ленном материале у стенки сосуда, рекалесценции у стенки сосуда (rekv). положительной разницы между температурой у названной стенки и в центре отобранного количества ( АТ+) и температурного градиента в пробе за фронтом эвтектического роста, выраженного как () (Тс макс)
(приблизительно постоянен по крайней мере в течение короткого периода времени во время роста эвтектики в центре отобранного количества ()с 0), произвольно
Сс С
выраженного в виде наибольших отрицательных значений (ДТмакс) температурной разницы, в том числе, когда расплавленная ванна имеет недостаточное количество центров кристаллизации, в нее вводится агент, повышающий зародышеобразование графита. Когда обнаруживается, что центры кристаллизации имеются в избытке, последний уменьшается. Морфология выделения графита определяется по известным эталонным величинам применительно к такому же способу отбора пробы при помощи кристаллизационной температуры в центре ванны (Тс ), рекалесценции в центре (rekc) и при максимальной температуре роста (Тс макс). Присутствующее количество модифицирующего структуру агента корректируется так, что графит во время затвердевания чугунного расплава после заливки выделяется в червеобразном виде.
На фиг. 1 представлен график, содержащий диаграмму затвердевания, выведенную при измерении величин, полученных при производстве червеобразного чугуна; на фиг, 2-4 - различные примеры вариантов пробоотборных сосудов, подходящих для использования при осуществлении предлагаемого способа.
На фиг. 1 показаны кривые температуры (Т) и времени (т), из которых кривая I показывает ход затвердевания вблизи стенки пробоотборного сосуда, а кривая II - процесс затвердевания в центре пробы в сосуде.
Точки ai, 32 Обозначают спад температуры за единицу времени благодаря теплу, выделившемуся при образовании первичной аустенитной фазы. Точка б на кривой II иллюстрирует момент, в который кристаллы аустенита (в дендритном (разветвленном) виде) образовались во всем отобранном количестве. В дальнейшем расплавленный ма- териэл пробы между аустенитными кристаллами обогащается углеродом (и другими легирующими элементами) так, что постепенно с продолжением понижения
температуры в пробе достигается эвтектический состав.
Точка в на кривой I обозначает момент, в который прекращается падение темперэтуры. Кристаллы графита образуются на стенке сосуда при достаточном переохлаждении, и эти кристаллы графита растут вместе с железной фазой в эвтектической смеси. После этой стадии в процессе затвер0 девания расплавленная проба повторно нагревается (за счет рекалесценции) до равновесной температуры эвтектической смеси на фиг. 1(она обозначена пунктирной линий TEU). Однако на этой ранней стадии
5 эвтектической реакции еще не полностью достигается устойчивое состояние роста из- за механизмов подавления роста, и скорость, с какой имеет место рекалесценция, обозначает по существу число активных за0 родышей графита на единицу объема. Подо- бным образом точка г на кривой II обозначает максимальное переохлаждение Тс , точка д - кривую рекалесценции; точка е - обычную температуру роста на устано5 вившейся стадии в центре пробоотборного сосуда. Эти данные обеспечивают информацию относительно механизма роста на стадии эвтектического затвердевания.
Температура у стенки представляет со0 бой моментальное изображение хода кри- сталлизации в ограниченном объеме расплавленного материала (тонкая стенка), а температура в центре сосуда - интегральное изображение термического поведения
5 всего внутреннего обьема пробы. Температура вдоль радиуса в отобранном количестве между двумя точками измерений включает в себя температурную волну, которая распространяется вперед и отражает
0 последовательность роста вдоль направленного внутрь фроьта эвтектического затвердевания. Это значит, что нагруженный термоэлемент регистрирует процесс затвердевания, соответствующий процессу в
5 тонкостенных отливках, когда как централь- ный термоэлемент обеспечивает информацией, относящейся к характеру затвердевания в толстых частях отливки. Только при рассмотрении такой комбиниро0 ванной информации можно сделать заключение относительно возможности расплавленного материала образовывать требуемую структуру в отливках различной толщины во время процессов заливки и за5 твердевания,
Описание процессов затвердевания главным образом относится к заэвтектиче- ским составам чугуна. Однако способ может быть также применен к чугуну эвтектического и заэвтектического составов При затвердевании эвтектической композиции не происходит роста первичных кристаллов, а в случае заэвтектических составов он происходит, но только в виде выделений первичного графита.
Экспериментально найдено, что при недостаточном переохлаждении, слабой рекалесценции и высокой температуре роста, преобладающих во время процесса затвердевания, образуется хлопьевидный графит.
Если преобладают высокая температура переохлаждения, небольшая рекалесценция и низкая температура роста, то графит затвердевает в шарообразном виде, в результате получают чугун с шаровидной формой графита.
Когда во время затвердевания выделяется вермикулярный графит, то имеется сильное переохлаждение, сильная рекалесценция и высокая температура роста.
Демонстрируемые кривыми отклонения достаточны, чтобы сделать точные заключения по этим главным группам в результате возможно предсказание образования чер- веообразного графита с высокой степенью точности, что в свою очередь дает возможность контролировать процесс в узких пределах.
Допуская, что внешние условия остаются одинаковыми от случая к случаю, можно сделать сравнение между двумя величинами, зарегистрированными устройствами измерения температуры расположенными вблизи стенки пробоотборного сосуда и в центре расплавленного отобранного количества, и между различными испытаниями расплавленной ванны. Необходимо, чтобы различия в технике и геометрии пробоотборного сосуда и помещенного в него материала были бы так малы, чтобы можно было получить воспроизводимые и сравнимые результаты для различных проб.
Некоторое число пробоотборных сосудов, подходящих для использования при выполнении испытаний на затвердевание. описано на фиг. 2-4 Применяемая методология должна быть одинакова для каждой пробы или для каждого испытания чтобы между расплавленным материалом и пробо- отборным сосудом достигалось температурное равновесие. Температура вокруг пробоотборного сосуда регулируется так, чтобы тепло терялось пробоотборным сосудом способа, который позволяет расплавленному материалу затвердевать в течение 0,5-10 мин. Нижний предел зависит от того факта, что более быстрая скорость охлаждения приводит к образованию цементита в соответствии с метастабильной диаграммой. Более медленное охлаждение чем за 10
мин непрактично с точки зрения производительности и, кроме того, ухудшается точность измеренных результатов за счет имеющих место других реакций вокруг сосуда и за счет конвекции. Идеальный период охлаждения составляет 2-4 мин, Размеры пробоотборника или испытательного сосуда не являются настолько критическими, хотя из практических соображений диаметр сосуда
0 должен быть не менее 2 и не более 10 см Подходящий диаметр составляет 3-6 см. Сосуд удобно заполнять на высоту нескольких сантиметров Высота полной пробы должна быть больше ее диаметра. Предпочтитель5 но, чтобы тепло от пробоотборного сосуда отходило в основном в радиальном направлении Это можег быть достигнуто изоляцией верхней и нижней поверхностей отобранного количества.
0
Высвобождение скрытого тепла и рост фронта эвтектики (который зависит от соответствующего механизма роста) и теплопроводность затвердевшего слоя,
5 расположенного за фронтом, в большей степени зависят как от числа кристаллов графита в эвтектической структуре, так и от формы названных кристаллов. Подходящий способ определения этой сложной функции получа0/ «Т -.
ется определением наклона ( ), по(A Ј
лученного во время затвердевания посредством действия измеряющего температуру устройства, расположенного рядом со стен5 кой сосуда, в течение того периода времени, во время которого измеряющее температуру устройство, расположенное в центре сосуда, записывает температуру плато, соответствующую температуре установив0 шейся эвтектической стадии Тс макс перио-, а Т ч да времени, в течение которого ()
равно нулю. Эта сложная функция может быть также определена путем измерения
5 максимальной разницы (ДТмакс) между двумя кривыми во время процесса затвердевания. Найдено, что в обоих случаях величины изменяются для различных форм графита в чугуне. Серый чугун, включающий в себя
0 хлопьевидный графит, дает небольшие температурные различия между двумя кривыми затвердевания. Шаровидный чугун показывает большие величины ДТмакс, тогда как чугун, затвердевающий в виде червеобраз5 ного чугуна, дает величины между ними, чем обеспечивается хорошая возможность дифференциальной оценки проявленных при затвердевании свойств соответствующих расплавленных ванн.
При эвтектоидном превращении (в твердой фазе из аустенита в феррит и цементит, точка ж скорость и, следовательно, окончательная структура могут быть исследованы детально сравнением отклонений от двух измеренных точек, особенно сравнением времени смещения и величины производных функций.
В дополнение к упомянутой возможности записывания двойных кривых затвердевания от неизвестной пробы и сравнения конфигураций этих кривых с соответствующими кривыми, получаемыми от проб с известными кристаллическими характеристиками (или графически, или любым другим способом записи, например, цифровым процессором), следующие свойства являются характерными при получении чугуна, содержащего графит, который затвердевает в червеобразной форме.
Наиболее надежным способом определения червеобразной формы роста является использование с этой целью переохлаждения в центре (Тс ), рекалесцентной последовательности (rekc) и максимальной температуры эвтектического роста
(Тс макс).
Действительная степень дисперсности (определяемая здесь как количество кристаллов графита на единицу объема) может быть определена с помощью рекалесцентной последовательности у стенки (rekv),
А-rЯ Т ч-р
АТС макс ИЛИ ПО ДРУГОМУ-- ) при Тс макс ПО
М. V
температурной кривой начальных стадий образования эвтектики.
Начальные стадии образования эвтектики обычно встречаются при степени переохлаждения Ту, но при очень эффективном образовании графита задержка на кривых охлаждения показывает образование небольших количеств хлопьевидного графита.
Все перечисленные величины могут быть измерены с точностью и воспроизводимостью, которые делают возможным дать оценку кристаллизационным свойствам, характерным для расплавленной ванны, стандартных кривых с записанными кривыми, основанными на измерении полученных величин, хотя эти величины также могут быть сравнены в цифровом виде при помощи автоматической обработки данных.
С целью пояснения этих различных возможностей фиг. 1 иллюстрирует графические кривые, на которых две кривые построены с разницей по времени г: кривая I минус кривая II AT (здесь область положительных значений ДТ показана штриховкой); для двух кривых построено ( -- ), где
СХ t/
названные значения даны в виде лроизвод- ных rekv и гекс(показаны заштрихованными
областями положительных значений.
Таким образом, возможно считывание с графических кривых тех измерений, которые должны быть взяты, чтобы получить требуемый результат, а затем, чтобы показать,
0 что требуемые результаты должны быть достигнуты произвольно или отбором дополнительных проб, или выполнением дополнительных испытаний. Знание кристаллизационных свойств расплавленной
5 ванны дает возможность выполнения необходимых добавлений или необходимых удалений соответствующих веществ. Опыт заключается в том, чтобы измерить кристаллизационные свойства совершенно
0 автоматически, а затем автоматически корректировать состав расплавленной ванны с помощью программирующей техники, чтобы получить червеообразный чугун. Скорость затвердевания зависит от тепло5 проводности стенки сосуда, толщины стенки, соотношения объема и поверхности пробы и окружающей температуры. Хотя все эти параметры могут изменяться, они должны быть приспособлены так, чтобы
0 дать возможность осуществлять способ пробоотбора или испытания практическим образом, а также приспособлены для заданных отливок различных размеров.
Пробоотборный сосуд охлаждается при
5 комнатной температуре, хотя можно продлить процесс затвердевания, производя затвердевание в печи при температуре между точкой плавления чугуна и окружающей температурой. Время затвердевания также
0 может быть продлено путем изолирования пробоотборного сосуда или при помощи помещения сосуда в изолирующую рубашку во время процесса затвердевания. При желании, процесс затвердевания может бьть
5 также ускорен при помощи охлаждения воздухом, туманными брызгами или любым подобным способом.
Перед началом процесса измерения все устройство, пробоотборный сосуд, темпера0 турная камера и имеющийся расплавленный материал должны находиться в температурном равновесии с температурой, превышающей температуру плавления пробы. Она составляет примерно 1200-1400°С
5 в случае чугуна.
Состояние равновесия может быть достигнуто, например, изготовлением пробоотборного сосуда вместе с измеряющим температуру устройством способом, который дает возможность погружать их в расплавленную ванну, нагретую до температуры примерно 1200-1400°С и выдерживать в ванне, пока все устройство не нагреется до этой температуры, а затем извлечь из ванны и произвести охлаждение. При этом измеряющее температуру устройство соединено с каким-либо видом записывающего устройства, которое фиксирует измеренные данные в аналоговой или цифровой форме.
На фиг. 2 показан пробоотборный или испытательный сосуд для погружения в горячую расплавленную ванну. Данный сосуд представляет собой корпус 1 из огнеупорного материала (подходит керамический материал). Корпус 1 присоединен к трубчатому элементу 2, при помощи которого сосуд может удерживаться и погружаться в ванну. Корпус 1 снабжен отверстием 3, через которое расплавленный материал может втекать в корпус. В корпусе 1 предусмотрены два термоэлемента 4 и 5. один из которых расположен в непосредственной близости от стенки корпуса (4), а другой (5) в центре корпуса. Термоэлементы соединены с записывающим устройством (не показано) при помощи проводников 6
На фиг. 3 показан другой предпочтительный вариант пробоотборного или испытательного сосуда, который может быть заполнен горячим материалом с целью производства анализа Сосуд этого варианта представляет собой корпус 7 с измеряющи ми температуру устройствами 8 и 9, введенными через его дно Одно (8) из названных измеряющих температуру устройств размещается рядом со стенкой корпуса а другое (9) размещается в центре корпуса Сосуд окружен нагревающей катушкой 10 для предварительного нагрева сосуда Измеряющие температуру устройства 8 и 9 соединены с записывающими устройствами (не показаны) при помощи проводников 11
На фиг. 4 показан еще один вариант пробоотборного или испытательного сосуда, представляющий собой корпус 12, который окружен высокочастотным нагревающим устройством 13 для повторного нагрева сосуда и содержащейся в нем пробы Расплавленный материал может подаваться в сосуд при помощи ковша. Корпус 12 устроен так, чтобы взаимодействовать с крышкой 14, снабженной направляющими 15 для размещения крышки на корпусе 12, и вытянутыми вниз измеряющими темпера- туру устройствами 16 и 17, которые соединены с записывающим устройством (не показано) при помощи проводников 18. Крышка, несущая измеряющие температуру устройства, размещается на корпусе 12 после нагрева сосуда и содержащейся в нем пробы до необходимой температуры.
При практическом осуществлении способа готовят обычную ванну расплавленного чугуна, химический состав которой регулируют до требуемых величин в соответствии с химическим анализом. Затем из ванны отбирают пробу для термического анализа в соответствии с изобретением и
0 записывают кривые затвердевания. Оценивают существующую зародышеобразую- щую способность расплавленной ванны. Для того, чтобы получить первичную заро- дышеобразующую способнрсть, вводят
5 необходимые добавки оксидо-сульфидооб- разующих агентов. Примеры подходящих оксидо- и сульфидообразующих добавок включают в себя кальций, алюминий и магний Другим предварительным требовани0 ем для образования зародышей графита является то. чтобы углеродный эквивалент УЭ был бы достаточно высок Следовательно, зародышеобразование может быть облегчено введением вещества, которое совместно
5 повышает углеродный эквивалент (УЭ), например ферросилиций, кварц или карбид кремния Хотя введение зародышеобразую- щих агентов хорошо известно в промышленности, ранее не было возможно с помощью
0 известных способов измерения устанавливать с достаточной точностью необходимость производства таких добавок перед литьем.
После калибровки системы по функциям
5 TV . rekv и ДТ получают конкретную важную информацию относительно зародышеобра- зующей способности. Недостаток зароды- шеобразующих агентов может сказаться в увеличении переохлаждения. Это увеличе0 ние в некоторых случаях бывает таким большим, что у краев пробоотборного сосуда происходит переход в метастабильное состояние При затвердевании белого чугуна имеет место чрезвычайно быстрая рекалес5 ценция. Для того, чтобы образовался шаровидный чугун, должно образовываться в сотни раз больше зародышей, чем требуется для образования хлопьевидного графита. Для того, чтобы получить червеобразный чу0 гун, зародышеобразовательная способность должна быть меньше, чем требуется для образования шаровидного чугуна, подходящей является величина, равная одной десятой. Если измерена чрезвычайно низ5 кая зародышеобразовательная способность, то может быть добавлено вещество, стимулирующее зародышеобразование. Если желательно понизить зародышеобразо- вательную способность, расплавленная ванна просто выдерживается в течение заданного периода времени, так как зароды- шеобразовательная способность уменьшается с увеличением времени выдержки.
Количество активных модифицирующих структуру веществ регулируется в зависимости от переохлаждения в центре материала (Тс), максимальной температуры роста (Тс макс) и рекалесценции в центре материала (rekc). Когда проба затвердевает, присутствующее количество активных модифицирующих структуру веществ контролирует кристаллический рост. При образовании шаровидного графита рост ограничивается в трех направлениях, когда выделение графита достигает определенного уровня. Но если количество активных модифицирующих структуру веществ немного уменьшается относительно того, какое требуется для получения шаровидного графита, то кристаллический рост ограничивается только в двух направлениях, оставляя возможность для кристаллического роста из расплавленного металла в третьем направлении. Когда имеет место такой кристаллический рост, образуются червевидные графитовые кристаллы. Анализ приведенных величин (Тс , rekc и Тс макс) показывает, содержит или нет расплавленная ванна достаточно модифицирующих структуру веществ. Когда такое содержание найдено недостаточным, модифицирующие структуру элементы должны быть добавлены. Для этой цели может служить магний в возможном сочетании с редкоземельными металла- ми. например церием Чрезвычайно высокое содержание модифицирующих структуру веществ может быть понижено окислением, которое может быть выполнено введением кислорода в ванну или введе- нием окисляющих агентов, например магнетита. Окисление может быть также осуществлено выдерживанием поверхности металла на воздухе в течение нескольких минут. С целью уменьшения содержания активных модифицирующих структуру веществ в ванну могут быть также добавлены ингибиторы, например титан.
Предлагаемое изобретение направлено в основном на решение проблем контролирования процессов литья для затвердевания с выделениями червеобразного
графита. Кроме того, способ предлагает также различные возможности точного опреде- ления степени распределения при производстве серого чугуна с одновременным контролем типа выделения хлопьевидного графита. Также возможно точно определять количество модифицирующих структуру веществ и необходимую степень дисперсности при производстве сфероидально-шаровидного чугуна, за счет чего имеется возможность экономии при использовании дорогих добавок
Отклонения в кривой затвердевания, полученные при измерении в центре пробы,
к концу фазы затвердевания могут также указать на возможность образования карбида, что в свою очередь дает ценное указание об имеющемся недостатке заро- дышеобразующего агента в сочетании с
присутствием карбидостабилизирующего элемента, образующего скопления в микроструктуре,
Формула изобретения
1.Способ автоматического контроля получения чугуна с заданной структурой,
включающий выплавку чугуна, его модифицирование, отбор жидкого чугуна пробоотборником с помещенным в центре его термопарным спаем, термический анализ
чугуна, запись и автоматическую выдачу результатов в числовом виде и в виде кривых в зависимости от времени затвердевания пробы, сравнение полученных результатов с эталонными и последующую корректировку расплава путем присадки модификаторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа и улучшения экспрессности, в пробоотборник вблизи стенки металлоприемника дополнительно
устанавливают термопарный спай, а пробоотборник вводят в анализируемый расплав и выдерживают в нем до достижения им термического равновесия.
2.Способ по п. 1 отличающийся тем, что пробы отбирают из ванны анализируемого расплава и переносят в металло- приемник сосуда, вблизи стенки которого дополнительно устанавливают термопарный спай, а жидкий чугун в сосуде нагревают до температуры ванны анализируемого расплава.
Ж 
фиг. 1
Фаг. 2
12
ZZZZZZZZ Фие.4
Составитель Н.Косторной Техред М.Моргентал
Корректор Т.Палий
Редактор А.Петрова
Заказ 2095ТиражПодписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5
12
Корректор Т.Палий
