Технологические процессы ковшевого модифицирования для получения ЧШГ

Особенностью технологии получения высокопрочного чугуна является необходимость проведения операций внепечной обработки жидкого исходного чугуна, состоящей из сфероидизации графитных включений и инокулирующего модифицирования для измельчения структурных составляющих и подавления первичных включений цементита. Качество литых деталей из ЧШГ определяется не только химическим составом сплава, тепловыми условиями формирования отливки, но в значительной степени и технологией сфероидизирующего модифицирования. От способа введения модифицирующих добавок зависят также их расход, эффект и стабильность процесса. Основной технологической операцией, обеспечивающей формирование шаровидного графита, является введение в расплав чугуна небольших (до 0,1 %) добавок элементов сфероидизаторов – магния, РЗМ, кальция и др..

Способы модифицирования для получения ЧШГ подразделяется на магниевый и лигатурный.

Применение металлического магния в качестве сфероидизирующего модификатора имеет существенные преимущества – минимальная стоимость присадки (в 3 раза дешевле, чем лигатура) и стабильность эффекта модифицирования. К недостаткам относятся:

- бурная реакция взаимодействия магния с жидкими чугуном при атмосферном давлении, сопровождающаяся сильным пироэффектом и возможными выбросами металла из ковша;

- склонность магниевого чугуна к отбелу при отсутствии графитизирующего модифицирования;

- необходимость применения специальных устройств для ввода магния в чугун (автоклавов, герметичных ковшей);

- появление «черных пятен» в структуре и др.

Однако экономичность процесса и низкие требования к качеству исходного чугуна определили широкое распространение в промышленности магниевого способа получения ЧШГ.

Металлический магний характеризуется низкой температурой кипения (1107 ⁰С), высоким парциальным давлением паров магния при температурах жидкого чугуна (0,5 - 1,2 МПа), что обуславливает технологические трудности его введения в чистом виде.

Заслуживает внимания разработанный ЦНИИТМашем новый технологический процесс (МДС - процесс) получения отливок из ЧШГ методом «Сэндвич», при котором в качестве сфероидизирующей добавки используется смесевой модификатор на основе порошка магния, ферросилиция и магнезита, прикрываемого дисперсной (3 - 5 мм) чугунной стружкой (расход смеси 1 - 2,5 %). За счет регулирования скорости растворения магния удается провести реакцию при незначительном пироэффекте.

Известен способ модифицирования чугуна, включающий обработку расплава магнием и последующее смешивание обработанного чугуна с необработанным в пропорциях, обеспечивающих содержания 0,03…0,06 мас.% Mg. Причем, для увеличения растворимости магния в расплаве обработанного им чугуна сохраняют низкий кремний, а в необработанном, перед смешиванием, повышают содержание кремния присадкой ферросилиция.

На первом этапе этого способа модифицирования необходимо получить чугунно-магниевую лигатуру при использовании специального ковша (рис. 3.9.4, а).

Рис. 3.9.4. Схемы способов модифицирования расплавов магнийсодержащими реагентами:

а – ковш для получения чугунно-магниевой лигатуры; б – модифицирование магниевой проволокой в стальной оболочке; в – конвертер «GF»;

1 – заполнение ковша; 2 – обработка магнием; 3 – выпуск модифицированного расплава

Более удобным является способ введение в расплав тонкоизмельченного пассивированного порошка магния, помещенного в металлическую оболочку (рис. 3.9.4, б). При введении в расплав такой проволоки с регулируемой скоростью обеспечивается необходимый расход магния. Реакция растворения и взаимодействия магния происходит ниже слоя жидкого металла, за счет этого значительно повышается коэффициент усвоения модификатора, а реакция происходит без дыма и выбросов металла. Известны различные методы введения магниевой проволоки в жидкий чугун, которые различаются по месту введения: в заливочную чашу, в ковш при переливе, в струю металла и т. д.

Наиболее распространенными способами ввода металлического магния в расплав является его обработка в герметизированных ковшах и автоклавах.

Эти способы основаны на подавлении процесса кипения магния за счет создания в камере избыточного давления. При использовании автоклавов давление в камере обработки расплава магнием создается воздухом или азотом (Рис. 3.9.5). В камеру помещают ковш 3 с чугуном. К рычагу 2 крепят контейнер 1 с дозой магния. Затем камеру закрывают крышкой 4, открывают вентиль в сети сжатого воздуха или азота. Когда давление в камере поднимается до 0,6 МПа поворотом рычага клнтейнер с магнием погружают в расплав. Поскольку давление в камере выше давления кипения магния, то процесс его растворения, который длится 6-10 мин, протекает без пироэффекта.

Рис. 3.9.5. Автоклав для модифицирования чугуна магнием

В герметизированных ковшах (Рис. 3.9.6) давление создается испаряющимся магнием. В зарядную камеру 1 закладывают необходимое количество магния и камеру закрывают крышкой 2. Через открытую горловину ковш заполняют жидким чугуном. Затем горловину закрывают крышкой. Которую прижимают к ковшу затворами 4. Затем ковш поворачивают против часовой стрелки на 90 ^о. При этом зарядная камера с магнием оказывается под расплавом чугуна. Магний под воздействием тепла жидкого чугуна нагревается, расплавляется и начинает кипеть. Пары магния создают над расплавом повышенное давление (0,3 – 0,5 МПА). Вследствие этого кипение магния прекращается и последующее растворение его протекает без эффекта кипения.

Рис. 3.9.5. Герметизи­рованный ковш кон­вертерного типа емкостью 10 т

В основе способа «GF» (рис. 3.9.4, в), разработанного швейцарской фирмой «Георг Фишер ЛТД», положено использование ковша, снабженного камерой – газообразователем, которая является важнейшим конструкционным элементом установки. При повороте ковша жидкий чугун через отверстие в камере соприкасаются с металлическим магнием, вызывая его интенсивное испарение. Давление паров магния резко возрастает, при этом прекращается поступление жидкого чугуна в камеру. Активно протекает процесс усвоения магния расплавом, давление уменьшается и далее цикл работы повторяется. В «GF» - способе реализуется саморегулирование испарения металлического магния. Преимуществами данного процесса является высокая степень десульфурации, возможность использования исходного чугуна с содержанием серы до 0,3 мас.%, низкие тепловые потери во время процесса, высокая производительность, возможность обработки большого объема металла, экономичность процесса.

При модифицировании чугуна магнием и его лигатурами возникает опасность образования «черных пятен», представляющих собой оксиды и сульфиды Mg и Mn и графит, для устранения которых применяют криолит, плавниковый шпат и хлористые и фтористые соли.

При модифицировании чугуна одновременно происходят процессы обессеривания, дегазации и другие процессы. С учетом расхода на эти процессы дозировка модификатора магния определяется по формуле:

Mg_ввод = ,

где S_n и S_o - содержание серы исходное и остаточное, мас.%;

0,04 - 0,1 – количество остаточного магния, мас.%, в зависимости от толщины стенки отливки и других факторов;

А – коэффициент усвоения магния.

При обработке в крупных ковшах количество введенного магния рекомендуется рассчитывать по формуле, учитывающей процессы угара при технологической выдержке расплава (t, ч):

,

где h_Mg – степень усвоения магния.

При недостаточном количестве остаточного магния образуется смешанный графит или графит с вермикулярной формой (ВГ), а при избытке – частичный или полный отбел. Коэффициент усвоения магния зависит от типа модификатора, метода его ввода, температуры металла после обработки и др. Правильная дозировка модификатора определяется опытным путем. В табл. 3.4. приведено влияние температуры и типа модификатора на усвоение магния.

Таблица 3.9.14 Влияние температуры и состава модификатора на усвоение магния

	Модификатор, %	Усвоение Mg (%) при t, ^0C
	1350-1400	1400-1450	1450-1500
14-16 Mg, 82-85 Ni   17-20 Mg, 50-55 Ni, 25-30 Si 12-16 Mg, 12-20 Fe, остальное Si	70-60     55-45   30-20	60-50     45-35   20-15	50-40     35-30   15-20

С целью повышения степени усвоения магния создают над зеркалом металла повышенное давление, при котором возрастает температура кипения t_к магния, обеспечивается медленное парообразование (табл. 3.5)

Для получения тонкостенных отливок без отбела рекомендуется после ввода сфероидизирующего модификатора проводить вторичное графитизируещее модифицирование, которое также способствует уменьшению усадочных дефектов и внутренних напряжений. При получении толщины стенки отливки 15 - 20 мм чаще всего в качестве модификатора применяют ФС75 и ФС90. Как и для СЧ, рекомендуется применять ФС с повышенным содержанием Ca, Al, Sr, La, и др.

Таблица 3.5. Зависимость температуры кипения и расхода магния от величины избыточного давления

Давление КГС/см^2 (10^15 Па)
Температура кипения, ^0С
Расход Mg, мас.%	0,4	0,3	0,25

Растворение магния во многих металлах позволяет получить лигатуры, более полно усваиваемые жидким чугуном, чем металлический магний. Реакция сферодизирующих лигатур с жидким чугуном происходит более спокойно, без значительного пироэффекта. Компоненты, входящие в состав лигатур, по функциональному назначению можно разделить на сфероидизаторы и дополнительные рафинирующие элементы, регуляторы интенсивности протекания модифицирующей реакции, графитизаторы, легирующие и наполнители. Для повышения эффективности обработки необходимо по возможности совмещать эти функции.

Наполнители. Главные требования к ним – высокая растворимость в них основного элемента сфероидизатора, они не должны отрицательно воздействовать на структуру ЧШГ, должны быть недорогими, недефицитными и иметь максимальную плотность. Чаще всего в качестве наполнителя используют сплавы на основе железа с кремнием (легкие лигатуры с плотностью меньше 5000 кг/м³) или никелем, медью либо их сочетанием (тяжелые лигатуры с плотностью больше 5000 кг/м³). В последнем случае наполнитель играет роль легирующего компонента чугуна и его использование оправдано при получении высоких марок чугуна, в том числе бейнитного класса.

Никельмагниевые лигатуры отличаются высокой технологичностью, быстро реагируют с расплавом, образуя небольшое количество шлака. Вместе с тем, высокая стоимость и дефицитность никеля сдерживают их широкое применение. Опыт КамАЗа показал возможность частичной замены никеля железом. Кроме того, применение лигатур на никелевой основе требует дополнительного графитизирующего модифицирования, что не гарантирует исключения отбела в тонкостенном литье. Поэтому более перспективными для массового производства отливок являются легкие лигатуры на железокремниевой основе, содержащие активные дополнительные элементы.

Регуляторы интенсивности протекания модифицирующей реакции. Кальций является самым распространенным элементом – регулятором скорости протекания реакции. Обладая высоким химическим средством к сере и кислороду, присутствующими в расплаве чугуна, кальций связывает их в устойчивые химические соединения, тем самым высвобождается основной элемент – сфероидизатор – магний от выполнения второстепенных функций. Лигатуры с высоким содержанием кальция (более 4-6 мас.%) реагируют с чугуном спокойно и их можно использовать только при высоком (более 1723 К) перегреве чугуна, что существенно сужает область их применения в литейных цехах. Вместе с тем чугуны, обработанные КМ с высоким содержанием кальция, имеют хорошие пластические характеристики за счет удаления из расплава и улучшения формы оставшихся в твердом чугуне неметаллических включений. Таким образом, наличие кальция в сфероидизирующих лигатурах оправданно, но создает определенные технологические трудности. Однако применение «чипс» – процесса модифицирования чугуна позволяет эффективно использовать высоко – кальциевые модификаторы в виде быстро охлажденной ленты толщиной 0,5…2 мм (рис. 3.9.5). За счет высокоразвитой поверхности модификатора в форме ленты скорость его растворения в жидком чугуне увеличивается на порядок, при этом не требуется высокого перегрева расплава.

Рис. 3.9.5. Схема процесса получения «чипс» модификатора

В практике производства отливок из ЧШГ наибольшее распространение получили КМ, в состав которых помимо магния – основного сфероидизатора входят кремний, РЗМ, кальций, цирконий, барий и другие элементы.

Имеются сведения о положительном влиянии Са и РЗМ в составе КМ на параметры модифицирующей обработки и механические свойства ЧШГ.

Дата добавления: 2014-01-07