Изложницы из передельного чугуна с шаровидным графитом
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Изложницы из передельного чугуна с шаровидным графитом

Для успешного применения модифицированного магнием передельного доменного чугуна с учетом специфики свойств этого материала (более высокое по сравнению с ваграночным чугуном содержание углерода и марганца, относительно низкое содержание кремния и серы, наличие избыточного графита), необходимо разрабатывать специальную технологию модифицирования. В настоящее время лучшие результаты по повышению стойкости изложниц за счет применения чугуна с шаровидным графитом достигнуты при производстве мелких и средних изложниц. Одной из причин, сдерживающих расширение производства изложниц из чугуна с шаровидным графитом, является недостаточная эффективность используемых способов модифицирования магнием, не позволяющая успешно применять их для обработки больших масс чугуна. Следствием недостатков применяемых способов модифицирования является неоднородность структуры, что более явно проявляется в средних и крупных изложницах. Особенно следует обратить внимание на то, что в этом случае по всей толщине стенок изложниц не удается получить шаровидный графит.

В целом пригодными при массовом производстве отливок способами обработки чугуна магнием являются такие, которые удовлетворяют следующим требованиям: а) исключительной стабильности процесса обработки; б) надежности работы оборудования; в) кратчайшему циклу длительности обработки; г) наибольшей экономичности процесса в целом.

В странах СНГ и за рубежом при производстве изложниц в основном применяются пять способов обработки чугуна магнием:

  • металлическим магнием в открытых ковшах;
  • металлическим магнием в автоклавах и герметизированных ковшах;
  • кремний-магниевыми и комплексными лигатурами в промежуточной ёмкости (реакторе);
  • кремний-магниевыми лигатурами в открытых ковшах;
  • вдуванием порошкового магния в барабанном ковше.

Модифицирование чугуна погружением кускового металлического магния в открытом ковше обычно применяют при отливке изложниц из ваграночного чугуна. Этот способ модифицирования сравнительно прост, не требует сложного оборудования, но не отвечает требованиям производственной санитарии и техники безопасности. Кроме того, процесс модифицирования в этом случае малоуправляем и не обеспечивает получения стабильных результатов по содержанию остаточного магния. Низкое усвоение и высокий расход магния (0,5-0,6 % от массы чугуна) увеличивает стоимость обработки, а значительное снижение температуры металла (на 70-100 оС) вызывает необходимость добавления горячего чугуна, что существенно увеличивает продолжительность процесса обработки. В силу отмеченных недостатков этот способ, видимо, не может быть применен при массовом производстве крупных изложниц.

Модифицирование чугуна металлическим магнием в автоклавах, хотя и имеет технологические преимущества по сравнению с первым способом, не нашло широкого промышленного применения. Автоклавные установки сложны в обслуживании, а управление процессом модифицирования в зависимости от исходных температуры и химического состава чугуна затруднено. Дополнительно следует отметить, что отечественная промышленность не производит автоклавы большой емкости (по крайней мере, для 20-30 т чугуна). Все вышесказанное позволяет считать этот способ модифицирования чугуна малоперспективным с точки зрения организации массового производства крупных изложниц, особенно из передельного чугуна доменной плавки.

Известные способы обработки чугуна кремний-магниевыми и комплексными лигатурами в открытых ковшах и в реакторе сравнительно просты и могут использоваться для модифицирования больших масс чугуна, однако в этом случае и им присущи определенные недостатки. Применение низкопроцентных (2-5 % магния) лигатур с большим их расходом (3,2-3,5 % от массы чугуна) приводит к значительному снижению температуры чугуна и чрезмерному обогащению его кремнием. Применение высокопроцентных (10-20 % магния) лигатур сопровождается значительным пироэффектом и сильным выделением дыма и, в конечном счете, мало чем отличается от способов ввода металлического магния в открытый ковш.

Обработка чугуна в промежуточной емкости не обеспечивает получения стабильных результатов по содержанию остаточного магния, а сам процесс модифицирования практически неуправляем и в значительной степени зависит от исходной температуры чугуна. Например, при повышенной температуре (более 1240 оС) значительная часть лигатуры сгорает над поверхностью металла, а при низкой - плохо усваивается. В комплексных лигатурах для отливки средних и крупных изложниц необходимо также ограничивать содержание марганца в чугуне на уровне 0,2%, что наряду с высокой чувствительностью способа к изменению температуры чугуна, значительным обогащением его кремнием, низкой управляемостью процесса и неудовлетворительными условиями труда, существенно ограничивает область применения традиционных лигатур для обработки передельного чугуна доменной плавки, химический состав и температура которого могут иметь значительные колебания от ковша к ковшу.

В значительной мере лишен присущих вышеперечисленным способам недостатков разработанный Институтом Черной Металлургии НАН Украины способ модифицирования чугуна в барабанном ковше вдуванием порошкового магния. Способ обеспечивает надежность и стабильность результатов, а также достаточно высокое усвоение магния (40 - 50 %) при низком его расходе (0,22 - 0,25 % от массы обрабатываемого чугуна). Важнейшей особенностью способа является возможность оперативного управления ходом процесса модифицирования с целью получения регламентированного содержания магния в зависимости от температуры и химического состава чугуна. Установка такого типа для модифицирования чугуна сооружена в специализированном цехе по производству крупных изложниц металлургического комбината "Криворожсталь". Основные узлы установки приведены на рис. 4.5.

Схема барабанного ковша для модифицирования чугуна вдуванием порошкообразного магния

Рисунок 4.5 – Схема барабанного ковша для модифицирования чугуна вдуванием порошкообразного магния: 1 - смеситель для приготовления модифицирующей смеси; 2 – бункер-питатель для выдачи газопорошковой смеси; 3 – барабанный ковш емкостью 15 тонн; 4 – камера со стендом для размещения ковша во время модифицирования; 5 – вентиляционная система для удаления и очистки газообразных продуктов модифицирования; 6 – система трубопроводов и контрольно-измерительных приборов.

Смеситель предназначен для приготовления однородной магний-графитовой смеси. Порошковый магний и серебристый графит с помощью вакуумного насоса перемешиваются в «кипящем» слое. Готовая смесь по трубопроводу подается в бункер-питатель, а из него в потоке сжатого воздуха в барабанный ковш. Для подачи в жидкий чугун модифицирующей смеси в футеровку ковша заложено сопло, которое выполнено из стальной трубки диаметром 15 мм и длиной 400 мм заподлицо с футеровкой ковша. Перед подачей магния (в исходном положении) выходное отверстие сопла находится на 150-200 мм над поверхностью металла. Практическая оценка эффективности модифицирования чугуна магнием выполнена по стойкости сквозных блюминговых изложниц типа МК-1265К массой 13,5 т, для отливки которых использовали разовую сухую песчано-глинистую форму. Заливку форм изложниц производили из того же ковша, в котором осуществляли модифицирование.

Установлено, что на содержание остаточного магния в чугуне для изложниц оказывает влияние достаточно большое количество факторов. Количественное влияние таких факторов, как температура модифицируемого чугуна, интенсивность ввода магния и концентрация магния в газеносителе в пределах их фактической изменяемости невелико и на порядок ниже влияния удельного расхода магния и начального содержания серы. Поэтому для удобства практического использования рекомендуется следующее обобщенное уравнение, связывающее содержание остаточного магния, его удельный расход и начальное содержание серы в чугуне:

Поскольку температура жидкого металла является одним из факторов, определяющих получение качественных отливок, значительный интерес представляет фактическое снижение температуры чугуна при модифицировании. Такая оценка расчетным путем представляется достаточно затруднительной, поскольку при вводе магния в жидкий чугун происходит расход тепла на нагрев и испарение магния, на нагрев графита и газа-носителя, на потери тепла через футеровку в силу динамического перемешивания жидкой ванны.

С другой стороны, реакции взаимодействия магния с серой, кислородом чугуна и кислородом транспортирующего воздуха идут со значительным выделением тепла. Установлено, что общие потери температуры чугуна не превышают 30 оС (в том числе при транспортировке ковша к установке для модифицирования – 10 оС, при обработке магнием – 15 оС, при вторичном модифицировании и транспортировке ковша к месту заливки форм – 10 оС).

В производственных условиях после ввода магния в металл и до начала заливки форм чугун некоторое время находится в ковше. Имеются различные данные о снижении содержания магния в чугуне после модифицирования. Величина потери магния зависит от температуры чугуна и продолжительности его выдержки в ковше. Как показали эксперименты, при температуре 1180 оС содержание магния в чугуне снижается на 0,0004 % в минуту, а при 1270 оС потери составляют 0,0006 % в минуту. Следовательно, при средней продолжительности пребывания чугуна в ковше после модифицирования 20 минут потеря магния составляет 0,008-0,012 %. Эту потерю следует учитывать при определении необходимого удельного расхода магния для обеспечения заданного содержания остаточного магния.

Дополнительно установлено, что при обработке передельного чугуна доменной плавки вдуванием смеси порошкового магния с графитом происходит снижение содержания углерода в среднем на 0,12 % или примерно на 3 % от первоначального содержания углерода в чугуне. По-видимому, более высокое содержание углерода после обработки чугуна магний-графитовой смесью по сравнению с обработкой чистым магнием объясняется тем, что вводимый в чугун серебристый графит частично остается в расплаве.

Обобщая рассмотренные исследования и накопленный практический опыт, представляется возможным рекомендовать следующие требования, выполнение которых обеспечивает получение высококачественных изложниц из чугуна с шаровидным графитом:

  1. После обработки магнием чугун необходимо подвергать вторичному модифицированию ферросилицием. Расход ферросилиция должен составлять 0,5-0,6 % от массы чугуна (в зависимости от степени усвоения).
  2. Заливку форм необходимо вести при температуре чугуна в пределах 1220-1260 оС. Если температура чугуна выше указанных значений, то целесообразно предусматривать его выдержку в ковшах – отстойниках или чугуновозных ковшах.
  3. Скорость подъема металла при заливке изложниц из магниевого чугуна должна быть не менее 15 мм/с, что регламентируется размерами элементов литниковой системы.
  4. После окончания заливки должна осуществляться тщательная подпитка форм чугуном в течение 8-10 минут.

В целом, в изложницах из доменного передельного чугуна, обработанного магнием, наблюдаются два типа макроструктуры - один характеризуется светлосерым изломом по всей толщине стенки изложниц, а другой - "пятнистой" зоной, занимающей примерно 1/3 толщины в осевой зоне стенки. "Пятнистая" зона отмечена, главным образом, в изложницах с содержанием магния от 0,01% до 0,025 %, а также свыше 0,055- 0,060 %. Изложницы с содержанием магния 0,025-0,55 % имеют светлосерый излом по всей толщине стенки. Верхняя часть изложниц на расстоянии 200-300 мм от торца имеет темносерый излом, так как эта часть обогащена углеродом и сернистыми включениями.

В металле изложниц, содержащем 4,1-4,3 % С, 0,5-1,6 % Si, 0,5-1,4 % Mn и до 0,005 % S, шаровидная форма графита в поверхностных слоях глубиной до 40-50 мм, шаровидная и компактная форма графита по всей толщине стенки достигаются при содержании магния в пределах 0,025-0,055 %. При содержании магния менее 0,025% и более 0,055-0,060% в осевой зоне (примерно 1/3 часть толщины стенки) изложниц преобладает «переохлажденный» графит. При содержании магния менее 0,01 % по всей толщине стенки изложниц наблюдается пластинчатый графит.

Исследования величины и формы графитовых включений показали, что форма шаровидных включений несколько ухудшается, а размеры их увеличиваются в направлении от поверхности к центру стенки изложниц. По высоте изложниц в поверхностных зонах стенок форма и размеры графитовых включений практически не изменяются.

Что же касается металлической матрицы чугуна, то она обычно перлитная и перлито-ферритная в зависимости от содержания кремния и марганца. Перлитная матрица характерна для изложниц с содержанием марганца более 1 % и кремния менее 1 %. По высоте и толщине стенки изложниц со светлосерым изломом характер металлической матрицы практически не изменяется. С увеличением содержания кремния и с уменьшением содержания марганца количество феррита может достигать 30 %.

По высоте стенки изложницы наблюдается значительная положительная ликвация углерода, серы и магния. Максимальные значения характерны для верхней части изложницы, где происходит всплытие вышеперечисленных элементов. Содержание кремния и марганца по высоте изложниц практически не меняется.

По толщине стенки изложниц характер изменения механических показателей следующий: металл изложниц с однородной макроструктурой характеризуется постоянством механических свойств по всей толщине стенки; в зоне «пятнистого» излома механические характеристики несколько ниже, чем в поверхностных зонах. После эксплуатации изложниц наблюдается некоторое увеличение прочностных характеристик металла внутреннего слоя по сравнению с наружным и осевым. На комбинате «Криворожсталь» средняя стойкость изложниц из магниевого чугуна примерно в 1,5-1,6 раза превысила стойкость таких же по конструкции изложниц из передельного пластинчатого чугуна (средняя стойкость составила, соответственно, 86 и 54 налива). Следует отметить, что для изложниц из магниевого чугуна имел место иной характер причин выхода изложниц из строя.

Для изложниц из магниевого чугуна практически полностью не наблюдался разгар рабочей поверхности, для изложниц из пластинчатого графита этот дефект был причиной выхода из строя примерно трети всех изложниц. Хорошее состояние рабочей поверхности изложниц сохранялось в течение всего цикла эксплуатации, а глубина трещин сетки разгара не превышала 5-8 мм. Кроме того, изложницы из магниевого чугуна, в отличие от обычных, не склонны к образованию продольных и поперечных трещин, а причиной поперечных трещин в основном является известный литейщикам дефект – заворот. Средняя стойкость изложниц, вышедших по причине образования продольных трещин второго рода, примерно в 1,4-1,5 раза превысила среднюю стойкость обычных изложниц с пластинчатым графитом. На изложницах из магниевого чугуна продольные трещины образуются преимущественно от верхнего торца на гранях и в углах. Появляются они в виде едва заметных трещин через 20-40 наливов и развиваются достаточно медленно.

Основной причиной выхода из строя изложниц из магниевого чугуна является коробление, проявляющееся в необратимой деформации более широких граней во внутрь тела. Величина прогиба может достигать 15-20 мм и более, что затрудняет раздевание слитков. Время вывода таких изложниц из эксплуатации зависит в основном от технологической возможности обеспечения процесса раздевания слитков. Срок их службы может превышать срок службы обычных изложниц в 2-2,5 раза.

Причиной коробления, видимо, следует считать накопление в изложницах в ходе эксплуатации значительного уровня внутренних напряжений. Это оказывается весьма важным фактором при повышенных пластических свойствах магниевого чугуна, так создаются условия для деформации без разрушения. В изложницах из обычного чугуна это приводит к образованию сквозных трещин.

На основании полученных экспериментальных данных, можно считать, что высокая стойкость изложниц из чугуна с шаровидным графитом достигается при обеспечении шаровидной и компактной форм графита по всему сечению изложницы и содержании магния в чугуне изложниц в пределах 0,025-0,055 %.

Необходимо иметь в виду, что эксплуатационные ресурсы магниевого чугуна для изложниц использованы далеко не полностью. Это связано с тем, что серьезное отличие физико-механических и теплофизических свойств магниевого чугуна требует соответствующей коррекции конструкции изложниц (особенно в случае использования в качестве базового объекта конструкции изложницы для чугуна с пластинчатым графитом).

Дальнейшее повышение стойкости изложниц, отливаемых из магниевого чугуна, вероятно, может быть достигнуто: 1) за счет совершенствования их конструкции в направлении увеличения сопротивляемости короблению; 2) за счет получения различных регламентированных форм графита по глубине стенки изложницы («мультизонное» расположение); 3) за счет разработки мероприятий, которые препятствовали бы быстрому накоплению внутренних остаточных напряжений в изложнице в ходе эксплуатации.

Одним из научных направлений повышения стойкости изложниц может быть концепция «трехзонной» структуры, предложенная Ф.Н. Тавадзе и Д.Ф. Барбакадзе. Ими установлено, что для обеспечения высокой стойкости изложниц оптимальной является «трехзонная» структура графитных включений в толщине стенки: в поверхностных внутренних и наружных зонах стенки форма графитных включений должна быть шаровидная. В середине стенки графит должен иметь хлопьевидную и частично пластинчатую форму. В переходных слоях между указанными зонами, как показали исследования, имеются графитные включения смешанной формы – шаровидной и хлопьевидной.

Металлическая основа матрицы рекомендуется феррито-перлитной (до 30 % перлита). Исследования влияния содержания остаточного магния в чугуне и зависящей от этого формы графитных включений на механические и эксплуатационные свойства материала изложниц показали, что по мере увеличения его содержания с 0,007 до 0,080 % стойкость исследуемых промышленных изложниц повысилась с 42 до 117 наливов. Установлено, что для получения «трехзонной» структуры заливку чугуна, обработанного магнием, необходимо осуществлять при максимально возможной низкой температуре (1180-1200 оС) в сухие, подогретые до 40-60 оС формы. Температура выбивки не должна превышать 540 оС, так как выше этой температуры чугун имеет высокие пластические свойства и может соответственно произойти коробление изложницы при охлаждении.

Вместе с тем, нельзя не отметить, что проблема получения «трехзонной» или «мультизонной» структуры в стенках изложницы, на наш взгляд, представляется технически достаточно сложной как в части регламентирования протяженности каждой из заданных зон, так и в части влияния на конечный результат обработки состояния (структуры и физико-механических свойств) переходных участков между зонами.