автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и исследования технологических процессов повышения эффективности модифицирования чугуна и стали

Р Г Б гфДши тет Российской Федерации по внешен; образование

2 0 ИкЦ1^^011110 ГССУДА?СТВЕННЫЙ ТШИЧЕШЙ УНИВЕРСИТЕТ

I

На правах рукописи

ЕРМИЛИН Андрей Степанович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИГ ПРОЦЕССОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА И СТАЛИ

Специальность 05.I6.iW - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 1994

Работа выполнена1 на кафедре "Литейно-ыеталлургические процессы и сплавы" Нижегородского Государственного технического университета.

Научный руководитель: кавдидат технических наук, доцент В.И.Фокин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Б.П.Платонов

кандидат технических наук, А.А.Волосков

Ведущее предприятие: АО ГАЗ

г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится: 22 июня 1994 г. в 13 часов на заседании специализированного Совета К.063.85.05. Нижегородского Государственного технического университета по адресу: 603000, Н.Новгород, ул. Минина, 24, корпус I, aya- 1256.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, направлять по указанному адресу университета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке технического университета.

Автореферат разослан 20 мая 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук/^^с t4-'^ В.А.Васильев

с^^^ХВаси

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭМЕШШОСТИ ЩЩШЩРОВАНИЯ ЧУГУНА И СТАЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие машиностроения требует разработки технологических процессов и материалов для энергоресурсосберегающих технологий. Формирующиеся рыночные отношения ставят проблемы удешевления, рационализации и модернизации производства отливок. Для решения этих проблем необходимы металлы и сплавы, обладающие высокими механическими и служебными свойствами, совершенствование традиционных технологических процессов и разработка новых.

В диссертации решались задачи получения дизельных отливок и валков трубоэлектросварочных станов (ТЭСС) с повышенными свойствами, сокращением трудоемкости их производства, устранением литейных дефектов.

В качестве основного был выбран метод внепечной обработки-модифицирование, Процессам модифицирования посвящено много работ, однако не псе их стороны достаточно исследованы. В результате получена новая информация, выявлены отдельные особенности организации эффективных процессов модифицирования, разработана 'промышленная технология. .

В процессе производства дизельных отливок возникла необходимость производства отливок из чугуна с вермикулярной формой графита (ЧВГ) вместо чугуна с шаровидной формой гранита (ЧШГ). ЧВГ относительно новый материал и известные технологии его получения недостаточно отработаны, часто требупт дефицитных, дорогих исходных материалов, не обеспечивают стабильности свойств. На основе новых подходов к процессам модифицирования усовер -шенствована технология получения ЧВГ.

При литьэ традиционными методами валки ТЭСС обладают низкой стойкостью в жестких условиях эксплуатации, значительными литейными дефектами, высокой трудоемкостью финишной обработки. В конкретных условиях цеха оптимальным оказалось использование такого специфического способа модифицирования как суспензионное

; литье.

Целью работа является разработка, исследование и промышленное пробование технологий изготовления дизельных отливок из ЧЕГ и стальных отливок из ст1-лиХ12МЛ для ТЭСС на основе повышения эффективности процессов модифицирования.

Научная новизна работы заключается в разработке Концепции увеличения эффективности модифицирования путем повыдения свободной энергии расплава за счет ввода активных добавок со скоростью соответствующей скорости их усвоения перемешиваемым расплавом. Установлено, что применение титан-содержащего комплексного модификатора с одновременной продувкой чугуна сжатым воздухом позволяет стабильно получать заданную форму графита.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность заключается в разработанном оптимальном режиме модифицирования расплава, обеспечивающем стабильное получение верми-кулярнозеданной формы графита. Установлены параметры процесса, необходимые для получения отливок с заданным соотношением вер-микулярного и шаровидного графита. Разработаны методы, расчетов определения параметров модифицирования с продувкой чугуна сжатым воздухом и одновременным вводом комплексного модификатора; внутрифорыекного модифицирования; экзогенной суспензионной заливки для стали Х12ЫЛ, на основании которых отработаны режимы технологии изготовления отливпк из ЧВГ и валков ТЭСС. Разработана методика экспресс-анализа усадки. Разработаны варианты технологий получения отливок из ЧВГ, прошедшие промышленное опробование в условиях Нижегородского завода "Двигатель революции", и отливок валков из стали Х12МЛ, внедренной на Выксунском металлургическом заводе. Разработаны и защищены тремя авторскими свидетельствами ряд технологических приемов,, повышающих эффективность модифицирования. .

Годовой экономический эффект от внедрения технологии изготовления валков на Выксунском металлургическом заводе составил 65770 рублей, в год ( в ценах 1990 года). Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии изготовления отливок "крышка цилиндра" из ЧВГ барботажной обработкой составляет 261237 рублей на 100 годных отливок ( в ценах 1991 года), .

Апробация. Основные положения и результаты диссертацион-

кой работа доложены на: областной научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения отливок" (Горький, 1983 г.), областной научно-технической конференции "Пути повидения качества литых заготовок в ыадганостроении" (Горький, 1985 г.), УШ научной конференции молодых ученых Волго-Вятского района (Горький, 1988 г.), региональном научно-техническом совещании "Повышение эффективности литейного производства" (Омск, 1989 гД межреспубликанской конференции "Современные технологические процессы получения высококачественных изделий методом литья и порошковой металлургии" (Чебоксары, 1969г.), советско-чехословацкой научно-практической конференции "Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна" (Липецк, 1989 г.), научно-технической конференции "Современные направления повышения качества литых заготовок при литье в песчаные формы" (Москва, 1990 г.), XI всесоюзной конференции по проблемам слитка "Проблемы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов" (Волгоград, 1990 г.), научно-технической конференции "Применение внешних воздействий при затвердеваний слитков и отливок" (Н.Новгород, 1990 г.), П республиканской научно-технической конференции "Пути повышения качества и экономичности литейных процессов" (Одесса, 1990 г.), областной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-металлургическом производстве" (Н.Новгород, 1991 г.).

Диссертационная работа доложена и обсуждена на научно-техническом семинаре кафедры "Литейно-металлургические процессы и сплавы" (июнь 1992 г.) и объединенном с кафедрой "Машины и технология литейного производства" (ноябрь 1992 г.) Нижегородского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, получено 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация содергм? ^ машинописного текста, рисунков, ¿в таблиц. Работа состоит кз введения, 5 глав, списка литературы (112 наименований) и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной

5

работы, сформулирована цель и основные задачи исследования. В частности показана необходимость разработки и исследования технологических процессов, повшаадих эффективность модифицирования чугуна и стали, определения оптимальных технологических параметров в конкретных условиях производства.

В первой главе проведен анализ литературных данных в области теории модифицирования чугуна и стали, способов ввода модификаторов и перемешивания жидкого расплава, получения чугуна с вермикулярной формой графита, экзогенной суспензионной разливки стали.

Анализ литературных данных о влиянии модифицирующих добавок, способов и условий их ввода в расплав показал, что имеется большое разнообразие приемов модифицирования в производстве чугунных и стальных отливок. Однако единого мнения в решении ряда проблем, возникающих при этом, нет.

Процесс модифицирования в обцем виде сводится к присадке активной добавки в расплав с последующим перемешиванием металла для лучшего усвоения и снижения расхода модификатора. На данной основе осуществлялась разработка стабильной технологии получения из чугуна с вермикулярной формой графита дизельных отливок для Нижегородского завода "Двигатель революции" и разработка технологии изготовления-высокостойких валков трубоэлектросварочных станов на Выксунском металлургическом заводе. Реализация вышесказанного потребовала решения следующих'задач:

- изучить механизм формирования вермикулярного графита в чугуне и уточнить влияние различных химических элементов на структуру ЧВГ;

- выбрать оптимальный вариант модифицирования для стабильного и экономичного производства отливок из ЧВГ, детально исследовать особенности предложенного процесса;

- подобрать оптимальный состав модификатора, разработать физическую и математическую модель процесса модифицирования в ковше с продувкой чугуна сжатым воздухом и внугриформенном модифицировании (ВФМ);

- на основе термодинамического анализа выполнить расчеты процессов окисления элементов чугуна при продувке сжатым воздухом, установить предельные скорости подъема газовых пузырей, скорости потоков металла и других параметров процесса;

- исследовать при ЪШ механизм растворения модификатора, предложить методику расчета осноеных параметров процесса;

- разработать программу расчета основных параметров процесса В2.Ч на сЗМ;'

- исследовать структуру и механические свойства отливок, полученных по предложенной технологи;:;

- осуществить разработку прскыпленноЯ технологии стабильного получения отливок из чугуна с вермикулярным графитом и опробование- разработанной технологии на заводе "Двигатель революции";

- произвести расчет параметров экзогенносуспензионной заливки стали для изготовления валков трубоэлектросварочных станов;

- разработать технологию изготовления высокостойких валков и осуществить промышленное опробование разработанной технологии на Выксунском металлургическом заводе.

В главе списан внутренний холодильник, защизенкы!* авторским свидетельством СССР № 1605019, предназначенный для поэтапного Евода модификатора в жидкий расплас.

Во второй плате рассмотрены пути повышения эффективности процессов'модифицирования. Задача поведения качества металла сводится к получению соответствующей структуры свободной от дефектов. Так как модифицирование по сути есть регулирование процессов кристаллизации, то для выявления путе* повышения его эффективности привлечено классическое уравнение описывающее заро-дьглеобраяование кристаллов в объеме яидкостк:

Л/Г"*

33

/2

а

где 1/ - скорость зарождения центров кристаллизации, - число поверхностных атомов подложки на единицу объема поверхности,/2. -число атомов в единице объема жидкости, 4 ¿г - изменение свободной энергии при образовании зародыша жидкости; Л - газовая постоянная, Т- реальная температура кристаллизации, & - угол смачивания подложки кристаллом -'* • ^

(У - межфазное натяжение на поверхности зародыша (подложка) - . - жидкость, - равновесная температура кристаллизации, ~ мольный объем зародила, 4^ - энтальпия (теплота) кристаллизации, АТ - переохлаждение при кристаллизации (Тм - Т.).

Получение мелкозернистой структуры и других эффектов мсди-

фицирования зависит от изменения свободной энергии {А ¿г ). Бее, что способствует увеличению свободной энергии жидкого металла будет .по: ■_;лать эффективность модифицирования. С учетом, что рост свободной энергии связан со структурообразованиеы в жидком металле, ыокно утверждать, что в основе эффекта модифицирования лежит увеличение упорядочения .в'металле за счет ввода добавок, которое пропорционально уменьшению энтропии ) или увеличения свободной энергии {¿Я ). Отсюда оценка и выбор модификатора монет осуществляться по величине изменения энтропии или свободной энергии при вводе их в жидкий металл. Чем больше уменьшается энтропия и растет свободная энергия, тем выше эффективность модификатора. -

Процессы модифицирования активными добавками могут сопровождаться потерями, обусловленными местным переизбытком модификатора при одновременном вводе в металл всея дозы. Без потерь звод возможен при условии соответствия скорости ввода скорости усвоения модификатора металлом.

Эффективность модификатора возрастает при максимально разномерном распределении в объеме металла, что достигается перемешиванием расплава. Кроме того, само перемешивание, увеличивая свободную энергию, обладает кодифицирующим действием.

Эффект модифицирования может быть усилен в результате- суммирования действия ввода комплексного активного модификатора в расплав и добавочного принудительного перемешивания.

Рассмотрены существующие способы перемешивания жидкого металла и выбран - барботажный.

Приведены расчеты параметров продувки для организации перемешивания жидкой ванны, изменения размеров пузырьков воздуха, времени их всплывакия, изменения поверхности контакта и потока вещества, выносимого на поверхность пузырька.

Использование в качестве рабочего газа при барботажной об- • - работке металла воздуха значительно, упрощает и удешевляет про -цесс, однако это.приводит к окислению элементов расплава. С помощью термодинамики произведена оценка возможности и пределы окисления элементов. Показано, что при комплексном введении нескольких раскислителей образуются продукты раскисления сложного ^ состава, в которых активность оксидов ниже, чем в случае образования чистых оксидов. В соответствии с этим, равновесная кон-

центрация кислорода уменьшается, а эффективность раскислителей при комплексном раскислении растет. Расчет для чугуна, содержащего 3,6% С; 1,17% Л ; 0,58£/% ;-0,053 /7£ ; О,ОВД П при температуре 1683 К дали следующие результаты: _ [0] = 0,0012£ ;

[о]л* 0,0007% ; 0,00% ; ."о,000036 ; [0]^ =

= 0,0001&%\ [о]7. = 0,0002$. Рассчитанные равновесные концентрации кислорода характеризуют сродство к и порядок окисления. Первым окисляется , затем /^2 и далее Я , Л', Мл, С.

В пузырьках воздуха, образующихся на дне ковша, элементы, входящие в состав расплава будут окисляться все одновременно, в связи с достаточным количеством кислорода, пропорционально занимаемой на поверхности пузырька площади.

где - площадь, занимаемая / элементом на поверхности, % ,

- содержание элемента в расплаве, плотность элемента,

кг/мэ.

Проведен анализ процесса внутрифэрменного модифицирования, как одного из наиболее эффективных способов обработки жидкого чугуна иэ-за минимальности промежутка времени между вводом добавки в металл к кристаллизацией. Разработана <|иэическая модель процесса и предложен механизм взаимодействия жидкого металла с модификатором и показано, .что оптимальным вариантом является комбинированное растворение модификаторов по сравнении с объемным и послойным, способствующее соответствии скоростей ввода до-. . бавок и их усвоения расплавом. В результате растет эффективность модифицирования.

Произведен расчет параметров процесса литья при модифицировании в форме. Получено уравнение, описывающее время растворения пакета модификатора и функционально связывающее все основные параметры, влияющие на процесс модифицирования в форме: 7-_ 'Л* • [¿V (Тм - То) ^//у] -Л • Л^^'ЗО' (3)

-¿»ж -Сж (л ъ •/>

где - площадь горизонтального сечения реакционной камеры, м ^-насыпная плотность модификатора, кг/м3,^- теплоемкость, модификатора, Дк/кг К, 7а- начальная температура модификатора, К, температура плавления модификатора, К, теплота . плавления модификатора, Дк/кг, Л - толщина пакета модификатора

в реакционной калгере, м, - диаметр зерна модификатора, м,

- площадь поперечного сечения узкого места литниковой системы, и" Л - коэффициент расхода литниковой системы, # - напор в литниковой система, м,- плотность жидкого металла, кг/м3,

- теплоемкость жидкого металла, Дя/кг К, ¿Т} -- изменение температуры металла (Тз - Т0>, К, Кр - коэффициент расхода тепла, равный I К/м.

На основании математической модели разработана программа расчета на ЭВМ основных параметров внутрифорыенного модифицирования. ,

В третьей главе описывается разработанная технология изготовления дизельных отливок из чугуна с вермикулярной формой графита. ■ «ч

Анализ заводской технологии изготовления отливки "крыика цилиндра" из Ч1Г показал, что брак, возникающий по вине материала (течь, потек;;; >, составляет 22&. Причиной дефектов является недостаточная плотность металла из-за усадочных дефектов, возникающих при затвердевании чугуна с шаровидной формой графита в центральной части отливки и дефектов в виде "черных пятен". Для ликвидации указанных дефектов предложено изменить конструкционный материал отливки с ВЧШГ на ЧВГ. Сочетание хороших ли-' тейных свойств, высоких механических и теплофизических характеристик делают ЧВГ наиболее подходящим для применения в качестве кснструкцл энного материала отливки "крыска цилиндра", работающей в условиях теплосмен при значительном перепаде температур и испытывающей значительные .теплофизические нагрузки. Вермикулярный графит образуется в результате недостаточной нейтрализации в микрообъемах кристаллизующегося чугуна кислорода и серы.-При остаточном содержании магния меньше 0,03^ базисные грани графи-■ та вермикулярной формы покрываются аустенитом при белее высокой температуре, чем в случае шаровидного графита. В таком чугуне создаются благоприятные условия для одновременного роста базисных и призматических граней, чему способствует физико-химическое состояние межфазных границ призматическая грань - расплав.

Избирательность поверхностно-активных элементов (ПАЗ) по отношению к отдельным граням кристаллов обуславливает то, что они по-разному изменяют скорость роста отдельных граней кристаллов. По-видимому, поверхностная активность титана способст-

то .

зует росту призматических граней графита з расплаве и з меньшей степени влияет на кинетику роста базисных граней. Соответственно в чугуне, содержащем - 0,08$71" и ~ 0,03^/^ создаются условия для образования вермикуляр-'.эго графита и призматических граней.

Стабильное получение вермикулярной формы графита в чугуне монет осуществляться следующим путем. Исходный чугун индукцисн-'ной плавки содержит достаточное количество серы и кислорода, что обуславливает формирование пластинчатой формы графита из-за увеличения скорости роста призматических грачей вследствие уменьшения поверхностного натяжения на границе призматическая грань-расплав и увеличения смачиваемости расплавом граней. Обработка - расплава модифицирующим элементом, сфероидизирующим графит

приводит к очищению чугуна от поверхностнсактивных элементов и повышению поверхностного натяжения на границе базисная грань - расплав.

Для регулирования отношения скоростей роста призматической грани к базисной в пределах 3*5 в расплав вводится Тс с таким условием, чтобы его остаточное содержание не превышало 0,К. Вводимый з расплав титан адсорбируется на графите, одновременно образуя карбонитриты, положительно влияя на процессы смачивания и выделения углерода на графит расплава. Смачивание усилиг^тся нз гранях графита с некомпенсированными ковалентнкми связями, химичёски активными, то есть на призматических гранях, и способствует их росту в заданном соотношений. Для обеспечения заданного соотношения скоростей остаточное содержание ^ не должно превышать 0,035??, Тг - 0,05*0,1!?. Титан имеет большое сродство к кислороду, поэтому, для предотвращения окисления, в состав модификатора вводится алюминий. Алюминий, вступая в реакцию раскисления с элементами чугуна

ЗЯ0£ ¿[72] - (4)

^^ ^ + * (5)

образует тугоплавкие оксиды , способствующие измельчению зерна графитовых включений.

Для повклекия эффективности ыодифидаровения необходимо обеспечить тесный контакт вводимых добавок со всем объемом металла. Это достигается внутриформенным модифицированием или барботтаной обработкой жидхого чугуна с одновременны1! порционным -волом г/одкфиЕхут-их добапок.

Расчет количества составляющих комплексного модификатора произведен исходя из условий получения чугуна с вермикулярной формой гранита .при барботажной обработке с учетом окисления кислородом воздуха и кислородом, находящимся в металле. На основе расчетов с помощью выражений, учитывающих окисление элементов кислородом при продувке, предложен следующий состав комплексного модификатора для получения ЧВГ (в %): ферротитан марки ФТн 23-42; алюминиевая стружка - 5; ферросилиций марки ФС-75 или электродный бой - 53. Учитывая условия производства на заводе "Двигатель революции" были разработаны и исследованы следующие технологические процессы изготовления отливки "крышка цилиндра" из ЧВГУ

- внутрифорыенным модифицированием - вермикуляризиругощая обработка проводилась непосредственно в форме, в реакционной камере;

- барботажной обработкой расплава - обработка жидкого чугуна продувкой сжатым воздухом с порционным вводом вермикуляризую-щей добавки на зеркало металла.

В работе использовали^существующие методики контроля жидко-текучести, температуры расплава, механических и теплофизических характеристик, принятые на заводе "Двигатель революции". 141кро-структурный анализ проводился в металлографических и электронно-микроскопических лабораториях завода и Нижегородского технического университета. Для точной и оперативной информации разработан экспресс-контроль усадки чугуна. Используя.методику, описанную вьие, были определены параметры литья для внутриформенного модифицирования. Анализ химического состава образцов показал неравномерное распределение Т/ в сечении отливки. Наблюдаемая структурная неоднородность и неравномерность усвоения модификатора, в первую очередь, связана со сложным строением отливки. В тонких сечениях 72 не успевает полностью раствориться в металле, что приводит к его грубым включениям и появлению цементита. В толстых сечениях 72 полностью усваивается, однако время кристаллизации незначительно и получаэдаяся структура (50-60/$ ВГ) не способствует требуемой (80^ ВГ). Дефектов по течи и пористости в опытной партии отливок (24 ит.) не обнаружено, однако данный процесс не позволяет стабильно получать заданную структуру ЧВГ.

По описанной выле методике были определены параметры барботажной обработки. Исходный чугун выплавлялся в индукционной пе-

од ИЧТ-10М2 с кислой футеровкой. Модифицирован лигатурой СМг-5К2' з количестве 0,9% под обрезыо стали -з ковше емкостью 3 т. Предварительно подготовленный модификатор из расчета на 2,1 т расплава порциями по I кг вводился на зеркало чугуна через каждые 30 секунд продузки ехатьм воздухом под давлением 0,2*0,3 МПа. Расход воздуха 1,0*-1,5 м3/мин. Продувка - через дно ковша. Продолжительность продувки - 9 минут. Через каждые '30 секунд.продувки брались пробы для определения химического состава, микроструктуры, механических и литейных свойств. Обработка данных поззолила получить зависимость содержания химических элементов от времени продувки:

[ЙЛ^]= 0,58 - 0,0059 -Г (б) [%3 ] - 0,015 - 0,00035 -Г (7) '[55 0,07 - 0,00706 -Г (8)

£%■ Щ = 0,04 - 0,0012 -Т (9) Обработка полученных результатов позволила выявить эмпирическую зависимость механических и теплофизических свойств от продолжительности обработки.

• * Д = 34,2 + 0,992 >2- (10) О. = 8,6 + 0,57 ¿2" (II) (5"„ = 620 - 12,22 -Т (12) (эт а 480 - 9,44 \Т (13) 6 = 2,36 - 0,04 \Т (14) /77= 12,4 + 0,23 ;Г (15) Анализ микроструктуры показал, что графит шаровидной формы постепенно трансформируется в зермикулярный.

Обработка исходных данных выявила эмпирическую зависимость литейных свойств жидкотекучести и объема усадочных раховин от продолжительности продувки:

. е = ЮО + 2,22 (16)

Ур.р = 7,0 - 0,59 (17)

В результате продувки расплава сжатым воздухси с порционным вводом комплексного модификатора получен чугун с заданным количеством вермикулярного графита, высокими механическими и литейными свойствами. При изготовлении опытной партия отливок по новой технологии (28 шт.) дефектов по течи не обнаружено.

■ В четвертой главе описывается разработанная технология изготовления ответственных стяивсх инструмента деформации я ре-

зульгаты исследования;

Исследование причин аварийного выхода из строя валков, изготовленных из.стали Х12МЛ, показал, что их разрушение связано' с образованием трещин в районе шпоночного паза. Грубая структур? со сплошной утолщенной карбидной сеткой и карбидной эвтектикой, характеризующая материал валков, отлитых по существующей техно-логик, способствует при эксплуатационных нагрузках зарождению' микротрещин, быстрому их распространению, выкрашиванию и откола?, отдельных участков поверхности в процессе эксплуатации. По существующей технологии валки изготавливались в сухих песчано-гли-кистых формах с массивными открытыми прибылями, составляющими от 60 до ПОЙ массы отливки. Из-за особенностей стали Х12Ш1 отделение прибылей возмогно только механической резкой. Затраты состаг ляят 35 станкочасов на тонну годного литья. После отделения прибылей в ряде случаев в отливках наблюдались усадочные раковины у. пористость.

Для устранения усадочных дефектов, повьшекия плотности металла, улучшения литой структуры и снижения трудоемкости отделения прибылей разработана технология с использованием экзогенной суспензионной заливки и'питанием отливки легкоотдсляеыой тепло-изолировашой прибылью. При.этом ряд технологических приемов защищены двумя авторскими свидетельствами СССР. При экзогенной заливке модифицирующее воздействие максимально приближено к момент кристаллизация. Перемешивание расплава при вводе добавок повьиае эффективность модифицирования. Дня облегчения отделения прибыли от тела отливки разработан способ получения качественных отливок с легкоотделяешла: прибылям',:'. Предлагаемый способ предусматривает установку кевду полостями отливки и прибыли огнеупорной разделительной диафрагмы с питающим отверстием эллипеной формы, с ориентацией больней ос:: эллипса по теплоотводу. Заливка полости фориы до разделительной диафрагмы осуществляется металлом с введенными б него .добавками, а заливка полости прибыли после разделительной диафрагма - перегретым металлом. Использование теплоизоляции, в дополнение к вышеприведенным технологическим приемам обеспечивает положительный температурный градиент между прибылью и отливкой в течении всего периода затвердевания последней. Это способствует получению отливки без вторичной усадочной раковины и пористости под.диафрагмой. ■ 14

Выведены формулы для расчета количества вводимых микрохолодильников и температуры суспензионного металла для отливок из стали Х12Ш1: ту, '+ . . __ (18)

¿<?о \(7}ы'<?)~ # - с -ГЕТ^И ■ J (19)

■¿¿г ( -с-ГгТ^? ' 'у „

где температура суспензионного металла, К, £ - количество вводимых микрохолодильников, %, 7*0*- температура заливки, К, ^- температура ликвидус, К, 8 - приведенный размер отливки, м, продолжительность заливки, сек, С - теплоемкость жидкой стали, Дя/кг.

В процессе исследования опытных валков массой от 390 кг до 1200 кг выяснено, что усадочные дефекты полностью отсутствуют. Отделение прибыли происходило при выбивке. Излом металла в питающем отверстии диафрагмы имел мелкозернистую структуру без усадочных и газовых дефектов. Металлографические исследования показали, что микроструктура опытного металла отличается тонкой, разорванной карбидной сеткой. За счет улучшения структуры металла, устранения литейных дефектов и организации питания выход годного увеличился с 50-55^ до 80-85Й, затраты на финишную и термическую обработку сократились на 40-50%. При установке опытных валков на ТЭСС их эксплуатационная стойкость возросла на 50% за счет устранения карбидной сетки, увеличения сопротивления выкрашиванию отдельных участков рабочей поверхности и развитию усталостных трещин.

В пятой главе приведен расчет технико-экономической эффективности разработанных технологических процессов

ОБЩЕ вывода.

I. Проведен термодинамический анализ процессов модифицирования, который показал, что эффективность пропорциональна изменении свободной энергии. Для приближенной оценки эффективности модификаторов предложено использовать их растворимость и способность к образованию химических соединений в жидком металле. С учетом того, что упорядочение в жидком металле возникает на меж-фаэных поверхностях и при"образовании структурных комплексов,

очевидно, чем ниже растворимость тем вше эффективность модификаторов.

2. Предложена физическая модель барботажного перемешивания жидкого металла в коше сжатым воздухом, получены выражения для расчета скорости и мощности циркуляционных потоков в расплаве. Показано, что эффект модифицирования усиливается за счет принудительного перемешивания металла из-за увеличения свободной энергии. С помощьп термодинамики произведена оценка возможности и пределы окисления элементов чугуна кислородом воздуха.

3. Разработана физическая модель и предложен механизм взаимодействия жидкого металла с модификатором при- ВФМ. Показано, что наиболее оптимальным вариантом является комбинированное растворение модификаторов по сравнению с объемным и послойным, способствующее соответствию скоростей ввода добавок и их усвоение расплавом, что повьшает эффективность модифицирования. Получена математическая модель, связывающая основные параметры, влияющие на процесс В$М. Разработана программа расчета основных параметров ВФМ на ЭВМ.

4. На основе теоретических представлений о механизме гра-фитообразования предложен процесс получения чугуна с вермику-лярным графитом переводом шаровидной формы в вермикулярную с использованием демодифицирующей добавки гитана в соотношении с магнием 4«-5 по остаточному содержанию, а для ограничения окисления, усиления и стабилизации.действия титана в комплексный модификатор вводить до Щ> алюминия.

5. На основе термодинамических расчетов, учитывающих окисление элементов кислородом воздуха, предложен оптимальный состав комплексного модификатора для получения ЧВГ модифицированием в ковше с продувкой сжатым воздухом в (%): ферротитан ФТн 23-42, алюминиевая струкка - 5, ферросилиций или электродный бой - до 53.

6. Разработаны, исследованы и опробованы в производстве два варианта техпроцесса получения сложных отливок из ЧВГ:модифицированием в форме; порционным модифицированием в ковше комплексные модификатором с барботажной обработкой жидкого чугуна сжатым воздухом. Исследованы структура, механические и теплофи-зические свойства отливок из ЧВГ. Получены удобные для практических расчетов уравнения зависимости механических, теплофизи-

ческих и литейных характеристик от времени обработки.

7. Промышленное опробование технологии получения отливок из ЧВГ порционным модифицированием в коше комплексным модификатором с барботачсной4 обработкой расплава сжатым воздухом показало стабильное получение заданной формы графита и ликвидацию брака по течи и пористости. Годовой экономический эффект от внедрения технологического процесса на Нижегородском заводе "Двигатель революции" составляет 361237 рублей на производство 100 годных деталей ( в ценах 1991 года).

8. Проведена оценка эффективности применения экзогекносус-пензионной разливки стали для получения валков ТЭСС. Разработана технология изготовления валков из стали Х12Ш1, предусматривающая экзогенносуспензионную заливку с питанием отливки теплоизолированной легкоотделяемоЯ прибылью. Произведен расчет параметров процесса, составлена программа для ЭЕМ. На отдельные технологические приемы процесса получено два азторских свидетельства.

9. Разработанная технология литья валков для ТЭСС прошла промышленное опробование на Вьгксунском металлургическом заводе. За'счет улучшения структуры металла и устранения литейных дефектов стойкость валков возросла на 50^, выход годного увеличился

с £0-55% до 80-8SJ, затраты на финишную термическую обработку сократились на 40*5Of0. Промышленное внедрение разработанного технологического процесса позволило получить экономический эффект 110 рублей на I тонну годных отливок из стали Х12МЛ ( в ценах 1990 года).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. A.c. I6080I9 AI (СССР) В 22 27/04. Внутренний холодильник ./Е.А.Чернмяов, Б.И.Уваров, А.С.Ермилин, А.И.Евстигнеев, 3 е.: ил.

2. A.c. 1785768 AI (СССР) В 22 С 9/00, В 22 31/00. Способ получения отливок с легкоотделяемыда прибылями /Е.А.Черныаоз, А.А.Рыжиков, А.И.Варламов, А.С.Ермилин, Д.В.Мамонов, Е.Ш.Уся-тинский, К.А.Минеев, А.Н.Лебедев, В.Н.Фурин. - 2 с.

3. A.c. 1660832 AI (СССР) В 22 С/08. Литейная форма /S.A. Черньшов, А.А.Рыжикоа, Б.И.Уваров, А.И.Евстигнеев, А.С.Ермилин.-2 е.: ил.

4. Получение отливок повышенной точности / Федорова Л.А,,

Фокин В.И., Ермилин A.C. // - В сборник тезисов докладов конференции "Прогрессивные методы получения отливок", Горький, 1983.

5. Влияние обогрева прибылей на плотность стальных отливок / Рыжиков A.A., Варламов А.И., Ермилин A.C. // - В сборнике тезисов докладов на областной научно-технической конференции "Пути повышения качества литых заготовок в машиностроении". Горький, 1985.

6. Применение экзотермических оболочек для обогрева прибылей крупных стальных отливок / Зуй Ю.В., Варламов А.И., Ермилин A.C. // - В сборнике "Восьмая научная конференция молодых учетах Волго-Вятского региона", Горький, 1988.

7. Расчет параметров процесса изготовления отливок из чугуна модифицированием в форме / Героцкий B.A., Ермилин A.C., Садовский Е.А. // - Ред. ис. "Литейное производство", - М.:

1988. - 6 с. Библиограф. - Рус. - Дзп. во ВНИИТЭМР » 338 - Ж 88.

8. Литые прокатные валки с электрошлаковым обогревом./ Чер-нызов Е.А., Ермилин A.C. // - В сборнике тезисов докладов регионального научно-технического совещания "Повышение эффективности литейного производства", Омск, 1989.

9. Приемы получения плотных отливок без конусности питания / Фокин В.Й., Орлова Л.А., Ермилин A.C., Варламов А.И. //-

- В сборнике тезисов докладов межреспубликанской конференции "Современные технологические процессы получения высококачественных изделий методом литья и порошковой металлургии", Чебоксары,

1989. .

10. Продувка сжатым воздухом - универсальный способ обработки жкдкого чугуна / Героцкий В.А., Ермилин A.C., Садовский Е.А.//-

- В сборнике тезисов докладов советско-чехословацкой конференции "Дслйф-осфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна", Липецк, 1989.

11. Перспективные технологии производства валков трубоэлект-росварочных станов / Фокин В.И., Черншов Е.А., Ермилин A.C., Варламов А.И. // - В сборнике тезисов докладов научно-технической конференции "Современные направления повышения качества литых заготовок при литье в песчаные формы", Москва, 19Э0.

12. Влияние внешних воздействий на формирование стальных отливок / Фоккн В.И., Ермилин &.С., Черныаов Е.А. // - В сбор-

нике тезисов докладов научно-технической-конференции "Применение внешних воздействий при затвердевании-слитков и отливок", Н.Новгород, 1990.

13. Влияние условий заливки и кристаллизации на свойства отливок / Фокин В.И., Варламов А.И., Орлова Л.А., Ермилин A.C., Чернышов Е.А. // - В сборнике тезисов докладов XI -Всосопзной конференции по проблемам слитка" Проблемы разливки модифицирования и кристаллизации стали и сплавов", Волгоград, 1990.

14. Снижение трудоемкости изготовления валков трубоэлектро-сварочных станов. / Фокин В.И., Черидаов S.A., Ермилин A.C., Черншоз Е.А. // - В сборнике тезисов докладов Л Республиканской научно-технической конференции "Пути повшения- качества и экономичности литейных процессов", Одесса, 1990.

15. Условия эффективного модифицирования высокопрочного чугуна / Героцкий В.А., Ермилин A.C., Зокин З.И., Садовский Е.А.

В сборнике тезисов докладов Всесоюзной конференции лйтейгдосов "Проблемы повышения качества литейных сплавов", Ростов-на-Дону, 1990.

16. Влияние теплоизоляции и обогрева прибылей на свойства стальных отливок. / Орлова Л.А., Варламов А.И., Ермилин A.C., Зуй C.B. // - В межвузовском сборнике "Управление строением отливок и слитков". Горький, ГПИ, 1989.

17. Повышение эффективности процессов ыодифииярования чугуна / Героцкий В.А., Ермилин A.C. // — В сборнике тезисов докладов областной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-металлургичоскоы производстве", Н.Новгород, 1991.

18. Получение высокопрочного чугуна на база расплава ковкого чугуна / Ермилин A.C., Героцкий В.А. - В сборнике тезисов докладов областной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-металлургичес-ком производстве", Н.Новгород, 1991.

19. Влияние внепечной обработки на повышение химической однородности стали Х12МЛ. / Ермилин A.C., Фокин В.И., Черннлов S.A., Варламов А.И. // - В сборнике тезисов докладов Второй всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении", Волгоград, 1991.

20. СоЕ!еп-:»знствова!ме технологии изготовления трубоэлектрс-

сварочных станов / Фокин В.И., Черныпгов Е.А., Ертлин А.С.

Подписано к печати 20.05.94. Сю púa т 60х841/1б. Буиага газегнш Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тирах 100 экз. Заказ 61. Бесплатно.

Лаборатория офсетной печати полиграфической базы НГТУ. 603022, Н.Новгород, пр. Гагарина, I.