Фильтрация стали

 Свалов Н.В., Юрьев А.А. FOSECO

Введение. Процесс фильтрации стали обеспечивает улавливание неметаллических включений и снижает турбулентность потока металла во время заливки. Пенокерамические фильтры особенно эффективны в снижении динамической энергии потока и изменении турбулентного режима заполнения в ламинарный, за счет сил трения. В результате уменьшается эрозия формы, улучшается качество поверхности отливки, и сводится к минимуму вторичное окисление металла в форме. Дополнительно, очистка от неметаллических включений, улучшает механические свойства отливки. Значительно повышается усталостная прочность, ударная вязкость и относительное удлинение. Благодаря этим преимуществам, применение фильтров стало повсеместно считаться эффективным способом повышения качества литья и сокращения затрат на производство.

Основы фильтрации. За рубежом пенокерамические фильтры впервые появились в 70-х годах, и в основном использовались для фильтрации чугуна и цветных сплавов. С начала 2000 годов фильтры для чугуна и цветного литья на-чали постепенно использоваться в России. Но в отличие от чугуна и цветных сплавов, фильтрация стали не получила аналогичного развития. Многие предприятия имели опыт испытания фильтров, и подавляющее большинство заводов отказались от их использования, по причине неудачных испытаний. Основными проблемами был недолив отливок и разрушение фильтра. Это связано с тем, что сталь, в отличие от чугуна и цветных сплавов, сильно загрязнена продуктами раскисления и обладает низкой жидкотекучестью. Текущие сложности отодвину-ли решение применения фильтров на де-ятилетие. За это время были разработаны адаптивные литниковые системы для фильтров и решен вопрос о степени рафинирования стали.

Поднимая вопрос о чистоте металла в отливках, нужно в первую очередь определить источники поступления неметаллических включений. Их можно разделить на две основных группы: эндоген-ные включения и экзогенные включения. Экзогенные – посторонние, такие как частицы песка, футеровки, формовочных материалов, а также печные и ковшевые шлаки. Эндогенные – продукты химических реакций раскисления, происходящих во время выпуска и разливки металла. Эндогенные включения представляют собой различные силикаты, оксиды, нитриды, сульфиды, либо их комплексные соеди-нения [1].

При правильной конструкции литниковой системы фильтр задерживает неметаллические включения, попадающие из ковша, и предотвращает образование оксидных включений в форме.

Пенокерамические фильтры компании FOSECO модели STELEX* PrO изготовлены из керамики на углеродной связке. Особенностями этого фильтра являются следующие физические свойства: низкая теплоаккумулирующая способность, высокая прочность в нагретом со-стоянии, высокая огнеупорность, низкое термическое расширение и устойчивость к термическому удару.

Фильтрация крупных железнодорожных отливок.

В качестве примера возьмем литые детали тележки грузового вагона, среди которых боковая рама является наиболее сложной в производстве из-за высоких нормативных требований по зонам не подлежащих исправлению дефектов. Это обусловлено тем, что боковая рама во время эксплуатации испытывает статические и динамические нагрузки, а также воздействие крутящих моментов при движении вагона во время поворота, при этом основная часть динамических нагрузок носит циклический характер.
В настоящее время, в связи с острым дефицитом деталей боковой рамы на международном рынке является актуальным внедрение технологий, обеспечивающих стабильный выпуск годного литья, отвечающего жестким техническим требованиям при приемке.

Для использования фильтра в литниковой системе специалистами компании FOSECO была разработана специальная литниковая система, обеспечивающая оптимальные нагрузки на фильтр во время заливки, а также минимизирующая турбулентность потока, а следовательно и окисления стали в полости формы, что подтверждалось расчетами, выполнен-ными в программе MAGMA.

В результате проведенных экспери-ментальных работ удалось выяснить, как изменяется химический состав в отливке. На 3 плавках производился отбор проб для определения химического состава из стопорных сталеразливочных ковшей. Определение химического состава отливки производили на темплете, вырезанном из участка буксового проема. После сравнения полученных результатов химического анализа следует, что при ис-пользовании фильтра эффект науглероживания отливки отсутствует.
Обнаружено, что в результате прохо-да металла через фильтр содержание Ca в отливке снижается от 3 до 9 раз в сравнении с результатами химического состава плавки. Это можно объяснить тем, что в процессе фильтрации включения оксидов кальция (продукты раскисления) задер-живаются на поверхности фильтра, а в форму проникает только «активный» кальций.

Встречающиеся редкие включения алюмосиликатов на рядовых плавках представлены в угловато-овальной форме, однако после применения фильтров они приобрели сферическую форму. То есть, при значительно меньшем содержании кальция в отливке наблюдается улучшение формы неметаллических включений. Этот эффект объясняется тем, что за счет фильтрации значительно снижается количество эндогенных вклю-чений, вместе с тем за счет снижения турбулентности потока после фильтра снижается вторичное окисление в форме. Следовательно, активный кальций в полости формы не расходуется на повтор-ное раскисление, а остается в растворе и уже работает как глобулизатор.

Установлено, что с применением фильтров уменьшилось количество дефектов в виде окислов и песчаных включений, попадающих из литниковой сис-темы (рис. 1).

Сравнивая ранние результаты метал-лографических исследований рядовых плавок и опытных плавок с применением фильтров STELEX PrO в литниковой системе, использование фильтров позволило повысить чистоту металла по неметаллическим включениям на 35%.

Ограничения процесса фильтрации.

Одним из самых сложных сплавов для фильтрации является низколегированная сталь с высокой температурой заливки, высоким коэффициентом поверхностного натяжения, узким интервалом кристаллизации и множеством неметаллических включений, образованных в результате процессов раскисления и образования оксидных пленок.

Для решения проблем, связанных с фильтрацией стали, были разработаны определенные технологические приемы. При изучении которых необходимо отдельное рассмотрение фильтрации мелкого и крупного стального литья.

Для мелкого стального литья характерно блокирование фильтра в самом начале заливки, при использовании стопорного ковша. В начальный момент времени после открытия стопора скорость истечения высока и ее сложно контролировать. Металл заполняет литниковую сис-тему очень быстро, за десятые доли се-кунды, но для прогрева фильтра (т.е. до момента, когда металл пройдет через фильтр) необходимо 1-2 секунды. Залив-щик может пытаться компенсировать это придерживанием или полным закрытием стопора. Это приводит к тому, что ме-талл застывает на поверхности фильтра до того, как установится нормальный поток, и таким образом, фильтр блокируется. Этот эффект становится еще более ощутимым с уменьшением диаметра стакана; стакан малого диаметра поглощает больше тепловой энергии чем стакан большого диаметра. Это связано с «мо-дулем» стакана M=площадь сечения/периметр. Такое же влияние оказывает и размер фильтра – чем меньше площадь фильтра, тем больше риск блокирования.

В массовом производстве было замечено, что как правило блокировка фильтра происходит при заливке первых 3-4 форм. Это связано с прогревом стакана в начале заливки. Также эта проблема может возникнуть и в конце заливки из-за снижения температуры оставшегося металла.

Разработка FOSECO – TURBOPRINT.

Для решения проблем, связанных с фильтрацией стали, были разработаны определенные технологические приемы. При рассмотрении проблем необходимо отдельное рассмотрение фильтрации мелкого и крупного стального литья.
Для борьбы с этой проблемой необходимо исключить попадание первой порции окисленного и холодного металла на поверхность фильтра, прогрев ее горячим металлом. Специалистами FOSECO был разработан узел центробежной фильтрации, позволяющий выполнить данные требования (рис. 2). Эта концепция была названа TURBOPRINT.

Были проведены испытания для сравне-ния работы TURBOPRINT с обычными узлами фильтрации. Разница оказалась значительной. Время заливки уменьшилось с 18-28 секунд до 9-11 секунд, и прогрев фильтра оказался мгновенным.

Отсутствовал эффект блокирования фильтра вначале заливки по причине холодного стакана, даже когда температура заливки была снижена до 1570 – 1600°С, то есть до температуры заливки отливок без фильтров.

(Рис. 3). Дополнительно к этому было установлено, что фильтрующая способ-ность также увеличивается за счет эффекта вращательного движения и омывания поверхности фильтра металлом.

Вслед за этим успешным внедрением следующим шагом был двойной узел TURBOPRINT 75х75х25 для отливки детали трамвая. Эта деталь обычно заливалась через узел прямой заливки, но периодически возникали проблемы с блокировкой фильтров неметаллическими включениями.

Жидкий вес металла в форме составлял 500кг, материал отливки – низколегированная сталь. Было отлито три отливки с использованием фильтра STELEX* PrO диаметром 175мм, площадью 240,5 см2, расположенных непосредственно под заливочной чашей (Рис.4), и три отливки с использованием вертикального фильт-рующего узла TURBOPRINT (Рис. 5) с двумя фильтрами STELEX* PrO 75х75мм, с общей площадью 112,5 см2. Металлостатический напор над фильтрами в обоих случаях был одинаковым и составлял 300 мм, условия заливки также были одинаковыми.

Результаты показывают значительное увеличение фильтрующей способности и скорости заливки при использовании узла центробежной фильтрации. Скорость заливки в расчете на единицу площади фильтра увеличилась в 3 раза. Фильтрующая способность при использовании TURBOPRINT составила 4,44 кг/см², тогда как при использовании узла прямой заливки 2,08 кг/см².

Дополнительно, центробежная фильтрация повышает эффективность фильтрации, снижая дефектность литья.

Улучшение механических свойств при использовании фильтрации.

Твердые неметаллические включения могут оказывать влияние на структуру металла: являясь концентраторами напряжений, они увеличивают хрупкость отливки, особенно в случаях, когда работа детали связана с динамическими нагрузками, например в конструкционном и железнодорожном литье. Фильтрация способна эффективно задерживать включения такого рода (Рис.8).

Влияние фильтрации на механические свойства литья наиболее значительны при низких температурах. В Таблице 1 показана работа разрушения при опреде-лении ударной вязкости на стандартных V-образцах, взятых из фильтрованного и нефильтрованного металла.

Таблица 1. Ударная вязкость.

Фильтрация оказывает позитивное влияние на пластичность и относительное удлинение. Специалистами FOSECO в сотрудничестве с Техническим Университетом (г. Острава, Чехия) [2]была изучена склонность фильтрованного и нефильтрованного металла к образованию горячих трещин.

Тестовые образцы диаметром 6 мм, нахо-дящиеся в защитной атмосфере, нагревались до температуры 1400°С (температура близкая к линии солидус, Рис.9,10). Температура солидус данного сплава 1415°С. Образец из фильтрованного металла оказался способен к деформации при температуре всего на 15°С ниже линии солидус. Образец из нефильтрованного металла способен к деформации лишь при температуре 1360°С, что на 65 °С ниже линии солидус, то есть при более высокой температуре происходило хрупкое разрушение.

Заключение.

Принцип центробежной фильтрации FOSECO открывает новые возможности производства качественных отливок из углеродистой и низколегированной стали. Центробежный эффект улучшает как пропускную способность фильтров, так и надежность процесса фильтрации в целом. Данная технология является также средством прямой экономии, так как возможно использование фильтров меньшей площади.

Улучшение механических свойств и качества поверхности, достигнутые с помощью фильтрации, делают отливки более конкурентоспособными в современных условиях рынка, добавляя преимуществ литым деталям из стали в сравне-нии с кованными и сварными изделиями.

Необходимо с вниманием относиться к выбору общей фильтрующей способности в каждом конкретном случае, опираясь на опыт применения фильтрации на конкретном производстве. Существует множество факторов, влияющих на фильтрующую способность, и она должна разделяться по видам сплавов на каждом отдельном заводе.

Литература:

1. Svoboda J.M. et al. Trans. AFS 95 187-202 (1987).

2. P. KOZELSKY VSB-TU OSTRAVA. Filtration effect to plastic strength perfor-mance of carbon steel close to solids tem-perature.

По всем интересующим вопросам обращайтесь в литейное подразделение Везувиус – Украина по тел. 056 375 98 46.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №9 (145) 2012 г.