Производство отливок в литейных цехах

Исходные данные

Введение

1. Литейные цеха входят, как в состав машиностроительных предприятий, так и в состав отдельных литейно-металлургических производств.

В результате процесса разливки металла в формы, в атмосферу выделяются твердофазные загрязнения, содержащие оксиды: металлов, алюминия, кремния и ряда других элементов.

Газовые выбросы формируются за счет общественной вентиляции в цехе, а затем централизовано подаются на очистку.

2. В литейном производстве для процесса используется жидкий металл, соединения которого относятся ко II или III группе токсичности. Формировочные силикаты, содержащие материалы с содержанием SiO₂>70 по своему действию на организм относятся к III группе токсичности. Таким образом, промежуточные и исходные материалы, по своей токсичности относятся ко II-III группам.

3. При осуществлении процесса разлива металла в атмосферу выделяется пыль, содержащая оксиды металла, оксиды кремния, сажевые частицы и газообразные вещества в виде оксидов серы, азота, углерода.

Вредная примесь	Класс опасности	ПДК, мг/м3
Оксид железа	4	6
Пыль с содержанием SiO2>70%	3	1
Углеродная пыль с примесью SiO2 от 10 до 70%	4	2
Металл (чугун)	4	6
Оксид углерода	4	20

Характеристика технологии изготовления отливок в литейных цехах.

Задачей литейного производства является изготовление из металлов металлических сплавов изделий-отливок, имеющих разнообразные очертания и предназначенных для использования в различных целях.

Отливки после механической обработки составляют почти половину массы деталей всех машин, механизмов, приборов и аппаратов выпускаемых разными отраслями машино и приборостроения. Литьем изготовляют также отдельные части строительных сооружений, транспортных устройств и т.п.

Сущность литейного производства сводится к получению жидкого, т.е. нагретого выше tє плавления, сплава нужного состава и необходимого качества и заливки его в заранее приготовленную форму. При охлаждении же затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. В процессе кристаллизации и охлаждения сплава формируются основные механические и эксплуатационные свойства отливки, определяемые макро- и микро структур сплава, его плотностью, наличием и расположением в нем не металлических включений, развитием в отливке внутренних напряжений, вызванных неодновременным охлаждением ее частей и др.

Литейная технология может быть реализована различными способами. Весь цикл изготовления отливки состоит из ряда основных и вспомогательных операций, осуществляемых как параллельно, так и последовательно в различных отделения литейного цеха. Модели, стержневые ящики и другую оснастку изготовляют, как правило, в модельных цехах.

Литейная разовая песчаная форма в большинстве случаев состоит из двух полуформ: верхней и нижней, которые получают уплотнением формовочной смеси вокруг соответствующих частей (верхней и нижней) деревянной или металлической модели в специальных металлических рамках-опоках. Модель отличается от отливки размерами, наличием формовочных уклонов, облегчающих извлечение модели из формы, и знаковых частей, предназначенных для установки стержня, образующего внутреннюю полость (отверстие) в отливке. Стержень изготовляют из смеси, например песка, отдельные зерна которого скрепляются при сушке или химическом отверждении специальными крепителями (связующими).

В верхней полуформе с помощью соответствующих моделей выполняется воронка и система каналов, по которым из ковша поступает литейный сплав в полость формы, и дополнительные полости – прибыли.

После уплотнения смеси модели собственно отливки, литниковой системы и прибылей извлекают из полуформ. Затем в нижнюю полуформу устанавливают стержень и накрывают верхней полуформой. Необходимая точность соединения обеспечивается штырями и втулками в опоках. Перед заливкой сплава во избежание поднятия верхней полуформы жидким расплавом опоки скрепляют друг с другом специальными скобками или на верхнюю опоку устанавливают груз.

В разовых песчаных формах производят ~ 80% всего объема выпуска отливок. Однако точность и чистота их поверхности, условия труда, технико-экономические показатели не всегда удовлетворяют требованиям современного производства.

В связи с этим все более широкое применение находят специальные способы литья: по выплавляемым (выжигаемым) моделям, под давлением, центробежным способом, вакуумным всасыванием и т.д. Отливки различных размеров, сложности и назначения из сплавов, существенно отличающихся по своим свойствам, нельзя изготовлять одинаковыми способами.

В связи с этим получили распространение разнообразные технологические процессы, отличающиеся приемами.

Технологический процесс получения отливок в розовой песчаной форме

Характеристика сырья, используемого в литейном производстве.

Формовочные материалы:

К формовочным материалам относятся все материалы применяемые для изготовления разовых литейных форм и стержней. Различают исходные формовочные материалы и формовочные смеси.

Основными исходными материалами для большинства разовых форм являются песок и глина, вспомогательными – связующие добавки:

1. противопригарные;

2. увеличивающие газопроницаемость, податливость, текучесть и пластичность смеси;

3. уменьшающие прилипаемость смесей.

Формовочные смеси приготавливают из исходных формовочных материалов и из смесей, ранее уже находившихся в употреблении (отработанные формовочные смеси). Исходные формовочные материалы завод получает из вне.

В зависимости от назначения смеси разделяют на формовочные смеси, стержневые смеси и вспомогательные смеси.

Правильный выбор формовочных смесей в литейном производстве имеет очень большое значение, т.к. формовочные смеси влияют на качество получаемых отливок.

К числу формовочных песков относят пески, образованные зернами тугоплавких, прочных и твердых минералов. На практике, главным образом, применяются пески образованные зернами кварца.

Кварц обладает высокой огнеупорностью (1713 єС), прочностью и твердостью (по шкале Мооса - 7). Кварц является одной из форм существования кремнезема (SiO₂). Благодаря тугоплавкости, высоким механическим качеством, низкой химической активности, а также в следствии низкой стоимости, кварцевые пески широко применяют как основу формовочных и стержневых смесей.

Природные кварцевые пески не бывают свободными от загрязняющих примесей; зерен полевого шпата, частиц слюды и других минералов. Полевой шпат и слюда содержат окислы щелочных и щелочно-земельных металлов. Эти минералы менее тугоплавки, чем кварц и способны вместе с кварцем и окислами залитого Me образовывать сложные легкоплавкие силикаты (например: типа n SiO₂ m FeO p Na₂O).

В природных кварцевых песках часто содержится глина. Если эта глина обладает высокими качествами, то такая примесь может рассматриваться как полезная.

Глина является связующим материалом в формовочных и стержневых смесях. Обволакивая зерна песка, она связывает их и таким образом придает смеси необходимые прочность и одновременно пластичность. Минералогический состав глины различный, в общем виде его можно записать: m Al₂O₃ ∙ n SiO₂ ∙ aH₂O. Основным компонентом глины является каолинит Al₂O₃ ∙2H₂O ∙ 2SiO₂. В природных формовочных песках содержание глины колеблется в пределах 2-50%. С помощью глины как связывающего материала нельзя обеспечить высокие физико-механические свойства стержней, которые выполняют внутренние полости в отливках. Поэтому для приготовления стержневых смесей используют самые разнообразные связующие – масляные и растительные масла и их заменители: декстрин, сульфоритно-дрожжевая бражка, жидкое стекло, синтетические смолы и др.

Из противопригарных материалов чаще всего используют графит, циркон, пылевидный кварц и порошок каменного угля. Противопригарные добавки вводят в смеси для уменьшения образования пригара на отливках.

Для увеличения податливости и газопроницаемости стержней в стержневые смеси вводят древесные опилки.

Литейные сплавы.

В большинстве случаев отливки изготовляют из металлических сплавов, а не из чистых металлов. Это объясняется тем, что эксплуатационные и особенно литейные свойства многих чистых металлов хуже чем сплавов.

Металлическими сплавами называются системы, состоящие (металлов или неметаллов). Так основой стали является железо. Кроме железа в стали также содержаться неметаллические (углерод, сера, фосфор) и металлические (марганец, хром и др.) примеси. Примеси делятся на легирующие (специальные), постоянные (неизбежные) и случайные. Легирующие примеси вводятся в сплав преднамеренно, чтобы придать ему необходимые эксплуатационные или технологические свойства. Например для повышения прочности и твердости чугуна и стали в них добавляют марганец, хром, ванадий. Для повышения жидкотекучести чугуна при художественном литье в него добавляют фосфор. Постоянными называются примеси, наличие которых, обусловлено технологией получения сплава. Например, в чугуне постоянной примесью является сера, переходящая в чугун из кокса. Случайной примесью в сером ваграночном чугуне может быть например медь, пришедшая из лома шихты.

Металлы и сплавы, применяемые в промышленности делятся на 2 группы – черные и цветные. Черными металлами называется железо и сплавы на его основе. Цветными – все остальные металлы и сплавы.

Характеристика выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

В литейном производстве на 1 т. отливок образуется от 1 до 3 т. отходов, включающих отработанную и неиспользованную смесь, шлаки, пыль, газы. Хотя основная часть отходов – это отработанные смеси и шлаки, наибольшую опасность представляют именно пыль и газы, в связи с трудностью их улавливания, обезвреживания и удаления. А их количество при производстве 1 т. отливок из стали или чугуна примерно составляет: пыли – 50 кг., углеводородов – 1 кг., оксида углерода (II) – 250 кг., оксида серы (II) – 1,5-2 кг., кроме того выделяется ряд других вредных газов, таких как фенол, формальдегид, ацетон, бензол и др., общее количество которых хотя и невелико, однако представляет опасность из-за их токсичности.

В газах, удаляемых от литейного оборудования и выбрасываемых в атмосферу, содержатся пыль, состоящая в основном из мелкодисперсных частичек, содержание свободного оксида кремния в которых достигает 60%. Поэтому среди населения, прилегающих к заводу территорий, появляется возможность возникновения пылевых профессиональных заболеваний.

Эффективность очистки пылегазовых выбросов.

Обеспыливание выбрасываемого из литейного цеха воздуха производится с помощью различного типа пылеосадительных устройств, различных по принципу действия и эффективности. К ним относятся пылеосадительные камеры, аппараты сухой инерционной и мокрой очистки, тканевые и электрические фильтры.

Применение пылеочистителей дает возможность не только добиться очистки отходящих газов от пыли, но и повторно использовать ранее выбросившуюся пыль.

Из токсичных газов, выделяющихся при плавке металлов, сушке форм и стержней, заливке форм металлом на первом месте стоит СО. Основной способ уменьшения количества СО, поступающего в окружающее пространство, дожигание его до оксида углерода (IV). Больше сложности возникает при обезвреживании токсичных газов, отходящих от стержневых сушилок и установок, производящих стержни с использованием холоднотвердеющих смесей, и в других процессах, основанных на применении синтетических смол в составе формовочных и стержневых смесей. В состав этих газов входят различные альдегиды, ароматические углеводороды, спирты, оксид азота, серы, углерода и фосфора, аммиак, цианиды и другие вещества.

Существующие способы обезвреживания газов основаны на химическом связывании вредных веществ, их адсорбции и абсорбции и т.п. К одному из наиболее перспективных в настоящее время способов относится католическое окисление отходящих газов в контактных аппаратах на специальных катализаторах при температуре 200-500 єС.

Составление технологической схемы очистки газовых

выбросов и сточных вод.

Очистка газовых выбросов от пыли литейных цехов может производится с использованием аппаратов мокрой очистки (пенный газопроливатель и барабанный вакуум-фильтр) и аппаратов сухой очистки (циклон).

Технологическая схема мокрой очистки включает в себя6 пенный газопроливатель (1), насос для откачки суспензии (2), насос для подачи осветленной воды (3), барабанный вакуум-фильтр (4), запорную арматуру (5) и вентилятор для подачи загрязненного воздуха (6).

Технологическая схема сухой очистки.

Она включает: циклон и вентилятор для подачи загрязненного газа.

Расчет циклона.

Основным размером циклона любой конструкции является диаметр аппарата. Для нахождения диаметра нам необходимо знать объем проходящего через циклон газа и скорость прохождения газа через циклон.

Скорость газа на входе в циклон W₁ по практическим данным составляет от 14 до 18 м/с, а скорость газа в самом циклоне принимается в пределах заданных соотношением:

Примем скорость газа на входе в циклон 18 м/с, а скорость газа в циклоне W₂=0,35W₁, тогда скорость газа в циклоне будет равна:

Так как воздух поступает при t=43 єC, определим объем воздуха при этой температуре, используя соотношение:

; ;

Диаметр циклона определим по формуле:

Примем ближайшую стандартную величину диаметра 1,6 м.

Минимальный диаметр частиц оседающих в циклоне определим по формуле