книги из ГПНТБ / Грачев В.А. Современные методы плавки чугуна

Указанное превышение возрастает с увеличением углеродного экви­ валента. Более высокую герметичность в случае плавки на природ­ ном газе можно объяснить тем, что чугун, выплавленный в газовой вагранке, отличается меньшей пористостью, измельчением графито­ вых включений, меньшим газосодержанием и большей плотностью,

В табл. 38 приведены систематизированные данные результатов

ступени оппозитного компрессора 4М10-100/8, проведенных в про­ изводственных условиях в течение 1968—1969 гг.

Анализ данных позволяет сделать вывод о том, что отливки, за­ литые чугуном из газовой вагранки, являются более надежными в эксплуатации по сравнению с такими же отливками, но залитыми

показали, что износостойкость чугуна из газовой вагранки выше, чем из коксовой. Средний суммарный износ нижнего подвижного образца чугуна коксовой плавки составляет 1,1124 мм3, а образца газовой плавки при тех же условиях испытания — 0,3114 мм3, что в 3,6 раза меньше.

Результаты испытания на износостойкость образцов, вырезан­ ных из отливок цилиндра и поршневого кольца, приведены в табл. 39.

Как видно из данных табл. 39-, в условиях трения со смазкой средняя величина суммарного износа верхнего и нижнего образ­ цов, вырезанных из зеркала цилиндра и поршневого кольца, зали­ тых чугуном из газовой вагранки, меньше соответственно в 2,96 и 5,6 раза по сравнению'со средней величиной суммарного износа об­ разцов, вырезанных из аналогичных отливок, но залитых чугуном коксовой плавки, что объясняется более высокой твердостью и пол-

150

ностью перлитной структурой отливок в первом случае при прак­ тически одинаковом химическом составе с отливками во втором случае выплавки чугуна.

Таким образом, более высокой износостойкостью, а следова­ тельно, и долговечностью при эксплуатации обладает чугун, вып­ лавленный в газовой вагранке.

8. П О Л У Ч Е Н И Е В Ы С О К О П Р О Ч Н О Г О Ч У Г У Н А С Ш А Р О В И Д Н Ы М Г Р А Ф И Т О М

Модифицирование чугуна

Способы обработки исходного чугуна сфероидизирующими моди­ фикаторами. Одним из основных факторов, влияющих на увеличе­ ние выпуска отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным гра­ фитом, является способ ввода сфероидизирующего модификатора в чугун, от простоты, надежности и экономичности которого зави­ сит успех внедрения этого чугуна в промышленность. Известно много способов ввода в чугун тех или иных сфероидизирующих мо­ дификаторов.

Плавильным агрегатом в значительной степени предопределя­ ется химический состав и температура исходного, следовательно, и модифицированного чугуна. Поэтому выбор того или иного спо-

151

соба обработки чугуна сфероидизирующими присадками должен осуществляться с учетом плавильного агрегата, используемого при производстве высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

В настоящее время во всем мире в качестве модификаторов для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в ос­ новном применяют магний и его лигатуры. Учитывая это, при про­ ведении экспериментов [79] чугуны коксовой и газовой вагранок модифицировались металлическим магнием в копильнике, а также

железо-кремне-магниевая лигатура широко используется при полу­ чении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Она дешев­ ле и менее дефицитна, чем лигатуры, содержащие никель и медь. При модифицировании чугуна низкомагниевой лигатурой реакция протекает спокойно без выбросов чугуна, а усвоение магния чугу­ ном высокое. При этом отпадает необходимость введения ферро­ силиция в чугун после модифицирования.

Модифицирование чугуна низкопроцентной магниевой лигату­

его наполнением чугуном. Этот способ использовался при модифи­

Этим способом пользовались при получении тонкостенных отливок для модифицирования чугуна газовой вагранки после науглерожи­ вания его новым карбюризатором, так как в этом случае ковш еще до введения лигатуры наполнен металлом.

3. В специальном устройстве, установленном на форме вместо литниковой чаши. Этот способ применялся при получении массив­ ных отливок из чугуна газовой вагранки.

Конструкция устройства для модифицирования чугуна метал­ лическим магнием в копильниках газовой и коксовой вагранок по­ казана на рис. 44. Как видно из рисунка, для введения магния в жидкий чугун копильник / имеет крышку 2 для открывания и за­ крывания центрального отверстия копильника. Крышка шарнирно прикреплена к посадочному кольцу копильника. Магний в жид­ кий чугун вводится с помощью специального приспособления, со­ стоящего из колокола 3, штанги и крышки-груза 4. Для предо­ хранения от расплавления штанга облицовывается шамотными трубками. Штанга с целью регулирования глубины погружения колокола в жидкий металл состоит из трех-четырех частей. Отдель­ ные части штанги между собой, как и колокол со штангой, соеди­ няются с помощью ниппелей. Присоединение штанги к крышке-гру-

152

153

где он перегревается за время скопления необходимого количества металла в копильнике. Когда уровень жидкого металла достигнет соответствующей шлаковой летки, производится возможно полное скачивание шлака. После этого временно останавливается дутье, шлаковая летка набивается формовочной землей и начинается мо­ дифицирование чугуна. Для этого колокол приподнимается в верх­

жидким металлом, который длится 2—3 минуты, начинается вы­ пуск металла из копильника.

При модифицировании чугуна лигатурой в ковше на дно разо­ гретого ковша вводится лигатура, предварительно раздробленная

на куски размером 10—15 мм. Расход лигатуры составляет 2,25— 3,0% от веса обрабатываемого металла. Затем лигатура покрывает­

ся флюсом в количестве 0,4% от веса жидкого чугуна. Флюс состо­

липания ко дну ковша под слоем лигатуры засыпается графит в ко­ личестве 0,2% от веса обрабатываемого чугуна.

В процессе наполнения ковша металлом указанный флюс обра­ зует плотный шлаковый покров, который препятствует окислению магния лигатуры кислородом атмосферы. После окончания процес­ са взаимодействия лигатуры с металлом, который длится 2—5 ми­ нут, модифицированный чугун очищается от шлака и подается на заливку форм.

При обработке чугуна в ковше лигатурой в колоколе принуди­ тельное погружение ее в металл осуществляется специальным при­ способлением, состоящим из колокола, штанги, крышки и груза. Движение всего приспособления осуществляется подъемным кра­ ном. Применялись сварные колоколы из 5-миллиметровой листовой стали на вместимость 25 кг лигатуры. Колокол, заполненный лига­ турой, прикрепляется к штанге и прогревается 20—30 минут пере­ носной газовой горелкой. После этого колокол с помощью подъем­ ного крана вводится в чугун. Перед началом обработки чугуна зер­ кало очищается от шлака. Расход лигатуры составляет 2,25— 2,5% от веса обрабатываемого чугуна.

При модифицировании чугуна этим способом реакция взаимо­ действия лигатуры с металлом длится 2—5 минут, после окончания которой свободный колокол выводится из ковша. Модифицирован­ ный чугун очищается от шлака и разливается в формы.

Устройство для модифицирования чугуна магниевыми лигатура­ ми, которое устанавливается на форме вместо литниковой чаши,

154-

показано на рис. 45. Оно состоит из металлоприемника-шлакоуло- вителя 1 с перегородкой, в нижней части которой сделано отверстие для прохода жидкого металла, камеры для модифицирования чугу­ на 2 с углублением для размещения модификатора и отверстия с противоположных сторон для входа и выхода металла, шлакоуло­ вителя 3 с двумя перегородками, первая из которых служит для очистки модифицированного чугуна от шлака, а вторая для под­ держания уровня металла выше проходного отверстия. Шлако­ уловитель 3 имеет отверстие для выпуска из устройства чугуна, обработанного магниевыми лигатурами.

Рис. 45. Устройство для модифицирования чугуна магниевыми ли­ гатурами, устанавливаемое на форме вместо литниковой чаши.

На дно камеры для модифицирования чугуна засыпается по­ рошковый графит 7 в количестве 0,05% от веса заливаемой отливки. Графит покрывается отдельными слоями лигатуры 8, общий расход которой составляет 1,9—2,5% от веса заливаемого в форму жидкого металла. Между слоями лигатуры, высота которых 100—120 мм, за­ сыпается криолит 9 в количестве 0,4% от веса отливки и закладыва-

155

ются тонкие стержневые сетки 10. Стержневые сетки служат для замедления реакции и предотвращения пироэффекта при взаимо­ действии магния лигатуры с металлом. Затем камера, наполненная модификатором, подогревается газовой горелкой до 400—500°С и накрывается стальным листом 6, после чего заливается жидкий чу­ гун. Металл поступает через металлоприемник-шлакоуловитель 1 в камеру для модифицирования 2 и модифицируется в потоке. После этого модифицированный чугун в шлакоуловителе 3 очищается от шлака и через стояк 4 поступает в форму 5, где затвердевает в виде чугуна с шаровидным графитом.

Исследования производились путем сравнения особенностей мо­ дифицирования чугуна, выплавленного в коксовой и газовой ва­ гранках.

Экспериментами определялось влияние условий выплавки чу­ гуна на расход модификатора, снижение температуры и изменение химического состава в процессе модифицирования чугуна.

Результаты модифицирования чугуна газовой и коксовой ва­ гранок. Усвоение магния и снижение температуры при модифициро­ вании чугуна в копильнике коксовой и газовой вагранок приведены в табл. 40.

Т а б л и ц а 40

Результаты модифицирования чугуна из коксовой и газовой вагранок магнием в копильнике и лигатурой в ковше

цировании чугуна из газовой вагранки выше и составляет в среднем 16,4% против 13,5% при обработке чугуна, выплавленного в коксо­ вой вагранке. При этом среднее остаточное содержание магния в

156

няется пониженным содержанием серы и газов в этом чугуне. Это подтверждается расчетом сокращения расхода магния при моди­ фицировании чугуна, выплавленного в газовой вагранке. При мо­ дифицировании чугуна коксовой и газовой вагранок равным коли­ чеством магния (0,5%) потеря углерода при плавке металла в газо­ вой вагранке больше в среднем на 0,11%. Это, по-видимому, проис­ ходит из-за повышенной температуры чугуна, выплавленного в га­ зовой вагранке.

Для получения примерно равного количества (0,067—0,068%) магния в чугунах коксовой и газовой вагранок после модифициро­ вания расход магния составляет соответственно 0,5 и 0,41%- В этом случае потеря углерода при обработке магнием чугуна газовой ва­

В процессе обработки магнием чугунов, выплавленных в коксо­ вой и газовой вагранках, содержание кремния уменьшается почти одинаково — в среднем на 0,17—0,18%, серы — до 0,007%. Содержа­ ние марганца и фосфора в обоих случаях существенно не изменя­ ется.

Как следует из табл. 40, при обработке магниевой лигатурой чу­ гуна, выплавленного в газовой вагранке, усвоение магния больше в среднем на 11,60%, чем при модифицировании чугуна коксовой вагранки. Для получения 0,0702% остаточного магния в чугуне кок­ совой вагранки расход лигатуры составляет 3,0% от веса металла, а при модифицировании чугуна, выплавленного в газовой вагранке, расход лигатуры равен 2,25%. Уменьшение расхода лигатуры, как и магния, при плавке исходного чугуна в газовой вагранке объяс­ няется пониженным содержанием серы и газов в этом чугуне.

При равном расходе лигатуры потеря углерода в процессе моди­ фицирования чугуна газовой вагранки больше, но незначительно — в среднем на 0,03%. Остаточное содержание серы в модифициро­ ванном чугуне газовой вагранки составляет 0,0132%, что в среднем на 0,0042% меньше, чем после модифицирования чугуна коксовой вагранки.

При получении примерно одинакового количества остаточного магния расход лигатуры при обработке чугуна газовой вагранки , уменьшается и составляет 2,25% от веса обрабатываемого чугуна против 3,0% при модифицировании чугуна коксовой вагранки. В этом случае потеря углерода при обработке лигатурой чугуна га­ зовой вагранки меньше в среднем на 0,06%, а среднее остаточное содержание серы равно 0,0162%, что объясняется уменьшением рас­ хода модификатора. При модифицировании чугунов коксовой и га­ зовой вагранок магниевой лигатурой содержание кремния в чугуне увеличивается. При расходе лигатуры 3% от веса металла содер­ жание кремния в чугуне повышается в среднем на 0,86—0,88%, а

157

при расходе лигатуры 2,25 — на 0,66%, т. е. на 0,29—0,30% на каж­ дый процент лигатуры, вводимой в чугун. Содержание марганца и фосфора при обработке чугуна коксовой и газовой вагранки магни­ евой лигатурой существенно не изменяется.

Сравнение способов модифицирования чугуна, выплавленного в газовой вагранке. Результаты проведенных экспериментов по мо­ дифицированию чугуна, выплавленного в газовой вагранке, метал­ лическим магнием в копильнике и путем введения лигатуры на дно ковша при разном расходе модификаторов приведены в табл. 41.

При модифицировании чугуна газовой вагранки путем введения магниевой лигатуры на дно ковша обеспечивается хорошая без­ опасность работы. При этом пироэффект значительно меньше, чем при обработке чугуна металлическим магнием, а выбросы чугуна из ковша отсутствуют.

Падение температуры при модифицировании металла в ковше на б—10°С меньше, чем при обработке чугуна в копильнике вагран­ ки. Продолжительность модифицирования металла в ковше не­ сколько больше. Однако, если учесть время, затраченное на выпуск чугуна из копильника, которое при обработке большого количества металла доходит до 10 минут, и этот период сопровождается умень­ шением температуры и содержания магния в чугуне, то преимуще­ ство обработки металла магниевой лигатурой очевидно. Более вы­ сокое усвоение магния, до 55%, достигается при модифицировании металла путем введения магниевой лигатуры на дно ковша.

При модифицировании чугуна газовой вагранки лигатурой эф­ фективность обессеривания повышается. Для понижения содержа­ ния серы в чугуне газовой вагранки до 0,02% при обработке метал­ ла в копильнике металлическим магнием расход магния составляет 0,21%, а при модифицировании низкопроцентной магниевой лига­ турой приблизительно в 1,6 раза меньше —0,13% (в пересчете на чистый магний из лигатуры).

158

Таким образом, хотя при плавке металла в газовой вагранке вы­ сокопрочный чугун с шаровидным графитом можно получить обои­ ми способами модифицирования металла, лучшим является способ обработки чугуна путем введения низкопроцентной магниевой лига­ туры на дно ковша.

С целью понижения расхода модификатора и упрощения произ­

водства массивных отливок из чугуна с шаровидным графитом было разработано устройство для модифицирования металла, уста­ навливаемое непосредственно на форме вместо литниковой чаши.

Проведенные эксперименты показали, что при модифицировании металла в устройстве новым способом реакция взаимодействия маг­ ния с металлом протекает спокойно, без пироэффекта и выбросов чугуна. Это объясняется слоистым расположением магниевой ли­ гатуры в камере для модифицирования чугуна с наличием стерж­ невой сетки, что замедляет реакцию взаимодействия лигатур с ме­ таллом.

химического состава чугуна существенного различия не замечено. Результаты сравнения способов модифицирования чугуна пу­ тем введения магниевой лигатуры в колоколе и на дно ковша без колокола при ее расходе 2,25% от веса жидкого металла показали,

что при введении магниевой лигатуры в чугун в колоколе измене­ ние химического состава и процент усвоения магния почти такие же, как и при введении лигатуры на дно ковша перед его наполнением жидким металлом. Однако температура чугуна понижается на 10—15°С больше, чем при введении лигатуры на дно ковша, что

объясняется затратой тепла на нагрев колокола.

Литейные и механические свойства чугуна

Исследование свойств чугуна с шаровидным графитом, получен­ ного из газовой вагранки, производилось при одновременном изу­ чении тех же свойств при использовании коксовых вагранок для выплавки исходного чугуна. При этом исходный чугун выплавлялся в экспериментальной газовой вагранке производительностью 150— 200 кг/час, а также в производственных коксовых вагранках произ­ водительностью 5—7 т/час и газовых вагранках производительно­ стью 2—3 и 7—10 т1час.

Выплавленный чугун модифицировался путем введения магние­ вой лигатуры на дно ковша перед наполнением его металлом. Рас­ ход лигатуры при обработке чугуна газовой вагранки составлял 2,25%, а при плавке исходного чугуна в коксовой вагранке 3,00%.

159