Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ эксплуатационных характеристик конструкционных чугунов 11
1.1 Особенности строения конструкционных чугунов 11
1.2 Влияние компонентов на формирование структуры и свойства чугунов 13
1.3 1Анализ механизмов процесса кристаллизации железо – углеродистых сплавов TITLE1 24 1.4 Особенности металлургических процессов, протекающих при плавке чугунов в зависимости от применяемых плавильных агрегатов 30 1.5 Анализ возможности повышения качества чугунов в процессе модифицирования и микролегирования 44 1.6 Выводы 56 CLASS 2 Методика проведения исследований 59 CLASS 2.1 Выбор и подготовка образцов для исследования 59 2.2 Методика проведения экспериментальных плавок чугуна 61 2.3 Подготовка технологической пробы на отбел TITLE2 62
2.4 Определение химического состава чугунов 63
3 Исследование особенностей получения отливок из серых чугунов с использованием процессов рециклинга, модифицирование расплава редкоземельными и щелочноземельными элементами 64
3.1 Рециклинг шламов в литейно – металлургическом комплексе. 64
3.2 Технология рафинирующей обработки чугунов 67
3.3 Технология модифицирующей обработки чугунов 70
3.4 Обработка серого чугуна карбонатами
3.5 Использование составных модификаторов при внепечной обработке серых ваграночных чугунов 80
3.6 Выводы 85
4 Исследование процессов предсфероидизирующего модифицирования высокопрочного чугуна 86
4.1 Влияние процессов модифицирования и микролегирования базового расплава на технологические свойства ВЧШГ 86
4.2 Особенности формирования структуры в зависимости от состава высокопрочного чугуна 90
4.3 Барий в жидком железе 93
4.4 Изучение влияния карбонатов на процесс графитизации чугуна 95
4.5 Рекомендации по термовременной и инокулирующей обработке расплава синтетического чугуна индукционной плавки перед сфероидизирующим модифицированием 100
4.6 Анализ механизма зарождения и роста графита шаровидной формы в ВЧШГ
4.7 Разработка модифицирующих составов для предсфероидизирующей обработки расплава ВЧШГ 110
4.8 Математическое планирование процесса предсфероидизирующего модифицирования расплава высокопрочного чугуна 112
5 Внедрение технологии модифицирующей обработки расплава карбонатами при получении отливок из высокопрочного чугуна 116
5.1 Использование карбонатов для инокулирующей обработки
расплава перед сфероидизирующим модифицированием 116
5.2 Применение инокулирующих присадок при ковшевом модифицировании порошковой проволокой 127
5.3 Получение ВЧШГ при плавке чугуна в газовой вагранке 135
5.4 Выводы 147
Основные выводы 148
Список использованной литературы
- 1Анализ механизмов процесса кристаллизации железо – углеродистых сплавов TITLE1 24 1.4 Особенности металлургических процессов, протекающих при плавке чугунов в зависимости от применяемых плавильных агрегатов 30 1.5 Анализ возможности повышения качества чугунов в процессе модифицирования и микролегирования 44 1.6 Выводы 56 CLASS 2 Методика проведения исследований 59 CLASS 2.1 Выбор и подготовка образцов для исследования 59 2.2 Методика проведения экспериментальных плавок чугуна 61 2.3
- Использование составных модификаторов при внепечной обработке серых ваграночных чугунов
- Рекомендации по термовременной и инокулирующей обработке расплава синтетического чугуна индукционной плавки перед сфероидизирующим модифицированием
Анализ механизмов процесса кристаллизации железо – углеродистых сплавов
Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства. На рисунке 1.3 – б показано совместное влияние углерода и кремния (ось ординат) и толщины стенки отливки (ось абсцисс) на структуру чугуна. Обозначение областей на этой диаграмме также соответствует структурам, приведенным на рисунках 1.2 и 1.3 а.
Марганец – растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками. Фосфор - не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1-0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается до 0,2 - 0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7-0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья - около 1 % фосфора.
Сера - является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe+FeS), которая плавится при температуре 988С. Эвтектика затвердевает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.
Легирующие элементы (Сг, Ni, Mo, Ti, Мn, Си и др.) - улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно ].В результате легирования чугуна перлит измельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры. Характерно, что даже сравнительно небольшое легирование марганцем, никелем, хромом, молибденом и медью дает возможность повысить как механические свойства чугунов, так и некоторые специальные свойства (сопротивление износу, коррозии, эрозии, ползучести и т.п.). Следует учитывать, что содержание примесей различных элементов в исходных чугунах является наиболее устойчивым наследственным признаком, оказывающим существенное влияние на процессы графитизации и структурообразо-вание металлической основы. В связи с этим все чугуны имеют ряд недостатков, которые не только влияют на качество получаемого литья, но и очень сильно ограничивают область их применения 5].
Управление составляющими сплава и комплексное влияние на негативные факторы при формировании структуры чугунов могли-бы значительно повлиять на качество получаемой продукции. Рассмотрим наиболее существенные недостатки, проявляющиеся при получении чугунных отливок.
Поверхностный отбел - наличие на поверхности и прилегающей к ней зоне отбеленного слоя той или иной глубины, в котором углерод почти, полностью находится в виде цементита. В отдельных случаях данная структура получается намеренно, например при литье износостойких валков. Однако в большинстве случаев наличие поверхностного отбела создает серьезные проблемы в процессе механической обработки и эксплуатации отливок из чугунов. Предотвращение отбела на поверхности чугунных отливок является важной и сложной задачей. Поверхностный отбел вызывает удлинение технологического цикла (необходим отжиг) и увеличение себестоимости литья (до 15-20%). Отливки с отбеленной поверхностью затрудняют механическую обработку вследствие высокой твердости.
Степень и глубина отбеленного слоя зависят от многих факторов производственного характера и в первую очередь от химического состава и структуры чугуна, условий его выплавки, степени перегрева, материала формы, окраски ее поверхности и т. п. Интенсивность уменьшения отбела зависит от увеличения содержания в чугуне различных элементов: 1% С уменьшает отбел на 28-30%, 1% Si - на 15 - 30%, 1% Р - на 5%, 0,1% S увеличивает отбел на 48%, 1% Мп (и свыше) -на 15%. Элементы, способствующие графитизации чугуна, уменьшают величину отбела; элементы, способствующие карбидообразованию, увеличивают отбел.
Кроме химического состава, на отбеливаемость, т. е. степень и глубину отбела значительное влияние оказывают также способ выплавки, род топлива и марки чугунов в шихтовке: древесно угольные чугуны нормальной выплавки придают расплаву наилучшую отбеливаемость; коксовые чугуны, наоборот — наихудшую отбеливаемость.
Таким образом, возможность влияния на формирование подобных структур при получении чугунных отливок, позволит значительно снизить затраты на их механическую обработку повысив, тем самым, эффективность производства.
Ликвация – неравномерное распределение элементов в отливках, характерны в основном для кремния, марганца, фосфора и серы. В результате этого процесса образуется химическая неоднородность в отдельных частях отливки (зональная ликвация) или в отдельных кристаллах (внутрикристаллитная ликвация). Помимо ликвации химических элементов в чугуне наблюдается ликвация по плотности.
Различают прямую и обратную ликвации. При прямой зональной ликвации химические элементы перемещаются от периферии к центру отливки. При обратной зональной ликвации химические элементы перемещаются от центра к периферии. При прямой внутрикристаллитной ликвации концентрация ликвирующего элемента возрастает в кристаллите от центра к периферии, а при обратной ликвации - от периферии к центру. В целом наибольшее влияние на свойства чугуна и качество отливок оказывает зональная ликвация элементов. Степень зональной ликвации элементов чугуна зависит от многих факторов, в том числе от состава, температуры чугуна и скорости охлаждения.
Ликвация углерода в чугуне может быть зональной и межкристаллитной, прямой и обратной, при этом чугун с шаровидным графитом имеет большую склонность к зональной и дендритной ликвации, чем чугун с пластинчатым графитом. В чугуне заэвтектического состава углерод обладает наибольшей ликви-рующей способностью. В чугуне, обработанном магнием, углерод ликвирует в междендритные пространства, содержание его во внутренних зонах дендритов значительно меньше. В чугуне с низким содержанием углерода и кремния наблюдается прямая ликвация кремния, а при высоком содержании этих элементов наблюдается обратная ликвация кремния. Концентрация кремния в дендритных ветвях достигает 2,2%, между ветвями дендритов - 1,35%, а на границах эвтектических колоний, затвердевающих последними - до 1% при среднем содержании кремния в чугуне 1,83%. Примечательно, что в чугуне, обработанном магнием, кремний распределен также неравномерно, как и в сером чугуне.
Вследствие низкой температуры затвердевания фосфидной эвтектики и в результате усадочных процессов фосфидная эвтектика иногда выжимается на поверхности отливки. С увеличением скорости кристаллизации внутрикристаллит-ная ликвация фосфора уменьшается.
Подготовка технологической пробы на отбел
Хром - способствует значительному уменьшению количества графитовых включений и их измельчению, увеличению отбела. При содержании до 1% хром стабилизирует цементит и измельчает перлит в чугуне, повышая его прочность [23]. Для подавления сильного карбидообразующего действия хрома вместе с ним в расплав вводят никель в соотношении Ni:Cr = 1:2. Растворение хрома в феррите практически не вызывает искажения кристаллической решетки и не снижает пластичность чугуна, так как кристаллические параметры и атомные радиусы хрома и -Репрактически равны. Присадка хрома повышает твердость чугуна не только за счет увеличения количества карбидов, но и в результате увеличения твердости феррита [63].
Молибден - способствует повышению временного сопротивления чугуна на 40-70 МПа при содержании 0,5….. 0,6% , а также увеличивает его прокаливае-мость.
При повышенных температурах влияние молибдена на прочность чугуна проявляется более заметно. Так при температуре 600 С чугун, легированный 0,78% молибдена, имеет в 2 раза более высокие показатели прочности, чем нелегированный [2]. При содержании 0,2 …. 0,5% молибдена несколько повышается износостойкость чугуна без проявления отбела [64].
Марганец - повышает растворимость углерода в аустените, тем самым способствуя уменьшению количества графита. Марганец повышает количество пер 54 лита в матрице чугуна, что снижает его пластичность и вязкость, но повышает прочность и твердость. Он увеличивает прокаливаемость чугуна и его склонность к отбелу при содержании более 0,5%. Марганец в количестве 1,2% полностью подавляет формирование феррита в тонких частях отливок, охлаждаемых со скоростью 0,25…. 1,3 С/с [58].
Марганец образует с серой прочный сульфид, который устраняет красноломкость деталей. При этом необходимое для связывания серы количество марганца рассчитывается из соотношения %Mn / %S = 4-5 [65].
Ванадий способствует измельчению графитовых пластин, завихрению их ориентации. При содержании более 0,12% ванадий вызывает образование междендритного графита и, в целом, уменьшение его количества [бб]. Отбеливающее действие ванадия вдвое сильнее графитизирующего воздействия кремния. При введении 0,15-0,25% V резко увеличивается количество перлита и его дисперсность в металлической основе, измельчаются пластинки графита, что значительно увеличивает прочность чугуна. При содержании более 0,5% V в структуре появляются крупные включения цементита, значительно снижающего механические свойства чугуна [67]. При этом ванадий способствует повышению структурной стабильности чугуна при высоких температурах.
Фосфор - вызывает значительное увеличение размеров графита от 30 до 180 мкм. В то же время он не образует устойчивых карбидов и не обладает повышенной сорбционной склонностью [68]. Количество перлита в металлической матрице и его дисперсность повышаются с увеличением содержания в чугуне фосфора [69].
Повышенное содержание фосфора приводит к выделению большого количества хрупкой фосфидной эвтектики в виде сплошной сетки. Это понижает пластичность и вязкость чугуна [70]. Фосфидная эвтектика имеет пониженную температуру кристаллизации, что способствует образованию усадочных пор в кристаллизующихся в последнюю очередь локальных объемах расплава. Увеличение содержания фосфора свыше 0,5% значительно снижает термоциклическую прочность чугуна. Отрицательное влияние серы в чугуне проявляется через формирование по границам зерен хрупкой тройной эвтектики + Fe3C + FeS с температурой плавления 988С[71]. При достаточном количестве марганца большая часть серы связывается в сульфид MnS, который нерастворим ни в твердом, ни в жидком металле, что исключает образование легкоплавкой эвтектики [72].
Сера склонна к дендритной ликвации, что усиливает её отрицательное влияние. Наличие серы и её сульфидов затрудняет распад цементита и перлита и этим увеличивает необходимое время отжига что значительно увеличивает трудоемкость и себестоимость литья.
Церий, иттрий, лантан, магний - являются поверхностно-активными веществами и способствуют образованию вермикулярной, компактной или шаровидной формы графита Гф5, Гф6, Гф9, Гф11-Гф13. Используя данные элементы для модифицирующей обработки расплава, получают высокопрочные чугуны и чугу-ны со специальными свойствами. Рекомендуется следующее содержание элементов: 0,03-0,05% Mg, 0,15-0,20% Се, 0,3%У[б5].
Кальций и барий - образуют в чугуне устойчивые соединения с кислородом, серой, азотом, и водородом. Они химически очень активны, не образуют соединений с железом и устойчивых карбидов, но обладают повышенной сорбционной склонностью [73]. Они широко используются для рафинирования и модифицирования чугуна [18]. Данные элементы очень часто вводятся в состав комплексных модификаторов типа Fe - Si - Mg - Ва. Наличие P3M позволяет не только снизить содержание магния в комплексном модификаторе и нейтрализовать, вредное действие демодифицирующих элементов, но также увеличивает продолжительность сохранения в чугуне при его выдержке в ковше графита шаровидной формы. Наличие кальция более 2,5% в составе комплексного модификатора: типа Fe-Si-Mg-Ba также вызывает повышение графитизирующей способности. Число графитных включений резко, возрастает,что способствует уменьшению усадочных дефектов и повышению выхода годного [із].
Олово - в количестве 0,13-0,3% повышает прочность и твердость чугуна благодаря увеличению количества и дисперсности перлита. Добавка олова повы 56 шает ростоустойчивость и жаростойкость чугуна, что обусловлено увеличением структурной стабильности легированного перлита [65]. Олово повышает отбел чугуна. Введение олова в состав чугуна изменяет морфологию графита от типов ПГр8 и ПГр9 к типу ПГр1. При вводе в чугун 0,1% Бпотливкипри скорости охлаждения более 0,12С/с затвердевают с перлитной структурой даже при низком содержании марганца и меди [58].
Использование составных модификаторов при внепечной обработке серых ваграночных чугунов
Перегрев чугуна значительно выше температуры плавления ведет к растворению, хотя и неполному, этих взвешенных частиц, что затрудняет непосредственное образование графита.
Введение различных добавок к чугуну приводит к возникновению дополнительных центров кристаллизации, способствуя, тем самым, графитизации [92]. На этом принципе основаны технологии модифицирования чугунов перед сфероиди-зирующей обработкой (предсфероидизирующее инокулирование).
Ранее были рассмотрены основные типы модификаторов и их воздействие на расплав. Рассмотрим, на примере карбонатов бария, стронция и натрия, механизм формирования зародышей графита учитывая приведенный материал.
Являясь поверхностно - активными веществами, вышеупомянутые карбонаты относится к модификаторам первого рода, которые при кристаллизации адсорбируются на поверхности растущих кристаллов и тормозят их рост. Это приводит к увеличению величины переохлаждения жидкой фазы перед фронтом кристаллизации и создает благоприятные условия для возникновения новых центров зарождения кристаллов.
Таким образом, обеспечивается изменение свободной энергии, способствующее смещению фазового равновесия к системе L А+Г, а поверхностно - активный эффект обеспечивает отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита, что в итоге способствует измельчению зерна. Кроме того, в значительном количестве работ отмечается, что использование бария и других ШЗМ в лигатурах приводит к уменьшению количества крупных неметаллических включений [86]. Обладая высоким химическим сродством к кислороду и большинству других вредных примесей, а также малой растворимостью в жидком железе, данные элементы рафинируют расплав. Удаление посторонних включений обеспечивается по адсорбционно - флотационному механизму. В конечном итоге обеспечивается гомогенность расплава перед приемом магниевой лигатуры.
Рекомендации по термовременной и инокулирующей обработке расплава синтетического чугуна индукционной плавки перед сфероидизирующим модифицированием
Практика производства высокопрочных чугунов как в России так и за рубежом показывает, что сфероидизирующий эффект при модифицировании очень сильно зависит от подготовки расплава к данной операции. Содержание в чугуне серы, марганца, газов и неметаллических включений значительно осложняют получение стабильных результатов модифицирования. Учитывая данное обстоятельство, наибольшее распространение при изготовлении отливок из ВЧ получила индукционная плавка синтетических чугунов[93]. Данный процесс позволяет обеспечить оптимальные параметры технологии и уменьшить влияние внешних факторов, например таких, как насыщение металла серой и другими неметаллами от топлива при плавке в вагранке.
Основными технологическими операциями, подготавливающими расплав к сфероидизации, являются термовременная обработка и предсфероидизирующее модифицирование. После расплавления шихты и доводки сплава по химическому составу необходимо его перегреть до необходимой температуры и, получив гомогенный по составу и температуре чугун, подвергнуть его сфероидизирующему модифицированию. Однородность расплава, так необходимая для получения стабильной металлической матрицы после модифицирования, обеспечивается за счет интенсивного электромагнитного перемешивания, имеющего место при индукционной плавке[94]. Однако, учитывая присутствие в металле флуктуаций плотности и температуры, достигнуть идеальной однородности расплава практически невозможно.
Для небольших перегревов чугуна определенного состава сверх точки плавления имеются веские основания считать жидкий и твердый сплавы близкими по строению. При этом предполагается сохранение в определенных объемах структуры твердого состояния. Особенно это присуще сплавам эвтектического типа, представляющим физическую совокупность микрообъемов отдельных компонентов, что становится возможным вследствие больших значений сил взаимопритяжения одноименных частиц. К такому типу сплавов, как известно, и относится чугун. Рассмотрение его в жидком состоянии усложняются наличием углерода и кремния в относительно высоких концентрациях, когда возможно присутствие углерода в форме микрогруппировок графита. Для случая перегрева чугуна представляет интерес значительное ослабление поверхностной активности углерода с повышением температуры, что подтверждается повышением поверхностного натяжения железоуглеродистых сплавов, уменьшением кинематической и динамической вязкости и другими характеристиками. Это означает усиление диспергирования микрогруппировок углерода графитного типа при повышении температуры расплава, что является одной из характеристик подготовки металла к сферо-идизирующему модифицированию и разливке. Одновременно происходит изменение структуры ближнего порядка жидкого металла (изменение упаковки в микрообластях). Для железо-углеродистых сплавов с содержанием углерода более 2% температура изменения структуры ближнего порядка имеет значение около 1520С[95].
Диспергирование фаз в жидком чугуне термодинамически выгодно вследствие возрастания конфигурационной энтропии. При этом происходит постепенное растворение фаз и тем быстрее, чем выше температура перегрева.
На основе этих положений в последнее время наметилась тенденция высокотемпературной термовременной обработки жидкого чугуна с целью управления степенью дисперсности частиц графита и формированием металлической основы.
Диаграммы состояний позволяют только качественно судить о строении соответствующего расплава вблизи температуры плавления, так как переход из жидкого состояния в кристаллическое связан с изменением распределения электронной плотности, следовательно, с изменением характера связи, взаимной ориентации частиц и взаимодействием атомов компонентов. Изменение температуры приводит к дальнейшему изменению электронной плотности, тепловой энергии частиц и теплофизических свойств жидкого металла, определяющих структуру ближнего порядка. Таким образом, ближний порядок, характеризующий главные металлические свойства расплава, является как бы прообразом фаз, выделяющихся при кристаллизации жидкого чугуна.
Известно, что наличие специфических взаимодействий между компонентами металлических расплавов приводит к появлению особенностей на изотермах состав-свойство и изломов на политермах свойств сплавов одинакового состава. Система железо – углерод относится к эвтектическим системам с ограниченной растворимостью элементов в твердом состоянии. Для эвтектических сплавов в жидком состоянии характерно преобладание сил связи между одноименными частицами над разноименными. Поэтому наличие неметаллических включений (чужеродных зародышей) вызывает не кристаллизацию зерен аустенита, а ускорение эвтектического превращения при условии осуществления принципа структурного размерного соответствия.
Исходя из вышеперечисленных положений, очевидно, следует различать влияние перегрева как непосредственно на жидкое состояние сплава, так и на количество и состав чужеродных зародышей, действующих на эвтектическую кристаллизацию.
Интенсивность влияния факторов температуры и времени на изменение состояния сплава различно. Длительная низкотемпературная выдержка жидкого чугуна не может оказать существенного влияния на изменение структуры ближнего порядка и дисперсность микрогруппировок углерода, а приводит лишь к «отстаиванию» металла – удалению части неметаллических включений. Характер же кристаллизации сплава сохраняется. Действие температурного фактора на порядок выше, поэтому в практической деятельности в первую очередь необходимо руководствоваться величиной перегрева сплава над точкой его плавления, что важно также и по технологическим соображениям. Для сплавов различного состава одинаковая степень перегрева перед ликвидусом будет иметь различное абсолютное значение, однако следует иметь в виду ранее приведенный факт изменения структуры ближнего порядка при 1520С для всех сплавов с содержанием углерода более 2%. Очевидно, что некоторое различие по температуре перегрева будет обуславливаться в данных обстоятельствах концентрацией других элементов, образующих твердые растворы, в первую очередь кремния и марганца.
Рекомендации по термовременной и инокулирующей обработке расплава синтетического чугуна индукционной плавки перед сфероидизирующим модифицированием
Однако и слишком низкая температура также не обеспечивает полноценного модифицирования, т.к. при этом требуется больше времени для расплавления оболочки, в результате чего модификатор спекается, что сопровождается повышенным шлакообразованием и еще большим захолаживанием металла – как следствие нестабильность структуры и перерасход модификатора. В качестве примера можно привести образец №1. По механическим свойствам и структуре видно, что модифицирование неэффективно. По всей видимости отмеренной порции модификатора (0,240 кг) попросту не хватило, это подтверждается образцом №4, где температура составляет 1340С, но количество модификатора удвоено (0,420 кг.).
На основании полученных данных было принято решение об уменьшении количества модификатора до 0,330 кг. (см. плавка № 3). Как видно механические свойства и структура образцов соответствует маркам ВЧ-40 на образце № 5 и ВЧ-60 на образце № 6. На основании этого можно сделать вывод, что на данном этапе работы за оптимальные показатели расхода модификатора и температуры металла следовало принять 0,330 кг. и 1350 - 1380С соответственно.
Известно, что эффективность модифицирующей обработки расплава увеличивается, если его подготовить к приему сфероидизирующего модификатора. Основными методами металлургической подготовки расплава являются: рафинирующая, инокулирующая и графитизирующая обработки.
В качестве присадок в плавке № 4 использовались карбонат кальция (Са-СО3) в количестве 0,25 кг., карбонат бария (BaCO3) в количестве 0,25 кг.и ферросилиций 75% в количестве 0,25 кг. соответственно. Ввод модификаторов осуществлялся в реакционную камеру ковша, которая обычно используется при модифицировании по «сэндвич - процессу». Пригружение модифицирующих присадок в данном случае не требуется, т.к. действие лигатуры должно закончиться до того, как ковш попадет на стенд трайб – аппарата.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что подготовка расплава к сфероидизирующей обработке позволяет значительно улучшить механические свойства образцов и обеспечивает стабильность модифицирующего эффекта при сокращении количества вводимой магниевой лигатуры.
Следует отметить, что технология предсфероидизирующей обработки расплава при использовании трайб - аппаратов в настоящее время получает все более широкое применение. Известны способы десульфурации чугуна подачей шлаковых смесей на дно ковша, порошковых смесей и гранул через погружную фурму с одновременной продувкой нейтральным газом через днище (пористую пробку), путем введения порошковой проволоки с различными наполнителями (двух, трех ручьевые трайб - аппараты). Безусловно, применение данных методов модифицирования обеспечивает наиболее эффективное усвоение магния и позволяет получить очень стабильные результаты по механическим свойствам и микроструктуре. Однако, как правило, в этих случаях требуется внедрение дорогостоящего оборудования, что целесообразно при модифицировании очень больших объемов металла при крупносерийном и массовом производстве отливок из высокопрочного чугуна.
В условиях современного производства, когда номенклатура продукции зачастую значительно важнее объемов выпуска, предприятия вынуждены внедрять универсальные технологии, обеспечивающие мобильность. Новые единицы технологического оборудования внедряются только в том случае, если это экономически целесообразно и при этом позволяет решать сразу несколько задач.
Использование наполнителей из сплавов на основе ферросилиция с добавками кальция, бария, стронция, натрия и других активных материалов в качестве предсфероидизирующих модификаторов, позволяют реализовать вышеупомянутые технологии при мелкосерийном производстве, когда используются ковши малой емкости (до 200 кг). Это подтверждается проведенным экспериментом.
Ваграночный процесс является одним из основных при производстве отливок из чугуна. Вагранка представляет собой шахтную печь, работающую по принципу противотока. Шихтовые материалы движутся вниз к зоне горения топлива, а продукты горения поднимаются вверх, передавая теплоту шихте. В горновой части на подине печи располагается холостая топливная колоша, через которую продувается воздух, обеспечивающий горение топлива. Верхний уровень топливной холостой колоши располагается над воздушными фурмами. Для обеспечения постоянства этого уровня в вагранку периодически загружаются рабочие топливные колоши. В верхней части шахты вагранки располагается устройство для очистки выбрасываемых газов от пыли. Система очистки предусматривает также дожигание СО до СО2, так как при сгорании топлива выделяется окись углерода ].
В зависимости от рода топлива современные вагранки классифицируются как обычные (на твердом топливе), коксо - газовые (на твердом топливе и природном газе) и газовые (на природном газе). Ранее рассмотрены основные достоинства и недостатки использования тех или иных технологий плавки в вагранке, а также основные металлургические процессы, протекающие в каждом из случаев. Однако следует повторить, что при плавке чугуна в вагранках с использованием твердого топлива (кокса) и шамотной футеровкой содержание серы в металле увеличивается до 0,08 - 0,15%, что зачастую становиться непреодолимым препятствием для получения высокопрочных чугунов с шаровидным графитом (ВЧШГ). При использовании газообразного топлива напротив, содержание серы снижается до 0,02 - 0,05% в зависимости от используемых шихтовых материалов и качества графитовых элементов, используемых в качестве основы для холостой топливной колоши, которые исполняют роль холостой коксовой колоши при плавке на твердом топливе. Данное обстоятельство играет в пользу применения газовых вагранок при получении ВЧШГ.