МОДИФИЦИРУЮЩАЯ СМЕСЬ
MODIFYING MIXTURE

Изобретение относится к области литейного производства и металлургии и используется для внепечной обработки жидкого чугуна. Смесь для модифицирования серого чугуна, включающая высокодисперсный кремнийсодержащий порошок, получаемый при прямом синтезе органогалогенсиланов, отличающаяся тем, что смесь дополнительно содержит порошок графита, а также сурьму в следующем соотношении компонентов, мас.%: кремнийсодержащий порошок 35-65, порошок графита 35-65, сурьма 0,002-0,005 [Чайкин В.А., Каргинов В.П., Шрамко М.С. Модифицирующая смесь. А.с. №2226554, Заявка №2002129529, приоритет изобретения 04 ноября 2002 г., зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 апреля 2004 г., срок действия патента истекает 04 ноября 2022 г.] (прототип).
Недостатком является недостаточная дисперсность компонентов модификатора, высокое содержание примесей в графите, что снижает его активность. Кроме того, модификатор содержит токсичную и дорогую сурьму. В результате наблюдается повышенный расход модификатора при внепечной обработке чугуна, увеличивается его стоимость.
Известно использование лигатуры - сплав железа с кремнием, который получил название ферросилиций [Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М., Л.: Машиностроение, 1966, с.183-184]. Введение ферросилиция в жидкий металл позволяет получить чугун с мелкозернистой структурой и улучшить механические свойства отливок.
Недостатком ферросилиция являются его высокая стоимость (в 2-3 раза больше стоимости чушковых чугунов), необходимость предварительного дробления модификатора, пыление при модифицировании, неточное дозирование, а также низкая графитизирующая способность ферросилиция и низкая живучесть.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение графитизирующей способности модификатора, снижение расхода модификатора и себестоимости внепечной обработки чугуна.
Задача решается следующим образом: в качестве компонентов смесевого модификатора используют: 1) кремний (K), образованный в результате реакций при производстве органогалогенсиланов, который более дисперсный, чем кремнийсодержащий порошок, 2) искусственный графит, подвергнутый высокотемпературной обработке (выше 5000°С), что приводит к минимуму содержания вредных примесей. Кроме того, графит подвергается тонкому помолу на вибромельницах. В результате активность графита резко возрастает.
Предложенные мероприятия позволяют расширить диапазон концентраций и графита, а также исключить из состава сурьму.
Новая смесь для модифицирования серого чугуна содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: активированный высокотемпературной обработкой и подвергнутый тонкому помолу графит 10-65; К 35-90. Для чугуна, близкого по своему составу к эвтектическому, используется смесь, содержащая 10% графита и 90% К. При таком соотношении компонентов складывается наиболее благоприятная синергетика процесса модифицирования. По мере снижения углеродного эквивалента соотношение компонентов меняется. Содержание графита увеличивается, а К уменьшается. Средний размер частицы модификатора составляет 0,12 мкм, соответственно снижается расход смеси для модифицирования до 0,04-0,08% от массы обрабатываемого расплава.
Наночастицы графита и кремния усиливают зародышеобразование графитной фазы, поскольку они способны к образованию комплексных соединений (Fe-C-Si)) и соизмеримы с кластерами графита, углеродными наночастицами и фрактальными агрегатами [Давыдов С.В. Новый подход к классификации методов модифицирования. - Металлургия машиностроения, №5, 2006, - с.5-9].
При использовании данной смеси в расплаве будет формироваться мелкозернистая структура серого чугуна без наличия свободного цементита и обеспечиваются требуемые механические свойства.
При увеличении концентраций графита или К в смесях образуется повышенное количество шлаков, усвояемость модификаторов ухудшается. В результате снижаются механические свойства чугуна, увеличивается размер графитных включений, увеличивается глубина отбела и разброс твердости по сечениям отливки.
Смесь для модифицирования серого чугуна приготавливается отвешиванием расчетных доз компонентов в соответствии с предложенным количественным соотношением и упаковывается в бумажные или полиэтиленовые пакеты. Вес пакетов зависит от массы обрабатываемого расплава, от количества смеси, вводимой в расплав, и регламентируется заказчиком. Количество смеси, вводимой в расплав, составляет 0,04-0,08% и зависит от состава обрабатываемого чугуна, требуемого уровня механических свойств, оптимизируется экспериментальным путем. Пакеты помещаются на дно ковша перед заливкой его металлом. Это обеспечивает точность дозирования, отсутствие пыления и улучшает экологию литейного цеха. Кроме того, модификатор может вводиться вдуванием в расплав или закатанным в порошковую проволоку и другими известными способами.
ПРИМЕРЫ. В сталелитейном цехе ОАО «ЧАЗ» были проведены опытные плавки серого чугуна СЧ30 для заливки отливок «клин фрикционный». Температура разливки металла с раздаточного ковша колебалась от 1470 до 1440°С. Температура заливки форм составляла 1390-1350°С. С каждой плавки заливались пробы для определения химического состава и механических свойств чугуна. Параллельно определялись склонность чугуна к отбелу путем заливки клиновых проб.
В разливочный ковш последовательно вводили ФС75 в количестве 0,5% и возрастающие количества модификатора следующего состава: 65% графита и 35% кремния. Исследовали три плавки с различными величинами исходного отбела чугуна. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты опытных работ по модифицированию СЧ30 МК21 в разливочном ковше
№ плавки
Вводим. модиф.
Масса модиф., кг (%)
Место отбора проб
Величина отбела, мм
Температура, °С
Предел прочности с обр., кгс/мм<sup>2</sup>
Твердость с обр., НВ
Ковш 1
Ковш 4
9-406
-
Печь
20
1395
1321
30,1
241
ФС75
0,5 (0,1)
Ковш
10
МК21
0,1 (0,02)
Ковш
10
МК21
0,2 (0,04)
Ковш
9
МК21
0,4 (0,08)
Ковш
7
11-244
-
-
Печь
16
1410
1329
32,6
241
ФС75
0,5 (0,1)
Ковш
10
МК21
0,1 (0,02)
Ковш
10
МК21
0,2 (0,04)
Ковш
8
МК21
0,4 (0,08)
Ковш
7
11-253
-
-
Печь
14
1410
1330
31,3
241
ФС75
0,5 (0,1)
Ковш
8
МК21
0,1 (0,02)
Ковш
8
МК21
0,2 (0,04)
Ковш
7
МК21
0,4 (0,08)
Ковш
6
На основании проведенных экспериментов в ОАО «ЧАЗ» внедрен технологический процесс модифицирования чугуна СЧ30 для отливки «клин фрикционный» в разливочном ковше. Наиболее объективным показателем эффективности внедренного технологического процесса модифицирования является статистический анализ. Поэтому провели статистический анализ показателей качества плавок чугуна до и после внедрения. Результаты приведены в таблицах 2 и 3.
Сравнение результатов анализа до и после внедрения показывает, что температура, химический состав и механические свойства чугуна изменились незначительно: от 0,09% (температура) до 1,65% (кремний). Вместе с тем, склонность чугуна к отбелу резко уменьшилась. Отбел снизился на 12,7% и стабилизировался, что подтверждает эффективность внедренного технологического процесса модифицирования. Проверка гипотез о равенстве групповых средних, результаты которой представлены в таблице 4, в свою очередь, подтвердила вышеуказанный вывод.
Как видно из таблицы для средних значений температур, химического состава и механических свойств значения вероятностей, с которыми гипотезы о равенстве средних отвергаются, превышают принятый уровень значимости α равный 0,05, что позволяет сделать вывод о том, что нет существенных различий в средних значениях вышеперечисленных показателей. Значение вероятности отклонения гипотезы о равенстве средних значений отбела до и после внедрения значительно ниже 0,05, что свидетельствует о существенном влиянии способа модифицирования на отбел чугуна.
Внедрение нового модификатора позволило исключить брак по отбелу в отливках и получить годовой экономический эффект в размере 1 млн 128 тыс. рублей.
В ОАО "Дизель-ЯМЗ" г. Ярославль существовала следующая проблема: при выплавке чугунов с высоким углеродным эквивалентом механические свойства материала оказывались ниже требуемых за счет появления в структуре крупных графитных спелей. При производстве чугунов с низким углеродным эквивалентом, механические свойства удовлетворяли требованиям ГОСТ, вместе с тем, многие отливки затвердевали с наличием отбела. Для устранения недостатков был внедрен процесс модифицирования в стояке литейной формы в количестве 0,05% от массы отливок разработанным модификатором следующего состава: 10% графита и 90% кремния.
Провели статистический анализ показателей качества плавок чугуна до и после внедрения. Результаты приведены в таблице 5.
Таблица 5
Показатели статистики до и после внедрения
Средние значения концентраций элементов, %
Средние значения механических свойств
С
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Ti
Cr
НВ
σ<sub>B</sub>
До внедрения
3,36
0,69
2,15
0,089
0,093
0,33
0,18
0,018
0,13
234
25,57
После внедрения
Январь
3,37
0,71
2,19
0,088
0,088
0,33
0,14
0,021
0,13
227
24,9
Май
3,35
0,7
2,13
0,087
0,094
0,34
0,18
0,019
0,17
230
25,9
Июнь
3,36
0,68
2,12
0,085
0,09
0,31
0,16
0,020
0,15
229,6
25,2
Следует отметить, что химсостав и механические свойства практически не изменились. В то же время брак по отбелу и по графитной сыпи исключен, что свидетельствует о высокой эффективности модифицирования. В случаях низкого углеродного эквивалента устраняется отбел. При высоком эквиваленте модифицирование в форме измельчает графит и устраняет сыпь.
Таким образом, предлагаемый модификатор обладает положительным модифицирующим эффектом и более низкой стоимостью.