Исследование процесса модифицирования чугуна с использованием методов математической статистики и моделирования

Изучение поведения элементов при выплавке полупродукта... Алексеев Л.В., Столяров AM, Бигеев В.А., Малофеев А.Е.

Следует отметить, что количество окислившегося фосфора - 0,2% (отн.) на порядок выше, чем масса удалившейся из металла серы, что объясняется высокой окисленностью сформированного шлака.

Масса шлака возрастает с увеличением расжда жидкого чугуна, но статистически значимой зависимости между этими параметрами получено не было. Количество шлака на опытных плавках изменялось в широком диапазоне от 12 до 25°% (относительно массы металлического расплава) и в среднем равнялось 18°% (отн.).

В процессе настройки модели установлена зависимость массы железа, теряемой с выносами из металла, от продолжительности работы печи под током. Варианты графического изображения этой зависимости при различном содержании железа в «корольках» шлака представлены на рис. 5.

Из приведенных данных следует, что с увеличением содержания железа в виде «корольков» в шлаке потери железа с выносами из металла снижаются. Возрастание продолжительности работы сталеплавильного агрегата под током ведёт к увеличению потерь железа с выносами. Количество потерь колеблется от 2,8 до 4,4% от массы загруженной в печь металлической шихгы, среднее значение равняется 3,5% (отн.).

При настройке модели также выявлено среднее значение доли железа, окисляющегося до монооксида железа шлака, которое равнялось 66,5% относительно

массы железа, участвующего в образовании всех оксидов шлака.

Количественная оценка различных статей потерь железа металлом при содержании железа в виде «корольков», равном 5% (отн. массы шлака), выглядит следующим образом:

выносами ~ 43%

Масса потерянного железа с «корольками» FeO

шлака шлака

~ 10% =32%

Fe 2O3 шлака ~ 15%

Таким образом, применение жидкого чугуна в составе металлической шихты электродуговой плавки полупродукта позволяет снизить загрязнённость выплавляемого металла вредными примесями: фосфором, никелем, медью. На разработанной модели произведена количественная оценка поступления различных элементов в ванну печи с шихтой и изменения массы этих элементов в металле по ходу плавки. При настройке модели установлена зависимость потерь железа с выносами из металла от продолжительности работы печи под током и величина доли железа, окисляющегося с образованием монооксида железа шлака. Произведена количественная оценка различных статей потерь железа при плавке полупродукта в современной сверхмощной дуговой сталеплавильной печи.

Список литературы

1. Совершенствование технологии выплавки стали в ДСП ЭСПЦ ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, Ю.А. Ивин, Л.В. Алексеев и др. // Вестник МГТУ. 2008. № 1. С. 71-73.

2. Особенности работы дуговых сталеплавильных печей с применением жидкого чугуна (ОАО «ММК»)/ Ю.А. Ивин, А.Б. Великий, Н.В. Саранчук и др. // Сталь. 2008. № 7. С. 49-50.

3. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов чёрной металлургии: Справочник / В.М. Бабошин, Е.А. Кричевцов, В.М. Абзалов, Я.М. Щелоков. М.: Металлургия, 1982. 152 с.

4. Металлургия чугуна: Учебник для вузов / Под ред. Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 774 с.

List of literature

1. Enhancement of the steel-making fechnobgy in DSP YSPT OJSC “Magnitogorsk Iron and Steel Works / A.V. Sarychev, Y.A. Ivin, LV. Alexeev and others // Vestnik MSTU. 2008. № 1. P. 71-73.

2. The peculiarities of the arc steel-making furnace with hot metal (OJSC “Magnitogorsk ton and Steel Works”) / Y.A. Ivin, A.B. Veliky, N.V. Saranchuk and others'/ Steel. 2008. № 7. P. 49-50.

3. Thermalphysic properties of the fuel and charge materials in the ferrous metallurgy: Reference book / V.M. Baboshin, E.A. Krichevtsov, V.M. Abzalov, Y.M. Tshelokov. M.: Metallurgy, 1982. 152 p.

4. Cast iron metallurgy: course book for higher educational

institutes / Published by Y.S. Yusfina. M.: IKT

“Akademkniga”, 2004. 774 p.

УДК 519.2:621.74

Чайкин A.B., Вольнов ПН., Чайкин В.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Исследования проводились в условиях ОАО «Чебоксарский агрегатный завод» на отливках «клин фрикционный» (рис. 1) из серого чугуна марки СЧ30, предназначенных для тележек грузовых вагонов.

Отливки должны иметь перлитную металлическую матрицу. Присутствие цементита как структур-

ной составляющей не допускается.

Отливка производится в сталелитейном цехе. Плавка ведется в дуговой электропечи ДСП-6. Выпуск металла производится в раздаточный ковш емкостью 8 т. Заливка форм производится ковшом металлоемкостью 500 кг. При переливе чугуна из раздаточ-

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

41

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ного ковша в разливочный производится модифицирование расплава ферросилицием ФС75 в количестве 0,5% с целью исключения отбела на контролируемых поверхностях отливок. Практический опыт работы показал, что в наклонной и в вертикальных стенках отливок зачастую возникает цементит.

Для исключения данного вида брака произвели анализ качественных показателей чугуна для отливки «клин фрикционный» и моделирование процесса модифицирования.

На первом этапе провели статистический анализ показателей качества плавок чугуна за три месяца работы цеха. В качестве изучаемых параметров выбрали механические свойства отливки, температуру разливки из раздаточного ковша, склонность к отбелу и химический состав чугуна. Статистическую обработку производили с использованием компьютерной программы STATISTICS & ANALISIS [1]. Результаты статистической обработки приведены в таблице.

О стабильности свойств судили по величине вариаций. Как видно из таблицы, химический состав чугуна достаточно однороден. Особенно это касается элементов, которые получают расчетным путем. Стабильна и температура заливки чугуна. Это говорит о высокой технологической дисциплине на участке плавки. Соответственно механические свойства чугуна отвечают требованиям технических условий и достаточно стабильны. Вместе с тем, склонность к отбелу расплава в течение наблюдаемого периода колеблется в широких пределах, что и приводит к появлению цементита в отливках. Выполнили регрессионный анализ зависимости механических свойств чугуна от химического состава и температуры [2].

Адекватные уравнения регрессии имеют вид:

Отбел = -3,5 + 0,017 t - 4,24 С + 3,99 Mn - 1,48 Si +

+ 1,74 Cr

о = 33,62 +0,023 t - 8,84 C +5,9 Mn - 8,33Si + 5,99 Cr HB = 192,54 + 0,078 t - 13,83 C + 13,17 Mn - 21,4 Si +

+ 0,9 Cr

Адекватность моделей подтверждена анализом остатков.

Для снижения отбела следует снижать температуру, уменьшать концентрацию марганца или увеличивать содержание кремния и углерода. Однако сделать это невозможно, так как это вызовет снижение предела прочности чугуна. Уменьшение этого показателя недопустимо, так как его среднее значение близко к нижнему пределу.

Для решения задачи было предложено изменить технологию модифицирования. Вместо ферросилиция ФС75 использовать более эффективный смесевой модификатор МК21, производимый Смоленским региональным отделением российской ассоциации литейщиков.

Модификаторы серии МК - пакетированные смеси, состоящие, в основном, из порошков активированного высокотемпературной обработкой углерода и полученного физико-химическим путем металлического кремния. Основная особенность МК заключается в том, что часть ихнаждится в высокодисперсном состоянии. Эта степень дисперсности обусловливает резкое увеличение модифицирующей способности и "живучести" смеси.

Средний размер частиц составляет 13,9 мкм. Расчеты показывают, что количество частиц в 1 см3 металла составляет 15,2-106 шт./см3.

Таким образом, в чугун вводится большое количество дисперсныхчастиц графита и кремния, создающих идеальные условия для зарождения графитной фазы, так как частицы модификатора соизмеримы с фрактальными агрегатами графита [4]. Основной признак фракгальности структуры - ее способность сохранять самоподобие в процессе эволюции в различных про-странственно-временныхмасштабах [5]. С точки зрения теории синергетики, которая включает в себя описание эволюционных процессов и переходов с выбором альтернатив от состояний неустойчивости к гомеостазу, перегретый жидкий чугун находится в пространственно-однородном состоянии с довольно высокой степенью симметрии. Как только начинается процесс пере-охгаждения, происходит обильный обмен энергией с окружающей средой, появляется избыток свободной энергии, симметрия системы нарушается и возникает диссипативная структура с более низкой степенью симметрии. Диссипативная структура, достигая в про -

Рис. 1. Отливка «клин фрикционный»

Показатели статистики за квартал

Изучаемые переменные Основные статистические показатели

Значение Средне-квадратичное отклонение S Дисперсия S2 Коэффициент вариации V, %

сред- нее мини- мальное макси- мальное

Температура, °С 1428,093 1360,000 1470,000 14,78118 218,4832 1,04

Отбел, мм 8,253 5,000 13,000 1,63084 2,6597 19,76

Механи- ческие свойства аВ, МПа 301,95 208,00 383,00 28,1355 791,60 9,32

НВ 235,877 217,000 271,000 8,15808 66,5536 3,45

Содержание элементов, % С 3,098 2,920 3,250 0,06537 0,0043 2,11

Mn 0,825 0,320 1,0 0,07489 0,0056 9,07

Si 1,812 1,580 2,090 0,09541 0,0091 5,2

Cr 0,139 0,100 0,260 0,02073 0,0004 14,91

42

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

Исследование процесса модифицирования чугуна с использованием методов... Чайкин А.В., Вольное И.Н., Чайкин ВА.

цессе эволюции системы порога неустойчивости, начинает самоорганизацию новой, более устойчивой на данном иерархическом уровне структуры. Система стремится к приобретению нового симметричного состояния и идет по пути создания фрактальной структуры. Этот момент важен, поскольку возможность получения заданной структуры наиболее высока. При формировании иерархической структуры имеют место управляющие параметры, которые в общем случае могут быть различными для различных иерархических уровней. Для поликристаллического материала, в котором присутствуют различные химические эле -менты, могут развиваться два сценария формирования структуры: при сравнимом количестве химических элементов различных групп управляющим па -раметром будут служить диффузионные затру дне -ния; когда же содержание одних химических эле -ментов будет подавляюще большим, управляющим параметром будет служить фрактальная размерность, которая и будет определять захват пространства [6].

В нашем случае в расплав вносится множество дисперсных частиц углерода и кремния, что будет способствовать формированию мелкозернистой структуры серого чугуна без наличия свободного цементита. Та-

ким образом, искусственно создается структурная наследственность. Это не противоречит и термодинамике процесса, что подтверждено расчетами.

Следует отметить также, что при использовании дисперсных частиц гравитационные силы слабо контролируют кинетику системы «металл-частица», частицы совершают броуновское движение и коэффициент их диффузионной подвижности увеличивается. Следовательно, они обладают высокой седиментационной устойчивостью. Возрастает также их термодинамическая устойчивость против растворения [7]. Все это резко увеличивает живучесть модификатора.

Для подтверждения правильности выбранного направления было произведено моделирование процесса модифицирования в программе FLOW-3D (www.flow3d.com, www.flow3d.ru) модификаторами МК21 и ФС75. Процесс моделирования заключался в изучении поведения частиц-модификаторов в расплаве при заполнении им полости литейной формы отливки). Выполнен анализ изменения количества частиц модификатора в процессе заливки в различных местах отливки. Поскольку модификатор МК21 является смесевым и состоит из частиц графита и кремния, для упрощения моделирования проводили отдельный расчет для частиц кремния и частиц графита. Частицы моде -лировали как идеальные сферы с заданным постоянным размером и плотностью без возможности их изменения (роста или растворения) в процессе течения расплава. В каж-дой группе (кремний,

графит, ФС75) частицы задавали одинакового размера, равного среднему размеру частиц в модификаторе. Средние размеры частицы графита и кремния составляют 12,8 и 15,1 мкм соответственно. При моделировании частиц в потоке в программе FLOW-3D использовали опцию «полного взаимодействия» в системе частица-расплав, т.е. не только поток определяет динамику частиц, но и последние оказывают влияние на течение рас-

ПЛЗ.ВЗ..

В 1 см3 расплава находится 17,8-106 частиц графита и 6,2-106 частиц кремния. Расчет такого огромного количества частиц превышает возможно-

Рис. 2. Полость литейной формы отливки «клин фрикционный» с расчетной сеткой и численная модель для расчета в программе FLOW-3D

а б

Рис. 3. Распределение частиц в отливке в момент окончания заливки: а - частицы графита, б - частицы кремния.

Для лучшего визуального восприятия размер частиц увеличен

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

43

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

сти современных вычислительных систем, поэтому при моделировании использовали значительно меньшее (3,65 шт./см3), но тоже большое (в масштабе отливки) число частиц. Для сравнительного и качественного анализа поведения частиц кремния, графита и ФС75 такая замена вполне оправдана. Средний размер частиц ФС75 существенно выше и равен 5 мм. Одна частица ферросилиция приходится на 3 см3 расплава. Для сравнительного анализа число частиц ФС75 было увеличено до

Рис. 4. Изменение во времени количества частиц графита (2), кремния (1) и ферросилиция (3) в нижней (см. рис. 2) части наклонной стенки

Рис. 5. Изменение во времени количества частиц

графита (2), кремния (3) и ферросилиция (1) в средней части наклонной стенки

Рис. 6. Изменение во времени количества частиц графита (2), кремния (1) и ферросилиция (3) в верхней части наклонной стенки

3,65 шт./см3.

Плотность материалов следующая: кремний -2,33 г/см3; графит - 2,23 г/см3; ФС75 - 3,5 г/см3. Время заливки формы - 20 с. В расплаве, входящем в полость литейной формы, задавалось случайное начальное распределение частиц.

Для моделирования процесса модифицирования была использована технология формы, разработанная в ОАО «Чебоксарский агрегатный завод». В форме находятся четыре отливки (рис. 2). Принимая в расчет симметричное расположение отливок, для сокращения длительности расчета моделировали заполнение только одной отливки (четверти литейной формы).

Анализ распределения частиц модификаторов в отливке в зависимости от времени заполнения формы выполнили для характерного места отливки - наклонной стенки, в трех её частях: нижней, средней и верхней. Для этих частей строили графики зависимости количества частиц-модификаторов от времени заполнения. Моделирование показало, что закономерности распределения частиц графита и кремния в отливке в процессе заполнения формы аналогичны. Это связано с тем, что оба материала близки по плотности и размерам. Можно утверждать, что выявленные закономерности сохранятся и при использовании смесевого модификатора. Кремний и углерод равномерно рассредоточились по всему объему отливки (рис. 3) и с течением времени распределение на изучаемых высотах наклонной стенки практически не менялось (рис. 4-6).

Это подтверждает теоретические предпосылки о том, что частицы графита и кремния, благодаря их дисперсности, обладают высокой седиментационной устойчивостью. Они активно «замутняют» расплав и способствуют образованию множества центров кристаллизации графита, что обеспечивает стабильность процесса модифицирования во всех частях отливки в течение всего времени

Рис. 7. Распределение частиц ферросилиция в расплаве на промежуточном этапе заливки. Для лучшего визуального восприятия размер частиц увеличен

44

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

Исследование процесса модифицирования чугуна с использованием методов... Чайкин А.В., Вольное И.Н., Чайкин ВА.

кристаллизации, что следует из графиков.

Крупные частицы ферросилиция, наоборот, всплывают на поверхность металла в процессе заливки, а в конце ее оказываются преимущественно в верхней части отливки (рис. 7). На графиках (см. рис. 4-6) количество частиц ФС75 имеют ярко выраженные экстремумы, которые обусловлены процессами заполнения расплавом с частицами заданных объёмов отливки (частей наклонной стенки) и всплытием частиц с выходом ихиз заданныхобъемов.

Это доказывает, что частицы ФС75 обладают низкой седиментационной устойчивостью из-за их крупных размеров. Поэтому ФС75 крайне неравномерно распределяется в расплаве в процессе заливки. Анализ показывает, что конструкция отливки и расположение ее в форме обусловливают повышенную вероятность возникновения отбела в наклонной и вертикальных стенках, где частиц ФС75 практически не остается. Результаты моделирования коррелируют с заводским опытом работы.

Для проверки теоретических предпосылок в сталелитейном цехе ОАО «ЧАЗ» были проведены опытные плавки серого чугуна СЧ30 для отливок «клин фрикци-

Список литература

1. Салин В.Н., Чурилова Э.Ю. Практикум по курсу «Статистика» (в системе STATISTIKA). М.: «Издательский дом» Социальные отношения», Издательство «Перспектива», 2003. 188 с.

2. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессии. М.: Финансы и статистика, 1982. 189 с.

3. Гаврилин И.В. Строение жидкой и твердой фаз в литейных сплавах втвердожидком состоянии// Металлургия машиностроения. 2003. № 6. С. 9-11.

4. Давыдов С.В. Новый подход к классификации методов модифицирования // Металлургия машиностроения. 2006. № 5. С. 5-9.

5. Иванова В.С., Новиков В.У. К итогам симпозиума «Фракталы и прикладная синергетика» // Металлургия машиностроения. 2004. № 1. С. 33-37.

6. Закирничная М.М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и термических воздействиях: Дис. ... д-ратехн. наук. Уфа, 2001.

7. Гаврилин И. В. Кластеры - фуллерены - фракталы в жидких литейных сплавах // Металлургия машиностроения. 2004. № 5. С. 30-33.

онный». Для оптимизации расхода МК21 опробовали эффективность модифицирования чугуна в раздаточном и разливочном ковшах Отмечена высокая живучесть модификатора. Времяразливки расплава из раздаточного ковша колебалось от 45 до 65 мин. Во всех случаях эффект модифицирования расплава МК21 сохранялся до конца разливки, что подтверждает высказанные ранее теоретические предпосылки результаты моделирования. Наиболее оптимальным оказалось модифицирование расплава в разливочном ковше. При этом требуется значительно меньшее количество модификатора МК21.

На основании проведенных экспериментов в ОАО «ЧАЗ» внедрен технологический процесс модифицирования чугуна СЧ30 для отливки «клин фрикционный» в разливочном ковше. Первую половину металла, когда он горячий, модифицируют МК 21 в количестве 0,08% (пакет 400 грамм). Затем снижают расход материала до 0,04°% (пакет 200 грамм).

Внедрение позволило исключить брак по отбелу в отливках и получить годовой экономический эффект в размере 1 млн 128 тыс. рублей.

List of literature

1. Salin V.N., Churilova E.Y. Practical course “Statistics” (in the system STATISTIKA). M.: “Publishing house” Social relations”, Publishing house “Perspectiva”, 2003. 188 p.

2. Demidenko E.Z. The linear and nonlinear regression. M.: Finance and statistics, 1982. 189 p.

3. Gavrilin I.V. Liquid and solid phases in the cast alloys in the solid and liquid states // Engineering metallurgy. 2003. № 6. P. 9-11.

4. Davydov S.V. New approach to the classification of the modification methods // Engineering metallurgy. 2006. № 5. P. 5-9.

5. Zakirnichnaya M.M. Fullerene formation in the carbon steels and cast irons in the crystallization and thermal effects: Dissertation of the doctor of the technical science. Ufa, 2001.

6. Ivanova V.S., Novikov V.U. The symposium results “Fractals and applied synergy” // Engineering metallurgy. 2004. № 1. P.33-37.

7. Gavrilin I.V. Clusters - fullerenes-factals in the liquid cast alloys // Engineering metallurgy. 2004. № 5. P.30-33.

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

45