СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ЧУГУНАХ Российский патент 1995 года по МПК G01N7/18 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для определения содержания углерода в чугунах преимущественно по ходу плавки.

Содержание углерода в чугунах является одним из основных факторов, оказывающих влияние на литейные и механические свойства. Поэтому контроль углерода в чугунах по ходу плавки и корректировка его содержания имеют большое значение.

Для получения заданной марки чугуна достаточно обеспечить требуемое содержание углерода, а содержание других элементов, в частности кремния, можно корректировать по величине отбела технологической пробы на отбел.

Для определения содержания углерода применяют различные методы.

Широкое применение нашли химико-аналитические методы. Основу их составляет сжигание навески чугунной стружки на лодочке в трубчатой печи с помощью прибора АН-7529. Сжигание производят в потоке кислорода, что значительно ускоряет процесс.

Однако образующийся СO₂ поглощается раствором, находящимся в электрической ячейке, что изменяет ЭДС индикаторной системы рНметра. Общее время анализа от момента заливки пробы до получения готового результата составляет, как правило, не менее 10 мин. Анализ проводят в отдельном помещении специальные лаборанты. По этим причинам метод находит ограниченное применение для контроля по ходу плавки и корректировки состава чугуна по углероду.

Некоторые предприятия используют термографический метод определения содержания углерода по кривой охлаждения чугуна, на которой фиксируются температуры ликвидуса и солидуса. В стержневую пробницу разового пользования заливается чугун, температура которого непрерывно измеряется при помощи малоинерционной термопары. Кривая охлаждения записывается на диаграммной ленте потенциометра. По расположению перегибов в критических точках (солидуса и ликвидуса) определяют содержание углерода и кремния. Продолжительность анализа приблизительно 3 мин. Достоинство метода в том, что измерение осуществляет плавильщик непосредственно у плавильной печи.

Недостатками метода являются необходимость изготавливать специальные пробницы с термопарами (как правило разового пользования), а также высокие требования к точности приборов и термопар.

Широко применяются для определения содержания углерода и других элементов спектральные методы. Современные многоканальные квантометры зарубежные и отечественные (ДФС-51, ДФС-61) позволяют определить содержание углерода и ряда других элементов в пределах минуты, без учета времени на подготовку пробы: заливку, охлаждение, транспортировку и шлифовку.

Необходимым условием для определения содержания углерода спектральным методом является получение технологической пробы без выделений графита, т. е. весь углерод должен быть в связанном состоянии.

Недостатки метода заключаются в использовании сложных и дорогих приборов, хорошо оборудованных помещений, квалифицированного обслуживания, а также необходимых дорогостоящих и обычно дефицитных эталонов. Поэтому этот метод целесообразно применять в условиях поточно-массового производства.

Цель изобретения состоит в определении углерода непосредственно у плавильного агрегата, в исключении сложного, дорогостоящего оборудования и эталонов и специального обслуживающего персонала.

Способ определения содержания углерода, включающий отливку технологической пробы без выделений графита, осуществляют по величине удлинения пробы, подвергнутой графитизирующему отжигу.

В способе, принятом за прототип, после отливки пробы без выделений графита ее транспортируют в помещение, где расположены спектральные приборы, например квантометр, шлифуют поверхность и определяют содержание углерода и других элементов по спектру.

В предлагаемом изобретении после отливки технологической пробы без выделений графита ее охлаждают до температуры окружающей среды, измеряют (или фиксируют) длину, проводят ее графитизирующий отжиг, охлаждают до температуры окружающей среды и измеряют длину (или удлинение). По величине удлинения определяют содержание углерода.

В отлитой пробе весь углерод находится в связанном состоянии. После графитизирующего отжига проба состоит из металлической основы и графита. Выделение углерода в виде графита вызывает увеличение объема пробы. Удлинение пробы тем больше, чем выше содержание углерода в чугуне.

Скорость охлаждения технологической пробы при ее затвердевании должна быть такой, чтобы при любом составе чугуна исключить выделение графита. Этому условию удовлетворяет затвердевание пробы в металлической форме, в частности медной.

Оптимальная температура графитизирующего отжига 940-1120^оС. Температура ниже 940^оС значительно удлиняет процесс графитизации, а выше 1120^оС приводит к деформации образца и его плавлению. Увеличение температуры на 10^оС почти в два раза повышает скорость графитизации и сокращает время распада цементия в 1,25 раза.

Оптимальная длина технологической пробы 50-120 мм. Меньшая длина существенно увеличивает относительную погрешность измерений длины, а большая затрудняет получение пробы. Оптимальное сечение (диаметр) пробы - 2-5 мм. Меньшее сечение ее сокращает время графитизации, но затрудняет процесс получения пробы. Большее сечение облегчает этот процесс, но увеличивает время графитизации и вероятность выделения графита при затвердевании пробы.

Для чугунов с низким содержанием элементов, ускоряющих графитизацию (например, кремния), и высоким содержанием элементов, замедляющих графитизацию (например, марганца и хрома), в жидкий чугун, предназначенный для заливки технологической пробы, следует вводить добавку. В качестве основы такой добавки можно рекомендовать графитизирующий модификатор, например ферросилиций марки ФС75, в количестве 0,3-0,8% от веса чугуна в пробоотборнике. Графитизирующий модификатор сокращает время и/или температуру графитизирующего отжига.

П р и м е р 1. С помощью пробоотборника заливают чугун в медную форму с плотностью диаметром 4 мм и длиной 100 мм для технологической пробы. Через 20 ч после заливки пробу извлекают из формы и охлаждают в воде до температуры окружающей среды. Длина пробы, измеренной микрометром равна 98,05 мм. Помещают пробу в лабораторную печь с 1080^оС, выдерживают ее 4 мин, охлаждают в воде до температуры окружающей среды. Снова измеряют длину пробы. Она равна 100,35 мм. Удлинение составляет 2,30 мм (2,36%). По графику, построенному на основе экспериментальных данных, в осях: удлинение пробы (%) и содержание углерода (%), определяют содержание углерода 3,49%. Общее время от заливки образца до получения результата составляет 5 мин. Химический анализ показывает содержание углерода в чугуне 3,51%.

П р и м е р 2. В пробоотборник помещают стабилизирущую добавку (0,5% ФС75 от веса металла в пробоотборнике). Пробоотборник заполняют чугуном, затем заливают его в медную форму с полостью диаметром 4 мм и длиной 50 мм для технологической пробы. Через 20 с пробу извлекают из формы, охлаждают в воде до температуры окружающей среды, устанавливают измерительное приспособление и фиксируют ее длину. Помещают пробу в лабораторную печь с 1040^оС, выдерживают 3 мин и охлаждают в воде до температуры окружающей среды. Снова устанавливают пробу в измерительное приспособление и определяют удлинение 0,534 мм (1,09% ). По графику определяют содержание углерода 2,69%. Общее время от заливки образца до получения результата составляет 4,5 мин. Химический анализ показывает содержание углерода в чугуне 2,67%.

Предлагаемый способ позволяет плавильщику определять содержание углерода непосредственно у плавильного агрегата по ходу плавки, не требует дорогостоящих приборов и оборудования, специального персонала. Способ прост, надежен и обеспечивает достаточную для практики производства чугунных отливок точность ±0,03% .

Изобретение может быть использовано в области литейного производства для определения содержания углерода по ходу плавки. Сущность: отливают технологическую пробу без выделений графита, подвергают ее графитизирующему отжигу при 940 - 1120°С, измеряют величину удлинения пробы и по ней определяют содержание углерода в чугуне. Для ускорения отжига в жидкий чугун, предназначенный для отливки технологической пробы, вводят добавку, содержащую графитизирующие элементы. 1 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ЧУГУНАХ преимущественно по ходу плавки, включающий отливку технологической пробы без выделений графита, отличающийся тем, что пробу подвергают графитизирующему отжигу при 940 - 1120^oС и по величине удлинения пробы определяют содержание углерода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отливке технологической пробы в нее вводят добавку, содержащую графитизирующие элементы.