Производство отливок из чугуна
  4.3 Изложницы из доменного передельного чугуна с пластинчатым графитом

Обобщая многолетний опыт производства и эксплуатации изложниц, следует отметить, что наиболее эффективным фактором, обеспечивающим их высокую стойкость, является рациональный выбор химического состава и структуры чугуна. С экономической точки зрения крайне перспективным представляется использование доменного передельного чугуна без дополнительного его переплава.

Преимущества доменного передельного чугуна как материала для изложниц в целом не вызывают сомнений. Замена ваграночного чугуна доменным даже без изменения конструкции изложницы обеспечивает повышение их стойкости на 15- 20% при заметном снижении себестоимости. Высокие эксплуатационные свойства доменного передельного чугуна обычно связывают с повышенным содержанием в нем углерода, благоприятное влияние которого на стойкость изложниц отмечается большинством исследователей. Первые эксперименты по использованию доменного чугуна для изложниц относятся еще к началу века. Однако, как показали эти исследования, без предварительной очистки чугуна от графитной спели, сильно поражающей внутреннюю поверхность изложниц и вызывающей в связи с этим чрезмерно большой их брак, получение изложниц с высокой стойкостью представляется весьма проблематичным.

Основным вопросом является технология доводки доменного передельного чугуна по химическому составу и температуре. По специфике технологического процесса доводки химического состава доменного передельного чугуна для изложниц следует различать технологию доводки чугуна в литейных цехах, переведенных с ваграночного на доменный чугун, и технологию доводки чугуна в специализированных литейных цехах, производящих изложницы в условиях крупносерийного или массового производства.

При переводе фасонолитейного цеха с ваграночного на доменный передельный чугун необходимо, в первую очередь, решить проблему его перелива из чугуновозного ковша. Поскольку имеющееся в таких цехах подъемно-транспортное оборудование не приспособлено к работе с тяжелыми чугуновозными ковшами, то наиболее рациональным представляется сооружение в литейном цехе кантовального устройства. Наличие такого устройства обеспечивает прием чугуновозных ковшей и слив чугуна в разливочный ковш без реконструкции цеха и модернизации кранового оборудования. Участок приемки чугуна, включающий кантовальное устройство стандартной разливочной машины, пульт управления, рабочую площадку с промежуточным желобом, целесообразно располагать за пределами здания цеха. Видимо, в состав этого участка также целесообразно включать устройство для продувки чугуна нейтральным газом (азотом). Необходимость такой установки в целом следует решать применительно к конкретному литейному цеху, так как на ряде металлургических заводов существуют установки для внепечной обработки чугуна непосредственно в чугуновозных ковшах, что нельзя не принимать во вни-мание.

При необходимости корректировки химического состава передельного чугуна для изложниц в условиях литейного цеха возникает проблема введения соответствующих ферросплавов и лигатур непосредственно в разливочный ковш. Для решения этой задачи могут быть использованы многие из технологических приемов, рассмотренных в главе 2. Вместе с тем, как показывает опыт отечественных заводов, предпочтение все же отдается наиболее простым в функциональном плане установкам и технологиям. Например, разработанный в литейном цехе Донецкого металлургического завода способ обработки чугуна в разливочном ковше включает загрузку лигатуры на дно ковша в открытую сверху камеру, в которую предварительно устанавливают поддон вместе с футерованной штангой (рис.4.3).

1

Рисунок 4.3 - Схема обработки чугуна в ковше модификаторами и лигатурами: а – положение поддона перед заливкой; б – положение поддона при обработке; 1 – механизм подъема; 2 – футерованная штанга; 3 – ковш; 4 – перегородка; 5 – поддон с лигатурой.

Камера отгорожена на дне ковша перегородкой из огнеупорного кирпича. После заполнения ковша металлом поддон вместе с лигатурой перемещают подъемным механизмом вертикально вверх и удерживают в таком положении до прекращения взаимодействия лигатуры с чугуном. По литературным данным, чугун можно обрабатывать даже при температурах 1250-1270 оС.

При производстве изложниц в специализированных литейных цехах возможности по управлению качеством чугуна значительно расширяются и, главным образом, зависят от концептуального решения применительно к конкретным условиям. Накопленный в бывшем СССР опыт по производству изложниц в специализированных литейных цехах подтверждает целесообразность их организации. Между тем, в силу неуклонного снижения доли стали, разливаемой в слитки, дальнейшее расширение объемов производства изложниц в специализированных цехах представляется весьма проблематичным. В условиях развития рыночных отношений особого внимания заслуживают технологические приемы, базирующиеся на использовании модификаторов и реагентов, имеющих сравнительно низкую стоимость. Так, для повышения стойкости тяжелых изложниц на металлургическом комбинате "Запорожсталь" длительное время использовали технологию обработки передельного чугуна титановой губкой, являющейся отходом титаномагниевого производства. Титановая губка (оптимальная фракция 2-5 мм) подается в литниковую чашу под струю металла при заливке формы (рис.4.4). Изучение химической неоднородности чугуна изложниц для листовых слитков показало, что наряду с уменьшением неоднородности распределения углерода и серы по высоте изложницы из чугуна, модифицированного титановой губкой, уменьшается и их среднее содержание.

При обработке чугуна титановой губкой в изложницах формируется перлитно-ферритная структура (содержание феррита до 40%). Как показали металлографические исследования, в образцах чугуна, обработанного титановой губкой, феррит окаймляет графитовые пластинки и, видимо, снижает напряжения, концентрирующиеся у концов графитовых включений. На практике установлено, что с увеличением остаточного содержания титана динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона, определенные с помощью ультразвукового измерителя скорости УЗИС-7, снижаются. Теплопроводность же обработанного титановой губкой чугуна возрастает, что, видимо, является следствием увеличения доли феррита в металлической основе и более полной графитизации чугуна.

Схема подачи титановой губки в литниковую чашу при заливке форм изложниц

Рисунок 4.4 – Схема подачи титановой губки в литниковую чашу при заливке форм изложниц

Для чугуна, обработанного титановой губкой, отмечено также повышение термостойкости на 10-40 % (наилучшие результаты достигнуты при остаточном содержании титана до 0,09 %). В этих исследованиях показатель термостойкости оценивали по склонности чугуна к трещинообразованию, которую определяли на пустотелых цилиндрических образцах с острой выточкой на одном из торцов, исполнявшей роль концентратора напряжений. Середину образцов нагревали током высокой частоты до 900 оС (температура у выточки при этом достигала 500 оС, что имитировало неоднородный нагрев чугуна в изложнице в ходе ее эксплуатации). Сопротивляемость чугуна образованию сетки разгара оценивали по результатам испытаний проб на окалиностойкость и ростоустойчивость. При температуре 600 оС эти показатели у всех испытываемых чугунов были одинаковыми, а при 800 оС более низкие показатели отмечены у чугуна, обработанного титановой губкой. В местах образования трещин отмечено увеличение эвтектического зерна, размеров графитовых включений, повышение их однородности и более высокая степень изолированности.

Для выяснения механизма влияния губчатого титана на процессы графитизации и кристаллизации в доменном чугуне определяли состав и содержание в нем газов. Установлено, что при вакуумном нагреве до 900 оС из 100 граммов губки выделяется около 2000 см3 водорода. Содержание водорода в чугуне, определяемое методом вакуум-нагрева, до и после ввода губчатого титана в количестве 2 кг на тонну чугуна, составило, соответственно, 2,30 см3 и 2,60 см3 на 100 г чугуна. Анализ содержания кислорода и азота, выполненный методом вакуум-плавления при температуре 1700 оС и давлении 0,013 Па, показал, что при остаточном содержании титана 0,06-0,09% и выше содержание этих элементов в чугуне после обработки титановой губкой практически не изменяется. При этом титан связывает азот в тугоплавкие нитриды, которые не разлагаются при вакуум-плавлении. Наибольшая степень графитизации получена у чугуна, содержащего 0,06-0,07 % остаточного титана. В образцах, вырезанных из середины стенки изложницы после обработки титановой губкой, отмечено некоторое укрупнение графитных включений.

Наиболее вероятный механизм воздействия титановой губки на чугун, видимо, заключается в следующем. Поскольку из губки в локальных объемах выделяется большое количество водорода, пузырьки которого всплывают через жидкую ванну чугуна, то в расплаве увеличивается вероятность столкновения частиц избыточного заэвтектического углерода и ускоряется их коагуляция и всплывание в результате флотации. Помимо этого, титан, взаимодействуя с растворенным азотом, образует тугоплавкие нитриды, что обеспечивает удаление из расплава азота, который препятствует процессу графитизации. Это повышает чистоту кристаллов железа и увеличивает пластичность металлической основы чугуна и, в свою очередь, замедляет образование трещин в стенках изложниц. Продувка металла пузырьками водорода также способствует очистке чугуна от графитовых и неметаллических включений и обеспечивает последовательно-объемный характер кристаллизации, то есть, более быстрое образование твердой корки со стороны стержня с более мелким эвтектическим зерном. Дополнительно водород способствует увеличению размеров графитовых включений в торцевых и наружных частях стенок изложниц.

В целом же исследования влияния губчатого титана на стойкость тяжелых слябинговых изложниц показали, что лучшее сочетание структуры и свойств чугуна, обработанного губчатым титаном, достигается при содержании титана в чугуне на уровне 0,06-0,09 %. В этом случае удельный расход изложниц снижается в среднем на 10-15 %.

Между тем, многолетняя практика работы цехов по производству изложниц показала, что при использовании доменного передельного чугуна все же не удается избежать некоторых довольно специфических дефектов (плены на внутренней поверхности изложниц, пригар и пр.), которые могут весьма существенно влиять на эксплуатационные показатели изложниц.

Обычно плены образуются в углах и донной части изложниц, что значительно снижает качество их внутренней поверхности. Отмечено, что частота образования плен выше при производстве тяжелых и толстостенных изложниц. Наличие плен в 1,5-2 раза увеличивает трудоемкость процесса очистки изложниц, что соответственно снижает производительность обрубного участка. Помимо этого, отслаивание неудаленных плен при заливке стали ухудшает качество поверхности слитков. По химическому составу плены существенно отличаются от ковшевой пробы исходного чугуна: содержание фосфора в пленах доходит до 0,30-0,48% при максимальном содержании в ковшевых пробах 0,087-0,136% (данные комбината "Криворожсталь"). Для микроструктуры плен характерно наличие большого количества фосфидной эвтетики и заэвтектического графита. Данные химического и металлографического анализа плен позволяют сделать вывод о том, что они представляют собой "выпоты" эвтектической жидкости, обогащенной ликватами (фосфором). Это можно рассматривать как проявление эффекта обратной ликвации. Вероятность образования плен на внутренней поверхности изложниц зависит от химического состава чугуна (главным образом, от соотношения содержания марганца и кремния). С увеличением этого отношения вероятность образования плен в изложницах уменьшается. При величине отношения содержания марганца к кремнию равном 2,0 плены практически не наблюдаются, хотя такой состав чугуна для стойкости изложниц далеко не во всех случаях является оптимальным. Одной из причин такого благоприятного влияния этого отношения является снижение величины предусадочного расширения и, следовательно, внутреннего давления в отливке в процессе кристаллизации.

Существенное влияние на образование плен оказывает предварительная обработка чугуна, применяемая для корректировки его химического состава. Наибольшая частота образования плен наблюдается в изложницах, отливаемых из чугуна, модифицированного ферросилицием, а наименьшая - из чугуна, обработанного окалиной. Изложницы, отливаемые из чугуна текущего производства, занимают в этом отношении промежуточное положение, причем вероятность образования плен в них колеблется в достаточно широких пределах в зависимости от концентрации в чугуне графитовых, газовых и неметаллических включений. Исследование макроструктуры чугуна в стенках изложниц показало, что образование плен обусловлено воздействием различной обработки на характер затвердевания чугуна. При модифицировании твердым ферросилицием в расплаве образуется большое количество дополнительных центров кристаллизации, что способствует объемному характеру затвердевания и вызывает измельчение и выравнивание размеров эвтектического зерна по толщине стенки изложницы. Измельчая зерно и способствуя объемному характеру кристаллизации, модифицирование увеличивает тем самым продолжительность пребывания металла в твердо-жидком состоянии, что приводит к замедлению образования твердой корки. Развитие процесса графитизации происходит одновременно почти во всем объеме отливки, что увеличивает внутреннее давление в расплаве и, соответственно, усиливает выдавливание эвтектической жидкости, вследствие чего она проникает на внутреннюю поверхность изложниц в тех местах, где корка затвердевшего металла имеет наименьшую толщину (в углах изложниц). Между тем, в изложницах, отливаемых из немодифицированного чугуна, обычно преобладает последовательный (последовательно-объемный) характер кристаллизации. Как известно, в этом случае твердая корка со стороны стержня образуется быстрее, что затрудняет просачивание последних порций эвтектической жидкости и может предотвратить возникновение плен.

Наилучшие результаты, полученные при отливке изложниц из высокомарганцовистого чугуна, подвергавшегося обработке окалиной, обусловлены тем, что в этих условиях обеспечивается также последовательный (последовательно-объемный) характер кристаллизации. В результате барботажа металла выделяющимися при обработке газами происходит очистка чугуна от различного рода неметаллических включений, способствующих развитию объемного характера затвердевания отливки. Существенное уменьшение количества плен наблюдается также в случае продувки чугуна сжатым воздухом и азотом. Положительное влияние продувки жидкого чугуна на уменьшение вероятности образования плен может быть также объяснено очисткой чугуна от микро-группировок заэвтектического графита и других неметаллических включений, способствующих объемному характеру кристаллизации.

Помимо плен в изложницах из чугуна доменной плавки нередко наблюдается своеобразный вид пригара, который чаще всего образуется в углах и донной части, где толщина металлизиро-ванных его образований доходит до 200 мм. Пригар также может образовываться на гранях. Здесь толщина пригара обычно не превышает 20 мм, и он сравнительно легко удаляется в виде металлизированных "карт" с линейным размером несколько десятков сантиметров, обнажая гладкую поверхность отливок. Характер поражения внутренней поверхности изложниц пригаром бывает различным. В одних случаях он проявляется в виде отдельных участков большей или меньшей протяженности, а в других - поражает угол на значительную высоту, захватывая часть грани.

Рассматриваемый вид пригара представляет собой формовочную смесь, пропитанную чугуном. Появление пригара в изложницах, заливаемых при низких температурах (ниже 1200 оС), обнаруживаемые при этом плены, а также факт легкого отделения плоских образований пригара от поверхности граней позволяют предполагать, что рассматриваемый вид пригара по своему происхождению отличается от "классического" механического пригара и является специфичным для доменного передельного чугуна. Дополнительно установлено, что количество железа в пригаре колеблется в пределах 21-67%, а содержание фосфора в металлической части пригара - в пределах 0,117-0,280 % при содержании его в чугуне изложниц 0,05-0,06%.

Следовательно, описанный вид пригара можно рассматривать как самостоятельный вид дефекта, который в отличие от "классического" механического пригара образуется не при контакте жидкого металла с поверхностью формы, а после образования затвердевшей корки отливки. Этот вид пригара, подобно угловым пленам, является следствием выдавливания через пористую корку отливок последних порций жидкости, еще оставшейся между эвтектическими зернами и проникновения ее между частицами формовочной смеси. Образованию такого типа пригара также способствует общее или слабое локальное уплотнение поверхности стержней.

Помимо этого для изложниц из доменного передельного чугуна характерна значительная макронеоднородность, как по толщине, так и по высоте стенок. Макронеоднородность проявляется в наличии в отливке эвтектического зерна таких размеров, которые не характерны для данной зоны. Причиной этого вида макро-неоднородности является физическая и химическая неоднородность жидкого чугуна доменной плавки, являющегося по своему составу заэвтектическим и содержащим большое количество макрогруппировок графита. Макронеоднородность по высоте проявляется в разделении продольного сечения стенки на две зоны с качественно различной макроструктурой. В нижних зонах (2/3 высоты от низа при заливке) сквозных изложниц эвтектическое зерно имеет четко выраженные границы, а в верхних зонах (1/3 сверху) эвтектическое зерно практически не выявляется. Это обусловлено выраженным объемным характером затвердевания в этой части изложниц из-за с загрязнением чугуна всплывающим заэвтектическим графитом и другими неметаллическими включениями.

В последнее время, учитывая высокие показатели теплопроводности и термостойкости, а также низкие значения модуля упругости, большое внимание уделяется производству изложниц из чугуна с вермикулярным графитом. Для получения вермикулярного графита в чугуне изложниц обязательными компонентами являются магний, титан и редкоземельные металлы. Принято также считать, что барий, алюминий и кальций решающего влияния на получение вермикулярного графита не оказывают, но способствуют достижению стабильности результатов обработки.

Исследования, выполненные на Череповецком металлургическом комбинате "Северсталь" при отливке сквозных сортовых уширенных книзу изложниц, показали, что при достижении в структуре чугуна вермикулярного графита (остаточная концентрация магния на уровне 0,006-0,025 %) стойкость изложниц возрастает, по крайней мере, на 30 %. В рекомендуемом для обработки комплексном модификаторе содержание магния должно быть не менее 4,2 % при одновременном содержании редкоземельных элементов не менее 1 %. Аналогичные результаты получены и другими исследователями.

Таким образом, практика использования изложниц из доменного передельного чугуна в целом позволила определить рациональный химический состав материала и общую схему технологии их производства. Решение проблемы повышения стойкости изложниц, видимо, будет получать дальнейшее развитие в части изысканий технологий доводки чугуна, как конструкционного материала с повышенными эксплуатационными свойствами.

  4.3 Изложницы из доменного передельного чугуна с пластинчатым графитом
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ