Способ производства высокопрочного чугуна

 

Изобретение относится к металлургии и позволяет уменьшить расход модифицирующего вещества без риска получения отливок, в которых графит не полностью выпал в зерна. Способ производства высокопрочного чугуна включает получение основного расплава (ОР) расплава с использованием модифицирующего вещества, контроль и корректировку состава расплава взятием от ОР проб пробоотборником, один термодатчик которого расположен в его центре, а другой - у его стенки. После взятия пробы в расплав пробоотборника добавляют необходимое количество оксидов, сульфидов или оксисульфидов, способных окислять содержащееся в пробе модифицирующее вещество и обеспечивающих затухание этих реакций в течение всего процесса изготовления отливки. В процессе затвердевания расплава в пробоотборнике определяют и записывают температуру по времени и определяют степень шаровидности выпавших включений графита. При необходимости обеспечения требуемой степени шаровидности включений графита ОР дополнительно вводят модифицирующее вещество. 1 c. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Данное изобретение относится к способу производства высокопрочного ковкого чугуна, содержащему управление и коррекцию состава и физических свойств расплава чугуна. Конкретнее, способ содержит этапы определения полученных структурных характеристик расплава посредством термического анализа расплава и проведения необходимой коррекции состава.

Термический анализ давно уже применялся для определения характеристик металлических расплавов. Метод термического анализа позволяет пробе расплава затвердеть в соответствующем сосуде, оборудованном одной или более термопарами, посредством которых записывают температуры в расплаве при его затвердевании. Выпадение в осадок различных фаз и преобразование фаз можно определить по зависимости температуры от времени.

В производстве ковкого чугуна существенным является, чтобы количество модифицирующего структуру вещества было достаточным для выпадения графита в виде зерен. Также, конечно, должно быть достаточное количество вещества, на котором образуются ядра зерен.

Патент США US-A4667725 предлагает способ определения структурных характеристик расплава, который позволяет определить металлографическую структуру, которая развивается в ходе затвердения металлического расплава. Способ содержит извлечение пробы из расплава и позволяет расплаву затвердеть в пробном сосуде, оборудованном двумя термодатчиками, один из которых помещен в центре объема пробы, а второй - по соседству со внутренней стенкой пробного сосуда. В процессе затвердения записываются различные температуры в функции времени с обоих термодатчиков. Из этих записей точки минимума и максимума, длительность участков неизменяемой температуры, "плечи" на графике, производимые и т.д. используются для предсказания структурных характеристик, которые будут получены. Способ по патенту США US-A4667725 в основном направлен на производство компактированного чугуна, что являлось трудной задачей для специалистов. Однако, эта технология может использоваться для предсказания структурных характеристик для литья ковкого чугуна. Типичный расплав для получения ковкого чугуна имеет величину С.Е. 4,4-4,6, т.е. является гиперэвтектическим чугуном. Способ раскроет лишь то, что получится затвердение с графитовыми зернами. Никакой информации об избыточных количествах модифицирующего структур вещества не получается. Это значит, что даже если количество модифицирующего вещества достаточно для получения хорошего продукта плавки в момент извлечения пробы, содержание модифицирующего вещества может уменьшиться за счет испарения (фединга) выгорания в процессе дальнейшей плавки и таким образом, последние заполняемые изложницы могут иметь расплав, который содержит недостаточное количество модифицирующего вещества.

Выгорание - Фединг - зависит от конкретного используемого процесса и конкретного используемого оборудования. Например, в одном литейном производстве Фединг /выгорание/ оказался равным 0,003% Mg за каждый пятиминутный период. Период литься в этом случае был примерно 15 минут. Другими словами, содержание модифицирующего вещества /в данном случае магния/ уменьшалось на 0,009% за время литья.

Упомянутая выше проблема заставляет литейщиков пользоваться сравнительно большим избытком модифицирующего вещества в расплаве, чтобы гарантировать полностью выпавший в зерна графит в чугуне в ходе каждой плавки. Использование избытка модифицирующего вещества, такого, как магний, связано со следующими недостатками: 1. Оно удорожает процесс: 2. Оно увеличивает тенденцию к образованию остаточных карбидов; 3. Оно может привести к нежелательным включениям оксидов в отливках.

Задачей описываемого изобретения является создание способа производства высокопрочного чугуна, позволяющего уменьшить расход модифицирующего вещества, такого как магний и соответствующие металлы.

Данное изобретение уменьшает необходимость в избытке модифицирующего вещества без риска получения отливок, в которых графит не полностью выпал в зерна.

Изобретение заключается в способе производства высокопрочного чугуна посредством тщательного управления и коррекции состава и полученных физических свойств расплава чугуна.

Это достигается тем, что в известном способе производства высокопрочного чугуна, включающем получение основного расплава с использованием модифицирующего вещества, контроль и корректировку состава расплава путем взятия от основного расплава проб с помощью пробоотборника, имеющего два термодатчика, один из которых размещают в его центре, а другой - у его стенки, определения и записи температуры по времени в процессе затвердевания расплава в пробоотборнике, определение из записанных температур степени шаровидности выпавших включений графита и, соответственно, требуемого процента модифицирующего вещества, отличающийся тем, что после взятия пробы в расплав пробоотборника добавляют необходимое количество окисляющей модифицирующее вещество добавки в виде оксидов, сульфидов или оксисульфидов, способных окислять содержащееся в пробе модифицирующее вещество и обеспечивающих затухание этих реакций в течение всего процесса изготовления отливки, а требуемый процент модифицирующего вещества корректируют дополнительным введением модифицирующего вещества к основному расплаву, если содержания модифицирующего вещества в пробе недостаточно для обеспечения требуемой степени шаровидности включений графита.

В качестве модифицирующего вещества могут использовать в преобладающей степени магний, причем содержание активного магния снижают посредством окисления на 0,005-0,015%.

Возможно использование магния в комбинации с редкоземельными металлами, хотя могут использоваться и другие модифицирующие вещества.

При малом первоначальном содержании модифицирующего вещества в основном расплаве и при последующем уменьшении содержания модифицирующего вещества ниже 0,03% в основной расплав дополнительно вводят модифицирующее вещество в количестве, достаточном для получения полностью шаровидного графита, во всех отливках, полученных из основного расплава.

Также возможно дополнительно контролировать и корректировать состав расплава при отборе его в ковш путем добавки в него необходимого количества оксидов, сульфидов или оксисульфидов и погружения в него пробоотборника и извлечения пробоотборника для определения и записи температур затвердевания.

Кроме того, в качестве термодатчиков используют термопары.

Сущность описываемого способа заключается в извлечении пробы из расплава, из которого хотят получить высокопрочный чугун. Этот расплав должен содержать модифицирующее вещество в количестве, по меньшей мере достаточном, чтобы получить графит в зернах при затвердевании. Избыточных количеств модифицирующего вещества следует избегать. Проба расплава вводится в пробный сосуд, которому дают придти в термическое равновесие с расплавом. Пробный сосуд оборудован двумя термодатчиками, один из которых размещен в центре объема пробы, а другой размещен по соседству со стенкой сосуда.

Расплаву пробы в сосуде дают затвердеть, и величины температур в процессе затвердевания записывают с помощью термодатчиков. В качестве термодатчиков среди прочих могут использоваться пирометры.

Оксиды, сульфиды или оксисульфиды добавляют в количестве, достаточном для окисления модифицирующего вещества, присутствующего в пробе, так чтобы снизить процент модифицирующего вещества на примерно 0,01% (в пересчете на магний).

Для простоты здесь говорится о модифицирующем веществе, состоящем только из магния, что позволяет привести реальные процентные содержания. Специалисты сразу не поймут, насколько нужно корректировать цифры при использовании других модифицирующих веществ.

По данному изобретению, добавляют определенное количество окисляющего вещества в сосуд с пробой расплава. Это окисляющее вещество будет реагировать с расплавом пробы, которая имеет определенный объем, в зависимости от конструкции используемого пробного сосуда, окисляя модифицирующее вещество, обычно магний. Это окислительное действие снижает количество активного модифицирующего вещества на заранее определенный процент, который рассчитан так, чтобы соответствовать потере модифицирующего вещества за счет выгорания - фединга - за время нормальной разливки расплава.

Изобретение подробнее разъяснено представленными чертежами.

Фиг. 1 показывает соотношение между различными типами выпадения графита, выраженное в процентном содержании графитовых зерен-кристаллов и процентном содержании растворенного элементарного магния; фиг. 2 показывает типичную запись хорошего расплава ковкого чугуна, где количество растворенного элементарного магния уменьшено на 0,01%.

Величины позволяют предсказать количество присутствующего магния, если образованный графит не полностью в виде зерен (или компактный). Это показано на фиг. 1, которая иллюстрирует соотношение между процентом образовавшихся зерен графита и содержанием элементарного магния. Из фиг. 1 видно, что эта область простирается от примерно 0,016 до 0,032% Mg, и что информация, касающаяся образования зернистого графита, также сообщает о процентном содержании растворенного элементарного магния в этой области примерно 0,016-0,032% Mg. В области выше примерно 0,032% Mg невозможно видеть изменений содержания магния из кривых затвердевания, тогда как при содержании ниже 0,016% Mg графит полностью скомпактирован, пока он не станет чешуйчатым ниже примерно 0,008 Mg.

Фиг. 2 показывает типичные кривые (Tc, T) для приемлемого расплава, из которого можно разлить ковкий чугун. Наиболее важными величинами являются T^*_w, - это переохлаждение, полученное у термопары, расположенной по соседству со стенкой пробного сосуда, T_w - это информация о выпадении ядер зерен в расплаве. Ценной является также величина Vekw, которая является положительной производной кривой затвердевания в нижней части диаграммы, и величина Δ T, которая является разностью между равновесной температурой эвтектики T_E и температурой максимального роста в центре /кривая Tc/ объем пробы. Эта величина Δ Tc дает информацию о процентном выпадении зерен графита. Специалисты определяют, такие величины соответствуют используемому ими оборудованию.

Сигнал с термопар является функцией скрытого тепла, выделяемого в процессе затвердевания. Так как скорость роста зависит от механизма роста, на который в свою очередь влияют количество модифицирующего вещества, содержащееся в расплаве, скорость оценки скрытой "теплоты" может быть определена как функция отношения длины к ширине графитовых зерен, начиная от скажем 20/1 для типичного компактированного кристалла графита до 1/1 для случая полностью зернистого графита.

Диаграмма величин термического анализа изменяется по морфологии, поэтому является максимальной в середине - образной кривой, показанной на фиг. 1, и имеет минимум, где кривая принимает горизонтальный характер.

Изобретение будет проиллюстрировано примерами, приведенными ниже, которые не должны рассматриваться, как ограничение объема изобретения.

Пример 1. Получен расплав чугуна, в котором истинное содержание растворенного элементарного магния было 0,035% /рассчитано в последствии/. Проведен термический анализ известным образом на пробе расплава, содержащейся в пробном сосуде типа, указанного в общей части описания. Этот анализ показал, что проба расплава была приемлемого качества с почти полной зернистостью.

Предполагалось завершить полный разлив плавки в пределах 15 минут с момента отбора пробы. Принимая, что скорость выгорания (фединга) магния равна 0,003% за 5 минут, истинный уровень содержания магния будет 0,026% в конце этого пятнадцатиминутного периода и начнется область, в которой будет получено низкое качество ковкого чугуна с зернистостью менее стандартных 80% в последних изложницах этой серии.

При термическом анализе, проведенном по изобретению, первоначальный уровень содержания магния пробы был снижен на 0,010% путем добавления железа и серы, давая в результате 0,035-0,010=0,025% магния и зернистость примерно 50% /см. фиг. 1/.

Таким образом, необходимо увеличить содержание магния всего расплава до по меньшей мере 0,042% Mg, чтобы скомпенсировать потерю магния за счет замирания /фединга/ в течение всего процесса (т.е. 15 минут). Таким образом, требуется добавочное количество 0,042-0,035=0,0075% Mg.

Пример 2. Расплав чугуна, в котором истинное содержание активного магния было 0,055%, проверялся по данному изобретению. Термический анализ показал зернистость 100% (0,055-0,010=0,045).

Расплав чугуна был предназначен для разлива в формы, в течение 15 минут. Проблем в смысле зернистости не наблюдалось, хотя металлографический анализ показал некоторое включение оксида и малое количество карбидов в затвердевшей пробе. Испытание показало что модифицирующее вещество было в избытке и содержание можно было уменьшить в следующей плавке. Альтернативно содержание магния может быть уменьшено использованием времени выдержки перед разливом или посредством добавления соответствующего количества окисляющего вещества.

Таким образом, изобретение дает ценный инструмент для процесса выплавки высокопрочного чугуна.

Формула изобретения

1. Способ производства высокопрочного чугуна, включающий получение основного расплава с использованием модифицирующего вещества, контроль и корректировку состава расплава путем взятия от основного расплава проб с помощью пробоотборника, имеющего два термодатчика, один из которых размещают в его центре, а другой - у его стенки, определения и записи температур по времени в процессе затвердевания расплава в пробоотборнике, определение из записанных температур степени шаровидности выпавших включений графита и соответственно требуемого процента модифицирующего вещества, отличающийся тем, что после взятия пробы в расплав пробоотборника добавляют необходимое количество окисляющей модифицирующее вещество добавки в виде оксидов, сульфидов или оксисульфидов, способных окислять содержащееся в пробе модифицирующее вещество и обеспечивающих затухание этих реакций в течение всего процесса изготовления отливки, а требуемый процент модифицирующего вещества корректируют дополнительным введением модифицирующего вещества к основному расплаву, если содержания модифицирующего вещества в пробе недостаточно для обеспечения требуемой степени шаровидности включения графита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модифицирующего вещества используют в преобладающей степени магний.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модифицирующего вещества используют в преобладающей степени магний, причем содержание активного магния снижают посредством окисления на 0,005 - 0,015%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при малом первоначальном содержании модифицирующего вещества в основном расплаве и при последующем уменьшении содержания модифицирующего вещества ниже 0,03% в основной расплав дополнительно вводят модифицирующее вещество в количестве, достаточном для получения полностью шаровидного графита во всех отливках, полученных из основного расплава.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно контроль и корректировку состава расплава ведут при отборе его в ковш путем добавки в него необходимого количества оксидов, сульфидов или оксисульфидов, погружения в него пробоотборника и извлечения пробоотборника для определения и записи температур затвердевания.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термодатчиков используют термопары.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2