31. Технология плавки чугуна с шаровидным графитом, более подробно изложить: а) шихтовые материалы; б) особенности технологии
Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом включает два основных этапа: плавку и обработку чугуна добавками, сфероидизирующими графит. Получение требуемой микроструктуры достигается либо непосредственно в литом состоянии, либо путем термической обработки.
Состав шихты должен обеспечивать получение требуемого химического состава чугуна. Обычно этот чугун имеет повышенное значение углеродного эквивалента. При ваграночной плавке в шихте содержится повышенное количество чушковых чугунов.
Наиболее целесообразно применять электроплавку и особенно дуплекс-процессы. Для дуплекс-процесса ДП-ИТП (дуговая печь – индукционная тигельная печь промышленной часты) состав шихты будет следующий: возврат, стальные отходы, графит, ферросилиций, ферромарганец. Чугун, переливаемый в индукционную печь, имеет следующий химический состав (в %): 3,6-3,8 С, 1,7-1,8 Si, 0,3-0,4 Mn, < 0,012 S, < 0,06 Р, < 0,05 Cr, < 0,4-0,65 Ni, < 0,01-0,03 Cu. По сравнению с серым чугуном он имеет на 0,4 % больше углерода, на 0,2-0,3 % меньше марганца и очень низкое содержание серы.
Процесс плавки должен обеспечивать получение чугуна с заданной температурой. Температура чугуна на выдаче из печи по термопаре погружения составляет 1480-1530 °С, а температура начала заливки по пирометру соответственно 1370-1400 °С.
Получение шаровидной формы графита в чугуне возможно путем обработки расплава различными модификаторами, содержащими Mg, Се, Y и другие сфероидизации графита в ВЧ применяют Ni–Cu–Mg, Ni–Cu–Si–Mg, Ni–Si–Ca–Mg и также комплексные модификаторы ЖКМК, КМ и другие, в состав которых входят Mg, Ca, Si и РЗМ.
Для получения ВЧ применяют цериевые модификаторы: ферроцерий (40-55 % Се, 18-25% La, 10-12 % Nd, 7 % Pr), мишметалл (52 % Се, 24 % La, 5 % Pr), цериевый мишметалл МЦ40, МЦ65 (цифра обозначает минимальное содержание Се). Кроме того, используют кремнийцериевые лигатуры типа «СИИТМИШ» и «СЦЕМИШ». Однако стабильное получение шаровидной формы графита в чугуне при помощи этих лигатур возможно лишь для тонкостенного литья или при заливке в кокиль.
Известны комплексные модификаторы Ц1 (6-5 % РЗМ, 2-4 % Mg, 4-12 % Ва, 10-18 % Al, 29-17 % Si, остальное – Fe) и Ц2 (11- 18 % РЗМ, 1,5-3,5 % Mg, 0,05-5,0 % А1, 0,2-1,8 % Zr, 12-27 % Fe, остальное – Si). Эти модификаторы обеспечивают стабильное получение чугуна с шаровидным графитом и воспроизводимость свойств металла в отливках с толщиной стенки до 150 мм. Расход этих модификаторов для получения ВЧ составляет 1,2-2 % от массы металла. При вводе 0,6-0,8 % модификатора получается чугун с вермикулярным графитом.
В противоположность сфероидизирующим модификаторам некоторые элементы являются демодификаторами, в связи с чем их содержание (в %) и чугуне не должно превышать: 0,009 Pb, 0,003 Bi, 0,026 Sb, 0,08 As, 0,04 Тi, 0,13 Sn, 0,3 Al. Влияние демодификаторов частично и полностью устраняется добавкой ремодификаторов, например Се.
При вводе в чугун металлического магния происходит его интенсивное испарение. Пары магния сгорают с выделением белого дыма. Реакция происходит очень быстро и носит бурный характер. Для уменьшения пироэффекта применяют лигатуры с содержанием магния не выше 12-15 % или смеси как с большой плотностью, содержащие никель и медь, так и более легкие, содержащие кремний и кальций.
Для получения отливок без отбела рекомендуется после ввода сфероидизирующего модификатора проводить вторичное графитизирующее модифицирование, которое способствует также уменьшению усадочных дефектов и внутренних напряжений. При этом в качестве модификатора применяют обычно ферросилиций ФС75.
Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами связаны, как правило, с применением специальных устройств для ввода магния или лигатур, дающих пироэффект, которые помещают в колокольчик К, зарядную камеру ЗК. При помощи колокола модификатор можно вводить в копильник или в ковш в автоклаве.
Широкое распространение получили герметизированные ковши (ГК) конвертерного или барабанного типа. Объединение М ЗК ГК (где М – металл) реализуется в виде способа, показанного на рис.1.
положение ковша: а – перед обработкой; б – во время обработки
Рис.1. Герметизированный ковш
Лигатуры, не дающие пироэффекта, можно вводить в открытый ковш или в форму; можно применять магниевый пруток, механически вводимый в расплав или в испаритель, состыкуемый с ГК.
Наиболее простым способом является модифицирование лигатурами в ковше. Так, лигатуру Ni–Mg–Се вводят непосредственно в разливочный ковш. Вместе с лигатурой дают также ферросилиций и легирующие добавки. Однако лигатура Ni–Mg–Се имеет высокую стоимость, и большее распространение получили способы модифицирования чистым магнием.
При модифицировании чугуна происходят также обессеривание и дегазация, поэтому дозировка модификатора определяется расходом его на эти процессы, главным образом на соединение с серой. Необходимое количество магния (% от массы металла) можно определить по формуле: Mg = [(0,04-0,1) + 0,76 (Sи – S0)] А-1, где Sи и S0 – исходное и остаточное содержание серы; 0,04-0,1 % – остаточное содержание магния в чугуне (0,04 для высококачественных чушковых чугунов; 0,05 – для чугунов с худшими наследственными свойствами и до 0,1 для толстостенных отливок); А – коэффициент усвоения магния (зависит от способа модифицирования и температуры чугуна; при введении лигатуры Ni–Mg при 1400 °С А = 0,6-0,7, при 1500 °С А = 0,4-0,5).
При недостаточном количестве остаточного магния разуется смешанный или вермикулярный графит, а при избытке – частичный или полный отбел. При вводе модификатора в виде чистого магния в ковшах открытого типа копильник при помощи колокола расход магния 3ависимостн от температуры чугуна составляет 0,4-7 %; причем, чем выше температура металла, тем меньше исход магния. Магний в виде лигатуры вводят в количестве 2-2,5 % от массы металла. Расходы магния и лигатур снижаются, если их вводить в специальных автоклавах или в ковшах под давлением. При этом возрастает температура кипения магния обеспечивается медленное парообразование и создаются условия для максимального усвоения магния. Расход магния при модифицировании в автоклавах или герметизированных ковшах снижается до 0,20-0,35 % от массы обрабатываемого металла.