автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование и практическое освоение внепечной продувки металлического расплава сжатым воздухом для обеспечения качества чугунных отливок

На правах рукописи

005058350

Андреев Илья Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ОСВОЕНИЕ ВНЕПЕЧНОЙ ПРОДУВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 МАЙ 2013

Нижний Новгород - 2013

005058350

Работа выполнена на кафедре «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ им. P.E. Алексеева)

Научный руководитель Леушин Игорь Олегович, д.т.н., проф.,

заведующий кафедрой «Литейно-

металлургические процессы и сплавы» НГТУ им. P.E. Алексеева

Официальные оппоненты

Сафронов Николай Николаевич - д. т. н., проф. кафедры «Машины и технология литейного производства» Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета (г. Набережные Челны)

Зиновьев Юрий Александрович - к. т. н., доц. кафедры «Технология конструкционных материалов и метрология» НГТУ им. P.E. Алексеева (г. Нижний Новгород)

Ведущая организация ОАО Нижегородский научно-исследовательский

институт машиностроительных материалов «Прометей» (г. Нижний Новгород)

Защита состоится 17 мая 2013 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д. 24, корп. 1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. P.E. Алексеева

Автореферат разослан « {6 » апреля 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

fyS»^ Ульянов В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Известно, что к основным видам обработки металлических расплавов в условиях литейного производства относят такие важные технологические процессы, как: рафинирование, модифицирование, доводка по составу и свойствам, подавление отрицательной наследственности, гомогенизацию по свойствам и температуре и др. Определяющее значение во всех перечисленных операциях имеет интенсивность перемешивания жидкого расплава, которая влияет на конечные свойства обрабатываемого металла. Из всех известных и применяемых способов перемешивания одним из наиболее эффективных является продувка газом.

Исследованиями процесса продувки металлических расплавов, применяемых для изготовления отливок, занимались как отечественные (Героцкий В.А., Доброхотов H.H., Рыжиков A.A., Сидоренко М.Ф., Филиппов С.И., Явойский В.И. и др.), так и зарубежные (О. Хайда, Д. Дж. К. Робертсон, Р.И.Л. Гугри, Дж. Г. Мередит и др.) ученые.

Однако нерешенные вопросы все же остались. Среди них - непосредственно касающиеся действующего производства, сдерживающие широкое внедрение процесса в литейных цехах промышленных предприятий:

- отсутствие надежных теоретической базы и расчетных методик параметров процесса, вынуждающее каждый раз накапливать и анализировать большие массивы экспериментальных данных;

- зависимость параметров дутья от специфики конкретной литейно-металлургической технологии, что особенно проявляется применительно к обработке расплава в ограниченных малых объемах;

- сложности выбора вариантов технических схем реализации процесса для решения различных задач обработки металлических расплавов.

Еще в 70-х гг прошлого века в г. Горьком группой ученых под руководством профессора A.A. Рыжикова был проведен целый комплекс исследований по одному из вариантов газовой продувки металлических расплавов, а именно, ковшевой (емкостью 0,8-3,0 т) продувке жидкого чугуна сжатым воздухом. Позднее этой проблемой занимались и другие представители Нижегородской школы литейщиков: Бейлинсон К.К., Ермилин A.C., Зиновьев Ю.А. и др. Настоящая работа продолжает эти исследования и направлена на решение актуальной проблемы повышения управляемости процесса продувки жидкого чугуна сжатым воздухом для обеспечения стабильности производственной технологии изготовления и качества чугунных отливок на основе совершенствования известных и разработки новых технических схем этого процесса. Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Министерства образования и науки РФ (2008-2011 гг.), а также в рамках договоров с рядом предприятий Волго-Вятского региона и была поддержана грантом ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Цель диссертации - разработка новых эффективных технических схем внепечной продувки жидкого чугуна сжатым воздухом, обеспечивающих стабильность технологии изготовления и высокое качество получаемых отливок в условиях действующего производства.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Выявление управляемых параметров продувки сжатым воздухом (ПСВ) жидкого чугуна в ограниченных малых объемах.

2. Определение критерия эффективности влияния ПСВ на полноту и качество проведения внепечной обработки расплава и, как следствие, на конечные свойства материала и качество чугунных отливок.

3. Экспериментально-теоретическое определение оптимальных параметров продувки жидкого чугуна сжатым воздухом.

4. Совершенствование технических схем продувки расплавов сжатым воздухом.

5. Выработка практических рекомендаций по выбору технической схемы ПСВ для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна.

6. Разработка и практическое освоение эффективных технологий внепечной обработки металлических расплавов с использованием ПСВ, обеспечивающих высокое и стабильное качество чугунного литья.

Объектом исследования является процесс внепечной продувки жидкого чугуна сжатым воздухом в рамках технологий изготовления фасонных отливок.

Предмет исследования - технические схемы реализации данного процесса и их влияние на качество получаемых отливок.

Методы исследования

Экспериментальные: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах Zeiss с применением цифрового фотографирования; механические испытания (универсальная разрывная машина (определение временного сопротивления на разрыв а, и относительного удлинения 5), Бринелль (твердомер ТБ 5006); ультразвуковое диагностирование (USN-52, фирма Крауткремер, Германия); физическое моделирование (установка для физического моделирования на воде ковшевой обработки металлических расплавов (КН-89).

Аналитические: оценка микроструктур с использованием компьютерной программы «Siams-photolab» (фирма Siams, Россия) в соответствии с ГОСТ 3443-89, математическая обработка результатов экспериментов в среде MS Excel.

Научная новизна работы

1. Определены управляемые параметры ПСВ металлических расплавов в ограниченных малых объемах.

2. Получено критериальное выражение для оценки эффективности обработки металлических расплавов ПСВ.

.3. Предложена классификация реагентов в металлическом расплаве, которая обеспечивает эффективные прогнозирование результатов и разработку процессов внепечной обработки.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и внедрены новые технические схемы ПСВ и практические рекомендации по их выбору для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна, позволяющие получить модифицирующий, рафинирующий и гомогенизирующий эффекты.

2. Разработана технология ковшевого науглероживания комбинированием засыпки гранул карбюризатора на зеркало металла с ПСВ, показавшая свою эффективность при выплавке синтетического чугуна в условиях литейного производства.

3. Разработана технология ковшевой обработки чугуна углеродсодержащими материалами, ввода лигатур и модификаторов с использованием ПСВ при получении отливок из высокопрочного чугуна.

4. Разработана технология поздней обработки чугунного расплава с использованием ПСВ в промежуточной емкости (литниковые чаши) при изготовлении отливок из высокопрочного чугуна. Личный вклад автора состоит в:

- постановке задач исследования;

- построении физических и математических моделей обработки металла при ПСВ;

- проведении экспериментов по определению оптимальных параметров продувки сжатым воздухом при выплавке чугунов для фасонных отливок;

- обработке и анализе полученных результатов;

- выработке практических рекомендаций по выбору технической схемы ПСВ для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна;

- организации опытно-промышленных испытаний и внедрении разработок в условиях действующего производства.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципиальная возможность применения эффективной внепечной обработки металлических расплавов с использованием ПСВ для обеспечения качества чугунных отливок.

2. Классификация реагентов в металлическом расплаве, позволяющая производить выбор режима обработки в зависимости от конечной цели.

3. Критерий эффективности воздействия ПСВ на металлический расплав.

4. Технические схемы продувки для обеспечения высокой управляемости и эффективности процессов обработки расплавов при получении чугунных отливок.

5. Практические рекомендации по выбору технической схемы ПСВ для конкретной литейно-металлургической технологии внепечной обработки чугуна.

6. Технологии внепечной обработки чугуна с использованием ПСВ, обеспечивающие высокое качество литья.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на четырех конференциях всероссийского и регионального уровней: 9-м Съезде литейщиков России (г. Уфа, 2009г.), Всероссийской молодежной научно-технической конференции Авто-НН-2009 (г. Н. Новгород, 2009г.), 14-ой Нижегородской сессии молодых ученых (г. Н. Новгород, 2009г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (г. Н. Новгород, 2010г.). Работа вошла в число победителей открытого Конкурса грантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе три в рецензируемых научных журналах, входящих в список рекомендованных ВАК Минобразования РФ. Получено два патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Текст изложен на 162 страницах компьютерного набора и содержит 32 таблицы, 35 рисунков. Список литературы состоит из 132 наименований. В приложении имеется акт промышленного внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении акцентируется внимание на практической значимости повышения эффективности внепечной обработки расплавов для обеспечения качества фасонных отливок из чугуна.

В первой главе на основе информационно-аналитического обзора установлено, что продувка газами металлических расплавов в условиях литейного производства - сложный и многофакторный процесс, сочетающий различные по природе явления (тепловые, гидродинамические, физико-химические). В отличие от большой металлургии, где объемы продуваемого расплава достигают 400 т, в литейном производстве этот объем, как правило, не превышает 10 т, что предопределяет необходимость уточнения режимов и характеристик продувки. При этом около 20 % металла машиностроительных отливок проходит обработку продувкой в жидком состоянии. Продувка сжатым воздухом жидкого чугуна оценивается исследователями как весьма перспективная, позволяющая добиться высокого качества литой структуры при рафинировании, модифицировании и других видах обработки металлических расплавов без особых дополнительных затрат со стороны предприятий. Однако при этом нерешенными остаются такие вопросы ее реализации, как выбор типа и расчет параметров технических схем применительно к конкретным литейно-металлургическим технологиям и предприятиям. Рассмотрены существующие методы исследования барботируемых ванн, физические схемы и математические модели различных процессов продувки металлических расплавов, в результате чего выявлено, что существующие и применяемые в настоящее время технические схемы обработки металлических расплавов не в полной мере обеспечивают стабильность технологии получения отливок, что в конечном итоге отрицательно сказывается на их качестве.

Во второй главе определены основные параметры продувки металлического расплава сжатым воздухом и с позиций теории механики жидкости и газов проанализированы процессы усвоения/удаления веществ в/из жидкого расплава с использованием движущегося потока воздуха.

К управляемым параметрам продувки жидкого чугуна отнесены объемный расход газа, давление газа, температура обрабатываемого расплава, время обработки и геометрические параметры ванны.

На основе термодинамического анализа процесса выведена формула для оценки мощности теплового эффекта, получаемого при ПСВ:

N псв = [867052,6 -1225,37" +1,45 • 105 Г 2 ]■ V,, (1)

где Т - температура жидкого чугуна, °К;

V,, - объемный расход сжатого воздуха, м3/с.

На рис. 1 показаны графики изменения теплового эффекта продувки сжатым воздухом в зависимости от расхода для различных температур процесса. Выявлено, что в рабочем диапазоне расхода (0,01-0,2 м3/с) для ограниченных малых объемов ПСВ не приводит к существенному переохлаждению расплава.

Проводилась оценка вероятности окисления чугуна при ПСВ. На основе физико-химического анализа ПСВ выведены зависимости угара элементов от параметров дутья (расход - Ун, температура расплава - Т, давление воздуха — р, время продувки - 1„р):

Рис. 1. Графики изменения теплового эффекта продувки сжатым воздухом при различных режимах процесса

Кремний 0,203 • 103 рУнг„пМ ДС\, - " "" * 100% М^ЯТ

Марганец 7,772-10"3 рУ„г,„ Ммп АСШ - " "" ш 100%

Углерод 0,054 10ърУн1тМс Д Сс=- " пр с 100% м^ят

Здесь: Мраст - масса чугуна, М, - атомные массы компонентов расплава, Я -универсальная газовая постоянная.

На рис. 2 отображены зависимости угара элементов чугуна при ПСВ при различных режимах продувки для одной тонны обрабатываемого чугуна. Из графиков видно, что основную долю в угаре элементов составляют кремний (при разных режимах ПСВ от 0,01% до 1%) и углерод (при разных режимах ПСВ от 0,001% до 0,1%). Таким образом, ПСВ жидкого чугуна в ограниченных малых объемах не оказывает существенного влияния на угар его базовых элементов.

Т. 1711Н, (ИО.1 ГА/1.. м7<

МПЦ Ц.О.) МП*. У~0,01|»У<

Рис. 2. Зависимости угара элементов чугуна при ПСВ при различных режимах продувки для одной тонны обрабатываемого чугуна

В работе теоретически обоснована энергоактивирующая функция ПСВ, обеспечивающая создание в металлическом расплаве благоприятных условий для получения целого ряда эффектов (модифицирующего, рафинирующего,

гомогенизирующего, снятия отрицательной металлургической наследственности) малозатратными методами при использовании соответствующих реагентов внепечной обработки.

Привнесение дополнительных структурных частиц (например, реагентов при внепечной обработке) совместно с ПСВ безусловно оказывает существенное влияние на эффективность внепечной обработки расплава и, как следствие, на качество литья. В связи с этим возникает необходимость установить связь между выбором подходящего реагента и режимом ПСВ для каждого конкретного случая внепечной обработки.

Для этого автором предложена классификация реагентов, представленная на

рис. 3.

Реагенты в продуваемом металлическом расплаве

Твердые реагенты мелкого гранулометрического состава (силы поверхностного натяжения

играют существенную роль)

Твердые реагенты крупного гранулометрического состава (силы поверхностного натяжения в процессе замешивания не играют существенной роли)

Жидкофезные Г азообразные Газообразные

реагенты реагенты

реагенты образующиеся вводимые в

вводимые в в результате барбо тируемый

барботи ру ем ый химического металл

жидкого шлака превращения твердых реагентов Л

Механизм действия

Рис. 3. Классификация реагентов в металлическом расплаве

В основе предлагаемой классификации лежит комплексное представление о взаимодействии жидкого чугуна с реагентами, учитывающее:

• гидродинамику расплава и механизмы заглубления и удаления реагентов;

• химические процессы, происходящие в ванне расплава.

На основе законов классической динамики описано перемещение твердой частицы в жидкости при наложении на нее внешнего воздействия (0 - продувки, которое формализуется математической моделью на основе обыкновенного нелинейного дифференциального уравнения второго порядка:

- = Р-к\

+

(1

(1т1 \(1т) 2

совместно с начальными условиями:

(2)

г = 0, г = О ¿г

ат

= 0

(3)

где от - масса твердой частицы; к - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы расплава и геометрии гранул реагента; р, - плотность реагента (частицы); <р - газосодержание расплава; - средняя площадь проекции частицы в направлении

г; со5 р - косинус угла наклона движущей силы 2 к вертикальной оси г; ръ -плотность расплава.

Результатом аналитического решения задачи Коши на приведенной модели выступает временная зависимость у=у(т) вертикальной скорости (заглубления/подъема) твердой частицы реагента при ПСВ ограниченного малого объема (ковша).

На рис. 4 приведены графики таких зависимостей для некоторых характерных режимов ПСВ чугуна, соответствующих различным видам внепечной ковшевой обработки металлического расплава.

—щ, м/г (у*>.иг) |-и1,м/с • щ,м/с IV?!!

вр«™ е

—»—л, и/с гущ.ог!

■л.т\ч ii.it |1, »/I jvo.ii

а) ПСВ при обработке реагентами с крупным гранулометричеким составом

Ч.'.гщы Ы-0 № Ч^-Чрутаые истцы (У^О.З

б) ПСВ при обработке реагентами с мелким гранулометричеким составом

в) ПСВ при обработке чугуна с углом наклона вектора движущей силы к оси Z р=45°

Рис. 4. Графики скоростных режимов

г) ПСВ при обработке чугуна с углом наклона вектора движущей силы к оси Z Р=135°

ПСВ для различных видов обработки

По результатам проведенного теоретического анализа выявлены четыре характерных режима, определяемых расходом воздуха и видом применяемого реагента: 1. Усвоение реагента крупного гранулометрического состава при расходе сжатого воздуха У=0,1-0,2 м3/с. (струйный режим), например, для микролегирования чугуна ферросплавами. 2. Усвоение реагента мелкого гранулометрического состава с расходом У=0,05-0,1 м3/с. (переходный режим со струйного на пузырьковый), например, для модифицирования чугуна магнийсодержащими лигатурами. 3. Удаление реагента мелкого гранулометрического состава, например, для рафинирования чугуна с расходом У=0,01-0,02 м3/с. (пузырьковый режим); 4. Усвоение реагента крупного гранулометрического состава с последующим удалением продуктов реакции при расходе У=0,05-0,1 м3/с (струйный режим) например, для десульфурации чугуна карбонатами ЩЗМ. На графике (рис. 46) видна тенденция к неустойчивости скоростных характеристик при работе с мелкими частицами реагента,

что связано с превалирующей ролью флотации. Неустойчивость наблюдается и при направлении струи сжатого воздуха вглубь расплава (навстречу его восходящим потокам) (рис. 4г).

Характер взаимодействия реагентов с расплавом определяется динамическими характеристиками газожидкостной системы. В работе предложен критерий, представляющий собой отношение модифицированных критериев Архимеда для систем «металл-газ» и «металл-реагент», и показана возможность его использования для прогнозирования эффективности протекания процессов при перемешивании расплава в ковше с использованием ПСВ:

«2 У 'з Ръ Р\ ~Рг (4)

"з) 8п Рг Рх-Р-1 ' где и2 - скорость движение твердой частицы реагента;

из — скорость истечения газа;

/3 — определяющий размер частиц реагента;

8П - диаметр пузырька воздуха;

р1,рг,ръ - плотности металла, сжатого воздуха и реагента соответственно.

В таблице 1 приведены результаты расчета критерия эффективности по формуле (4) для характерных режимов ПСВ чугуна.

' Таблица 1. Результаты расчета критерия эффективности к„

к — — Д™2

Режим Скорость истечения газа, м/с Средний диаметр газового пузырька, м Косинус угла проекции движущей силы, СОЭ0 Средний размер частиц реагента, м Скорости движения твердой частицы, м/с Их и2 к„

1 0,15 0,0057 1 0,02 2,21 221 0,56

0,7 1,82 182 0,37

2 0,05 0,0092 1 0,01 2,58 86 4,49

0,7 2,05 68 7,45

3 0,02 0,0156 1 0,01 3,05 30,5 0,85

0,7 2,76 27,6 0,39

4 0,07 0,0211 1 0,02 4,53 22,65 18,3

0,7 4,04 20,2 25,7

Анализ полученных результатов позволяет сформулировать закономерность: для замешивания твердых частиц в расплав необходимо выполнение условия кп > 1 (массообменные и гидродинамические процессы протекают интенсивнее- в системе «металл-газ»), а для операций, связанных с удалением, соответственно кп < 1 (массообменные и гидродинамические процессы протекают интенсивнее в системе «металл-реагент»). В итоге становится возможным осуществлять выбор того или иного режима обработки чугуна, основанный на подборе параметров барботажа (давления, расхода и косинуса угла проекции движущей силы) для обеспечения требуемого значения критерия эффективности кп. Теоретически: чем далее влево к нулю или вправо до +оо по числовой прямой значение кп от граничного значения (£/т=1), тем более устойчиво и полно должны протекать процессы внепечной обработки расплава с применением ПСВ, связанные соответственно с удалением и

замешиванием. В каждом конкретном случае оптимальная величина кп определяется набором управляемых параметров ПСВ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям продувки жидкой среды сжатым воздухом с учетом результатов теоретической проработки вопроса, проведенной во второй главе.

Для выявления качественной и количественной сторон процессов удаления и усвоения веществ из/в металлического расплава применяли приближенное физическое моделирование. При этом в качестве аналога использовались методика Гутри, нашедшая применение в исследованиях процессов инжекционной металлургии, а также установка КН-89 для физического моделирования ковшевой обработки металлического расплава на воде конструкции ОАО «РУМО» (г. Н.Новгород).

Моделировался процесс заглубления твердых частиц реагента в толщу расплава чугуна при его ПСВ. В роли критерия подобия выступала величина критерия эффективности к„. В качестве модели была выбрана система «вода -пенополистирол», оригинала - система «чугун - реагент» так как для системы «вода-пенополистирол» отношение сил поверхностного натяжения и тяжести хорошо согласуется с аналогичным соотношением сил для системы «жидкий чугун-ферросплав».

В таблице 2 приведены условия ПСВ на модели и промышленных образцах.

Таблица 2. Условия ПСВ на модели и промышленных образцах

Образец

Параметр Модель твердые реагенты мелкого гранулометрического состава твердые реагенты крупного гранулометрического состава

Плотность жидкости, кг/м3 1000 (вода) 6900(чугун) 6900 (чугун)

Глубина ванны Л, м 0,5 0,8 0,8

Площадь сечения ванны Т7, м2 0,07 0,49 0,49

Характеристики потока твердых частиц

Материал Пенополистирол ПСБ - С (ГОСТ-15588-86) ФС75 ФС75

Определяющий размер /, мм 2 3 15

Плотность рз, кг/м3 35 5000 5000

Характеристика газового потока

Газ Сжатый воздух Сжатый воздух Сжатый воздух

Плотность р2, кг/м3 1,3 1,3 1,3

Расход Ун, м"7с 0,0033 0,045 0,056

Критерии подобия

кП 9,7 8,5 8,9

Соотношения масштабных коэффициентов составляли:

11

- при использовании твердых реагентов мелкого (размером до 15 мм с плотностью 5000 кг/м3) гранулометрического состава:

к^: ку :кг= 8,3:1:2440, где к[. - масштабный коэффициент размеров, ку - масштабный коэффициент расхода, кт - масштабный коэффициент времени.

- при использовании твердых реагентов крупного (размером более 15 мм с плотностью 5000 кг/м3) гранулометрического состава:

кь: ку :кт= 7,6:1:2619 Это позволило выбрать экспериментальные режимы ПСВ чугуна. Так, для ковша емкостью 1,5 т (площадь сечения Р=0,15м2) и реагента крупного гранулометрического состава (15-20 мм), объемный расход сжатого воздуха составит: 0,15*1:7,6=0,0197=0,02 м3/с; соответственно расчетное время обработки -0,15*2619:7,6=51,7=52 с.

Серия экспериментов проводилась в условиях литейных цехов № 3 и № 5 ОАО «ГАЗ» (г. Нижний Новгород). Ставилась задача получения чугуна с перлитной основой, высокой твердостью и удовлетворительной износостойкостью на базе чугуна ваграночной плавки с химическим составом, по базовым элементам соответствующим маркам СЧ 20 - СЧ 25 ГОСТ 1412-85.

С этой целью в первом случае ферросплав (ферромарганец) вводился в шихту (№1), во втором - в ковш под струю в количестве 0,35 % феррохрома от 1,5 т (№2), в третьем - в ковш под струю в количестве 0,35 % от 1,5 т в комбинации с гранулированным углем в количестве 0,15% от навески ферросплава (№3), в четвертом - в ковш на зеркало расплава в количествах ферросплава (феррохрома) и гранулированного угля по варианту №3, но с продувкой сетевым сжатым воздухом в течение 45 с (№4), что соответствует результатам физического моделирования, полученных ранее на установке КН-89, в пересчете на условия конкретного цеха. Расход сетевого сжатого воздуха соответствовал значению 0,02 м3/с, емкость ковша 1,5 т, сжатый воздух подводили по варианту собР=1 (донная продувка).

Всего проводилось по пять плавок, соответствующих каждому номеру (варианту). Варианты сравнивались на основе исследований опытных образцов по таким показателям, как доля перлита в матрице металла, склонность к отбеливанию и твердость матрицы выплавленного чугуна. Результаты сравнения приведены на рис. 5-8.

Содержание марганца, % Содержание марганца, %

Рис. 5. Влияние способа ввода марганца в Рис. 6. Влияние способа ввода марганца в чугун на количество перлита в матрице чугун на отбеливаемостъ металла металла

Номер чугумз Номерчугуна

Рис. 8. Сравнительная диаграмма влияния способа ввода марганца в жидкий металл на величину доли перлита и твердость матрицы выплавленного чугуна

В итоге было выявлено, что ПСВ способствует повышению перлитизации матрицы чугуна, однородности структуры, снижению склонности к отбеливанию и увеличению твердости при существенном сужении полосы разброса ее значений, т.е. получению гомогенизирующего и модифицирующего эффектов.

При этом в случае использования гранулированного угля более крупной фракции (20-25 мм) в варианте №4 зафиксирован лучший уровень контрольных показателей по сравнению со случаем использования его мелкой фракции (5-10 мм), что также подтверждает достоверность полученных результатов физического моделирования из-за соответствия более высокому значению критерия эффективности протекания процесса кп (см. табл. 2).

Целью следующей серии экспериментов была оценка эффективности новой технологии предефероидизирующей и сфероидизирующей обработки чугуна индукционной плавки с использованием операции ковшевой ПСВ.

Отливкой-представителем была выбрана «Крышка подшипника» из номенклатуры ОАО «РУМО» (г. Нижний Новгород), массой 400 кг из ВЧШГ ферритного класса марки ВЧ 40 ГОСТ 7293-85, работающая в условиях сложного нагружения.

Основная причина ее брака на предприятии - повышенная структурная неоднородность чугуна отливки (раковины газоусадочного происхождения, крупные включения графита, шлаковые включения), которая идентифицировалась посредством УЗ-контроля. Применяемая на предприятии базовая технология выплавки высокопрочного чугуна включает следующие операции: перелив из печи в ковш, сфероидизирующую обработку магниевой лигатурой в ковше (сандвич-процесс) и ремодифицирующую обработку графитизирующими модификаторами на основе кремния в литниковых чашах. В новой технологии предусмотрена предефероидизирующая обработка, заключающаяся в десульфурации металла в ковше с ПСВ кальцийсодержащими лигатурами (например, ЖКМ).

По новой технологии сфероидизирующую и предефероидизирующую обработки проводили в ковше с ПСВ. Навеску магниевого модификатора фракцией 18 мм засыпали на зеркало металла при включенном дутье с расходом сжатого воздуха на тонну обрабатываемого чугуна У=0,05 м3/с. Обработку вели в течение 90 с, что одновременно обеспечивало высокую степень усвоения модификатора и длительность модифицирующего эффекта перед заливкой форм.

Было проведено три опытные плавки. Плавки шихтовались так, чтобы получить различную степень эвтектичности. От каждой плавки были отобраны по два

230 -

з

| 210 -¡1904 170 -

I

| 150 -130

1 1.2 1,4

Содержание марганца %

Рис. 7. Влияние способа ввода марганца в чугун на твердость получаемого металла

образца: 1-й - полученный по базовой технологии; 2-й - полученный по новой технологии с использованием ковшевой ПСВ.

Результаты экспериментов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты экспериментов

№ образца <ув, МПа Оод. МПа 5, % НВ Микроструктура (после ТО) по ГОСТ 3443-89 Результаты УЗК (V, м/с; Д, Дб)

1 - базовая технология 410 260 21 140 Ф94П6 ШГф4,5 ШГр 1,2 ШГд45-90 ШГ6 Ц10, размер ферритных зёрен 49-106 У=5480 Д=12

2 - новая технология 420 280 24 140 Ф94 ШГфЗ,4,5 ШГр 1,2 ШГд 15-45 Ц1, размер ферритных зёрен 40-85 У=5575 Д=10

Сравнение результатов реализации двух технологий обработки расплава указывает на повышение во втором случае прочностных характеристик при одновременном увеличении пластичности. Кроме того увеличилась доля феррита в структуре чугуна, зерна матрицы стали более компактными, а содержание неметаллических включений снизилось. Это объясняется их флотацией при ПСВ в шлаковую фазу. Таким образом, экспериментально подтверждаются модифицирующий и рафинирующий эффекты применения ПСВ.

Далее проводилось экспериментальное опробование поздней обработки чугуна при заливке в форму. Изучалась техническая схема обработки расплава интенсивным перемешиванием ПСВ в литниковой чаше непосредственно во время заливки чугуна в литейную форму. Цель - исследовать возможность сочетания положительных сторон двух видов обработок: продувки сжатым воздухом и внутриформенного модифицирования. Промышленное опробование проходило в условиях ОАО «РУМО» (г. Нижний Новгород). Навеска модификатора была снижена с 2% по базовой технологии модифицирования по сандвич-методу до 1% от массы обрабатываемого металла. Плавка чугуна велась в индукционной печи. Расплав продували в литниковой чаше подготовленным, осушенным, сетевым сжатым воздухом с давлением около 2 атм в течение всей заливки. Чаша изготавливалась из ХТС. (Ее конструктивные размеры показаны на рис. 9).

Подвод сжатого воздуха к чаше осуществлялся через удлинитель от газораспределительной системы с цеолитовыми вставками для осушения, изготовленный из металлической трубы диаметром 20 мм и присоединенный к отверстию в чаше.

В ходе испытаний не наблюдалось признаков пироэффекта. Остаточное содержание серы в отливках не превышало 0,015%, магния соответственно на уровне 0,032-0,045%. Характерный балл структуры - Ф70П30 ШГф4,5 ШГд 25-45 (на отливках, полученных по базовой технологии модифицирования в ковшах по сандвич-методу, зафиксирован балл структуры Ф70П30 ШГфЗ,4,5 ШГд 45-90). В структуре отливок, полученных с применением новой технической схемы, наблюдалось

/ / чХ Ц У-

Ш

Рис. 9. Схема модифицирования продувкой сжатым воздухом в литниковой чаше

более равномерное распределение графитовых включений одновременно с небольшим разбросом по размерам, доля перлита составила 25% и соответствовала техническим требованиям на отливку (менее 30%). Это свидетельствует о повышении степени усвоения магниевого модификатора, а также об удовлетворительной гомогенизации расплава по свойствам и температуре на начальной стадии формирования отливки. Эффект сохранения высокого качества на фоне снижения расхода модификатора объясняется временной близостью процессов модифицирования, гомогенизации и кристаллизации металла.

В четвертой главе ставилась задача разработать схемы ПСВ, позволяющие создать устойчивые зоны (со стабильными значениями скоростей потоков) в продуваемом металле для различных видов обработки.

Рассматривались различные варианты подвода сжатого воздуха (рис. 10): традиционная донная продувка через пористые элементы футеровки ковша (а),

а б 61 бг

Рис. 10. Варианты подвода газа при продувке: а) традиционная донная продувка, б) тангенциальная продувка, в) эксцентриситетная

продувка

тангенциальная продувка через пористые элементы, расположенные на вертикальной поверхности футеровки (б) и эксцентриситетная продувка, отличающаяся от первого варианта смещенным относительно центра пористым элементом (в).

Разработанные схемы ПСВ (б) и (в) позволили создавать направленные потоки металла с контролируемыми скоростями. Схема (б) предусматривает осевое и фронтальное закручивание (вихреобразование) металла в ковше, что положительно сказывается на замешивании крупных твердых частиц реагентов. Схема (в) предусматривает наличие в системе двух зон - мелкодисперсной для замешивания твердых частиц мелкого гранулометрического состава и зоны с крупными пузырями для удаления продуктов обработки.

На основе проведенных практических испытаний разработанных технических схем продувки разработан ряд рекомендаций по выбору схемы ПСВ (табл. 4).

Пятая глава посвящена вопросам промышленного опробования и внедрения в действующее производство ОАО «РУМО» (г. Нижний Новгород) способа ввода реагентов (таких, как науглероживатель, модификаторы и рафинирующие смеси) в комбинации с ПСВ при выплавке синтетического чугуна с повышенным содержанием стальной составляющей в шихте и производстве отливок из специальных чугунов индукционной плавки с пластинчатой и шаровидной формами графита.

Гранулометрический состав реагента Цель ПСВ Схема ПСВ

Мелкий Удаление (рафинирование расплава) Эксцентриситетная продувка, продувка с малым расходом сжатого воздуха до 0,02 м3/с

Замешивание (модифицирование, легирование, растворение добавок) Внутриформенная ПСВ, продувка с расходом сжатого воздуха 0,05-0,1 м3/с

Крупный Удаление (рафинирование расплава), гомогенизация Тангенциальная продувка, продувка с расходом сжатого воздуха до 0,2 м3/с

Замешивание (модифицирование, легирование, растворение добавок) Эксцентриситетная продувка, продувка с расходом сжатого воздуха до 0,2 м3/с

Для устранения структурных неоднородностей, стабилизации структуры и механических свойств материала ряда отливок из номенклатуры предприятия, были проведены следующие мероприятия:

- проведение ковшевого науглероживания комбинированием с ПСВ засыпки гранул карбюризатора на зеркало металла до их полного растворения;

- проведение предсфероидизирующей обработки кальцийсодержащими материалами в ковшах при одновременной продувке сетевым сжатым воздухом;

- проведение сфероидизирующей обработки магнийсодержащими модификаторами при продувке в ковше сетевым сжатым воздухом.

Использовались тангенциальная и эксцентриситетная ковшевая ПСВ.

Результаты сравнительных металлографических исследований образцов, прилитых к отливкам из ВЧ 40, полученных по базовой и новой технической схемам (рис. 11), показали, что применение ковшевой продувки обеспечило большую структурную однородность металла отливок. После обработки расплава продувкой средний балл структуры составляет Ф94П6 в сравнении с Ф80П20 отливок, полученных по базовой технологии. При этом было зафиксировано уменьшение размеров шаровидных включений графита с ШГд90 до ШГд45.

а

б

Рис. 11. Содержание и размеры включений графита (увеличение х100): а - базовая технология; б - новая технология

Экономическая эффективность от внедрения новой технологии изготовления только отливки «Крышка подшипника» с применением ПСВ на ОАО «РУМО» составила 1042200 рублей в год при среднегодовой программе выпуска 300 штук.

Основные результаты и выводы

1. Выявлены управляемые параметры продувки чугуна сжатым воздухом в ограниченных малых объемах: расход и давление дутья, начальная температура металла, время обработки, геометрические параметры ванны (глубина, площадь сечения).

2. Термодинамическая и энергетическая оценки процесса ПСВ доказали отсутствие существенного окисления базовых элементов чугуна (кремний, марганец, углерод) и захолаживания расплава в рабочем диапазоне изменения управляемых параметров. ,

3. Предложена классификация реагентов для внепечной обработки чугуна сжатым воздухом, позволяющая производить выбор режима обработки в зависимости от конечной цели.

4. Получено критериальное условие эффективного протекания разнонаправленных процессов (усвоения/удаления реагентов и продуктов их взаимодействия с расплавом) при перемешивании чугуна в ковше с использованием ПСВ.

5. Проведенные экспериментально-теоретические исследования показали положительное влияние ПСВ на эффективность внепечной обработки чугуна графитизирующими модификаторами и распределение легирующих элементов на примере марганца.

6. Выявлены положительные эффекты от применения операции продувки в ковше сжатым воздухом при производстве отливок из высокопрочного чугуна, а именно: обеспечение требуемых свойств материала отливки и повышение степени усвоения модификатора.

7. Предложена и опробована в промышленных условиях технология модифицирования чугуна сфероидизирующими модификаторами в литниковой чаше с одновременной продувкой сжатым воздухом. Показана возможность снижения расхода модификатора, а также повышения эксплуатационных свойств отливок.

8. Разработаны новые эффективные технические схемы продувки (эксцентриситетная и тангенциальная), позволяющие создать устойчивые зоны в продуваемом металле, применимые для различных видов внепечной обработки расплава чугуна.

9. Выработаны практические рекомендации по выбору технических схем при проведении различных видов внепечной обработки расплава чугуна, таких как модифицирование, рафинирование, науглероживание, гомогенизация.

10. Внедрена технология предсфероидизирующей и сфероидизирующей обработок в ковшах с ПСВ при получении высокопрочного чугуна для отливки «Крышка подшипника» в условиях ОАО «РУМО». Экономический эффект от внедрения составил более 1 млн. руб. в год при годовой программе 300 штук.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ

1. Леушин, И.О. Возможности комплексной обработки металлических расплавов на основе продувки сжатым воздухом / И.О. Леушин, В.А. Героцкий, И.А. Андреев // Черные металлы. - 2009. - №10. - С.6-9.

2. Героцкий, В.А. Продувка воздухом - универсальный способ обработки жидкого чугуна / В.А. Героцкий, И.О. Леушин, И.А. Андреев // Литейщик России. -2010. - № 6. - С. 32-34.

3. Андреев, И.А. Модифицирование чугуна на высокопрочный продувкой сжатым воздухом в литниковой чаше / И.А. Андреев. В.А. Героцкий, И.О. Леушин II Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - №8. - С. 3-5.

Научные статьи в материалах Международных, Всероссийских и межрегиональных конференций, форумов и межвузовских сборниках трудов

4. Леушин, И.О. Технология комплексной обработки синтетических чугунов на основе ковшевой продувки сжатым воздухом / И.О. Леушин, И.А. Андреев // Материалы 14-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). -Н.Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009. - С. 144.

5. Леушин, И.О. Возможности комплексной обработки металлических расплавов продувкой сжатым воздухом / И.О. Леушин, В.А. Героцкий, И.А. Андреев // Труды девятого съезда литейщиков России. - Уфа: Российская ассоциация литейщиков, 2009. - С.56-57.

. 6. Андреев, И.А. Продувка металлического расплава сжатым воздухом как способ усиления модифицирующего эффекта при получении отливок из серого и высокопрочного чугунов / И.А. Андреев, И.О. Леушин // Материалы Всероссийской молодежной научно-технической конференции Авто-НН-2009. - Нижний Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009. - С.273-275.

7. Андреев, И.А. Технические схемы ковшевой продувки металлических расплавов воздухом для повышения качества чугунных отливок / И.А. Андреев, И.О. Леушин, В.А. Героцкий // Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона: Труды второй научно-практической конференции. - Н. Новгород: Типогр. НРЛ, 2010.-С. 178-181.

8. Патент на полезную модель №96124. Приоритет от 15.03.2010. Опубл.: 20.07.2010. / Ковш литейный для внепечной обработки расплавов продувкой неактивными газами / Авторы: Леушин И.О., Андреев И.А.

9. Патент на полезную модель №111786. Приоритет от 20.06.2011 Опубл. 27.12.2011/ Литниковая система для модифицирования жидкого чугуна / Авторы: И.О. Леушин, И.А. Андреев, В.А. Героцкий.

Патенты

Подписано в печать 15.04.2013. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ 297.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.