Конструирование и расчет литой аппаратуры

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
В. И. Петров, Р. А. Халитов, А. Р. Хамидуллина 
КОНСТРУИРОВАНИЕ
И РАСЧЕТ ЛИТОЙ 
АППАРАТУРЫ  
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 621.744.3.001.66(075) 
ББК 34.61я7 
П30 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Э. Р. Галимов 
д-р техн. наук, проф. Н. С. Латфуллин 
П30 
Петров В. И. 
Конструирование и расчет литой аппаратуры : учебное пособие / 
В. И. Петров, Р. А. Халитов, А. Р. Хамидуллина; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2022. – 88 с. 
ISBN 978-5-7882-3294-2 
Рассмотрены методы отливки деталей аппаратов в земляные, оболочковые 
и металлические формы. Описаны приемы конструирования литой аппаратуры из 
различных материалов и выполнение отливок основных узлов. Предложена конструкция вихревой колонны концентрирования серной кислоты.  
Предназначено для студентов направления подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и специальности 18.05.01 «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий». Также может быть использовано для курсового и дипломного проектирования. 
Подготовлено на кафедре оборудования химических заводов. 
УДК 621.744.3.001.66(075) 
ББК 34.61я7 
ISBN 978-5-7882-3294-2 
© Петров В. И., Халитов Р. А., 
Хамидуллина А. Р., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2

СОД Е РЖА Н И Е 
Введение ..............................................................................................................................4 
1. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ................................................................................. 5 
1.1. Литейные металлы ...................................................................................................5 
1.2. Плавка металлов 
.......................................................................................................7 
1.3. Литейные формы 
......................................................................................................8 
1.4. Литье в земляные формы ..................................................................................... 13 
1.5. Литье в оболочковые формы ............................................................................... 14 
1.6. Литье по выплавляемым моделям 
....................................................................... 15 
1.7. Литье в металлические формы ............................................................................ 16 
1.8. Выбивка, обрубка и очистка отливок ................................................................. 18 
2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТОЙ АППАРАТУРЫ ................................................... 19 
2.1. Радиусы переходов и сопряжений отливок 
........................................................ 22 
2.2. Литейные радиусы ................................................................................................ 24 
2.3. Дефекты отливок и меры их предупреждения. Контроль качества 
в литейном производстве ............................................................................................ 40 
2.4. Виды литейных дефектов 
..................................................................................... 41 
3. ТЕХНОЛОГИИ И АППАРАТЫ  КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СЕРНОЙ
КИСЛОТЫ 
........................................................................................................................ 45 
3.1. Концентрирование серной кислоты .................................................................... 45 
3.2. Состав ферросилида 
.............................................................................................. 48 
3.3. Вихревая колонна концентрирования серной кислоты .................................... 52 
4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ НА ОТЛИВКУ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛОННЫ
КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ .......................................................... 64 
4.1. Варианты заданий исходных деталей ................................................................. 64 
4.2. Размещение модели детали в опоке .................................................................... 70 
4.3. Состав формовочной и стержневой смесей ....................................................... 78 
4.4. Содержание отчета по практическим заданиям ................................................ 81 
Контрольные вопросы 
..................................................................................................... 83 
Заключение 
....................................................................................................................... 84 
Литература 
........................................................................................................................ 85 
Приложение 
...................................................................................................................... 86 
3 

В В Е Д Е Н И Е 
Непрерывный технический прогресс способствует широкому 
внедрению передовых технологий и новой техники в различных областях деятельности человека, в том числе и в машиностроительной отрасли, где значимая роль отводится литейному производству.  
Создание надежных в эксплуатации машин и механизмов, от простых до самых сложных многотонных конфигураций с использованием 
сплавов с высоким содержанием металла и устойчивых к пластическим 
деформациям, возможно с применением современных литьевых технологий и использованием передового производственного опыта. 
Целью данного учебного пособия является ознакомление студентов с основами литейного производства; освоение основных методов 
литья, конструирования деталей вихревой колонны концентрирования 
серной кислоты (ККСК) из ферросилида; ознакомление с различными 
схемами концентрирования серной кислоты в аппаратах «Хемико», 
в установке двухступенчатого концентрирования в распылительных 
аппаратах типа скруббер Вентури, которые существуют в настоящее 
время на производствах, и в новой производительной, компактной, вихревой многоступенчатой колонне. 
4

. Л И Т Е Й Н О Е  П Р О И З В ОДС Т В О 
Литейное производство – это производственный процесс получения готовых деталей конфигурации различной сложности путем заливки расплавленного металла в литейные формы и последующего его 
затвердевания в них.  
Литейное производство является одним из основных видов промышленного производства, так как детали составляют до 80 % общего 
веса изготовляемого оборудования. Литейное производство включает 
в себя подготовку исходных материалов (опок, моделей, стержней, 
формовочной земли), изготовление форм деталей, размещение их 
в опоках, плавку литейных компонентов, сборку формы и заливку ее 
расплавленным металлом, выемку отливки из формы с последующей 
зачисткой, термическую обработку полученной детали и ее окончательное шлифование. 
1 . 1 .  Л и т е й н ы е  м е т а л л ы
Металлы и сплавы, применяемые для получения отливок, должны 
обладать определенными механическими и технологическими свойствами, важнейшие из которых: 
– жидкотекучесть;
– небольшая усадка при застывании;
– газопроницаемость;
– отсутствие значительной ликвации сплава;
– способность к обработке различными инструментами;
– малая склонность к растрескиванию;
– малоотходность при литье деталей.
Жидкотекучесть – это свойство металла в расплавленном виде заполнять литейную форму, повторять ее конфигурацию в отливке. Жидкотекучесть литьевых сплавов зависит от количества компонентов, их 
процентного содержания и температуры. Например, жидкотекучесть 
чугуна больше, чем у стали, причем с увеличением содержания фосфора его жидкотекучесть увеличивается, а с повышением содержания 
серы – уменьшается.  
5 

Усадка – это способность сплава при охлаждении и затвердевании 
уменьшаться в линейных размерах и в объеме. Усадка выражается 
в процентах по отношению к длине и объему остывшей отливки. Линейная усадка серого чугуна составляет около 1 %, стали – 2 %, а медных сплавов – 1,5 %. Объемная усадка, как правило, больше линейной 
в 2–3 раза. При усадке металлов и сплавов в отливках возникают каверны, раковины и поры. 
Газопроницаемость – это свойство литейных сплавов в жидком 
состоянии растворять азот, водород, кислород и другие газы. Растворимость газов зависит от состояния сплава: повышение температуры твердого сплава приводит к незначительному увеличению газопроницаемости, возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. В процессе затвердевания и последующего охлаждения газопроницаемость уменьшается, что приводит к образованию раковин каверн 
и пор. На растворимость газов влияют химический состав сплава, его 
вязкость, свойства литейной формы и температура заливки. Для понижения газопроницаемости сплавов применяется плавление в вакуумной 
среде или в среде инертных газов.  
Ликвация литейных сплавов – это возникновение в отливке неоднородности по химическому составу. Ликвация бывает зональная (химическая неоднородность по всей детали) и дендритная (химическая 
неоднородность в одном зерне – дендрите). На ликвацию влияют химический состав сплава, конфигурация отливки, скорость охлаждения 
и другие факторы. 
Не соответствующие требованиям полученные детали, выплавленные ранее в цехах, заново переплавляют для получения нужных свойств 
и заливают в соответствующие формы. Это достигается путем добавок 
присадок в шихту или в печь соответствующих компонентов. Шихта – 
смесь исходных материалов, а в некоторых производствах (например, при 
выплавке чугуна) – и топлива в определенной пропорции. 
В зависимости от требуемых свойств готовых отливок из черного 
металла и способов плавки шихта может содержать штыковой чугун, 
стальной скрап, специальные раскислители и модификаторы, ферросплавы, железную руду и флюсы. Применяемый состав шихты при 
плавке чугунных отливок следующий: штыковой чугун литейный –  
30–40 %; чугунный лом – 23–25 %; стальной лом – 10–15 %; отходы 
производства литейного цеха – 25–30 %; брикетированная стружка; 
ферросплавы – 1–2 %; флюсы – остальное. 
6 

Растрескивание возникает в результате температурных напряжений 
при заливке и охлаждении и является одним из распространенных видов 
брака форм и стержней после заливки металлом. Появляющиеся трещины 
вызывают деформации отливки. 
Малоотходность – это соблюдение условий оптимального конструирования форм, строгого выдерживания регламента литья, при которых 
минимизируются выбросы отходящих газов в окружающую среду. 
1 . 2 .  П л а в к а  м е т а л л о в  
Для получения отливок плавку металла производят в плавильных 
цехах предприятия. Плавку для изготовления отливок из серого чугуна 
осуществляют в огранках, а отливок из ковкого чугуна, стали и медных 
сплавов – в пламенных печах. Пламенные печи внутри выложены огнеупорными материалами, а снаружи облицованы чугунными плитами. 
Топливом для таких печей служат пылевидный уголь, мазут и горючие 
газы. Подачу шихты осуществляют через боковое окно в стенке печи. 
Такие печи рассчитаны на загрузку шихты до 5 т. Мазут подается через 
форсунки и распыляется внутри печи сжатым воздухом. 
Барабанные печи, применяемые для плавки меди, состоят из двух 
частей: в одной из них сгорает топливо, а в другую загружают шихту. 
Отлив жидкого металла происходит при наклоне печи. Эти печи могут 
также применяться для выплавки чугуна и стали.  
Для изготовления чугунных отливок высокого качества применяют 
электрические печи. Процесс плавления состоит из двух стадий: вначале 
чугун плавят в вагранке, а затем рафинируют в электрической печи. 
Существует три основных вида электрических печей: дуговые, 
печи сопротивления и индукционные. Дуговые трехфазные электропечи производительностью до 30 т применяют в основном для плавки 
чугуна и стали. Для плавки медных сплавов и чугуна используют дуговые однофазные. Электрические печи сопротивления производительностью до 3 т применяют для плавки алюминиевых сплавов. Цветные сплавы 
выплавляют в электрических индукционных печах производительностью до 4 т. 
 
7 

. 3 .  Л и т е й н ы е  ф о р м ы  
Существуют различные способы литья в зависимости от назначения, размера и формы отливок, от химического состава компонентов, 
используемых при их изготовлении. В зависимости от типа производства (опытное, серийное или крупносерийное, массовое) литье может 
производиться в разовые формы или в постоянные металлические. 
На рис. 1.1 представлены способы литья.  
 
Рис. 1.1. Способы литья в одноразовые и многоразовые формы 
Одноразовые формы изготавливают в формовочных отделениях 
литейных цехов вследствие постоянного их разрушения при выбивке 
отливок. Постоянные формы изготавливают в инструментальных цехах, поскольку они более долговечны. При применении одноразовых 
форм необходимо наличие моделей, стержней, опок, формовочных материалов для приготовления форм и стержней. 
На рис. 1.2 представлена схема простейшей литейной формы 
в опоке с элементами.  
8 

На рис. 1.2а представлена конструкция простой литейной модели, 
используемая для получения внешнего очертания отливаемой детали. 
Для изготовления моделей применяют различные материалы – дерево, 
металл, керамику. При изготовлении небольших количеств деталей используют деревянные модели, более дешевые, чем остальные. Металлические применяются при серийных производствах, так как они более 
долговечны, чем деревянные. При использовании моделей из металла 
обеспечивается более точная форма отливки.  
а 
в 
г 
б 
Рис. 1.2. Схема литейной формы: а – модель; б – стержень; 
в – опоки; г – форма в сборе; 1 – верхняя опока; 2 – нижняя опока; 
3 – литниковая система; 4 – формовочный материал; 5 – крепление 
Залитый в форму металл в процессе отвердевания дает усадку, 
уменьшаясь в объеме. Это свойство должно быть учтено, поэтому размеры модели должны быть больше, чем размеры остывшей отливки. 
Для этого в производстве применяются усадочные метры, отражающие 
разницу в размерах на величину усадки. 
Для извлечения модели из опоки ее делают разъемной, состоящей 
из двух частей, соединенных болтовыми креплениями. Для извлечения 
стержней из модели ее тоже изготавливают разъемной, предусматривая 
литейные уклоны. 
Стержни для получения внутренних полостей в отливке (рис. 1.2б) 
изготавливают в стержневых ящиках из материалов с определенными 
характеристиками. Они должны обладать высокой сухой прочностью, 
малой гигроскопичностью и легкой выбиваемостью из отливки.  
В литейном производстве обычно используют стержни двух видов: 
песчано-глинистые – на дешевых связующих веществах (например, битум) и песчаные – на растворах растительных масел (например, льняное, 
рапсовое). 
Таким образом, для изготовления стержней применяют различные 
материалы в зависимости от их назначения и формы, а также от свойств 
9