на електрическа дъга. Добиване на чугун в нискощахтова електропещ. При този метод добиването се извършва в цилиндрична електродъгова пещ със сравнително малка височина. Като редуктор се използува кокс. Получените газове се улавят, за да се оползотвори съдържащата се в тях топлина. Добиване на чугун в барабанна въртяща се пещ. Този метод е разработен за преработване на руди, чиито състав не позволява да се прерабортват във висока пещ – например пиритни пържилни отпадъци, които се получават при добиването на сярна киселина, и допуска да се използуват евтини горива – например каменни въглища. Всички тези методи, сравнени с обикновенния високопещен метод, има по – малка производителност и за сега стойността на добития при тях чугун е по – висока. Поради това те имат второстепенно значение и понастоящем чугунът се добива почти изключително във високи пещи.

1 – основна плоча; 2 – опорна колона; 3 – дъно на огнището; 4 – плоча; 5 – дъно на шахтата; 6 – врата; 7 – специален отвор; 8 – наблюдателен отвор; 9 – въздушен пояс; 10 – вентилатор; 11 – облицовачен огнеупорен материал; 12 – стоманена ламарина; 13 – площадка за обслужване; 14 – чугунени плочи; 15 – отвор за зареждане; 16 – зареждащо устройство; 17 – изкроловител; 18 – газоход; 19 – топлоизолационен капак; 20 – преден резервоар; 21 – отвор за чугуна; 22 – улей; 23 – отвор;

Сименс-мартенов метод за добиване на стомана Добиването на стомана в сименс-мартенова пещ се характеризира с това, че процесът се провежда в пламъчна регенеративна пещ и позволява използването както на течен, така и на твърд изходен материал. Възможно е оползотворяване на стоманени отпадъци и преработване на чугуни, които не могат да се използват напълно при конверторните процеси. За първи път течна стомана в пламъчна пещ е била добита от Пиер Мартен през 1865 г., който за повишаване на температурата в пещта е използвал принципа за регенериране на топлината, патентован от Фридрих Сименс. Регенерирането на топлината се извършва чрез предварително загряване на вдухваните в пещта газ и въздух от топлината на отработените газове. По принципа на работа сименс-мартеновите пещи са рафинационни пещи. Окисляването на примесите при тях се извършва главно за сметка на кислорода от железния оксид, който се намира в шлаката, частично на железния оксид, разтворен в метала и на кислорода от пещните газове. Устройство на сименс-мартенова пещ Съвременните сименс-мартенови пещи се строят с вместимост до 500 t. Те използват газообразно или течно гориво (генераторен газ или мазут). Основните съставни части на пещта са топилното пространство 3 и регенеративните камери 12, които са съединени помежду си посредством каналите 8. Топилното пространство, се ограничава от под, свод и стени. За насипване на материала в предната стена на пещта се проектирани отвори 1 (врати), броят на които зависи от големината на пещта. От другата страна е предвиден отвор 5 за изливане на шлаката, който по време на стопяването се затваря с огнеупорен материал. Подът на топилното пространство се прави с определен наклон към отвора за изпускане на метала. Облицовката на работното пространство понастоящем се прави най-често основна и по-рядко кисела, като за целта се използуват висококачествени огнеупори. Регенеративните камери се разполагат пред пещта под работната площадка. Всяка пещ е снабдена с две двойки регенеративни камери: едната двойка служи за загряване на генераторния газ и въздуха, докато в другата двойка се загрява от излизащите газове. Когато пещта работи с течно гориво, регенеративните камери загряват само въздуха. В повечето конструкции регенеративните камери за въздух са по-големи от камерите за газ. Изменението на посоката на движение на въздуха, генераторния газ и газовете, получени от изгарянето, се извършва с помощта на специални превключвателни клапани. Частите от пещта, които са подложени на най-силно топлинно натоварване, се охлаждат обилно с вода.

Физико - химични процеси Окисляването на примесите при добиване на стомана в сименс-мартеновата пещ започва след стопяването на метала. То се регулира от физико-химичните процеси, които се извършват между пещните газове и шлаката, от една страна, и между шлаката и метала, от друга страна. Характерът на окислителните реакции зависи от температурите, които се получават по време на топенето в пещта. Следователно чрез регулиране на температурата могат да се направляват в определена степен и процесите в пещта. Първоначално металът се окислява от кислорода на пещните газове. Получените оксиди и флюси образуват шлака, която покрива метала, и по-нататъшното окисление на примесите се извършва под слой от шлака. За да може да се окислява, шлаката трябва да съдържа значително количество железни оксиди. Кислородът, необходим за окисляване на примесите, може да бъде доставен от пещните газове, от прибавяната в пещта руда или окалина или чрез непосредствено вдухване на кислород в течния метал. След като се достигне желаното съдържание на примеси металът се дезоксидира посредством манган, силиций или алуминий. Шлаката е неизбежен страничен продукт на металургичните процеси. Тя представлява разтвор на различни оксиди и др. съединения, които обикновено са неразтворими в метала. Шлаката се образува от:

- окислените примеси в метала; - внесените в стоманодобивния агрегат шлакообразуващи материали; - стопената и ошлакованата част на огнеупорите, с които е иззидано работното пространство на добивния агрегат; - внесените в металната шихта странични примеси; - миксерната или доменната шлака, която съпътствува течния чугун. Главните функции, които шлаката изпълнява при стоманодобивния процес, са: - осигурява оптимално топлопредаване от източника на топлина (факел или електрическа дъга) към ваната на стоманодобивния агрегат; - пренася необходимия за окислителните процеси кислород от газовата фаза до метала; - предпазва метала от влиянието на газовата фаза (проникване на водород, азот и сяра в метала); - регулира реакции в стоманодобивния агрегат; - създава оптимални условия за отстраняване на сярата и фосфора; - свързва вредните примеси, които се отстраняват от метала; - предпазва желязото и легиращите елементи от прегаряне. Функциите на шлаката в стоманодобивните процеси се осъществяват чрез изменението на параметрите й в хода на процеса. Химичният състав и физичните свойства на шлаката са най-важните показатели, определящи хода на производствения процес. От тяхното изменение зависят условията за протичане на отделните технологични реакции. Образуването на шлака с оптимални за процеса качества се нарича шлаков режим. Воденето на правилен шлаков режим е гаранция за производството на качествен метал. Шлаката има и известна отрицателна роля при стоманодобиването, която се изразява в: намалява добива на метал, тъй като съдържа оксиди на желязото, мангана и легиращите елементи, а също и метални капки от ваната; взаимодейства с всички огнеупори, които се използуват в стоманодобиването, намалява трайността им и повишава замърсеността на метала с неметални включения. Някои оксиди в шлаката се свързват в съединения. Остават и свободни оксиди, които определят характерната химична активност на шлаката. Ако основните оксиди са повече от киселите, тя е основна. В киселата шлака съдържанието на киселите оксиди е по-високо. Амфотерните (неутралните) шлаки се характеризират с приблизително еднакви количества кисели и основни оксиди. Най-важният критерий за технологичните качества на шлаката е т. нар. шлаково число. То се изразява, най-общо като, отношението между сумарните концентрации на киселите и основните оксиди. Тъй като най-силно влияние върху химичния състав на шлаката оказват концентрациите на калциевия и силициевия оксид в тях, основността може да се изрази с достатъчна точност като отношение на концентрациите на тези компоненти. Добиване на стомана в електропещи Основната цел на металургията е свързани с подобряване на качеството на добивания метал. То може да се постигне само с химична чистота на изходните материали. Дори съвсем малки примеси от сяра, фосфор, арсен, кислород или на някои други елементи рязко влошават якостта и пластичността на добитата сплав, правят я крехка. Всички тези примеси се съдържат в рудата и кокса и освобождаването от тях е трудно. При топенето във високата пещ и в мартеновата пещ, основната част от примесите преминават в шлаката и заедно с нея се отделят от метала. Но в стоманата попадат вредни елементи от горящите газове, които влошават свойствата й. За получаването на висококачествена стомана спомага развитието на електрометалургията, тъй като при добиването на стомана в електропещи топлината, необходима за провеждане на металургичните процеси, се получава от използваната електрическа енергия. Поради това за разлика от разгледаните методи обработваният материал не изменя състава си под влиянието на горивото.

Предимства на електропещите В сравнение със сименс-мартеновите пещи електропещите имат редица преимущества. Така например в тях е възможно да се получи стомана с по-ниско съдържание на сяра, както и да се извърши много по-добро дезоксидиране; в електропещите съдържанието на неметални включвания може да се доведе до минимум; да се постигне минимално изгаряне на скъпите легиращи елементи. Освен това в тях може да се извършва бързо загряване до високи температури и да се създава окислителна или редукционна атмосфера. Това прави електропещите особено надеждни за добиването на висококачествени въглеродни и легирани стомани. От различните видове електропещи, които съществуват за добиването на стомана се използват най-много електродъговите и индукционните пещи.

В електродъговите пещи се използва топлинния ефект на електрическата дъга. Електрическа дъга е последен стадий на дъгов разряд между електроди, който настъпва при достатъчна мощност на захранващия източник. Електрическата дъга е плазма и се характеризира с много висока плътност на електрическите товари и ниско прикатодно спадане на напрежението, вследствие на интензивна термойонизация на обема на изолационния материал и по повърхността на катода. Температурата в канала на електрическата дъга и на повърхността на катода, където се опира дъгата, достига 20 000 К и повече. Условието за горене на електрическата дъга се определя от баланса на доставената от източника и отвежданата енергия. Енергията се отвежда от обиколната повърхност на канала на дъгата чрез конвекция, топлинно и светлинно излъчване и разсейване на топлина от електродите. При увеличаване на подаваната в дъгата енергия се увеличава температурата в канала. Вследствие на термойонизацията се повишава концентрацията на електрическите заряди и се разширява диаметърът на канала (увеличава се проводимостта и се намалява напрегнатостта на полето в канала).

При директните пещи електродите се разполагат вертикално и дъгата се получава между електрода и метала. При индиректните пещи електродите се разполагат по такъв начин, че дъгата се получава между тях, над метала. При пещите със закрита дъга електрическата дъгата гори под слой от твърда шихта. За добиването на стомана се използуват директни пещи. Съвременните електропещи работят с трифазен ток, т.е. с три електрода и са с вместимост до 180 тона. Електродъгови пещи - устройство и процеси Електродъговата пещ представлява цилиндричен съд от стоманена ламарина. Подът и стените се облицоват с кисел или основен огнеупорен материал, а сводът се иззижда с огнеупорни тухли и при по-големите пещи се прави подвижен. През три отвора в свода се спускат графитните електроди, които са закрепени така, че със специални механизми могат да се движат във вертикална посока. Пълненето на пещта се извършва най-често през една врата, разположена срещу отвора за изпускане на готовата стомана. За изпускане на шлаката и стоманата цялата пещ (заедно с електродите) може да се наклонява посредством хидравлично задвижвано приспособление. Изходните материали за добиване на стомана в електродъгова пещ са стоманени отпадъци, чугун, желязна руда, флюси, дезоксидатори и добавки. Съставът на изходните материали определя характера на процеса. Когато изходните материали съдържат значително количество вредни примеси, се извършва т. нар. "добиване на стомана с пълно окисление на примесите", а когато съдържанието на вредните примеси е в границите на допустимото, се извършва т. нар. "добиване на стомана с частично окисляване на примесите". Характерът на облицовката на пещта зависи също така от чистотата на изходните материали. При материали с ниско съдържание на фосфор и сяра пещта се облицова с кисели, а при повишено съдържание на тези елементи - с основни огнеупори. В действителност най-често се работи в пещи с основен характер на облицовката.

Индукционни пещи - устройство и процеси Индукционната топлинна пещ е топлинна пещ с индукционно нагряване. Представлява, трансформатор, на който първична намотка е спирала от медна тръба, охлаждана с вода, а вторична - металът, който се топи. Електрическият ток, който преминава по спиралата, създава променливо магнитно поле, което индуцира в нагрявания метал вихрови токове, и се отделя топлина. Индукционните пещи биват тигелни (фиг.1.6-а) и канални (фиг.1.6-б). Тигелната индукционна пещ (фиг.1.6-а) се състои от индуктор 1 и от тигел 2, изработен от керамични материали, графит или стомана. Съществуват разновидности на открита, вакуумна, с газова атмосфера под налягане и др. Захранва се от електрически ток с ниска, средна или висока честота. Използува се за топене на стомана, чугун, мед, алуминий, магнезий, благородни метали. Каналната индукционна пещ (фиг.1.6-б) се състои от индуктор 1, тигел 2, подова опора 3 с канал за топлоотделяне и магнитна сърцевина 4. Каналът за топлоотделяне, в който електромагнитната енергия се превръща в топлинна, постоянно е запълнен с електропроводен материал. Тази пещ се захранва с електрически ток с промишлена честота. Използва се за топене на цветни метали, сплави на цветни метали и чугун. Тиглите на индукционните електропещи имат най-малка устойчивост в сравнение с огнеупорната зидария на другите пещи за производство на стомана. Това се дължи на изискването за минимална дебелина на стените, с които се намалява разсейването на магнитния поток и се увеличава стойността на коефициента на мощността. Тиглите на малките индукционни пещи се изработват от набивни огнеупорни маси, а на големите пещи - от профилни огнеупорни изделия. В индукционните електропещи стоманата се получава по метода на претопяването, т.е. без окислителен период. Съставът на шихтата трябва да се съобрази преди всичко с вида на използувания тигел и с химичния състав на произвежданата марка стомана. При сравнително бързото протичане на процесите в индукционната пещ се контролира само съдържанието на въглерод в метала. Ето защо количеството на въглерода в шихтовите материали трябва да бъде около долната му граница за зададената марка стомана. Шихтата се подбира внимателно като се сортира по химичен състав и едрина. Количеството на легиращите елементи се изчислява точно, след което те се дозират. Едрината на шихтата зависи от размерите на тигела и параметрите на тока. На дъното се насилва дребната шихта, върху нея се поставят легиращите елементи, а най-отгоре - едрите метални късове. За да се предпази студеният метал от окисляване, в тигела се внасят и определено количество надробени флюси, които образуват подходяща основна или кисела шлака. Шихтата започва да се топи отгоре надолу при постепенното увеличаване на големината на тока. При спадане нивото на метала, в тигела се допълва шихта. Когато металът се стопи напълно, се проверява въглеродното му съдържание. Ако е необходимо, във ваната се добавя въглерод. При по-високо съдържание на въглерод в метала, се внася руда или металът се продухва с кислород за окисляване на излишния въглерод. Легирането на метала се провежда, след като съдържанието на въглерода достигне желаните граници. Ваната се откислява (дезоксидира) по обемен или дифузионен начин. Редукционната смес за по-разпространеното дифузионно откисляване се състои от кокс, феросилиций и алуминий. Едновременно с откисляването се провежда и максимално възможното обезсярване. Предимства и недостатъци на индукционните пещи Индукционните стоманодобивни пещи имат някои предимства пред електродъговите. Под действието на електромагнитните сили металът се разбърква непрекъснато и реакциите протичат по-пълно. Поради липсата на допълнително навъглеродяване от графитните електроди е възможно получаването на нисковъглеродни марки стомана. Газонасищането на метала е незначително. Индукционните пещи са сравнително малки и са много удобни за комбинирани стоманодобивни процеси. Възможностите за точно регулиране на технологичните

параметри и за по-пълното автоматизиране на процесите са по-големи. Като основен недостатък на технологията при индукционните пещи е ниската активност на шлаката и оттам по-малките топлинни възможности на самата пещ. Това намалява ефективността на обезсярването и обезфосфоряването на стоманата. Огнеупорната зидария на тигелите е с малка издръжливост. Производството на стомана в индукционни електропещи се характеризира с високи технико-икономически показатели. Това се изразява преди всичко с по-ниската себестойност на произвежданите високолегирани и специални марки стомана.

1.5. Методи за добиване на качествени стомани Специалните електропещи (вакуумнодъгови, електроннолъчеви, плазменодъгови и електрошлакови) са предназначени за производство на висококачествени стомани с повишена чистота по отношение на кислород, сяра, водород, азот, неметални включения и редица вредни примеси от цветни метали. Шихтата се подготвя специално, като най-често предварително се стопява в обикновени пещи и след това се отлива на блокчета или електроди, които се претопяват. Пещите и съоръженията са сложни и скъпи и имат много по-малка производителност от електродъговите и индукционните пещи. Ето защо произвежданата стомана е до четири пъти по-скъпа в сравнение с обикновената висококачествена стомана от същата марка. Специалните стомани се използват за изработване на детайли с много отговорно предназначение.

Преработване на чугуна в стомана

Въведение Най-общо, значително количество високопещен чугун в течно състояние отива за производство на стомана. От познатите няколко начина за получаване на стомана, сега най-широко се използва кислородно-конверторният. При този метод, отстраняването чрез изгаряне (окисляване) на примесите на високопещния чугун - въглерод, манган, силиций, фосфор и сяра, се извършва чрез вдухване на кислород над течния метал, без необходимост от допълнителен топлинен източник. Кислородно-конверторният (L-D) метод има следните положителни страни: - висока производителност, - използват се стоманени отпадъци (скрап), стигащи до 30% от масата на вкарвания в пещта чугун; - съдържанието на азот в получаваната стомана е ниско; - съоръжението (конверторът) за преработване на метала има повишена продължителност на използване. 1. Кислороден конвертор - устройство и последователност на работа Конверторът е стоманен крушообразен съд (фиг.1). Отвътре е облицован с огнеупорни магнезито-доломитови тухли с основен характер. Има диаметър около 6 метра, височина до 10 метра и вместимост до 350 тона. Ориентировъчно, един такъв конвертор дава за по-малко от 40 минути около 200 тона стомана. Конверторът е изграден от три части - горен конус с гърло, цилиндрична част и дъно. Конструиран е така, че да може да се завъртва около хоризонталната си ос. Има странично разположен отвор за изливане на стоманата без увличане на шлака. В началото (фиг.2), конверторът се наклонява и през гърлото му се насипват стоманени отпадъци в твърдо състояние. Следва наливане на транспортирания от високата пещ чугун. Той е със съдържание на въглерод до 4,7% и на силиций до 1,5%, като предварително (извънпещно) е бил подложен на обезсеряване чрез продухване с калциев карбид или натриев карбонат (сода). Конверторът се изправя във вертикално положение и в него се спуска водоохлаждаема тръба, на края на която е разположена медна водоохлаждаема дюза. Разстоянието до нивото на течния метал е около 800-1200 mm. Започва вдухването на кислород. При достатъчно прогряване на метала, в конвертора се добавя и CaO за образуване на шлака при взаимодействието с отделилите се при продухването оксиди. След около 15-25 минути, време, за което се получава зададеното (ниско) съдържание на въглерод, фосфор и сяра, продухването се преустановява. Конверторът се наклонява, взимат се проби от метала, прави се експрес-анализ и само при необходимост от корекции, отново се изправя във вертикално положение за допълнително продухване. Ако съставът и температурата на стоманата са според изискванията, конверторът се наклонява по посока на отвора за изливане и се освобождава от метала. Накрая, през гърлото на конвертора се изсипва и шлаката.

Технологичност на отливките Най-общо, подготовката за изработване на машинните детайли чрез леене става с участието на конструктори и технолози, в резултат на което се прави съответната конструктивно-технологична документация. При тази дейност от съществено значение е създаването на такава конструкция на отливката, която да осигури:

лесно изработване на леярската форма,

високо качество на отливката и

минимални разходи за труд, енергия и материали, включително минимално следващо механично обработване.

Когато конструкцията отговаря на тези изисквания, отливката е технологична и се извършват необходимите действия за нейното производство. По-долу са посочени примери на технологични и нетехнологични решения, според определени изисквания на процеса за изработване на лети заготовки в пясъчни форми.

Технологичност на отливките, съобразно изработването на леярската форма

За да се улесни изваждането на модела от формата, конструкцията на отливката трябва да бъде с максимално опростен външен контур и неговите елементи плавно да преминават един в друг, като се избягва включването на изпъкнали и вдлъбнати части по стените. При конструирането на отливките се използва принципът на паралелните лъчи и сенките (фиг.1). Този принцип се състои в мисленото прекарване на сноп лъчи перпендикулярно на делителната повърхнина на модела. При наличие на засенчени места (а-е), моделът би се извадил само с разрушаване на формата. С някои изменения в конструкцията на детайла, тези места се отстраняват и отливката става технологична, без да се променя нейното предназначение. При конструирането на отливки е необходимо да се опростява и намалява броят на делителните повърхнини. По възможност, тези повърхнини трябва да са плоски (фиг.2), което улеснява изваждането на модела, осигурява удобство при събиране на формата и стабилно разположение на сърцата. Всяка допълнителна делителна повърхнина изисква още каси или сърца, което затруднява производствения процес. При избора на делителната повърхнина и на положението на отливката във формата се взема под внимание следното: - височината на формата, респ. на касите, в които тя се изработва, трябва да бъде възможно най-малка; - по-голямата част от отливката е добре да се получава в долната полуформа, а когато конфигурацията го позволява - и изцяло в нея (фиг.3); - да се избягват отделими части от модела; - да се осигури разполагане на сърцата в долната полуформа. При анализа на конструкцията на отливката се обръща особено внимание и на тези нейни зони, получавани с използването на леярски сърца. Технологичната отливка трябва да се изработва с минимален брой сърца, които да се установяват във формата лесно и сигурно (фиг.4). Чрез намаляване на броя на сърцата се постига удобство и бързина при формоване, както и увеличаване на точността на бъдещата отливка.

Технологичност на отливките, съобразена с условията за получаване на висококачествени отливки

За да се получат отливки с определени якостни показатели, конструкцията им трябва да осигурява плътна структура без леярски дефекти. Това се постига чрез създаване на условия за протичане на насочена (едновременна) кристализация на сплавта в леярската форма. На фиг.5 е показано изменение на конструкцията, като в горната част на отливката е направено удебеление, поради което там втвърдяването на сплавта ще се забави и всмукнатините, образуващи се преди промяната, ще се преместят в мъртвата глава. Значение за получаване на бездефектни отливки има и плавният преход от тънки към дебели стени, без резки изменения в сечението и в посоката на стените, както и добавянето на подходящи закръгления в тези зони. Качествени отливки се получават и когато наличните в конструкцията им елементи (напречни стени, ребра) не затрудняват запълването на формата с метал. Заедно с това, трябва да се избягват плоски стени с голяма площ, разположени хоризонтално (фиг.6). Чрез изменението на тяхната форма в конусна или сферична, се улеснява плавното покачване на нивото на метала и се осигурява изтласкването на газовете и неметалните включвания.

Технологичност на отливките, съобразно изискванията за механичното им обработване

Технологичността на отливките се обвързва и с тяхното опростено, лесно изпълнимо и икономически ефективно механично обработване. Още при конструирането на отливките, за да се избегне обработването на големи плоскости, те се правят прекъснати и тогава за стружкоотнемане остават само отделни техни зони (фиг.7). Подобно е положението и при външни и вътрешни обработваеми цилиндрични повърхнини. Конструкцията на отливката трябва да осигури работа на металорежещата машина без промяна на положението при обработването (фиг.8), както и условия за предотвратяване на изместването на свредлото при пробиване (фиг.9).

Леене в черупкови форми и със стопяеми модели

1. Леене в черупкови форми Черупковите форми и сърца се изработват от ситен кварцов пясък и фенолформалдехидна смола. При нагряване смолата се стопява, обвива пясъчните зърна и полимеризира. Така се образуват черупки с определена конфигурация. Черупковата форма се образува при свързването на две релефни полуформи (черупки) с дебелина на стените 5-15 мм. Преди затварянето на отделните черупки в тях се разполагат и черупковите леярски сърца, изработени по подобен начин. Формата се поставя в контейнер и пространството между тях се запълва с пясък, чакъл или метални дробинки. Така укрепената форма се предпазва от евентуално разрушаване при заливането с метал. Предимствата на черупковото леене са: високо качество на отливките - те са точни и с чиста повърхнина, намален разход на формовъчни материали, добра производителност, необходимост от малки производствени площи за реализация на метода, лесно отделяне на готовите отливки от формата и ниски разходи за почистване на отливките. Недостатък на метода е високата цена на смолата и оборудването. Условията на труд в много от случаите са влошени. Леенето в черупкови форми не се използва за изработване на едри и тежки отливки. Най-изгодно е при едросерийно и масово производство на отливки от стомана, чугун и цветни сплави. Леене със стопяеми модели При този метод, известен още като прецизно леене, моделът на отливаното изделие се изработва от леснотопима смес, съставена от парафин, стеарин и церезин. Стопената или нагрята до пастообразно състояние смес се пресова в метална прес-форма. След втвърдяване на моделната смес, прес-формата се отваря и моделът се изважда. Най-често, восъчният модел се сглобява заедно с направените преди него модели на обща леякова система. Така събраният блок се покрива с топлоустойчива керамична маса. Това става като моделният блок се потопява в съд със суспензия, състояща се от маршалит (кварцово брашно, смлян кварцов пясък) и свързващо вещество хидролизиран етилсиликат. Следва изваждане на моделния блок от съда, изцеждане, посипване с фин кварцов пясък и изсушаване. Тези действия се извършват няколкократно до образуването на черупка с дебелина 3-5 мм. По-нататък, чрез загряване моделът се стопява и изтича, като се образува неразглобяема черупкова форма. Формата се изпича при температура 850-900 ºС, при което изцяло се отстраняват остатъците от моделния състав, формата придобива по-голяма якост и се създават много добри условия за движението на метала при леене. Различните технологични решения включват при необходимост формата да се укрепва с пясък в контейнер и заедно с него да се изпича и залива с метал. След заливане и охлаждане на метала, формата се разрушава, отливките се отделят от общата леякова система, почистват се, термообработват се (чрез нормализация) и ако е необходимо се подлагат на механична обработка. Основните предимства на метода са следните: голяма точност и ниска грапавост на отливките, възможност за изработване на сложни детайли с тънки стени (0.5-10 мм) и маса от 20 г до 100 кг, значително намаление на механичната обработка, като в някои случаи, такава не се предвижда. Като недостатъци на метода се посочват следните особености: изработването на формата е продължително, за всяка отливка е нужен нов модел, за формата се използват скъпи материали, необходими са специални машини и съоръжения. Този начин на леене е икономически най-изгоден за изработване на детайли в едросерийното и масовото производство, за авиационната промишленост, автомобилостроенето, турбини и турбокомпресори и др. Извън промишленото му приложение, леенето със стопяеми модели се използва от древността до наши дни като метод за получаване на художествени и монументални отливки.

Вакуумно формоване

Вакуумното формоване в по-голямата част от света се нарича V-процес. В началната позиция, полиетиленово фолио 1, изпънато на рамка 2, се нагрява от нагревателя 3. Под фолиото се намира леярският модел 4, разположен върху камера 5, в която се поддържа вакуум. Работната повърхнина на модела е свързана с камерата чрез малки отвори 6. Рамката с нагрятото фолио се притиска към камерата. Фолиото обвива модела, поради разликата в наляганията - над фолиото действа атмосферно налягане, под фолиото, от страна на модела, има вакуум. По-нататък, върху фолиото се нанася противопригарна обмазка и тя се изсушава. На втора позиция, върху камерата се поставя каса 7, с възможност за вакуумиране на пространството около модела. Затова, касата е с двойни стени и има хоризонтално разположени тръби, свързващи тези стени. Насипва се кварцов пясък 8 и той се вибрира. Преди да се стигне до показаното на следващата, трета позиция, пясъкът (след вибрирането) се изравнява и се покрива с фолио 9. След това, касата се свързва към вакуумиращата система, а вакуумът към камерата се изключва. Така, пясъкът се оказва затворен между двете фолиа. От възникналата разлика - атмосферно налягане от външната повърхнина на фолиата и вакуум във вътрешното пространство на касата, пясъкът загубва своята подвижност и формата придобива необходимата якост. Едва сега се стига до показаното на трета позиция отделяне на вакуумираната форма 10 от модела и камерата. Във формата се образува кухина с профила на модела. Накрая, на четвърта позиция, формата се събира (затваря) с друга форма 11, изработена по същия начин. След леене и кристализация на сплавта, вакуумът към касите се прекъсва, пясъкът възвръща първоначалното си насипно състояние, охлажда се и се използва отново, а получената отливка се почиства и се подлага на механична обработка. Предимствата на вакуумното формоване са следните:

много добра размерна точност на отливките, което намалява механичната им обработка. Точността произтича от това, че леярските наклони, познати от традиционното леене в пясъчно-глинести форми, са минимални или липсват изобщо, тъй като моделът се отделя лесно от формата (не контактува пряко с пясъка, а триенето с фолиото е пренебрежимо малко). Прибавките за механична обработка са минимални;

високо качество (ниска грапавост) на повърхнините на отливките, което също намалява механичната обработка;

увеличени възможности за изработване на сложни тънкостенни отливки, тъй като формозапълняемостта е значителна - течният метал запълва много добре участъците от формата с малки сечения;

липсва подготовка и регенерация на формовъчни смеси, което спестява разходите за труд, оборудване и енергия, и намалява необходимите производствени площи.

Към недостатъците на метода могат условно да се отнесат: ниска производителност, запрашаемост на работното место и повишена зависимост от енергийния източник. Намалената, в сравнение с безкасовото формоване например, производителност предполага изработването само на определен тип отливки - едрогабаритни отливки, дребносерийни детайли, еднократни отливки за моделна екипировка, художествени отливки и др. Правилният подбор на вида на отливките, всъщност, е от съществено значение и за другите леярски технологии. И много зависи от конкретните условия. Идеален метод за всички отливки няма, разбира се. Проблемът със замърсените работни пространства тук стои по-остро, тъй като се работи с чист (без свързващи вещества) кварцов пясък, което си е и чиста силикоза. И той се решава успешно, но не като се строшат джамовете на цеха, за да става течение, а с качествена вентилация, която струва много пари. И накрая, естествено, при едно спиране на тока, вакуумпомпата също спира и формите веднага се разпадат. И всичко започва отначало. Но коя е тази съвременна леярска компания, която ще допусне такъв енергиен срив? Затова и посочваните, най-често в учебната литература "недостатъци", трябва да се приемат доста условно.

Леене в кокили Леенето в метални форми (кокили) се използва за получаването на серийни отливки, предимно от цветни сплави, като изработените детайли са от няколко грама до десетина килограма и имат различно предназначение. При този метод на леене, кокилата се запълва със стопен метал при атмосферно налягане, без външно въздействие. След кристализацията на метала, кокилата се отваря и отливката се изважда. Процесът се извършва многократно. Кокилата се изработва от чугун или стомана и в нея се формира външната повърхнина на отливката. Вътрешните зони на отливката (отвори, кухини) се оформят от профилни елементи, наречени сърца. Те са метални или пясъчни. Особеностите, произтичащи от използването на металната форма, най-общо са три:

металната форма охлажда течния метал с по-голяма скорост, в сравнение с пясъчната форма. Това изисква:

o подгряване на металната форма преди заливане, за да се гарантира цялостното й запълване и да се намали скоростта на охлаждане на налятата сплав;

o използване на топлоизолационни покрития (обмазки), които (ако е възможно) са с различна дебелина в различните зони от работната кухина на кокилата, за да се реализира равномерно охлаждане на частите от отливката, имащи различна дебелина на стената (т.нар. насочена кристализация). Покритията от своя страна, предпазват кокилата от термичното и механичното въздействие на течния метал и удължават нейното използване;

o подходяща температура на сплавта преди леене; o правилно изчислена и разположена леякова система за подвеждане на течния

метал с възможност за подхранване на дебелостенните зони от отливката (термичните възли);

o леене с точно определена от конкретните условия скорост, която, когато това е практически възможно (при по-големи отливки), може да се променя в различните моменти от запълването на кокилата;

металната форма, за разлика от пясъчната, не пропуска газове. Така, при навлизане на течния метал, въздухът от все още недолятата част от кухината на кокилата и газовете, получени при взаимодействието на метала с различните покрития (обмазки), не успяват да се отделят. Липсата на газопропускливост се компенсира с вентилиране на кокилата. В проблемните участъци от работната й кухина се пробиват малки отвори и в тях се поставят къси метални елементи с прорези (венти). Вентите пропускат газовете, но спират течния метал. Голяма е ролята за обезвъздушаването и от страна на отливъка, който задължително се разполага в най-високите зони на кухината;

отливките се отделят трудно от кокилата. Наличието на по-големи леярски наклони в конфигурацията на отливките улеснява отделянето, но такива наклони не всякога е възможно да бъдат разполагани, а и увеличават следващата механична обработка. Всичко това налага използването на избутвачи. Те представляват метални щифтове, разположени проходно в стените на кокилата. С единия си край те контактуват с отливката в точно подбрани за целта нейни зони. Другият им край излиза извън стената на кокилата, което позволява нанасянето на удари, водещи до преместване на избутвача и отделяне на отливката. За намаляване на триенето между кокилата и получената в нея отливка, подходящи места от кокилата се покриват със смазващи средства (обмазки). От значение е и правилно избраното време за отделяне на отливката. Ако това стане прибързано, избутвачите могат да навлезат във все още не напълно кристализиралия метал, както и да отчупят части от отливката по същата причина. Тъй като металните стени на кокилата са неподатливи, пак за разлика от пясъчната форма, свиването на отливката е затруднено. Закъснялото отделяне води до поява на напрежения, пукнатини и до повишени усилия, прилагани към избутвачите, в резултат на което също са възможни напуквания, деформация и разрушаване на части от отливката.

За да се избегнат различните дефекти в отливките, технологичният режим на леене трябва да е съобразен с влиянието на изброените дотук особености.

Няколко са предимствата на леенето в кокили, в сравнение с леенето в пясъчни форми:

много добра размерна точност и ниска грапавост на повърхнините на отливките, което води до намалена механична обработка;

повишени механични свойства на отливките, произтичащи от издребнената структура на кристализиралия при по-голяма скорост метал;

висока производителност с реализация в ограничена производствена площ, което се предопределя от липсата на подготовка, уплътняване, регенерация и транспорт на формовъчни смеси;

подобрени санитарно-хигиенни условия на работа.

Най-често в литературата, като недостатък на леенето в кокили се споменават трудностите при изработването на кокилите и оттам - тяхната висока цена. Това налага използването на метода в условията на серийното и масовото производство. Близо двадесетгодишният опит на Лабораторията по леене към ТУ-София в изработването на кокили и в леенето в кокили, дава основание да се твърди, че когато кокилите се изработват чрез леене по известния V-процес, следващата механична обработка на кокилите значително намалява, което ги прави по-евтини и приложими дори при малки серии от 100-200 отливки. Леене под налягане и с противоналягане Леене под налягане При този метод, стопеният метал запълва под налягане кухината на леярската форма. Формата (пресформата) е разглобяема и е изработена от стомана. Налягането над метала, което може да достигне няколко десетки атмосфери, се осъществява чрез бутало, задвижвано от сгъстен въздух или машинно масло. Тук са разгледани само два варианта на леенето под налягане - леене с вертикална студена камера (фиг.1) и леене с гореща камера на пресоване (фиг.2). При използване на машини с вертикална пресова камера, стопеният метал се дозира в камерата, горното бутало (буталото за пресоване) се задвижва и оказва голямо налягане върху стопилката, чрез която долното бутало (контрабуталото) също се задвижва. При това преместване се открива леяковата система и металът запълва кухината на пресформата. След кристализацията на стопилката, подвижната част на пресформата се премества встрани, а отливката заедно с леяка се отделя с помощта на избутвачи. Останалият неизползван метал се изтласква от зоната на камерата и се подава за претопяване. При машините с гореща камера на пресоване, камерата е разположена непосредствено в стопения метал. При най-горно разположение на пресовото бутало, стопилката свободно преминава през отвор в пресовия цилиндър и запълва неговото пространство. Металопроводът, намиращ се над нивото на метала се нагрява допълнително, за да се предотврати възможното застиване на стопилката в тази зона. След задвижване на пресовото бутало, то затваря отвора в цилиндъра и осъществява налягане върху течния метал, намиращ се в него. Металът навлиза в пресформата и я запълва. След втвърдяване на сплавта, буталото се връща в изходно положение, пресформата се отваря и отливката се изважда от нея. Работното налягане е в рамките на 1-8 MPa (10-75 атмосфери). Трябва да се отбележи, че при машините с гореща камера на пресоване производителността е по-голяма, а загубите на метал са незначителни, в сравнение с машините със студена камера. Износването на двойката бутало-цилиндър, обаче, е голямо и при увеличена хлабина между тях, пресовото налягане се намалява. Използва се за сплави с температура на топене до 500 ºС. Основните предимства на леенето под налягане са: много високо качество на отливките (налягането осигурява добра запълняемост на пресформата от страна на метала, поради което получените отливки са с чиста и гладка повърхнина, и отлична размерна точност, от бързото охлаждане структурата е дребнозърнеста, което води до повишени механични свойства), възможно е изработването на отливки с отговорно предназначение с тънки стени и сложна конфигурация, процесът е с голяма производителност, подобрени са условията на труд, което произтича от липсата на формовъчни смеси.

В същото време, леенето под налягане е сложен технологичен процес, изискващ добри познания в областта на металургията на сплавта, технологията на леене, производството на пресформите и на механиката при експлоатация на машините. Важен недостатък на този метод е появата в отливките (с по-голяма дебелина на стената) на дребни въздушни включвания (пористост). Намиращият се в пресформата въздух не всякога успява изцяло да се отдели и е възможно частично да се смеси с течния метал. Не успяват да се отделят напълно и газовете, разтворени в навлизащата в пресформата стопилка. Поради пористостта, отливките не трябва да се подлагат на термообработка, защото при нагряването е възможна тяхната деформация. Чрез леенето под налягане се изработват отливки от цинкови сплави, някои алуминиеви сплави и от месинг. Има съществени трудности при леене на други сплави с температура на топене над 1000 ºС. Високата цена на машините и пресформите предполага използването на този метод в условията на серийно и масово производство. Използвана литература

1. Беккер, М.Б., Литье под давлением, М., Висшая школа, 1978. 2. Емельянова, А.П., Технология литейной форми, М., Машиностроене, 1979.

Леене с противоналягане Леенето с противоналягане е метод, разработен в България от професорите Балевски и Димов. Резервоарът 1 е напълнен с течен метал. Резервоарът заедно с формата 3 и леяковата тръба 2 са херметично затворени. Чрез сгъстен въздух през вентила "а" в цялата система се създава определено налягане P1 по-голямо от атмосферното. След това, като се затвори вентилът "б" и се отвори вентилът "с" се създава разлика в налягането в резервоара за течен метал 1 и в камерата 4, където се намира формата 3. Разликата P1-P2 предизвиква движение на метала по леяковата тръба към формата. Запълването на формата става плавно и със скорост, зависеща от разликата P1-P2. Характерното при този метод е, че кристализацията на метала протича при високо налягане (около 2 MPa или 20 атмосфери). Високото налягане възпрепятства отделянето на разтворените в стопилката газове във вид на газови мехурчета и спомага за инфилтрирането на течен метал между образуващите се дендритни кристали. Така се получават висококачествени плътни и без пори отливки, с по-голяма дебелина на стената, в сравнение с тази при леенето под налягане. Отливките могат да се подлагат на термична обработка. Високата цена на машините и пресформите предполага използването и на този метод в условията на серийно и масово производство. Специални методи на леене Леене в черупкови форми Черупковите форми и сърца се изработват от плакиран пясък, зърната на който са обвити с фенолформалдехидна смола. При нагряване, смолата свързва отделните песъчинки, като се образуват черупки с определена конфигурация. Накратко, технологичният процес се реализира при следната последователност:

нагрятите до 220-250 ºС модел и моделна плоча 1 (фиг.1а), с предварително нанесено върху тях топлоустойчиво разделително покритие, се разполагат върху обръщаем бункер 2, съдържащ плакиран пясък 3;

бункерът заедно с моделната плоча се обръщат на 180º, при което част от плакирания пясък под въздействието на топлината образува черупка 4 (фиг.1б);

бункерът и моделната плоча се връщат в изходно положение, като останалият в насипно състояние, неучаствал в образуването на черупката 4 (фиг.1в) плакиран пясък, отново се установява в дъното на бункера за следващо използване;

моделната плоча и черупката се отделят от бункера и се поставят в пещ, където при температура 300-350 ºС за около 2-3 минути става окончателното втвърдяване на черупката. След това, готовата черупка се отделя от моделната плоча с помощта на избутвачи 5 (фиг.1г);

черупковата форма се образува при свързването на две релефни полуформи (черупки) с дебелина на стените 5-15 mm. Преди затварянето на отделните черупки в тях се разполагат и черупковите леярски сърца, изработени по подобен начин. Формата 6 (фиг.1д) се поставя в контейнер 7 и пространството между тях се запълва с пясък, чакъл или метални дробинки 8. Така укрепената форма се предпазва от евентуално разрушаване при заливането с метал.

Предимствата на черупковото леене са: високо качество на отливките - те са точни и с чиста повърхнина, намален разход на формовъчни материали, добра производителност, необходимост от малки производствени площи за реализация на метода, лесно отделяне на готовите отливки от формата и ниски разходи за почистване на отливките. Недостатък на метода е високата цена на смолата и оборудването. Условията на труд в много от случаите са влошени. Леенето в черупкови форми не се използва за изработване на едри и тежки отливки. Най-изгодно е при едросерийно и масово производство на отливки от стомана, чугун и цветни сплави. Леене със стопяеми модели При този метод (фиг.2), известен още като прецизно леене, моделът на отливаното изделие се изработва от леснотопима смес, съставена от парафин, стеарин и церезин. Стопената или нагрята до пастообразно състояние смес се пресова в метална пресформа. След втвърдяване на моделната смес, пресформата се отваря и моделът се изважда (фиг.2а). Най-често, восъчният модел се сглобява заедно с направените преди него модели на обща леякова система (фиг.2б). Така събраният блок се покрива с топлоустойчива керамична маса (фиг.2в). Това става като моделният блок се потопява в съд със суспензия, състояща се от маршалит (смлян кварцов пясък) и свързващо вещество хидролизиран етилсиликат. Следва изваждане на моделния блок от съда, изцеждане, посипване с фин кварцов пясък и изсушаване. Тези действия се извършват няколкократно до образуването на черупка с дебелина 3-5 mm. По-нататък, чрез загряване моделът се стопява и изтича (фиг.2г), като се образува неразглобяема черупкова форма. Формата се изпича при температура 850-900 ºС, при което изцяло се отстраняват евентуалните остатъци от моделния състав, формата придобива по-голяма якост и се създават много добри условия за движението на метала при леене. След заливане (фиг.2д) и охлаждане на метала, формата се разрушава (фиг.2е), отливките се отделят от общата леякова система (фиг.2ж), почистват се, термообработват се и ако е необходимо се подлагат на механична обработка (фиг.2з).

Предимствата на метода са следните: голяма точност и ниска грапавост на отливките, възможност за изработване на сложни детайли с тънки стени (0,5-10 mm) и маса от 20 g до 100 kg, значително намаляване на механичната обработка, като в редица случаи, такава не се предвижда.

Като недостатъци на метода се посочват следните особености: изработването на формата е продължително, за всяка отливка е нужен нов модел, за формата се използват скъпи материали, необходими са специални машини и съоръжения. Този начин на леене е икономически най-изгоден за изработване на детайли в едросерийното и масовото производство, за авиационната промишленост, автомобилостроенето, турбини и турбокомпресори и др. Извън промишленото му приложение, леенето със стопяеми модели се използва от древността до наши дни като метод за получаване на единични или в много малко бройки художествени и монументални отливки. Леене с противоналягане Леенето с противоналягане е метод, разработен в България от акад.Балевски и проф.Димов. На фиг.3 е показана схематично работата на една машина за леене с противоналягане. Резервоарът 1 е напълнен с течен метал. Резервоарът заедно с формата 3 и леяковата тръба 2 са херметично затворени. Чрез сгъстен въздух през вентила "а" в цялата система се създава определено налягане P1 по-голямо от атмосферното. След това, като се затвори вентилът "б" и се отвори вентилът "с" се създава разлика в налягането в резервоара за течен метал 1 и в камерата 4, където се намира формата. Разликата P1-P2 предизвиква движение на метала по леяковата тръба 2 към формата. Запълването на формата става плавно и със скорост, зависеща от разликата P1-P2.

Характерното при този метод е, че кристализацията на метала протича при високо налягане (около 2 MPa). Високото налягане възпрепятства отделянето на разтворените в стопилката газове във вид на газови мехурчета и спомага за инфилтрирането на течен метал между образуващите се дендритни кристали. Така се получават висококачествени плътни и без пори отливки, с по-голяма дебелина на стената, отколкото това е възможно при леенето под налягане. Отливките могат да се подлагат на термична обработка. Високата цена на машините и пресформите предполага използването на метода в условията на серийно и масово производство.

Леякови системи Леяковата система служи за подвеждане на течния метал в кухината на леярската форма:

плавно,

без засмукване на въздух,

без ерозия на формата,

със задържане на шлаката,

и с подхранване на отливката при кристализацията й.

Една обикновена леякова система е съставена от следните елементи (фиг.1): леякова чаша (конус) 1, леяк 2, шлакоуловител 3, питател(и) 4 и отливък 5. Леякова чаша се използва при тегловна скорост на заливане на метала Vт > 5 kg/s, а леяков конус - при Vт < 5 kg/s. Специфичната форма на леяковата чаша осигурява намаляване на скоростта на металната струя и при условие, че се поддържа постоянно нивото на метала, увличането на въздух и на шлака се избягва (фиг.2). Леяковият конус приема течния метал без да намалява значително неговата скорост и без да задържа неметалните включвания. Това състояние се променя с вграждане на филтър (фиг.3). Леякът представлява вертикално разположен конусовиден канал с малък наклон, свързващ чашата и шлакоуловителя. Шлакоуловителят разпределя метала към разположените по-ниско от него питатели и окончателно задържа попадналите частици шлака. Питателите подвеждат метала в кухината на леярската форма. Разположението им зависи от конфигурацията на отливката и вида на сплавта. При леене на сив чугун, металът се подава в тънките места на отливките, което спомага за изравняване на скоростта на охлаждане с тази на дебелите части. При отливки от стомана, ковък чугун и други сплави с по-голямо свиване, металът трябва да навлиза в дебелите части на отливките, за да се избегне появата на всмукнатини. Отливъкът служи за отвеждане на газовете от формата и чрез него се регистрира краят на нейното запълване. Разнообразието от използваните в практиката леякови системи е голямо и затова тук са посочени само някои популярни схеми на странична (фиг.4-а), сифонна (фиг.4-б), горна (фиг.4-в) и етажна (фиг.4-г) леякови системи.

Страничната леякова система е най-разпространена и удобна при работа с формовъчни смеси. Сифонната се използва при леене с газифициращи се модели, при леене в кокили и по-рядко при серийни отливки във формовъчни смеси, поради сложността на изработването й в тях. Горната е най-проста за изпълнение и е за ниски, тънкостенни отливки, защото прякото подвеждане на струята върху формата води до засилената й ерозия. Етажната леякова система има приложение само при етажно разполагане на формите преди заливане.

Преддеформационно нагряване - определяне на температурата при коване и щамповане на заготовки * 1. Значение на нагряването Нагряването на металите преди обработването им чрез пластична деформация се прави с цел да се повиши тяхната пластичност и да се намали съпротивлението им срещу пластично деформиране. Топлинното въздействие върху металите води до почти пълно загубване на еластичните им свойства, повишаване на пластичността им и намаляване на съпротивлението им срещу пластично деформиране от порядъка на десетки пъти, в сравнение със стойностите при стайна температура. Например, за стомана с 0,45% C, съпротивлението срещу пластично деформиране при 20 °С е 74 kg/mm², при 800 °С е 11 kg/mm², а при 1200 °С е 2,7 kg/mm². 2. Температурен интервал на нагряване С изменение на температурата се мени и структурата на метала. Поради това, максималната и минималната температура, между които ще се провежда пластичната деформация, трябва да се намират в температурния интервал на съществуване на онази фаза, при която материалът има най-голяма пластичност. За въглеродните стомани максималната и минималната температура трябва да попадат в областта на аустенита (фиг.1). Максималната температура се избира така, че да се получи възможно висока пластичност, без да се допуска прегряване (прегаряне) на метала. Ето защо, горната температура трябва да лежи 150 - 200 °С под солидус линията. Долната температурна граница се определя още и според изискванията на технологичния процес. За нисковъглеродните стомани (под 0,3% С) тя може да се разпространи и в областта на двуфазно състояние аустенит+ферит, а за високовъглеродните стомани (над 0,9% С) и в областта аустенит+цементит. За евтектоидните стомани (~0,8% С) долната температура трябва да се намира в аустенитната област. Затова, най-общо, минималната температура трябва да бъде 50 - 70 °С над линията PSK. За приетата като пример стомана с въглеродно съдържание ~ 0,45%, температурният интервал е 1240 - 800 °С. 3. Скорост и време на нагряване Определящо значение за термичния режим при пластичната деформация имат продължителността (времето) и скоростта на нагряване. Продължителността на нагряване оказва влияние върху производителността на кoвашкото съоръжение, поради което времето за нагряване трябва да бъде минимално. Ако металът се постави изведнъж в силно загрята пещ, повърхността му ще се загрее бързо до определената температура, а вътрешността му ще остане сравнително студена. Поради голямата температурна разлика, вследствие на която ще протекат различни обемни изменения, в метала ще се получат значителни вътрешни напрежения, които могат да предизвикат появяването на пукнатини. Скоростта на нагряване е толкова по-голяма, колкото по-голяма е разликата между температурите на простора на пещта и на заготовката. Разликата между температурата на работното пространство на пещта и температурата, до която трябва да се нагрее заготовката, се нарича температурен напор. Размерът на температурния напор определя скоростта и продължителността на нагряването. Колкото по-голям е температурният напор, толкова по-голяма е скоростта на нагряване и толкова по-малко е времето. Ако температурният напор е от порядъка на 100 - 150 °С, това означава, че нагряването се провежда с обикновена скорост. Скоростно нагряване се извършва при температурен напор повече от 250 - 300 °С.

Изчисляване на размерите на заготовка за дълбоко изтегляне 1. Същност и схематично представяне на процеса Дълбокото изтегляне е процес на превръщане на плоска заготовка в детайл с пространствена конфигурация. Провежда се в студено състояние, като поансон 1 (фиг.1) избутва плоска тънкостенна заготовка 2 през матрица 3 до получаване на обемно тяло (фиг.2).

При това превръщане, дъното на изтегляния детайл (фиг.3) е подложено на опънови напрежения. По вертикалните стени също действат равномерно разпределени по окръжността опънови напрежения. В частта от метала, която предстои да навлезе между поансона и матрицата, възникват опънови напрежения в радиална посока, както и натискови напрежения по тангентата на окръжността. Натисковите напрежения са в направление, по което металът се стреми да се свие и огъне. Евентуалното образуване на гънки води до увеличаване на дебелината на стената на заготовката и очаквано създава трудности при по-нататъшното му изтласкване в матрицата. За предотвратяване на това, в повечето случаи, тази част на заготовката се притиска равномерно с пръстен.

Точково електросъпротивително заваряване 1. Обща схема При електросъпротивителното заваряване се получава монолитно (неразглобяемо) съединение, в резултат на едновременното - термично и - механично въздействие в зоната на контакта между заваряваните детайли. Извършва се, като най-напред заваряваните ламарини се поставят една върху друга и се притискат между два медни електрода, свързани с вторичната намотка на трансформатор (фиг.1). При протичане на ток през електродите, металът между тях се загрява силно, в резултат на което, в средата на контактната повърхност той се стопява. После, токът се изключва, а малко след това, притискането се преустановява. Двата детайла се съединяват в точка. Определянето на броя и на разстоянията между точките става чрез якостни изчисления.

Количеството топлина Q, което се отделя при преминаването на електрически ток през мястото на съединяване, според закона на Джаул, е: Q = I² R t , J, където I е заваръчният ток, А,

R - съпротивлението в заваръчната верига, , t - времето за протичане на тока, s. Съпротивлението R се състои от: R = 2 Rе + 2 Rм + Rк , където Rе е преходното съпротивление между електрода и изделието, Rм - съпротивлението на метала в нагряваните участъци, Rк - съпротивлението на метала в контакта между заваряваните части. Rм и Rк повишават температурата в заваряваната зона и са полезни за протичането на технологичния процес. Rе трябва да бъде с минимална стойност за намаляване на енергийните разходи и за предотвратяване на интензивното износване на електродите. Тъй като при електросъпротивителното заваряване се използват високи стойности на тока (от 1 до 200 kА) и ниско напрежение (10-15 V), нагряването става бързо и процесът протича за много кратко време. Това определя неговата висока производителност и широкото му приложение в производството