автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологического процесса производства станочных отливок на основе ваграночной плавки чугуна на унифицированной единой шихте

П Ч ^ С»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

УДК 621.745.55:669.131.6.

ИЗЪЮРОВ Анатолий Леонидович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СТАНОЧНЫХ ОТЛИВОК НА ОСНОВЕ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ ЧУГУНА НА УНИФИЦИРОВАННОЙ ЕДИНОЙ ШИХТЕ

Специальность 05.16.04. — Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

Работа выполнена па Московском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени чугунолитейном заводе «Станколит» и на кафедре технологии литейных процессов Московского ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов.

Научный р у ко в о д и т е л ь: кандидат технических наук, доцент Э. Б. ТЕН

Научный консультант: кандидат технических наук Э. X. ТУХИН Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КОГАН Л. Б., кандидат технических наук БЕСПАЛОВ Н. С.

Ведущее предприятие: Каширский завод «Центролит»

Защита состоится « *■> » V 1990 г. в часов не заседании специализированного совета К-053.08.01 по присуждению ученых степеней в области металлургии черные металлов при Московском институте стали и сплавов пс адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « X » а 1990 г.

Справки по телефону: 237-84-45.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических паук,

доценг " И. Ф. КУРУНОЕ

-С V-",

\ з

0ЫШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.' Улучшение ка<;зства литого металла, ста билизация механических и эксплуатационных свойств отливок дол-1 гно обеспечиваться комплексом мероприятий по совершенствованию типажа плавильного оборудования и технологии плавки. Повышение эффективности использования плавильного оборудования может быть ■ достигнуто путем унификации технологических вариантов получения чугуна, особенно при использовании для этого единбй'шихты.

Однако при этом возникает проблема обеспечения комплекса требуемых литейных и служебных свойств чугуна в" условиях производства отливок широкой номенклатуры. Эта проблема актуальна для многих .литейных заводов в станкостроении, производящих одновременно крупные тяжелне отливки для базових деталей станков, к которым предъявляются высокие эксплуатационные требования, а также средние и мелкие тонкостенные отливки. _

Одним из вариантов решения рассматриваемой проблемы является сочетание высокоэффективного технологического процесса ваграночной плавки Чугуна с различными методами его внвпечной обработки. Особенно благоприятные условия для этогЬ создается при плавке чугуна в металлургической вагранке, которая, в отличие от типовых, имеет более широкие возможности по использованию, низкосортной пихты для выплавки качественного чугуна.

Цель работы - разработка и внедрение технологических вариантов получения чугуна для широкой номенклатуры отливок на основе выплавки его в металлургической вагранке иа унифицированной оди-• ной шихте о последующей внепечной обработкой расплава, оптимизация химического состава базового чугуна и определение компонентного состава единой шихты для его ваграночной плавки, исследование процессов внэпечной обработки базового чугуна в, овязи- о необ-

ходимостью обеспечения требуемого уровня его литейных и эксплуатационных свойств при производстве станочного литья. [' Научная новизна работы. Разработана комплексная система металлургического обеспечения технологии производства чугунных отливок широкой номенклатуры, вышчающая плавку чугуна в высокопроизводительном ваграночном комплексе в наиболее аффективном f режше и совокупность технологических вариантов внепечной обработки р&сплава, сбеспечиваащих возможность доводки литейных и эксплуатационных свойств чугуна до требуемого уровня. На основе .^явленных количественных связей химического состава, структуры свойств чугуна от расхода компонентов шихты оптимизирован химический состав базового расляава и определен компонентный состав единой шихты для выплави его в металлургической вагранке.

: Установлены количественные характеристики кинетики усвоения гадким чугуном куокового модификатора при различных размерах его частиц и температурах заливки в условиях внутрифоркенного графи-тгиирующего модифицирования базового расплава. Разработаны физическая модель этого процесса и математическая модель, описывав-•. щая кинетику усвоения кускового ферросилиция жидким чугуном.,

- Исс^едованц и определены /ровни эксплуатационных свойств ва-• риантов чугуНов,•полученных из цазового расплава путем его ковшового легирования комплексами марганец + хром или молибден + ни. кель, дополнительного расплавления в нем стального лома в индукционной печи (активным дуплекс-процессом).

Прагтичезкая ценнссть работы, разработан комплекс технологических процессов' плавки, и анегвчной обработки чугуна, обеспечивающий получение i^s одного базового расплава всей номенклатуры станочного лмья массой от 0,5 до 5000 кг и толщиной стенок от 8 до ' 100 мм. Комплекс включает: : ■■ технологический процесс выплавки в металлургической вагран-

ке в режиме использования унифицированной единой шихта 'азового расплава чугуна.для всея номенклатуры отливок;

- технологический процесс дополнительного ковшового'- и внутри-форменного графнхизирующего модифицирования базового чугуна кусковым ферросилицием при производстве особо мелких и мелких тонкостенных отливок Смасса 0,5-100 кг, толщина стенок 8-10 мм);

- технологический процесс получения чугуна путем-ковшового легирования базового расплава марганцем и хромом или молибденом и никелем для производства тяжелого станочного лить/Г Смасса 5002500 кг, приведенная толщина рабочих сечений до' 25 мм);

- технологии выплавки чугуна "ак1.<Еным" дуплекс-процессом (вагранка-ГО) путем дополнительного растворения в базовом расплаве 15-20$ стального лома для производства особо тяжелого станочного литья (мЕсса 1000-5000 кг, приведенная толщина рабочих сечений более 25 мм).

Разработанная комплекс технологических процессов получения чугуна на единой шихте внедрен на Московском чугунолитейном заводе "Станколит". Это позволило сократить и упорядочить грузопотоки шихтовых материалов, наладить единый технологический поток их подготовки и подачи к плавильному агрегату, исключить- переь-лхтоа-ки.при плавке и повысить стабильность работы вагранки, сократить потери от брака отливок по несоответствию структуры и свойств чугуна. Кроме того, выплавка чугуна на единой шихте о последующей внепечной обработкой существенно упрощает планирование работы формовочно-заливочного участка и сокращает производственные достой за счет возможности гибкого использования расплава чугуна ■ для заливки форм различного назначения. Экономический эффект только от снижения расхода ферросплавов, домеш. -го чугуна и сокр 10-ния потерь от слив-ов некондиционного металла составляет 60 тис, руб. в год.

б

Апробация работы. Основние результаты выполненной работы доложено и обсуждены на У1 Всесоюзной конференции "Новые высокопроизводительные технологические процессы, машины и оборудование в литекном производстве" (Одесса, 198Э)и на региональном на-учно-техничэском семинаре "Современное оборудование и технология плавки, внепечной обработки и заливки чугуна" (Пенза, 1985).

Публикации. По результатам выполненных ..ссладований опубликованы 4 статьи и 2 тезиса докладов, получены 2 авторских свидетельства (на конструкцию технологической пробы для контроля эффективности внутриформзннога модифицирования и способ обработки расплава в литейной форме о использованием плакированных модификаторов).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, нести глав, за ключения, списка литературы из источников и приложения.

Работа изложена на стр. машинописного текста и иллюстрирована ЪЪ рисунками и 26 таблицами.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

2.1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

На основе 'анализа литературных данных установлена тенденция развития металлургического обеспечения литейного производства в станкостроении и других отраслях машиностроения в направлении уи> фикации шхты и вариантов получения чугуна для различных отливок. Основными -причинами, препятствующими дальнейшему развитию этого процесса являются трудностй обеспечения различного комплекса эксплуатационных и литейных свойств чугуна при производстве отяиво> широкой номенклатуры. Зта проблема до настоящего времени не реие-на..Вместо с тем предпосылки для этого имеятся.

Прежде всего, это большие возможности для внепечной обработки

?

• г

чугуна, обусловленные высокой температурой расплава при плавке в металлургической вагранке и получение его с повыиешшм' содер-'' жанием углерода, что способствует улучшения литейных свойств чугуна. Кроме того, это эффективное использование методов внепеч* ной обработки расплава, в частности ковшового легирования и модифицирования, внутркформешого модифицирования чугуна и др.

Отдельные аспекты ваграночной плавки чугуна и методов его вне-печной обработки рассматривались ранее. Однако в плане решения-проблемы полной унификация шихты при производстве'всей номенклатуры станочного литья, вопроси плавки чугуна в металлургической вагранке, графитизирукщего внутрифирменного йодифици.рования расплава, упрочняющей обработки его в ковпа или дуплекс-процессом не рассмотрены или рассмотрена недостаточно полно»

В связи с изложенным в работе ставили следувдие задачи:

- исследование особенностей технологии получения чугуна в металлургической вагранке, изучение его литейных и эксплуатационных свойств, оптимизация на этой основе химического состава базового чугуна и определение компонентного состава единой иихты для его выплавки;

- исследование влияния упрочняющей обработки чугуна (ковшового легирования базового расплава, растворения в нем стального лома.) на его эксплуатационные свойства и- разработка технологии обработки базового расплава, обеспечивающей уровень эксплуатационных свойств, который предъявляется к чугунам при производство тяже-лих и особо тяжелых станочных отливок;

- разработка методики и исследование процесса внутриформэнно-го графитизирующего модифицирования чугуна. Разработка технологии внутриформенного модифицирования базового расплава- ферросилицием, обеспечивающей уровень литейных свойств чугуна, который требуется при производстве мелкого и особо мелкого станочнрго литья;

- внедрение разработанных технологических вариантов получения чугуна на единой шихте при производстве широкой номенклатуры станочного литья, вклвчашцей отливки массой 0,5 - 5000 кг с толчиной отенох от в до 100 мм.

2.2. Методика проведения исследований

Объектом исследования являлись технологические пробы и отливки-представители различных весовых групп. Для исследования свой-отв чугуна получали поплавочные и периодичезки заливаемые технологические пробы. Поплавочные технологические пробы заливали во .'всех экспериментальных и олытно-промывленных плавках, периодически заливаемые специальные пробы - при исследовании отдельных свойств'чугуна и кинетики внутриформен.шго модифицирования.

Поплавочными являлись технологические пробы: на отбеливаемо-сть, для механических испытаний при растяжении и для химического йналиэа.

Для имитации скоростей охлаждения, наблюдаемых в массивных частях базовых деталей станков (направляющих) заливали две специальные пробы в виде параллелепипедов с размерами; №1 - 250 х ^112x100 nm, К2 - 250x100x65 мм. При ьтом проба И и JiS имитировали скорости охлаждения сечений отливок с приведенными толщинами соответственно S. * 27 мм и R. = 17 мм.

Для определения склонности чугуна к короблению от релаксации • остаточных напряжений заливали специальные пробы по методике ЭНИ4С.

Микроструктуру чугуга исследовали на оптических микроскопах МШ-8- Основные параметры микроструктуры чугуна определяли по ГОСТ 34«-', 7.

Жкдкотекучесть определяли по спиральной пробе в соответствии с ГОСТ 16438-. О, объемную усадку - по пробе ЭШМС.

Для доследования квдетики усвоения модификатора при внутри$ор-меннон модифицировании была разработана специальная технологичо-' екая проба о шестью последовательно заливаемыми полостями, позволяющая определять твердооть, структуру и оклонность чугуна к отделу в завиоимовти от вводимых добавок и времени протекания процесса внутрифирменного модифицирования.

Отливки-предотавиЪвли, выбранные для исследований," приведены в таблице.

Таблица

\ Отливки-поедотавители *

!' Характеристику Группа!__литья

литья

¡масса¡мин. !призе

тол-

денная

!отли-!щина ¡Толки-

!вок, !стэ- !на на-.

! !нок, ¡правя.!

! кг ! мм 1К, мм !

Наименование ■

отливки-предотавйтеля

Параметры ! При га

отливки

денная

"Ттолщи-!маоса¡толщина!на на! ! отенок,! правля-! ! ! ицих В,

I

кг

I

мм '

мм

Оообо мелкое 5-30 8 «ю корцу о редуктора б 8-12 -

Мелкое 10-100 10 <15 • оулпорт токарно-винтореэного отанка 16к20 35 ■ 12-30 ' 15

Среднее 00-ЯОО 420 каретка отанка >1бк20 155 Р1-60 19 '

Тяжелое 500' 2500 .16 <25 отанина отанка 16x20 815 ■16-80 24

Оообо 1000-тяжелог 5000 20 >25 салазки коорди-натно->раоточного отанка 1050 . 20-100 30

Чугун выплавляли в коксогазовых вагранках производительность» 10 и 15 т/час и в ваграночном комплексе металлургического типа Производительностью 25 т/час. При проведении плавок дуплекс-процессом использовали' индукционные печи ИЧГ - 2,5 и -ИЧГ - 10. Оо-новнув часть этих 'плавок проводили в "активном" режиме, т.е. с добавлением в тигель пэчи твердой металлозавалки,(стального лома).

■io

. Химический состав чугуна экспериментальных плавок колебался в пределах: по углероду 2,7-3,5$, по кремнию 1,4-2,5$, по марганцу • 0,fr-I,6¡», по хрому 0,1-0,5/2, по никелю 0,05-1,40$, по молибдену ОуО,1%. Содержание'серы и фосфора во всех случаях было не более 0,122.

2.3» Исследование особенностей плавки чугуна в металлургической вагранке и оптчмизация состава единой шихты для выплави базового чу^на

^ Задачу оптимизации химического состава базового чугуна решали применительно к номенклатуре станочного литья завода "Станколит", которая вклпчает более двух тысяч наименований отливок массой от ' 0,5 до.5000 кг с толииной стенок ог 8 до 100 мм. По механическим

свойствам чугун для отливок должен соответствовать маркам С42О, ' С425 и СЧЗО по ГОСТ 1412-85. Кроме того, к некоторым видам станочного литья предъявляются специфические требования, обусловленные условиями их олужбы. Так, к отливкам, имеющим поверхности трения (направляющие),- предъявляются дополнительные требования по > микроструктуре И твердости. Для обеспечения требуемого уровня свойств в направлявших с различной приведенной толщиной Е. необходимо использование различных марок чугуна и технологических вариантов их получения. Типовой технологический процесс производства воей номенклатуры станочного литья включает 12 вариантов выплавки чугуна в вагранках, что свидетельствует о низком уровне его унифи-" кации. проведенные ранее на заводе исследования и разработки, направленные на совершенствование плавильных агрегатов, интенсификации 'ваграночной шавки, внедрение методов внепечной обработки (ковшового легирования и модифицирования) позволили добиться дальнейшей унификации технологических вариантов получения отливок и сократить до 5 количество технологических потоков по группам литья и

н . , • .

соответственно базовых шихт для выплавки чугуна (ом. таблицу). Наличие большого количества базовых шихт вынуждает веоти плавки с перешихтовками по ходу плавки. Это приводит к нарушении стабильности хода плавки и Химического состава выплавляемого чугуна,' повышению дефектности отливок при переходе о одного варианта ших- ■ ты на другой. Кроме того, наличие нескольких вариантов базовых шихт усложняет грузопоток шихтовых материалов и организацию работы шихтового участка.

С этой точки зрения наилучиим вариантом технологического процесса получения чугуна является максимальная его унификация вплоть до выплавки его на единой шихте. Для -реализации этой возможности имеюгоя объективные предпосылки. Они обусловлены особенностями процесса плавки чугуна в вагранках металлургического типа и развитием методов внепечной обработки расплава.

Вагранки металлургического типа отличаются повышенным темпера- -турным режимом плавки и высокой степенью науглероживания шхты. В работе изучали влияние расхода кокса, высоты горна вагранки, температуры дутьевого воздуха и состава шихтн на пригар.углерода.

Расход кокса изменяли в пределах от 14 до от металлозавал-гси. Полученное уравнение регрессии для -зависимости пригара углвг-рода от расхода кокса имеет вид:

аС = 0,163. К - 1,39 , , где аС - пригар углерода, % масс;

К - расход кокса, % от массы металлоэявалки. Температуру дутьевого воздуха изменяли в пределах 'от 280 до 520 °G. Средний прирост пригара углерода на 100 °С увеличение температуры дутья, составляет 0,1$ пасс. При этом инкубационный период, т.е. время, через которое наблюдается изменение химического состава чугуна после изменония температуры вдуваемого воздуха, в среднем составляет 20 мин.

Влияние состава шихты на пригар углерода изучали путем изменения содержания стального лома в ыихте от 25 до ЧЬ% и чушкового чугуна от Ю до 30$. На основе экспериментальных данных получено соотношение между пригаром углерода и его содержанием в шихте:

вС = -0,8 Сщ + 2,85 , . (2)

где Сш - содержание углерода в шихте, $ масс.

При плавке в типовой вагранке получено несколько иное соотношение:

лС = - 0,4 С_ + 1,77. Сз)

? •

> Более высокая науглероживающая способность металлургической вагранки позволяет использовать в шихте относительно большее ко-личество'стального лома, что обеспечивает повышение как эксплуатационных характеристик чугуна (за счет большого количества стали в шихте); так и его лигейно-технологических свойств (за счет высокого содержания углерода). Однако, при введении в шихту 40% и более стального лома выплавоенный чугун имеет уровень яидкоте-кучести, недостаточный для получения мелких отливок с толщиной стенок 8-12 мм.

В связи с этим дальнейшие исследования проводили на плавках с содержанием стального лома в шихте не более 35$.

При исследовании эксплуатационных характеристик чугуна определяли механические свойства (предел прочности при растяжении), твердость в образцах и на рабочих поверхностях отливок, а также параметры микроструктуры (длина графитовых включений, количество и дисперсность перлита).

.Исследование проводили по трем вариантам базового чугуна, выплавленного на шихте, содержащей 25, 30 и 35? стального лома.

Цэ результатам 98 плавок получено уравнение множественной регрессии, связьшаюцее прочность базового чугуна с его химическим

'

оосиво'.г: •

сг(, , = 53,5 б.э с - г,г$1 + о,5 км (ч) *

Аналогичное уравнение по результата» 100 плавок был'о получено д^д чугуна, выплавленного б типовых коксо-газовых вагранках'-по существующей технологии и модифицированного в ковше 0,5-0,7$ ферросилиция $С75: Vв,* = 75,6 ~ 12,1 С " + 1,9 Мл' • " '

Сравнительная оценка уравнений (4) и С5) показывает, что прочность чугуна, выплавленного в металлургической вагранке, в меньшей степени зависит от содержания в нем "углерода, кремния и марганца. Более существенное влияние на нее оказывает содержание доли стального лома в шихте. Увеличение ее на 5% приводит к приросту прочности в среднем на 10-15 "Па. При этом химический состав чугуна во всех трех вариантах шихтовки различается незначительно благодаря высокой степени науглероживания шихты. Однако, с увеличением доли стали в пихте возрастает количество гра-г фитовых включений в структуре чугуна, а длина их уменьшается. Дисперсность перлита при этом несколько повышается. Эти изменения в структуре чугуна обусловливают повышение его прочности. -, Определение твердости чугуна в образцах и отливка)(-представителях показало, что увеличение доли стального лома в шихте на 5$ приводит к повышению .твэрдости-в среднем'на 5- НВ, при этом вариант базового чугуна, выплавленного на пихте с. 25? стального лома не обеспечивает требуемой тв.ердости в отливках-представителях с приведенной толщиной до 20 мм. Наиболее приемлемым о точки зрения обеспечения требуемых эксплуатационных свойств является базовый чугун, выплавленный на шихте с УЬ% стального лона. Однако, исследование литейно-технологических свойств (склонность к отбелу, объемная усадка, хидкотекучесть) показали, что увеличение стали в шихте до 35$ приводит к их существенному ухуд-

. 1Ч шеиив, особенно это касается склонности к отбелу и объемной усадки.

• Таким образом, наиболее оптимальным по литейным и эксплуатационным свойствам является базовый чугун состава по массе): 3,25-3,45 С, 1,7-2,0$;, 0,8-1,1 Мп-, выплавленный на шихте, содержащей ЗСЙ стального лома. Для определения области использова-? ния базового чугуна и возможности перехода на единую шихту провели сравнительное исследование свойств базового чугуна и двух чугуйов, выгдавляемых по существующей технологии. Первый из них (^чугун А), выплавленный из шихты с 25$ стального лома и модифи-Цированный'в коале 0,5-0,1% ферросилиция 4С75. соответствует марке,СЧ25. Второй чугун СБ) выплавляет из шихты с 5-8$ стального лома. По свойствам он соответствует марке СЧ20. Чугун А используют для изготовления базовых деталей станков (станина 16к20), чугун Б - для изготовления мелких'отливок о толщиной стенок 810 мм. Сравнительное исследование базового чугуна (чугун в) с . чугунами А и Б показало, что эксплуатационные характеристики базового чугуна В, выплавленного в металлургической вагранке, находятся на уровне требования отраслевого стандарта, что позволяет использавась его для производства отливок базовых деталей станков с приведенной толщиной направляющих не более 20 мм. Для производства отливок с боаьвими приеденными толщинами направляющих (Е>20 ми) необходимы дополнительные мероприятия по повыше- • ни» твердости и улучканис основных параметров микроструктуры.

Достаточно высокая кидко-гвкучасть базового чугуна позволяет использовать его" при производства всей номенклатуры станочного литья. Однако, повышенная склонность его к отбелу требует при производстве мелких тонкостенных отливок дополнительного графи-.тизирувцего модифицирования, а повышенная склонность к усадке -дополнительных мероприятий по удучшшю питания термических у и-

лов отливок.

-С5

2.4. Разработка технологии получения чугуна с повышенными эксплуатационными свойствами

Повышенные эксплуатационные свойства чугуна в сравнении с базовым необходимы при производстве отливок, относящихся к кла-су тяжелых и особо тяжелых (£>20 мм). .

В связи с этим изучали возможность повышения прочности и твердости бгзового чугуна до требуемого уровня путем ковшового легирования и проведения дуплекс-плавки в активном режиме.

При ковшовой обработке базового чугуна использова'ли два легирующих комплекса: марганец-хром и молибден-никель. Эксперименты проводили на базовом чугуне, выплавленном на шихте с ЗС£ стального лома и имевшем следующий химический состав, % масс.: 3,25-3,45 С; I,7~2,0St; 0.8-1,1 Mut 0,1-0,2 Ct. Ковшовое легирование чугуна марганцем (до 1,5$) и хромом (до повышает-его прочнооть на 20-30 МПа, а легирование молибденом (до 0,€¡5%) и никелем (до 1,35$) - на 60-80 МПа. Твердость чугуна При. этом повышается практически одинаково в обоих вариантах легирования и позволяет обеспечить необходимый уровень (не менео *I70 HB) в сечениях с приведенной толщиной до 25 мм.

Таким образом, ковшовое легирование базового Чугуна позволяет значительно расширить номенклатуру отливок, полученных о'использованием расплава, выплавленного на единой шихте. Обработка комплексом марганец-хром, не изменяя марки чугуна (СЧ25), позволяет получать тяжелые отливки с Твердость», удовлетворяющей

требованиям отраслевого стандарта, в направлявших о привэден-*

ной толщиной до 25 мм.

Обработка комплексом молибден-никель повышав* прочность чугуна до уровня марки СЧЗО и позволяет пэлучать-отлиЕКИ,. пред-

назначенные для деталей гидроаппаратуры, работающих при давлениях до 50 МПа. г

Однако, залквка форм для отливок с приведенными тощинами на-правлялщих свыше 25 мм чугуном, обработанным как марганцем с хромом, так и молибденом с никелем не позволяет получить в на-правлякщих'особо тяжелых станочных отливок твердость не менее 170 НВ.

Для повышения твердости,чугуна в таких сечениях проводили экспериментальные плавки дуплекс-процессом "Вагранка^ИЧТ" о введением л тигель электропечи стального лома в количестве 10-20% от 'массы плавки. Полученный расплав в разливочном ковше модифицировали ферросилицием ФС75 в количестве 0,2-1,С$.

в увеличением количества вводимого стального лома в интервале изменения углеродного влшвалента с 4,0 до 3,5? прочностные свойства чугуна возрастают. Дальнейшее увеличение количества вводимого лома приводит к некоторому снижений прочности немодифицк-рованного чугуна. Для него получен характерный максимум прочностных свойств при'углеродном эквиваленте 3,5%, что соответствует введению 15% 'стального лома, Модифицирование чугуна позволяет обеспечить рост прочностных характеристик при дальнейшем увеличении количества вводимого лома.

¡]ри введении 20$ стального лома немодифицированпый чугун, полученный дуплэко-процс-осом, имеет прочностные характеристики на уровне С430. При модифицировании того ке чугуна ферросилицием показатели прочности превышает уровень марки СЧ35.

Исследование влияния расхода модификатора на изменение свойств чугуна показало, что наибольший прирост прочности достигается при расходе ФС75 в количестве 0,4-0,6$ от массы расплава в ковше. Добавки в количестве 0,2$ недостаточно для полного модифицирования расплаза в кавша, а при увеличении добавки ферроси-

лиция сверх 0,6 % прирост прочности чугуна уменьшается, т.к. начинает сказываться влияние возрастающего количества мемния, введенного с ферросилицием и увеличивающего углеродный эквивалент чугуна. Однако, при у величении количества введенного стального лома разница в действии 0,4-0,8% ферросилиция ФС75 не так заметна. Так, при введенич 10% стального лома с увеличением добавки ферросилиция ат 0,4 до 0,0? прирост прочности уменьшается на 40 МПа.

При введении 20% стального лона аналогичное снижеьив прироста прочности составляет только 20 МПа, т.е. в области низких углеродных эквивалентов (СЕ<3,5$) прочностное свойства чугуна менее чувствительны к повышенному расходу модификатора.

Исследование твердости чугуна в сечениях с приведенной толщиной 7,5 , 17, 25, и 30 мм показало, что твердость непрерывно увеличивается по мере увеличения количества введенного стального лома и снижения углеродного эквивалента. Яри этом твердость немо-дифицироваккого чугуна возрастает более интенсивно, чем у модифицированного, особенно в тонких сечениях.

При модифицировании чугуна ферросилицием по мере увеличения его расхода твердость чугуиа непрерывно снижается. Такое изменение твердости чугуна благоприятно для тонких стенок отливок о точки зрения улучшения их обрабатываемости. В то ле время оно затрудняет получение высокой твердости в массивных сечениях направляющих с приведенной толщиной 25-30 мм.

Для всего диапазона величин углеродного эквивалента оптимальной является добавка 0,1-0,6? модификатора 3075, которая обеспечивает твердость в тонких сечениях (Н.>7,5 мм) не более 260 НВ <* одновременным высоким уровнем твердости в массивных Управляющих (а >25.мм).

В отличие от прочности твердость чугуна при СЕ<3,5# оолее

и

* чувствительна к повышенному расходу ферросилиция и при увеличении его добавки до 0,8$ твердость в массивных направляющих > 25 мм) снижается в среднем на 12 НВ по сравнения с добавкой <М£#С75.

Исследование микроструктуры чугуна показало, что во всех сечениях отливок из немодифицироваиного чугуна о величиной.СЕ < '},5% появляется междендритный графит. Модифицирование такого . чугуна $С75 ликвидирует ыеждендритный графит в структуре, что по вышает прочность в тонких' сечениях (Е. = 7;5 мм) и улучшает износостойкость в массивных. Однако, повышенный расход модификатора, значительно увеличивая степень гранитизации чугуна, приводит к.

I увеличении площади, занятой графитом, что снижает твердость и, соответственно, износостойкость чугуна в массивных направляющих.

Таким образом, выполненные исследования показали возможность стабильного получения необходимого уровня твердости (КВ>180) в массивных направляющих особо тяжелых отливок СЬ> 25 мм) и одновременно высокой прочности и удовлетворительной обрабатываемости й тонких сечениях. Это достигается путем получения чугуна активным дуплекс-процессом, который закличается во введении в базовый расплав ваграночной плавки, полученного на единой шихте и залитого в тигель электропечи, -оталького лома в количестве 15-20? ' от массы плавки.ц последующем кодифицировании в ковше ферросили-даем$С75 в количестве 0,4-0,6? от мессы расплава. !

/*. 2.5. Исследование процесса и разработка технологии внутрифор-менного графитизируюиего модифицирования чугуна.

В связи с повышенной склокностьо базового чугуна к отбелу изу-■ чали возможность исключения его при проиг здстве мелких тонкостенных отливок путем дополнительной графитизирувцей обработки расплава внутриформенныц модифицированием. .

При разработке физической подели приняли, что процесс уово- ' ения кускового модификатора (ферросилиция $СГ?5) является многостадийным. Он включает следующие стадии: первая - начальный прогрев модификатора, сопровождающийся намораживанием корочки чугуна и ростом ее толщины до максимального значения; вторая -продолжение прогрева модификатора при одновременном оплавлении намороженной корочки до полного ее исчезновения; третья - прогрев модификатора до начала оплавления поверхностного слоя; чет- , вертая - поверхностное, оплавление кускового модификатора и пятая - смыв оплавленного олоя движущимся потоком расплава и смешивание модификатора с чугуном. Поток жидкого чугуна, омывающий модификатор, обеспечивает быстрый омыв его поверхностного олоя по мере оплавления, а смешение жидкого модификатора о чугуном интенсифицируется вследствие турбуяизации потока в литниковых каналах.

Таким образом, наиболее медленными являются первые четыре стадии, связанные с прогревом и оплавлением модификатора они лимитируют процесс усвоения ферросилиция чугуном. Поэтому в осно- . ву математической модели положили тепловое взаимодействие кускового модификатора с чугуном. При этом рассматривали куски ферросилиция как сферические частицы, прогрев и расплаваение которых происходит равномерно со всех сторон.

Прогрев частиц модификатора рассчитывали путем решения урав~. нения теплопроводности Фурье, заданного в оферических координатах:

э Т = а /Э2Т V г Э Т м

При принятии условий исходили из того, что тепловой поток от Жидкого чугуна к кусковому модификатору лимитируется в начальный Момент приграничным слоем заторможенного и захоложенного расплава, а на первой и второй стадиях - слоем намороженной твердом кор-

ки на поверхности модификатора. Теплоотдача через твердую корку осуществляется теплопроводностью, а от потока жидкого чугуна к поверхности омываемой частицы - за счет конвективного теплообмена.

Уравнение (б) с соответствующими начальными и граничными условиями редалк численно методом сеток. Значение коэффициента, теплоотдачи рассчитывали по критерию Нуссельта, а поеледний-как функцию от критериев Прандтля и Репнольдса.

' Разработанная модель реализована на ЭВМ "Искра-226" на языке "Бейсик".

Расчетные данные получек виде текущих значений продолжительности СО усвоения модификатора, радиуса {.&) куска модификатора и массовой скорости уезоенкя (5) для различных температур-заливки и начальных радиусов кусков модификатора. Их затем испольэовайи для расчета текущих значений скорости усвоения, приведенной к одинаковому массовому расходу модификатора. Полученные результаты позволяют прогнозировать общую продолжительность и характер протекания процесса усвоения модификатора жидким чугуном для различных начальных условия.

Экспериментальное исследование кинетики усвоения модификатора жидким чугуном проводили с использованием специальной технологической пробы. Металлоемкость пробк 30 кг, время заполнения всех еэ шести полостей 18 с. Исследовали влияние температуры заливки и размеров кусков модификатора на эффективность внутриформенного модифицирования. Критерием эффективности считали равномерность усвоения модификатора в течение всего периода заливки. Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. Наиболее равномерный характер усвоения получен при температуре заливки 1300°С с использованием модификатора с размерами кусков 12-16 мм. реальные температуры заливки чугуна не' соответствуют оптимальным и

составляют 1330-1300 °С. ¿¡то позволяет устранить повышенную дефектность отливок по недоливам, спаям и газовым раковинам, но при этом ухудшается равномерность усвоения модификатора.

Проверка- эффективности внутриюорменного модифицирования при таких температурах заливки путем изготовления реальных отливок в действуете« производстве показала полное отсутствие отбела в отливках, а разброс по твердости укладывается в допустимый интервал 170-240 НВ по ОСТ 2МТ21-2-83.

Влитие плакирования чаотиц модификатор» на равномерность модифицирования чугуна

I - модификатор без плакирования; 2 - частицы модификатора плакированы С', 3 - чаотицы плакированы графитом; 4 - омеоь неплакированных (50$) к плакированных графитом (50$) чаотиц модификатора.

Однако, внедрение в последнее время автоматизированных обрабатывающих центров на заводах-заказчиках требует получения отливок о меньшим разбросом по твердости.

Для повышения равномерности процесса усвоения модификатора на основании анализа расчетных данных были проведены экспериментальные шавки с использованием модификатора, чаотицы которого покры-,ты эаиитной оболочкой, ооотокщэй из огнеупорного наполнителя (графит, карбид кремния) и связующего (жидкое отекло). Равномерность уовоенич модификатора повышается, если в реакционную камеру помэ-

номер полости пробы

Рис. 3

гг

* буить модификатор, определенная часть гранул которого плакирована защитной оболочкой (рис. I). В начальная период заливки ол-' лавлявтся и переходят в зкидкий чугун гранулы без оболочки, а затем, .через определенное время, разрушается защитная оболочка на плакированных гранулах, последние оплавляются и переходят в чугун в заключительном периоде заливки формы. • Использование разработанного способа внутриформеннного модифицирования при изготовлении опытных отливок позволило сузить интервал разброса по твердости в среднем ш 20 НВ.

2.6, Внедрение результатов исследования в производство

Результаты выполненных исследований внедрены на Московском чугунолитейном заводе "Станаолит" в условиях производства отаноч-ного литья массой от 0,5 до 5000 кг и толщиной стенок от 8 до 100,мм. Общая технологическая схема получения чугуна на единой шихт^*представлена-на рис. 2. '

• Плавку базового чугуна осуществляй в металлургической вагранке производительность«) 25 т/час. Масса металлической завалки (включая ферросплавы) составляет 3,5 т. В рабочу» завалку вводят

(490 кг) кокса (при нормальной влахнооти 2-4*), 3% (105 кг) известняка и 0,2# (7 кг) гравия. При расчете шихты принимают угар кремния и марганца равным'15^ и пригар углерода. - 40$. Шихта состоит из стального лома (30-35/0, доменного чугуна (20-25$), возврата и чугунного лома (35-45$). Количество ферросплавов ферросилиция $С20 и силикомарганца СМнГ? зависит от химического состава доменного чугуна и составляет в средней к,5% ФС20 и 0,5$ СМн17.

Качество выплавляемого базового чугуна контролируют по следующим параметрам: температуре на желобе вагранки, склонности к отделу, величине у|леродного эквивалента и химическому составу.

Классификация отливок я схема их производства из чугуна, выплавлвнвого . на единой шихте

Рис. 2.

Температуру замеряют о помощью оптическою пирометра с записью сигнала вторичным прибором к поддерживают в пределах ИЙО-1520 °С. Склонность к отбелу определяют по пробе о размерами 100x50x20 ни, допустимая глубина отбеленной зоны 15-20 мм. Величину углеродного эквивалента определяют термографическим методом, для базового чугуна она должна быть в пределах 3,9-^,1%. Химический состав базового чугуна определяют периодически (I раз в час) спектральным методом, он должен находиться в следующих пределах (& по кассе): углерод - 3,25-3,45; кремний - 1,7-2,0;"" марганец - 0,8-1,1.

Из базового чугуна без дополнительной обработки получают базовые детали станков массой от Ш до 600 кг, имеющие направляющие трения с приведенной толщиной 15-20 мм. Минимальная толщина стенок, при которой в отливках не образуются дефекты в виде отбеленной зоны, недоливов и спаев составляет 14 мм.

для изготовления более мелких отливок массой от 10 до 100 кг, Имеющих направляющие трения с приведенной толщиной 10-15 мм и минимальную толщину отенок 10 мм, базовый чугун подвергают ковшовому модифицированию. В качестве модификатор используют ферросилиций §075 о размерами кусков 5-20 мм. модификатор вводят на дно ковша перед его заполнением в количестве 0,3-0,1% от массы металла.

Для изготовления особо мелких отливок массой от 0,5 до 30 кг и минимальной толщиной стенок 8 мм, базовый чугун подвергают -двойному модифицированию: ковшовому (по вышеописанной технологии) и внутриформенному. Внутрифориенное модифицирование чугуна осуществляют путем введения в литниковую систему на фильтровальную сетку из стекловолокна после сборки форм дробленого ферросилиция $С75 в кусках, просеянных через сито с отверстиями диаметром 16 мм и оставшихся на сите с отверстиями диаметром 12 мы. Количест-

во модификатора составляет 0,15-0,20? от металлоемкости формы, в среднем это 20-30 г (^-б кусков). Температура .аливки форм тэ30~1380 °С.

При внедрении технологии ковшового легирования базового чугуна комплексами Мп-Сг и Цо-М£ использовали опыт завода "Станколит" и в рамках данной работы е связи с изменением состава базового чугуна откорректировали расход легирующих элементов. По этой технологии изготавливают отливки для базовых деталей станков, относящихся к классу тяжелых, а также гидроиспытуемое литье, кото- " рое используется при производстве гидроаппаратуры.

Внедрение технологии активного дуплекс-процесса осуществляли на участке электропечей ЙЧГ-Ю для производства особо тяжелых отливок. Плавку ведут таким образом, чтобы перед каждой очередной загрузкой стального лома в печи оставалось "болото" в количестве (¡а менее 30л вместимости тигля. Подогретый ста: ',ной ном в количестве 15-20$ от массы плавки загрукаит в тигель печи на> "болото", ,,осле чего доливают жидкий чугун, выплавленный т вагранке на единой шихте. После расплавления атального лома, доводят температуру расплава до 1А60 - 15 °С и выдерживают при этой температуре в течение 10 мин. При выпуске чугуна в ковш производят модифицирование ферросилицием ¥¡75 в количестве 0,4-0,6%.

Внедрение разработанной системы металлургического обеспечения технологии производства чугунных отливок позволило сократить и упорядочить грузопотоки пихтовых иатер,>йлов, наладить единый технологический поток их подготовки и подачи к плавильному агрегату, исключить переаихтовки при плаз" э и повысить стабильность работы загранки, сократить потери от брака отливок по несоответствию отруктуры и свойств чуг;- 'а. Кроме того, выплагка чугуна на единой шихте о последующей внепечной обработкой суцественно упрощает планирование работы пормовочно-заливочк-.х уч.-••Тпов и сокраг

ет произволе таенные простои за счет возможности гибкого исполь-зоьания расплава чугуна для заливки форм различного назначения. Экономический эффект только от снижения расхода ферросплавов, доменного чугуна и сокращения потерь от сливов некондиционного металла составляет 60 тыс. руб. в год.

вавода

1. На основе анализа требований к литейным, механическим и эксплуатационным свойствам чугуна для станочного литья, оценки предпосылок их обеспечения методами плавки и шепечной обработки выявлена- возможность производства всей номенклатуры отливок массой от 0,5 до 5000 кг и толщиной стенок от 8 до 100 мм из одного базового расплаъа, выплавленного в металлургической вагранке на унифицированной единой шихте.

2. Выявлены количественные связи химического состава, струк-турыви свойств чугуна от расхода компонентов шихты при плавке в металлургической вагранке. На основе полученных данных разработан оптимальный химический состав базового расплава чугуна для всей номенклатуры станочного литья и определен компонентный состав единой шихты для его ¿главки.

Выполнены сравнительные .исследования степени науглероживания шихты при плавке чугунов в типовой и металлургической вагранках, особенностей изменения их свойств от содержания в чугуне основных компонентов - углерода, кремния и марганца.

3. Установлены количественные характеристики кинетики усвоения жидкий чугуном кускового модификатора при различных размерах его чаатиц и температурах заливки в условиях внутриформенного графитизирувщего модифицирования базового расплава.

Разработана физическая модель этого процесса применительно к внутрифорыенпому' модифицировании чугуна кусковым ферросилицием,

г?

включающая этапы намораживания и оплавления затвердевшей корочки чугуна на поверхности кускового модификатора, прогрева его поверхностного слоя до температуры плавления ферросилиция, оплавления этого слоя, смыва оплавленного слоя потоком жидкого чугуна и смешиванием жидкого модификатора о расплавом чугуна.

Разработана математическая модель, описывающая кинетику усвоения кускового ферросилиция жидким чугуном, которая основана на их тепловом взаимодействии.

■ Исследовано влияние легирующих комплексов марганец +■ хром и молибден + никель на эксплуатационные свойства базового чугуна. Ковшовое легирование его марганцем (до 1,5)0 и хромом (до

позволяет при незначительном повышении прочности (на 2030 МПа), не изменяя марки чугуна (СЧ25), обеспечить твердость не менее 170 КВ в сечениях отлибок о приведенной толщиной до ?5 мм.

Ковшовая обработка базового чугуна комплексом молибден (до 0,65?) +• никель (до 1,35$) повышает прочность чугуна на 60-80 М1й (до марки С430) при твердости не менее 170 ЙВ.

5. Изучено изменение свойств чугуна при "активном" дуплекс-процессе (вагранка-ИЧТ).С увзличением. количества стального лома, вводимого в базовый расплав, непрерывному уменьшена» его угле-.родного эквивалента соответствует экстремальное изменение прочности чугуна о максимумом, отвечающим уровню СЧЗО, при 15$ отального лома и СЕ = 3,5#. Графнтизирующее модифицирование чугуна позволяет сдвинуть максимум в сторсну большего расхода стального лома (20$) и одновременно повысить показатели прочности до уровня СЧ35.

Установлен оптимальный расход модификатора ФС75 - 0,4-0,6%, при котором ооеси-'чивавтся получение необх'одимой структуры (отсутствие феррита могаендриткого графита) и сочетание умерен-

> ной твердости ^не более 260 НВ) в тонких оечения с И»7,5 мм с требуемой твердостью (не менее 100 НВ) в массивных сечениях направляющих с R = 25-30 мм.

6. Разработана комплексная система металлургического обеспечения технолога; производства чугунных отливок широкой номенклатуры, включающая плавку чугуна в высокопроизводительном ваг-Г ночном комплексе в ниболее эффективном режиме и совокупность методов ¡епечной обработки расплава, обеспечивающих возмож-'ность доводки литейных и эксплуатационных свойств чугуна до требуемого уровня. Система включает:

- технологический процесс выплавки в металлургической вагранке в режиме ч.спользования унифицированной единой шихты базового расплава чугуна для всей номенклатуры литья;

• - технологический процесс допилнительного внутр«форменного граф..шэируга!его модифицирования базового расплава чугуна кусковым ферросилицием при производстве особо мелких и мелких тонко-* .стенных отливок;

- откорректированный технологический процесс получения чугуна для производства•тяжелого станочного литья путем ковшового легироиния базового расплава марганцем и хромом ил и'молибденом и никелем;

- те юлогию выплаЕ -.и чугуна "активным" дуплекс-процессом ,ля производства особо гякелс-0 станочного литья путем дополнительного растворения в базовом расплаве 15-2СЙ стального лома.

Внедрение разработанной системы на Московском чугунолитейное заводе "Станколит" позволило: сократить и упорядочить грузопочх ки шихтовых материалов, наладить единый технологический поток ик под* -¡товки и подачи к плавильному агрегату с использованием одного комплекса оборудова ия; исключить переиихтовки при ва» граночной плавке и повысить стабильность работы вагранки; со-

кратить потери от брака литья по несоотьетствил структуры и свойств чугуна; упростить планирование работы формовочно-заяи-вочного участка и сократить проотои за очет использования единого базового расплава для всей номенклатуры литья.

Экономический аффект составил 60 тыс.руб. в год.

Основное материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тухин Э.Х., Иэъвров А.Л. Модифицирование чугуна в форме // Литейное производство. - 1902.-fö-Cj16-17.

2. Изьюров АЛ., Воронцов В.И., Тухин Э.Х.-, Клецкин Г.И., Рабинович В.Д. Внутриформениое модифицирование чугуна Ц В кн. Тезисы докладов 71 Всесоюзной конференции "Повыв высокопроизводительные технологические,процессы, машина и оборудование в литейном производстве". Кнез. 19Ö3. c,240-242.

3. Доброж&нов А.И., Рабинович В.Д., Тухин Э.Х., Изъаров А.Л.' Шавка чугуна в металлургической вагранке // Литейное производство. - 1985. - Ю. - с.20-22.

Гольцман В.Й., Мзъюров А.Л., Самсонов В.Й., Тухин Э.Х. Оценка качества чугуна, выплавляемого в металлургической вагранке» // Литвинов производство. - 1985. - WO. - с.29-30.

5. Тек З.Б., Поьазанов П.А., Изъюров А.Л. Математическое моделирование процесса внутриформенного модифицирования серого чугуна кусковым ферросилицием // В кн. Тезисы докладов научно-технической конференции "Применение 331 для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок". Ярославль. 1987. с ,83^84.

. б. Тен Э.Б., Изъюров А.Л., Воронцов В.И., Михайлов Д.П. Вну-триформеннов модифицирование серого чугуна // Литейное производство. «- 1988. - №б. - с.4-6.

7. Авторское свудетельство СССР ft 120105^» Способ обработки рпсплава в литейной форме (Изъюров А.Л., Михайлов A.M., Ту-хин Э.Х., Тен Э.Б. и др.).Опубл. Б.И. I9S5. К 48.

8. Авторское свидетельство СССР Ь 1226118. Технологическая проба (Изъюров А.Л., Тухин Э.Х., Воронцов B.il.) . Опубл. Б.И. 1966. № 15. "

U

П-Ш1Ъ £3 .fj 9е?,

fuOCKOBCKKi ШСТИТУТ стали и сшивов

Заказ Объем Л # Тирая /ОО

Типография ШЗиС, ул. Ордконихвдзе, В/9