Введение к работе
Актуальность темы: Чугунные детали в ближайшем будущем сохранят свое ведущее положение в автомобилестроении. В первую очередь это относится к высокопрочному чугуну с шаровидным графитом (ВЧШГ). характеризующимся сочетанием высоких технологических, физико-механических и эксплутационных характеристик. Поэтому такие отливки широко используются взамен стального литья, поковок, штамповок, литых заготовок из ковкого и серого чугунов, обеспечивая надежность и долговечность изделий в различных режимах эксплуатации.
Одним из основных факторов регулирования литой структуры и уровня физико-механических и эксплутационных характеристик ВЧШГ являются режимы модифицирования, включающие в себя состав, количество, способ и очередность ввода присадок. Вопросам модифицирования посвящены исследования ученых Александрова Н.Н., Волощенко М.В.„ Гиршо-вича Н.Г., Жукова А.А., Захарченко Э.В., Иванова Д.П., Клочнева Б.И., Литовки В.И., Мнльмана Б.С. , Платонова Б.П., Рыжикова А.А. и многих других, обобщенные в монографиях и справочниках.
Выполненные , в том числе и учеными НГТУ, исследования по оп тимизации составов магнийсодержащих модификаторов подтвердили положительную роль кальция, бария, РЗМ и других активных компонентов в формировании структуры и уровня физико-механических свойств модифицированного чугуна. Полученные количественные данные о параметрах, характеризующих качество чугуна, обработанного различными модификаторами положены в основу технических условий на комплексные модификаторы на основе железа и кремния ФСМг (ТУ 14-5-134-86).
Помимо химического состава большое значение для модифицирования имеют размеры частиц модификатора. Для эффективного модифицирования чугунов требуются фракционированные модификаторы.
Несмотря на то, что существуют более эффективный способ фракционирования модификаторов (грануляция), основным остается дробление, а для получения заданного фракционного класса необходимы, как правило, многостадийное дробление и рассевы. При этом значительное количество модификатора уходит в трудноутилизируемые пылевидные отходы.
Для предприятий, производящих фракционированные модификаторы, это является острой технико-экономической и экологической проблемой. К тому же, пылевидные отходы модификаторов с щелочно- и редкоземельными металлами не только загрязняют атмосферу и ведут к значительным потерям, но и могут стать причиной пожаровзрывоопасной ситуации. Вопрос о влиянии различных факторов на количество пылевидных отходов от дробления комплексных модификаторов на железокремниевой основе в настоящее время подробно не исследован.
Разработка и исследование процесса получения комплексного маг-нийсодержащего модификатора на железокремниевой основе и способов использования пылевидных отходов от его дробления в производстве отливок из чугуна - является основной задачей диссертации.
Цель работы:
разработать эффективный способ получения комплексного магнийсодер-жащего модификатора на основе железа и кремния ;
произвести термодинамический анализ свойств жидкого кремнистого ферросплава и реакций взаимодействия активных элементов (Са, РЗМ) с растворенными в железокремниевом расплаве вредными примесями ;
исследовать влияние способов обработки исходного железокремниевого расплава и различных технологических факторов на эффективность процесса ;
разработать способ обработки расплава чугуна с целью получения ВЧШГ с применением модификатора пылевидной фракции ;
разработать способ снижения количества пылевидных отходов при дроблении комплексного магнийсодержащего модификатора на основе железа и кремния;
исследовать возможность расширения использования модификатора пылевидной фракции в производстве чугунов;
внедрение в производство научно-технических разработок.
Основные положения выносимые па защиту:
разработанный технологический процесс получения комплексного магнийсодержащего модификатора на основе железа и кремния, обеспечивающий степень усвоения магния расплавом до 93 % ;
разработанньїй на основе термодинамического анализа свойств жидкого кремнистого ферросплава и реакций взаимодействия вводимых реагентов (Са, РЗМ) с растворенными в расплаве вредными примесями (О, S) режим рафинирующей обработки жидкого кремнистого ферросплава, позволяющий повысить степень усвоения магния расплавом с б 1 % до 93 % ;
установленные значения основных технологических параметров процесса производства магнийсодержащего модификатора, обеспечивающее повышение степени усвоения магния жидким кремнистым ферросплавом ;
разработанный способ модифицирования чугуна с применением порционно-послойного расположения модификатора ФСМг-5 пылевидной фракции (менее 0,63 мм) и замедлителя реакции модифицирования на дне ковша, позволяющий увеличить степень усвоения магния на * 15 %, по сравнению с известным способом, снизить пироэффект и дымовыделение при обработке ;
установленное соотношение количества серы (Бис*., %), находящейся в
расплаве чугуна до модифицирования, количества вводимого пылевидно
го модификатора ФСМг-5 (К, %) и количества замедлителя реакции мо
дифицирования (3, %):
SHCX./K/3= 1/93+ 100/100+ 107
при концентрации серы от 0,015 до 0,03 %, позволяющее получать
ВЧШГ с заданной структурой и свойствами ;
разработанный способ снижения количества пылевидных отходов при дроблении модификатора ФСМг-5, заключающийся в разливке жидкого расплава модификатора с использованием микрохолодильников, в качестве которых применяются пылевидные отходы от дробления модификатора ФСМг-5 фракцией менее 0,63 мм, обеспечивающий снижение количества пылевидных отходов при дроблении на 10 % (с 45 до 35 %) и снижение неоднородности распределения магния по сечению слитка модификатора в 2,7 раза;
разработанный режим графитизирующего модифицирования серого чугуна с использованием модификатора ФСМг-5 пылевидной фракции (менее 0,63 мм);
разработанная технология переплава пылевидных отходов от дробления модификатора ФСМг-5, позволяющая получать кремнийсодержащий ферросплав с содержанием кремния 44-46 %.
Научная новизна:
произведен термодинамический анализ свойств жидкого кремнистого
ферросплава и реакций взаимодействия вводимых активных элементов
(Са, РЗМ) с вредными примесями (О, S) растворенными в расплаве, на
основании которого был разработан режим рафинирующей обработки жидкого кремнистого ферросплава;
установлена взаимосвязь фракции модификатора ФСМг-5 и длительности его хранения влияющая на сфероидизирующую способность модификатора ФСМг-5 при последующем модифицировании чугуна ;
установлено эффективное соотношение количества серы (Sue*., %), находящейся в расплаве чугуна до модифицирования, количества вводимого пылевидного модификатора ФСМг-5 (К,, %) и количества замедлителя реакции модифицирования (3, %) позволяющее получать ВЧШГ с заданной структурой и свойствами;
скорректирована формула Ващенко К.И. для расчета необходимого для получения шаровидной формы графита количества магния, учитывающая содержание в исходном расплаве чугуна углерода, кремния, кислорода, серы, толщину стенки отливки и время выдержки модифицированного чугуна;
составлена программа для расчета оптимального количества микрохолодильников применяемых при разливке комплексного магнийсодержащего модификатора ФСМг-5 с целью повышения физической и химической однородности слитка модификатора.
Практическая ценность работы:
разработан технологический процесс производства комплексного маг
нийсодержащего модификатора на основе железа и кремния ФСМг - 5,
заключающийся в выплавке исходного железокремниевого расплава, его
рафинирующей обработке и смешивании с магнием в специальном ков
ше - реакторе в защитной атмосфере. Для создания защитной атмосферы
используется азот. Степень усвоения магния составляет 90-93 %. Про-
мышленное внедрение разработанного технологического процесса позволило получить в 1996 году экономический эффект 4,56 млрд. рублей (масштаб цен 1997 года);
разработан способ сфероидизирующего модифицирования чугуна в ковше с применением модификатора ФСМг-5 пылевидной фракции (менее 0,63 мм), прошедший опробование в промышленных условиях. Он позволяет увеличить степень усвоения магния расплавом чугуна на » 15 % по сравнению с известным способом, снизить пироэффект и дымовыделе-ние при обработке, решает проблему использования пылевидных отходов от дробления магнийсодержащих модификаторов. Планируемый экономический эффект от внедрения составит 31,6 тыс. руб. (масштаб цен 1998 года);
разработан способ снижения количества пылевидных отходов при дроблении модификатора ФСМг-5 на 10 % (с 45 до 35 %) и неоднородности распределения магния по сечению слитка модификатора в 2,7 раза, заключающийся во вводе микрохолодильников в расплав. В качестве микрохолодильников применяются пылевидные отходы от дробления модификатора ФСМг-5. Экономический эффект от внедрения данной работы составил 1,73 млрд. руб. (масштаб цен 1997 года);
опробован в промышленных условиях и показал свою эффективность в качестве графитизирующего модификатора для серого чугуна модификатор ФСМг-5 пылевидной фракции (0,4 % от массы расплава в ковше). Установлено, что магний, входящий в состав модификатора связывает кислород растворенный в чугуне способствуя усилению склонности чугуна к графитизации. Предполагаемый экономический эффект от внедрения работы составит 475,8 тыс. руб. (масштаб цен 1998 года)
разработана технология переплава пылевидных отходов модификатора ФСМг-5 фракцией менее 0,63 мм в электродуговых печах, позволяющая
получать кремнистый ферросплав с содержанием кремния 44 * 46 %, который может быть использован в качестве заменителя ферросилиция марки ФС 45. Предполагаемая экономическая эффективность от внедрения данной работы составит около 350 тыс. руб. (масштаб цен 1998 года).
Апробация работы: Основные результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Металлургия в машиностроении», г. Н.Новгород, 1998 г., на научно-техническом семинаре литейных кафедр НГТУ, 1998 г., на III съезде литейщиков, г. Владимир, 1997 г.
Публикации: Основные результаты диссертационной работы представлены в 4 печатных работах.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы (136 наименований) и двух приложений, включающих листинг программы для ЭВМ и акты внедрения результатов работы.