Литейное производство

Литейное производство ‑ отрасль машиностроения, производящая фасонное и заготовительное литье из различных металлов и сплавов.

Фасонным литьем получают отливки, близкие по форме и размерам к готовым деталям. Заготовительное литье ‑ это слитки, предназначенные для дальнейшей обработки давлением (прокатка, ковка, штамповка и др.) или механической обработки на металлорежущих станках.

Технология производства отливок слагается из следующих основных процессов: изготовления модели будущей отливки, изготовления формы, приготовления жидкого металла, заливки металла в формы, выбивки отливок из формы, обрубки и очистки отливок, контроля отливок.

Наибольшее количество литья производят из серого чугуна – 70 % от массы отливок; далее идет стальное литье (около 20 %), литье из ковкого чугуна (8 %), медных, алюминиевых, титановых и цинковых сплавов.

Чугун имеет относительно невысокую температуру плавления
(1100-1200 ^оС), хорошую жидкотекучесть, малую усадку (около 1 %), однородную структуру в отливках. Для плавки чугуна применяют вагранки и электропечи. Вагранки представляют собой шахтные печи, в которые загружается шихта, составленная из чушкового чугуна, стального лома, ферросплавов, литейного кокса и флюсов (известняк, плавиковый шпат, бокситы). В нижнюю часть печи подают в качестве топлива кокс, природный газ или их смесь, воздух, подогретый и обогащенный кислородом. За счет тепла от сгорания кокса происходит плавление металлической части шихты, температура поднимается до 1450-1500 ^оС. Заливку форм производят при температуре плавления чугуна и выше (1250-1400 ^оС): металл выпускают в ковш из копильника вагранки, а затем разливают в литейные формы. В верхней части расплавленного металла скапливается шлак, как более легкий, состоящий из оксидов (SiO₂, MnO, FeO), примесей, вносимых шихтой (песок и др.), кусочков футеровки шахты (кирпич), флюсов, золы топлива.

Литейные свойства сталей ниже, чем у чугуна (усадка 2-3 %), жидкотекучесть стали хуже, чем у чугуна, сталь более тугоплавка
(1400-1540 ^оС). Сталь для литья выплавляют в кислородных конверторах и в электрических дуговых (более 90 % стали) и индукционных печах.

Формы для заливки могут быть разовыми и многократными (кокиль). Многократные металлические, изготовленные из стали или чугуна, формы выдерживают сотни и тысячи заливок; многократные песчано-цементные, графитные, керамические формы выдерживают несколько десятков заливок (применяются для заливки станин станков, тяжеловесных плит и др.). Для изготовления разовых форм применяются формовочные и стержневые смеси, основной их составляющей, определяющей их огнеупорность, является кварцевый песок (SiO₂ ‑ 90-98, 5 %). В состав смеси входят также связующие (глина, цемент, жидкое стекло, термореактивные смолы, битум, канифоль), противопригарочные (молотый каменный уголь, циркон, хромистый железняк), газообразующие (компоненты, способствующие газопроницаемости и податливости смеси: древесные опилки, крупный речной песок с размером зерен 0, 25-1, 0 мм) составляющие.

Охлажденные отливки выбивают с помощью встряхивающих решеток, вибраторов и других машин; стержни (применяются для образования отверстий в форме) выбивают на пневматических машинах или в гидрокамерах струей воды под давлением 3-10 МПа. Литники от стальных заготовок отделяют газовой резкой, а от чугунных заготовок и от заготовок из цветного литья (сплавы цветного литья выплавляют в электрических дуговых печах, индукционных печах, плазменных газовых печах) ‑ пилами, рубильными молотками. От остатков формовочных смесей отливки очищают обкатыванием их в барабанах или пескоструйными аппаратами, применяют пескогидравлическую очистку (вода и песок, Р = 7 МПа), обдирочно-шлифовальные станки с крупнозернистыми шлифовальными кругами.

Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и формовочных материалов, участки выбивки и очистки литья.

При плавке 1 т металла в открытых чугунолитейных вагранках выделяется 900-1200 м³ колошникового газа, содержащего оксиды углерода, серы, азота, пары масел, полидисперсную пыль и др. Количество выбросов зависит от производительности вагранки и расхода дутья. Оксид углерода выделяется от вагранки и при разливе чугуна в формы. Оксид серы образуется при сжигании коксового газа в сушилках, печах и другом оборудовании. Химический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки. Медианный размер пыли в открытых вагранках при холодном дутье ‑ 70 мкм, при горячем ‑ 20 мкм, а в закрытых вагранках ‑ 35 мкм. При плавке стали в индукционных печах по сравнению с электродуговыми выделяется незначительное количество газов и в 5-6 раз меньше пыли, по размеру более крупной.

Источниками интенсивного пылеобразования является также оборудование землеприготовительного отделения (дробилки, мельницы, сита и др.), транспортное оборудование, выбивные решетки, очистные барабаны, обдирочно-шлифовальные станки. Установлено, что литейный цех с годовой программой 100 тыс. т литья, оборудованный пылеуловителями со степенью очистки 70-80 % выбрасывает в окружающий воздух до 1 тыс. т пыли в год.

Местными выделениями пыли сопровождаются погрузочно-разгрузочные операции с песком, сушка форм и обрубка отливок. Использование вибрационных машин, гидропескоструйных установок и пневматического ручного инструмента приводит к загрязнению воздуха рабочей зоны литейных цехов (обрубочно-очистных отделений) мелкодисперсной силикозной пылью. Запыленность воздушной зоны достигает 10-50 мг/м³, доходя иногда до 150 мг/м³, что в десятки раз превышает ПДК. Сухая пескоструйная очистка отливок в литейном производстве запрещена вообще как процесс наиболее опасный в гигиеническом отношении.

При литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества, количество которых зависит от состава формовочных смесей, массы и способа получения отливки и ряда других факторов. Основное количество (80 %) всех газовыделений приходится на первые двадцать минут после заливки металла в формы. К концу первого часа газовыделение практически прекращается.

Основными видами загрязнений сточных вод на машиностроительных предприятиях являются механические взвеси (песок, окалина, металлическая стружка и пыль, флюсы, волокна хлопчатки и т.п.) и минеральные масла.

В литейных цехах вода используется главным образом для охлаждения печей. Основными примесями образующихся сточных вод являются взвешенные вещества и масла. Также вода используется на операциях гидравлической выбивки стержней, транспортировки и промывки формовочной земли в отделениях регенерации, а также на гидротранспорт отходов горелой земли. Образующиеся при этом сточные воды загрязнены глиной, песком, зольными остатками от выгоревшей части стержневой смеси и связующими добавками формовочной смеси. Массовая концентрация взвесей может достигать 5 кг/м³.

 

Обработка металлов давлением

Обработкой давлением называют процесс получения изделий, основанный на использовании пластических свойств металлов и их сплавов. Под пластичностью понимают способность металла изменять при давлении свою форму (деформироваться) без разрушения, полученная новая форма сохраняется после снятия нагрузки.

К способам обработки давлением относят прокатку, волочение, прессование, ковку и штамповку.

Для прокатки нагретые или холодные заготовки пропускают между вращающимися валками прокатных станов.

Прессование (выдавливание) ‑ металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получается изделие с сечением в форме отверстия. Прессуют медь, свинец, цинк, алюминий, магний и их сплавы, а также сталь из мерных заготовок, нарезанных из сортового проката. Все металлы и сплавы, кроме свинца, прессуют горячими.

Волочение применяют преимущественно для изготовления проволоки диаметром 0, 002-4, 0 мм. Волочение заключается в протягивании под действием силы заготовки (обычно в холодном состоянии) через отверстие, сечение которого меньше исходного сечения заготовки.

Ковка ‑ обработка металла, находящегося в пластическом состоянии под действием бойков молота (динамическое воздействие). Изготовляют небольшие партии различных по форме и габаритам поковок.

Штамповка позволяетувеличить производительность в десятки раз по сравнению с ковкой, при этом достигается и более высокая точность размеров, и низкая шероховатость поверхности. Но штамповка выгодна лишь в серийном, массовом производстве, когда окупаются затраты на изготовление сложных форм (штампов).

Одним из способов очистки поверхности металла от оксидов является травление, сущность которого состоит в химическом растворении оксидов в соответствующих кислотах, а в некоторых случаях в щелочах или в расплавленных солях. При высокой температуре и свободном доступе кислорода на поверхности стальных заготовок образуется окалина, состоящая из трех оксидов: FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄. Указанные оксиды растворяются в травильных ваннах с разной скоростью: скорость уменьшается в ряду FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃.
С повышением температуры и концентрации кислоты в травильной ванне скорость увеличивается.

Обычно серная кислота в травильных ваннах применяется в следующих концентрациях: в свежем растворе 15-20 %, в использованном ‑ 4-5 %. Раствор считается непригодным, если концентрация FeSO₄ достигает 300-400 г/л. По мере уменьшения концентрации кислоты температуру раствора поднимают от 40 до 80 ^оС.

Скорость растворения оксидов железа в соляной кислоте значительно больше, чем в серной, поэтому процесс ведут при комнатной температуре, что предупреждает потери легко летучей кислоты. В свежем травильном растворе содержание соляной кислоты составляет 12-18 %, а в отработанном около 2-4 %.

В последние годы повысился интерес к травлению стали фосфорной кислотой, что определяется высоким качеством очистки поверхности изделия. Более высокая стоимость фосфорной кислоты требует регенерации ее в замкнутой системе травильной ванны.

Для очистки и полирования поверхности специальных сталей и цветных металлов используют травильный раствор из смеси таких кислот, как серная, фосфорная, азотная и плавиковая.

Заготовки из легированных и, в частности, из хромистых и хромоникелевых сталей подвергают в основном электрохимическому травлению, так как с помощью только этого процесса можно получить хорошо очищенную поверхность.

В прокатных цехах источниками загрязнения атмосферы являются прокатные станы, машины огневой зачистки металла, травильные отделения.

При прокатке пыль образуется главным образом в результате измельчения окалины валками, при этом 20 % пыли имеет размер частиц менее 10 мкм. Выброс пыли составляет в среднем 200 г на 1 т товарного проката. Если в цехе проката применяется огневая зачистка поверхности заготовки, при которой с помощью горелок на поверхности металла создается температура
до 2000 ^оС, в результате чего поверхностный слой металла толщиной 1-3 мм расплавляется и частично сгорает, то выход пыли возрастает до 500-2000 г/т. При этом в процессе сгорания образуется большое количество мелкодисперсной пыли (60-65 % пыли с размером частиц 0, 5-1, 0 мкм), состоящей на 75-90 % из оксидов железа.

Для удаления окалины с поверхности изделий применяют травление в различныхкислотах. Суммарное количество воздуха, отсасываемое из аппарата непрерывного травления, составляет 14000-18000 м³/ч, а среднее содержание кислоты в удаляемом воздухе достигает 2, 5-2, 7 г/м³.

При использовании в кузнечно- прессовых цехах пламенных печей
в атмосферу выбрасываются оксиды углерода, серы, азота и другие продукты сгорания.

Основными примесями сточных вод, используемых для охлаждения технологического оборудования, поковок, гидросбива металлической окалины и обработки помещения, являются частицы пыли, окалины и масла. Например, при прокатке металлов образуется 2-4 % окалины от массы прокатываемого металла, при этом масса частиц размером более 1 мм составляет примерно 90 % всей массы окалины.

Сточные воды травильных отделений и гальванических цехов, использующих в технологических целях химические и электрохимические процессы, содержат отходы, наиболее опасные в санитарном отношении. Вода, применяемая для приготовления технологических растворов при травлении деталей, а также для промывки деталей и ванн после сброса отработанных растворов, содержит пыль, металлическую окалину, щелочи, кислоты, неорганические соли тяжелых металлов ‑ хрома, цинка, никеля, меди.

В любом травильном отделении образуется два вида сточных вод: концентрированные и разбавленные. Первые являются отходами травильных ванн (отработанные растворы), вторые ‑ промывными водами (в современных травильных отделениях часто применяют противоточную многованную промывку, что обеспечивает рациональное использование воды).

В травильных отделениях, использующих сернокислотный травильный раствор, среднее количество концентрированных сточных вод достигает 10 м³ на 1 т расходуемой кислоты или 0, 3-0, 6 м³ на 1 т протравленных стальных заготовок. Количество промывных вод в значительной степени зависит от системы промывки вида заготовок. В обычных условиях количество промывных вод колеблется в пределах 0, 4-50 м³ на 1 т стальных заготовок.