Литейное производство

Этапы развития литейного производства

Раскопки гробниц в Египте показывают, что египтянам железо было известно за 4200 лет до н. э. Прежде чем получать отливки из металла, необходимо было научиться его плавить. Развитие металлургии предшествовало литейному производству. В древности железо получали в простейших горнах, в которые загружались железная руда и древесный уголь. В результате восстановления окислов железа в горне, а затем путем ковки получалась железная губка нужной формы. Необходимость увеличения количества металла привела к тому, что горн стали строить выше, подача дутья интенсифицировалась, что вызывало повышение температуры в горне и более продолжительное пребывание шихтовых материалов в зоне горна. В результате этого в ряде случаев происходило науглероживание железа и продуктом про­цесса являлось не железо в виде крицы, а чугун. Так как он не обладал пластичностью, то был нежелательным продуктом и не использовался. Позже было замечено, что при загрузке в горн чугуна вместо руды получается низкоуглеродистая железная крица. Так возник более совершенный способ получения железа — кричной процесс. Дата возникновения кричного способа, так же как и сыродутного, неизвестна, но в XII—XIII веке кричной способ был уже распространен.

Открытие плавки меди из руды путем нагрева последней в смеси с углем и изготовление металлических предметов методом литья можно считать началом литейного производства. Плавление проводилось сначала на открытых кострах, затем в горнах с применением дутья.

Основные даты получения отливок:

  • Бронза, температура плавления 950—1000 °С — 3000 лет до н. э.
  • Чугун, температура плавления 1250-1300 °С — XIV век в Европе.
  • Сталь, температура плавления 1500 °С — вторая половина XIX века.

В первом тысячелетии нашей эры в производстве орудий труда железо полностью вытеснило цветные сплавы, но получать из него отливки еще не умели. Цветные сплавы оставались материалом для изготовления бытовых предметов (котлов).

В конце XI века литейное производство Древней Руси достигло наивысшего расцвета. Форма литых изделий усложнялась. Появились двухсторонние формы из твердых пород камня для отливки корпусов замков, церковной утвари, ажурных украшений. Уже применялись сравнительно сложные литниковые системы.

Монгольское нашествие надолго остановило развитие культуры и ремесел в Древней Руси.

В XIV—XV веках получила развитие отливка колоколов, пушек. В этот же период начинает развиваться чугунное литье. Появляются чугунные водопроводные трубы, гири для весов, печи, украшенные барельефами.

В XV веке создается доменное производство, дающее жидкий металл, началось производство отливок как из бронзы, так из чугуна.

В XVI веке чугунное литье распространяется по всей Европе. Возникает формовка в сыром песке. Для сообщения формовочному песку пластичности в него вводят, как и сейчас, различные добавки: глину, соли и т. д. Появляется упоминание о формовке в ящиках (опоках). В России при Иване Грозном пушечное литейное производство выходит на первое место в Европе. В XVI веке выдающимся русским “литцом” является Андрей Чохов. Наиболее крупной работой Чохова является Царь-пушка (1586 г.), вес пушки 40 т.

В XVII веке литейная техника усовершенствовалась незначительно.

В XVIII веке резко расширяется номенклатура литья, возникает машиностроение, основанное на использовании металлических деталей, изготавливается в массовом количестве чугунная посуда.

В этот же период приемы ручной формовки складываются окончательно. Выдающимся литейщиком XVIII века был Иван Федорович Моторин. Им был изготовлен Царь-колокол, являющийся до настоящего времени непревзойденным по размерам цельной бронзовой отливкой (1733—1735 гг.). Заливка была выполнена сыном Михаилом. Вес колокола 200 т. Колокол является сложнейшим инженерным сооружением и одновременно обладает высокими художественными достоинствами.

В 1774 г. Баташов строит первую вагранку. В конце XVIII века в России была изготовлена еще одна выдающаяся отливка — памятник Петру Первому “Медный Всадник”. Памятник выполнен выходцем из Франции Э.М. Фальконе. Заливка произведена 24 августа 1775 г. Вес статуи 22 т.

1784—1802 гг. англичанин Генри Корт предложил процесс передела чугуна в сталь на поду пламенной отражательной “пудлинговой” печи. Способ позволяет получать сталь в виде крицы без употребления древесного угля. Способ явился более производительным, однако в пудлинговых печах температура оказалась недостаточной для того, чтобы расплавить железо.

XIX век характеризуется дальнейшим расширением масштабов литейного производства. Наибольшего труда при освоении требовало получение литой стали. Выплавка и разливка стали в слитки стала возможна с появлением тигельного процесса. В России литье стальных слитков впервые было освоено в 1830 г. П.П. Аносовым на Златоустовском заводе на Урале. Для изучения свойств стали Аносов впервые применил микроскоп и был единственным металлургом, которому удалось изготовить булатные клинки (1833 г.). Клинки, изготовленные на Златоустовском заводе, широко продавались в Европе.

1855 г. — английский механик Генри Бессимер предложил простой и дешевый способ получения литой стали в больших количествах путем продувки жидкого чугуна воздухом.

1865 г. — во Франции Эмиль и Пьер Мартены успешно осуществили выплавку стали в регенативных пламенных “мартеновских” печах из чугуна и скрапа.

В 1878-1879 гт. англичанином Томасом был разработан способ получения стали путем продувки высокофосфористого чугуна.

1870 г. — первая в России мартеновская печь была построена и пущена на Сормовском заводе А Л . Износковым и Н .Н . Кузнецовым. Они фактически создали Школу Русских Сталеваров и были их первыми учителями.

1802 г. — В. В. Петров (академик) открыл способ получения высокой температуры 5000-6000 “С с помощью электрической дуги в результате прохождения тока через ионизированный воздух. Данное открытие позволило разработать печи электрические и индукционные для плавки сплавов в XX веке.

В 1881—1891 гг. А. С. Лавровым совместно с С.М . Прокудиным-Горским было осуществлено систематическое изготовление стальных отливок. В XX веке прогресс в области литейного производства шел по линии совершенствования литейного оборудования, плавильных печей для плавки металла, освоения выплавки цветных сплавов: алюминиевых, магниевых, титановых и изготовлении фасонных отливок из них, создания специальных способов литья:

  • кокильное литье;
  • центробежное литье;
  • литье под давлением;
  • литье по выплавляемым моделям;
  • литье в оболочковые формы;
  • литье в холоднотвердеющие формы;
  • другие прогрессивные способы литья.

Основная масса металла для фасонных отливок выплавляется в электрических печах дуговых и индукционных.

Впервые Василий Владимирович Петров, известный физик, академик, в 1802 г. предсказал возможность применения электрической дуги для плавки металлов.

Изучая действие электрического тока, он присоединил к мощной батарее гальванических элементов два куска угля и столкнул их на мгновение. Сверкнула искра, когда он их чуть-чуть разъединил, образовался промежуток, но искра не погасла, а превратилась в яркий столбик дуги, соединяющей угли.

Плавка стали в дуговой электрической печи проходит под действием тепла этой электрической дуги, только очень мощной. В печи достигается высокая температура (в месте горения дуги — свыше 5000 °С), которая вместе с восстановительной атмосферой, создаваемой при горении электрических дуг, позволяет выплавлять стали, легированные такими тугоплавкими металлами, как вольфрам, молибден, полнее очищать металл от вредных примесей, выплавлять любую сталь с каким угодно количеством самых различных добавок.

На выплавку только одной тонны стали в крупных электропечах тратится в среднем 600—800 кВт/ч.

Дуговая электропечь имеет вид огромной чаши. Снаружи она имеет металлический кожух, а изнутри выложена огнеупорным кирпичом. Сверху корпус — чаша закрыта сводом из высокоупорного материала (своду приходиться работать при высоких температурах). В своде выполнены три отверстия, водоохлаждаемые экономайзерами, через каждое из них в печь пропускаются огромные графитовые стержни — электроды.

К электродам по медным проводникам подается ток. Свод дуговой электропечи подвешен (его крепят к порталу при помощи цепей).

Когда нужно произвести загрузку металла — шихты, его с помощью механизма поднимают и поворачивают, а открытый таким образом корпус остается на месте. Мостовым краном с помощью бадьи, днище которой состоит из гибких секторов, шихта загружается в корпус печи. Затем свод поворачивается и опускается на печь. Через отверстия в своде вводят электроды и начинают плавку. Электрическая дуга загорается между каждым электродом и металлом (металл является проводником), ток протекает от электрода к электроду через металл. Электроды опускаются все ниже, и постепенно под каждым электродом образуется озерцо жидкого металла.

Электропечь подвижна, ее можно наклонять вокруг вертикальной оси в ту или другую сторону, перемещая металл, сокращая время на расплавление и скачивая шлак и поворачивая печь для выпуска металла в ковш после его приготовления.

В электропечах для интенсификации процесса применяют кислород.