Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований. 15
1.1. Основные задачи управления качеством и свойствами стальных отливок 16
1.2. Технологические процессы применения термитных материалов в литейном производстве 20
1.3. Выводы 34
Глава 2. Основные методики исследований, определяемые поставленными задачами и применяемыми материалами 35
2.1. Постановка экспериментов и объекты исследований, определяющие выбор методик 35
2.2. Исходные материалы для приготовления термитных композиций 37
2.3. Методы контроля свойств исходных материалов и термитных композиций применяемых для получения экспериментальных сплавов 39
2.4. Методы определения состава и количества металлотермических шихт для получения качественных отливок из экспериментальных сплавов 40
2.5. Методика приготовления составов термитных композиций 41
2.6. Метод выбора огнеупорных материалов при проведении экспериментов и промышленного опробования, проектирование и изготовление оснастки 42
2.7. Методики оценки параметров экзотермической реакции 43
2.8. Методики исследования свойств металла отливок, полученного алюмотермитным переплавом 45
2.9. Выводы 51
Глава 3. Термохимические процессы при экзотермическом переплаве 52
3.1. Особенности получения сплавов термитным способом с учетом свойств применяемых материалов 54
3.2. Поведение углерода при экзотермическом переплаве 76
3.3. Поведение кремния при экзотермическом переплаве 80
3.4. Поведение марганца при экзотермическом переплаве 82
3.5. Выводы 84
Глава 4. Технологические особенности управления свойствами литых заготовок, полученных из термитного металла в углеродные формы 86
4.1. Влияние свойств восстановителей и внешних факторов на свойства получаемых термитных сплавов при использовании углеродных форм и тиглей 91
4.1.1. Исследование влияния содержания восстановителей в термитной смеси на выход металлической фазы 91
4.1.2. Исследование влияния содержания восстановителя в термитных композициях и химического состава исходных компонентов термитных композиций на химический состав получаемых экспериментальных сплавов 93
4.2. Исследование влияния железосодержащих наполнителей в термитных композициях на свойства получаемых экспериментальных сплавов 111
4.2.1. Исследование влияния содержания железосодержащих наполнителей в термитной смеси на выход металлической фазы 113
4.2.2. Исследование влияния содержания железосодержащих наполнителей в термитных композициях на химический состав и структуру получаемых экспериментальных сплавов 114
4.3. Исследование влияния начальных температурных параметров шихты на свойства получаемых экспериментальных сплавов 131
4.3.1. Исследования влияния температуры шихты на выход металлической фазы 131
4.3.2. Исследования влияния температуры шихты на химический состав получаемых экспериментальных сплавов 132
4.4. Исследование влияния температур шихты и формы на химический состав и свойства получаемых литых сплавов с применением углеродной оснастки 143
4.4.1. Исследование влияния вводимых компонентов на химический состав получаемых сплавов, для получения металла с требуемыми свойствами 143
4.4.2. Исследование влияния начальных температур шихты и формы на выход металлической фазы 147
4.4.3. Исследование влияния начальных температур шихты и формы на химический состав получаемых экспериментальных сплавов 148
4.4.4. Структуры и свойства получаемых образцов из экспериментальных сплавов 162
4.5. Влияние геометрических параметров формы на свойства образующегося металла и получаемых литых образцов 185
4.6. Выводы 188
Глава 5. Практическое использование результатов исследований 192
5.1. Получение отливок типа “Крестовина” из железоуглеродистого сплава полученному по экспериментальному методу 193
5.2. Получение отливок типа “Конус” из железоуглеродистого сплава, образовавшегося в результате применения экспериментального метода литья и влияние переплавных процессов на структуру и свойства получаемого литья 201
5.3. Технико-экономические показатели производства металлоизделий и отливок с применением алюмотермитного способа получения железоуглеродистого расплава 213
5.4. Выводы 216
Основные выводы 218
Библиографический список 223
Приложения 249
- Технологические процессы применения термитных материалов в литейном производстве
- Исследование влияния содержания восстановителя в термитных композициях и химического состава исходных компонентов термитных композиций на химический состав получаемых экспериментальных сплавов
- Исследование влияния начальных температур шихты и формы на химический состав получаемых экспериментальных сплавов
- Получение отливок типа “Конус” из железоуглеродистого сплава, образовавшегося в результате применения экспериментального метода литья и влияние переплавных процессов на структуру и свойства получаемого литья
Введение к работе
Актуальность работы. Основной целью заготовительного производства является обеспечение машиностроения дешевыми, качественными и конкурентоспособными литыми изделиями. В литейном производстве причинами высокой себестоимости являются: несовершенство методов питания на стадии затвердевания отливок в форме (низкий коэффициент использования металла и низкий выход годного металла); брак литья; безвозвратные потери металла на угар в процессе подготовки жидкого металла. Применение термитных шихт в литейном производстве, в основном, ограничивается модифицированием расплава и организацией питания отливок путем дополнительного обогрева прибыльной зоны.
Накопление техногенных отходов металлургических и машиностроительных предприятий обусловливает актуальность разработки и внедрения технологий переработки окалины, стружки цветных и черных металлов. Таким образом, приоритетной задачей в металлургии, литейном и кузнечно-штамповочном производствах является разработка технологии, применение которой позволит одновременно решить комплекс проблем: значительно сократить количество металлоотходов, снизить выход в атмосферу производственных помещений газов, образующихся при расплавлении металла, обеспечить высокоэффективную и экономически прибыльную переработку, а также полезное использование побочных продуктов производства.
Перспективным является применение технологий, позволяющих сократить долю металла, получаемого традиционным переплавом лома в общем объеме литого металлоизделия. Эффект может быть достигнут за счет использования в объеме литого изделия доли металла, восстановленного посредством термитного переплава из отходов металлургических и машиностроительных предприятий, что одновременно решает проблему их утилизации.
В настоящее время возможность получения из отходов металлургических и машиностроительных предприятий сортовых марок термитных сплавов с одновременным формированием готовых отливок с требуемыми свойствами изучена незначительно, поэтому процесс осуществляется в малых объемах. В основу разрабатываемого технологического процесса положена экзотермическая окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой происходит восстановление железа из металлоотходов с получением сортовой термитной стали. Исходной шихтой для получения термитного металла и изделий из нее служит термитная композиция, представляющая собой смесь порошка алюминия, окалины, а также наполнителя. В качестве наполнителей могут быть использованы различные ферроматериалы для доведения сплава по химическому составу, соответствующему получаемой марке. Сокращение технологических операций, применяемых при получении отливок с использованием термитных смесей, а также определение факторов влияния на свойства получаемого металла является важной практической задачей решаемой в настоящей работе. Совершенствование технологий получения термитного металла и металлоизделий из него позволит обеспечить комплексное решение проблемы утилизации и переработки отходов предприятий, способствующее значительному снижению себестоимости литья.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проводились в рамках планов НИР РАН, предусмотренных «Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008 – 2012 и 2013 - 2020 годы»; по грантам Президиума ДВО РАН (2009 – 2015 г.г.) № 10-III-B-03-043 «Исследование процесса формирования структур термитных сплавов», № 11-III-В-03-042 «Исследование процесса перехода химических элементов в системе металл-шлак при алюмотермитном
получении металла», № 12-III-B-03-027 «Исследование влияния углерода на восстановление элементов термитной шихты и физико-механические свойства термитных сталей», № 13-III-В-03-023 «Исследование фазовых переходов в экзотермических процессах получения стали алюмотермией», № 14-III-В-03-047 «Термохимическая активность окислителя и ее роль в процессах высокотемпературного синтеза расплава при формировании физико-механических свойств металлоизделий», № 14-III-В-03-048 «Термодинамические особенности формирования физико-механических свойств отливок из алюмотермитных сталей», 15-II-4-016 «Параметры фазовых переходов компонентов термитных смесей в экзотермических процессах получения расплава».
Степень разработанности темы исследований.
Технологии с использованием термитных смесей применяются в металлургии, сварочном и литейном производствах. В России и за рубежом разработано значительное количество термитных составов и способов их применения. Термитные композиции составляются в зависимости от назначения и различаются теплотворной способностью, скоростью горения, температурой, которые определяют свойства фаз, образующихся в результате экзотермической реакции. Термитные смеси используют для резки металла, сварки, наплавки, снятия термических напряжений в сварных швах, для получения металлов, модификаторов, защиты поверхности металла, инициирования процесса электрошлакового переплава, легирования и модифицирования расплава, спекания изделий. В литейном производстве термитные смеси используют при изготовлении форм и стержней, модифицировании расплавов, питании и получении отливок. Значительный вклад в научные представления о процессах прохождения экзотермических реакций, получения сплавов и отливок внесли отечественные и зарубежные ученые Новохацкий В.А., Жуков В.В., Кулаков Б.А., Жигуц Ю.Ю., Справник В.И., Выгоднер Л.Ф., Амосов А.П., Швецов В.И., Алов В.А. Cisek A., Barbeli M., Calistru C., Haseneyer J., Йосимацу С., Dlouhi M. и др.
Недостаточно изученным остается вопрос получения качественных отливок с требуемой конфигурацией без литейных дефектов целиком из железоуглеродистых сплавов, образованных из термитных смесей. В работах Сапченко И.Г., Комарова О.Н., Жилина С.Г. предлагается использовать графитовые тигли для алюмотермического переплава термитных смесей, состоящих из металлоотходов, с последующей заливкой полученного расплава в литейную графитовую форму. Однако в работах указанных авторов не изучено влияние графитовых тиглей и форм при изменяющихся факторах на содержание углерода в получаемых литых заготовках, а также их свойства. Использование графитовых тиглей для осуществления экзотермических реакций применяется преимущественно для восстановления оксидов цветных металлов и синтеза интерметаллидов. Но высокие температуры реакции и ее продуктов (более 2500С) определяют выбор именно этих материалов огнеупорных тиглей и форм.
Недостаточно проработанными остаются способы контроля реальных температур расплавов в тигле перед разливкой. Сложность измерения температур приводит к необходимости проведения экспериментов без их контроля в тигле при соблюдении прочих равных параметров, что затрудняет возможность управления их химическим составом, структурой и свойствами. Свойства получаемых отливок не привязываются к температурам реакции и разливки, а фактически констатируются при исследовании образцов. Управление свойствами получаемых продуктов реакций осуществляется изменением параметров экзотермической реакции, которое сводится, в основном, к изменению соотношения компонентов в шихтовых составах.
Отмеченное выше формирует направление исследований, которое позволяет установить влияние графитовых тиглей и форм на насыщение экспериментальных спла-
вов углеродом в зависимости от состава термитных композиций при раздельном получении расплава в тигле, его выдержке и заливке в форму. Также необходимо выявить совокупное влияние температур системы «тигель - шихта» перед инициацией экзотермической реакции и формы перед заливкой на структуру и свойства металла готового продукта в виде отливок, полностью полученных из термитных смесей, которые состоят из металлоотходов предприятий. Нагрев тигля с шихтой перед активизацией экзотермической реакции в определенном диапазоне температур может позволить регулировать температуру расплава, его химический состав и количество образующихся фаз. Нагрев формы перед заливкой в определенном диапазоне температур, предположительно, позволит регулировать кристаллизационные процессы и скорость охлаждения отливки. Нагрев тигля с шихтой и формы может обеспечить возможность получения литых заготовок из определенных марок сталей с требуемой структурой и свойствами, в том числе без применения термообработки.
Цель диссертационной работы:
- исследование и разработка ресурсосберегающей технологии получения сталь
ных отливок из термитных шихтовых материалов на основе оксидных соединений желе
за с использованием алюмотермитного метода, а также применение ее непосредственно
в производственном процессе получения отливок из термитных материалов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
анализ существующих методов получения литых металлоизделий с применением термитных материалов;
расчет и оценка термодинамических параметров экзотермических реакций, протекающих в термитных смесях и влияющих на химический состав отливок, полученных из исследуемого металла;
исследование поведения применяемых материалов при предварительном термическом воздействии и выявление, исходя из их свойств, допустимых температур нагрева шихты и форм перед осуществлением экзотермического процесса;
установление влияния количества восстановителя на массовый выход термитного металла и его химический состав;
выявление влияния температуры подогрева термитной шихты на химический состав и выход получаемой металлической фазы;
установление влияния вводимых в термитные композиции железосодержащих наполнителей на выход металла и его химический состав;
выявление закономерностей влияния температурных режимов нагрева шихты и формы на химический состав получаемого термитного металла;
установление влияния используемой огнеупорной оснастки на насыщение металла углеродом;
исследование структур образцов из термитного металла, получаемого в углеродные формы;
определение параметров физико-механических свойств образцов из экспериментальных сплавов;
установление влияния геометрических параметров углеродных форм на свойства получаемых образцов из термитного металла;
исследование распределения химических элементов в получаемых литых заготовках из термитных расплавов;
- проведение испытаний технологии получения отливок из термитных сплавов
при установленных температурных режимах процесса.
Все задачи решаются с учетом того, что: термическое воздействие на шихту и
форму производится непосредственно перед инициацией экзотермической реакции; отсутствует контроль температур заливаемого в форму металла, учитываются при этом только начальные температурные параметры форм и шихты, а также температуры поверхностей тигля и формы, а получаемые образцы из термитных сплавов не подвергаются дальнейшей термообработке.
Методы исследований. При проведении исследований использовались как известные методики, так и новые, а также специально изготовленное оборудование, оснастка и материалы. К числу известных методик относятся методы определения структурных, химических, физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств термитных смесей, форм, получаемого металла и отливок. К новым методикам относятся: способ получения фракций восстановителя, способ получения специальных форм, способ для получения литых образцов, способ определения влияния геометрических параметров форм на свойства термитного металла и получаемых отливок.
Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с помощью пакетов прикладных программ “Microsoft Excel”, “Statistica”.
Все использованные в работе физические величины, приведены к единицам Международной системы СИ или единицам, применяемым наравне с единицами СИ. Диссертация оформлена в соответствии с требованиями ГОСТ Р 7.0.11-2011 «Диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления».
Научная новизна работы:
установлена зависимость содержания углерода в получаемых экспериментальных сплавах от диапазона содержания восстановителей №1 и №2 в составе термитных смесей в количестве 15-30% при использовании огнеупорной углеродной оснастки;
определена закономерность влияния количества железосодержащих наполнителей до 6,5% в составе термитных шихт с 22% восстановителя №1 на содержание углерода в экспериментальных сплавах;
установлена связь температур предварительного нагрева термитных композиций с 25% восстановителя №1 в диапазоне температур 25-600C на содержание углерода в экспериментальных сплавах;
определены зависимости изменения содержания химических элементов, таких как C, Mn, Si, Ni, Cr, Cu, S, P, Al в экспериментальных сплавах, получаемых при изменении температур шихты и формы в диапазоне 25-400C при использовании термитных композиций, предназначенных для получения сплава, соответствующего по химическому составу стали 20ДХЛ по ГОСТ 977-88 и применяемой углеродной оснастке;
установлено влияние диапазона начальных температур углеродной формы и термитной шихты 25-400C на формирование литых структур заготовок, полученных в результате окислительно-восстановительной реакции, протекающей в термитных смесях, предназначенных для получения сплава, соответствующего по химическому составу стали 20ДХЛ по ГОСТ 977-88;
определены зависимости физико-механических свойств отливок, полученных экспериментальным методом, при изменении температур шихты и формы в диапазоне 25-400C с применением термитных композиций, предназначенных для получения сплава, соответствующего по химическому составу стали 20ДХЛ по ГОСТ 977-88 и использовании углеродной оснастки;
выявлено влияние геометрических параметров углеродных форм на структуру и свойства получаемого сплава, соответствующего по химическому составу стали 20ДХЛ, согласно ГОСТ 977-88;
теоретически обоснован выбор диапазона начальных температур шихты и формы 25-400C на основе проведенных термогравиметрического и дифференциально-
термического анализов исходных шихтовых материалов.
Изобретательская новизна по теме работы подтверждается патентом РФ на изобретение №2551336 «Способ получения стали», опубл. 20.05.2015, патентом РФ на изобретение № 2372164 «Литейная форма с термитной прибылью», опубл. 10.11.2009 и патентом РФ на изобретение №2425153 «Устройство для получения стали», опубл. 27.07.2011.
Положения, выносимые на защиту:
закономерности влияния химического состава исходных шихтовых материалов и их соотношения в термитных композициях на химический состав получаемых экспериментальных сплавов, выход металлической фазы и соответствие ее по химическому составу существующим маркам сплавов согласно действующих ГОСТ;
связь температурных параметров формы и термитной шихты с особенностями формирования химического состава и структурных составляющих получаемого металла, а также с его физико-механическими свойствами;
технологический процесс получения термитных отливок из термитного сплава по химическому составу, соответствующему стали 20ДХЛ по ГОСТ 977-88, особенности процесса и параметры, влияющие на качество и свойства литья;
результаты опытного опробования получения отливок разной металлоемкости из термитных смесей при рекомендуемых температурных параметрах осуществления технологического процесса.
Практическая значимость работы:
- разработаны технологические рекомендации по обеспечению начальных темпе
ратурных параметров шихты и формы, применяемых непосредственно перед иницииро
ванием реакции и операцией заливки для управления свойствами термитного металла и
получаемого литья;
отработана технология получения качественных отливок типа “Крестовина” и “Конус” из экспериментальных сплавов методом алюмотермии;
определены особенности использования сплавов, полученных методом алюмо-термии в качестве шихтовых материалов для последующего индукционного переплава и получения отливок;
установлена эффективность разработанной технологии при опытных испытаниях на предприятиях ООО «Амуртермит», ООО «Строительный Альянс», ЗАО «Огне-упор» и ОАО «Амурметалл». Результаты разработки внедрены и успешно используются в научно-исследовательских работах ИМиМ ДВО РАН для получения отливок различного назначения с прогнозируемыми структурами и эксплуатационными свойствами.
Степень достоверности.
Достоверность и обоснованность результатов научных исследований обеспечены применением комплекса известных современных методик, аттестованных измерительных приборов и установок, современных методов обработки экспериментальных данных, а также их большим объемом и соответствием результатам исследований других авторов. Выводы, сделанные в диссертации, не противоречат современным научным представлениям и опираются на передовые достижения и классические постулаты химии, физической химии, теплотехники, механики, термодинамики, металлургии, материаловедения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: расширенных заседаниях ученого совета Института машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Комсомольск-на-Амуре, 2007-2017 гг.; международных научно-практических конференциях “Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование”, г.
Санкт-Петербург, 2008-2009 г.г.; всероссийской конференции молодых ученых и специалистов “Будущее машиностроения России”, г. Москва, 2009, 2016 г.; XXVIII Российской школе по проблемам науки и технологий, г. Екатеринбург, 2009 г.; первой научно-практической конференция молодых ученых и специалистов “Исследования и перспективные разработки в машиностроении”, г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.; научно-технической конференции “Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР”, г. Екатеринбург, 2011 г.; Международной научно-технической конференции “Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения”, г. Комсомольск-на-Амуре, 2013 г.; Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием “Инновации в материаловедении”, г. Москва, 2013 г.; VIII Российской научно-технической конференции “Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций”, г. Екатеринбург, 2014 г.; I и II Дальневосточной школе-семинаре “Фундаментальная механика в качестве основы совершенствования промышленных технологий, технических устройств и конструкций”, г. Владивосток, 2014 г., г. Комсомольск-на-Амуре, 2017 г.; VI Международной конференции “Деформация и разрушение материалов и наноматериалов” г. Москва, 2015 г; и др.
Личный вклад автора. Непосредственно при участии автора, совместно с руководителем, осуществлена постановка проблемы, определен круг задач экспериментальных и теоретических исследований, а также разработана общая концепция работы. Автор лично принимал участие в оформлении печатных работ и подготовке докладов на мероприятиях различного уровня, внеся значительный вклад в апробацию работы. Представленные результаты исследований с последующим их обобщением, анализом, обработкой и интерпретацией выполнены автором самостоятельно, а также в соавторстве с сотрудниками ИМиМ ДВО РАН.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам ИМиМ ДВО РАН чл.-корр. РАН А.А. Буренину, к.т.н. С.Г. Жилину, к.т.н. А.А. Соснину, Е.Е. Абашкину, А.В. Попову, отдельным сотрудникам ЗАО “Огнеупор”, ОАО “Амурметалл”, ООО “Строительный Альянс” за помощь, консультации и поддержку, оказанную при выполнении исследований, проводимых в рамках данной диссертационной работы. Автор благодарит д.т.н. И.Г. Сапченко, обозначившего на начальном этапе работы направление проводимых исследований. Отдельную искреннюю благодарность автор выражает д.т.н., профессору А.И. Евстигнееву и д.т.н., профессору Ри Хосену за интерес и внимание, проявленное к данной диссертационной работе.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 23 печатные работы, в том числе 7 входящих в перечень изданий рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 269 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 30 таблиц, список использованной литературы из 199 наименований,12 приложений.
Технологические процессы применения термитных материалов в литейном производстве
Использование термитных смесей нашло широкое распространение в различных отраслях промышленности: литейное производство, металлургия черных, цветных и редких металлов, порошковая металлургия и композитные материалы, сварочное производство [2, 32, 58].
В литейном производстве перспективным является применение технологий, позволяющих сократить или исключить долю металла, получаемого традиционным переплавом лома в общем объеме литого металлоизделия, при котором энергетические затраты на перевод шихты в жидкое состояние и доведение его до требуемых параметров составляют около 60% от себестоимости литой продукции, что достигается за счет использования в объеме литого изделия части или полностью металла, восстановленного посредством термитного переплава из металло-отходов машиностроительных и металлургических производств, одновременно решая проблему их утилизации [2, 33-36, 59-71].
Термитные технологии в литейном производстве широко используются для получения и модифицирования расплавов [72-88], получения форм и стержней [89], обогрева прибылей цветного и черного литья [8-11, 90-120], питания отливок во время затвердевания, обеспечивая компенсацию усадки металла [12-19] и получения отливок целиком из металла, образующегося во время экзотермической реакции [2, 33-36, 59-71]. Помимо этого разрабатываются технологические приёмы улучшения экологичности термитных составов и безопасности их использования на производстве [121-136].
Технологические процессы получения литья целиком из термитного металла используют, в основном, раздельную схему приготовления металла и его выдержки в тигле с последующей заливкой расплава в форму [33, 35]. Помимо этого имеются варианты, использующие совмещенные схемы подготовки металла и получения отливок в формах засыпкой термитных композиций в полость формы [34], литье по прессованным термитным моделям с получением оболочковых форм [36] и центробежное литье [137-140].
Для получения качественного литья с использованием термитной технологии необходим рациональный выбор температуры и скорости горения термитной смеси, формовочных материалов и материалов оснастки, компонентов термитной смеси для получения металла необходимого химического состава и свойств.
Анализ литературных данных показал недостаточную изученность вопроса формирования свойств металла отливок, полученных с использованием термитных материалов [2, 12, 51, 53, 54, 56, 74]. Таким образом, новым и актуальным направлением исследований является установление возможности управления структурой и свойствами металла литых заготовок путем изменения термодинамических параметров экзотермических реакций, протекающих в термитных композициях.
Основное внимание, при получении литья целиком из термитных сплавов уделялось получению качественных отливок, без недоливов и литейного брака, с заданным химическим составом металла на основе варьирования соотношением исходных компонентов в термитных смесях.
В работе [34] предлагается способ получения стального литья с применением термитных смесей, включающим изготовление литейной формы с литниково-питающей системой, воспламенение термитной смеси, содержащей железоалю-миниевый термит и ферросплавы. Термитной смесью заполняют полость литейной формы с литниково-питающей системой, воспламеняют термитную смесь в верхней части литейной формы для проведения экзотермической реакции с образованием стального расплава, и последующим его затвердеванием. Термитную смесь воспламеняют газопламенной горелкой. Благодаря тому, что термитной смесью заполняют полость литейной формы с литниково-питающей системой и воспламеняют термитную смесь в верхней части литейной формы для проведения экзотермической реакции с образованием стального расплава, получают стальную отливку с прогнозируемыми свойствами и структурой. Так достигают отсутствия структурных различий тела отливки и подприбыльной зоны с одновременным повышением выхода годного литья.
Использование термитных моделей для получения стального литья рассматривается в работе [36]. Способ заключается в изготовлении модельных блоков, получении оболочковых неразъемных форм нанесением слоев огнеупорной суспензии на блок, формовки оболочковой формы в огнеупорный наполнитель, ее прокалки, воспламенении модельного блока. Модельные блоки изготавливают прессованием термитной шихты, содержащей железоалюминиевый термит, ферросплавы и связующий материал. Модельный блок воспламеняют газопламенной горелкой для осуществления экзотермической реакции с образованием в оболочковой форме стального расплава. Реализация способа позволяет обеспечить возможность изготовления фасонных отливок из любых литейных сплавов, в т.ч. сложных по конфигурации и тонкостенных, максимально приближенных по форме и размерам к готовой детали, что снижает трудоемкость и стоимость изготовления изделий, сокращает расход металла и инструмента, снижает потребность в производственных площадях, станочном оборудовании и приспособлениях. Это подразумевает использование отходов металлургического производства (окалины, стружки черных металлов) для получения стальных отливок; сокращение длительности технологического процесса получения отливок; сокращение числа операций, используемых в технологическом процессе.
Ряд способов получения стальных отливок из термитных сплавов, использующих раздельную схему получения расплава в тигле и заливки формы, представлен в работах [33, 35]. Суть метода заключается в том, что экзотермические реакции проводятся в огнеупорных тиглях, выполненных из электродного графита марки ЭГП плотностью 1700 кг/м3. Тигель после засыпки смеси накрывается крышкой с отверстием для выхода газов. Внутренний диаметр тигля равен высоте его рабочего пространства. Смеси перед инициацией реакции не подвергаются дополнительному уплотнению. Отверстие для слива металла закрыто диском-стопором из графита той же марки. После прохождения реакции и выдержки расплава в тигле для обеспечения разделения металла и шлака стопор выбивается, и литейная форма заполняется металлом. При этом используется традиционная набивная литейная форма с прессованной термитной прибылью.
Наиболее близкие по свойствам к термитным композициям, предназначенным для получения отливок из термитных сплавов, являются термитные смеси, используемые для улучшения технологических процессов питания литых заготовок при их затвердевании, а также металл экзотермической прибыли [12-19]. Важным при этом является получение термитного металла, без засоров, точно соответствующим по химическому составу сплаву отливки. Согласно исследованиям, проведенным в указанной литературе, использование питания отливок при затвердевании с помощью термитных прибылей позволяет увеличить выход годного металла до 90%, снизить трудоемкие операции отделения прибыльных частей от тела отливки, что приводит к общему снижению себестоимости литья. Повышение физико-механических свойств металла, измельчение структуры, уменьшение ликвационной неоднородности характерно для технологических процессов питания отливок с помощью термитных композиций.
Способы и составы смесей для обогрева отливок при применении термитных технологий рассмотрены в работах [8-11, 90-120].
Экзотермическая смесь содержащая в %: ферросилиций 20-40; железную окалину 55-75; натриевую селитру 3,5-5 и жидкое стекло 1,5-5,0, описанная в работе [114], благодаря пониженной температуре воспламенения, достаточно высокой температуре горения и значительной продолжительности горения смеси, обеспечивает высокую утепляющую способность. Выход годного литья в результате использования смеси повышается до 71,8-73,5%. В работе [100] представлена смесь для получения в прибыльной части формы жидкого серого чугуна, аналогичного по составу чугуну, заливаемому в литейную форму. Эта смесь содержит железоалюминиевый термит, электродный порошок, ферросилиций, ферромарганец и, дополнительно измельченный до 3 мм плавиковый шпат, при следующем соотношении ингредиентов, %: железоалюми-ниевый термит 90,2-93,0; порошок отработанных угольных электродов электродуговых печей 3,0-4,0; ферросилиций 2,0-3,0; ферромарганец 0,5-0,6; плавиковый шпат 1,5-2,0.
Согласно авторского свидетельства [102] для обогрева прибылей отливок из магнитных сплавов предлагается состав экзотермической смеси, содержащей, %: отходы шлифования магнитных сплавов, окисленные до содержания в них 8,0-23,5, активного кислорода 54-70; алюминиевый порошок 12,0-17,5; титановый порошок 0,5-3,5; известь 17,5-25,0.
Патентом [117] предложена экзотермическая смесь, наносимая на поверхность расплава чугуна или стали в прибылях форм средней величины. Она состоит из двух приготовленных отдельно друг от друга гранулятов, один из которых является экзотермическим, а другой - изолирующим. Экзотермический гранулят состоит из 35-60% окисляемых материалов (Al, Mg, FeSi, CaSi), причем не менее 1/3 количества FeSi имеют зернистость 0,1-0,8 мм, 30-55 % кислородосодержащих неорганических соединений (концентрат магнитного железняка, молотый сварочный шлак, прокатная или кузнечная окалина) с плотностью более 2,8 г/см3 и зернистостью менее 0,25 мм и 4-16 % активирующих реакцию веществ (нитраты или хлораты B, Na или К) с добавлением 1-3% плавикового шпата или криолита. Изолирующий гранулят представляет собой зерна размером от 0,5 до 15 (предпочтительно 1-9) мм с плотностью от 0,90 до 1,20 г/см3 в оболочке из магнезита или хромомагнезита со связующим. Зерна изолирующего гранулята состоят из 86-95% вспучивающегося материала (сланцы или глины), 1-4% газообразующих веществ (брикетная мелочь) и 1,5-10% связующего (карбоксилметилцеллюлоза, поливиниловый спирт, фенольные смолы, крахмал, декстрин, цемент или глины).
Исследование влияния содержания восстановителя в термитных композициях и химического состава исходных компонентов термитных композиций на химический состав получаемых экспериментальных сплавов
Химический состав получаемых железоуглеродистых сплавов напрямую зависит от наличия примесных элементов в комплексе оксидов железа и восстановителя. При экзотермической реакции происходит переход химических элементов из исходных компонентов шихты в продукты реакции. Усвоение элементов термитным металлом зависит от состава шихты и параметров реакции. Установлено, что в интервале содержания восстановителя в термитной композиции 20-25% происходят наиболее существенные изменения химического состава экспериментальных сплавов. Исходя из этого, указанный диапазон содержания восстановителя был исследован с шагом 1%. В данном диапазоне происходит интенсивное изменение усвоения большинства примесных элементов (кремний, марганец, хром, углерод), а также интенсивный рост остаточного содержания алюминия.
Остаточное содержание алюминия в получаемой металлической фазе существенно влияет на ее свойства. Анализ этого показателя позволяет прогнозировать целый комплекс свойств получаемых образцов из железоуглеродистых сплавов. Установлено, что чем выше содержание алюминия в термитных композициях, тем выше его остаточное содержание в экспериментальных сплавах. Для исследований применялись составы, приведённые в пункте 4.1.1. График изменения остаточного содержания алюминия в расплаве, в зависимости от его содержания в исходной шихте, представлен на рис. 4.2.
Минимум содержания алюминия в термитных сплавах наблюдается для всех видов восстановителей при использовании композиции с 15 до 22% алюминиевого сплава и находится в диапазоне 0,002-0,031%. Увеличение содержания восстановителя до 25% приводит к повышению содержания остаточного алюминия в металле до 2,9-4,13%. При дальнейшем повышении содержания восстановителя в смеси до 30% происходит увеличение остаточного содержание алюминия в металле, которое достигает максимума 5,4-7,07%. Низкое содержание остаточного алюминия в термитном расплаве, при содержании его в термитной смеси до 22%, объясняется тем, что он целиком расходуется на восстановление железа из окислов. Более высокое содержание восстановителя в композициях влечет за собой насыщение термитного металла. Для литейных сплавов нет необходимости получения высоких значений восстановителя в металле, так как его свойства при получении экспериментальным способом значительно отличаются от сплавов, полученных традиционными методами с аналогичным содержанием других примесных элементов (согласно ГОСТам). Следовательно, использование составов обеспечивающих высокое содержание алюминия в термитном сплаве, если это не предусмотрено маркой сплава, нецелесообразно.
Экспериментально установлено, что при низком содержании восстановителей в термитных смесях, создаются условия, при которых реакция алюминия с комплексом оксидов железа протекает в первую очередь. Возможность восстановления и усвоения примесных элементов при этом фактически сводится к нулю. Данное обстоятельство позволяет получать железоуглеродистые сплавы с суммарным содержанием примесных элементов не более 0,55%, несмотря на их содержание в исходных компонентах до 6,1%. Также установлено, что увеличение суммарного содержания примесных элементов в составе шихтовых материалов оказывает влияние на снижение значений температурных параметров реакции, напрямую определяющих концентрацию углерода в экспериментальных сплавах, при использовании углеродной оснастки. На рисунке 4.3. представлена зависимость содержания углерода в термитных сплавах при использовании восстановителя в диапазоне 15-30% в составе шихтовых материалов.
Согласно зависимости, представленной на рис. 4.3, максимум насыщения углеродом экспериментальных сплавов происходит при использовании в составе смесей 22% восстановителя №1 и 30% восстановителя №2 со значениями пределов содержания углерода 1,99% и 0,45%, соответственно. При использовании в составе смесей более 20 % восстановителя №1 наблюдается повышенное содержание углерода в сплаве, которое объясняется преобладанием скорости растворения углерода в металле над скоростью его окисления. Скорость растворения углерода определяется температурой продуктов реакции и скоростью ее протекания. Высокое содержание примесных элементов в восстановителе №2 снижает, в целом, активность термита и скорость протекания реакции и, следовательно, сплавы содержат пониженное количество углерода. Минимумы содержания углерода в экспериментальных сплавах при использовании обоих восстановителей находятся в диапазоне их содержания в смесях менее 20%.
Насыщение сплава углеродом происходит при взаимодействии продуктов реакции с углеродной оснасткой, что подтверждается интенсивным износом тиглей, выполненных из электродного графита. Исследованиями установлено, что снижение массы при износе графитовых тиглей в экстремальных условиях эксплуатации за одну плавку достигает до 5%. Следовательно, при проведении экзотермических реакций при использовании углеродных тиглей и форм необходимо использовать термитные шихты с меньшей теплотворной способностью, обеспечивающие создание предельно низких температур продуктов реакций.
Прогнозирование содержания углерода в экспериментальных сплавах, помимо учета влияния температурных параметров продуктов реакций, дополнительно осложнено наличием других примесных элементов, определяющих его усвоение (например: марганец и хром, повышают его содержание, а кремний и фосфор понижают). Содержание углерода в экспериментальных сплавах при использовании углеродной оснастки и смесей без инертных наполнителей превышает содержание его в исходных компонентах термитных смесей в десятки раз.
Содержание углерода в сплавах, получаемых алюмотермией, предпочтительней определять не расчетными методами, а экспериментально, проводя экзотермические реакции опытных партий термитных композиций.
Более прогнозируемо ведут себя другие примесные элементы, такие как: хром, марганец, кремний, медь, никель и т.д. Содержание марганца, также как кремния, в получаемых экспериментальных сплавах определяется не только его содержанием в исходных компонентах, но и зависит от температурных параметров реакций, определяемых содержанием в смеси восстановителя, влияющего на окисленность расплава, а также на полноту процесса восстановления железа, примесных элементов и насыщение ими металлической фазы. На рис. 4.4. представлена зависимость содержания марганца в исследуемых сплавах от содержания восстановителя в термитных смесях. Экспериментально установлено, что усвоение марганца из исходных компонентов термитных композиций в интервале содержания в шихтах восстановителя №1 20-30% составляет 3,4-80%. При использовании в шихтах восстановителя №2, в указанном выше диапазоне, обеспечивается усвоение марганца в интервале 1,4-91%. Более полное усвоение марганца металлической фазой наблюдается при высоком содержании восстановителя в смесях, что обеспечивается за счет его эффективного восстановления.
Исследование влияния начальных температур шихты и формы на химический состав получаемых экспериментальных сплавов
На рис. 4.39 приведена динамика изменения содержания углерода в сплавах, полученных на основе базового термитного состава (а) и состава №8 (б).
Согласно приведенным графикам увеличение температуры шихты и формы оказывает повышающее воздействие на содержание углерода в сплавах, для базового состава и шихтового состава №8, со значениями максимумов содержания углерода 1,12 и 1,32%, соответственно. При использовании форм без подогрева в диапазоне нагрева шихты 0-400C происходит непрерывной рост содержания углерода в сплавах от 0,25 до 1,12% для базового состава и от 0,17 до 1,32% для термитной композиции №8. Повышение температуры формы сглаживает разницу между содержанием углерода при различных температурах подогрева термитных смесей, но возрастает среднее значения его содержания в сплавах. Для базового состава при температурах формы 200 и 400C обеспечивается содержание углерода от 0,49 до 0,85% и от 0,54 до 0,96%, соответственно. Шихта №8 при температурах формы 200C и 400C обеспечивает содержание углерода от 0,65 до 1,32% и от 0,78 до 0,81%, соответственно. Увеличение содержания углерода в получаемых экспериментальных сплавах в зависимости от температур формы и шихты приводит к несоответствию химического состава исследуемых металлических фаз стали 20ДХЛ. Следовательно, получение данного вида стали возможно только на нижних температурных пределах температуры шихты и формы 25C.
В целом марганец для исследуемых составов с повышением температуры шихты и формы имеет нисходящую динамику. Отдельные пики или выбеги говорят о зависимости марганца от температурных параметров образующихся продуктов экзотермических реакций. Для базового состава, при использовании формы без прогрева, содержание марганца снижается на всем диапазоне температур подогрева шихты 0-400C с 0,19 до 0,13%. Похожая картина, только со своими значениями, наблюдается при использовании подогрева форм до 200C. При этом показатели содержания марганца снижаются с 0,15 до 0,11%. При нагреве форм до 400C наблюдается скачек роста содержания марганца в сплаве с 0,06 до 0,13% при температуре прогрева шихты 200C. Показатели содержания марганца в сплавах, полученных при использовании шихтового состава №8, имеют большие значения, так как смеси подшихтовываются ферромарганцем. При использовании форм без нагрева содержание марганца имеет минимальное значение при температуре шихты 200C. При этом количество марганца в сплавах без нагрева шихты и с ее нагревом до 400C равно 0,63 и 0,6% соответственно. Схожую динамику с более выраженным обратным пиком содержания марганца до 0,52% при температуре шихты 200C показывает нагрев формы до 200C. При этом, без подогрева формы значения содержания марганца достигают 0,73 и 0,59% при прогреве шихты до 400C. Линейную зависимость снижения марганца в получаемых расплавах демонстрирует режим, при котором форма предварительно нагревается до 400C. В диапазоне нагрева шихты 25-400C его содержание снижается с 0,64 до 0,53%. Во всем диапазоне подогрева шихт и форм содержание марганца в сплавах входит в диапазон значений регламентируемых ГОСТ 977-88 на сталь 20ДХЛ.
Содержание кремния и его зависимость от предварительного нагрева шиты и формы представлены на рисунке 4.41. Динамика изменения содержания кремния для базового состава идентична характеру изменения содержания марганца для всех температур прогрева шихты и формы. При использовании формы без прогрева содержание кремния снижается на всем диапазоне температур подогрева шихты 0-400C с 0,15 до 0,07%. Подобное, только со своими значениями, наблюдается при использовании подогрева форм до 200C. При этом содержание кремния снижается с 0,09 до 0,07%. При нагреве форм до 400C наблюдается скачек роста содержания кремния в сплаве с 0,03 до 0,08% при температурах прогрева шихты 25-400C. При использовании шихты №8 непрогретая форма обеспечивает содержание кремния в сплавах от 0,26 до 0,27% с пиком в точке прогрева шихты 200C.
Более существенное различие содержания кремния в сплавах обеспечивает подогрев формы до 200C. При этом минимум содержания кремния приходится на отметку прогрева шихты 200C и имеет значение 0,22%. При использовании непрогретой шихты и прогретой до 400C значения содержания кремния равны 0,26 и 0,24% соответственно. При использовании температуры подогрева формы 400C содержание кремния при прогреве шихты в диапазоне 25-200C остается неизменным и имеет значение 0,021%. Нагрев шихты до 400C приводит к сокращению содержания кремния в сплаве до 0,019%. Данное значение содержания кремния не входит в диапазон регламентированный ГОСТ 977-88 на сталь 20ДХЛ. Следовательно, режим одновременного нагрева форм и шихты до 400C является не приемлемым. Однако по всем другим режимам содержание кремния укладывается в требуемый интервал.
На рис. 4.42 представлено изменения содержания хрома в экспериментальных сплавах в зависимости от температур нагрева шихты и формы.
Согласно представленным зависимостям содержание хрома в исследуемых сплавах, при использовании базового термитного состава, при температуре форм 25-200C не меняется в зависимости от температур подогрева шихты в диапазоне 25-400C и имеет значение 0,04%. Нагрев формы до 400C снижает содержание хрома в сплаве при температуре шихты 25C до 0,03%. Дальнейший нагрев шихтовых материалов в диапазоне 200-400C приводит к фиксации его содержания в сплаве на отметке 0,04%.
Постоянство хрома в сплавах объясняется пропорциональной компенсацией его усвоения, окисления и изменения количества металлической фазы. Несколько другая картина наблюдается при корректировке базового состава феррохромом и использования шихтовой смеси №8. При использовании формы без предварительного нагрева содержание хрома остается неизменным в интервале подогрева шихты 25-200C и составляет 0,85%. Нагрев до 400C приводит к росту содержания хрома в сплавах до 0,89%. Нагрев форм до 200 и 400C, во всем диапазоне температур подогрева шихты, приводит к сокращению содержания хрома в сплавах с 0,87 до 0,86 и с 0,89 до 0,83% соответственно. Содержание хрома при использовании ферросплавов в термитных композициях более зависимо от температур подогрева шихты и формы, что определяется его достаточно высоким содержанием, по сравнению с базовыми составами. Во всем диапазоне подогрева шихт и форм содержание хрома в сплавах входит в диапазон значений определяемых ГОСТ 977-88 на сталь 20ДХЛ.
Рис. 4.43 отражает изменение содержания меди в исследуемых сплавах при различных температурах шихты и формы. Изменение содержание меди в экспериментальных сплавах, полученных с использованием базового состава, без подогрева формы, во всем диапазоне нагрева шихты растет с 1,27 до 1,29%. Причем на отрезке температурного воздействия на шихту 200-400C содержание фиксируется на отметке 1,29%. При использовании температурного режима подогрева форм 200C значение фактически находится на одной отметке 1,3%, со снижением до 1,29% на температуре подогрева 200C.
Получение отливок типа “Конус” из железоуглеродистого сплава, образовавшегося в результате применения экспериментального метода литья и влияние переплавных процессов на структуру и свойства получаемого литья
Отработка процесса получения из железоуглеродистого сплава фасонной отливки типа «Конус» - элемента винтовой сваи. К числу требований, предъявляемых к такой отливке, относится обеспечение прочностных характеристик при работе в условиях знакопеременных нагрузок. На рис.5.6 представлены габаритные размеры формы и отливки.
В ходе практического применения результатов проведенных исследований были получены литые заготовки типа «Конус» для изготовления винтовых головок свай. Использована термитная смесь, состоящая из окалины и восстановителя №2 (указанные в главе 2) в соотношении 75 и 25%, соответственно. Количество термитной смеси для одной отливки составляет 16 кг. Выход термитного металла при заливке экспериментальных заготовок составил 47,5%. При получении отливки применялся температурный режим: Тш = 25С и Тф = 200С. Форма (кокиль) изготавливалась из графитированных электродов ЭГ15 по ТУ 14-139-177-2003 механообработкой. Перед применением форма и тигель нагреваются до 150С и окрашиваются огнеупорным составом, содержащим: маршалит 20%; жидкое стекло 5%; воду 74%; борную кислоту 1%. На рис 5.7 представлена форма для получения отливки типа “Конус”.
Последовательность получения отливки типа «Конус» следующая:
- в реактор загружается термитная смесь без предварительного нагрева;
- в реакторе инициируется алюмотермитный процесс;
- полученный в результате оксилительно-восстановительной реакции железоуглеродистый расплав сливается в промежуточный ковш имеющий температуру 250С, выдерживается в нем около 30 секунд;
- после выдержки в промежуточном ковше, в результате которой расплав гомогенизируется и происходит разделение металлической и шлаковой фаз, железоуглеродистый сплав сливается в форму, начальная температура которой составляет 2000С;
- отливка остывает в форме, выбивается, из нее удаляются остатки стержня.
Согласно проведенным исследованиям, выбранный температурный режим шихты и формы, а также время выдержки металла перед разливкой 30 секунд и скорость разливки около 1 кг/с, позволили обеспечить получение отливок без газовой пористости и недоливов, с равномерным распределением примесных элементов по телу заготовки. При этом наблюдается полный слив металла из ковша и задержка в нем шлака. На рис.5.8 представлена литая заготовка из термитного металла типа “Конус”. Из рисунка видно, что качество поверхности удовлетворительное
В исследуемой части №1 структура мартенсита с матрицей феррито-перлитного состава. В структуре может находиться остаточный аустенит. Структура сформирована высоким температурным градиентом между начальными порциями металла и формой. Интенсивное охлаждение отливки вызвало образование фаз промежуточного превращения. Часть №2 характеризуется более дисперсным мартенситом, выделяющимся на фоне белой матрицы феррита. Перлит представлен отдельными группами пластинчатого типа. Верхняя часть №3 отличается более крупными структурными составляющими, что является следствием ее массивности. При этом в составе структуры содержится мартенсит, феррит и пластинчатый перлит, локализованный отдельными зонами. В таблице 5.5 представлены структуры в исследуемых местах при различных увеличениях. В таблице 5.6 представлены значения микротвердости по контрольным точкам. Снижение твердости предсказуемо наблюдается от части №1, имеющей самый незначительный размер, до части №3, имеющей самый массивный размер.
Химический состав и распределение химических элементов по объему отливки представлен таблице 5.7. Анализ распределения химических элементов, согласно табличным данным, существенных расхождений значений по объему отливки не установил. Равномерность распределения химических элементов обеспечивается интенсивным взаимодействием компонентов термитных смесей, во время которого расплав эффективно перемешивается, а также интенсивными диффузионными процессами, обусловленными высокими температурами продуктов реакции, во время которых химические элементы мигрируют по областям с разной концентрацией.
Масса отливки типа “Конус” составляет 7,5 кг. После получения литой заготовки и проведения подготовительных мероприятий к ней приваривается лопасть для получения головки винтовой сваи. Данные изделия прошли опробование на предприятии ООО “Строительный Альянс”. На рис.5.11 приведено изделие “Головка винтовой сваи”.
В ряде случаев после изготовления отливок по экспериментальной технологии, при отступлении от технологических рекомендаций, заготовки имеют брак по газовым порам, недоливам и т.д. В дальнейшем эти заготовки можно использовать в качестве шихты при традиционных процессах получения литых изделий.
Переплав полученных конусов из термитного металла осуществляли в индукционной плавильной установке ИСТ-0,06. При этом применялась основная набивная футеровка, выполненная из порошка плавленого магнезита марки ППМОИ-93-II-III-IV-VI. Температура подогрева кокиля перед заливкой составляла 200 С. Температура разливки сплава Tраз= 1590 С. Температура расплава перед разливкой определялась инфракрасным пирометром “Кристалл С-500.7”
Также как при экспериментальном способе, отливки были получены без газовой пористости, недоливов, с равномерным распределением примесных элементов по телу заготовки, высоким качеством поверхности. На рис. 5.12 представлена разливка экспериментального сплава после традиционного переплава в индукционной печи.
В исследуемой части №1 структура феррито-перлитного состава. Структура сформирована высоким температурным градиентом между начальными порциями металла и формой. Интенсивное охлаждение отливки вызвало образование фаз промежуточного превращения. Часть №2 характеризуется более крупным размером зерна. Перлит представлен отдельными группами пластинчатого типа по границам зерен. Верхняя часть №3 отличается более крупными структурными составляющими, что является следствием ее массивности. При этом в составе структуры содержится феррит и пластинчатый перлит, локализованный отдельными зонами по границам зерен. В таблице 5.8 представлены структуры в исследуемых местах конуса, полученного из экспериментального сплава после переплава (при различных увеличениях). В таблице 5.9 представлены значения микротвердости по контрольным точкам. Снижение твердости предсказуемо наблюдается от части №1, имеющей самый незначительный размер, до части №3, имеющей самый массивный размер.