Общие сведения о модифицировании чугуна

Схема д. Повторный гермитизированный ковш барабанного или конверторного типа имеет камеру(карман), в которую перед заливкой чугуна помещают заряд Mg или лигатуры. После заливки через горловину и герметизации ковш поворачивается на 90⁰; при этом чугун входит в камеру с Mg и подвергается модифицированию. Недостатки таких ковшей: сложность конструкции, трудоемкая подготовка к работе, необходимость очистки металла от шлака, длительность шлакообработки и большие потери температуры.

Схема е. На дно ковша помещают кокс, пропитанный Mg, или брикеты из губчатого железа и Mg. Кокс удерживают штангой или устанавливают полупостоянную перегородку из высокоглиноземистого огнеупора с отверстиями. Недостаток-сложность подготовки ковшей. Эффективен при однократной обработке больших масс чугуна.

Схема ж. Порошкообразный Mg или тонкоизмельченную смесь Mg с графитом или известью вдувают (путем инжеекции) с помощью струи нейтрального газа, например, азота или сухого воздуха [2]. Узкое звено процесса- расход азота и графитовых трубок, выдерживающих обычно от 4 до 50 операций. Трубки рекомендуется вводить под некоторым углом к поверхности металла. Модификатор находится в герметически закрытом бункере и ссыпается через отверстие в подводящую трубку, где захватывается движущимся газоносителем.

Схема з. Производится продувка азотом для перемешивания чугуна(способ «Осмос» или «Газал») при давлении 1-2 атм [(1-2) 10⁵Па] через пористую огнеупорную вставку в днище ковша. Возникающие вертикальные циркуляционные потоки захватывают присадки, засыпаемые с помощью дозатора на поверхность ковша. Недостатки-сложность футеровки ковша, потеря тепла металлом, расход азота.

Схема и. Процесс выполняется с помощью промежуточной емкости (способ «Т-Нок»). Над  разливочным ковшом помещают промежуточную емкость с полой керамической вставкой в днище, куда устремляется поток чугуна, образуя полую воронку. Из дозатора порошкообразный модификатор высыпается в середину потока с такой скоростью, чтобы реакция закончилась в конце струи. Узким звеном процесса является сложность регулирования гидродинамического баланса.

Схема к. Особенность процесса – использование ковша, вращающегося эксцентрично или встряхиваемого для лучшего перемешивания чугуна. Место вращения, наклона или встряхивания ковша можно применять электромагнитное перемешивание металла. При этом используют модификаторы с большой плотностью.

Схема л. Использование ковша с механическим перемешиванием металла при помощи огнеупорных мешалок (способ «Остберг» или «Райнштель»). Способ пригоден для глубинного перемешивания чугуна при применении лигатур, имеющих малую плотность.

Схепа м. Погружение  одного или нескольких колокольчиков – испарителей под массой тяжелой крышки на дно ковша [11].

Схема н. Погружение колокольчика-испарителя в ковш вручную. Недостаток – выбросы металла при применении Mg лигатур с высоким содержанием Mg.

Схема о. Выпуск чугуна в ковш с помещенной в него лигатурой.

Схема п. Выпуск чугуна в ковш с помещенной в него лигатурой, прикрытой листом или скрапом. Схемы о и п применяются только для тяжелых модификаторов.

Схема р. Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане ковша(способ «Сендвич»). В футеровке днища разливичного или промежуточного ковша делается специальная полость, соответствующая объему загружаемого в нее модификатора. Сверху лигатура прикрывается стальной высечкой толщиной 1,5-8 мм в количестве 1,5-2,0% от массы металла. Струя жидкого чугуна направляется в противоположную часть ковша и затем распространяется по прикрытой лигатуре ( применяется при тяжелых и средних по плотности лигатурах). Реакция протекает спокойно и длится 20-120с. При использовании лигатуры с размерами кусков 10-20 мм достигается следующее усвоение Mg: 41% из Mg-Fe-Si,78% из Ni-Mg-Si и 91% из Ni-Mg- лигатуры. При использовании Ni-Mg- лигатуры при обычной загрузке на дно ковша без прикрытия (схема а) получено усвоение Mg, равное 25%, при вводе в колокольчике испарителе (схема м) – 38% и способом «Сэндвич» (схема р) – 51%.

Схема с.Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане ковша, образованном при обычной загрузке на дно ковша перегородкой на две неравные части. Лигатура укладывается в меньшее по обьему углубление, образованное перегородкой, и прикрывается сверху слоем мелкого слегка утрамбованного CaC₂. При заполнении ковша чугуном CaC₂ спекается; поэтому для того, чтобы началась реакция, специальной заостренной штангой делается прокол в слое CaC₂. Расход модификатора при этом способе получается меньше, чем при способе «Сендвич».

Схема т. Засыпка лигатуры на поверхность металла. Этот способ может быть рекомендован лишь для корректировки содержания Mg в ковше.

Схема у. Обработка реактивными покровными флюсами, из которых с помощью силикокальция восстанавливаются сфероидизаторы. Иногда при этом способе используют промежуточную емкость (см. схему и ).

Схема ф. Проведение процесса электролиза, при котором сфероидизаторы переходят в расплав из флюса, состоящего из MgCl₂, CaCl₂ и небольшого количества хлоридов и фторидов церия. Производится в печах с основной футеровкой при t=1360-1370^oC.

Схема х. Модифицирование в форме заключается в том, что тонко измельченную лигатуру или смесь помещают в расположенную под питателем 1 реакционую камеру 2. При определенном сочетании температуры и скорости заливки чугуна модификатор растворяется движущимся потоком металла по мере заполнения формы. Реакция протекает без прямого контакта с воздухом, пироэффект отсутствует. Для предотвращения образования неметаллических включений между реакционной камерой и отливкой устанавливают центробежный шлакоуловитель 3. Узкое звено процесса – необходимость низкого содержания серы в исходном чугуне, строгого контроля температуры и скорости заливки, необходимость предварительного измельчения модификатора .

Во всех способах осуществляется ввод Mg в ковш на максимальную глубину и движение паров Mg снизу вверх и зеркалу металла. Одновременно должны быть обеспеченны защита обслуживающего персонала от свечения и выбросов чугуна и эффективный отвод выделяющихся газов. Ковш надо наполнять жидким чугуном не более чем 70-80% по высоте. Поверхность жидкого чугуна перед вводом модификатора должна быть очищена от шлака. Нормальная продолжительность реакции 1-5 мин. Об окончании реакции судят по прекращению свечения или выделения белого дыма, а какже по времени. При повторном графитизирующем модифицировании тщательно счищают шлак, образовавшийся при обработке Mg , вводят ферросилиций (ФС) или лигатуру из ФС, Al, и Ca и хорошо перемешивают их с металлом.

Процессы плавки и модифицирования  должны строго контролироватся. Для контроля качества чугуна отливают клиновый образцы и трефы. Кроме того определяют С_э по кривым затвердевания, содержание кремния – по термо-э.д.с, структуру и механические свойства чугуна – электромагнитными методами и ультразвуком, дефекты – просвечиванием гамма-лучами и т.д. При  выдержке модифицированного чугуна наблюдается демодификация вследствие уменьшения содержания Mg, особенно в ковшах и тиглях с кислой футеровкой. Темп уменьшения содержания Mg в расплаве резко снижается при выдержке в тигле с нейтральной или магнезитовой футеровкой. Оптимальной для выдержки и подогрева жидкого магниевого чугуна является дистенсиллиманитовая футеровка, которая по нейтральным свойствам не уступает графиту, а по стойкости – кварцитовой футеровке.

Из всех описанных способов ввода модификатора наибольшее распространение в нашей стране получили: обработка Mg в автоклаве (схема г), погружение колокольчика – испарителя под массой тяжолой крышки (схема м), в герметизированном ковше или копильнике (схема д) и обработка лигатурами (схемы о, п, р). Весьма перспективным является модифицирование в форме (схема х).

 

 

5.  Модифицирование для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

 

 

Получение ШГ в чугуне возможно при обработке расплава добавками, содержашими Mg, Ca, Ce, Y, Nd, Pr и другие РЗМ; однако Mg практически обычно присутствует во всех применяемых модификаторах [12]. Противоположность указанным сфероидизирующим модификаторам, некоторые элементы подобно сере являются демодификаторами, в связи с чем их содержание в чугуне не должно привышать: 0,009% Pb; 0,003%Bi; 0,026%Sb; 0,08%As;0,04%Ti;0,13%Sn ; 0,3%Al. Влияние демодификаторов частично или полностью устраняестя добавкой ремодификаторов, например Ce и других РЗМ [13].

При вводе в чугун металлического магния Мg (марок Мr1 и Мr2) происходит его интенсивное испарение, и он сгорает с выделением белого дыма. Реакция протекает очень быстро и носит взрывной характер. Поэтому для спокойного ввода магния применяют его лигатуры «с содержанием магния не выше 12-15%» или смеси как с большой плотностью, содержащие Ni и Cu, так и более легкие содержащие Si и Ca при чем последние не только дешевле, но и имеют ряд преимуществ в следствии благоприятного влияния Сa ( хотя одного Ca обычно недостаточно для получения ШГ). Составы этих лигатур приведены в таблице 1.4. Усматривается, что все они являются комплексными (КМ). Наличие в них Ca, Sr, РЗМ, согласно исследованиям института проблем литья АНУССР (ИПЛ), повышает их живучесть, понижает деглобулизируюшее влияние вредных элементов, в том числе создает возможность получения ШГ в более толстых сечениях и при других неблагоприятных условиях, а также повышает жидкотекучесть ( ʎ_ж) и уменьшает предусадочное расширение (ε_рас), что позволяет уменьшить объем прибылей. Однако следует иметь в виду, что при использовании лигатуры с повышением содержания Ca при низкой температуре чугуна (менее 1380^оС) модификатор зашлаковывается, покрывается изолирующей окисной пленкой и плохо усваивается. Поэтому многие исследователи считают допустимым содержание Ca в лигатуре до 4%, а РЗМ до 2%, что часто достаточно для нейтрализации возможных модификаторов. Однако в рекомендациях ИПЛ содержание Ca все же допускается до 15%. При этом, однако, необходима высокая температура перегрева чугуна. Кроме лигатур, для модифицирования применяют спресованную механическую смесь губчатого Fe с 15-17% Mg , кокс, пропитанный 40-45% Mg, и т.д., а также шлаковые комплексные модификаторы, в которых присутствуют Mg, Ca и РЗМ. В этом случае поверхность чугуна в ковше покрывают флюсами, состоящими из фторидов и хлоридов Mg, Ca, Ba и РЗМ, из которых с помощью мелкодисперсного силикокальция путем перемешивания и диффузии восстанавливают указанные элементы – сфероидизаторы. После такого модифицирования в чугуне обычно содержится 0,025% Mg, 0,02 -0,06 % РЗМ и 0,005% Ca.

 

6.  Модифицирование при производстве ковкого и отбеленного чугуна

 

Для модифицирования КЧ применяются  два вида присадок: стабилизирующие, предотвращающие выделение пластинчатого графита в толстых частях отливок при повышенном содержании C и Si, и графитизирующие, сокращающие цикл отжига при нормальном составе КЧ и устраняющие вредное влияние стабилизирующих модификаторов, способствующих уменьшению зародышей при отжиге. Применяемые модификаторы представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Составы модифицирующих покрытий для кокилей

 

Следует отметить, что присадка сфероидизирующих модификаторов позволяет  значительно повысить содержание C и Si в чугуне и тем самым существенно сократить длительность отжига и повысить свойства КЧ благодаря образованию ШГ; присадка же небольших количеств таких элементов, как Sb и B, помимо предотвращения «отсеривания» обеспечивает получение КЧ с перлитной структурой. При производстве отливок с отбеленной поверхностью (прокатных валков и др.) модифицирование производится с целью получения необходимой толщины слоя отбела. В качестве модификатора применяют теллур, который вводят в ковш в виде брикетов в количестве 1-7г на 1 т металла, или теллурсодержащие краски. Последние применимы для толщины отбеленного слоя до 10 мм, а также для усиления теплоотвода в тепловых узлах отливок. При обработке чугуна теллуром увеличиваются толщина его отбеленного слоя и НВ, уменьшается толщина переходной зоны и измельчается перлит.

Для регулирования толщины  переходной зоны вместе с теллуром вводят иногда черный графит в количестве 300-500г на 1 т металла, либо ФС75 или  СК в количестве 100-150 г на 1 т металла. Выдержка металла до заливки формы  не должна превышать 3-10 мин.

При повышенной склонности к отбелу чугун целесообразно  модифицировать добавкой ФС75 или СК в количестве 0,08-0,20%. Выдержка металла после модифицирования - не более 8-15 мин.

При производстве отливок  в кокилях применяют модифицирующие покрытия для предупреждения отбела [ 14 ]. В случае центробежного литья вращающийся кокиль покрывают порошком ФС75 или ФС90, а при фасонном литье графитизирующее покрытие толщиной 12-16 мм наносят на теплоизоляционное покрытие. Покрытие должно иметь температуру плавления не более 1100⁰С. Оптимальные размеры зерен ФС и СК 0,10-0,16 мм.

Время плавления покрытий должно быть связано с временем нахождения наружных слоев в жидком и жидко-твердом  состоянии и не должно превышать 16-18 с. При этом температура заливаемого  чугуна должна быть в пределах 1350-1450⁰С, а формы- 150-250⁰С.

  Модифицирование чугунов является эффективным способом повышения механических  и эксплуатационных свойств отливок. Особенно это относится к вальцелитейному производству, как одному из основных производителей чугунных отливок.    

Примером изменения структуры  и свойств чугуна является изготовление прокатного валка.

 

 1.7 Условия работы прокатных валков

 

Прокатные валки работают в сложных условиях, испытывая  различного рода напряжения: изгибающие, кручения, истирания, термические и  т.п. Такие условия работы предъявляют  к валкам разнообразные и часто  противоречивые требования [15, 16]. Выполнить их одновременно практически невозможно, так как изменение одного свойства немедленно вызывает изменение других свойств, причем, как правило, в противоположном направлении. Например, повышение твердости валка неизбежно влечет снижение его прочности.

В настоящее время структура  производства и потребления прокатных  валков в черной металлургии характеризуется  следующими данными [17], %:

– чугунные       - 62;

– стальные литые      - 2,7;

– стальные кованые для  горячей прокатки  - 22,9;

– стальные кованые для  холодной прокатки  - 12,4.

Таким образом, доля литых  валков в общем объеме составляет 64,7%, а доля кованых валков – 35,3%.

1.8.Особенности изготовления литых валков

 

          1.8.1 Стационарное литье валков

 

Способ "вихревой заливки", применяемой для стационарного  литья валков был запатентован еще  в 1885 году [18]. Этот способ предусматривает заливку металла в разовую валковую форму снизу (рис. 1.1). Литниковая система выполнена тангенциально, что обеспечивает вращение металла в форме в процессе заливки. Это позволяет получать отливку с чистой рабочей поверхностью, так как частицы шлака и другие неметаллические включения оттесняются в осевую зону и выносятся в прибыль. Бочка валка формируются в кокиле, а шейки, треф и прибыль в опоках, заполненных песчано-глинистой смесью. Для литья листопрокатных валков применяют гладкие кокили. Валки сортовых станов могут изготавливать как в гладких кокилях с последующей вырезкой калибров, так и в калиброванных разъемных [19]. Возможно использование водоохлаждаемой опоки вместо кокиля [20], однако практическое применение этого предложения очень сложно. Калиброванная часть валка может формироваться с помощью вставок из хромомагнезитовой смеси или металла, например, чугуна или алюминиевого сплава [21, 22]. В последнее время появились работы, посвященные совершенно новым способам изготовления валков, отливаемых под регулируемым давлением [23] или на машине непрерывного литья заготовок [24], а также полученных путем спекания карбидов [25].