Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние производства черных литейных сплавов в электрических печах 8
1.1. Анализ существующих методов производства литейных черных сплавов при температуре 1 500-1 600 С 10
1.2. Анализ металлургических процессов, влияющих на качество выплавляемых черных сплавов 13
1.3. Анализ футеровочных материалов, используемых в индукционных тигельных печах для выплавки черных сплавов 23
1.4. Причины повышенного износа кислой футеровки и анализ способов увеличения ее стойкости 41
1.4.1. Повышение стойкости кислой футеровки индукционных печей за счет применения специальных добавок 45
1.4.2. Режимы спекания кислой футеровки 50
Выводы по главе и постановка задач исследования 55
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование 57
2.1. Основной материал кислых футеровок и его свойства 57
2.2. Методы исследования свойств кварцита при рабочих температурах плавки выше 1450 С 59
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования состава футеровки и технологии ее изготовления 72
3.1. Исследование превращений в кварците при высоких температурах 72
3.2. Исследование процессов, протекающих при выплавке синтетического чугуна и влияющих на качество металла
3.3. Исследование свойств оксидных расплавов и кинетических характеристик их взаимодействия с кварцитом 103
Выводы по главе 107
ГЛАВА 4. Апробация и внедрение результатов 108
4.1. Разработка технологии подготовки кварцита и приготовления новой футеровочной массы 108
4.2. Изготовление опытной партии отливок с проверкой их на соответствие требованиям ГОСТ 1412-85 112
4.3. Исследование свойств отработанной футеровки индукционной тигельной печи методом рентгенофазового анализа 117
Выводы по главе 130
Основные результаты и выводы по работе 131
Билиографический список
- Анализ металлургических процессов, влияющих на качество выплавляемых черных сплавов
- Методы исследования свойств кварцита при рабочих температурах плавки выше 1450 С
- Исследование свойств оксидных расплавов и кинетических характеристик их взаимодействия с кварцитом
- Исследование свойств отработанной футеровки индукционной тигельной печи методом рентгенофазового анализа
Введение к работе
Актуальность работы. Начиная с 1999 года производство синтетического чугуна в России характеризуется отсутствием чугунного лома и высокой стоимостью литейных чугунов, что делает невозможным их выплавку при температуре до 1450 С, а использование в металлозавалке стального лома до 90 % требует повышения температуры плавки до 1500-1600 С, это интенсифицирует физико-химические процессы на границе раздела расплав - футеровка, влияющие на качество отливок. Кроме того, повышение температуры приводит к резкому снижению стойкости кислой футеровки, применяемой в индукционных печах, с 300 до 180 плавок, увеличивает простои на перефутеровку печи и служит причиной увеличения затрат на материалы и электроэнергию. В результате происходит снижение эффективности производства, его сокращение и даже закрытие литейных цехов.
Особенности применения плавильного оборудования для выплавки качественных отливок из синтетического чугуна достаточно подробно описаны российскими учеными в области плавки различных сплавов: Е.Г. Илларионов, А.М. Вайнберг, М.Г. Трофимов, С.А. Фарбман, И.Ф. Колобнев, А.А. Простяков, В.Н. Моргунов, А.Н. Попов, М.Н. Кайбичева, Б.П. Платонов, В.С. Шумихин, В.С. Сасса и другими.
Однако процессы выплавки синтетических чугунов при условии применения в металлозавалке до 80-90 % стального лома не отражены.
Поэтому актуальность данной работы заключается в создании новой высокотемпературной технологии производства синтетического чугуна в индукционных тигельных печах (ИТП) промышленной частоты с использованием в металлозавалке до 90 % стального лома, обеспечивающей изготовление качественных отливок.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие государственные программы:
Государственная программа Российской Федерации «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы. Пункт 7 Перечня тематических областей по приоритетным направлениям развития науки и технологий (Эффективность и энергосбережение);
НИР с ООО «РУСАЛ» ИТЦ № 9110R229 от 21.02.2014 по теме «Разработка оптимального химического состава заливочного чугуна анодов для снижения расхода электроэнергии».
Практическая значимость работы подтверждается тем, что в настоящее время многие литейные производства оснащены только индукционными печами промышленной частоты, предназначенными для выплавки чугунов при рабочей температуре плавки не выше 1450 С.
Степень разработанности. Большой вклад по улучшению свойств кислой футеровки на основе отечественного кварцита внесли Илларионов Е.Г., Фроленков К.Ю., Тонков В.Н., Пивинский Ю.Е., Заверткин Л.С. Ими
проводились исследования по использованию специальных добавок в состав футеровочной смеси, предназначенной для эксплуатации при температуре не более 1450 С. При более высокой температуре подобных исследований не проводилось.
Цель и задачи исследования. Разработка и реализация
высокотемпературной технологии выплавки синтетических чугунов в ИТП
на основе термодинамических, физико-химических исследований
технологических и служебных свойств материала футеровки.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Исследовать влияние физико-химических процессов на границе
раздела расплав-футеровка во время выплавки синтетического чугуна с
применением в металлозавалке большого количества стального лома (до 80-
90 %) при 1500–1600 оС на качество изготовленных отливок.
2. Изучить влияние режимов термической обработки на параметры и
свойства кристаллической решетки кварцита в процессе его подготовки.
-
Определить с помощью рентгенофазового (РФА) и термических анализов условия, обеспечивающие получение термостабильной фазы кварцита при высоких температурах, влияющих на его термостойкость (количество плавок).
-
Разработать состав новой футеровки, обеспечивающей выплавку синтетических чугунов при температуре 1500–1600 оС.
5. Разработать комплекс технических и технологических решений для
реализации высокотемпературной технологии выплавки синтетического
чугуна в ИТП с целью изготовления отливок, удовлетворяющим требованиям
стандарта и повышения экономической эффективности литейного
производства.
Научная новизна полученных результатов.
1. На основе термохимического анализа установлены особенности
контактного взаимодействия материала футеровки на основе
Первоуральского кварцита при рабочих режимах плавки 1500–1600 оС:
– неконтролируемое увеличение содержания кремния в металле; – высокая окисляемость и газонасыщение расплава за счет повышения равновесного давления СО до 3,55 атм.;
– резкое снижение механических свойств отливок.
2. Научно обоснован синтез новой футеровочной массы на основе
кварцита с добавлением до 4 % тонкомолотого корунда, обеспечивающего
образование защитного алюмосиликатного слоя, тормозящего процессы
физико-химических взаимодействий на границе расплав-футеровка при
температурах 1500–1600 оС.
3. На основе рентгенофазового анализа впервые установлены условия
получения термически стабильной фазы кварцита, которая обеспечивает
термическую стойкость футеровки при температурах 1500–1600 оС.
4. Доказана и научно обоснована перспективность ресурсосберегающей технологии выплавки синтетических чугунов в интервале температур 1500-1600 оС с использованием 88% стального лома и сохранением качества отливок
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Создано научно-методическое обеспечение для моделирования
технологических параметров высокотемпературной плавки в печах ИЧТ.
2. Разработано методологическое и программное обеспечение процесса
спекания новой футеровки (свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ № 2013615126).
3. Разработан комплекс технических и технологических решений,
включающих:
состав и технологию изготовления новой футеровки (патент на изобретение № 2511106 «Огнеупорная масса»);
технологию предварительной термической обработки исходного Первоуральского кварцита, устраняющую интенсивное растрескивание футеровки при рабочих режимах плавки 1500-1600 оС;
- высокотемпературную технологию выплавки синтетических чугунов
при 1500-1600 С, обеспечивающую необходимое качество отливок.
4. Результаты исследований прошли широкую производственную
проверку с положительным эффектом и внедрены в учебный процесс при
обучении бакалавров по направлению 22.03.02 Металлургия, профиль
22.03.02.00.04 «Литейное производство черных и цветных металлов».
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационных исследований использованы современные методы и методики исследования физико-химических свойств расплавов шлаков и синтетических чугунов и их взаимодействие с материалом футеровки на оборудовании в лабораториях ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет».
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты термохимического анализа особенностей контактного
взаимодействия материала футеровки, влияющие на качество отливок из
синтетического чугуна, выплавляемого при 1500-1600 С.
2. Необратимые изменения Первоуральского кварцита при
высокотемпературной обработке исходного материала, влияющие на
термостойкость футеровки на основе кварцита.
-
Температурные режимы предварительной термической обработки Первоуральского кварцита, гарантирующие получение, после спекания, термостабильной фазы кристобалита.
-
Новый состав химически и термически стойкой футеровки на базе исходных материалов Российских производителей.
5. Эффективная, ресурсосберегающая, высокотемпературная
технология выплавки синтетических чугунов в индукционных тигельных
печах промышленной частоты при рабочих температурах плавки 1500-1600 оС, позволяющая получать отливки необходимого качества.
Личный вклад автора заключается в постановке задач данного исследования, обосновании и разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, в планировании экспериментальных исследований и обработке полученных результатов. Проведенные работы осуществлялись совместно с соавторами, при этом в диссертацию включены результаты исследований, составляющие ту часть, которая получена непосредственно автором или при его ведущем участии.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивалась применением научно-обоснованных методов исследований и обработки результатов, подтверждалась положительными результатами испытаний при проведении опытных плавок с использованием новейшего оборудования контроля состояния и свойств литейных черных сплавов, теоретическим и практическим анализом металлургических процессов.
Реализация работы в промышленных условиях. Результаты внедрения эффективной, ресурсосберегающей, высокотемпературной технологии выплавки синтетических чугунов в индукционных тигельных печах промышленной частоты при рабочих температурах плавки 1500-1600 С показали возможность снижения их себестоимости на 30 %.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования диссертационной работы доложены и обсуждены на ХIII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике», Санкт-Петербург, 2012 г., на научных семинарах ООО «НТЦ РУСАЛ» и кафедр «Литейное производство черных и цветных металлов» и МиТОМ СФУ.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 16 печатных трудах, в том числе 14 - опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК, 3 - в журналах из базы данных «Scopus», 1 патент и 1 свидетельство о государственной регистрации программы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 145 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 35 таблиц, библиографический список из 145 наименований и 2 приложения.
Анализ металлургических процессов, влияющих на качество выплавляемых черных сплавов
Температурный режим плавки чугунов в этих печах обеспечивается только трансформатором. Управление процессом плавки осуществляется одним плавильщиком, а обслуживание - электриком. Высокая надежность этих печей и простота обслуживания сохраняют их массовое применение и в наши дни. Технологические особенности выплавки синтетических чугунов достаточно подробно изложены в работах [27, 28].
Химическое взаимодействие кварцитовой футеровки (в первую очередь ее связующей части) с компонентами расплавленного чугуна является важным фактором преждевременного износа и разрушения футеровки, которые проявляются в виде местных дефектов (каверны, полости, раковины) или в виде разрушения (растворения) рабочей поверхности тигля (рисунок 1.2).
При плавке чугуна в кварцитовом тигле образуется система, состоящая в основном из следующих компонентов: SiC 2, Fe, С, Si, О, Al, Zn, Mn, Pb, Ті, Cr. Происходит окисление компонентов шихты и их активное взаимодействие с кремнеземом футеровки с образованием силикатов по двум уравнениям [29]: 1. Образование ортосиликата железа (фаялит Fe2Si04), богатого железом, с температурой плавления 1 200 С: 2Fe + Si02 + 02 = 2Fe2+ + Si044" - Fe2Si04 2. Образование ортосиликата марганца (тефроит Mn2Si04), богатого марганцем, с температурой плавления 1 300 С: 2Mn + Si02 + 02 = 2Mn2+ + Si044" -» Mn2Si04
Силикаты железа и марганца образуют кислый шлак системы FeO-MnO-Si02, в котором при температурах 1 500-1 650 С растворяется до 48-50 % Si02. Микропримеси А1, Са, Cr, Na и Mg, попадающие в металлический расплав из шихты, окисляясь, переходят в оксидный расплав, снижая температуру плавления и вязкость жидкого шлака.
Оксидные расплавы, богатые кремнеземом, и продукты окисления железоуглеродистых сплавов хорошо смачивают кварцитовую футеровку и под действием капиллярных сил проникают в стенку тигля, способствуя дальнейшему взаимодействию с материалом футеровки и последующему образованию новых фаз. Так, например, оксид кальция при соединении с кремнеземом дает эвтектику, состоящую из тридимита и соединений СаО и Si02, плавящуюся при 1 436 С [30].
При обычных температурах плавки (не более 1 450 С) на границе раздела металла с футеровкой кремний может восстанавливаться из кремнезема футеровки по реакции Si02 + 2[С] = [Si] + 2СО На границе раздела металла со шлаком возможно окисление марганца по реакции [Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] Протекание этих реакций вызывает дополнительное образование силиката марганца и увеличение коррозионного разрушения футеровки. Наличие в шихте тяжелых металлов (свинца, цинка и их оксидов) наиболее опасно с точки зрения химического разрушения футеровки. Оно начинается уже при содержании 0,005-0,010 % РЬ и 0,05-0,10 % Zn. В системе PbO-Si02 существует несколько эвтектик с температурой плавления от 715 до 730 С. Свинец реагирует с кислородом с образованием оксида свинца: 2РЬ + 02 -» 2РЬО В свою очередь, РЬО реагирует с Si02 с образованием силикатов свинца с низкой температурой плавления по реакциям: PbO + Si02 PbO-Si02 2PbO + Si02 2PbO-Si02 В системе ZnO-Si02 возможно образование соединения Zn2-Si04 с температурой плавления 1 512 С и эвтектики, плавящейся при 1 432 С. Цинк реагирует с кислородом по реакции 2Zn + 02 - 2ZnO Затем с образованием легкоплавкого силиката цинка: 2ZnO + Si02 - 2ZnO-Si02 Металлический титан также реагирует с кремнеземом футеровки и восстанавливает Si из Si02 футеровки по реакции Si02 + ТіО - Ti02 + Si Хром также реагирует с кремнеземом футеровки по реакции 2Cr + Si02 - 2СЮ + Si В работе [31] приведены результаты исследования отработавшей кислой футеровки индукционной тигельной печи высокой частоты. Для изготовления футеровки использовалась шихта из кварцита разной гранулометрии с добавкой борной кислоты. Исследуемый образец состоял из трех зон: 1) неперерожденной (обращенной к катушке), черного цвета; 2) переходной, буро-коричневого цвета; 3) светло-зеленой, обращенной к рабочему пространству тигля. В неперерожденной зоне отчетливо выделялись зерна кварца до 6 мм в поперечнике. Химический состав ее был следующий, %: 72,48 SiC ; 9,07 AI2O3; 4,60 Fe203; 0,58 Cr203; 9,84 MnO; 0,69 CaO; 1,65 MgO. Под микроскопом различались зерна кварца и цемент из бурого стекла. Кварцевые зерна разбиты трещинами. В буром стекле присутствовали характерные дендриты магнетита. На границе стекловидной фазы с магнетитом выкристаллизовывался часто зеленый железистый пироксен.
Светло-зеленая горячая зона, непосредственно выходившая в рабочее пространство, состояла главным образом из изотропного, метастабильного кристобалита. Изредка среди кристобалитовых участков встречались единичные зернышки кварцита (рисунок 1.3).
Методы исследования свойств кварцита при рабочих температурах плавки выше 1450 С
Кремнезем существует в виде трех основных модификаций: кварц, тридимит, кристобалит. Всего же насчитывается более 15 модификаций, большинство из которых метастабильны. Названные устойчивые модификации тоже имеют метастабильные фазы в виде а- и Р-кварца, а-, (3- и у-тридимита, а- и (3-кристобалита.
При переходе из одной модификации в другую значительно изменяется объем, что необходимо учитывать при разработке технологии производства и условий эксплуатации огнеупорных материалов (см. таблицу 1.18).
При исследовании процессов, происходящих в кварците под действием температуры, применялась диаграмма однокомпонентной системы SiCb, построенная К. Феннером (рисунок 2.1), в соответствии с которой считали, что изменения, происходящие в кварците при его нагреве до температуры 870 С, незначительны и на технологию производства огнеупоров не влияют. і
В работах [89-91] описание этих процессов не изменилось за исключением местоположения в диаграмах а-кварца и Р-кварца. В статье [92] приведены результаты исследований тепловой деформации в кристаллической решетке кварца (рисунок 2.2) и установлены ее величины в зависимости от температуры нагрева, что позволяет более подробно представлять процессы фазовых превращений при нагреве до 1 025-1 070 С.
Исходя из того, что первоуральский кварцит применяется в кислой футеровке индукционных тигельных печей промышленной частоты длительное время и считается достаточно изученным материалом, была принята следующая методика его исследования: 1. Исследование фазовых превращений в кварците при разных температурах его нагревания и охлаждения. 2. Изучение тепловых эффектов, происходящих в кварците при разных температурах его эксплуатации. 3. Исследование металлургических процессов в отработанной футеровке нового состава. 4. Изучение влияния кинетических характеристик взаимодействия кварца с силикатными расплавами на вязкость и скорость их растворения и проникновения в рабочий слой футеровки, что влияет на износостойкость футеровки и качество получаемых отливок. 5. Исследование процессов, произошедших в отработанной футеровке, изготовленной по измененной рецептуре и с новыми режимами сушки и спекания.
На первом этапе исследования превращений в кварците при разных температурах его нагревания и охлаждения проводились с использованием оборудования химической лаборатории.
Основная масса литейных предприятий получает кварцит Первоуральского динасового завода в сыром виде (влажность не более 3 %). Перед приготовлением футеровочной массы на предприятии производится операция по удалению влаги из кварцита (содержание влаги не должно превышать 0,3 %). Начиная с конца 1999 года участились случаи резкого снижения стойкости футеровки (с 300 до 50-70 плавок), причем кварцит соответствовал свойствам, указанным в технических условиях. Было принято решение начать исследования изменений, происходящих в кварците при проведении операции по удалению из него излишней влаги при температуре 800 С. Исследования осуществлялись с использованием оборудования и методик определения влажности материалов, применяемых в литейном производстве (нагревательной печи СНО - 3x6x2/10 и электронных весов ВЛКТ-500г). В результате было установлено, что изменение цвета начинает происходить при температуре выше 300 С (кварцит становится рыжим), раньше такого явления не наблюдалось. Поэтому задачей следующего исследования стало определение режима температурной обработки кварцита, при которой обеспечивается необходимая влажность и не происходит изменение цвета. В результате был выбран следующий режим: нагрев до 200 С и выдержка в течение 2 ч.
Затем применялся рентгенофазовый анализ, особенности использования которого изложены в работах [93-95]. Задачей этого анализа стало определение фазовых изменений, происходящих в кварците во время его температурной обработки с целью получения необходимой влажности. Исходя из условий проведения рентгенофазового анализа для порошковых материалов, были определены температурные режимы испытаний, соответствующие режимам в лабораторной печи, установленным ранее. Рентгенофазовый анализ выполняли с использованием дифрактометра BRUKER D8 ADVANCE (рисунок 2.3, таблица 2.3).
BRUKER D8 ADVANCE в лаборатории СФУ Таблица 2.3 - Технические характеристики дифрактометра BRUKER D8 ADVANCE [96] Показатели Значения Конфигурация Вертикальный гониометр геометрии Theta/2 Theta Диаметр измерительной окружности, мм 500, 560 и 600 Угловой диапазон, град 360 Максимальный диапазон углов, град -110 2Theta 168 Минимальный размер шага, град 0,0001 Регулировка системы, град ±0,01 Максимальная угловая скорость, град/С 20 Габаритные размеры, мм 1 868x1 300x1 135 Масса, кг 770 Расход воды, л/мин 4 Температура воды, С 10-20 Питающая электросеть: напряжение, В 220-240 частота, Гц 47-63 Для проведения температурных экспериментов на дифрактометре применялась высокотемпературная камера НТК 16. Использовалась рентгеновская трубка с медным анодом, регистрация дифракционного спектра осуществлялась высокоскоростным позиционно-чувствительным детектором VANTEC-1. Съемка проводилась на углах сканирования 20 = 10-90 с шагом 0,007.
На первом этапе анализа была принята следующая методика исследований: 1. Произвести нагрев сырого кварцита до 800 С и выдержку его при этой температуре в течение 2 ч и охлаждение до 25 С. 2. Осуществить нагрев сырого кварцита до 200 С и его выдержку при этой температуре в течение 4 ч и охлаждение до 25 С. На втором этапе были проведены исследования полученных образцов кварцита при температурах, соответствующих температурным циклам плавки 1 470-1 250-870 С, непосредственно после протекания процесса спекания по следующей методике: 1. Произвести нагрев охлажденного кварцита, подвергнутого температурной обработке при 800 С, до температуры 1 550 С (температура спекания футеровки), охлаждение до 1 470 С (температура взятия пробы на химический анализ сплава), затем охлаждение до 1 250 С и последующее охлаждение до 870 С. На каждой температурной точке осуществлять выдержку, соответствующую выдержке при режиме спекания, взятия пробы на химический анализ, времени выпуска металла и времени загрузки холодной печи. 2. Аналогичный процесс нагрева и охлаждения провести и для кварцита, подвергнутого температурной обработке при 200 С. 3. Исследования осуществлять непрерывно, охватывая четыре цикла плавки в печи, и закончить охлаждением до температуры 25 С (температура выбитой футеровки после окончания ее эксплуатации). 4. Съемку дифрактограмм выполнять на каждой температурной точке, включая температуру исходного кварцита и температуру, при которой процесс испытаний закончился.
Исследование свойств оксидных расплавов и кинетических характеристик их взаимодействия с кварцитом
В результате установлено, что в кварците, подготовленном по первому режиму, произошли следующие изменения: 1. Усредненная величина межплоскостного расстояния dcp при 25 С составила 1,896 74 А, а при 800 С - 1,9856 А, т. е. увеличилась на 4,5 %, а в интервале угла 20 = 20,419-59,859 эта величина возросла с 2,089 до 2,46992 А - на 15,4 %, и при последующем охлаждении до 30 С dcp принимает значение 1,882 21 А, а в интервале угла 20 = 20,419-59,859 эта величина составила 2,282 78 А. Таким образом, при нагреве, выдержке и охлаждении величина dcp уменьшилась на 0,77 %, а в интервале угла 20 = 20,419-59,859 эта величина увеличилась на 8,5 %. 2. Величина интенсивности уменьшилась на 10,3 %. 3. Произошел сдвиг угла межплоскостных расстояний 20 вправо в среднем на 0,2 % (что можно было бы посчитать за погрешность), однако в интервале угла 20 = 20,419-59,859 сдвиг составил при температуре 800 С 10,9 %, а при дальнейшем охлаждении до 30 С - 6,6 % по отношению к исходному материалу, что, по нашему мнению, привело к изменению его цвета. 4. Произошло изменение плотности элементарной ячейки Dx. При 25 С Dx = 2,643 г/см , а при 800 С Dx = 2,216 г/см - плотность уменьшилась на 16,2 %, при дальнейшем охлаждении до 30 С приняла исходное значение. 5. Изменился объем элементарной ячейки V. При 25 С V = 113,28 А3, а при 800 С V = 118,86 А - объем увеличился на 3,6 %, при дальнейшем охлаждении до 30 С он принял исходное значение. 6. Изменились размеры самой решетки. При 25 С а = Ъ = 4,921 А, с = 5,400 А, а при 800 С а = Ъ = 4,994 А и с = 5,438 А, т. е. размеры а и Ъ увеличились на 1,86 %, а размер с - на 1,5 %, при дальнейшем охлаждении до 30 С размеры решетки приняли исходное значение.
Обнаруженные необратимые изменения приводят к возникновению внутренних напряжений в решетке кварцита, следствием которых служит процесс возникновения микротрещин в самой решетке кварца, это подтверждается и работой [111]. В кварците, подготовленном по второму режиму, происходят только незначительные изменения, не влияющие на его свойства. 1. Усредненная величина межплоскостного расстояния dcp при 25 С составила 1,8541 А, а при 200 С - 1,9253 А, т. е. увеличилась на 3,8 %, а в интервале угла 20 = 20,419-59,859 эта величина уменьшилась с 2,215 до 2,111 А -на 4,7 %, и при последующем охлаждении до 30 С dcp принимает значение 1,852 43 А, а в интервале угла 20 = 20,419-59,859 эта величина составила 2,215 А. Таким образом, при нагреве, выдержке и охлаждении dcp уменьшилась на 0,1 % (почти не изменилась), а в интервале угла 20 = 20,419-59,859 эта величина равна исходной. 2. Сдвиг угла межплоскостных расстояний 20 при нагреве до 200 С и выдержке произошел влево на 2,94 %, а при дальнейшем охлаждении до 30 С вернулся к исходному значению. После предварительной термической обработки кварцита производится приготовление футеровочной массы в соответствии с общепринятой технологией, ее набивка и спекание по специальному графику. Спекание заканчивается достижением температуры 1 500-1 550 С. В дальнейшем начинается промышленная эксплуатация тигельной печи. Характерными температурными точками полиморфных превращений в кварците, согласно ранее проведенным исследованиям ученых разных стран, являются, С: 117, 270, 573, 1 025 и 1 470. При правильной эксплуатации индукционной тигельной печи промышленной частоты, предназначенной для выплавки чугуна, футеровка испытывает следующие температурные режимы: 1) 1 550 С - это температура, при которой происходит выдержка футеровки по окончании процесса ее спекания; 2) 1 450-1 470 С - температура слива металла в зависимости от его марки; 3) 1 000-1 050 С - температура охлаждения печи при выпуске первой порции металла, без подзавалки; 4) 800-900 С - температура охлаждения футеровки при сливе металла и загрузке ее новой порцией шихты. Эти режимы сохраняются до полного технологического износа футеровки, т. е. до момента ее выбивки. При правильной эксплуатации футеровка может выдержать 300-380 плавок в зависимости от емкости печи. По этой причине дальнейшее исследование проводилось с целью выявления закономерностей изменения кристаллической решетки кварцита, подвергнутого разным режимам его нагрева при спекании и изменении температурного режима во время эксплуатации, под действием указанных температурных режимов [112]. Исследования проводились для обеих разновидностей кварцита.
В результате исследования для кварцита, подготовленного по второму варианту, установлено следующее: 1. Дифрактограмма при температуре 870 С показала увеличение среднего значения межплоскостного расстояния dcp по сравнению с исходным на 14 %. При 25 С dcp = 1,9899 А, а при 870 С dcp = 2,330 49 А. Согласно последующим дифрактограммам, снятым по заданным температурным точкам, значение среднего размера межплоскостного расстояния не меняется. 2. Произошло изменение плотности элементарной ячейки Dx. При 25 С Dx = 2,666 г/см , а при 870 С Dx = 2,2,548 г/см - плотность уменьшилась на 4,6 %. 3. Наблюдалось изменение объема элементарной ячейки V. При 25 С V= 112,28 А3, а при 870 С V= 117,45 А3 - объем увеличился на 4,6 %. 4. Изменились размеры самой решетки. При 25 С а = Ъ = 4,903 А, с = 5,393 А, а при 870 С а = Ъ = 4,994 А и с = 5,438 А - размеры аиЬ увеличились на 1,86 %, а размер с - на 0,83 %. На основе данных, взятых со снятых дифрактограмм, построен график, показывающий зависимость изменений, происходящих в кварците, от температуры нагрева (рисунок 3.7). Кроме того, при первом охлаждении нагретого кварцита (во время спекания) с 1 550 до 1 470 С появляется фаза кристобалита, однако полного перехода его в кристобалит не наблюдается (рисунок 3.8).
Исследование свойств отработанной футеровки индукционной тигельной печи методом рентгенофазового анализа
На первом этапе испытания в условиях действующего производства выполняли на индукционной тигельной печи ИЧТ-1, зафутерованной обычной кварцитовой массой с добавлением борной кислоты по отработанной технологии.
При очередном выпуске чугуна, соответствующего марке СЧ20, было слито 850 кг (примерно 85 % от емкости печи) металла. Дальнейшую загрузку печи вели только стальным ломом и плавку проводили на повышенных мощностях, обеспечивающих температуру 1 550-1 620 С. Чугуном, слитым из печи, произвели заливку неответственных отливок (груза для пригрузки форм) и образцов для испытания механических свойств.
Затем печь загрузили стальным ломом и возвратом чугуна и дальнейшую плавку вели при обычных температурах (1 450-1 480 С). После получения химического состава, соответствующего марке СЧ20, из печи слили только 2/3 объема и дальнейшую плавку проводили по действующей технологии.
Испытания механических свойств полученного чугуна показали следующее. Твердость чугуна составила 210-227 НВ, что практически соответствует твердости этой марки чугуна по ГОСТ 1412-85. При испытании на растяжение образцов, отлитых из металла, полученного при выплавке на традиционной футеровке с использованием стального лома в количестве 85 %, один образец разорвался при 120 МПа, а второй - при 10 МПа, что совершенно не соответствует требованию к отливкам из этой марки чугуна. Проведенные исследования микроструктуры образца, вырезанного из места разрыва, показали наличие в ней посторонних примесей.
Следующим этапом производственного испытания стало изготовление опытной партии отливок из сплава, полученного в этой печи, которая футеровалась новым составом [131].
Футеровку печи производили по разработанной технологии с использованием футеровочной массы нового состава (см. п. 4.1, с. 111, 112).
В дальнейшем следующие плавки использовали для заливки отливок выбранной номенклатуры (таблица 4.4, рисунки 4.4, 4.5).
Все отливки заливались из одной плавки. При приготовлении расплава в соответствии с существующей технологией брали пробу для определения химсостава. Металлозавалка состояла только из стального лома, жидкого остатка («болота») и добавок науглероживателя и ферросплавов. Науглероживание проводили по существующей технологии для выплавки синтетического чугуна с использованием металлозавалки, в которой доля стального лома не превышала 39 %. В качестве науглероживателя применяли тот же материал, только в увеличенном количестве, которое зависело от используемого стального лома. Никаких сложностей при ведении плавильного процесса не отмечалось. Плавку осуществляли при температурах до 1 570 С. Для определения химсостава готового расплава из печи брали пробу, для отливки которой применялся стаканчик-изложница, изготовленный в соответствии с ГОСТ 7565-81 [132] (рисунок 4.6). Полученную пробу передавали в лабораторию, где проводился ее химический анализ.
После получения необходимого результата химического состава сплава (по ГОСТ 1412-85 он должен быть следующим, %: 3,3-3,7 С; 1,4-2,4 Si; 0,7-1,0 Мп; не более 0,2 Р; не более 0,15 S) [133], производили его слив в ковш и брали ковшовую пробу.
Проведенный анализ ковшевой пробы подтвердил анализ пробы, взятой по ходу плавки. Так как в соответствии с ГОСТ 1412-85 химический состав является факультативным, в дальнейшем осуществляли испытания залитых образцов на механические свойства. Заготовки для определения механических свойств заливали согласно требованиям ГОСТ 24648-90 [134] и после механической обработки подвергали испытанию на растяжение. В соответствии с ГОСТ 1412-85 временное сопротивление для отливок из чугуна марки СЧ20 с толщиной стенки 30 мм должно равняться 160 МПа. Так как синтетический чугун, полученный в индукционных печах, имеет меньшее количество газов и окислов по сравнению с ваграночным чугуном, его механические свойства могут превышать величины, указанные в ГОСТ 1412-85. По этой причине при выплавке чугуна проводился его перегрев на 150-200 С выше температуры ликвидуса с последующей выдержкой, которая определяется технологическим процессом для каждой отливки. В соответствии с этим устанавливается номенклатура отливок, которая может заливаться из конкретной плавки. Испытания образцов на растяжение, залитых из экспериментальной плавки, показали, что значения временного сопротивления на разрыв в пределах 170-180 МПа вписываются в требования ГОСТ 1412-85 (таблица 4.5). Кроме того, в соответствии с ГОСТ 27208-87 на отливках «Звездочка» и «Колосник большой» были проведены испытания на твердость. По требованию ГОСТ 1412-85 твердость должна быть равной 216 НВ. Измерения показали, что твердость на этих отливках равна 218-220 НВ.
Они наглядно демонстрируют качество чугуна при использовании известной и новой футеровки.
Последним испытанием стало исследование микроструктуры, которое проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87 [135]. Образцы изготавливали из тех же заготовок, которые предназначались для испытания на растяжение. На рисунке 4.7 приведены фотографии микроструктуры серого чугуна марки СЧ20.