Получение синтетических литейных чугунов
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Получение синтетических литейных чугунов

Из практики литейного производства известно, что доменные чугуны одинакового химического состава, но выплавленные на разных металлургических заводах, различаются структурой металлической основы, размером и формой графитовых включений, микропримесями элементов и т.д. Эти наследственные свойства при переплаве доменных чугунов в литейном производстве передаются выплавленному металлу и часто являются причиной металлургического брака. Особенно неблагоприятно наследственные свойства сказываются при выплавке серого чугуна в вагранках, что связано с их ограниченными возможностями по обеспечению перегрева металла, который на практике является основным приемом подавления наследственных свойств чугуна. При выплавке чугуна в вагранке крупные графитовые включения и спель не успевают полностью раствориться и в таком виде переходят в металл отливки, ухудшая ее физико-механические свойства. Как известно, основное влияние на структуру отливок оказывает не столько общее содержание углерода в чугуне, а его количество, находящееся в связанном виде. Именно такое содержание углерода характерно для передельного чугуна, где лишь небольшая часть углерода выделяется в свободном виде (графит) в форме мелких включений.

Благоприятное состояние углерода в передельном чугуне позволяет положительно рассматривать этот чугун с точки зрения влияния углерода доменного чугуна на качество отливок. По мнению многих исследователей, передельный чугун имеет благоприятные наследственные свойства, а при его использовании повышается жидкотекучесть металла и снижается его газосодержание. Вместе с тем, нельзя не отметить большую склонность такого чугуна к отбелу, что делает предпочтительной операцию модифицирования для таких отливок.

Кроме того, при выплавке литейного чугуна расход металлургического кокса, по сравнению с выплавкой передельного чугуна, увеличивается на 20-30 %, а производительность доменных печей снижается на 20-26 %. В качестве примера на рис.2.11 представлены зависимости удельной производительности и удельного расхода кокса доменных печей от содержание кремния в чугуне, обобщенные НПО «Тулачермет».

Зависимость удельной производительности и удельного расхода кокса в доменных печах от содержания кремния в чугуне

Рисунок 2.11 – Зависимость удельной производительности и удельного расхода кокса в доменных печах от содержания кремния в чугуне (числа у кривых – объемы доменных печей, м3)

В настоящее время накоплен большой положительный опыт производства синтетического литейного чугуна на ряде металлургических заводов Украины и России. При этом присадку ферросилиция в чугун осуществляли в потоке чугуна на желобе доменной печи, либо непосредственно в чугуновозный ковш. Однако, высокая степень усвоения ферросилиция (85-90 %) достигалась только при условии соблюдения наиболее благоприятных для растворения ферросилиция условий. Так, при производстве синтетического литейного чугуна на Магнитогорском металлургическом комбинате ферросилиций ФС75, предварительно подогретый в контейнерах коксовым газом (размер кусков 50-80 мм), загружали в ковш, раскаленный докрасна. На ряде металлургических заводов в ковш перед заливкой чугуна подавали жидкий ферросилиций. Организационно-технологические недостатки таких технологий в принципе достаточно очевидны, что собственно и подтверждается тем фактом, что они не получили серьезного распространения.

Высокие показатели по усвоению твердого ферросилиция достигнуты НПО «Тулачермет». При этом электропечной ферросилиций ФС45 и ФС75 вводят в строго нормированных дозах в струю чугуна на желобе доменной печи во время выпуска. Наилучшие условия для усвоения ферросилиция (85-95 %) соответствуют определенной крупности кусков (около 30 мм) и температуре чугуна на выпуске (около 1550 оС). Проведенные исследования показали существенную неоднородность чугуна по содержанию в нем кремния, которая для оптимальных условиях обработки составляла не менее 0,2-0,3%.

Анализируя рассмотренные результаты, нельзя не отметить, что проблема максимально полного растворения ферросилиция в чугуне определяется двумя главными аспектами: наличие положительного теплового баланса с точки зрения обеспечения процесса расплавления вводимого ферросилиция; обеспечение условий для быстрого растворения ферросилиция за счет интенсификации процессов массо - и теплообмена (принудительное перемешивание).

На рис.2.12 представлена расчетная диаграмма изменения температуры чугуна при растворении ферросилиция непосредственно в ковше, построенная на основании теплового баланса.

В расчете было принято, что ферросилиций загружается в ковш после слива чугуна, а его растворение происходит после заполнения ковша в условиях интенсивного перемешивания. Предполагается, что за счет энтальпии футеровки ковша (тепло от предыдущей плавки) ферросилиций перед заливкой прогревается до температуры 500 оС, а перед принудительным перемешиванием чугун и ферросилиций выдерживаются в ковше 80-90 мин (потери тепла ковшом при выдержке составляют 0,5 оС/мин, а в процессе перемешивания – 1,0 оС/мин).

Диаграмма изменения температуры чугуна в ковше

Рисунок 2.12 – Диаграмма изменения температуры чугуна в ковше: 1-4 – температура плавления ферросилиция; 5-8 – температура в ковше после выпуска из доменной печи; 9-16 – температура в период нагрева и расплавления ферросилиция; 17-22 – требуемая температура на выпуске из доменной печи; точки 9,11,13,15,17,19,21 соответствуют повышению содержания кремния в чугуне на 1%; точки 10,12,14, 16,18,20,22 соответствуют повышению содержания кремния в чугуне на 2,5%.

Требуемая температура чугуна на выпуске из доменной печи определена как сумма потерь тепла чугуном при нагреве и расплавлении ферросилицием (с учетом теплового эффекта), выпуске из доменной печи, транспортировке и обработке, сложенная с температурой плавления ферросилиция заданной марки.

Как видно из представленной диаграммы, наиболее благоприятные условия для расплавления ферросилиция создаются при использовании ФС65, так как затраты тепла на его расплавление определяются, главным образом, потерями тепла чугуном при выдержке в ковше, а температура его плавления оказывается наименьшей.

Несмотря на то, что динамика изменения температуры чугуна при расплавлении ферросилиция ФС65 и ФС75 практически одинакова, для расплавления последнего требуется большая температура чугуна на выпуске из-за разницы в значениях температуры плавления. Использование же ферросилиция ФС25, видимо, может носить лишь ограниченный характер и, прежде всего, для небольшой коррекции содержания кремния в чугуне. Сравнивая полученные данные по требуемой температуре чугуна на выпуске из доменной печи с данными НПО «Тулачермет», нельзя не отметить, что расчетные данные получились несколько ниже. Это, по нашему мнению, свидетельствует о том, что в технологии НПО «Тулачермет» перемешивание чугуна с ферросилицием оказывается недостаточно эффективным. Поэтому более полное усвоение ферросилиция может быть достигнуто за счет увеличения длительности пребывания ферросилиция в чугуне (более полное использование энтальпии чугуна), предварительного подогрева ферросилиция и принудительного его перемешивания с чугуном в процессе ковшевой обработки (увеличение плотности теплового потока, уменьшение толщины пограничного слоя, а также отрыв неполностью растворившихся частиц ферросилиция за счет воздействия с принудительными конвективными потоками). Характерным примером такой технологии, объединяющей все эти принципы, является технология получения синтетического литейного чугуна с использованием пульсационного перемешивания металла в ковше, которая включает в себя следующие основные этапы:

  • загрузка ферросилиция в горячий ковш после слива из него чугуна на участке разливочных машин;
  • транспортировка ковша к доменным печам, в процессе которой осуществляется предварительный нагрев ферросилиция за счет энтальпии футеровки ковша (1,5-2,0 ч);
  • заполнение ковша чугуном, в процессе которого вследствие положения ферросилиция на дне ковша происходит его «примораживание»;
  • транспортировка ковша с чугуном к установке внепечной обработки (0,8-1,2 ч), в процессе которого осуществляется последующий прогрев ферросилиция вплоть до температуры плавления;
  • растворение ферросилиция в чугуне в процессе пульсационного перемешивания (14-15 мин) посредством размывания «примороженного» ферросилиция пульсирующей затопленной струей чугуна.

Технология и промышленная установка были отработаны в условиях Донецкого металлургического завода (рис.2.13).

Как показали исследования, степень усвоения при пульсационном перемешивании может составлять 90-95% даже для недробленого ферросилиция. Имеющиеся, хотя и довольно незначительные, потери ферросилиция, видимо, связаны с тем, что в процессе взаимодействия ферросилиция с пульсирующими струями чугуна некоторая часть кусков всплывает на поверхность и попадает в шлак, где их расплавление существенно затрудняется. Кроме того, установлено, что при сливе чугуна на разливочной машине в ковше практически всегда остается некоторое количество чугуна (обычно не более 2 тонн), которое при определении степени усвоения ферросилиция в расчет не принимается.

Степень усвоения ферросилиция зависит от температуры чугуна в ковше и для чугуна с недостаточно высокой температурой заметно снижается (рис.2.14), так как его расплавление прекращается при снижении температуры чугуна ниже температуры плавления ферросилиция. Установлено, что нерасплавившийся ферросилиций остается «примороженным» к днищу ковша и растворяется при последующем наливе, что может привести к получению некондиционного чугуна.

Опытно-промышленная установка для пульсационного перемешивания чугуна

Рисунок 2.13 - Опытно-промышленная установка для пульсационного перемешивания чугуна: 1-рабочая тележка с шахтами; 2-эстакада; 3-каретка; 4-чугуновозный ковш с металлом; 5-футерованная погружная колонна; 6,7-патрубок для отвода и подвода газа; 8-распределительный клапан; 9-привод клапана; 10-ресивер

С точки зрения сокращения затрат на получение синтетического чугуна значительный интерес представляет использование ферросилиция без дополнительного дробления (обычно ферросилиций поставляется в кусках с максимальным линейным размером 300-350 мм). Однако при этом степень усвоения ферросилиция падает, как минимум, на 20-25 % из-за всплытия больших кусков в шлак. Повышения степени усвоения (до 93-94 %) в этом случае удается достигнуть путем уменьшения в 1,5-3,5 раза глубины погружения пульсационной колонны в заключительные 0,25-0,50 периода обработки, что стимулирует перемешивание верхних слоев чугуна со всплывшими кусками ферросилиция.

Степени усвоения дробленого ферросилиция ФС45 для разных температур чугуна и длительностей пульсационной обработки

Рисунок 2.14 - Степени усвоения дробленого ферросилиция ФС45 для разных температур чугуна и длительностей пульсационной обработки

В комплексе с рассмотренной технологией получения синтетического литейного чугуна была исследована возможность его десульфурации слитковым магнием в ковше. С точки зрения обеспечения минимальной длительности обработки наиболее предпочтительным представляется последовательное растворение ферросилиция, а затем обработка магнием. В этом случае длительность пульсационного перемешивания может быть уменьшена до 7-10 мин, так как в дальнейшем чугун интенсивно перемешивается при десульфурации. При этом эффективность использования магния для десульфурации синтетического чугуна, по меньшей мере, не ниже, чем обычного доменного. Это, видимо, объясняется тем фактом, что температура синтетического чугуна в ходе обработки оказывается несколько ниже. Характерной особенностью метода получения синтетического литейного чугуна с применением пульсационного перемешивания является достижение высокой химической однородности не только в макро-, но и в микрообъемах. Исследованиями, выполненными с помощью рентгеновского микроанализатора MS-46 «Cameca», показано, что концентрационные профили распределения кремния в синтетическом литейном и доменном литейном чугунах практически одинаковы.

Обобщая рассмотренные исследования, можно утверждать, что в доменных цехах металлургических заводов существуют широкие возможности по доводке передельного чугуна до уровня высококачественного литейного, представляющего значительный интерес для потребителей – литейных цехов машиностроительных заводов. Безусловно, в случае необходимости получения высококачественных отливок литейные цеха будут заинтересованы в приобретении исходного чугуна высокой кондиции.

Что же касается внепечной обработки чугуна непосредственно в литейных цехах, то, на наш взгляд, основная область ее применения в большей степени может быть ограничена корректировкой химического состава чугуна под регламентируемый состав, а также его модифицированием и микролегированием для высококачественных изделий ответственного назначения. При этом в чугун будут вводиться значительно меньшие количества лигатур, что, в конечном счете не требует значительных затрат тепла на их расплавление или усвоение. Способы ввода модификаторов и лигатур в металл также могут быть различными: дробленые материалы, вдувание порошков, порошкообразная проволока и пр. Представляется наиболее целесообразным и эффективным осуществлять введение лигатур и других материалов одновременно с интенсивным перемешиванием расплава.

При выборе оптимальных методов обработки чугуна и способов введения добавок большое значение имеет механизм и кинетика растворения ферросплава (или другого материала) в жидком чугуне. В зависимости от соотношения температуры плавления вводимого материала ТП, температуры кристаллизации чугуна ТК и температуры чугуна в ковше ТЧ различают легкоплавкие (ТП < ТК), тугоплавкие (ТК < ТП < ТЧ) и сверхтугоплавкие (ТП > ТЧ). Такое условное разделение вводимых в металл материалов позволяет сопоставить кинетику их растворения в чугуне (рис.2.15). Так, процесс растворения легкоплавкого ферросплава происходит в три этапа. В течение первого этапа ферросплав прогревается до температуры плавления, а на его поверхности «намерзает» твердая корочка чугуна.

Схематическое представление кинетики расплавления легкоплавкого и тугоплавкого ферросплава в чугуне

Рисунок 2.15 – Схематическое представление кинетики расплавления легкоплавкого (а, б) и тугоплавкого (в) ферросплава в чугуне

На втором этапе ферросплав начинает плавиться под «намерзшей» корочкой и в зависимости от конкретных условий (величины теплового потока и теплофизических свойств ферросплава) период заканчивается либо полным растворением ферросплава, либо полным расплавлением твердой оболочки и погружением нерасплавившейся части куска ферросплава в расплав. Во время третьего этапа завершается либо растворение твердой оболочки, либо растворение вводимого материала. Образование жидкой фазы ферросплава под твердой оболочкой в конечном итоге может вызвать возникновение в ней трещин (объем жидкого ферросплава большей, чем твердого) и вытекание жидкого ферросплава, что интенсифицирует процесс его растворения за счет локального перегрева расплава. Растрескивание оболочки «намерзшей» стали, например, применительно к растворению ферросилиция повышает скорость его растворения в 1,5-1,6 раза. Процесс растворения тугоплавкого ферросплава в металле можно также условно разбить на три этапа: на первом этапе металл «намерзает» на кусок ферросплава, на втором – ферросплав прогревается до температуры плавления, а корочка расплавляется, а на третьем происходит плавление и растворение ферросплава в металле.

В соответствии с рассмотренной классификацией, большинство из промышленных марок ферросплавов в отличие от стали, являются тугоплавкими по отношению к чугуну. Соответственно требуется корректировка методов введения ферросплавов в расплав. В первую очередь, речь может идти о создании условий для длительного пребывания частиц вводимого материала в расплаве в условиях принудительного перемешивания. Дополнительные возможности по улучшению растворимости модификаторов и ферросплавов в жидком чугуне могут быть созданы за счет придания вводимым частицам специальной геометрической формы, например, в виде пластинок.