Введение к работе
Актуальность проблемы, В условиях рыночной экономики изменяются условия работа предприятии,' имеющих крупные мощности литейного производства. Рынок.исходных шихтовых материалов, изготовляемых и потребляемых в России, постоянно изменяется. Тенденция снижения выпуска традиционных литейных доменных чугунов за счет выпуска передельных чуцковых чугунов металлургичгсхі'ки предприятиями России заставляет искать новые источники шихтових материалов, обеспечивающих заметное снижение энергетических затрат. За последние 5 лет стоимость электроэнергии длл промыт пенных предприятий возросла в 7000 раз. кокса - в 11770 .раз, газа - в 5530 раз. Резко возросла стоимость разнообразных материалов, в том числе дефицитных, .качественных футеровочных огнеупорных материалов, увеличились транспортные расходы и т. д.
Ужесточились требования к. экологической безопасности вредных производств. 3 этих условиях применение гидкого доменного чугуна первой плавки в литейном'производстве позволяет решить многие приведенные проблемы с меньшими затратами.
Применение жидкого чугуна первой плавки (ЖЧЛП) неоднократно изучалось и были показаны очевидные преимущества, однако работы проводились в основном для специфической и ограниченной группы от-лгеок (изложницы, трубы). Практически мало изучена проблема применения чугуна первой плавки для разнообразных отливок машиностроения, применяющих широкую гамму литейных серых и высокопрочных чугунов. Особенно перспективным является применение ЖЧПП для регионов, имеющих развитые в непосредственной близости металлургическое и машиностроительное производства. Настоящая работа выполнялась на базе крупного металлургического производства (АО "НЛМК". АО "Липецкая металлургическая компания "Свободный сокол") и машиностроительных заводов (АО "Липецкий тракторный завод" и др.). Проблема
- і -стабильного использования ЖЧПП в машиностроении требуег решения комплекса научных, практических и организационных вопросов.
Необходимость создания хорошо отлаженной технологической схемы перемещения крупных масс жидкого металла от металлургических предприятий к машиностроительным заводам вызывает необходимость решения многих технических проблем, из которых на настоящей стадии решения крупной народнохозяйственной проблемы диссертантом выделены две:, создание оптимальной схемы годгстовки и преобразования жидкого доменного чугуна, не удовлетворяющего требованиям к литейным серым и високопрочнын чугунам, б металл, отвечающий этим требованиям, и создание металлургических агрегатов, обеспеченных удобными, доступными материалами для футеровки миксеров накопления ЖЧПП. коеііієй и других агрегатов, соприкасающихся с высокотемпературными расплавами. За основу были приняты работы, проводимые в Липецком государственном технической университете по холоднотвердеющим смесям с металлофосфатоцемектными связующими композициями.
В диссертации нашли отражение работы по разработке новых фу-теровочнык с: і леей и изучению природы их действия, что значительно расширяет, дополняет, а по некоторый аспектам теории по-иозоку рассматривает механизм твердения с учетом вовлечения в составы холоднотвердеющие смеси (ХТО новых ингредиентов.
Учитывая необходимость улучшения технологии изготовления литейных форм, в диссертации были изучены возможности создания футе-рсвочных смесей и некоторых формовочных и стержневых смесей на базе одного класса составов ХТС. Такое направление особенно целесообразно в связи с проектированием и строительством нового литейного цеха на АО "Л'ГЗ", работа которого планируется на базе использования ЖЧПП.
- 5 - '
Поэтому разработка технологии получения отливок на.основе ЯЧЛЛ и холоднотвердеющих футеровочных и фориовочно-стержневых сме-. сей с металлофосфатоцементншіи связующими композициями, а также разработка способов управления свойствами как ЖЧПП, так и смесей, является актуальной задачей.
Данная работа является составной частьа исследования ' по выполнение тем:
-задания 04.03.05 "Исследование и разработка ресурсосберегающей технологии использования чугуна доменной плавки для производства труб и станочного- литья";
- задание . 02.03.02 "Создание и внедрение новых самотвердеющих ресурсосберегающих формовочных смесей с замкнутым многоцикловым использованием неметаллических материалов; а также высокоог-иеупорных масс с целью замены ими огаеупорного кирпича в литеЯных ковшах плавильных и нагревательных печах", а также заданий 03.03, 02.03.02, ' 02.04 (АО "ЛТЗ". ЛГТУ), 02.04.01 .(АО, "ЛТЗ". ЛГТУ). Об. 01.01 (ЛГТУ) Координационного плана научно-исследовательских работ АН СССР на 1986-1990 гг. секции "Процессы литья" и последующие годы Международной и Российской инженерных академия по решению научной проблемы 2.25.1.5 "Разработка теоретических основ управления процессами формирования отливок с применением внешних воздействий"і порученными АО "Липецкий тракторный завод". Липецкому государственному техническому университету по разработке научных и практических основ применения жидкого доменного чугуна в машиностроении и созданию новых малотоксичных связующих композиций, ресурсосберегающих смесей с заданными технологическими И гигиеническими параметрами для изготовления холоднотвердеющих Футеровок, Форм и стержней.
.-6-
Цель работы: разработка теоріш и практических мигодов управления технологией получения машиностроительных отливок на основе применения в металлошихте жидкого чугуна первой плавки, а в футе-ровочно-формовочных процессах - холоднотвердеющих металлофосфатных и . влюмосиликатокальщевых смесей в зависимости от их фазового и химического составов.
Основные эалачц исследовании, поставленные в работе для достижения указанной.! 'ли:
разработка методики, и выбор приборов для изучения состава и свойств жидкого доменного чугуна, железомагнийадюмоборосодержащих и алгаосилйкатокальциевых материалов, связующих композиций и на их основе холоднотвердеющих смесей:
изучение свойств жидкого чугуна первой плавкії и разработка способов воздействия на его "наследственные" свойства: отбел и склонность к газонасыщению: '
установление взаимосвязи между "наследственными" свойствами жидкого доменного чугуна и оптимизацией литейной технологии:
разработка технологических и маршрутных операций применения жидкого чугуна первой іілавки в металлургической шихте; снижающих угар металла и пылеобразование; .
систематизация неорганических оксидосодержащих.порошкообразных материалов и осуществление их'выбора для создания холоднотвердеющих футеровочных и формовочно-стерюевых смесей с высокими технологическими и гигиеническими параметрами;
исследование кинетики взаимодействия железомагнийборофосфато-содеркапих и алшосиликатокашгциевых материалов с фосфатными растворами и водой и изучение механизма их твердения; -
разработка новых составов и изыскание способов регулирования твердения, свойств металлофосфатных и ажиосиликатокальциевых свя-
зуквдл композиций, смесей с повышенной экологической безопасностью и эластичностью, незначительной осыпаемостью с обеспечением достаточной термостойкости и эксплуатационной надежности футеровок, без ухудшения выбиваемое форм и стержней:
оптимизация составов и свойств Футерованных и формовочно-стерж-невих смесей, а также Футеровочных и формовочных процессов с использованием созданной компьютерной програнш "Паскзль-смесь" на оснеее полученных математических моделей "свойство-состав"; "сройство-состзв смеси-условия ее приготовления и изготовления футеровок. Форм и стержней":
разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий производства гзагетосгронтельных отливск ка основе ЖЧШЇ. холоднотвердеющих метзллоііздсФатоцемецтшх Футеровочных и форновочно-отержневііх смесей, пойзолкетих улучить санитарно-гигиенические условия, труда, осуществить охрану окружшщей среды от токсичных* образований и промышленных отходов, повысить точность и бездефектность отливок.
Научная новизна работы,. Разработаны новые и уточнены имевшиеся представления о воздействии на наследственные свойства ЖЧЛП различных видов внепечноп обработки, и механизма взаимодействия промышленных железомагашеодержащих и аломосиликатокальциевых материалов с фосфатными растворами и водой, механизма твердения и свойств металлофосфатоцементшх ХТС:
- теоретически обоснован и эспериментально подтвержден комплекс внепечной обработга жидких доменных и передельных чугунов,. обеспечивающий (за счет термоврекенной выдержки расплавов больших масс и их двукратного модифицирования) тазде. состояние расплава' системы "железо-углерод", которое приводит к устранение наследственной склонности чугуноз первой плавки к отбеливанию и газонасыщению в производстве машиностроительных отливок;
показано. . что структурные изменения расплавов, происшедшие в результате внепечноВ обработки, позволяет в зависимости от хиви-ческого состава ІЧПП получать ь литом состоянии различные формы графита, в том числе шаровидного:
установлено, что срименение обработанных ЩІЛ может обеспечить получение практически всех марок литейного серого чугуна со свойствами, соответствующими ГОСТ 1412-85. ОСТ 103.05-1584-86. ГОСТ- 7293-35; .
обнаружено и объяснено, что получение высокопрочных чугунов с шаровидный графитом достигается при расходах кагния в два раза меньших, чем при внепёчнэй обработке чутонов ваграночной плавки;
разработана программа для ЗВм оптимизации составов шихты для -поучения химических составов серых чугунов для машиностроительных отливок по 7 параметрам: Pt -рбессеривание. Р8-дефосФора-ция (шлакообразование). Р3-обезуглероживание или науглероживание (карбюризация;, pt-введение ферросилиция, Р5-добавка марганца. Г6-моди^йцир;іание или легирование. Р,-временной нагрев и перегрев ЖЧПП; ' '
.составлена ^слаесификационная схема холоднотвердеющих футе-ровочных слесей. в основу которой положено три основных - вид. основность, огнеупорность - и ява вспомогательных признака - характер образования структуры и способ, формообразования. Это позволяет установить обьекты исследования и разработки - связующие композиции и смеси, холодное твердение которых определяется фазовым составом окендосодерхащих материалов.» объединенных в два класса. Пер-Biiti (керамический) и второй (металлокерамический). включающие че-гнре группы: кислые^ полукиате. нейтральные и основные с огнеупорностью от высокой ас низкой. По характеру образования структуре твердения смеси подразделены на кристаллизационные.. с образованием
' .-.9 - ' кристаллогидратов, " подіковдєнсациокнне и промежуточные, а по способу уплотнения - на самоуплотняющиеся (жидкоподвшяше) v получае-мые мехашческим уплотнением (пластично-сыпучие):
обоснована экологическая безопасность металлофосфатсцемент-ных ХТС образованием кристаллогидратов, в составе которых находятся железсмагииПборофосфатоеодержавде и ьжкоснликатокяг.ьциевиа материалы, которые не имеют запаха, не эдегити и на токсичйн. Массовая их доля в Футеровочшх и Фориовочно-стержневых смесях в сравнении, например с фоскоборожеяезойагккйкальшіесьіии удобрениями в десятки раз меньие. что обеспечивает при попадании отработанных смесей в отвалы минимальную токсичность для земля, воды и воздуха:
установлено, что механизм холодного твердения иегаллофосфа-тоцементных смесей, представляет сложную совокупность взаимосвязанных и параллельно протекающих процессов, среди которых основными являются: возникновение растворимых гидратов; непосредственное твердение, вызываемое образованием кристаллогидратов, а затем твёрдофззовые превращения в кристаллогидратах, влияющие на свойства футерован., форм -и стержней;
выявлена закономерности спекания' ингредиентов смесей, используемых взамен огнеупоров в фугеровочных Процессах.- когда их холодное твердение протекает в результате образования кристаллогидратов; металлофосфатных - металлокерзмическая и -алшссиликато-кальпиевых - керамическая. Под воздействием жидкого металла протекает дегидратация кристаллогидратов с удалением адсорбционной и кристаллизационной воды с остаточноЯ прочностью их. с одной стороны достаточной для сохранения конфигурации и.перевода рабочей поверхности футеровки в монолитное состояние за счет спекания ее ингредиентов, а с-другой - позволяющей использовать их в формовочных процессах без ухудагения выбираемостй форм из опок*' а стержней
*
из отливок:
- исследована . кинетика разрушения холоднотвердеющих керамических и металлокерамических футе^овок. Степень снижения прочности Футеровок устанавливается коэффициентом разупрочнения К.. Футеровки на основе хромитовой руды с фосфатами имеют К=1, а железомагнийбо-рофосфатных К=2.5 и алшосиликатокальцневих К=3, что и обеспечивает одинаково успешное применение железомагкийборофосфатоцементных смесей в футеровочных и формовочных процессах. Подтверждено, что между различными видами прочностей существует зависимость, которая позволяет оценить хрупкость смесей (отношение прочности при сжатии бсж к прочности на срез бср).
Условием их оптимальности является бех/Ч5ср-1. К моменту раз-руиени., футеровок, Форм и стержней беж^ср""0- что определяется объемной концентрацией трещин С.
Практическая значимость и внедрение в промышленность
На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологиче кие основы применения жидкого чугуна первой плавки (ЖЧПП) в производстве отливок машиностроения, соответствующих требованиям ГОСТов как к серому чугуну, так и к высокопрочному. Получены способы снижения содержания углерода в ЖЧПК с 4.4% масс, до минимального заданного уровня - 2.2 масс. {ГОСТ д412-85) и маршрутные операции применения ЖЧПП в литейном производстве машиностроения. Наиболее эффективной с позиции ресурсоэ-нергосбережения является технология литья из шихты, включающей 64 масс. ЖЧПП и 36 масс, собственных -лома, литников, стальной и чугунной стружки, переплавляемых в газовой вагранке.
-11.-
Улучвеиы свойства известных магнетитомаггекятовых,. цементных смесей путем оптимизации их составов, обработки связующих композиций магнитными и ультразвуковыми полями. Получены новые маггемито-вые. магнезиоферритные, металлофосфатокальциеене и аяюмокальцийси-ликатные холоднотвердеющие смеси. На их основе разработана технология изготовления точних отливок о пролитыми каналами с использованием ЖЧШ1 в безопочных холоднотвердеющих песчаиомаггемитомагне-тнтовых Формах с регулируемой теплоаккунулируюдей способностью, позволяющая получать отливки, соответствующие требованиям ГОСТ 7293-85 к высокопрочному чугуну с шаровидной формой графита.
Установлена возможность использования отработанных смесей с металлофосфатоцеыентамз без предварительной регенерации в футеро-вочноЗормовочных процессах, а также их регенерация в магнитных полях и пнешаклассид.шсаторах. . - '
Основные результаты работы па применению .: ХЧПП использованы для составления технического задания и разработки проекта по строительству нового и реконструкции действующего чугунолитейных цехов АО "ЛТЗ", для. получения точных отливок в безопочных формах Учебно-производственным предприятием "Политехник" Липецкого государственного технического университета. Разработаны новые и усовершенствованны известные составы металлофосфатоцементных смес внедрены в Футеровочкые и формовочные процессы АО "ЛТЗ", АО "Липецкий ззвод "Центролит", АО "Макеевский труболитейный завод", ПО "Кировский завод", АО "Первомайский завод химического машинострое-. ния", АО "Купянский литейный завод" и других акционерных обществах, что улучшило санитарно-гигиенические условия труда, снизило" опасность загрязнения токсичным*» веществами окружающей среды.
Расход огнеупоров, формовочного песка, природного газа, электроэнергии в Футеровочных и формовочных процессах снизился до
'"'''- 12 -''
40%, повысился срок службы футеровок в два и более раз; снизился брак отливок и повысились.ФИзико-иеханические свойства отливок .на 30. Экономический эффект от внедрения составил 3.3 или. рублей в ' ценах 1991 года.
На зашиту вносятся следующие Положения;.
результаты исследованчк свойств жидкого чугуда' пзрзой плавки {!КЧШ1> и. разработаннае способы устранения "наследствешшх" свойств - отбела и склонности х-газшасвдени».v а также снижения углерода до заданного технологией «зготовленая отливок уровни;
теоретические основы Формирования стабильных физико-механических свойств отливок машиностроение -на основа гадкого чугуна первой плавки и способы управленйз этими свойствами;
'- те,хнологи'^ские и маршрутные операций использования жидкого чугуна первой иавйі в металлургической шихте, снижающие угар не-. талЛа и пцгіСі'Зра'зрваніїй;.. .."-.'
технологические основа применения жидкого чугуна первой плавки в производстве машиностроительных'отливок и результаты их оптимизации с помощью ЭВМ; '
систематизацию неорганических оксидадедержащих порошкообразных материалов и осуществление их выбора для совершенствования и создания новых холоднотвердеющих смесей;'; .
'- обоснование некоторых особенностей механизма ' твердения и прішішш управления свойствами маггемитомагнеэиоферритных и алюмо-оиликатокальциевых связующих композиции и холоднотвердеющих футе-ровдчных и формовочио-стержневых смесей;
- объяснение механизма возникновения хрупкости, трещин в мо
нолитном слоэ футеровки и.условий его разрушения; '. .
- 13 - .
разработанные и оптимизированные составы металлофосфатсце-ментных смесей для получения керамических и металлокерамических Футеровок. холоднотвердеющих форм и стержней;
способы регенерации отвальных смесей, местных песков, нейтрализующие в них пылевидные и' токсичные компоненты, а также технологию применения их для приготовления футеровочных и формовоч-но-стержневих смесей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсузденн на няучно-техиической конференции АН СССР и АН РФ, насыщенной 125-летиэ Русского технического оОщества (Цоск-ва, 1S91); пленарном заседании международной технической комиссии' "Самотвердеюваю смеси МК7А. Ограничение сьрья. материалов и энер- гии в технологии санотвердеющих смесей" (Москва,1931); Советско-Чехословацкой научно-практической конференции "ПолиФосфатние холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна" (Липецк. 1989):' научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-ыеталлургическом производстве" (Нижний Новгород.1991); Советско-Китайской научно-технической конференции (Киев. 1991); Международной научно-технической конференции "Современные технолопіческие процессы и оОррудование в машиностроении" (Чебоксары,1992); научно-технической конференции "Пути повышения качества -и экономичности литейных процессов" (Одесса, 1994); конференции-ярмарке "Состояние и перспективы раз вития научно-технического потенциала Липецкой области" (Липецк, 1994); Международном технологическом конгрессе (Денвер. США. tOOlj; Международной конференции "Новые литейные технологии" (Ирак.ь. Польша. 19Э5); областных конференциях "Повивенив э<К'нлиьиоста металлургического производства" (Липецк, 1S92. iS&3'„ 1&Э4. Ys'ibt,
. ' - 14 г
Результаты исследований демонстрировались на ВДНХ СССР "Ре-оурсосбережение-88м и.. "Изобретательство- и рационализация-88" (Москва, Диплом 1 степени); Международной выставке-ярмарке НТТМ стран СЭВ (Пловдив, Болгария. 1989); Всероссийской выставке "Комплексное использование природных ресурсов" (Томск, " 1984); заводе "Слеварни" комбината "ЧКД-Лрагам (ЧССР, Прага, 1988- подписан протокол о применении.железофосфатных холоднотвердеющих смесей).
. Публикация. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 57 научно-технических работ, в том числе монография 'и брогара, получено два пажшигелытх решения ка выдачу патентов и подана одна заявка на получение патента.
Структура и объем работы.ш Диссертация состоит из введения, семи глаз, основных выводов, приложения (отдельный том), изложена на di7 страницах машинописного текста, включает 37 таблиц, содержит 75 рисунков іі список литературы из 329 наименований: '