СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ ИЗ ЧУГУНА ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ С ТЕМПЕРАТУРОЙ РАСПЛАВА НИЖЕ 1300°С Российский патент 1998 года по МПК C21C1/10 

Изобретение относится к способам обработки промышленных низкотемпературных (ниже 1300^oC) расплавов чугуна ваграночных плавок сфероидизирующими магний-кальцийсодержащими порошковыми проволочными модификаторами.

В производстве отливок из чугуна с шаровидным графитом используется большое количество способов сфероидизирующей графит обработки. Все они предусматривают ввод в чугунный расплав магния в виде металла, сплавов с элементами носителями химических соединений. Способ выплавки исходного чугуна - определяющий фактор в выборе метода сфероидизирующей графит обработки, однако во всех способах производства чугуна с шаровидным графитом выделяют: предсфероидизирующее инокулирование, сфероидизацию, постсфероидизирующее инокулирование, как самостоятельные составляющие процесса модификации.

Известен способ получения чугуна с шаровидным графитом и устройство для его осуществления [1]. Способ предусматривает введение в расплав чугуна ваграночной плавки железокремний-магнийсодержащей лигатуры, пропускание расплава через конфузорный смеситель и последующую заливку расплава в ковш. Предсфероидизирующая обработка производится совместно со сфероидизацией при пропускании расплава через конфузорный смеситель, куда вводят порошок карбида кальция, и отсев железокремний-магнийсодержащей лигатуры. Использование в качестве сфероидизатора магнийсодержащей лигатуры позволяет осуществить более спокойный ввод магния в расплав чугуна, снизить пылегазовыделение при модификации. К недостаткам способа относится:
пропускание расплава через конфузорный смеситель, дополнительный перегрев расплава до 1450-1500^oC, продувка его кислородом - приводит к угасанию эффекта сфероидизации и инокулирования, что снижает степень усвоения магния расплавом чугуна и снижает содержание шаровидного графита в отливках;
необходимость использования дополнительного оборудования для подготовки и ввода сфероидизирующей добавки.

Известен способ получения высокопрочного чугуна, включающий обработку расплава чугуна в реакционной камере литейной формы магнийсодержащей лигатурой и ферросилицием [2]. Способ является частным случаем "Инмолд-процесса" - процесса внутриформовой обработки и предусматривает совмещенную сфероидизирующую и постсфероидизирующую и постсфероидизирующую обработку расплава чугуна в процессе заливки металла в литейную форму. Способ имеет следующие преимущества: отсутствие дымовыделения и свечения, высокая (до 80%) степень усвоения магния, отсутствие исчезновения эффекта сфероидизации и инокулирования.

К недостаткам способа относятся:
способ эффективен только для низкосернистого исходного чугуна и требует равномерной скорости растворения гранулированного сфероидизатора и инокулятора, что чревато нестабильным усвоением магния расплавом чугуна;
применение реакционной камеры требует тщательной ее подготовки (точности и проч.);
попадание в отливку в виде шлаковых включений нерастворившихся частиц сфероидизатора и инокулятора, а также продуктов химических реакций модифицирования;
снижение на 2-3% съема отливок с литейной формы вследствие установки реакционной камеры литниковой системы.

Являясь близким по технической сущности предлагаемому решению является способ ввода легкоиспаряющихся модификаторов в жидкий чугун "Алазен" [3]. Способ является частным случаем "Сэндвич-процесса" - размещение магнийсодержащего сфероидизатора в донной части футерованного ковша и нанесение на всю открытую поверхность сфероидизатора покровного материала и предусматривает совмещение предсфероидизирующей, сфероидизирующей и постсфероидизирующей обработки низкотемпературного (ниже 1300^oC) расплава чугуна ваграночной плавки в открытом разливочном ковше. Сущность способа сводится к нанесению легковесного покровного материала в виде сухой теплоизолирующей смеси измельченного кокса или графита и вспученного перлита на поверхность измельченной магнийсодержащей лигатуры, предварительно загруженной на дно открытого поворотного разливочного ковша перед заливкой в него расплава и на зеркало обработанного чугуна после образования сплошного слоя металла над модулятором. Измельченный кокс или графит играет в этом случае роль предсферодизирующей присадки, а нанесенным в смеси со вспучиванием перлитом на зеркало обработанного магнийсодержащей лигатурой расплава чугуна, обеспечивает теплоизолирующий и постсфероидизирующий эффект.

Использование данного способа позволяет обрабатывать сфероидизаторами расплав чугуна ваграночной плавки без дополнительного перегрева металла. Способ отличается относительной простотой и технологической гибкостью.

К основным недостаткам способа относятся:
значительное дымопылевыделение, свечение и выбросы металла;
нестабильное усвоение расплавом чугуна магния;
ограничение эффекта сфероидизации и инокулирования из-за продолжительности периода между выпуском металла из вагранки и заливкой его в форму;
необходимость использования дополнительного оборудования для подготовки и ввода модификатора;
необходимость тщательной очистки разливочных ковшей от шлака для предотвращения попадания его в отливки.

Задачей предлагаемого решения является разработка способа получения чугуна с шаровидным графитом для массового производства средних изложниц в процессе обработки промышленных низкотемпературных (ниже 1300^oC) расплавов чугуна ваграночных плавок сфероидизирующими магний-кальцийсодержащими порошковыми проволочными модификаторами, позволяющего значительно упростить и удешевить технологию модифицирования, повысить качество изложниц, создать безопасные и экологически благополучные условия труда.

Указанная задача решается тем, что предлагается технология обработки низкотемпературных расплавов ваграночного чугуна сфероидизирующими и инокулирующими магний-кальцийсодержащими порошковыми проволочными модификаторами по двухэтапной схеме. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: операцию сфероидизации графита обрабатываемого чугуна проводят совместно с предсфероидизационным инокулированием на желобе вагранки (первый этап) и с постсфероидизационным инокулированием в стояке литниковой системы литейной формы (второй этап), используя в качестве сфероидизирующей и инокулирующей добавки порошковую проволоку, состоящую из металлической оболочки и магний-кальцийсодержащего наполнителя, что позволяет полностью исключать ковшовую обработку металла, тем самым максимально сократить время между выпуском металла и его заливкой в формы при минимальной разнице температур расплава: 1260-1300^oC при выпуске, 1190-1220^oC при заливке.

Первый этап обработки металла, учитывая, что низкотемпературный расплав чугуна выдерживается в вагранке непродолжительно, производят на желобе вагранки при его выпуске в открытый поворотный разливочный ковш. Для этого расчетное количество добавок в виде мерных концов магний-кальций содержащей проволоки помещают в специальное углубление футеровки желоба (до выпуска металла), которые затем закрывают защитным экраном. Постепенное растворение защитной стальной оболочки при контакте с расплавом чугуна предотвращает интенсивный угар наполнителя и обеспечивает спокойный ввод с последующим усвоением его металлом при заполнении ковша. Конструкция экрана защищает рабочую зону от свечения и выброса металла, удаляет образующиеся дымы "под зонт".

Второй этап обработки расплава предусматривает введение расчетного количества магний-кальцийсодержащей проволоки в виде мерных концов в стояки литниковых систем литейных форм на стадии их сборки. Заливаемый обработанный на желобе расплав чугуна с температурой 1200^oC, растворяя защитную оболочку, контактирует с наполнителем в стояках литниковых систем с постепенным усвоением магния металлом при заполнении литейных форм.

Основным практическим эффектом воздействия магнийсодержащих сфероидизаторов является резкое повышение прочностных и пластических форм чугуна за счет перехода формы включений от пластинчатой к шаровидной. Шаровидная форма графита связана с высокой и стабильной концентрацией магния в нем. С уменьшением концентрации магния в графите компактность его уменьшается. Необходимая для сфероидизации концентрация магния обеспечивается его двухэтапным вводом в поток чугуна с достаточной развитой турбулентностью, обеспечивающей растворение и однородное перемешивание по всему объему расплава.

Ввод в расплав кальция позволяет регулировать интенсивность взаимодействия магния с жидким чугуном. Скорость реакции в этом случае замедляется при одновременном повышении усвояемости магния. Наличие кальция улучшает зародышеобразование (инокулирование), улучшает форму графита, повышает количество включений шаровидного графита в единице объема чугуна.

Высокое (95%) содержание магния в проволоке позволяет сократить расход сфероидизатора на тонну расплава со 150-180 кг (прототип) до 20-22 кг (в пересчете на 100% магний). Обработка расплава на желобе и в форме не сдерживает процесс разливки, что позволяет обрабатывать ваграночные чугуны с температурой расплава ниже 1300^oC при значительном снижении пыледымовыделения и свечения металла.

Реализация способа отличается простотой и дешевизной. Более высокая цена порошкового проволочного модификатора по сравнению со стоимостью лигатур компенсируется его низким расходом, отпадает необходимость в оборудовании по подготовке и ввиду сфероидизатора, увеличен срок службы разливочных ковшей.

Пример выполнения. Способ был опробован в условиях чугунолитейного цеха Выксунского металлургического завода при отливке изложниц массой 4,5 т в соответствии с ТУ-14-12-14-71, ТИ 153-Л-88-96 "Выплавка чугуна в вагранке" и СТП 153-03-84. Было предложено 10 плавок. В качестве ваграночной шихты использовали предельный чугун по ГОСТ 805-80 с содержанием, мас.%: кремния 0,5-1,2, марганца 0,3-1,0, хрома менее 0,1. В качестве сфероидизатора применяли порошковый проволочный модификатор с содержанием, мас.%: магния 95, кальция 2,0. Ввод модификатора осуществляли на желобе вагранки при выпуске чугуна и в стояки литниковых систем литейных форм. Для этого расчетное количество модификатора в виде мерных концов помещали до выпуска металла в специальные канавки, выполненные в футеровке желоба и закрывали их защитным экраном, а другую часть модификатора, также в виде мерных концов проволоки, вводили в стояки литниковых систем литейных форм на стадии их сборки.

Выпускаемый чугун с температурой расплава 1260-1300^oC, стекая по желобу вагранки в открытый разливочный ковш емкостью 5 т, обрабатывался модификатором на желобе с усвоением сфероидизирующих элементов при наполнении ковша. Обработанный на этапе выпуска расплав с температурой 1190-1200^oC заливали в литейные формы, где он обрабатывался вторично. Контакт жидкого металла с модификатором происходил в стояках литниковых систем с усвоением сфероидизирующих элементов при наполнении литейной формы.

Параллельно проводили обработку чугуна ваграночной плавки по прототипу модификатором ФС50Mr5 с содержанием магния 4,5%.

Данные об условиях модифицирования и стойкости изложниц приведены в таблице. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности способа, позволяющего получить практически 100% содержание шаровидного графита по всему объему отливок, что существенно влияет на прочностные и эксплуатационные характеристики изложниц. Снижение расхода модификатора с одновременным повышением степени усвоения расплавом магния удешевляет технологию обработки чугуна и делает ее более безопасной и экологически чистой.

Изобретение может быть использовано при обработке промышленных низкотемпературных (ниже 1300^oС) расплавов чугуна ваграночных плавок методом "ППМ-процесса", в частности, для массовой отливки средних изложниц. Согласно способу сфероидизирующую обработку расплава ведут по двухэтапной схеме. На первом этапе вводят расчетное количество магний-кальцийсодержащего порошкового проволочного модификатора в виде мерных концов на желоб вагранки, а на втором этапе - в стояк литниковой системы литейной формы в процессе ее сборки. Способ позволяет упростить и удешевить технологию получения чугуна с шаровидным графитом. 1 табл.

Способ получения чугуна с шаровидным графитом из чугуна ваграночной плавки с температурой расплава ниже 1300^oС, включающий плавление чугуна, выпуск в открытый разливочный ковш, сфероидизирующую обработку расплава магний-кальцийсодержащим порошковым проволочным модификатором и заливку металла в формы, отличающийся тем, что сфероидизирующую обработку расплава ведут по двухэтапной схеме, вводя расчетное количество магний-кальцийсодержащего порошкового проволочного модификатора в виде мерных концов на желоб вагранки на первом этапе и в стояк литниковой системы литейной формы в процессе ее сборки на втором.