Общие сведения о модифицировании чугуна

1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1. Общие сведения о модифицировании чугуна.

 

         Модифицирование является одним из наиболее эффективных методов воздействия на кристаллизацию с целью получения благоприятной структуры графита и матрицы, а следовательно, и высоких свойств отливок и применяется поэтому для всех чугунов повышенных марок. Применяемые модификаторы можно класифицировать как графитизирующие , стабилизирующие и сфероидизирующие (графитизирующие). Механизм  действия модификаторов весьма разнообразен и заключается либо в образовании поверхностной пленки на вынужденных зародышах (модифицирование 1 рода), что уменьшает скорость их роста, увеличивает переохлаждение ∆T и количество зародышей и измельчает, а также измельчает форму растущего графита, либо в образовании дополнительных вынужденных зародышей (модифицирование 2 рода), что увеличивает их количество и измельчает графит, несмотря на уменьшение ∆T, а значит, и увеличение их критического размера, либо в образовании карбидов, легко распадающихся во время или после затвердевания (так называемый «карбидный эффект» или «самоотжиг»), что ведет к образованию шаровидного графита (ШГ).

        Количество современных модификаторов очень велико; например, одних только графитизирующих присадок насчитывается около 150 [6], причем наиболее эффективные из них являются комплексными (даже применяемый ферросилиций по существу тоже является комплексным модификатором, так как, кроме кремния содержит еще некоторое количество алюминия и кальция). То же можно сказать и о графитизирующих модификаторах. Однако не все составляющии сложных модификаторов являются по существу модифицирующими; некоторые из них только повышают эффективность модифицирующего воздействия других составляющих путем раскисления, десульфурации, дегазации и иных процессов или являются просто легирующими элементами. Различить их можно по влиянию при присадке элемента к чугуну, чистому по примесям, или по «живучести», т.е. длительности действия после их присадки [3]. Модифицирующее действие обычно полностью исчезает в течении 10-25 минут. Сохранение этого действия присадок важно, особенно при крупном литье, где длительности транспортировки, заливки и затвердевания металла сравнительно велики, и живучести модификатора может не хватить. В таких случаях применяются разные меры, в том числе и модифицирование непосредственно в форме. Поэтому при выборе модификаторов следует принимать во внимание не только прямую их эффективность, но и живучесть, а также, конечно, их дефицитность и стоимость.

 

2. Модифицирование серого чугуна.

 

В производстве отливок из СЧ применяются, главным образом, графитизирующие  модификаторы для измельчения графита, устранения отбела и МГ, а иногда и частично сфероидизирующие для  образования графита благоприятной  формы, в часности вермикулярного графита  ВГ. Поэтому модифицирование СЧ целесообразно только при низком содержании углерода, кремния и других графитизирующих элементов или при повышенной концентрации элементов,препятствующих графитизации, а также при высокой термовременной обработки жидкого чугуна, быстром охлаждении, применении в шихте большого количества стали и передельного чугуна т. е. в условияхвысокого ∆T и, эначит при производстве чугунов высоких марок [1, 3, 7]. Применяемые модификаторы при этом весьма разнообразны по составу (табл.1.1). Однако точных данных об их эффективности нет, хотя в литературе по этому вопросу приводят многочисленные исследования; результаты некоторых из них представлены на рисунке1.1.

Рисунок 1.1. Сравнительное  влияние разных модификаторов на структуру и свойства чугуна с Sэ = 0,77: a – немодифицированный; б-модифицированный; в-без перегрева:

ОП – относительная  прочность; n – число включений графита на 1см;

 ОТ – относительная  твердость; ПК – показатель  качества

    

Это обьясняется, очевидно тем, что эффективность тех или  иных модификаторов эависит от разнообразных  условий производства. Поэтому их выбор приходится производить опытным  путем, и рекомендации на разных заводах различны.Так, на Уральском заводе тяжелого машиностроения лутше свего зарекомендовала себя смесь ФС75и СК30 в отношении 1:1; на Московском заводе «Станколит» используется преимущественно ФС75, хотя и признается благоприятное влияние Ba, St и других элементов [7], особенно полезных в соотношении живучести. Высокое же содержание Al, как это считается на многих предприятиях, не всегда рекомендуется, так как оно способствует образованию пористости. Если необходимо устранить отбел без особого влияния на механические свойства чугуна (например, на поршневых кольцах и других тонкостенных отливках), можно пользоватся наиболее простым и дешевым модификатором – черным графитом (табл1.1)

Большое внимание в наше время уделяется модифицированию редкоземельными металлами [4], в том числе Ce, Y, которые в небольших количествах (0,03- 0,1%) способствуют графитизации, а в количестве 0,15-0,25% приводят к получению ВГ и резкому повышению прочности и пластичности чугуна. Весьма интересны в этом положении является Y, который поставляется в виде разных сплавов; YFe, YSiCa и др. хорошие результаты получаются при применении лигатуры, содержащей 30% РЗМ, в том числе 4,5% Y, и 40-45% Si. В этом случае ВГ получается в низкосернистом чугуне при вводе 0,5-0,7% лигатуры; но для устранения отбела, как и при ВЧШГ, необходимо вторичное модифицирование. Степень усвоения РЗМ повышается с понижением температуры обработки и уменьшением содержания серы в металле и колеблется в больших пределах (от 30 до 90%). Во всех случаях следует иметь в виду, что при высоком содержании кальция лигатура плохо усваивается чугуном при низкой температуре; лигатуры же с высоким содержанием РЗМ не только дороги, но часто отбеливают чугун [8].

Особый интерес представляет суспензионное литьё [15], в котором роль модификатора играют микрохолодильники. При вводе в чугун 3% железного порошка ПЖ-2М или 1-1,5% чугунной дроби марок ДЧЛ-3,0 σ_в повышается на 25-30%. Ввод ПЖ-2М, кроме того, повышает квазиизотрапию отливок в отношении как σ_в , так и НВ [9].

Кроме модифицирования твердыми добавками, применяют также жидкое модифицирование путем добавки  жидкой стали или смешивания разных чугунов. Это повышает свойства чугуна и однородность в разных сечениях не только эа счет изменения состава  и эвтектичности, но и за счет модифицирования. Например, наблюдается следующие относительное повышение свойств СЧ при модифицировании жидкой сталью (10%): σ_и – 46%,f – 34%, HB – на28%.

В качестве особых методов модифицирования можно указать на продувку порошкообразным СaC₂ (при этом одновременно происходит обессеривание чугуна) или газами: природным газом, метаном, азотом, аргоном и др .

Обычные модификаторы вводят в желоб, в струю металла, в ковш или в форму, применяя при этом специальные дозаторы [10]. Подготовка модификаторов сводится к их измельчению и отсеву пыли, т.е. зерен размером меньше 0,5мм. Размер зерен зависит от емкости ковша и способа ввода; чем больше ёмкость ковша, тем крупнее могут быть зерна модификатора, так как мелкие зерна легкоокисляются и уносятся с газами или запутываются в шлаке (таб. 1.2).

 

Таблица 1.1. Рекомендуемый размер зерен.

Масса металла в ковше, т	До 0,5	0,5-2	2-10	10-25
Размер зерен модификатора, мм	1-2	2-5	5-15	15-25

 

Перед употреблением рекомендуется  прокаливать модификатор при 300-400^оС; во избежание окисления дробить его нужно не более, чем за 12ч до присадки; он должен быть чистым, сухим, не окисленным. Расход модификатора зависит от его состава, состава чугуна, природы шихтовых материалов, условий плавки, технологии ввода, конструкции отливки и марки чугуна и колеблится, например, при ФС75 в пределах от 0,1 до 2% (таб1.2):

Таблица1.2.

Марка чугуна	СЧ24-44	СЧ28-48	СЧ32-52	СЧ36-56	СЧ40-60	СЧ44-64
Расход ФС75,%	0,2-0,4	0,3-0,5	0,4-0,6	0,6-1,0	1,3-1,6	1,5-2,0

 

При  применении силикокальция  расход модификатора может быть уменьшен на 20%. Усвоение Si из него колеблится в пределах 70-90%. После ввода модификатора металл целесообразно перемешать механически, вибрационно, барботацией и другими методами. Перегрев чугуна при модифицировании должен быть тем больше, чем выше марка чугуна; обычно он находится в пределах 1370-1430 ^оС. Во избежание демодифицирования продолжительность выдержки чугуна не должна быть больше живучести модификатора. Например, для ФС75 и СК применяется выдержка, не привышающая следующих значений (таб. 1.3):

Таблица 1. 3.

Масса металла в ковше, т	До 0,5	0,5-2	2-10	10-25	>25
Допустимая выдержка, мин	5	8	10	15	20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графитизирующие модификаторы для серого чугуна (Таблица 1.4)

3. Способы ввода графитизирующих модификаторов в чугун

 

1. В ковш во время заполнения металлом

 

 

Для ковшей малой емкости  при индивидуальном с серийном производстве.

2. В ковш во время запомнения металлом с помощью дозатора

Для ковшей большой емкости  при индивидуальном и серийном производстве

 

3. На желоб вагранки во время заполнения ковша с помощью дозатора, прикрепленного к корпусу вагранки

Для мелких и средних ковшей при серийном и массовом призводстве

4. Через промежуточный ковш-растворитель, в который модификатор поступает из дозатора или с качающегося встряхивающего желоба

Для ковщей емкостью более 1т  при индивидуальном и серийном производстве

5. Под зеркало металла с помощью колокола или специального устройства для погружения модификатора

Для ковшей большой емкости  при невозможности заполнить их из одного выпуска

6. В литниковую чашу специальной конструкции (с перегородкой) или   в специальный карман в литниковой системе

Для крупных отливок в  индивидуальном производстве и для  мелких и средних отливок при  серийном производстве.

В случае  появления признаков  демодифицирования чугуна рекомендуется  повторная обработка модификатором. Контроль качества модифицирования производится по высоте отбела клиновой пробы. Контрольные пробы отливают через 5-15 минут.

В результате модифицирования повышаются не только механические свойства чугуна, но и однородность структуры и свойств по сечению отливки, что улутшает их обрабатываемсть резаньем даже при большой НВ. Однако модификация не может, конечно, заменить легирование для получения чугуна с особыми свойствами, хотя некоторые из этих свойств, например износостойкость, повышаются при модифицировании. Во всех случаях следует иметь в виду, что эффективное модифицирование требует тщательного контроля исходных материалов, процесса плавки и заливки.

 

 

4. Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами

 

Способы обработки жидкого  чугуна сфероидизирующими модификаторами очень разнообразны и зависят от типа модификатора, массы модифицируемого чугуна и других факторов.

Схема а.В гермитизированный ковш или копильник вводится чистый Mg (можно вводить сплав электрон или легковесную лигатуру) с помощью колокала с отверстиями. Колокол-испаритель представляет собой металлический или графитный стакан, укрепленный на штанге. Боковая поверхность колокола имеет ряд отверстий. Колокол погружается в ковш, заполненный чугуном; при этом пары Mg, проходя через отверстие, пронизывают расплав. Интенсивность кипения Mg регулируется автоматически или вручную путем изменения давления в период модифицирования или создания постоянного давления, которое к концу процесса должно оставаться несколько выше упругости паров Mg . Недостаток способа – сложность герметизации ковша, необходимость изготовления, зарядки и замены колоколов, а в случае открытого ковша – выброс металла и недостаточное усвоение Mg.

 

Рисунок 1.2. Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими присадками

Схема б. В открытый ковш или копильник вводятся калиброванные магниевые прутки или проволока. Недостатки – длительность процесса и зашлаковывание в месте ввода прутка.

Схема в. В гермитизированный ковш поступает из испарителя парообразный Mg. Обработка чугуна парообразным Mg характеризуется низкими тепловыми потерями, так как суммарная теплота нагрева, плавления и испарения Mg составляет примерно 1800-2000 ккал на 1 кг Mg. Недостаток – сложность устройства испарителя в герметизации ковша.

Схема г. В автоклав помещают ковш с чугуном, создают избыточное давление сжатым воздухом 5-6 атм [(5-6)10⁵Па] и с помощью колокольчика на плунжере вводят Mg. Иногда одновременно колокольчиком перемешивают чугун. Усвоение Mg составляет 40-60%. В автоклав конструкции НИИСЛ, которые выпускает Тираспольский завод литейных машин, Mg укладывается до закрытия крышки в бункер, дном которого является диск мешалки. При первом ходе мешалки Mg сбрасывается на поверхность чугуна и перемешивается [5]. Привод автоклавов гидравлический, корпус водоохлаждаемый. Вода циркулирует в полости между цилиндрической частью корпуса и наружным кожухом. Днище и крышка футерованы. Крышка прижимается к корпусу механическими зажимами. Управление автоклавами дистанционное с пульта. После создания давления чугун и Mg перемешиваются механически; применяют графитовые, металлические,футерованные огнеупорной массой или керамические мешалки. Длительность перемешивания в зависимости от количества вводимого Mg, температуры чугуна и емкости ковша – от 0,8 до4 мин. Необходимая длительность процесса перемешивания поддерживается реле времени.Разработанные НИИСЛ конструкции камер автоклавов обеспечивают автоматическое регулирование давления в зависимости от температуры чугуна и допускают применение как чистого Mg, так и его лигатур. Давление должно быть тем больше, чем выше температура чугуна. Недостатки конструкции – сложность устройства и обслуживание автоклава, длительность цикла обработки и падение температуры.

Схема д. Повторный гермитизированный ковш барабанного или конверторного типа имеет камеру(карман), в которую перед заливкой чугуна помещают заряд Mg или лигатуры. После заливки через горловину и герметизации ковш поворачивается на 90⁰; при этом чугун входит в камеру с Mg и подвергается модифицированию. Недостатки таких ковшей: сложность конструкции, трудоемкая подготовка к работе, необходимость очистки металла от шлака, длительность шлакообработки и большие потери температуры.

Схема е. На дно ковша помещают кокс, пропитанный Mg, или брикеты из губчатого железа и Mg. Кокс удерживают штангой или устанавливают полупостоянную перегородку из высокоглиноземистого огнеупора с отверстиями. Недостаток-сложность подготовки ковшей. Эффективен при однократной обработке больших масс чугуна.

Схема ж. Порошкообразный Mg или тонкоизмельченную смесь Mg с графитом или известью вдувают (путем инжеекции) с помощью струи нейтрального газа, например, азота или сухого воздуха [2]. Узкое звено процесса- расход азота и графитовых трубок, выдерживающих обычно от 4 до 50 операций. Трубки рекомендуется вводить под некоторым углом к поверхности металла. Модификатор находится в герметически закрытом бункере и ссыпается через отверстие в подводящую трубку, где захватывается движущимся газоносителем.

Схема з. Производится продувка азотом для перемешивания чугуна(способ «Осмос» или «Газал») при давлении 1-2 атм [(1-2) 10⁵Па] через пористую огнеупорную вставку в днище ковша. Возникающие вертикальные циркуляционные потоки захватывают присадки, засыпаемые с помощью дозатора на поверхность ковша. Недостатки-сложность футеровки ковша, потеря тепла металлом, расход азота.

Схема и. Процесс выполняется с помощью промежуточной емкости (способ «Т-Нок»). Над  разливочным ковшом помещают промежуточную емкость с полой керамической вставкой в днище, куда устремляется поток чугуна, образуя полую воронку. Из дозатора порошкообразный модификатор высыпается в середину потока с такой скоростью, чтобы реакция закончилась в конце струи. Узким звеном процесса является сложность регулирования гидродинамического баланса.

Схема к. Особенность процесса – использование ковша, вращающегося эксцентрично или встряхиваемого для лучшего перемешивания чугуна. Место вращения, наклона или встряхивания ковша можно применять электромагнитное перемешивание металла. При этом используют модификаторы с большой плотностью.

Схема л. Использование ковша с механическим перемешиванием металла при помощи огнеупорных мешалок (способ «Остберг» или «Райнштель»). Способ пригоден для глубинного перемешивания чугуна при применении лигатур, имеющих малую плотность.

Схепа м. Погружение  одного или нескольких колокольчиков – испарителей под массой тяжелой крышки на дно ковша [11].

Схема н. Погружение колокольчика-испарителя в ковш вручную. Недостаток – выбросы металла при применении Mg лигатур с высоким содержанием Mg.

Схема о. Выпуск чугуна в ковш с помещенной в него лигатурой.

Схема п. Выпуск чугуна в ковш с помещенной в него лигатурой, прикрытой листом или скрапом. Схемы о и п применяются только для тяжелых модификаторов.

Схема р. Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане ковша(способ «Сендвич»). В футеровке днища разливичного или промежуточного ковша делается специальная полость, соответствующая объему загружаемого в нее модификатора. Сверху лигатура прикрывается стальной высечкой толщиной 1,5-8 мм в количестве 1,5-2,0% от массы металла. Струя жидкого чугуна направляется в противоположную часть ковша и затем распространяется по прикрытой лигатуре ( применяется при тяжелых и средних по плотности лигатурах). Реакция протекает спокойно и длится 20-120с. При использовании лигатуры с размерами кусков 10-20 мм достигается следующее усвоение Mg: 41% из Mg-Fe-Si,78% из Ni-Mg-Si и 91% из Ni-Mg- лигатуры. При использовании Ni-Mg- лигатуры при обычной загрузке на дно ковша без прикрытия (схема а) получено усвоение Mg, равное 25%, при вводе в колокольчике испарителе (схема м) – 38% и способом «Сэндвич» (схема р) – 51%.

Схема с.Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане ковша, образованном при обычной загрузке на дно ковша перегородкой на две неравные части. Лигатура укладывается в меньшее по обьему углубление, образованное перегородкой, и прикрывается сверху слоем мелкого слегка утрамбованного CaC₂. При заполнении ковша чугуном CaC₂ спекается; поэтому для того, чтобы началась реакция, специальной заостренной штангой делается прокол в слое CaC₂. Расход модификатора при этом способе получается меньше, чем при способе «Сендвич».

Схема т. Засыпка лигатуры на поверхность металла. Этот способ может быть рекомендован лишь для корректировки содержания Mg в ковше.

Схема у. Обработка реактивными покровными флюсами, из которых с помощью силикокальция восстанавливаются сфероидизаторы. Иногда при этом способе используют промежуточную емкость (см. схему и ).

Схема ф. Проведение процесса электролиза, при котором сфероидизаторы переходят в расплав из флюса, состоящего из MgCl₂, CaCl₂ и небольшого количества хлоридов и фторидов церия. Производится в печах с основной футеровкой при t=1360-1370^oC.

Схема х. Модифицирование в форме заключается в том, что тонко измельченную лигатуру или смесь помещают в расположенную под питателем 1 реакционую камеру 2. При определенном сочетании температуры и скорости заливки чугуна модификатор растворяется движущимся потоком металла по мере заполнения формы. Реакция протекает без прямого контакта с воздухом, пироэффект отсутствует. Для предотвращения образования неметаллических включений между реакционной камерой и отливкой устанавливают центробежный шлакоуловитель 3. Узкое звено процесса – необходимость низкого содержания серы в исходном чугуне, строгого контроля температуры и скорости заливки, необходимость предварительного измельчения модификатора .

Во всех способах осуществляется ввод Mg в ковш на максимальную глубину и движение паров Mg снизу вверх и зеркалу металла. Одновременно должны быть обеспеченны защита обслуживающего персонала от свечения и выбросов чугуна и эффективный отвод выделяющихся газов. Ковш надо наполнять жидким чугуном не более чем 70-80% по высоте. Поверхность жидкого чугуна перед вводом модификатора должна быть очищена от шлака. Нормальная продолжительность реакции 1-5 мин. Об окончании реакции судят по прекращению свечения или выделения белого дыма, а какже по времени. При повторном графитизирующем модифицировании тщательно счищают шлак, образовавшийся при обработке Mg , вводят ферросилиций (ФС) или лигатуру из ФС, Al, и Ca и хорошо перемешивают их с металлом.

Процессы плавки и модифицирования  должны строго контролироватся. Для контроля качества чугуна отливают клиновый образцы и трефы. Кроме того определяют С_э по кривым затвердевания, содержание кремния – по термо-э.д.с, структуру и механические свойства чугуна – электромагнитными методами и ультразвуком, дефекты – просвечиванием гамма-лучами и т.д. При  выдержке модифицированного чугуна наблюдается демодификация вследствие уменьшения содержания Mg, особенно в ковшах и тиглях с кислой футеровкой. Темп уменьшения содержания Mg в расплаве резко снижается при выдержке в тигле с нейтральной или магнезитовой футеровкой. Оптимальной для выдержки и подогрева жидкого магниевого чугуна является дистенсиллиманитовая футеровка, которая по нейтральным свойствам не уступает графиту, а по стойкости – кварцитовой футеровке.

Из всех описанных способов ввода модификатора наибольшее распространение в нашей стране получили: обработка Mg в автоклаве (схема г), погружение колокольчика – испарителя под массой тяжолой крышки (схема м), в герметизированном ковше или копильнике (схема д) и обработка лигатурами (схемы о, п, р). Весьма перспективным является модифицирование в форме (схема х).

 

 

5.  Модифицирование для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

 

 

Получение ШГ в чугуне возможно при обработке расплава добавками, содержашими Mg, Ca, Ce, Y, Nd, Pr и другие РЗМ; однако Mg практически обычно присутствует во всех применяемых модификаторах [12]. Противоположность указанным сфероидизирующим модификаторам, некоторые элементы подобно сере являются демодификаторами, в связи с чем их содержание в чугуне не должно привышать: 0,009% Pb; 0,003%Bi; 0,026%Sb; 0,08%As;0,04%Ti;0,13%Sn ; 0,3%Al. Влияние демодификаторов частично или полностью устраняестя добавкой ремодификаторов, например Ce и других РЗМ [13].

При вводе в чугун металлического магния Мg (марок Мr1 и Мr2) происходит его интенсивное испарение, и он сгорает с выделением белого дыма. Реакция протекает очень быстро и носит взрывной характер. Поэтому для спокойного ввода магния применяют его лигатуры «с содержанием магния не выше 12-15%» или смеси как с большой плотностью, содержащие Ni и Cu, так и более легкие содержащие Si и Ca при чем последние не только дешевле, но и имеют ряд преимуществ в следствии благоприятного влияния Сa ( хотя одного Ca обычно недостаточно для получения ШГ). Составы этих лигатур приведены в таблице 1.4. Усматривается, что все они являются комплексными (КМ). Наличие в них Ca, Sr, РЗМ, согласно исследованиям института проблем литья АНУССР (ИПЛ), повышает их живучесть, понижает деглобулизируюшее влияние вредных элементов, в том числе создает возможность получения ШГ в более толстых сечениях и при других неблагоприятных условиях, а также повышает жидкотекучесть ( ʎ_ж) и уменьшает предусадочное расширение (ε_рас), что позволяет уменьшить объем прибылей. Однако следует иметь в виду, что при использовании лигатуры с повышением содержания Ca при низкой температуре чугуна (менее 1380^оС) модификатор зашлаковывается, покрывается изолирующей окисной пленкой и плохо усваивается. Поэтому многие исследователи считают допустимым содержание Ca в лигатуре до 4%, а РЗМ до 2%, что часто достаточно для нейтрализации возможных модификаторов. Однако в рекомендациях ИПЛ содержание Ca все же допускается до 15%. При этом, однако, необходима высокая температура перегрева чугуна. Кроме лигатур, для модифицирования применяют спресованную механическую смесь губчатого Fe с 15-17% Mg , кокс, пропитанный 40-45% Mg, и т.д., а также шлаковые комплексные модификаторы, в которых присутствуют Mg, Ca и РЗМ. В этом случае поверхность чугуна в ковше покрывают флюсами, состоящими из фторидов и хлоридов Mg, Ca, Ba и РЗМ, из которых с помощью мелкодисперсного силикокальция путем перемешивания и диффузии восстанавливают указанные элементы – сфероидизаторы. После такого модифицирования в чугуне обычно содержится 0,025% Mg, 0,02 -0,06 % РЗМ и 0,005% Ca.

 

6.  Модифицирование при производстве ковкого и отбеленного чугуна

 

Для модифицирования КЧ применяются  два вида присадок: стабилизирующие, предотвращающие выделение пластинчатого графита в толстых частях отливок при повышенном содержании C и Si, и графитизирующие, сокращающие цикл отжига при нормальном составе КЧ и устраняющие вредное влияние стабилизирующих модификаторов, способствующих уменьшению зародышей при отжиге. Применяемые модификаторы представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Составы модифицирующих покрытий для кокилей

 

Следует отметить, что присадка сфероидизирующих модификаторов позволяет  значительно повысить содержание C и Si в чугуне и тем самым существенно сократить длительность отжига и повысить свойства КЧ благодаря образованию ШГ; присадка же небольших количеств таких элементов, как Sb и B, помимо предотвращения «отсеривания» обеспечивает получение КЧ с перлитной структурой. При производстве отливок с отбеленной поверхностью (прокатных валков и др.) модифицирование производится с целью получения необходимой толщины слоя отбела. В качестве модификатора применяют теллур, который вводят в ковш в виде брикетов в количестве 1-7г на 1 т металла, или теллурсодержащие краски. Последние применимы для толщины отбеленного слоя до 10 мм, а также для усиления теплоотвода в тепловых узлах отливок. При обработке чугуна теллуром увеличиваются толщина его отбеленного слоя и НВ, уменьшается толщина переходной зоны и измельчается перлит.

Для регулирования толщины  переходной зоны вместе с теллуром вводят иногда черный графит в количестве 300-500г на 1 т металла, либо ФС75 или  СК в количестве 100-150 г на 1 т металла. Выдержка металла до заливки формы  не должна превышать 3-10 мин.

При повышенной склонности к отбелу чугун целесообразно  модифицировать добавкой ФС75 или СК в количестве 0,08-0,20%. Выдержка металла после модифицирования - не более 8-15 мин.

При производстве отливок  в кокилях применяют модифицирующие покрытия для предупреждения отбела [ 14 ]. В случае центробежного литья вращающийся кокиль покрывают порошком ФС75 или ФС90, а при фасонном литье графитизирующее покрытие толщиной 12-16 мм наносят на теплоизоляционное покрытие. Покрытие должно иметь температуру плавления не более 1100⁰С. Оптимальные размеры зерен ФС и СК 0,10-0,16 мм.

Время плавления покрытий должно быть связано с временем нахождения наружных слоев в жидком и жидко-твердом  состоянии и не должно превышать 16-18 с. При этом температура заливаемого  чугуна должна быть в пределах 1350-1450⁰С, а формы- 150-250⁰С.

  Модифицирование чугунов является эффективным способом повышения механических  и эксплуатационных свойств отливок. Особенно это относится к вальцелитейному производству, как одному из основных производителей чугунных отливок.    

Примером изменения структуры  и свойств чугуна является изготовление прокатного валка.

 

 1.7 Условия работы прокатных валков

 

Прокатные валки работают в сложных условиях, испытывая  различного рода напряжения: изгибающие, кручения, истирания, термические и  т.п. Такие условия работы предъявляют  к валкам разнообразные и часто  противоречивые требования [15, 16]. Выполнить их одновременно практически невозможно, так как изменение одного свойства немедленно вызывает изменение других свойств, причем, как правило, в противоположном направлении. Например, повышение твердости валка неизбежно влечет снижение его прочности.

В настоящее время структура  производства и потребления прокатных  валков в черной металлургии характеризуется  следующими данными [17], %:

– чугунные       - 62;

– стальные литые      - 2,7;

– стальные кованые для  горячей прокатки  - 22,9;

– стальные кованые для  холодной прокатки  - 12,4.

Таким образом, доля литых  валков в общем объеме составляет 64,7%, а доля кованых валков – 35,3%.

1.8.Особенности изготовления литых валков

 

          1.8.1 Стационарное литье валков

 

Способ "вихревой заливки", применяемой для стационарного  литья валков был запатентован еще  в 1885 году [18]. Этот способ предусматривает заливку металла в разовую валковую форму снизу (рис. 1.1). Литниковая система выполнена тангенциально, что обеспечивает вращение металла в форме в процессе заливки. Это позволяет получать отливку с чистой рабочей поверхностью, так как частицы шлака и другие неметаллические включения оттесняются в осевую зону и выносятся в прибыль. Бочка валка формируются в кокиле, а шейки, треф и прибыль в опоках, заполненных песчано-глинистой смесью. Для литья листопрокатных валков применяют гладкие кокили. Валки сортовых станов могут изготавливать как в гладких кокилях с последующей вырезкой калибров, так и в калиброванных разъемных [19]. Возможно использование водоохлаждаемой опоки вместо кокиля [20], однако практическое применение этого предложения очень сложно. Калиброванная часть валка может формироваться с помощью вставок из хромомагнезитовой смеси или металла, например, чугуна или алюминиевого сплава [21, 22]. В последнее время появились работы, посвященные совершенно новым способам изготовления валков, отливаемых под регулируемым давлением [23] или на машине непрерывного литья заготовок [24], а также полученных путем спекания карбидов [25].