3.7.7. Рафинирование чугуна от неметаллических включений

Неметаллические включения в чугунных отливках имеют экзогенное и эндогенное происхождение. Экзогенные неметаллические включения представляют собой частицы формовочной и стержневой смеси, шлака, футеровки печей и ковшей, которые могут попадать в отливку в результате размыва формы и механического замешивания в расплав. Вследствие этого состав их, как и формовочных и футеровочных материалов, имеет оксидную природу – состоят в основном из SiO₂, (FeO∙MnO)∙SiO₂, (FeO∙MnO)∙Al₂O₃ и SiO₂∙Al₂O₃. Эти включения, как правило, имеют крупные размеры, поэтому попадание их в отливку крайне нежелательно.

Эндогенные неметаллические включения образуются в расплаве при вводе в него легирующих, раскисляющих и модифицирующих материалов. Они представляют собой продукты взаимодействия легирующих элементов, раскислителей и модификаторов с компонентами жидкого чугуна. Поэтому по химическому составу они более разнообразны и могут представлять собой простые и сложные оксиды (SiO₂, Al₂O₃, MgO, FeO∙Al₂O₃, Al₂O₃∙Ce₂O₃ и др.), сульфиды и оксисульфиды (CaS, MgS, CeS, Ce₂S₃, MgO∙MgS, Ce₂O₂S и др.), нитриды и карбонитриды (TiN, TiCN и др.). В момент выделения из расплава они имеют малые размеры, но впоследствии они растут и укрупняются. При этом большая часть из них (в том числе около 70 % оксидных частиц) имеет размер от 0,2 до 1 мкм.

По термо-временному признаку образования различают первичные, вторичные (до-кристаллизационные), третичные (кристаллизационные) и четвертичные (после-кристаллизационные) неметаллические включения. Первичные включения образуются в период обработки жидкого чугуна легирующими, раскисляющими и модифицирующими компонентами. Вторичные и третичные включения выделяются соответственно в период остывания расплава до температуры начала кристаллизации и в период кристаллизации чугуна в интервале температур ликвидуса и солидуса, а четвертичные – после первичной кристаллизации чугуна. Соответственно, первичные и вторичные включения имеют большие размеры, чем третичные и четвертичные.

Общее содержание неметаллических включений в чугуне может достигать 5-6 %. При этом в единице объема (1 см³) чугуна содержится более 50 млн. включений, в том числе до 5 млн. штук оксидов, около 43 млн. штук сульфидов и около 5 млн. штук карбонитридов.

В зависимости от природы и размерной характеристики неметаллические включения оказывают различное влияние на свойства чугуна. Грубые и крупные включения однозначно оказывают отрицательное влияние. Они снижают показатели механических, технологических и эксплуатационных свойств, ухудшают качество механически обработанной поверхности, а также снижают стойкость режущего инструмента. Поэтому такие неметаллические включения необходимо удалять из расплава. Особенно это актуально при литье чугуна с шаровидным графитом, когда в отливках формируются дефекты в виде чёрных пятен. Последние представляют скопления продуктов взаимодействия сфероидизирующих элементов (Mg, Ce, Y и др.) с серой и кислородом чугуна. Поражённость отливок чёрными пятнами возрастает по мере увеличения содержания серы в исходном чугуне и расхода сфероидизатора, достигая 50 % и более площади излома.

Влияние дисперсных включений многогранно. Они, с одной стороны, не оказывают существенного влияния на показатели механических свойств чугуна. Но, с другой стороны, они могут выполнять роль гетерогенных зародышей при кристаллизации графита и определяют наследственные свойства чугуна.

Для предотвращения попадания в отливку крупных и грубых неметаллических включений, в том числе для предотвращения формирования в отливках дефектов в виде черных пятен, применяют различные технологические приемы:

1. обеспечивают заполнение полости формы расплавом без размыва ее стенки за счет подвода металла вдоль или тангенциально к ней;

2) осуществляют разливку чугуна из стопорных и чайниковых ковшей;

3) используют в качестве приемной ёмкости литниковую чашу с пробкой;

4. устраивают в литниковой системе шлакоуловители, в том числе центробежные;

5. применяют специальные методы внепечной обработки – продувку инертным газом в ковше и фильтрование в литейной форме.

При кратковременной продувке жидкого чугуна инертным газом (аргоном или азотом) в ковше содержание неметаллических включений в отливках снижается на 25-35 %. Удаление неметаллических частиц из расплава происходит за счет их флотации пузырьками вдуваемого газа. При этом, прежде всего, из расплава удаляются наиболее нежелательные крупные включения. Вследствие этого существенно снижается дефектность отливок по песчаным и шлаковым раковинам.

Фильтрование чугуна в процессе заполнения полости литейной формы является наиболее гарантированным способом предотвращения попадания в отливку грубых и крупных неметаллических включений.

Для фильтрования чугуна применяют различные фильтры (Рис. 3.7.10):

- сетчатые из тканого стекловолокна с размером ячейки от 1,0 х 1,0 мм до 2,5 х 2,5 мм и толщиной ~ 2 мм;

- ячеистые экструдированные из оксидных огнеупорных материалов с прямыми каналами постоянного (круглого, квадратного или треугольного) сечения размером 1,5 – 3,0 мм и толщиной 10 – 20 мм;

- пенокерамические из карбида кремния с извилистыми поровыми каналами переменного сечения шириной от 1 до 3 мм (10 -30 поровых каналов на расстоянии в один дюйм) и толщиной 15 – 25 мм.

а)

б)

в)

Рис. 3.7.10. Типы фильтров для рафинирования чугуна:

а) сетчатый; б) ячеистый; в) пенокерамический.

Фильтры размещают на различных участках каналов литниковой системы. При этом улавливание грубых неметаллических частиц размером больше ширины каналов в фильтре происходит за счет сеточного эффекта (Рис. 3.7.10, а). Более мелкие неметаллические частицы могут задерживаться на фильтре за счет адгезионного эффекта (Рис. 3.7.10, б). Хотя потенциально все частицы размером меньше ширины каналов в фильтре способны проскочить через фильтр, но существенная часть их осаждается на внутренних поверхностях каналов фильтра. Это обусловлено тем, что на частицы действуют различные (гравитационные, центробежные и пр.) силы, которые обеспечивают их доставку к поверхности фильтра за счет перемещения поперек направления течения расплава в поровых каналах фильтра. Доставленные частицы осаждаются и удерживаются на поверхности фильтра за счет сил адгезии (прилипания) их друг к другу. Полнее к поверхности фильтра доставляются более крупные частицы. Поэтому эффективность их улавливания фильтром выше. Поверхность фильтра может выполнять и роль подложки для кристаллизации неметаллической фазы из пересыщенного расплава (Рис. 3.7.10, в). Этому способствуют дефицит зародышевых центров для кристаллизации неметаллических частиц в объеме расплава и наличие пересыщенности расплава (α > 1) перед фильтрованием. При реализации подложечного механизма реакция раскисления чугуна (Рис. 3.7.11) реализуется не в объеме расплава с формированием неметаллических включений, а на поверхности фильтра с выделением на ней неметаллической фазы в виде поверхностной пленки. Следствием этого становится снижение содержания (активности) растворенного кислорода, что способствует уменьшению количества третичных и четвертичных неметаллических включений [9].

а)

б)

в)

Рис. 3.7.11. Механизмы фильтрационного рафинирования жидкого чугуна:

а) сеточный; б) адгезионный; в) подложечный.

Сетчатые фильтры улавливают неметаллические частицы преимущественно по сеточному механизму. По такому же механизму задерживаются неметаллические частицы и в ячеистых фильтрах, хотя они имеют в 5-10 раз большую толщину. Наличие в них прямолинейных каналов ограничивает развитие адгезионного механизма из-за недостаточной полноты доставки неметаллических частиц к поверхности фильтра. Поэтому сетчатые и ячеистые фильтры рекомендуется применять при необходимости очистки чугуна от грубых неметаллических частиц или их скоплений. При этом фильтры задерживают все частицы размером больше размера ячейки сетки.

Пенокерамические фильтры, имея криволинейные каналы переменного сечения с развитой внутренней поверхностью, обеспечивают более глубокую очистку расплава от неметаллических частиц. Такие фильтры действуют и как сеточные фильтры, улавливая на входной стороне все грубые и крупные частицы, которые имеют размер больше ширины его поровых каналов. Но они улавливают также значительную часть (30-60 %) более мелких частиц за счет их адгезионного осаждения на внутренних поверхностях каналов фильтра.