СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА Российский патент 1997 года по МПК B22D1/00 C21C1/00 C21C7/00 F27D3/15 

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно для производства высокопрочных марок чугунов с шаровидной формой графита, а также при обессеривании любых сплавов в процессе слива их из плавильных агрегатов или заливки форм. В том и другом случае вопросы остаются актуальными и требуют своего правильного решения.

Еще в 1947 году было найдено, что если в жидкий чугун ввести даже небольшое количество металлического магния, то он незамедлительно из обыкновенного серого с пластинчатым графитом превращается в высокопрочный чугун с шаровидным графитом, не уступающим по своим механическим и пластическим свойствам качеству конструкционных сталей, а по антифрикционности цветным сплавам, предназначенным для эксплуатации их в узлах трения. Казалось бы, осуществилась у людей науки и практики извечная мечта: использовав для плавки удобный и дешевый плавильный агрегат, каким является вагранка, получать из нее материал с прочностными свойствами стали, а с технологическими качествами для литься, как у серого чугуна. Из вновь открытого материала появилась реальная возможность с большим технико-экономическим эффектом изготавливать заготовки, производимые ранее только из стали, ковкого чугуна, бронзы и из антифрикционных сплавов. Применение магниевого чугуна позволяет уменьшить вес чугунных отливок и повысить их эксплуатационные качества за счет повышения их прочности и пластичности.

За почти 50 лет было доказано, что высокопрочный чугун является полноценным заменителем не только стального литья и проката, но даже дорогостоящих поковок в различных отраслях машиностроения. Все это вместе взятое вызвало у промышленности к новому материалу огромный интерес, имея в виду наличие в природе достаточного количества сырья для производства самого магния. Но с самого начала работ выяснились большие трудности, связанные с вводом магния в жидкий чугун. Имея температуру плавления всего лишь 621^oС и точку кипения 1102^oС при вводе в расплав чугуна, магний мгновенно превращается в пар, сопровождается бурным кипением металла с катастрофическими выбросами его из ковша. Свободный выброс наружу паров и частиц металла не дает нужного эффекта насыщения чугуна магнием, и нередки случаи, когда механические и пластические свойства чугуна получаются неустойчивыми, даже при одном и том же количестве вводимого магния и при одной и той же шихте. Этот недостаток усиливается еще и тем, что при интенсивном парообразовании во всех случаях в жидком чугуне создаются каналы, по которым пары магния с большой скоростью поднимаются на поверхность и очень плохо осваиваются металлом ввиду недостаточно объемного контакта. Пары магния при соединении с кислородом воздуха образуют ослепительно яркое пламя и большое количество белого дыма (окись магния), представляющее неудобство и даже немалую опасность для обслуживающего персонала. Чтобы свести эти и другие недостатки к минимуму, с самого начала начали проводиться усиленные поиски по улучшению технологии. Однако уже после 13 лет опыта производства высокопрочного чугуна, опираясь на собственные исследования, изучив отечественную и зарубежную литературу в количестве 536 источников, в своем объемистом труде "Магниевый чугун" (Москва-Киев, Машгиз, 1960) доктора технических наук Ващенко и Сафрони были вынуждены признать необходимость "продолжения упорной работы над совершенствованием технологии получения и расширения областей применения этого перспективного материала". А еще через 22 года после этого, в 1982 году, в обобщенном труде "Высококачественные чугуны для отливок" (М. Машиностроение, 1982) группа авторов под редакцией доктора технических наук Н.Н.Александрова, так же опираясь на собственный опыт и с ссылкой на 93 литературных источника, сделали вывод, что решение о выпуске качественного высокопрочного чугуна к этому времени всецело зависело от "дальнейшего совершенствования технологии получения высокопрочного чугуна". К сожалению, приходится констатировать, что поставленные задачи остались невыполненными и до сих пор. Это подтверждается данными его выпуска, составляющего лишь менее 1% от всего производимого литья в странах СНГ в год. Совершенно не применяется магний и для обессеривания чугуна и стали. Такое неудовлетворительное положение может сохраниться и впредь, если не сделать коренного перелома в технологии обработки жидкого чугуна магнием. Попытки делались, были предложены десятки различных конструкций оборудования и методов. В их числе находится и способ обработки чугуна прутками магния без облицовки непосредственно на желобе вагранок или по авт. св. N 104269 от 26.09.56 г. Указанный метод предназначается для непрерывного производства высокопрочного чугуна в потоке при наборе его в литейные ковши. Однако практика показала, что механизация подачи прутков и конструкция самого кармана имеет ряд недостатков. Непрерывная подача прутков требует применения сложного автомата, а его прохождение через графитовую втулку вызывает увеличение проходного отверстия с попаданием жидкого металла в образовавшуюся щель. Но самым главным является то, что без защитной оболочки исключается возможность погружения прутка в глубокие слои металла.

Позже, в 1981 году, группа авторов получила свидетельства N 836114 на "Устройство для обработки жидкого чугуна в потоке магнием" и N 863653 на "Способ непрерывной обработки жидкого чугуна магнием", состоящие из воронок с тангенциальными подводами металла и сливных водоохлаждаемых металлопроводов.

За прошедшие 12 лет со дня выдачи авторских свидетельств указанные устройства не получили никакого практического применения.

Основными причинами такого явления послужили сложности изготовления самого водоохлаждаемого магниевого патрона, связанные с заливкой в его корпус расплава магния, организацией подачи и удалением воды непосредственно на формовочных участках с опасностью в процессе работы при охлаждении корпуса.

Немаловажным для качества высокопрочного чугуна является факт попадания в металл воздуха и шлака, засасываемых вихревым потоком от вращения струи. Ускоренный поток металла под углублением воронки быстро увлекает за собой со шлаками и воздухом образовавшиеся пары магния по оси, препятствуя обработке парами магния поступающего металла в воронку.

Кроме того, подвод жидкого чугуна через прямой и единственный канал по центру патрона создает такие условия, когда пролетающая струя практически не имеет достаточного времени для насыщения металла магнием. Этому в большой степени способствует и то, что в первые же секунды диаметр канала расширяется, струя удаляется от стенок, а значит, совершенно прекращается очень важный процесс передачи тепла между непосредственно соприкасающимися частями тела теплопроводность. После этого начинают действовать только менее эффективные законы теплоотдачи конвективный и тепловое излучение, что в данном случае совершенно недостаточно. Указанный недостаток был ошибочно повторен в заявке на изобретение от 15.11.90 г N 4883094/02.110481 "Способ получения высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита".

Неоднократные испытания убедили, что подвод металла через прямой центровой канал не может обеспечить получения устойчивых результатов по усвоению магния.

Для ликвидации указанных недостатков 1.07.93 г. была подана заявка N 93034183 на "Способ получения высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита" также в потоке, но при помощи паров, получаемых из магния в виде дроби или порошка, находящихся в полости стальной трубки, поступающей в металлоприемник. Однако следует отметить, что, несмотря на наличие беспорных достоинств, указанный способ остается трудоемким и дорогостоящим, что вызвано приготовлением дроби, закладкой ее в трубку и применением специального подающего механизма.

В заключении краткого обзора существующих методов производства высокопрочного чугуна нельзя не подчеркнуть, что они оказываются с большими недостатками: снижение температуры обрабатываемого металла, повышенный расход магния, применение специальных оборудований и приспособлений. О несовершенстве способов насыщения чугуна магнием говорит сам факт существования для этого многочисленных технологических приемов, применяемых в производстве.

Изобретением предлагается при сохранении обработки струи чугуна в потоке в корне изменить характер получения паров магния. Для этого предусматривается использовать полосовую заготовку из металлического стандартного магния или из его лигатур с кремнием толщиной 15 20 мм, шириной 85 100 мм при длине в зависимости от требуемого веса, составляющего 0,09 0,1 от веса обрабатываемого объема жидкого чугуна. Толщина будет меняться в зависимости от содержания кремния в лигатуре. Полосовая заготовка может быть получена экструдированием, прокатом, литьем или разрезкой стандартных чушек на пластины.

Сущность способа заключается в том, чтобы высокопрочный чугун с шаровидным графитом получать непосредственно при протекании струи по желобу обработкой ее парами магния, образуемыми в результате контакта жидкого чугуна с поверхностью по всей длине полосовой заготовки. Для этого полосовая заготовка в виде целого куска или разрезанная на части закладывается в тело стержневых блоков, изготовленных из смесей на жидком стекле или с применением других известных крепителей. После сушки и покраски стержни укладываются в корпус желоба в качестве футеровки так, чтобы поверхность одного из ребер оставалась по всей длине оголенной и служила дном канала желоба, а все другие поверхности заготовки оказались закрытыми стержневой массой.

Желоб может быть приставленным к основному, в случае набора металла из плавильных агрегатов в ковш, или к литейной чаше при непосредственной заливке форм.

В любом случае он должен состоять, как это видно из чертежа, из корпуса 1 и крышки 2, изготовленных из стального листа, из стержневых блоков 3, с заложенными в футеровку полосовых заготовок 4 из магния или его лигатуры с кремнием.

Способ производства высокопрочного чугуна по предложенному методу очень прост и не требует никакого оборудования.

Сущность его заключается в том, что протекающая струя по всей длине полосовой заготовки оказывается под действием паров магния и, купаясь в них, превращается из серого пластинчатого в чугун с шаровидной формой графита. Процесс идет в потоке и продолжается до тех пор, пока не прекратится заливка металла в ковш или в форму.

При новой порции чугуна, подлежащей обработке парами магния, ставится другой желоб, а использованный будет находиться в резерве.

Разработанный способ совершенно безопасен, прост, не требует никаких капитальных затрат, нет потерь температур, в 2 3 раза снижается расход магния, резко улучшается качество металла.

Использование: металлургия, преимущественно для производства высокопрочных чугунов с шаровидной формой графита. Сущность: струю чугуна, протекающего по сливному каналу футерованного желоба при сливе из плавильного агрегата или при заливке форм, обрабатывают парами магния, образующимися при контакте с поверхностью продольного ребра полосовой вставки из магнийсодержащего модификатора, размещенной в теле футеровки сливного канала желоба; в качестве магнийсодержащего модификатора может использоваться металлический магний или магниево-кремниевая лигатура. 2 з.п.ф., 1 ил.

1. Способ получения высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, включающий обработку в потоке струи чугуна, протекающего по сливному каналу футерованного желоба при сливе чугуна из плавильного агрегата или заливке формы посредством контакта с поверхностью полосовой вставки из модификатора, размещенной в теле футеровки сливного канала желоба с выходом оголенной поверхности на дно сливного канала желоба, отличающийся тем, что обработку осуществляют парами магния, образующимися при контакте жидкого чугуна с поверхностью продольного ребра полосовой вставки из магнийсодержащего модификатора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку производят парами магния, образующимися при контакте жидкого чугуна с поверхностью продольного ребра вставки из металлического магния. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку осуществляют парами магния, образующимися при контакте жидкого чугуна с поверхностью продольного ребра вставки из магниево-кремниевой лигатуры.