СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
METHOD OF STEEL CASTING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении отливок повышенного качества из углеродистых и легированных сталей.
Известен способ получения отливок (см. книга «Производство точного литья по выплавляемым моделям», С.В.Руссиян, Н.Н.Голованов, Государственное Союзное издательство судостроительной промышленности, Ленинград, 1958 г., стр.231-232, стр.224 - рис.139), взятый за прототип. Сущность способа заключается в следующем: изготовляют литейные керамические формы с использованием разовых моделей, прокаливают формы, производят расчет шихты, загружают ее в индукционную печь, производят плавку, раскисляют жидкий металл, контролируют температуру расплава, снимают шлак с зеркала печи с тем, чтобы устранить возможность попадания последнего в разливочный ковш, с помощью которого заливают расплав в горячие формы, а перед заливкой формы продувают сжатым воздухом с целью исключения брака по засору. Заливают формы расплавом из ковша непрерывной струей. По завершении кристаллизации расплава производят выбивку опок, удаление литников и очистку отливок.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- подготовленный к выпуску расплавленный металл в печи, с зеркалом свободным от шлака, окисляется, образующие при этом окисные плены попадают в отливки и снижают их механические свойства;
- расплав, подготовленный к разливке, взаимодействует с воздухом атмосферы, в результате происходит его газонасыщение, образование окислов, при этом снижается жидкотекучесть, а значит, заполняемость форм, и в отливках образуются дефекты в виде газоусадочной пористости;
- продувка сжатым воздухом полости форм перед заливкой с целью удаления из нее остатков золы, наполнителя и устранению засора приводит к активизации окислительной атмосферы, а значит, интенсивному окислению расплава во время заливки и кристаллизации отливок в форме.
Предлагаемым изобретением решается задача резкого повышения качества отливок.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в устранении причин окисления расплава в процессе выпуска плавки из печи и в процессе заливки расплава и его кристаллизации в форме.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения стальных отливок, заключающемся в изготовлении литейных форм, прокаливании форм, расчете шихты, получении расплава в индукционной печи, раскислении жидкого металла, контроле температуры расплава, удалении шлака с зеркала печи, продувке полости форм газом, заливке жидкого металла в формы непрерывной струей из ковша, кристаллизации расплава в форме, выбивке опок, удалении литников и очистке отливок, новым является то, что после удаления шлака с зеркала печи ее плотно закрывают стальной крышкой, футерованной гибкой термостойкой плитой, в теле которой расположено полое распределительное кольцо с патрубками, посредством которых к расплаву под давлением подают инертный газ, который выходит струей через сливной носок, а перед заполнением формы расплавом из ковша ее продувают инертным газом.
В качестве инертного газа используют аргон.
Плотное закрытие печи стальной крышкой, футерованной гибкой термостойкой плитой, позволяет защитить расплавленный металл в печи от газонасыщения, образования окислов, а следовательно, от образования дефектов в виде газоусадочной пористости и окисных плен в отливках.
Поскольку инертный газ выходит только через сливной носок, то он предохраняет струю металла от газонасыщения от атмосферы и образования окислов в момент заполнения расплавом разливочного ковша.
Подготовленные к заливке формы перед выпуском плавки продувают аргоном, заменяя окислительную атмосферу на инертную, тем самым предотвращают процесс окисления расплава при заливке и кристаллизации его в форме. Одновременно в процессе продувки удаляют из полости формы остатки золы и наполнителя, который может частично попасть в форму через ее воронку при литье по выплавляемым моделям, а также устраняют засоры в форме при литье в землю.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, неизвестны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Предложенный способ получения стальных отливок реализуется следующим образом.
Изготовляют литейные формы с использованием моделей, прокаливают формы, производят расчет шихты, загружают ее в индукционную печь порционно, производят плавку, раскисляют жидкий металл, контролируют температуру расплава, снимают шлак с его поверхности, закрывают печь стальной крышкой, футерованной гибкой плитой, например, из алюмосиликатных волокон, полученных методом вакуумного формования. Применяемый для футеровки крышки материал сохраняет постоянную форму и размеры при нагреве, легко устанавливается на неровной поверхности, обеспечивает плотное беззазорное прилегание к воротнику печи, обладает высокой стойкостью к термическому шоку и выдерживает температуру до 1600°С.
После установки крышки на воротник печи под давлением подают инертный газ аргон посредством полого распределительного кольца с патрубками, расположенные в теле футеровки крышки. Инертный газ предохраняет жидкий металл в печи от газонасыщения от атмосферы и образования окисных плен все время, пока идет выпуск плавки. Поскольку инертный газ выходит из печи только через сливной носок, его струя препятствует окислению и газонасыщению расплава газами атмосферы в момент выпуска жидкого металла в разливочный ковш, используемый при заливке форм.
Подготовленные к заливке формы перед выпуском плавки продувают аргоном, заменяя окислительную атмосферу на инертную, тем самым предотвращают процесс окисления расплава при заливке и кристаллизации отливок в форме. Одновременно в процессе продувки удаляют из полости формы остатки золы и наполнителя, который может частично попасть в форму через ее воронку при литье по выплавляемым моделям и устраняют засоры в форме при литье в землю.
После заполнения форм расплавом, кристаллизации отливок в инертной среде, их охлаждения, извлекают отливки с литниковой системой из опок, отделяют отливки от литниковой системы, производят очистку отливок.
Пример реализации способа получения стальных отливок литьем по выплавляемым моделям
С помощью одноразовых моделей из парафиностеариновой смеси или модельного состава МВС-3А изготовляют керамические формы с литниковой чашей. Подготовленные формы устанавливают в опоки, засыпают свободное пространство опок наполнителем, например песком, загружают опоки с формами в печь для прокалки.
Производят расчет шихты. Для плавки шихты используют, например, индукционную печь ИСТ-0,16, выходной мощностью 160 кВт, частотой тока контурной цепи 2400 Гц. Загружают шихту в индукционную печь, производят плавку, раскисляют жидкий металл, контролируют температуру расплава, снимают шлак с зеркала печи, закрывают печь стальной крышкой.
Крышка состоит из основания, которое изготовляют из листовой нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 5 мм, диаметром 700 мм. Для подачи аргона к зеркалу расплава используют полое распределительное кольцо. Для изготовления кольца применяют трубку из стали 12Х18Н10Т наружным диаметром 20 мм и толщиной стенки 2 мм. Производят гибку трубы с наполнителем, например песком, механическую обработку торцов и последующую аргоно-дуговую сварку торцов, получают кольцо диаметром по средней линии 250 мм. В кольце по месту, обращенному к зеркалу расплава, сверлят 10 отверстий диаметром 4 мм на расстоянии друг от друга в 78-80 мм и одно отверстие диаметром 10 мм по месту, при котором центральная ось отверстий диаметром 4 мм образует угол в 90° с центральной осью отверстия 10 мм. Соосно каждому отверстию диаметром 4 мм приваривают к кольцу трубки из стали 12Х18Н10Т внутренним диаметром 4 мм, толщиной стенки не менее 3 мм и длиной 80 мм.
Аргоно-дуговой сваркой соединяют трубку, имеющую внутренний диаметр 10 мм, толщину стенки не менее 2 мм и длину ≈500 мм с кольцом по месту отверстия 10 мм так, чтобы кольцо и трубка лежали в одной плоскости. Затем кольцо с собранными элементами - патрубками концентрично приваривают к основанию крышки, в том числе и патрубок диаметром 10 мм, для подачи аргона к распределительному кольцу. Футеруют крышку со стороны приваренного кольца гибкой, мягкой термостойкой плитой толщиной 100 мм, изготовленной из алюмосиликатных волокон, полученных методом вакуумного формования с рабочей температурой до 1600°С фирмы Promat Германия. Крепление футеровки на основании крышки производят посредством жидкого клея, готового к применению, обеспечивающего высокую адгезию и термическую стабильность до 1000°С фирмы Promat. Перед склеиванием в футеровочной плите производят выборку материала плиты и получение гнезда под кольцо и приваренного к нему патрубка диаметром 10 мм. Затем наносят клей на обе соединяемые поверхности, насаживают футеровочную плиту на патрубки диаметром 4,0 мм, приводят в соприкосновение склеиваемые поверхности и выдерживают под гнетом не менее 10 минут. Обрезают по контуру основания футеровочную плиту, соединяют выступающий конец патрубка диаметром 10 мм с резиновым шлангом, а другой конец шланга соединяют с понижающим редуктором, установленным на баллоне с аргоном.
Подают аргон к зеркалу расплава под избыточным давлением 1,0-1,5 атмосферы. Продувают прокаленные формы аргоном перед выпуском плавки при избыточном давлении 0,5-0,7 атмосферы, обеспечивают при этом 3-х кратный обмен объема полости формы. Последовательно сливают расплав в разливочный ковш и заполняют формы непрерывной струей. После кристаллизации и охлаждения отливки с литниковой системой извлекают из опок, отделяют отливки от литниковой системы, производят очистку отливок.
При литье в землю, т.е. при использовании песчано-глинистых смесей для изготовления форм применяют многоразовые модели из древесины, металла, пластмассы.
Расплав стали заливают, в том числе в сырые песчано-глинистые формы, не подвергнутые предварительной прокалке - сушке в основном для получения мелких отливок в серийном и массовом производстве.
Изготовление отливок по предложенному способу резко повышает их качество.
Дополнительный источник информации: «Технология металлов и материаловедение» под редакцией Л.Ф.Усовой, М., Металлургия, 1987 г., раздел Ш, Основы литейного производства.