Способ модифицирования чугуна магнием

Способ модифицирования чугуна магнием

Реферат

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве модифицированного чугуна. Способ включает ввод магниевой лигатуры в расплав чугуна, при этом лигатуру помещают в герметически закрываемый сосуд, предварительно нагретый до температуры 700-800°С. Способ позволяет повысить показатель усвоения магния за счет превращения кускового магния в высокодисперсный порошок.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано различными металлургическими предприятиями при обработке расплава чугуна магнием для повышения эффективности производства, снижения себестоимости и повышения качества чугуна с шаровидным графитом.

Модифицирование чугуна магнием (Mg) получило в США, Англии и других странах достаточно широкое распространение еще в начале XX века. Например, использовался патент ВБ от 22.02.1928 г.[1]. Внедрение процесса модифицирования чугуна магнием привело к созданию целого направления в металлургии и появлению высококачественных чугунов с шаровидным графитом, которое сегодня представляет важнейшую народнохозяйственную задачу, так как она затрагивает интересы и проблемы многих отраслей промышленности.

Широкое применение чугунов с шаровидным графитом способствует: получению значительной экономии металла за счет облегчения веса чугунных деталей и удлинения срока их службы; увеличению долговечности машин и точности их работы; замене в ряде случаев стального литья и поковок, а также заготовок из цветных металлов высококачественным чугуном как материалом менее дефицитным, более дешевым и обладающим рядом технологических преимуществ.

Поиски все новых и новых решений по усовершенствованию способов модифицирования чугуна магнием велись постоянно и эта проблема остается и сегодня во многом нерешенной.

Распространенный способ модифицирования металлическим магнием в литейных ковшах имеет много недостатков, состоящих в основном в следующем: значительный пироэффект с выбросом брызг металла и образованием дымообразной окиси магния, вызывающий необходимость в установке специальных камер для модифицирования, повышенный процент потери металла в виду брызг и сплесов, незначительная усвояемость магния металлом, требующая повышенной его присадки (расхода), значительные потери тепла металлом на излучение и конвекцию в процессе модифицирования, а также на нагрев и испарение повышенного количества вводимого магния, снижающие начальную температуру чугуна в ковше и затрудняющие соблюдение оптимальной температуры заливки, транспортировка жидкого металла к камере для модифицирования связана также с потерей тепла и понижением температуры металла в ковше.

Для частичного устранения указанных недостатков кусковой магний вводился в железные цилиндры, которые герметически закрывались, а люк ваграночного копильника после внесения цилиндров с магнием закрывался крышкой с грузом. Это позволило: 1. уменьшить отрицательный эффект пироэффекта при модифицировании, 2. уменьшить потери тепла металлом в процессе модифицирования, 3. уменьшить расход магния.

Усвоение магния металлом доходило до 16 - 19% против 5 - 10% в случае модифицирования магнием в литейных ковшах [2, стр. 1,2,3,4, 11].

Попытки устранить указанные выше недостатки при вводе в расплав чугуна компактного магния предпринимались и следующим образом: ковш с жидким металлом подводится под зонт - вентиляционное устройство, в конструкции которого крепится штанга с прикрепленным к ней слитком магния, которая и вводится в расплав, при этом зонт накрывает ковш, являясь своего рода крышкой и непосредственно вентиляционным устройством. Способ ввода в чугун магния в неупакованном открытом виде с помощью штанги не требует применения дорогостоящих материалов в виде труб или листовой стали для изготовления присадочных стаканов.

Недостатком является малая устойчивость слитка магния или лигатуры при погружении в перегретый чугун, а также преждевременное возгорание магния. Вследствие происходящего при этом растрескивания и всплытия кусков магния и лигатуры большая часть ее теряется, в результате чего количество магния в чугуне не остается стабильным. Предпринимались попытки снизить расход магния с помощью использования поворотных ковшей конвертного типа, когда заклад компактного магния производят в одну из горловин ковша, закрываемую конической графитной пробкой и с дальнейшим поворотом ковша таким образом, чтобы расплав чугуна находился над заложенным в горловину компактным магнием. При этом весь магний оказывается под слоем расплава и происходит его взаимодействие с расплавом, расход магния несколько уменьшается, усвоение увеличивается.

Созданы также устройства для обработки чугуна магнием под давлением в автоклаве.

Вследствие того, что модифицирование чугуна магнием проходит под большим внешним давлением, магний не переходит как обычно бурно в парообразное состояние, а спокойно растворяется в расплаве. Усвояемость магния в этом случае в 2-2,5 раза больше, чем в обычных условиях модифицирования в литейных ковшах [3; стр. 45, 46, 47, 48, 49].

С целью более полного взаимодействия расплава чугуна с магнием применяются устройства, в которых, например, слиток магния плавает на поверхности расплава чугуна, пополняемого льющимся на слиток магния чугуном, распыляемым инертным газом, при этом как магний, так и чугун соприкасается только с инертным газом. В этом случае расход магния уменьшается, усвоение увеличивается, но установка сложна в изготовлении и технологически сложна в действии [4, стр. 56].

С целью уменьшения угара магния и дополнительного рафинирования чугуна перед присадкой магния в ковш вводят флюс, образующий шлак, удельный вес которого меньше удельного веса магния. Таким образом, шлак прикрывает магний и тем самым изолирует его от воздуха, находящегося в емкости с чугуном; уменьшается угар магния и увеличивается степень его усвоения [5]. Способ незначительно уменьшает перерасход магния, кроме того, взаимодействие шлака с чугуном может утяжелить покровный слой, что приведет к взаимодействию магния с кислородом.

В другом случае, чтобы сократить пылегазовыделения при обработке магнием, устранить пироэффект, снизить расход магния, обработку ведут в открытой емкости под слоем защитного газа с плотностью, превышающей значительно плотность воздуха [6]. Способ несколько снижает расход магния, но требования усвоения магния чугуном ведут к повышенной загрузке магния, так как все-таки защита тяжелым газом в малой степени предотвращает прорыв газообразного магния сквозь слой защитного газа и вытекающие из этого следствия.

Аналог Известен способ, при котором конструктивные особенности емкости для чугуна, имеющей внутри ковша на днище пазуху, загружаемую кусковым магнием и прикрываемую сверху загрузку стальным скрапом и возможностью постепенной заливки чугуна в емкость и возможностью регулируемого отвода продуктов газовыделения через специальное отверстие в стенке емкости, дают возможность обеспечения более полного усвоения магния чугуном [7].

Были попытки (8) модифицирования чугуна магнием при помощи фурм, вдувающих в расплав порошкообразный или гранулированный магний. Сложность аппаратурно-технологического оформления и обслуживания, а также само по себе производство порошкообразного или гранулированного магния чрезвычайно осложняют осуществление и указанных попыток и перенесение их даже в доработанном виде в обычное металлургическое или чугунолитейное производства. Известен способ (9) получения чугуна с шаровидным графитом, заключающийся в укладке на дно ковша Ni-Mg-Ce лигатуры, накрывании ее железосодержащим покрытием и заливке металла в ковш. При укладке на дно ковша между магниевой лигатурой и защитным покрытием укладывают послойно модифицирующие компоненты (ферросилиций и силикокальций) в порядке убывания их активности (по отношению к сере, кислороду и по сфероидизирующему воздействию на графит), при этом между лигатурой и модифицирующими компонентами укладывают защитный слой стружки и дроби.

Прототип Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому авторами изобретению является известный способ (10) сфероидизирующей обработки чугуна с шаровидным графитом, заключающийся в том, что в ковш перед заливкой расплавом металла помещают магнийсодержащую лигатуру в капсуллах из меди и/или никеля. Однако указанный способ не обеспечивает повышения коэффициента усвоения магния и, следовательно, не дает заметного уменьшения расхода магния.

Таким образом, анализируя рассмотренную массу источников, включающих научно-технические, исследовательские и патентные материалы, указанные выше, почти за 100 лет применения магния для модифицирования чугуна не решена проблема ввода магния на пределе усвоения его массой расплавленного чугуна без излишков ввода, не решена проблема ввода магния в высокодисперсном состоянии, обеспечивающим спокойное взаимодействие магния и расплава чугуна в необходимых пределах усвоения, предотвращающих пироэффект, газовыделение, а следовательно, не решена проблема максимального снижения расхода дорогостоящего металла - магния.

Отсутствие технического решения по получению и применению высокодисперсного магния (до ассоциаций отдельных молекул) в сочетании с возможностью применения его на существующем установленном оборудовании заставляет применять изощренные меры по технологическо-аппаратурному оснащению чутунолитейных производств, что само по себе крайне дорого, трудоемко и требует высококвалифицированного обслуживания и усиленных мер по технике безопасности. Как уже неоднократно упоминалось выше, несмотря на кажущуюся простоту операции добавки в жидкий чугун в определенных расчетных количествах магния, практическое выполнение задачи наталкивается на ряд трудностей, основные из которых физико-химические и термические свойства магния. Магний, имея точку кипения 1110^oC, т.е. на 250-300^oC ниже температуры жидкого чугуна, а удельный вес в 4,5 - 5 раз меньший, чем у чугуна, при температуре модифицирования представляет весьма трудный объект для разработки способа, смеси, содержащей компактный магний, и устройства для проведения эффективного модифицирования.

При погружении в расплавленный металл патрона с магнием (кусковым) мгновенно возникают пары магния, которые, поднимаясь вверх, только короткое время остаются в соприкосновении с жидкостью. Скорость диффузии магния в жидкий металл при этом оказывается меньше скорости выхода магния наружу. Вследствие этого, а также вследствие недостаточной площади контакта паров магния с жидкой массой - усвоение магния в обычных условиях незначительно [11, стр. 37].

Проблема разработки рационального способа ввода магния в расплав чугуна является фундаментальной, тогда как остальные задачи становятся уже производными (пироэффект, пылегазовыделения и т.д.), поэтому авторы не уделили много внимания рассмотрению материалов, связанных с описаниями подобных изобретений.

Основой для разработки, заявляемой в качестве изобретения: "Способ модифицирования чугуна магнием", являются выполненные ранее экспериментальные работы: подтверждающие явление самопроизвольного диспергирования магния, и разработка материалов, которые были заявлены с наименованием: "Явление самопроизвольного диспергирования алюминия и магния в расплавах щелочей" в качестве открытия [12], одним из авторов указанной разработки является Рахматуллин Р.М; разработка, на которую выдано авторское свидетельство [13], сущность которой заключается в том, что в расплавленных щелочах при температурах от 580^oC, 650^oC, 660^oC для гидроокисей лития (LiOH), натрия (NaOH), калия (КОН) соответственно до температур плавления металлов алюминий (AL) и магний (Mg), самопроизвольно диспергируют, сначала превращаясь в рыхлую губку, а затем в виде мелкодисперсных частиц распространяясь по всему объему щелочи.

Целью проведенных авторами разработок является: повышение показателя усвоения магния, следовательно, приведения расхода магния до количества, минимально необходимого для модифицирования чугуна, уменьшение угара металла магния за счет активизации частиц, а также паров магния вследствие получения возможно максимальной удельной поверхности магния в самом объеме расплава чугуна и взаимодействия минимального необходимого количества магния с расплавом чугуна с резким уменьшением таких явлений, как пироэффект и пылегазовыделение, что обеспечивается эффектом превращения компактного магния в дисперсный магниевый порошок и газ магния в самом расплаве чугуна.

Указанные цели достигаются тем, что магниевая лигатура вводится в расплав чугуна следующим образом: 1. Способ модифицирования чугуна магнием, включающий ввод магниевой лигатуры в расплав чугуна, при этом магниевую лигатуру помещают в герметически закрываемый сосуд, отличающийся тем, что герметически закрываемый сосуд с магниевой лигатурой предварительно нагревают до температуры 700-800^oC.

2. Металл для изготовления и геометрические размеры сосуда подбирают такими, чтобы обеспечивались требуемые физико-химические характеристики магниевой лигатуры при нагревании сосуда до температуры 700-800^oC.

Конкретное использование заявляемого способа модифицирования чугуна магнием заключается в следующем: Необходимое расчетное количество магниевой лигатуры помещают в сосуд, который герметически закупоривают.

Сосуд можно подвергать предварительному нагреву в нагревательной печи до температуры 700-800^oC, при которой обеспечивается протекание процесса самопроизвольного диспергирования магния.

После этого (или сразу без предварительного нагрева) сосуды в необходимом для конкретного объема выплавляемого чугуна количестве помещают и закрепляют в колоколе, или на дне ковша, или в имеющиеся пазухи ковша.

Сосуд могут, как и в обычных производственных условиях, закрывать скрапом, железными плитами и т.п.

Далее производят заливку жидким чугуном по обычной технологии на существующем оборудовании.

Список использованной литературы: 1. Патент 22.02.1928 г., Meehanite Metal Corp., Brit. N 312126 [1; стр. 6; Модифицирование чугуна, том 1, Издательство Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1942.

2. Г.М. Голублев. Получение высокопрочного чугуна со сфероидальным графитом путем модифицирования магнием в копильнике вагранки, ВПТИ, М., 1955 г.

3. П. И. Степин. Технология производства высокопрочного чугуна. Заочные курсы усовершенствования ИТР пот металлургии чугунолитейного производства, М. 1956 г.

4. С.И. Рябухов. Методы обработки жидкого чугуна магнием, ЦБТИ. Горький, 1959 г.

5. А. с. N 827 556, Способ модифицирования чугуна магнием, С 21 C 1/10, 1981 г.

6. А. с. N 1 062 270, Способ модификации чугуна магнийсодержащей лигатурой, С 21 C 1/10, 1992 г.

7. А. с. N 1 726 963, Способ обработки чугуна магнийсодержащими лигатурами, С 21 С 1/10, 1992 г.

8. К.И.Ващенко. Магниевый чугун, М., 1960 г.

9. A.c. N 985053, Способ получения чугуна с шаровидным графитом, С 21 C 1/0, 1982 г.

10. RU 2146295, С 21 С 1/10 от 10.03.2000 г. (прототип).

11. Условия получения в литье структуры чугуна с глобулярным графитом. Министерство автомобильной и тракторной промышленности СССР, НАМИ, ВЫПУСК N 64, МАШГИЗ, 1952 г.

12. Заявка на предполагаемое открытие N НР32-ОТ-10591 от 17.06.82 г. "Явление самопроизвольного диспергирования алюминия и магния в расплавах щелочей".

13. A. C. N 176790, кл. 49L 3, Рахматуллин Р.М. и др., опубликованное 17.11.1965 г., Бюллетень N 23.

14. А.С. N 393 326, Способ раскисления щелочных и солянощелочных ванн, С 21 D 1/46,1973.

15. Доменный чугун с шаровидным графитом для круглых отливок, М., 1995 г. Машиностроение.

16. Б.С. Мильман. Высококачественный чугун модифицированный, ГНТИМЛ, М., 1945 г.

17. Кушвинский завод прокатных валков, технологические инструкции к нормам вальцелитейного цеха, Металлургия, М., 1989 г.

18. В.А.Кузнецов. Высокопрочный чугун в судостроении, Л., 1956 г.

19. Технология литейного производства, повышения качества отливок модифицированием и микролегированием серого чугуна, НИИМАШ, М., 1968 г.

21. Рекомендации научно-технического совещания. Модификаторы и их применение для повышения свойств чугуна и стали, Свердловск, 1975 г.

22. Н. А.Воронова. Десульфуризация чугуна магнием. Металлургия. М., 1980 г.

23. Кристаллизация, структурообразование и свойства модифицированного чугуна, Сборник научных трудов АН УССР и Института проблем литья, Киев, 1989 г.

24. Е. Я.Гольдштейн. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали, Металлургия, М., 1986 г.

25. Г. Э.Сарджвеладзе Физико-химические свойства магнийсодержащих модификаторов, АН СССР, Уральское отделение, научные доклады. Свердловск, 1991 г.

Формула изобретения

Способ модифицирования чугуна магнием, включающий ввод магниевой лигатуры в расплав чугуна, при этом лигатуру помещают в герметически закрываемый сосуд, отличающийся тем, что герметически закрываемый сосуд с магниевой лигатурой предварительно нагревают до температуры 700-800°С.