автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение эффективности рафинирования расплавов высокопрочных чугунов и качества отливок из них фильтрованием в литейной форме

РГВ од

МОСКОВСКИЙ

- Чр ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи УЖ 669.131:7.046.54:66.0673

Еоеводина Марина Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВОВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУ17Н0В И КАЧЕСТВА ОТЛИВОК ИЗ НИХ "ФИЛЬТРОВАНИЕМ В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ

Специальность 05.16.04. - "Литейное произодство"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата' технических наук

МОСКВА

19 9 4

Диссертационная работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Б.Б. IEH

Официальные оппоненты--доктор технических наук, профессор П.П. Арсентьев кандидат технических наук . A.M. Никитич

Ведущее предприятие: ■ Кацшрский лцтейный завод "Центролит"

Зашита диссертации состоится " 6~ " МСЦ 1994 года в часов на заседании специализированного совета К-05Э. 08.01 по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу II7936. Москги, ГСП-1. Ленинский проспект, дом 4.

• v

С диссертацией могно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан UUHpTQi 1994 года.

Ученый секретарь-, специализированного совета К-053.08.01

кандидат технических наук.

профессор КУРУНОВ И-ф.

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы- Чугун с шаровидным графитом сЧШГэ является одним из перспективных конструкционных материалов. Он сочетает высокие показатели механических характеристик с хорошими литейными свойствами. Поэтому устойчивой тенденцией развития литейного производства является прогрессивное расширение объема и номенклатуры Производства отливок из ЧШГ.

Особенностью технологии получения ЧШГ является необходимость обработки расплава чугуна сфероидизирущими модификаторами, в качестве которых используют магний. РЗМ и содержащие их сплавы. Зле-менты-сфероидязаторы сМд. РЗМ> являются сильными раскислителями и десульфураторами. Их сфероидизирущее воздействие проявляется после раскисления и десульфурации чугуна. Поэтому при модифицировании расплав неизбежно загрязняется'оксидными и сульфидными включениями. При высоком содержании серы в модифицируемом расплаве включения в отливке выделяются в виде скоплений, которые в изломах выяв-ляются*в виде пятнистых дефектов, получивших название "чёрных" пятен". Причем загрязнённость чугуна такими дефектами возрастает эквивалентно увеличению исходного содержания серы.

Получение отливок из ЧШГ без указанных дефектов возможно при использовании чистых по сере шихтовых материалов. В. связи с их дефицитностью исходный расплав подвергают печной и внепечной обессеривающей обработке. Однако это связано с дополнительным расходом материальных и энергетических ресурсов, а также ухудшением экологических условий производства отливок. При относительно невысоких исходных содержаниях серы задачу предупреждения образования "черных пятен" решают путем обработки расплава криолитом в процессе сфероидизирующего модифицирования, однако возможности этого • приема также ограничены. Вместе с тем возрастающие требования к качеству отливок из ЧШГ, часто используемых вместо стальных, обус-

лавливают поиск методов обеспечения гарантированного стабильного их уровня. Для этой цели в промышленно развитых странах применяют эффективный способ внепечной обработки - фильтрационное рафинирование расплава в литейной форме. В качестве рафинирующей среда используют тканые, пенокерамические и ячеистые канальные фильтры.

'Однако в литературе отсутствуют сравнительные данные о рафинирующей способности различных фильтров к обоснованные рекомендации по их применению при различной исходной загрязнённости чугуна. Кроме того, фильтры не всегда обеспечивают полную очистку чугуна от скоплений неметаллических включений и получение отливок без пятнистых дефектов. Не ясна причина такой низкой эффективности фильтрования. Крупные скопления неметаллических включений легко . доставляются к поверхности фильтра, но они могут и легко смываться с этой поверхности при слабом адгезионном взаимодействии неметаллической частицы и материала фильтра. В начальный период фильтрования на поверхности фильтра может формироваться затвердевший слой фильтруемого сплава, который препятствует прямому контакту неметаллической частицы с материалом фильтра- Роль этих факторов совершенно не исследована. Изучение этих вопросов является актуальным' и представляет как научный, так и практический интерес.

Цель работы. Исследование факторов, лимитирующих процесс • фильтрационного рафинирования расплава ЧШГ. разработка методов повышения ее эффективности г сравнительная опенка рафинирующей способности различных фильтров.

Научная новизна- Выявлены лимитирующие факторы процесса фильтрационного рафинирования расплава ЧШГ- На начальном этапе филь^ троваяия низкая эффективность рафинирования обусловлгта формирова-. нием твердой корки чугуна на поверхности фильтра, которая препят-г ствуат прямому контакту неметаллической частицы с материалом фильтра. Для оценки полноты участия поверхности фильтра в процессе рафинирования предложен коэффициент, который численно равен отно-

шению общего фактического времени контакта элементарных участков с расплавом к теоретически возможному. Выявлена экспоненциальная зависимость коэффициента осаждения неметаллических частиц на фильтре от коэффициента эффективного использования поверхности фильтра. Разработана методика расчета этого коэффициента и установлены закономерности его изменения в зависимости от технологических факторов - начальной температуры фильтра, толщины фильтрующего, слоя, скорости фильтрации и др. На основе физической модели прохождения струйки расплава через фильтр, включающей пять, вариантов возможного их теплового взаимодействия, разработаны численная и математическая модели расчета-коэффициента эффективного использования поверхности фильтра.

Практическая значимость и реализация результатов работы- С учетом тугоплавкости материала фильтра и неметаллической фазы, образующейся в расплаве чугуна, предложен метод усиления адгезионного взаимодействия неметаллической частицы с поверхностью фильтра • путём формирования на ней "мягкой" подложка... На этой основе разработаны элементы зернистых фильтров в виде гранул огнеупорных материалов. плакированных легкоплавкими фторидами, в частности фторидом кальция или криолитом, и способ их получения.

Для количественной оценки роли фильтрования в устранении дефектности отливок по пятнистым включениям предложен коэффициент относительного изменения содержания серы, который по физическому смыслу соответствует коэффициенту проскока избыточного количества серы. |

Выполнена сравнительная оценка рафинирующей способности различных типов фильтров - тканых, пенокерамических и зернистых плакированных при фильтровании расплава ЧИГ. При низкой загрязненности исходного чугуна сзисх<0,04 '-о для получения отливок без'пятнистых дефектов могут быть рекомендованы все типы фильтров, но предпочтительнее применение тканых и пенокерамических как более

технологичных. При высокой загрязненности исходного чугуна с5исз>0,04 »о отливки без пятнистых дефектов могут быть получены лишь при использовании пенокерамических и зернистых плакированных фильтров, причем преимущество последних проявляется полнее по мере увеличения содержания серы в исходном чугуне.

Разработанные фильтрующие элементы опробованы в условиях Московского завода "Станколит". Использование указанных фильтрувдих элементов позволяет устранить образование в отливках из ЧШГ "черных пятен" и, кроме того, повысить предел прочности чугуна при растяжении на 10 - 20 и, дополнительно снизить содержание серы в чугуне на 15 - 25 я.

■ ^г-

Апробация результатов работы. Материалы диссертации были доложены и обсуадены на Советско-Чехословацкой научно-технической конференции "Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна'.' с г. Липецк. 1989 5

Публикации- По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи. I тезис докладов, получено I авторское свидетельство..

Обьём работы. Диссертация состоит из 6 глав, заключения, списка литературы из 78 Щеточников.

Работа изложена на/Мгтраницах машинописного техста я иллюстрирована ^^ рисунками и // таблицами. '

. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . I. Состояние вопроса

- В последнее время во всех промьшленно развитых странах для очистка металлических расплавов вед акре используют Простой и эффективный способ внепечной обработки - фильтрационное рафинирование расплава в литейной форме- Известные типы фильтров - тканые.

пенокерамические и ячеистые канальные - просты, по конструктивному оформлению. Они выполнены в виде отдельных вставок и поэтому технологичны в применении. Эти фильтры эффективны при рафинировании расплавов цветных металлов, серого чутуна и стали. Но при фильтровании расплава высокопрочного чугуна они Сыстро закупориваются, особенно при высокой загрязнённости чугуна продуктами сфероидизи-рущего модифицирования. Кромэ того, применение этих фильтров не всегда обеспечивает достаточно полную очистку расплава ЧШГ и получение высококачественных отливок. Зернистые фильтры менее склонны к закупориванию каналов, но они более сложны по конструктивному . исполнению и потому менее технологична.

Фильтра в разной степени оказывают охлаждающее воздействие на. фильтруемый расплав. При этом на поверхности фильтра может образоваться корка затвердевшего фильтруемого сплава. В этих условиях не обеспечивается прямой контакт неметаллической частицы с поверхностью фильтра- и рафинирующий эффект фильтрования не проявляется; В связи с изложенным в работе ставили следующие задачи: .

- анализ лимитирующих факторов процесса фильтрационного рафинирования расшива высокопрочного чугуна:

- исследование эффективности осаждения неметаллических частиц на фильтре на начальном этапе фильтрования;

- исследование неметаллических включений в ЧИГ. условий их эффективного улавливания фильтрами и разработка новых фильтров с высокой рафинирующей, способностью-.

-'сравнительные исследования рафинирующей способности тканых, пе-нокерамическихи зернистых плакированных фильтров.

2.Методика исследования

Объектами исследования являлись чугуны с углеродным эквива- • леитом Ср=4,2 - 4,4 % и исходным содержанием серы ~0,008 - 0,01;

-80.03 - 0.04 к 0.07 - 0,08 которые по составу соответствуют чу-

гунам индукционной и ваграночной плавок. В лабораторных условиях чугун'выплавляли в индукционной печи ИСТ-0.06. Модифицировали его' в ковие "сэндвич"-процессом 2 масс.« никель-магниевой лигатуры и 2 масс.« ферросилиция марки.ФС75. При обработке чугуна РЗМ в качестве модификатора использовали 1.5 масс.« лигатуры ФСЗОРЗМЗОБ сеРЗМ=27-35 '-я. В производственных, условиях чугун выплавляли дуплекс-процессом вагранка-индукционная печь ИЧТ-10. Чугун модифицировали в ковше МГД-процессом: смесь из порошкообразных магния, ферросилиция и магнезита в количестве 0.1; 2,0 и 0.06 к от массы расплава соотвественно засыпали на дао ковша и прикрывали чугунной стружкой.

В исследованиях использовали три типа фильтров - тканые фильтры из кремнезёмного волокна марки КС-П-ЛА с размером ячейки 1,65*1.65 мм. разработанные ВНИИлитмаш совместно с радом организаций. пенокерамические фильтра из карбида кремния производства фирмы "товёсо", зернистые фильтры не плакированные, а также плакированные фторидом кальция и криолитом- Зернистые фильтры составляли из гранул диаметром 10-15 мм. которые получали из порошкообразного матнезита.путем окатывания в барабанном грануляторв. Плакирование фильтрующих элементов осуществляли 'окатыванием магнезитовых гранул порошками фторидов.

Из фильтрованного и нефильтрованного чугунов получали ступенчатые пробы с толщиной ступеней 15. 30 и 60 мм. Для механических ' испытаний отливали прутковые пробы. Эффективность фильтрования чугуна .оценивали качественно по серным отпечаткам темплетов отливок и количественно по изменению загрязнённости чугуна включениями и • содержания серы, а такхе предела прочности чугуна при растяжении.

Неметаллические включения в . отливках классифицировали на пятнистые. точечные и дисперсные. К пятнистым относили включения размером более 0,1 км, к точечным - 0,04 - 0,1 мм, к дисперсным - ие-

нее - 0,04 мм. Пятнистые включения выявляли визуально.на серных, отпечатках темплетов отливок, точечные - на тех же .темллетах с использованием оптических микроскопов при »32, а дисперсные - под микроскопом при »300. Количество последних определяли .методом "Л* в соответствии с ГОСТ 1778-70. Микрорентгеноспектральный анализ включений выполняли на электронном микроанализаторэ.Содержание серы и других элементов состава чугуна определяли по стандартным методикам. Механические испытания проводили на стандартных образцах. - •

3. Исследование эффективности осаадения неметаллических частиц на фильтре на начальном этапе фильтрования

Осаждение неметаллических частиц на фильтре происходит путём доставки их к поверхности 'адсорбента с фильтрам, перехода ими гра-. ницы раздела расплав-фильтр и агрегации частиц на поверхности. фильтра. Следовательно, одним из обязательных условий фильтрационного рафинирования металлических расплавов от взвешенных в них неметаллических частиц является обеспечение прямого контакта их с материалом фильтра.

При обеспечении этого условия в течение всего времени фильтрации 'эффективность рафинирования расплава описывается уравнеки-еи- - •

Т)= I - К = I - ехр< - —- « -3- ) ;

где -л и К - коэффициенты осаждения и проскока соответственно, ' (С0 - С^С0, К=с^с0;.

Со и С_ - содержания неметаллических включений в нефильтрованном и фильтрованном расплавах, %■,

и и - соответственно скорость продольного течения расплава в каналах фильтра и скорость миграции неметаллических частиц в на-.

поправлении стенок фильтра, м^с;

ЦП - протяжённость <длина) и периметр канала фильтра соответственно, М;

2К - площадь поперечного сечения канала фильтра, м2.

На начальном этапе фильтрации на поверхности фильтра может образоваться затвердевшая корка сплава. В течение всего времени существования твердой корки прямой контакт неметаллических включений с поверхностью фильтра невозможен. Соответственно часть поверхности фильтра, покрытая твердой коркой сплава, не участвует в процессе рафинирования. Величина ее не постоянна во времени, а в общем случае она также зависит от технологических факторов - температуры подогрева фильтра, его конструкционных характеристик, температуры залавки расплава и скорости фильтрации. Для количественной оценки влияния этого фактора на эффективность фильтрационного рафинирования расплава ввели параметр - коэффициент эффективного использования поверхности фильтра в.

С учетом параметра э фактическая поверхность осаждения неметаллических включений в каналах фильтра составит П*ь*0. Соответственно. эффективность рафинирования расплава в этом случае равна:

•-•*»-! - К = I - ехр< - «

Для определения в непрерывный процесс течения расплава по ка-; налам фильтра и теплового их взаимодействия рассматривали как квазипрерывный. пошаговый. Считали, что каждый элементарный объем расплава последовательно проходит по слоям с элементарным участкам) фильтра. При этом он вначале охлаждается, отдавая фильтру теплоту перегрева. При исчерпании последней металл начинает затвердевать. ■ выделяя теплоту кристаллизации сплава и образуя твердую корку на поверхности фильтра. Фильтр в это же время прогревается- Ери прохождении следующих элементарных объемов расплава по тому же марш-

"И-

руту они контактируют со все оолее прогретым фильтром- Поэтому 'ин-тенсивяость теплообмена между фильтруемым расплавом и фильтром уменьшается. Темп нарастания твёрдой корки затухает и затем начинается обратный процесс ей расплавления. При завершении процесса расплавления твердой корки фильтруемый расплав вновь контактирует непосредственно с фильтром, но прогретым до температуры, близкой к температуре кристаллизации сплава.

Разные участки фильтра находятся в различных условиях теплового взаимодействия с расплавом. Входные участки фильтра, всё время' контактируют- с перегретым расплавом. Поэтому твердая корка на этой поверхности может не образоваться, а если и образуется, то неболь-шЬй толщины и быстро расплавляется. Выходные участки фильтра, наоборот. контактируют с более охлажденным расплавом. Поэтому твердая корка на поверхности этих участков фильтра формируется большей толщины и существует более длительное время- •

В зависимости от начальной температуры фильтра и температур*, разливки жидкого металла с степени его перегрева:» процесс образова ния твердой корки на поверхности каналов фильтра может получить сильное или слабое развитие, а может быть и полностью подавлен. Таким образом, одни участки фильтра с самого начала процесса фильтрации контактируют с жидким металлом. На других участках некоторое время происходит нарастание твердой корки, а затем её оплавление, после чего расплав непосредственно контактирует с фильтром. .

Следовательно, одни участки фильтра участвуют в процессе рафинирования' в течение всего времени фильтрования - «-общ. , другие -Лишь в течение части этого времени ч. В общем случае можно считать, что время активной работы ¿-того участка фильтра равно ч. Суммарное время активной работы всех участков фильтра равно taнт. =£ ч. Теоретическое суммарное время активной работы всех

I"»

участков фильтра получается при ч=*.общ. Поэтому стеор. = юбщ. «м, где м - число элементарных участков фильтра. Отношение »-акт.'»-теор.

-Й-

представляет собой относительное время активной работы фильтра и позволяет оценить полноту участия поверхности фильтра в процессе рафинирования.

в = 1акт. у ьтеор. = £ ✓ ьобщ.

¿=1

Очевидно, что значение в изменяется от нуля с при образовании твердой корки на всей поверхности фильтра и сохранении ее в течение всего времени фильтрованиям до единицы с при полном отсутствии твёрдой корки на стенках каналов фильтраэ.

Для расчёта & определяли значения для каждого участка фильтра. По условиям теплового взаимодействия расплава с фильтром выделили пять различных вариантов, которые отвечали прямому контакту жидкого чугуна сс перегревом или без перегрева) с холодным фильтром, взаимодействию жидкого чугуна с фильтром через твердую корку при её намораживании или оплавлении, прямому контакту перегретого расплава с фильтром, нагретым до температуры кристаллизации чугуна. Для каздого варианта приняли соответствующие граничные условия с третьего или четвёртого рохСаэ и имитируя течение элементарного объема расплава в каналах фильтра как пошаговый процесс, рассчитали с учётом начальных условий сТзал. Ткр. Тн ф. кинетику прогрева фильтра, образования и оплавления твёрдой корки металла, продолжительность существования её на стенках каналов элементарных участков фильтра <-тв. По этим данным находили продолжительность контакта расплава с фильтром-. <л=лобщ. - ьтв:

На рис.I представлены графические зависимости влияния 'технологических факторов фильтрования на значение коэффициента е. Как видно.' значение в уменьшается при увеличении толщины фильтрующего

слоя, но возрастает при увеличении начальной температуры фильтра.

1

температуры фильтруемого сплава и продолжительности фильтрации.

Для проверки адекватности математической модели провели натурные эксперименты. При этом варьировали временем фильтрации и

•Влияние технологических факторов фильтрования на значение

ъ-е

х ь-

о

<Е>

X О

<ъ

1150 1200 1250 1300 1350 1400 10 20 30. ' 40 . 50

Тзал,'С • ' {<р,С

а - аэ=асоб л» (Г- =о,соб/и в- йз*о.ооб м г - с&--о.ообм уф.н/с :

Тф -200Х ЪалЧЗОО'С Та-200*С ¿*0,075м i-0.il

1Ф=20С Цр*№ . Ь<р=20с Тп-гОО°С 1-0,25:

7зал = №ЮТ I.* 0.0?5м' 1-0,075м- ТзяаЧЖС . 3-0,МО.

Рас. /..

высотой фильтра. Эффективность фильтрования оценивали по коэффициенту осаждения неметаллических включений, который определяли как отношение изменения площади темолета сдпр, занятой пятнистыми дефектами в отливке из фильтрованного чугуна , к площади темплета. занятой пятнистыми дефектами в образце из нефильтрлванного чугуна с по. При толщине фильтра 25 мм и продолжительности фильтрации 6 с коэффициент осаждения неметаллических частиц с^^ппр равен 0,45 коэффициент в при этом имеет значение 0,85. В тех же условиях, но при увеличении, продолжительности фильтрации до 10 с и значения коэффициента в до 0,92 значение п возрастает до 0,75. При толщине фильтра 50 мм, значениях е=0,60 и 0,70 коэффициент осаждения включений принимает значения т)=0,?8 и 0,93. При толщине фильтра 75 мм, когда значение & увеличивается с 0,30 до 0,45, значение коэффициента осаждения пятнистых включения возрастает с 0,87 до 1,0.

4- Исследование неметаллических включений в высокопрочном чугуне и условий их эффективного улавливания фильтрами

"Исследование загрязненности отливок из магниевого чугуна промышленных плавок показало, что при увеличении исходного содержания серы в расплаве количество пятнистых дефектов возрастает. Так, в чугуне, с исходным содержанием серы -0,01 % пятнистые дефекты в от, ливках не образуются, в то время как при 0,04 и 0,07 X г они занимают соответственно 10 в 12 % площади темплетов отливок с по серным' отпечаткам)...

'Природу неметаллических частиц и'возможность их образования в расплаве Ч2Г. выявляли путем термодинамического анализа реакций раскисления и десульфурации чугуна магнием, а также с помощью мик-рорентгеноспектрвльного анализа частиц в местах их точечных и пятнистых скоплений.. Результаты исследований согласуется с результатами. полученными отечественными ■ зарубежны« исследователями, в

частности Мильманом Б. С. с соавторами. Йеметалличесхая фаза в ЧШГ представлена, в основном, продуктами взаимодействия магния с кислородом и серой. При температурах модифицирования и заполнения полости литейной формы неметаллические частицы находятся в твёрдом состоянии. Об этом, в частности, свидетельствует присутствие на шлифах включений остроугольной формы и формирование ими крупных скоплений включений из отдельных точечных.

Крупные неметаллические включения легко доставляются к поверхности фильтра при отсутствии на ней корки затвердевшего металла.. В этих условиях лимитирующей стадией фильтрационного рафинирования расплава ЧШГ становится стада агрегации неметаллических частиц на поверхности фильтра. С твердой поверхностью фильтра твердые частицы контактируют в отдельных точках. В этом случав включения удерживаются слабой адгезионной силой и могут смываться потоком расплава, так как из-за больших размеров вхяочений сильно возрастает сила их гидродинамического сопротивления. ' 1

Для усиления адгезия частиц к поверхности фильтра предложено сформировать на его поверхности внешний слой из адгезионно-активных материалов. В качестве последних использсьали фторид кальция, который имеет температуру плавления сопоставимую с температурой фильтруемого сплава, и более легкоплавкий криолит. В этом случае обеспечивается контакт неметаллических частиц с материалом фильтра по большей площади. Они надёжнее удерживаются на стенках фильтра и за счет этого достигается более высокая эффективность рафинирования расплава.

5- Исследование эффективности шокированных зернистых фильтров

Исследовали влияние легкоплавких покрытий зернистых фильтров на эффективность фильтрования чугуна.

В первой серия экспериментов для получения технологических

проС использовали чугун с высоким исходным содержанием серы со.С7 '-о. На серном отпечатке темплета отливки из нефильтрованного чугуна пятнистыми дефектами поражен верхний спо заливкеэ слой отливки толщиной до 12 мм, "чёрные пятна" занимают 12 % площади темплета (рис-2,а). На темплетах отливок, полученных путём разливки чугуна через неплакированный зернистый фильтр, количество сернистых включений уменьшается, но полностью загрязненный слой на поверхности отливки не исчезает, хотя максимальная толщина его уменьшается до 4 мм. Доля поверхности, занятая пятнистыми дефектами. составляет 5 отн. у- Фильтрование такого же расплава через гранулы, плакированные фторидом кальция, обеспечивает снижение количества скоплений пятнистых дефектов до 1.5 отн.*. На серном отпечатке темплета отливки, полученной фильтрованием через гранулы с покрытием из криолита, пятнистые дефекты отсутствуют.

Во второй серии экспериментов использовали расплав с меньшим исходным содержанием серы со,04 Сравнительная картина изменения загрязненности отливок проявляется менее контрастно, но изложенная закономерность сохраняется. Так, при фильтровании расплава магниевого чугуна через неплакированный зернистый фильтр дефектность по пятнистым включениям уменьшается на 30 у. в сравнении с исходным нефильтрованным образцом и составляет ? отя. '-¡. Рафинирование плакированными фильтрами, как и в предыдущем случае, более эффективно. Использование фильтра, плакированного фторидом кальция, обеспечивает уменьшение площади, занятой пятнистыми дефектами, до 3 отн.«. При использовании фильтра, плакированного криолитом, получили бездефектные отливки.

Симбатно снижению загрязненности отливок пятнистыми дефектами уменьшается содержание сери в чугуне. Плакирование магнезитовых гранул фторидом кальция и криолитом позволяет дополнительно повысить эффективность очистки расплава на 15-25 а соответственно. Однако абсолютные значения изменения содержания серы не точно от-

Влияние фильтрования на загрязненность чугуна лятнисткми дефектсуи и относительное изменение содержания серы

12

№

ж е-о

б-

1,0

№

г 6« о

12

а

5

г^т.

1,0

О

I

о

4

б

0,38 •

0,13

0.06 г-.....1 _

2 3 4

Вариант чугуна

0 - немодифицированный нефильтрованный;

1 - чпун нефильтрованный;

2 - 4 - фильтрованный: фильтры магнезитом» -неплахированный (2), плакированный фторидом кальция (3), плакированный хриолитом(4).

Рис. г.

о

-ю-

ралают эффективность фильтрования с точки зрения возможности предотвращения образования в отливках пятнистых дефектов. Пятнистые дефекты образуются при содержании серы в модифицированном чугуне свше 0.01 - 0.02 к. В связи с этим в качестве параметра для оценки рафинирующего воздействия фильтров приняли коэффициент относительного изменения содержания серы в чугуне, по физическому смыслу соответствующий коэффициенту проскока избыточной серы: кдз = с5к - якр-'сбн - екр ;

где эн и бк - соответственно начальное и конечное содержания серы, масс, х; Бкр - критическое содержание серы в чугуне, ниже которого в отливках не образуются пятнистые дефекты. В зависимости от толщины отливки и условия ей охлаждения гкр=0.01 - 0.02 Если для исходного немодафицарованного расплава то при сфероидазиру-

ющем модифицировании удаляется примерно 60 « той части серы, которая потенциально может образовать в отливках пятнистые дефекты с Рис.2,61. Фильтрование расплава через зернистый неплакированный фильтр обеспечивает снижение значения до 0.13 у- Использование гранул фильтра с покрытием из фторида кальция более эффективно - 1^=0.06 и. Фильтрование чугуна через зернистый фильтр, плакированный криолитом, позволяет устранить образование в отливках пятнистых дефектов - Кд^О.

При модифицировании расплава РЗМ в отливках также образуются пятнистые, точечные и дисперсные включения. Однако пятнистые дефекты в этом случае более рассредоточены по поверхности темплета отливки. Это обусловлено, видимо, большей плотностью неметаллических частиц, содержащих РЗМ. При фильтровании чугуна, модифицированного РЗМ. также обеспечивается снижение загрязненности отливок пятнистыми дефектами. При этом плакированные фторидами зернистые фильтры более эффективны, чем неплакированные. Это свидетельствует о том. что при очистке расплавов ЧШГ от крупных скоплений включений содиментзционный эффект доставки частиц не играет решающей

роля.

6. Сравнительные исследования рафинирующей способности различных типов фильтров

В разных странах для рафинирования металлических расплавов успешно используют различные типы фильтров. Однако в литературе отсутствуют сравнительные данные об их рафинирующей способности. Это затрудняет их выбор. Поэтому в работе исследовали эффективность рафинирования расплавов чугунов. модифицированных магнием и РЗМ. через тканые, пенокерамические и зернистые фильтры, плакированные криолитом.

В первой серии экспериментов использовали расплав чугуна с относительно низкой исходной загрязненностью сьисх=0.04 ю. в отливках. полученных фильтрованием через тканые и пенокерамические фильтры, пятнистых дефектов в 3 - 4 раза меньше, чем в исходном образце. При использовании зернистого фильтра, плакированного криолитом, отливки получали практически без пятнистых дефектов -площадь их не превышала 0,04 отн.и.

Во второй серии экспериментов использовали расплав чугуна с. высокой исходной загрязнённостью сгисх=0.07 >о. При использовании тканого фильтра количество дефектов уменьшается в 1,5 раза. Фильтр из пенокерамики более эффективен - площадь, занятая пятнами, снижается на порядок и не превышает I отн. и. Зернистый фильтр, плакированный криолитом, обеспечивает полное удаление из расплава крупных скоплений частиц.

Таким образом, при относительно низкой исходной загрязнённо-а расплава рафинирующее воздействие тканых, пенокерамическил и зернистых фильтров, плакированных криолитом, различается, но не столь существенно. При высокой исходной загрязненности фильтруемого расплава чугуна отличие в рафинирующем воздействии фильтров

-20-

проявляется более контрастно.

Рафинирование расплава чугуна, модифицированного РЗМ, различными типами фильтров показало, что зернистые фильтры, плакированные криолитом, как и при рафинировании магниевого чугуна, более эффективны. При использовании тканого фильтра из расплава удаляется - 40 « грубых скоплений неметаллических частиц. Е этом случае дефекты занимают 6 у. площади тетлата. Применение пенокерамнческо-го фильтра обеспечивает более высокую эффективность рафинирования -площадь дефектов при атом составляет 3 отн. *. Площадь, занятая пятнистыми дефектами, в образце, полученном при фильтровании через зернистый фильтр, плакированный криолитом, незначительна- 0,5 отн- ><

На рис.3 приведены сравнительные данные о рафинирующей способности тканых, пенокэрамических и зернистых фильтров, плакированных криолитом. Рафинирующий эффект, достигаемый при использовании тканого фильтра толщиной - 3 мм, близок рафинирующему эффекту плакированного криолитом зернистого фильтра высотой 30 - 40 мм. Рафинирующая способность пенокерамического фильтра толщиной 15 мм и зернистого фильтра, плакированного криолитом, высотой 55 - 60 мм примерно одинакова. Неплахированный зернистый фильтр толщиной 75 мм эквивалентен по рафинирующей способности зернистому фильтру, плакированному криолитом, высотой 45 мм. Рафинирующий эффект, достигаемый при использовании плакированного фторидом кальция зернистого фильтра высотой 75 мм близок рафинирующему эффекту плакированного криолитом зернистого фильтра высотой 60 мм.

Выполненные исследования позволяют сформулировать некоторые рекомендации по применению различных фильтров. При низкой загрязненности исходного чугуна (зисх < 0,04 56) для получения отливок без пятнистых дефектов могут быть рекомендованы все типы фильтров, но предпочтительнее применение тканых и пенокерамических как более технологичных. При высокой загрязнённости исходного чугуна (2исх > 0,04 %) отливки без пятнистых дефектов могут быть получены

Сопоставительная опенка ратинирующей способности ткадах, пенокервмических и зернистых фильтров

£ , ММ

1 - влияние высоты зернистого плакированного фильтра на его

рафинирушую способность;

2 и 5 - показатели рафинирующей способности пенокерамического (толщиной 15 мм) и тканого (3 мм) фильтров для магниевого чугуна соответственно;

3 и 4 - показатели рафинирующей способности пенокерамического и тканого фильтров для ^туна, модифицированного РсМ, соответственно;

Д и □ - показатели рафинирующей способности магнезитовых фильтров: нелакированного и плакированного фторидси кальция соответственно;

А и В - высота зернистого фильтра, эквивалентная по рафинирующей способности тканому и пенокёрамическому фильтрам соответственно.

Рис.Л.

лишь пр'л использовании пенокерамических и зернистых плакированных-фильтров. Причем преимущество последних проявляется полнее по мере увеличения содержания серы в исходном чугуне.

Эффективность применения зернистых плакированных фильтров изучали в условиях литейного цеха Московского завода "Станколит" В производственных условиях фильтровали чугун индукционной плавки, модифицированный магнием. Химический состав чугуна до модифицирования: 3,4 у- С. 2.6 * 51. о,6 я мп, 0.05 и р. 0.04 * г. Модифицировали расплав при температуре 1450°с в открытом кобею ёмкостью 3 т МГД-процессом. В полость на дне ковша закладывали модифицирующую смесь из порошкообразных магния, ферросилиция ФС75 и магнезита. Расход компонентов составлял 0,1; 2,0; 0,06 % от массы соответственно. Смесь сверху присыпали чугунной стружкой.

Технология фильтрования предусматривала формовку керамического стакана и сеток в стержневых ящиках из магнезитовой жидаосте-кольной смеси, изготовление фильтрующих элементов св виде гранул диаметром 10 - 15 мю окатыванием на тарельчатом грануляторе, сборку фильтра, прокаливание спри 700 - 800 0О и установку его в разливочную воронку перед разливкой чугуна.

Фильтрование чугуна исключило образование в отливках дефектов в виде "черных пятен" и, кроме того, обеспечило дополнительное снижение содержания серы 15 - 20 % и,.повышение предела прочности чугуна при растяжении на 10 - 20

вывода

I. Установлено, что одним из дефектов, часто образующимся в отливках из ЧШГ, является скопление неметаллических включений, выявляемое в изломах отливок в виде "черных пятен". Существующие методы устранения этих дефектов (обработка криолитом, фильтрование ткаными, пенокорамическлми и ячеистыми канальными фильтрами) не всегда

обеспечивают получение качественных отливок из ЧШГ.

2. Выявлены лимитирующие факторы процесса фильтрационного рафини рования расплава ЧШГ. На начальном этапе фильтрования низкий эффект рафинирования обусловлен формированием твердой корки чугуна на поверхности фильтра, которая препятствует прямому контакту неметаллической частоты с материалом фильтра. В условиях прямого контакта расплава с фильтром лимитирующим фактором фильтрационного рафинирования ЧШГ является недостаточное адгезионное взаимодействие неметаллических частиц с фильтром. Неметаллические час-' • тины в ЧШГ выделяются в твердом состоянии и образуют крупные скопления. Они легко доставляются к поверхности фильтра, но могут смываться с нее потоком расплава из-за высокого гидродинамического сопротивления.

3. Предложен коэффициент эффективного использования поверхности фильтра 0, который позволяет оценить полноту ев участия в процессе рафинирования. Численно он равен отношению общего фактического времени контакта .элементарных участков фильтра с расплавом к теоретически возможному. Выявлена экспоненциальная зависимость коэффициента осаждения неметаллических частиц на фильтре от указанного коэффициента. .■.•■■« •

4. Разработана методика расчета коэффициента & по времени сущест-. вования твердой корки фильтруемого сплава на стенках каналов фильтра. Методика основана на представлении непрерывного процесса течения расплава по каналам фильтра и их теплового взаимодействия как прерывного, пошагового. На основе этих представлений получены математическая и численная модели расчета критерия в. которые реализованы на IBM-PC САТ> на языке Fortran. ЗНаЧвНИв в ИЗМвЕЯвТСЯ ОТ нуля с при образования твердой корки на все» поверхности фильтра и сохранении ее в течений всего времени фильтрования} до единицы

спри пбЛном отсутствии твердой корки на стенках каналов фильтра».

5. Установлены зависимости значения в от технологических парамет-

ров фильтрования: высоты фильтра, ширины каналов в нем, скорости ■ фильтрация, начальной температуры фильтра, температуры заливки чугуна и продолжительности фильтрации. При увеличении высоты фильтра эффективность использования его поверхности снижается, причём эта тенденция сильнее проявляется по мере снижения'скорости фильтрации и высоте фильтра свыше 70 - 80 мм. фи увеличении значений всех остальных параметров коэффициент в возрастает во всех случаях. Наиболее сильно влияние этих параметров проявляется при температура подогрева фильтра Т^ < 400°С, температура залгвки чугуна Тзал <1250 -1300°С, ширине каналов фильтра аэ < 4 мм, скорости фильтрация Уф < о,1 \ус и продолжительности фильтрации 10-15 с. При больших значениях этих параметров значение коэффициента в возрастает менее интенсивно, но достигает высоких значений-. е= 0,8 - 1,0.

6. Рассмотрены условия контактного взаимодействия неметаллической Фазы, образующейся в расплаве чугуна при модифицировании его магнием и РЗМ. с материалом фильтра. С учетом их тугоплавкости и обусловленной этим малой поверхностью контакта и. следовательно, слабой адгезии их друг к другу предложены варианты усиления их адгезионного взаимодействия путём формирования на поверхности фильтра "мягкой" подложки- На этой основе разработаны двухслойные фильтрующие элементы для зернистых фильтров в виде гранул с ядром из тугоплавкого огнеупорного материала и легкоплавкого плакированного наружного слоя из фторида кальция или криолита. При рафинировании расплава чугуна, модифицированного магнием или РЗМ. наиболее эффективны фильтры, плакированные криолитом. Фильтры, плакированные фторидсм кальция, более эффективны, чем неплакированные, но уступают по рафинирушей способности фильтрам, плакированным криолитом.

7. Предложен параметр для оценки эффективности использования фильтров для предотвращения образования в отливках груоых скоплений

неметаллических частиц - дефектов в виде "черных пятен". Этот параметр представляет собой коэффициент относительного изменения содержания сер«, по физическому смыслу соответствующий коэффициенту проскока избыточной серы.

8. Выполнена сравнительная оценка рафинирующей способности различных типов фильтров - тканых, пенокерамических и зернистых фильтров, плакированных криолитом, при рафинировании расплава ЧШГ. Показано, что при низкой загрязненности исходного расплава

сгн < 0.04 %> все типы фильтров обеспечивают получение отливок одинакового качества. При высокой исходной загрязненности расплава сгн > 0.04 ю певокерамические и зернистые фильтры, плакированные криолитом, толщиной соответственно 15 и 75 мм. имеющие развитые каналы я поверхности контакта с расплавом, более эффективны. При этом тканый фильтр из стекловолокна толщиной - 3 мм с размером ячейки 1,65*1,65 мм имеет рафинирующую способность близкую рафинирующей способности плакированного криолитом зернистого фильтра толщиной 30 - 40 мм. составленному из гранул диаметром -15 мм. Рафинирующее воздействие пенокерамического фильтра из карбида кремния о 4 порами на I см и толщиной 15 мм и плакированного криолитом зернистого фильтра высотой 55 - 60 мм-и размером гранул -15 мм одинаково.

9. Показано, что при нийкой загрязненности исходного чугуна с5исх<0.04 х> для получения отливов без пятнистых дефектов могут быть рекомендованы все типы фильтров, но препочтителънее применение тканых и пенокерамических как более технологичных. При высокой загрязненности исходного чугуна сяисх>0.04 »о отливки без пятнистых дефектов могу? быть получены лишь при использовании пенокерамических и зернистых плакированных фильтров, причем преимущество последних проявляется полнее по мере увеличения содержания серы в исходном чугуне.

10. Установлена эффективность фильтрационного рафинирования распла-

вов чугунов. модифицированных магнием и РЗМ. При фильтровании магниевого чугуна относительная площадь грубых скоплений включений -пятнистых дефектов снижается на 30 - 100 'у., причем меньшее значение относится к случаю фильтрования чугуна с высоким исходным содержанием серы через тканый фильтр из стекловолокна, а большее -к зернистому фильтру, плакированному криолитом, толщиной 75 мм. Показано, что при фильтровании расплава чугуна, модифицированного РЗМ, достигается такая же эффективность рафинирования, причем сохраняется и сравнительное рафинирующее воздействие различных фильтров.

II- Результаты исследований опробованы в условиях Московского чугунолитейного завода "Станколит". Использование указанных фильтрующих элементов позволяет устранить образование в отливках из ЧШГ "чёрных пятен" и, кроме того, дополнительно снизить содержание серы в чугуне на 15 - 25 %, повысить предел прочности чугуна при растяжении на 10 - 20 V.,

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тен Э. Б.. Воеводина М- А.. Сафин Р. . Изыоров А. Л.. Воронцов

В. И- Очистка магниевого чугуна зернистыми фильтрами. ^Изв. вузов. Черная металлургия. -1992 г- - №3. -с. 58 - 61.

2. Тен 8. Б.. Воеводина М. А-. Петров А. Э. Сравнительная оценка рафинирующей способности различных фильтров- /-/Изв. вузов. Чёрная металлургия. -1993 г. -80- -с. 58 - 61.

3. Тен Э. Б. . Воеводина М. А. Критерий для оценки времени активной работы фильтра. "Изв- вузов- Черная металлургия. -1993 г. - №9 - 10. -с. 75 - 76.

4. Изъюров А.Л., Воронцов В.И.., Воеводина М.А., Залманов А.Л. Повышение качества отливок из ЬЧ.уу Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна с тезисы докладов Совет-

-г?-

ско-Чехословацкой научно-технической конференции 10-12 октября

1989 года>.-часть 2.-Липецк: ЛПИ.-1989.-с.80-89,

5. Авторское свидетельство №1752487 МКИ С22В9^08. "Фильтрующий элемент". ^/-Тен Э-Б.. Спасский А. Е.. Воеводина Н. А. и д>. от 27.08.

1990 г.

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Заказ Ъ Ч Объем .<' 7/Г Тпраж /ОО Типография МИСиС, ул. Орджоникидзе, 8/9