Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих технологий получения отливок из магниевых сплавов с повышенными механическими свойствами и герметичностью 8
1.1 Физико-химические процессы, происходящие при плавке магниевых сплавов 8
1.2 Дегазация магниевых сплавов 20
1.3 Модифицирование магниевых сплавов 24
1.4 Печи для плавки магниевых сплавов 30
1.5 Перспективные направления совершенствования технологий получения фасонного литья магниевых сплавов 32
1.5 Оборудование для плавки магниевых сплавов в защитных газовых средах 36
1.6 Выводы и постановка задач исследований 40
Глава 2 Методики экспериментальных исследований 43
2.1 Объекты и методы исследований 43
2.2 Оборудование для проведения исследований и методы исследований 43
Глава 3 Исследование влияния различных способов рафинирования на газосодержание и свойства магниевых сплавов 47
3.1 Исследование влияния постоянного электрического тока на технологические параметры магниевых сплавов, приготовленных под слоем флюса 47
3.1.1 Проведение опытных плавок в производственных условиях 53
3.2 Исследование технологических параметров процесса рафинирования и модифицирования при бесфлюсовом приготовлении 58
3.2.1 Исследование газовых защитных атмосфер для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 58
3.2.2 Отработка режимов бесфлюсовой плавки 63
3.2.3 Разработка типового технологического процесса бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 64
3.2.4 Установка для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 65
3.2.5 Исследование влияния постоянного электрического тока на качество получаемого магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении 66
3.3 Исследование технологических параметров процессов рафинирования магниевых расплавов методом внутреннего вакуумирования с одновременной обработкой электрическим током 78
3.4 Исследование технологических параметров процесса рафинирования и модифицирования расплава фильтрацией через фильтрирующую камеру при бесфлюсовом приготовлении 84
3.5 Исследование технологических параметров процесса заливки магниевых сплавов 99
3.6 Выводы 102
Глава 4 Разработка технологических рекомендаций по внедрению электрорафинирования магниевых сплавов на предприятиях авиационной промышленности 103
4.1 Исследование влияния объема плавильных тиглей на режимы электрорафинирования 104
4.2 Внедрение плавильно-раздаточной установки и технологического процесса для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 110
4.3 Выводы 122
Общие выводы 122
Библиографический список 125
Приложение 1 134
Приложение 2 136
- Физико-химические процессы, происходящие при плавке магниевых сплавов
- Оборудование для плавки магниевых сплавов в защитных газовых средах
- Исследование влияния постоянного электрического тока на качество получаемого магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении
- Внедрение плавильно-раздаточной установки и технологического процесса для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов
Введение к работе
Актуальность работы. Среди большого числа различных материалов, применяемых в современной технике, видное место отводится производству и использованию в народном хозяйстве цветных сплавов, особенно легких, к числу которых относятся магниевые сплавы.
Магниевые сплавы - наиболее легкие из используемых в промышленности материалов находят разнообразное промышленное применение. Высокая удельная прочность обуславливает целесообразность их использования в первую очередь в тех случаях, когда имеет большое значение снижение веса конструкций (в самолетостроении, ракетной и космической технике). Кроме того, магниевые сплавы нашли применение в качестве материалов с высокими физическими и химическими свойствами.
В условиях рыночной экономики, дефицита металла и энергоносителей производство качественного литья является первостепенной задачей литейного производства. Это в полной мере относится к производству магниевых отливок. Для производства конкурентоспособных отливок необходимо создание эффективных технологий повышения свойств сплава и качество отливки из него. К числу мер, позволяющих решить такую задачу, наиболее эффективно обеспечение надежной защиты расплава от возгорания, высокой чистоты материала отливок по флюсовым, газовым и неметаллическим включениям, ухудшающим практически все показатели качества свойства литого металла.
Это достигается в результате изыскания и совершенствования методов приготовления расплавов.
Таким образом, разработка технологии приготовления литейных магниевых сплавов является важнейшей народнохозяйственной задачей, для решения которой необходимо совершенствование методов защиты расплава от возгорания, методов рафинирования и модифицирования расплавов для снижения в них газосодержания, твердых неметаллических включений, повышения механических свойств, плотности, герметичности отливок.
Настоящая работа состоит из трех основных разделов:
разработка технологии получения герметичных отливок из магниевых сплавов путем совершенствования процесса рафинирования расплава при флюсовом приготовлении;
разработка технологии получения коррозийностойких отливок из магниевых сплавов путем совершенствования и разработки новых процессов приготовления магниевых сплавов при бесфлюсовом приготовлении и создание соответствующего оборудования для его осуществления;
- производственные испытания и внедрение разработанных технологических
процессов в производство в литейном цехе ОАО Комсомольского - на - Амуре авиа
ционного объединения (ОАО «КнААПО»).
Цель работы - получение деталей с высокими эксплуатационными свойствами за счет разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий плавки и разливки магниевых сплавов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
исследование влияния различных способов приготовления магниевых сплавов под слоем флюса и газовой защитной среде на газосодержание, герметичность и механические свойства;
исследование, разработка новых методов рафинирования (электрорафинирование, продувка газами, внутреннее вакуумирование, фильтрация) магниевых сплавов, создание специальных устройств и оборудования для их осуществления;
исследование и разработка новых технологических процессов разливки (в среде защитного газа) магниевых сплавов;
- производственные испытания и внедрение разработанных технологических
процессов.
Научная новизна
-
Получены новые результаты по обработке магниевых сплавов электрическим током, позволяющие получить средние значения механических свойств образцов после термообработки Т4: ав= 255 Мпа, 5 = 6,5 % и газосодержание 15 см3/100 г;
-
Установлена и научно обоснована закономерность изменений газосодержания, герметичности и механических свойств литейных магниевых сплавов от способов их приготовления;
-
Экспериментально обоснован эффективный состав защитной газовой среды при приготовлении и разливке магниевых сплавов;
-
Выявлена зависимость массы приготовляемого расплава, плотности тока и количества электричества, позволяющая аналитическим путем определять оптимальные параметры технологии электрорафинирования магниевых сплавов;
-
Установлено, что при различной плотности тока происходит резкое изменение газосодержания - от max до min и на оборот (при плотности тока до 0,04 А/см2 происходит резкое снижение газосодержания, при 0,04 - 0,09 А/см2 идет дальнейшее незначительное снижение и при плотности тока более 0,1 А/см2 происходит резкое увеличение газосодержания).
-
Установлен оптимальный режим внутреннего электровакуумирования — оптимальное время 15 минут с плотностью тока на аноде более 0,1 А/см2. Основные положения, выносимые на защиту:
результаты исследований влияния различных способов рафинирования — флюсами и электрорафинирования при приготовлении магниевых сплавов под слоем флюса на структуру сплава и качество отливок;
результаты исследований влияния различных способов рафинирования и модифицирования (рафинирование продувкой газами, электровакуумное рафинирование, электрорафинирование с продувкой инертным и углеродосодержащим газами, рафинирование фильтрацией через кусковые насыпные фильтры) на качество получаемых отливок при бесфлюсовом приготовлении магниевых сплавов.
результаты экспериментальных исследований разливки магниевых сплавов по формам в струе защитного газа на свойства получаемых отливок.
Личный вклад автора
Автору принадлежит постановка задач данного исследования, обоснование и раз
работка основных положений, определяющих научную новизну и практическую зна
чимость - - - - -
Результат экспериментальных и теоретических исследований, изложенные в диссертации, получены лично автором и при его участии под руководством научного руководителя и консультанта.
Практическая значимость и реализация
На основе экспериментальных исследований разработаны:
технологический процесс электрорафинирования магниевых сплавов при приготовлении под слоем флюса;
технологический процесс бесфлюсового приготовления магниевых сплавов;
- технологический процесс разливки магниевых сплавов по формам в струе
защитного газа.
Все эти технологические процессы нашли практическое применение на ОАО «КнААПО» на участке магниевого литья, оснащенном плавильно-раздаточными печами собственного производства.
Суммарный экономический эффект от внедрения на ОАО «КнААПО» составил 6655 тыс. рублей (в ценах 1998 г.).
Результаты работы внедрены в учебный процесс при чтении лекций и выполнении лабораторных работ по дисциплинам «Технологические основы производства отливок» и «Плавка литейных сплавов» кафедры «Машины и технология литейного производства» в ГОУ ВПО КнАГТУ.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на: межрегиональной научно-технической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001г.), международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск - на -Амуре, 2002 г.).
Публикации <
Основные результаты исследований опубликованы в 15 работах, в том числе в 4 тезисах докладов на научно-технических конференциях и семинарах, в 6 статьях и 5 изобретениях.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, библиографического списка и 2 приложений. Материалы работы изложены на 137 страницах, содержит 14 таблиц, иллюстрированы 35 рисунками. Список литературы содержит 102 наименования.
Автор искренне признателен всем коллегам за содействие в выполнении настоящей работы, лично научному руководителю д.т.н., профессору Евстигнееву А.И. и научному консультанту к.т.н. Якимову В.И. за консультации, поддержку, внимание, плодотворный и критический анализ результатов исследований.
Физико-химические процессы, происходящие при плавке магниевых сплавов
При плавлении магния и его сплавов происходят сложные процессы взаимодействия между материалами шихты, с одной стороны, и материалами плавильных устройств, печной атмосферы, легирующими компонентами, покровными и рафинирующими флюсами, защитными средами и модифицирующими добавками, с другой [1].
Обладая высокой химической активностью, магний легко окисляется, а расплавленный магний энергично взаимодействует с кремнеземом и окислами железа (окалиной).
Магний может восстанавливать из галогенидов такие металлы, как марганец, бериллий. При взаимодействии иттрия, лантана, неодима и церия с хлористым магнием или окисью магния образуются хлористые соли и окислы этих металлов и возрастают потери дорогостоящих компонентов.
Расплавленный магний и его сплавы взаимодействуют с углекислым газом, азотом, хлором и продолжают гореть в атмосфере этих газов.
Основным материалом для приготовления магниевых сплавов служат чушковые металлы, лигатуры, отходы собственного производства (в том числе стружка).
Взаимодействие магния с газами. Взаимодействие газов с металлами (или сплавами) складывается из трех последовательных процессов: адсорбции, диффузии и растворения (или абсорбции) [2].
Адсорбцией газов представляет собой процесс, происходящий на поверхности раздела металл - газ, заключающийся в притяжении молекул газа из окружающей атмосферы атомами, находящимися на поверхности твердого тела или жидкости. Толщина адсорбированного газового слоя равна диаметру газовой молекулы.
В отличие от физической адсорбции активированная адсорбция протекает при температурах выше нуля. Свойственная активированной адсорбции малая скорость процесса говорит о том, что этот процесс связан непосредственно с диффузией и не может считаться поэтому чисто поверхностным явлением. Диффузия - это проникновение атомов газа в атомарном состоянии в глубин} твердого или жидкого металла (сплава).
Обязательной предпосылкой диффузии является химическое сродство металлов к газам. Инертные газы не диффундируют в металлы. На процесс диффузии влияют разность концентраций, температура металла, парциальное давление газов. Скорость диффузии возрастает с повышением температуры и давления [3]. Скорость диффузии водорода в металлах выше скорости диффузии других газов. На скорость диффузии газов в жидкий металл влияет химическое состояние поверхности расплава. Если поверхность расплава покрывается веществом, более химически активным, чем обычная для данных условий плавки газовая среда, коэффициент диффузии резко снижается.
В результате диффузии газы попадают во внутренние слои металла (сплава) и часть атомов газа остается там. Подобное поглощение газов металлами (сплавами) называется растворением или абсорбцией. Растворение газов в металлах или сплавах является следствием диффузии, когда газы в зависимости от их химического сродства с металлами образуют суспензии, твердые растворы или химические соединения. Основные факторы, влияющие на растворение газов в металлах и сплавах (помимо химической природы газов и металлов), - температура и давление.
Поглощению водорода и удерживанию его в объеме металла обязательно должна предшествовать диссоциация его молекул. Химическое взаимодействие водорода с металлом выражается в образовании гидридов.
Химические соединения газов с неметаллами являются источником образования в сплавах твердых неметаллических включений. Активность процессов окисления зависит от следующих факторов: сродства металлов к кислороду, действия правила аддитивности при окислении многокомпонентного сплава, образование окис-ных плен на поверхности расплава. Магний относится к металлам, подчиняющимся линейному закону окисления описанному формулой:
W = k T, (1.1)
где W - масса окислившего металла; к - коэффициент пропорциональности; x - время окисления
Исследования, проведенные научными авторами, показали, что магнии и его сплавах присутствует водород, кислород, азот, углеводороды. Основной объем приходится на долю водорода и кислорода. Другие газы обнаружены в незначительном количестве.
Взаимодействие с кислородом. Чушковый магний и его сплавы не только в процессе плавления, но и при хранении на складах взаимодействуют с газами окружающей атмосферы.
Магний обладает высокой химической активностью и большим сродством к кислороду.
Кислород и азот практически не растворяются в магнии и образуют с ним соединения состава MgO и Mg3N2, обладающие более высокой плотностью, чем расплав, что позволяет им оседать на дно ванны расплава.
Магний взаимодействует с кислородом и с влагой с образованием окиси магния.
Окись магния является весьма прочным соединением с температурой плавления 2825 С.
Тонкая окисная пленка защищает металл до температуры 450 С. При более высоких температурах пленка оказывается неустойчивой и разлагается на окись магния и воду, которая при взаимодействии с магнием приводит к выделению водорода, адсорбированного поверхностью.
Кинетика окисления твердых металлов зависит от природы и свойств образующихся окислов. Если объем окислов меньше объема металла, на котором они образуются (для магния это отношение равно 0,79), то скорость окисления остается постоянной или увеличивается. Окисная пленка у магния пористая. Такая пленка не защищает металл от доступа кислорода и потерь на угар.
Если металл не закрыт полностью окисной пленкой (V0K : V,W , 1) и кислород проникает в металл через разрывы в пленке, то скорость диффузии не является определяющим фактором окисления, а между количеством окислившегося металла и временем существует прямая зависимость.
Окись магния не растворяется в заметных количествах ни в хлористом магнии, ни в расплавленном карналлите. Окись магния нерастворима в хлоридно-фторидных расплавах щелочных и щелочноземельных металлов.
Загрязненный окислами и насыщенный газами расплав наиболее склонен к образованию микрорыхлости в отливках. С удалением из расплава окислов уменьшается вероятность появления в отливках микрорыхлоты.
Взаимодействие с азотом. Нитрид магния легко образуется при 700 С по реакции:
3Mg+N2=Mg3N2+l 16 кал.
При взаимодействии с парами воды нитрид магния может разлагаться по реакции:
Mg3N2+6H20-»3Mg(OH)2+2NH3.
Опыты по рафинированию магния [4] показывают, что кислород, азот и хлор в магнии представлены единой агломерированной формой, что объясняется главным образом смачивающим действием хлоридно-фтористых расплавов по отношению к окиси и нитриду магния. Не исключено, что ионы водорода электростатическими силами притягиваются частицами окиси магния и образуют комплексы сложного состава. Основная роль в образовании таких комплексов принадлежит тонкодисперсным включениям, уменьшение количества которых ведет к снижению общего газосодержания магния по всем примесям внедрения.
Взаимодействие с водородом. Магний способен растворять значительные количества водорода, образуя при этом эндотермические твердые растворы внедрения.
С повышением температуры содержание водорода в магнии возрастает и при 700 С составляет 27 см3/100 г металла.
В 100 г твердого магния растворяется около 18 см3 водорода. Таким образом, при охлаждении до температуры затвердевания насыщенного водородом магния в равновесных условиях будет выделяться около 8 см водорода из 100 г металла. Растворимость водорода в промышленных сплавах типа Мл5 в жидком состоянии при температуре 800 С и при давлении водорода в одну атмосферу колеблется от 24 до 34см3/100гсплава[5].
Цинк и алюминий (последний в меньшей степени) понижают растворимость водорода в магнии [6].
Оборудование для плавки магниевых сплавов в защитных газовых средах
Зарубежными фирмами в основном используются для бесфлюсовой плавки магниевых сплавов комплексные агрегаты. Где производятся плавка, фильтрация, выдержка жидкого расплава и, как правило, все агрегаты снабжены заливочно-дозирующими устройствами [51, 54, 55].
Для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов системы Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr пригодны действующие в отрасли правильные и раздаточные печи, если тигель печи закрыт крышкой и печь снабжена системой подачи смеси защитных газов под крышку тигля.
Варианты выполнения крышек на литые и сварные тигли вместимостью 300 кг и принципиальную схему подачи смеси защитных газов предложили авторы работ [42, 61].
Для улучшений условий труда авторы работы [62] несколько модернизировали крышку, снабдив ее снабжены люком для загрузки шихты, и люком для патрона с рафинирующим и модифицирующим материалами. Причем дверца люка для разгрузки шихты имеет привод поворота, выполненный в виде педали, соединенной с рычагом дверцы тросом и пружины для возврата дверцы в исходное положение [63].
В зависимости от объема производства, способа приготовления магниевых сплавов (дуплекс - процесс или плавка с стационарных печах) и возможности предприятия может быть использовано специальное оборудование. К такому оборудованию относится индукционная плавильная установка УБПМ-2 с тиглем вместимостью 500 кг и раздаточные электрические печи сопротивления: РПБМ-0,25; РПБМ-0,5; РПБМ-1,0 с тиглями вместимостью 250, 500 и 1000 кг соответственно [42,61].
Установка УБПМ-2 предназначена для бесфлюсовой плавки магниевых сплавов в защитной среде газов без герметизации объема печи и подачи расплава закрытой струей по обогреваемому металлопроводу в тигель раздаточной печи кондукционным насосом.
Зарубежными аналогами установки УБПМ-2 и раздаточных печей РПБМ являются плавильно-заливочные установки фирм «Фольксваген» (ФРГ) [64] и «Оберн Дайкаст» (США) [65], применяемые при литье под давлением отливок из магниевых сплавов. В отличие от вышеуказанных установок являющимися специализированными и работающими в комплексе с машиной литья под давлением, установка УБПМ-2 и раздаточные печи типа РПБМ являются универсальными м могут быть применены для любого способа литья (кокиль, песчаные разовые формы и т.д.).
Раздаточные печи РПБМ предназначены для приготовления рабочего сплава после его перелива из плавильной печи установки УБПМ-2 и дальнейшей раздачи по литейным формам.
Электрическая мощность и конструкция печей РПБМ позволяют использовать их самостоятельно как плавильные агрегаты. К недостаткам раздаточных печей можно отнести несовершенство конструкции крышки с механизмом перемещения. Как показал опыт эксплуатации таких печей на БЛМЗ, механизм имеет малую скорость перемещения и часто выходит из строя.
Аналогично НИАТовской установки УПБМ емкостью 500 кг для бесфлюсовой плавки и разливки литейных магниевых сплавов с герметизацией плавильно-литейного пространства была разработана и создана установка ВИЛСом [47].
После откачки (р0сх= 0,1 мм рт. ст.) загруженная печь и литейный узел заполнялись аргоном. При разливке избыточное давление аргона ртц= 0,05...0,1 атм (0,25...0,35 атм при затравке).
На приведенной установке было опробовано приготовление различных марок магниево-литиевых сплавов. Полученные слитки имели удовлетворительное качество поверхности, чистоту по излому.
Следует отметить, что за рубежом для защиты магний-литиевых сплавов применяют специальный флюс из смеси LiCl и LiF в соотношении 3:1 либо защитную атмосферу аргона. Разливка ведется в специальные формы или изложницы.
Проведенные исследования показали, что равномерное распределение лития по высоте ванны в процессе плавления достигается в результате перемешивания индукционными токами только при условии перегрева до температуры не ниже 740 С. Резко отрицательное влияние примеси натрия на механические свойства слитков можно объяснить тем, что натрий входит в состав хрупкой фазы, располагающейся по границам зерен [52].
Недостатками установки, помимо сложности проведения технологических операций, являются недостаточная производительность, ограниченный размер слитка, недостаточная производительность системы разливки выдавливанием. Указанные недостатки не исключали возможность усовершенствования описанного агрегата, но вместе с тем показывали целесообразность изыскания и опробования других вариантов.
Посредством несложной доработки стандартного плавильно-литейного агрегата ИПМ-300 была изготовлена установка для плавления и отливки слитков магниевых сплавов без герметизации плавильного пространства с применением проточной защитной атмосферы.
Тигель печи закрыт негерметично установленной крышкой с тремя люками, которые при необходимости могут открываться. Разливка металла осуществлялась линейным электромагнитным насосом. Для заполнения плавильного пространства защитной атмосферой подача газовой смеси производилась сразу с момента включения печи (расход газа около 400 л/ч). После проведения предварительных исследований при участии МАТИ были установлены оптимальные составы защитных атмосфер. Для магниево-литиевых сплавов защитная среда содержала 80 % аргона, 20 % фреона-12. Расход соответственно 320, 80 л/ч. Такая же смесь подавалась в литейную коробку и кристаллизатор с расходом 400 л/ч фреона-12. Для магниевых сплавов, легированных иттрием (ИМВб и ВМД10), защитная атмосфера содержала 80 % аргона, 20 % сернистого газа. Расход соответственно 320, 80 л/ч.
Исследования показали, что эффективность защиты может быть повышена увеличением высоты жидкой ванны металла. При этом ввиду увеличения гидростатического давления при включенной на полную мощность печи поверхность расплава продолжает оставаться неподвижной, не нарушается сплошность защитной пленки. Этот эффект имеет практическое значение, особенно при перегревах до высоких температур (860.. .900 С).
Приведенные составы защитных атмосфер обеспечивали удовлетворительную защиту от окисления. При проведении технологических операций с открытым люком расплав оставался защищенным от возгорания в течение короткого промежутка времени (2...3 мин).
Помимо указанного оптимального состава защитной атмосферы, были опробованы на серийных магниевых сплавах смеси азота с сернистым газом и воздуха с сернистым газом, которые по данным визуального наблюдения, обеспечивают аналогичные условия защиты и могут быть рекомендованы для защиты сплавов, не содержащих литий.
Опробование атмосферы, содержащей SFg, показало высокую эффективность защиты при невысоких концентрациях этого газа в смеси с аргоном (5...8%), но требуются дополнительные исследования и устройства, обеспечивающие поддержание заданных минимальных расходов и концентраций этого дорогого газа.
По разработанным режимам литья отливались круглые (0 370 мм) и плоские (165x550 мм) слитки магниево-литиевых сплавов и сплавов, легированных иттрием (ИМВ6, ВМД10). При отливке сплавов ИМВ6 и ВМД10 для уменьшения опасности образования трещин перед началом литья производилась подливка жидкого сплава МА8. Отлитые слитки имели удовлетворительные качество поверхности и чистоту по излому; легирующие элементы были практически равномерно распределены по длине и сечению слитка.
Исследования, проведенные при выстаивании расплава ИМВ6, показали постепенное уменьшение содержания иттрия. Общая величина потерь иттрия невелика (5...10 %) по сравнению с потерями РЗМ для серийной технологии (15...20 % для неодима). Недостатки технологии приготовления сплавов на ИПМ-300 связаны с высокой температурой перегрева для сплавов, содержащих иттрий, и необходимостью слива технологического остатка после каждой плавки. Перегрев отрицательно сказывается на стойкости тигля, а операция слива технологического остатка в коробку поворотом печи сопровождается повышенным окислением большой поверхности движущегося металла, загрязнением атмосферы цеха.
В литейном цехе базового предприятия магниевые сплавы марок Мл5, Мл5п.ч., Мл 10 готовятся в открытых электрических печах сопротивления модели САТ-0,15 под защитой покровных флюсов.
Рафинирование сплавов осуществляют рафинирующими флюсами, чем достигается удаление только лишь твердых неметаллических включений (частично) и молекулярного водорода. Это приводит к повышенному проценту брака отливок по геометричности, по флюсовой коррозии.
Кроме того, происходит загрязнение окружающей среды цеха вредными для здоровья человека веществами, концентрация которых в несколько раз превосходит допустимые санитарно-гигиенические нормы.
Исследование влияния постоянного электрического тока на качество получаемого магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении
Эксперименты проводились на установке, схема которой показана на рис.3.9 [72].
Сплав Мл5 приготавливался следующим образом. В тигель загружалась шихта. При температуре, близкой к 400 С, тигель накрывали крышкой и через отверстие в крышке периодически подавали защитный газ. Края тигля были предварительно механически обработаны для более плотного прилегания крышки. При достижением расплавом температуры 720 - 740 С через специальное окно в центре крышки колокольчиком проводилось модифицирование расплава гексахлорэтаном. После модифицирования в отверстие крышки устанавливался электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Положительный полюс подсоединялся к корпусу печи и, соответственно, к тиглю.
В качестве защитного газа использовался аргон, углекислый газ и азот. Наиболее удовлетворительно зарекомендовала себя защитная среда из смеси углекислого газа (50 %) и азота (50 %). В остальных случаях наблюдалось значительное испарение магния, достигающее трех процентов. Расход газа на плавку 20 кг сплава составлял 5-6 литров.
Обработка расплава постоянным током проводилась при различных продолжи-тельностях процесса и плотностях тока на аноде. За анод принималась поверхность тигля, контактирующая с расплавом. Расплав, обработанный током, проверялся на газосодержание по методу «первого пузырька». Для снижения погрешности измерений газоанализ расплава каждой плавки проводился трижды. В таблице 3.3 представлены результаты исследований.
Эксперименты показали, что обработка расплава постоянным током в процессе бесфлюсового приготовления позволяет снизить газосодержание на 4 - 5 см3/100 г, что весьма существенно при литье деталей, работающих в условиях герметичности.
Применение в качестве защитных газов азота, углекислого газа, аргона требует специальных герметичных конструкций плавильных установок. Газосодержание в расплаве в зависимости от плотности тока и времени обработки
По усредненным данным таблицы 3.3 построены кривые зависимости газосодержания от плотности тока, (рис. 3.10) и времени обработки током (рис. 3.11.) из которых видно, что наименьшее содержание газов наблюдается при обработки плотностью тока 0,04 А/см" в течении 5 минут. При исследовании в производственных условиях влияния постоянного электрического тока на качество магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении была использована установка собственного изготовления РПБМ-0,3, созданная на базе установки РПБМ-0,25 [73]. За основу был взят технологический процесс приготовления магниевых сплавов, включающий плавление шихты в инертной среде, рафинирование и модифицирование сплава продувкой гелием и углекислым газом и выстаивание. В качестве источника постоянного тока для электрорафинирования использовался сварочный генератор модели ПСО-500. Для обработки расплава электрическим током создавалось электрическое поле между двумя электродами, один из которых располагался в верхних слоях расплава, второй, которым служило газораспределительное устройство [68] для подачи рафинирующего и модифицирующего газов, располагался у дна тигля. Исследования проводились на сплаве Мл5 [74, 75]. Шихту расплавляли в среде инертного газа. Процесс рафинирования и модифицирования проводился с различным соотношением рафинирующего (гелия - Не) и модифицирующего (углекислого газа - СО2) газов в смеси различном количестве электричества (1,0 - 3,0 Кулона), пропускаемого через расплав. Результаты исследований приведены в таблице 3.4
Эксперименты показали, что обработка расплава при рафинировании газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (1,0 — 2,0) (0,1 - 2,0), к заметному улучшению качества сплава не приводило — га-зосодержание снижалось с 23,0 - 25,0 см /100 г до 11,0 - 14,0 см /100 г (при продувке одним рафинирующим газом газосодержание снижалось до 13,0 - 14,0 см3/100 г). При рафинировании газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (1,0 - 2,0) : (0,1 - 0,2), наблюдалось заметное снижение газосодержания в расплаве - до 8,0 -9,0 см /100 г. Дальнейшее увеличение модифицирующего газа в рафинирующей смеси к улучшению приготовляемого сплава не приводило и даже наблюдался обратный эффект - резко увеличивался брак отливок из - за микрорыхлоты. При модифицировании сплава газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (0,01 - 0,02) (1,0-2,0), сплав получался с мелкозернистой структурой, но увеличивался брак отливок по микрорыхлоте и отливки получались менее плотные. При испытании на герметичность брак по отдельным позициям достигал 50 - 60 %. При модифицировании сплава газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (0,01 - 0,02) : (1,0 - 2,0), сплав получался с мелкозернистой структурой, брак отливок по микрорыхлоте заметно уменьшался, отливки получа 72 лись более плотные. При испытании на герметичность брак снизился до 28 - 30 %. При модифицировании сплава газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (0,01 - 0,02) (1,0 - 2,0), сплав получался с крупнозернистой структурой. При рафинировании сплава продувкой газовой смесью использование постоянного тока с направлением электрического поля, совпадающим с гидростатическими силами пузырьков газов, способствовало снижению газосодержания в расплаве, причем, газосодержание снижалось в зависимости от количества электричества, пропускаемого через расплав. При пропускании количества электричества через 1 см3 расплава в пределах от 1,0 - 1,7 Кулона и продувке сплава газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (1,0 - 2,0): (0,1 - 0,2), наблюдалось снижение газосодержания с 8,0 - 9,0 см3/100 г до 4,0-4,5 см3/100 г.
Затем увеличение пропускания количества электричества в пределах 1,70 - 1,75 Кулона не приводило к знчительному снижению газосодержания. Дальнейшее увеличение количества электричества в пределах 1,75 - 3,0 Кулона, пропускаемого через расплав, не приводило к снижению газосодержания в расплаве и даже наблюдалось увеличение - до 5,0 - 7,0 см3/100 г. При модифицировании сплава газовой смесью, состоящей из рафинирующего и модифицирующего газов в соотношении (0,01 - 0,02) : (1,0 - 2,0), с одновременной обработкой постоянным электрическим током с направлением электрического поля несовпадающим с гидростатическими силами пузырьков газов, причем, количество электричества пропускаемого через 1 см3 расплава составляло 1,70 - 1,75 Кулона, сплав получался с мелкозернистой структурой (были получены образцы с размерами зерна 70 - 80 мк, а при модифицировании только продувкой газом размер зерна составлял 90 - 100 мк), отливки получались плотные (при испытании на герметичность брак отливок составлял 5,0 - 7,0 %). Использование смеси рафинирующего и модифицирующего газов при рафинировании способствовало повышению чистоты приготовляемого сплава. Во-первых, из - за уменьшения повторного загрязнения расплава окислами и газонасыщения, происходящего при извлечении и погружении газораспределительного устройства при переключении подводящей газовой системы для проведения рафинирования и модифицирования. Во - вторых, из - за более полного удаления водорода из расплава, т.к. находящейся в газовой рафинирующей смеси модифицирующий при взаимодействии с магнием образует мельчайшие частицы окиси магния, несущий электроотрицательный заряд и являющийся дополнительными концентраторами водорода, имеющий положительный заряд. Инертный газ удаляет из расплава частицы окиси магния, как и адсорбированный им водород. Дополнительная обработка электрическим током во время рафинирования газом способствует перемещению ионов водорода к катоду, находящемуся в верхних слоях расплава, где они накапливаются и по мере накопления образуют пузырьки, которые всплывают на поверхность расплава под действием собственных гидростатических сил или выносятся на поверхность пузырьками рафинирующего газа. Использование смеси модифицирующего и рафинирующего газов при модифицировании также способствовало повышению чистоты приготовляемого сплава. Так как на стадии модифицирования происходит дополнительное загрязнение расплава окисью магния, а пузырьки рафинирующего газа тут же адсорбируют на своей поверхности окислы и перемещают их на поверхность расплава. Содержание небольшого количества рафинирующего газа в смеси на стадии модифицирования не снижает эффект модифицирования. Кроме того, во время модифицирования обработка электрическим током тоже способствовала повышению чистоты приготовляемого сплава, т.к. образующая окись магния, имеющая электроотрицательный заряд, перераспределялась к аноду, находящемуся в верхних слоях расплава, откуда она выносилась на поверхность с помощью пузырьков газа.
На основании проведенных исследований был разработан технологический процесс бесфлюсового приготовления магниевых сплавов [76]. Сплав Мл5 расплавлялся в среде защитного газа, состоящей из смеси газов - элегаза и углекислого газа. После достижения температуры 750 - 760 С расплав рафинировался в течении 5 минут газовой смесью, состоящей из гелия и углекислого газа в соотношении (1,0 - 2,0): (0,1 - 0,2), с расходом гелия 24 литра, углекислого газа 2,5 литра и постоянным электрическим током с направлением электрического тока совпадающим с гидростатическими силами пузырьков газовой смеси, при этом, количество электричества, пропускаемое через 1 см3 расплава, составляло 1,70 - 1,75 Кулона.
Внедрение плавильно-раздаточной установки и технологического процесса для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов
В процессе выполнения экспериментальных работ были усовершенствованы газораспределительный блок и станция газовых баллонов на установке для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов модели РПБМ-0,3. Доработка позволила упростить работу обслуживающего персонала.
Техническое описание установки РПБМ-0,3
Назначение
Печь раздаточная для магниевых сплавов РПБМ-0,3 предназначена для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов в среде защитного газа, который способствует образованию на поверхности расплава устойчивой защитной пленки, предохраняющей расплав от взаимодействия с кислородом воздуха.
Защитный газ: 1 - 2 % элегаза (шестифтористой серы) ТУ6-02-1249-83 в смеси с осушенным углекислым газом ГОСТ 8050-85
Печь раздаточная для магниевых сплавов РПБМ-0,3 состоит из следующих основных частей (рис. 4.5)
Корпуса;
Крышки;
Тигля;
Блока распределительного газового;
Шкафа с электроаппаратурой;
Станции газовых баллонов для защитного газа;
Станции газовых баллонов для модифицирования и рафинирования расплава.
Устройство и работа составных частей
Корпус 1 - состоит из футерованной сварной обечайки с нагревателями электросопротивления, выполненными в виде ленточных спиралей.
Крышка 2 — сварная конструкция из листового материала с набивкой из теплоизолирующего материала, предназначена для уменьшения теплопотерь с поверхности расплава, а также уменьшения утечек защитного газа из тигля.
Тигель 3 - сварная конструкция из листового материала. Для установки в печь тигель имеет опорный фланец.
Блок распределительный газовый 4 выполнен в виде шкафа, в котором расположена аппаратура, контролирующая расход, давление и распределение смеси.
Шкаф с электроаппаратурой 5
Станция газовых баллонов 6 состоит из сварной стойки и баллонов со сжатым воздухом и элегазом (шестифтористой серы) для приготовления защитного газа.
Станция газовых баллонов 7 предназначена для проведения технологических операций рафинирования расплава гелием и модифицирования фреоном. Устройство и работа газовой системы.
Газовая система предназначена для защиты магниевого сплава от взаимодействия с кислородом воздуха. Согласно структурной схеме (рис.4.6) система обеспечивает дозирование двухкомпонентной газовой смеси.
Основной газовой защитой смеси является углекислый газ или осушенный воздух, к которому добавляется до 20 % по объему элегаз (SFf, - шестифтористая сера).
Блок распределительный газовый может использоваться как в цехах с централизованной подачей готовой газовой смеси, так и с раздельной подачей компонентов от станции газовых баллонов под давлением 0,2...0,3 МПа (2...3 кГс/см") в блок. Дальнейшее понижение давления обеспечивается после влагоотделителей ВД1, ВД2 сетевыми редукторами РД1, РД2 до 0,02...0,03 МПа (0,2...0,3 кГс/см2), что обеспечивает нормальную и безопасную работу печи.
Расход газов определяется настройкой регулирующим краном КН8 и вентилем ротаметра РМ1. В случае необходимости повышенный расход газа обеспечивается включением кранов КН5, КН6.
Расход газовой смеси или отдельных компонентов контролируется ротаметрами РМ1,РМ2,РМЗ.
Распределение газовой смеси может производиться по четырем каналам. Подачу необходимого количества газа в каждый канал производят соответствующей настройкой регулирующих дросселей ДР1...ДР4, включенных в каждую отводную от коллектора линию. Для последовательной настройки дросселей, каждая отводная линия снабжена кранами КН1...КН4, которые позволяют перекрыть все линии, кроме одной. Контроль величины расхода при настройке отдельного дросселя производится по ротаметрам.
После настройки всех дросселей на необходимые расходы определяется суммарный расход газов через ротаметры.
Контроль давления в системе осуществляется с помощью манометров МН1 и МН2.
Устройство и работа электрооборудования
Общие сведенья
К электрооборудованию раздаточной печи РПБМ-0,3 относится установленные (см. рис. 4.7):
пусковая и защитная аппаратура в электрошкафу (QF, FA1...FA3, FA4) контролирующая (РАЇ...РАЗ), регистрирующая (PS) аппаратура на лицевой панели электрошкафа;
органы управления (SA, КН, КМ) на лицевой панели и задней стенке электрошкафа;
сигнальная аппаратура на лицевой панели электрошкафа (HL1, HL2);
переносная термопара (ВК) для замера температуры расплава в тигле;
нихромовые нагреватели (ЕК1 ...ЕК9) в корпусе печи.
Для работы электросхемы применены следующие величины напряжений переменного тока:
силовая цепь трехфазная 380 В, 50 Гц;
цепь управления и сигнализации 220 В, 50 Гц.
При включении вводного автоматического выключателя QF подается напряжение на силовые цепи и через универсальный переключатель SA на цепи управления.
Первоначальный пуск.
Проверить при первоначальном пуске печи надежность заземления и качество монтажа электрооборудования внешним осмотром.
Проверить с помощью универсального переключателя SA четкость срабатывания контактов КМ, КН. После проверки вернуть его в нейтральное положение.
Работа электросхемы
Электросхема обеспечивает как автоматический режим работы, так и ручкой. Основным является автоматический режим, при котором с помощью термопары ВК и электронного потенциометра PS обеспечивается поддержание заданной температуры расплава за счет включения и отключения источника питания.
Выбор режима работы и включение нагревателей ЕК1 ...ЕК9 осуществляется универсальным переключателем SA: положение I - ручной режим (контакты 1 - 7 замкнуты), положение II - автоматический режим (контакты 1-5 замкнуты), нулевое положение - отключение источника питания.
В любом режиме контакты 1 - 3 универсального переключателя SA замкнуты и схема управления получает питание.
Для включения нихромовых нагревателей ЕК1...ЕК9 необходимо поставить автоматический выключатель QF в положение ВКЛ и установить универсальны пере 117 ключатель SA в положение II. При этом, если температура расплава не выше заданной, контакты (А) и (0) электронного потенциометра SP замкнуты и запитываетя контактор КН, который своим контактом замыкает цепь контактора КМ. Контактор КМ срабатывает и через свои силовые контакты КМ запитывает нагреватели ЕК1...ЕК9. Через блок-контакты пускателя КМ включаются сигнальные лампы HL1 и HL2, сигнализирующие о включении и отключении нагревателей (HL1 - нагрев — нагреватели включены, HL2 - расплав готов - нагреватели отключены).
Контроль работы нагревателей ЕК1...ЕК9 осуществляется по амперметрам РА1, РА2, РАЗ. Защита от коротких замыканий в силовой цепи осуществляется автоматическим выключателем QF и предохранителями FA1, FA2, FA3, а цепи управления — предохранителем FA4.
