Графитизирующиее модифицирование чугунов: способы, их особенности, общий механизм воздействия. Способ контроля степени модифицирования серого чугуна

УДК 620.17: 669.131

Приведено описание способов графитизирующего модифицирования чугунов, общего механизма модифицирующего воздействия. На основе имеющихся экспериментальных данных построена частная зависимость количества включений (центров кристаллизации графита) от времени выдержки обработанного расплава чугуна и выведена общая функциональная зависимость. Сделан вывод о наибольшей эффективности способа ведения графитизирующего модифицирования на струю. Описаны и обоснованы требования к данному способу модифицирования и используемому оборудованию. Разработан способ контроля степени модифицирования серого чугуна при его обработке графитизирующим модификатором на струю в процессе заполнения литейной формы расплавом чугуна из ковша.

Ключевые слова: чугун, модифицирование, старение, дозатор.

Растущие требования потребителей к качеству чугунных отливок и увеличение числа литейных цехов, применяющих механизированные формовочные линии, вызывают необходимость ужесточения контроля качества чугуна в отливках и повышение эффективности технологии ввода модификаторов в расплав. Неоднородное модифицирование чугуна может быть вызвано колебаниями температуры при традиционных методах обработки чугуна в ковшах, в результате снижения модифицирующего эффекта (эффект «старения» модифицирующего воздействия), а также из-за ошибок персонала. Высокопроизводительные автоматические формовочные линии, объединённые со станциями разливки и модифицирования, являются достаточно экономичными и эффективными особенно на крупносерийных и массовых производствах, закладывающих высокие нормативы качества чугуна в отливках.

Широко известно, что для внепечной графитизирующей обработки (модифицирования) расплава серого чугуна применяются следующие способы подачи модификатора с присущими им особенностями:

-        на днище ковша перед его заполнением расплавом чугуна - самый неэффективный способ, при котором высока вероятность спекания навески модификатора на днище ковша и в результате - практически полное отсутствие модифицированного состояния расплава чугуна и высокий показатель отбела клиновой пробы [1, 2];

-        под струю единой порцией в момент наполнения ковша на 1/4-1/3 - зависит от скорости подачи модификатора, от скорости наполнения ковша расплавом чугуна, от геометрии струи в результате чего может сильно варьироваться расход модификатора и показатель величины отбела клиновой пробы (применяется в настоящее время в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ»);

-        на струю в процессе заполнения литейной формы расплавом чугуна из ковша - наиболее эффективный способ графитизирующего модифицирования серого чугуна, характеризующийся минимальным расходом модификатора для получения требуемой степени модифицирования расплава чугуна [1, 3];

-        на струю в процессе всего времени наполнения ковша расплавом чугуна из печи - по своей эффективности является промежуточным между 2-м и 3-м способами [1, 3].

При ковшевой обработке графитизирующим модификатором «старение» модифицирующего эффекта (см. рис.) начинается сразу же после начала проведения модифицирования, что уменьшает количество потенциальных центров кристаллизации графита.

Рис. Зависимость количества включений (центров кристаллизации графита) от времени выдержки расплава чугуна после модифицирования

Из рисунка следует, что количество включений, образовавшихсянепосредственно после введения модификатора, уменьшается с 5x10⁵/мм³ до 1x10⁵/мм³ спустя 8 минут выдержки. При модифицировании чугуна в струе «старение» модифицирующего эффекта практически исключено, и удовлетворительные результаты (отсутствие отбела, требуемое распределение графита) получают при существенно более низком расходе модификатора. Типичный расход модификаторов приведён в таблице.

Таблица. Ориентировочный расход графитизирующего модификатора в зависимости от способа обработки и типа чугуна

Общий механизм действия графитизирующих модификаторов обусловлен существенным увеличением центров кристаллизации, обеспечивающих рост включений графита в процессе эвтектической кристаллизации расплава. В серых чугунах в результате развития этого процесса происходит рост числа эвтектических ячеек, в высокопрочном чугуне – возрастает количество включений глобулярного графита. В результате модифицирования уменьшается степень переохлаждения расплава чугуна, что сводит до минимума вероятность образования эвтектических карбидов железа («отбела»), особенно в быстроохлаждающихся, тонких сечениях отливки. Скорость «старения» модифицирующего эффекта зависит от:

• состава модификатора;
• типа модифицируемого чугуна;
• температуры расплава чугуна;
• поверхностной энергии;
• скорости растворения модификатора.

«Старение» модифицирующего эффекта можно объяснить укрупнением и растворением центров кристаллизации графита, что приводит к снижению общего количества потенциальных центров кристаллизации (рост или коагуляция центров зародышеобразования по эффекту Оствальда-Рипайнинга). Данное поведение хорошо согласуется с экспериментальными научными исследованиями [3] эффекта «старения» (см. рис.). Приведённая зависимость адекватно аппроксимируется гиперболической функцией. Модифицирующий эффект максимален сразу после проведения обработки и практически мгновенно начинает уменьшаться. Зависимость количества включений (центров кристаллизации графита) от времени выдержки обработанного расплава чугуна выглядит следующим образом:

,

где N- количество включений (центров кристаллизации графита) в  модифицированном  расплаве чугуна в текущий момент времени, шт./мм³;

N_max- количество включений (центров кристаллизации графита) в  модифицированном  расплаве чугуна в первоначальный момент времени после модифицирования, шт./мм³;

t- время выдержки обработанного расплава чугуна, мин.;

а - интегральная константа, зависящая от условий проведения модифицирующей обработки расплава чугуна (температура расплава чугуна, способ подачи модификатора в расплав чугуна и др.) и параметров модификатора (химический и фракционный составы, степень окисленности и др.)

В частности для имеющихся экспериментальных данных [3] зависимость количества включений (центров кристаллизации графита) от времени выдержки обработанного расплава чугуна (см. рис.) выглядит следующим образом:

,

В процессе «старения» модифицирующего эффекта:

• увеличивается степень переохлаждения расплава чугуна в процессе эвтектической кристаллизации, что приводит к повышению склонности к образованию отбела в чугунных отливках, особенно в их тонких сечениях.
• снижается число эвтектических ячеек или включений глобулярного графита в структуре, ухудшается морфология графитных включений (форма и распределение). Интенсивное «старение» способствует образованию переохлажденного графита (ненаправленного ПГр8 и направленного ПГр9 междендритных распределений) и связанного с ним свободного феррита в сером чугуне, и значительного количества включений графита не сферической формы (ШГф4) в высокопрочном чугуне, что оказывает отрицательное влияние на механические и физические свойства чугунов.

Общие особенности процесса «старения» модифицирующего эффекта:

• воздействие всех модификаторов на расплав чугуна ограничено во времени;
• все существующие модификаторы имеют различную длительность воздействия на расплав чугуна, которая в общем случае зависит от химического и фракционного составов модификатора и условий его применения;
• «старение» модифицирующего эффекта начинается практически мгновенно сразу после ввода модификатора в чугун. Для получения максимального эффекта от модифицирования заливку расплава чугуна по литейным формам необходимо осуществлять сразу же после проведения модифицирования. Наиболее эффективным способом графитизирующего модифицирования является модифицирование в струе металла;
• модификатор, изначально обеспечивающий наибольшее число эвтектических ячеек, не всегда обладает высокой эффективностью для снижения отбела. Например, в настоящее время доказано, что стронцийсодержащие модификаторы для серых чугунов обеспечивают наилучшее сочетание структуры с относительно крупными эвтектическими ячейками, низкую склонность к усадке и отбелу.
• невозможно предсказать для конкретных условий литейного цеха продолжительность эффективной работы модификатора, зная только его химический и фракционный составы. В обязательном порядке требуется проведение испытаний для подбора наиболее подходящего модификатора для заданных целей и условий производства. Производственные испытания должны проводиться под тщательным контролем во избежание искажений результатов эксперимента из-за нарушения условий хранения модификатора, несоблюдения требуемой температуры расплава чугуна перед модифицированием и времени его выдержки и т. д.

Оборудование для проведения графитизирующего модифицирования на струю должно обладать высокой надёжностью, обеспечивать автоматическое управление процессом (в частности, регулировка подачи модификатора по регистрации излучения тепла струей металла). При больших капиталовложениях в литейное оборудование (формовочная линия, заливочное устройство, система дозирования и ввода модификатора) также необходимо обеспечить тщательный контроль качества модификатора:

• хорошую сыпучесть модификатора, обеспечивающую попадание его частиц в струю металла даже в случае медленного ввода через небольшую диафрагму подающего устройства;
• отсутствие в модификаторе окисленной пылевидной фракции (менее 0,2 мм). Кроме того, конвективные тепловые потоки от струи металла выносят мелкие частицы в атмосферу. Наличие в модификаторе фракций ненормативного размера оказывает негативное влияние на скорость подачи модификатора в чугун, препятствует прохождению модификатора через дозирующую диафрагму.
• хорошую растворимость модификатора в чугуне для обеспечения максимального эффекта модифицирования даже при низких температурах заливки. При этом в чугуне не должно оставаться твердых, нерастворённых частиц модификатора, затрудняющих механическую обработку отливок.
• предотвращение попадания в чугун шлаковых включений.

Основными преимуществами позднего модифицирования в струе металла являются:

• пониженный расход модификатора по сравнению с ковшевыми способами.
• пониженный расход модификатора на основе ферросилиция обеспечивает уменьшенное попадание в расплав содержащихся в нём кальция и алюминия, что, в свою очередь, снижает тенденцию к образованию шлака и газовых раковин.
• снижение склонности к образованию усадочной пористости в связи с формированием меньшего числа эвтектических ячеек за счёт снижения расхода модификатора.
• исключено влияние оператора (человеческого фактора) на процесс при его комплексной автоматизации.
• модифицированию подвергается только чугун, заливаемый в литейную форму, что позволяет избежать бесполезного расхода модификатора на «остатки» металла в ковшах.

В настоящее время на формовочно-заливочных линиях SPO в ц. 11/1 чугунолитейного производства ОАО «АВТОВАЗ» произведён монтаж и проводится запуск дозаторов «Parastream» (ф. Paraday, Великобритания) для проведения графитизирующего модифицирования всех типов чугунов - серого, высокопрочного и с вермикулярным графитом «на струю» мелкодисперсными модификаторами.

Дозатор для модификаторов Parastream имеет простую, но надёжную конструкцию. Parastream – это автономное электромеханическое устройство, предназначенное для подачи модификаторов с размером фракции 0,2-0,7 мм с высокой степенью точности и воспроизводимости результатов. Принцип действия дозатора Parastream основан на дозировании материала с помощью шнекового питателя. Модификатор, находящийся в бункере оптимального размера, вместимостью 25, 50 и 75 кг, подаётся с помощью шнекового конвейера из коррозионностойкой стали. Дозатор Parastream способен осуществлять подачу стандартного модификатора на основе 75% ферросилиция со скоростью от 0,25 до 20 г/с. Расход модификатора определяется скоростью вращения шнекового конвейера. Скорость вращения задается с помощью электродвигателя переменного тока с преобразователем частоты. Система управления непрерывно контролирует значение частоты вращения двигателя для поддержания заданного расхода модификатора в пределах допуска. Пульт управления дозатором Parastream соединён с дозатором посредством бронированного кабеля, оснащенного разъёмами. Пульт управления может быть установлен на любом расстоянии от места заливки форм. Дозатор для модификаторов Parastream разработан с возможностью работы с любыми, в том числе и полностью автоматизированными заливочными установками.

Расход модификатора (грамм в секунду, г/с) задаётся непосредственно с сенсорной панели оператора. Так как плотность модификаторов варьируется, то имеется возможность смены калибровочного графика через сенсорный экран оператора для соответственной плотности модификатора. Дозирующая трубка из нержавеющей стали имеет возможность вращения на 180°; при этом упрощается процедура её монтажа и обеспечивается равномерная подача модификатора строго на струю металла. Бункер с модификатором оснащён сеткой из коррозионностойкой стали с размером ячейки 1 мм для защиты от попадания крупных частиц модификатора. Для лёгкого доступа к обслуживанию дозатор оснащён двумя открывающимися дверцами из нержавеющей стали, заполненными специальным защитным огнеупорным материалом и снабжёнными дополнительными тепловыми экранами из коррозионностойкой стали. Дозатор управляется вручную, посредством команд с формовочной линии, системой контроля за стопором или носком установки автоматической заливки форм, имеет возможность подключения к системе управления качеством литейного производства через последовательный порт. Средства настройки времени подачи модификатора позволяют прекратить его подачу до окончания процесса заливки формы. Это позволяет снизить расход модификатора за счёт исключения модифицирования металла, заполняющего стояк и заливочную чашу литниковой системы. Дозатор Parastream не требует постоянного внимания со стороны операторов.

При обработке расплавов высокопрочного чугуна и чугуна с вермикулярным графитом расход мелкодисперсного графитизирующего модификатора на форму, обеспечивающий требуемые характеристики структуры и свойств, подбирается методом последовательного приближения с учётом конкретных факторов технологического процесса и конструктивных параметров получаемых отливок, после чего фиксируется и остаётся неизменным. Однако при графитизирующем модифицировании серого чугуна на струю в процессе заполнения из ковша расплавом литейных форм отсутствует возможность определения степени склонности модифицированного чугуна к отбелу (степени модифицирования расплава чугуна) для последующей корректировки расхода подаваемого в струю модификатора, поэтому ставилась задача разработать способ контроля степени модифицирования расплава серого чугуна при графитизирующем модифицировании на струю в процессе заполнения литейных форм расплавом чугуна из ковша.

Сущность разработанного способа контроля степени модифицирования серого чугуна заключается в следующем: дозирующее устройство программируется на выдачу определённой навески мелкодисперсного модификатора на струю расплава чугуна в процессе наполнения формы в зависимости от получаемой отливки, замеряется температура чугуна в ковше, останавливается конвейер формовочно-заливочной линии, наполняется расплавом чугуна первая форма с полным заполнением заливочной чаши при одновременном проведениии операции вторичного графитизирующего модифицирования мелкодисперсным модификатором на струю, после заполнения формы расплавом чугуна отбирается из заливочной чаши порция чугуна, заливается клиновая проба, производится её разлом и определение ширины половинчатой (полуотбелённой) зоны: при соответствии ширины половинчатой (полуотбелённой) зоны клиновой пробы нормативному значению для конкретной отливки производится дальнейшая разливка расплава чугуна из ковша по формам с подачей на струю первоначально установленной или пропорционально уменьшенной навески модификатора, учитывая прерывание его подачи перед началом заполнения стояка и заливочной чаши каждой формы; при несоответствии ширины половинчатой (полуотбелённой) зоны клиновой пробы нормативному значению для конкретной отливки первая залитая форма изолируется и утилизируется, затем повторно замеряется температура чугуна в ковше (при её несоответствии требованиям техпроцесса производится слив металла из ковша и его повторное наполнение из печи), корректируется расход мелкодисперсного модификатора, заливается следующая форма и повторяется процедура контроля.

Способ позволяет определять степень модифицирования расплава серого чугуна при его обработке мелкодисперсным модификатором на струю в процессе разливки расплава чугуна из ковша по литейным формам, характеризуется высокой надёжностью, позволяет уменьшить расход графитизирующего модификатора за счёт прекращения его подачи в момент начала заполнения стояка и заливочной чаши литейной формы.

Исследования, проведённые по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что предлагаемый способ контроля степени модифицирования серого чугуна при позднем графитизирующем модифицировании чугуна является новым и явным образом не следует из изученного уровня техники.

Литература

1. Кнустад, O. Проблемы, возникающие при производстве высокопрочных чугунов. Обзор существующих способов получения ВЧ и используемых модификаторов [Текст] / О. Кнустад // Литейщик России. - 2011. - №4. - С. 19-26.
2. Болдырев, Д. А. Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов для отливок автомобилестроения [Текст] / Д. А. Болдырев, В. М. Сканцев. - Брянск: БГТУ, 2010. - 248 с.
3. Олсен, С. О., Скаланд Т., Хартунг К. Модифицирование серых и высокопрочных чугунов. Сравнение центров кристаллизации графита и некоторые практические рекомендации по модифицированию [Текст] / С. О. Олсен // Литейщик России. - 2011. - №2. - С. 29-34);