Выбор плавильных агрегатов для выплавки чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru

14

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Кафедра литейного производства и материаловедения

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Производство отливок из чугуна»

на тему Выбор плавильных агрегатов для выплавки чугуна



Реферат

Ключевые слова: шихта, шлак, индукционная тигельная печь, чугун, стальной лом, чугунный лом, литейный чугун, возврат.

Курсовая работа изложена на 23 страницах. Включает в себя 1 рисунок, 6 таблиц и 3 использованных источника. В работе был произведен расчет шихты и шлака для выплавки чугуна ВЧ70 в индукционной печи.



Задание

Выполнить расчет шихты и шлака для выплавки чугуна марки ВЧ70 в индукционная тигельная печь.



Введение

Индукционные тигельные печи (ИТП) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме и в защитных атмосферах. В настоящее время используются такие печи емкостью от десятков грамм до десятков тонн. Тигельные индукционные печи применяют главным образом для плавки высококачественных сталей и других специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава, что недостижимо при плавке в пламенных и дуговых печах.

Плавка обычных сортов стали в печах без сердечника менее экономична, чем в дуговых, так же как и обычных цветных металлов и сплавов, по сравнению с индукционными канальными печами. Однако в настоящее время тигельные индукционные печи повышенной и промышленной частоты широко применяют за рубежом и в России для плавки обычных тяжелых и легких цветных металлов и их сплавов в производствах с периодическим режимом работы и широким ассортиментом выплавляемых сплавов, а также для плавки сильно загрязненной шихты с большим содержанием стружки или сплавов, требующих модифицирования, поскольку в канальных печах наличие каналов затрудняет перевод печей с плавки одного сплава на другой, и в то же время флюсы и модифицирующие соли, а также грязная мелкая шихта способствуют зарастанию каналов.

Таким образом, тигельные индукционные печи, хотя и отличаются более низким КПД, а также представляют собой более дорогое и сложное электротехническое устройство по сравнению с индукционными канальными печами, все же в указанных случаях более приемлемы и удобны в эксплуатации. Следует отметить попытку совмещения некоторых достоинств и преимуществ индукционных канальных печей (высокий электрический КПД) и индукционных тигельных печей (относительная простота ее футеровки) в промежуточном конструктивном решении между этими типами печей - создание индукционной тигельной печи с кольцевой камерой.

При таком решении могут частично проявиться преимущества обоих основных типов печей. Из-за наличия канала, открытого сверху, который к тому же еще и много шире, чем в канальной печи, металл в печи можно замораживать и вновь запускать печь, используя кольцо замерзшего металла или заливая жидкий металл.

Интенсивное движение расплава, имеющее место в печи с кольцевой камерой, ограничивает мощность печи. Поэтому такая печь используется преимущественно для поддержания металла в расплавленном состоянии. При этом она имеет то преимущество, что на наружной поверхности кожуха могут устанавливаться любые элементы конструкции для загрузки или отбора жидкого материала. Для работы печи металл канала постоянно должен образовывать замкнутое кольцо так же, как в индукционной канальной печи. При наклоне нагрев прекращается в том случае, если кольцо разрывается вследствие очень большого угла наклона.



1. Индукционная тигельная печь

Индукционные тигельные печи как плавильные устройства обладают большими достоинствами, важнейшие из которых - возможность получения весьма чистых металлов и сплавов точно заданного состава, стабильность свойств получаемого металла, малый угар металла и легирующих элементов, высокая производительность, возможность полной автоматизации, хорошие условия труда обслуживающего персонала, малая степень загрязнения окружающей среды.

Достоинства тигельных плавильных печей:

* Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов.

* Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной, нейтральной) при любом давлении (вакуумные или компрессионные печи).

* Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах).

* Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса.

* Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздушного бассейна.

Необходимо отметить следующие недостаткитигельных печей:

* Сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких рабочих температурах расплава и при наличии теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла).

* Высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше 50 Гц.

* Более низкий КПД всей установки вследствие необходимости иметь в установке источник получения высокой или повышенной частоты, а также конденсаторов, а при плавке материалов с малым удельным сопротивлением.

На рисунке 1 представлена индукционная тигельная печь

Рисунок 1 - Индукционная тигельная печь

Основной тенденцией в развитии индукционных тигельных печей является рост как единичной емкости, так и суммарной емкости парка печей, связанный, прежде всего с потребностью в больших количествах высококачественного металла. Кроме того, при увеличении емкости повышается КПД печи и снижаются удельные расходы на ее изготовление и эксплуатацию.

По сравнению с топливными печами производительность тигельных индукционных печей выше; кроме того, плавка в тигельных индукционных печах дает металл более высокого качества и потери выплавляемых сплавов меньше.

Тигельные печи все чаще стали использовать в комплексе с другими плавильными агрегатами (вагранками, дуговыми печами). В этих случаях металл, предварительно расплавленный в указанных печах, поступает в индукционную электропечь для рафинирования и доведения до заданного химического состава.

2. Технология плавки чугуна в индукционной печи

В индукционных печах возможно получение чугуна разнообразного состава, при этом использование в качестве шихты отходов кузнечного, прокатного листоштамповочного, токарно-фрезерного переделов существенно снижает производственные затраты при получении чугуна требуемых марок. В индукционных печах можно выплавлять чугун с содержанием стального скрапа и стружки (самого дешевого шихтового материала) вплоть до 100% благодаря хорошей возможности легирования. Напротив, в газовых вагранках применение стального лома ограничено 40-60%, т.к. управление процессом науглероживания бескоксовой плавки весьма затруднительно. А использование стальной и чугунной стружки вообще исключено из-за большого угара.

Для получения серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), имеющим целый ряд преимуществ перед другими сплавами, необходимо точно управлять химическим составом по многим элементам и, прежде всего, по углероду, сере, марганцу, хрому, фосфору и др., поскольку в ИПСЧ плавка ведется с так называемым "холодным" шлаком, практически не участвующим в химических реакциях, управление химическим составом сплава по ходу плавки производится добавлением легирующих материалов и точным управлением температурой расплава. Сочетание этих возможностей позволяет реализовать технологию получения отливок, в которых значительно снижены внутренние напряжения и существенно повышены прочностные характеристики. По этой методике на стадии легирования расплава, полученного из шихты с содержанием 40-80% стального лома, при повышении температуры до 1450°С добавляется углерод, что позволяет достичь его содержания в расплаве 3,8-3,9%. Затем расплав догревается до температуры 1530-1550°С и выдерживается при этой температуре 10-30 минут. На стадии выдержки происходит процесс науглероживания расплава, скорость которого зависит от интенсивности электромагнитного перемешивания и способа организации циркуляционных потоков внутри ванны расплава. Кроме этого, на стадии выдержки происходит очистка от неметаллических включений и дегазация расплава, а также протекает процесс "созревания" металла.

При использовании этой методики в производстве отливок не только повышается прочность, но и уменьшается их сжатие, не превышающее 0,3%, что в конечном итоге приводит к снижению напряжения в отливках, а это позволяет избежать энергозатратной операции их отжига. Подобное производство отливок со сниженным напряжением невозможно организовать без использования индукционных печей.

Характеристики чугуна в значительной мере зависят от содержания вредных примесей и, прежде всего, серы. Для модификации на ЧШГ серый чугун должен иметь низкое содержание серы. В вагранках выплавить металл с низким содержанием серы невозможно, и требуется десульфуризация расплава. Известные способы десульфуризации чугуна требуют установки специальных устройств или индукционных миксеров. Поэтому при получении серого чугуна требуемых марок или для модификации на ЧШГ используются "дуплекс-процессы". В дуплекс-процессе плавка металла ведется в коксовых или газовых вагранках с возможным содержанием в шихте большой доли первичных материалов. Затем осуществляется перелив расплава в ИПСЧ, и вводятся добавки, позволяющие десульфиризировать чугун, точно вывести его химический состав. Кроме этого, в ИПСЧ обеспечивается выдержка металла при заданном температурном режиме. Однако себестоимость плавки чугуна в любом случае получается меньше при моно-процессе, и наиболее полно технологическим требованиям подготовки чугуна соответствует индукционный метод плавки в ИПСЧ.

Весьма существенным преимуществом плавки в ИПСЧ по сравнению с вагранками и дуговыми печами является пониженное на 25-30% содержание газа (азота, водорода, кислорода) в расплаве металла, а также значительное уменьшение содержания неметаллических примесей. Это повышает прочность отливок и уменьшает каверны на их поверхности, что позволяет снизить отходы металла при дальнейшей обработке на 20-25% и уменьшить металлоемкость оборудования.

Прочность и все другие свойства сплавов, в конечном счете, определяются их чистотой от примесей, формой, размером и распределением зерен, т.е. структурой. При этом в понятие структуры включается как микроструктура, так и макроструктура - наличие в металле газовых и усадочных раковин, пористости, трещин, неметаллических включений и т.д. Таким образом, задача повышения качества металла сводится к получению соответствующей структуры, свободной от каких-либо дефектов. Измельчение зерна кристаллической структуры достигается повышением скорости зарождения центров кристаллизации, которая регулируется вводом модификаторов. Эффективность действия модификаторов возрастает при максимально равномерном распределении в объеме металла, и чем больше энергия извне будет внесена в расплав для перемешивания, тем выше эффект модифицирования. В индукционных печах имеется возможность управления процессами электромагнитного перемешивания, изменением частоты возбуждения тока в обмотках индуктора, организацией пульсирующего и бегущего электромагнитного поля в ванне расплава металла и управления удельным силовым давлением, а также перераспределением мощности по высоте индуктора.

Благодаря садочному режиму работы в ИПСЧ, при котором металл не подвергается многократному перегреву, и щадящему температурному режиму выдержки чугуна в период разливки, в расплаве сохраняются центры кристаллизации, что также способствует формированию мелкозернистой структуры в отливках.

Таким образом, с производственно-технологической точки зрения для литейного производства ИПСЧ имеют существенные преимущества по сравнению с вагранками и дуговыми печами. Более высокая удельная мощность позволяет быстрее нагревать чугун (со скоростью 30-35 °С/мин.), а потери исходного материала из-за угара снижаются. Циркуляция расплава под действием электромагнитных сил в индукционной тигельной печи приводит к равномерному температурному распределению и хорошему перемешиванию. В сочетании с отсутствием загрязняющих веществ это обеспечивает высокую точность химического состава металла, расплавленного индукционным методом. Перегрев расплава, труднодостижимый при использовании вагранок, можно успешно реализовать в индукционных печах. Эти технологические преимущества дают наибольшую гарантию качества чугуна и возможность получения высокопрочных специальных чугунов, а также обеспечивают более высокое качество литых изделий.

3. Расчет шихты

Для расчета шихты необходимо учитывать:

- какую марку чугуна (ГОСТ или ТУ предприятия) необходимо по-лучить, и какие механические свойства отливка будет иметь, какой толщины стенки будут у нее;

- какой средний химический состав будет иметь вами выбранная шихта, чтобы обеспечить выплавку требуемой марки чугуна;

- какое среднее соотношение шихтовых материалов вы выберете.

Состав шихты должен обеспечивать по расплавлении содержание всех элементов, близкое к заданному в готовом металле. В таблице 1 представлен химический состав чугуна марки ВЧ70.

Таблица 1 - Химический состав чугуна марки ВЧ70

Углерод С, %	Кремний Si, %	Марганец Mn, %	Сера S, %	Фосфор P, %
3,0-3,6	2,6-2,9	0,4-0,7	До 0,015	До 0,1

Все расчеты ведутся на 100 кг металлошихты. Состав шихты должен обеспечивать по расплавлении содержание всех элементов, близкое к заданному, в готовом металле.

Для получения заданного химического состава, который приведен в таблице 1, введем следующие компоненты: стальной лом, возврат собственного производства, чугунный лом.

В таблице 2 представлен химический состав компонентов шихты.

Таблица 2 - Химический состав компонентов шихты

Наименование	количество, %	С	Si	Mn	S	P
Литейный чугун	40	5,0	4,3	0,7	0,019	0,12
Стальной лом	30	1,5	1,0	0,7	0,01	0,08
Возврат	30	3,0	2,7	0,5	0,015	0,1

Таблица 3 - Угар химических элементов при плавке чугуна

Угар элементов, % от содержания в шихте
С	Si	Mn	P	S
10	15	15	-	-

Расчет содержания элементов в шихте

Рассчитаем содержание каждого элемента в шихте по формуле (1)

=, (1)

шихта чугун печь индукционный

где - содержание элемента в шихте, %;

,,…., - количество шихтового материала, %;

- содержание элемента в каждом из шихтовых материалов, %

(5,0*40+1,5*30+3*30) =3,35%

(4,3*40+1,0*30+2,7*30) =2,83%

(0,7*40+0,7*30+0.5*30) =0,64%

(0,019*40+0,01*30+0,015*30) =0,0151%

(0,12*40+0.08*30+0,1*30) =0,102%

Расчет периода плавления

Содержание любого элемента после расплавления шихты, если он окисляется, определяют по формуле (2)

, (2)

где - содержание элемента в металле по расплавлении, %;

- количество удаленного элемента в период плавления, %;

В свою очередь =* , (3)

где - угар соответствующего элемента, %;

Определим сначала

*3,35*10=0,335кг;

*2,83*3=0,0849кг;

*0,64*15=0,096кг;



Теперь зная определим

3,35-0,335=3,015 %;

2,83-0,0849=2,7451 %;;

0,64-0,096=0,544 %;

0,102 %;

0,0151 %;

4. Расчет шлака

Плавку проводим в индукционной печи с кислой футеровкой. Для получения шлака будем использовать следующие компоненты, состав которых представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Компоненты неметаллической части шихты

Материал	Содержание элементов, %
	CaO	SiO2	MnO	Al2O3	FeO	Fe2O3	CO2	H2O	?
Футеровка (динас)	1,4	96,4	-	0,7	-	1,5	-	-	100
Электродный бой	12	60	-	28	-	-	-	-	100
Известь	90	3	-	2	-	-	4	1	100
Песок	-	97	0,1	0,7	-	2,2	-	-	100

Рассчитаем количество извести по формуле (6)

кг, (6)

Рассчитаем какое количество компонентов вводится с известью

кг;

кг;
кг;

кг;

(H2O) = кг;

Таблица 5 - Расчет шлака

Компоненты	Вносится, кг	Шлак
Группа	Химическая формула	Песок	Динас	Электродный бой	Известь	Металлошихта	Итого	кг	%
1	2	3	4	5	6	7	9	11	12
Шлакообра-зующие без оксидов железа	CaО	-	0,014	0,12	1,98	-	1,934	1,934	40,7
	SiO2	0,97	0,964	0,6	0,066	0,182	2,182	2,182	45,9
	Al2O3	0,007	0,007	0,28	0,044	-	0,058	0,058	1,22
	MnO	0,001	-	-	-	0,123	0,124	0,124	2,60
	S	-	-	-	-	0,015	0,015	0,015	0,31
Итого	0,978	0,985	1	2,09	0,32	4,373	4,373	92
Оксиды железа	Fe2O3	0,022	0,015	-	-	0,028	0,065	0,095	2
	FeO	-	-	-	-	-	-	0,285	6
Итого	0,023	0,016	-	-	-	0,065	0,38	8
Газы	СО	-	-	-	-	0,703	0,703	-	-
	CO2	-	-	-	0,088	0,122	0,21	-	-
	H2O	-	-	-	0,022	-	0,022	-	-
Итого	-	-	-	0,11	0,825	0,935	-	-
Всего	1	1	1	2,2	1,173	5,373	4,753	100

Рассчитаем, какое количество компонентов вводится с металлошихтой:

кг;

кг;

кг;

кг.



5. Расчет выхода годного металла

Определим выход годного по балансу железа.

, (7)

где - масса металла в конце периода плавления, кг;

- масса металлической части шихты в завалку, кг;

- масса железа, восстановленного из оксидов железа, кг;

- масса окислившегося металла, кг;

- масса удаленных примесей, кг;

-масса корольков железа в шлаке, кг

Приход:

а) масса железа, восстановленного из оксидов железа

; (8)

кг;

Расход:

а) масса железа, перешедшего в шлак виде оксидов

; (9)

кг;

б) масса удаленных примесей

g?пл?(E) = 0,096+0,0849=0,1809;

в) масса корольков железа в шлаке

; (10)

кг;

кг.

6. Материальный баланс

Для составления материального баланса необходимо определить поступление кислорода из атмосферы печи (из баланса кислорода).

, (11)

Приход:

, (12)

кг;

Расход:

На окисление примесей шихты

, (13)

кг;

На образование оксидов железа шлака

кг;

кг.

В таблице 6 представлен материальный баланс.

Таблица 6 - Материальный баланс

Наименование статей
Задано	кг	Получено	кг
Стальной лом	30	Металл	99,482
Возврат	30	Шлак	4,753
Литейный чугун	40	Газы	1,173
Песок	1
Футеровка	1
Электродный бой	0,53
Известь	2,2
Кислород атмосферы печи	0,686
Итого	105,416	Итого	105,408

Содержание элемента в готовом металле

;

;

;

;

;



Заключение

В курсовой работе произведен расчет шихты для чугуна марки ВЧ70 при плавке в кислой дуговой печи. В итоге масса готового чугуна составила 99,482 кг. Сравнив конечный химический состав чугуна с исходным составом можно сказать, что расхождение невелико.



Список использованной литературы

Вдовин К.Н. Выбор плавильных агрегатов и расчёт шихты для выплавки чугуна и стали. Учебное пособие - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ»,2006. С. 121.

Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика - М.: Машиностроение, 1988.- 272с.

Справочник по чугунному литью, Изд.3-е. Под ред. Гиршовича Н.Г. - Л.: Машиностроение, 1978. - 758 с.

Размещено на Allbest.ru

...