ЛИГАТУРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА
LIGATURE FOR MANUFACTURING OF MOULDING MADE OF CAST IRON

Заявляемое изобретение относится к металлургии и может широко использоваться в машиностроении и тракторостроении при производстве отливок из серого чугуна с перлитной структурой металлической основы.
При производстве отливок из перлитного чугуна применяют такие сильные перлитизирующие элементы, как олово и медь. Микролегирование чугуна оловом и медью обычно осуществляют в ковше. Однако введение только перлитизирующих элементов не обеспечивает их равномерного распределения в объеме жидкого чугуна и сопровождается существенным их угаром.
Поэтому разрабатываются лигатуры, содержащие в своем составе, кроме меди и олова, химически активные элементы кальций, алюминий, кремний (Са, Al, Si), обладающие большим сродством к кислороду и защищающие ценные перлитизирующие элементы от окисления при ковшевом микролегировании чугуна.
Известна лигатура, содержащая компоненты в следующем соотношении мас.%:
Кальций
8,0-18,0
Железо
20,0-35,0
Медь
0,5-20,0
Олово
0,2-5
Алюминий
0,2-2,5
Кремний
остальное
Известный состав лигатуры представлен в описании изобретения «Лигатура» к авторскому свидетельству СССР №395481 по классу МПК С22С 35/00.
Недостатком известной лигатуры является значительное содержание в ней кальция, стоимость которого высока, что приводит к существенному повышению затрат на производство чугунных отливок.
Известная лигатура по авторскому свидетельству СССР №395481 выбрана в качестве прототипа, т.к. является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемой лигатуре для производства отливок из чугуна.
Задачей настоящего изобретения является снижение затрат на производство отливок из серого чугуна перлитного класса.
Технический результат при осуществлении изобретения заключается в получении дробленой и фракционированной лигатуры однородного химического состава с размерами частиц, обеспечивающих оптимальную скорость ее растворения в жидком чугуне.
Указанная задача решается за счет того, что известная лигатура для производства отливок из чугуна, включающая медь, олово, кремний, кальций, алюминий и железо, согласно изобретению, содержит в следующем соотношении указанные компоненты, мас.%:
Медь
45,0-55,0
Олово
5,5-6,5
Кремний
15,0-20,0
Кальций
0,03-0,2
Алюминий
0,1-1,0
Железо
остальное
Заявляемая лигатура использована в дробленом виде с размером частиц 3,2- 16 мм.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемая лигатура для производства отливок из чугуна не известна и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемая лигатура может быть получена в условиях металлургического производства или на предприятиях, специализирующихся на изготовлении лигатур, т.к. для этого требуются известные технологии, материалы и стандартное отечественное или импортное оборудование. Она может широко использоваться на предприятиях, изготавливающих отливки из серого чугуна.
Следовательно, заявляемая лигатура соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемому изобретению новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.
Заявленное содержание меди 45-55% обеспечивает максимальный выход годной фракции лигатуры. При уменьшении количества меди ниже 45 мас.% уменьшается выход крупки требуемого размера и увеличивается количество мелочи. Отсевы мелочи переплавляются и подвергаются дроблению. При наличии в лигатуре меди выше 55% из-за ухудшения дробимости повышается количество надрешетного продукта при дроблении, что требует дополнительного додрабливания крупных кусков лигатуры. Выход за заявленные пределы по содержанию меди в обоих случаях приводит к удорожанию лигатуры.
Количество заявляемого в лигатуре олова диктуется необходимостью получения марочного состава чугуна перлитного класса. При содержании олова в лигатуре ниже заявленного предела не достигается требуемая твердость чугуна, а обработка лигатурой с содержанием олова, превышающим 6,5 мас.%, придает чугуну повышенную твердость и хрупкость.
Кремний необходим в лигатуре, чтобы получить возможность ее последующего дробления. Кремний меньше угорает и полнее усваивается лигатурой, если он поступает в шихту в составе ферросилиция, а не кристаллического кремния. При наличии в заявляемой лигатуре кремния ниже 15,0 мас.% наблюдается низкий выход годной фракции из-за плохого ее дробления. Количество кремния больше 20,0 мас.% не допускается, прежде всего из-за того, что марка чугуна, которую необходимо получить, не будет выдержана. Кроме того, при количестве, превышающем 20,0 мас.%, лигатура имеет чрезмерно увеличенную дробимость, вследствие чего имеется низкий выход годной фракции из-за увеличения количества мелкой фракции. В обоих случаях, когда количество кремния выходит за заявленные пределы, стоимость лигатуры повышается.
Кальций и алюминий поступают в лигатуру вместе с ферросилицием. Снижение содержания этих элементов в лигатуре требует рафинирования ферросилиция, а повышение - его дополнительного легирования кальцием и алюминием. В обоих случаях это приведет к повышению цены ферросилиция и к удорожанию лигатуры. Кальций в количестве 8-18 мас.% в лигатуре, выбранной в качестве прототипа, приводит не только к ее удорожанию, но и к ее ошлакованию, снижению растворения и неполному усвоению чугуном. Практика показала, что ошлакования можно избежать, если содержание кальция в применяемых для ковшевой обработки чугуна модификаторах не превышает 3 мас.%. Наличие кальция в лигатуре в количестве 2,0-3,0 мас.% не оказывает отрицательного влияния на ее свойства, в то же время оно не является необходимым, т.к. жидкие чугуны вместе с перлитизирующей лигатурой обрабатываются дополнительно графитизирующими модификаторами, содержащими оптимальное количество кальция.
В результате химического анализа лигатуры различного фракционного состава на содержание меди, олова и кремния было установлено, что в частицах лигатуры размером менее 3,2 мм увеличивается содержание кремния и падает содержание меди и олова.
Выполненные в производственных условиях исследования показали, что лигатура с размером частиц более 16 мм не полностью усваивается жидким чугуном. При микролегировании чугуна с размером частиц 18 мм в отливках были обнаружены частицы нерастворившейся лигатуры.
Результаты химического анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1
Размер частиц, мм
0-1
1-2
2-3,2
3,2-10
10-16
16-20
Содержание, мас.%
Si
26,3
23,1
20,8
17,8
17,4
17,6
Cu
40,1
44,2
49,5
51,2
51,4
51,2
Sn
4,5
5,1
5,7
6,3
6,2
6,2
Таким образом, минимальный размер частиц лигатуры 3, 2 мм определен необходимостью получения лигатуры однородного химического состава, а максимальный 16 мм ограничен скоростью ее растворения в чугуне.
Проведены сравнительные испытания лигатур на выход годной фракции 3,2-16 мм при дроблении известной по прототипу (состав 1) заявляемой (составы 2-4) и два состава (составы 5, 6) с запредельными содержаниями компонентов. Лигатуры каждого состава, массой 50 кг, выплавили в индукционной печи, разлили в чугунные изложницы, продробили на щековой дробилке, отсеяли фракцию 3,2-16 мм и определили ее массовое содержание в дробленом материале. Результаты исследования представлены в таблице 2.
Таблица 2
№ состава
Содержание компонентов, масс.%
Выход годной фракции 3,2-16%
Са
Si
Cu
Sn
Al
Fe
1
12,7
35,5
19,2
2,3
0,98
ост.
56,1
2
0,032
15,5
45,8
5,4
0,88
ост.
85,5
3
0,044
17,6
50,8
5.9
0,91
ост.
87,2
4
0,056
19,4
54,7
6,5
0,96
ост.
86,8
5
0,24
25
40,1
4,8
1,01
ост.
71,1
6
0,018
13
60,3
7,3
0,85
ост.
80,5
Из представленных данных следует, что дробление лигатуры известного состава сопровождается образованием большого количества мелких фракций и характеризуется сравнительно низким выходом годного продукта с требуемыми размерами частиц. Повышенная дробимость известной лигатуры обусловлена высоким содержанием в ней кальция и кремния. Образовавшаяся в процессе дробления мелочь - около 44% должна быть подвергнута повторному переплаву и дроблению, что приводит к дополнительному удорожанию известной лигатуры.
Дробление лигатуры заявленного состава позволяет получить выход годной фракции на уровне 85-87%, что существенно выше, чем получается при дроблении известной лигатуры. В то же время выход за заявленные пределы по химическому составу, особенно по содержанию меди и кремния, приводит к снижению выхода годной фракции дробленой лигатуры.
Пример получения лигатуры
Плавление заявляемой лигатуры осуществляется в дуговых или индукционных электропечах. В качестве шихтовых материалов используют чистый лом меди или катодную медь, элементарное олово в слитках и промышленный ферросилиций. Для получения 100 кг товарной крупки лигатуры с размером частиц 3,2-16 мм в печь загружают 60 кг меди, 7 кг олова и 53 кг ферросилиция марки ФС45. После расплавления шихты и нагрева до образования гомогенного расплава лигатуру разливают в чугунные изложницы и после охлаждения подвергают дроблению и рассеву. Лигатуру с размером частиц 3,2-16 мм упаковывают в стальные барабаны или мягкие специализированные контейнеры и отправляют потребителям.
Полученная потребителем лигатура определенными порциями загружается на дно ковша мерной емкостью непосредственно перед выпуском жидкого чугуна из плавильной печи.
Расчет затрат при использовании известной и заявляемой лигатур
Для производства отливок «Блок цилиндров» необходимо получить чугун с содержанием меди 0,62 мас.% и 0,082 мас.% олова. В дуговой печи выплавили чугун с применением в шихте оборотных отходов с содержаниями меди и олова 0,19 и 0,03 мас.% соответственно. Для получения марочного содержания меди и олова в чугуне на дно 1,5-тонного ковша загрузили 12,7 кг лигатуры заявляемого состава, содержащей мас.%: Cu 50,8; Sn 5,9; Si 18,9; Al 0,75; Ca 0,042; Fe - остальное. Лигатура выплавлена с использованием в шихте элементарного олова, катодной меди и ферросилиция марки ФС45. Таким образом, в навеске заявляемой лигатуры, израсходованной на микролегирование чугуна, содержалось 6,45 кг меди, 0,75 кг олова и 5,5 кг ферросилиция.
На основе силикокальция марки СК15 выплавили известную лигатуру, содержащую мас.%: Cu 20; Ca 12,7; Si 35,5; Al 0,98; Sn 2,4; Fe - остальное. Меди, как видно из примера, взято максимальное количество.
Для введения в чугун эквивалентного количества меди и олова потребовалось 33,6 кг известной лигатуры, содержащей 6,45 кг меди, 0,75 кг олова и 26,4 кг СК15.
Разница в стоимости навесок известной и заявляемой лигатур определяется разницей в стоимости содержащихся в них силикокальция и ферросилиция. При цене 1 кг ферросилиция марки ФС45 0,77$ и 1 кг силикокальция марки СК15 1,35$ разница в стоимости лигатур составит:
1,35$×26,4-0,77$×5,5=31,41$ на 1,5 т чугуна или 770 рублей.
Таким образом, применение заявляемой лигатуры позволит снизить затраты на производство 1 т чугунных отливок на 513 рублей.
Применение заявляемой лигатуры вместо известной с содержанием кальция 8-18 мас.% и максимальным содержанием меди 20 мас.%, снижает затраты на производство тонны чугунных отливок на 250-650 рублей. Замена известной лигатуры с более низкими содержаниями меди на лигатуру заявляемого состава позволит еще больше снизить затраты на производство чугунных отливок.
Заявляемая лигатура по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- однородность химического состава;
- повышение технологичности процесса микролегирования чугуна;
- снижение затрат на производство отливок из перлитного чугуна;
- повышение выхода годной фракции при дроблении;
- повышение скорости и степени усвоения лигатуры.