способ получения высокопрочного чугуна

Формула изобретения

1. Способ получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна с содержанием серы выше 0,04%, включающий расплавление шихты в плавильном агрегате, доведение температуры расплава до 1420-1460°С, первичное модифицирование его лигатурой с содержанием редкоземельных металлов и кремния с получением в структуре чугуна вермикулярного графита на изломе контрольного образца и вторичное модифицирование, отличающийся тем, что лигатуру при первичном модифицировании равномерно подают на струю металла через дозатор при сливе металла в раздаточный ковш, а при вторичном модифицировании вместе с вторичной лигатурой в расплав чугуна вносят дополнительно первичную лигатуру в количестве до 0,5% от массы жидкого чугуна с укладкой их на дно ковша для получения чугуна с шаровидной формой графита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный оценочный расчет количества первичной лигатуры производят исходя из содержания серы в исходном чугуне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после первичного и вторичного модифицирования расплав чугуна выдерживают 4÷6 мин и 0,5÷1,0 мин соответственно для всплытия шлака, который снимают с поверхности жидкого чугуна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии и литейному производству в части способов получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна с содержанием серы свыше 0,04% и может быть использовано при массовом производстве отливок из высокопрочного чугуна с графитом вермикулярной и шаровидной формы.

Существующие способы получения высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом предполагают использование лигатур с различным содержанием редкоземельных металлов, кремния, магния, алюминия, и др. элементов в различных сочетаниях.

Одним из наиболее распространенных способов получения высокопрочного чугуна является способ, заключающийся в обработке жидкого металла лигатурой с содержанием редкоземельных металлов 30÷40%, кремния 40÷43%, алюминия 7,5÷8% в количестве 0,8÷2,5% от массы жидкого чугуна (см. Шумихин B.C., Кутузов В.П., Храмченков А.И. и др. Высококачественные чугуны для отливок - М.: Машиностроение, - 1982. - С.157-158) либо в обработке той же лигатурой в количестве 0,8÷1,5% от массы металла с вторичным модифицированием ферросилицием марки ФС75 в количестве 0,5÷0,8% от массы металла (см. «Литейное производство». - 1987. - №1 - C.5). Однако возможное перенасыщение чугуна редкоземельными металлами свыше 0,05÷0,06% или кремнием свыше 3,0÷3,5% приводит к изменениям в металлической матрице отливок и обусловливает резкое снижение механических свойств чугуна.

Другим способом получения высокопрочного чугуна является способ обработки жидкого металла лигатурой с содержанием редкоземельных металлов, кремния и магния в количестве 1,5÷1,8% от массы чугуна. При этом лигатура загружается на дно ковша перед его заполнением расплавом и присыпается стальной высечкой (см. «Литейное производство». - 1996. - №10, - С.19). Однако для реализации этого способа в качестве исходных требуются ниэкосернистые чугуны. Кроме того, присыпаемая стальная высечка резко снижает температуру обрабатываемого расплава, лигатура не растворяется и не реагирует с металлом, всплывает в шлак и легирующие элементы выгорают на воздухе. Таким образом, усвоение легирующих элементов составляет менее 50% (см. Шумихин B.C., Кутузов В.П., Храмченков А.И. и др. Высококачественные чугуны для отливок - М.: Машиностроение. - 1982. - С.150).

Широкое применение нашел способ внутриформенной обработки расплава лигатурой с содержанием редкоземельных металлов, кремния, магния в количестве 1,4÷1,6% от массы заливаемого в форму металла (см. «Литейное производство». - 1996. - №10 - С.18-19 и Чайкин В.А., Ишутин В.В., Чайкина Н.В. Сравнительный анализ качественных показателей высокопрочных чугунов, полученных различными способами. / Труды VII съезда литейщиков России - Новосибирск: Издательский Дом «Историческое наследие Сибири». - 2005. - С.76-77).

Указанный способ требует строгой сортировки металлической шихты по химическому составу для возможности расчета массы внутриформенной закладки лигатуры. Исходный чугун должен иметь содержание серы не более 0,02%, а лигатура должна иметь строго выдержанный химический состав.

Выпускаемые в РФ лигатуры с редкоземельными металлами характеризуются значительным диапазоном процентного содержания легирующих и сопутствующих элементов, что создает дополнительные трудности при достижении стабильности процесса получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по существующим способам. Кроме того, внутриформенное модифицирование необходимо проводить при температуре заливаемого в форму чугуна не ниже 1400°С, что в ряде случаев затруднительно из-за характеристик имеющегося плавильного оборудования, а также вызывает дополнительный риск получения брака деталей по ряду признаков (см. Чугун. Справочник под. ред. Шермана А.Д. и Жукова А.А. - М.: Металлургия, 1991. - С.290).

Достаточно устойчивым процессом является способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, включающий предварительное перемодифицирование исходного чугуна лигатурой с содержанием редкоземельных металлов 30%, кремния 43%, алюминия 8% и вторичное модифицирование той же лигатурой (см. описание к патенту РФ Na 2156809, МПК ⁷ С22 С37/04, опублик. 20.11.2000 г.). Однако производственный процесс по указанному патенту имеет положительные результаты при стабильном химическом составе лигатуры с содержанием редкоземельных металлов 30÷35% и кремния свыше 40%, что не соответствует качеству лигатур, выпускаемых в РФ в массовых количествах.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна, включающий расплавление шихты в плавильном агрегате, доводку температуры расплава до 1420-1480°С, первоначальное модифицирование его лигатурой, содержащей редкоземельные металлы и кремний и вторичное модифицирование, отличающийся тем, что первичное модифицирование проводят до появления эффекта перемодифицирования чугуна с последующим вторичным модифицированием лигатурой, содержащей редкоземельные металлы, магний и кремний, а количество лигатуры первоначального модифицирования определяют по появлению вермикулярного графита в чугуне в ходе добавления новых порций жидкого металла (см. описание к патенту РФ № 2188240, МПК⁷ С21С 1/10, С22С 37/04, опублик. 27.08.2002 г. - прототип). При этом все указанные в прототипе способы ввода лигатуры первичного модифицирования (наиболее дорогостоящего материала) предполагают достаточно низкую степень утилизации основных элементов лигатуры чугуном. В то же время достижение эффекта перемодифицирования при первичном модифицировании заведомо предполагает перерасход соответствующей лигатуры.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение стабильности процесса и минимизация затрат на получение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна с содержанием серы выше 0,04%, включающем расплавление шихты в плавильном агрегате, доводку температуры жидкого чугуна до 1420÷1460°С, первичное модифицирование лигатурой с содержанием редкоземельных металлов и кремния путем подачи ее в количестве 0,4-1,2% от массы жидкого чугуна с помощью дозатора на струю сливаемого металла, выдержку металла в раздаточном ковше с последующим снятием шлака и вторичное модифицирование, первичное модифицирование проводят до появления в отливаемых образцах структуры вермикулярного графита, выявляемой при изломе образца. Необходимое количество первичной лигатуры определяется в зависимости от содержания серы в исходном жидком чугуне.

Вторичное модифицирование проводят при температуре жидкого чугуна 1280÷1400°С лигатурой с содержанием редкоземельных металлов, магния, кремния в количестве 0,3÷1,0% от массы жидкого чугуна с укладкой лигатуры на дно заливочного ковша непосредственно перед сливом в него металла. При получении вермикулярного графита на изломе контрольного образца после первичного модифицирования, при вторичном модифицировании вместе с вторичной лигатурой в жидкий чугун вводится дополнительно первичная лигатура в количестве до 0,5% от массы расплава. Это позволяет гарантированно получать шаровидную форму графита в конечном чугуне без обязательного достижения эффекта перемодифицирования на первой стадии.

После первичного и вторичного модифицирования металл обязательно выдерживается 4+6 мин и 0,5+1,0 мин, соответственно, для всплытия шпака, который снимается с поверхности жидкого чугуна.

За счет высокой вариабельности предлагаемого способа настоящее изобретение позволяет управлять технологическим процессом в зависимости от исходных параметров сырья и материалов и тем самым устранить зависимость результатов от нестабильности качественного и химического состава шихты, а также химического состава и свойств используемой лигатуры.

Способ реализуется следующим образом.

Исходный чугун плавят в индукционной тигельной печи ИЧТ-6 с емкостью тигля по жидкому чугуну 6 тонн. После расплавления металл перегревают до 1420÷1460°С. Исходный чугун в среднем содержит углерода 3,75÷3,85%, кремния 1,8÷2,2%, марганца 0,4÷0,55%, хрома 0,1÷0,15%, фосфора 0,1÷0,12%, серы 0,041÷0,08%.

В зависимости от процентного содержания серы в исходном чугуне первичная лигатура вносится в количестве 0,4÷1,2% от массы жидкого чугуна. Первичная лигатура содержит 30÷40% редкоземельных металлов, 30÷35% кремния, 2÷5% алюминия. В силу заметной нестабильности химического состава и, следовательно, свойств лигатуры даже в объеме поставляемой партии расчетное количество вносимой лигатуры является ориентировочной величиной. Лигатура вносится в период слива чугуна из печи и подается непосредственно на струю сливаемого чугуна. Расчетное количество загружается в дозатор и подается на струю металла, что обеспечивает равномерное по объему металла и полное усвоение легирующих элементов.

Слитый в раздаточный ковш металл отстаивается в течение 4+6 мин для завершения реакции и всплытия шлака. Затем всплывший шлак снимается с поверхности жидкого чугуна, и отбирается проба для заливки образца.

При получении структуры вермикулярного графита на изломе образца металл порциями сливается в заливочные ковши. Вторичная лигатура вносится в количестве 0,3÷1,0% от массы металла на дно заливочного ковша непосредственно перед сливом в него металла с температурой 1280÷1400°С. Вторичная лигатура содержит 0,5÷1,0% редкоземельных металлов, 5,5÷6,5% магния, 45÷55% кремния, до 1,2% алюминия, 0,3÷0,5% кальция, до 0,3% хрома и до 0,2% титана. Вместе с вторичной лигатурой на дно разливочного ковша вносится дополнительно первичная лигатура в количестве до 0,5% от массы жидкого металла.

После проведения вторичного модифицирования металл отстаивается в течение 0,5÷1,0 мин, повторно снимается шлак и ковш подается к месту заливки форм.

В процессе слива первично промодифицированного металла из раздаточного ковша в заливочные ковши для контроля живучести первичной лигатуры и корректировки вносимого количества вторичной лигатуры не менее чем из трех заливочных ковшей отбираются пробы для заливки контрольных образцов до получения на изломе контрольного образца структуры высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Механические свойства и структура высокопрочного чугуна в процессе производства постоянно контролируются специалистами ЦЗЛ предприятия. Образцы для контроля механических свойств отливаются из каждого раздаточного ковша, результаты испытаний фиксируются.

Эксплуатационные свойства изготавливаемых по описанному способу изделия соответствуют характеристикам изделий из высококачественного высокопрочного чугуна.

Использование предлагаемого способа позволяет достигнуть практической стабильности процесса получения высокопрочного чугуна с графитом шаровидной и вермикулярной форм при снижении себестоимости за счет использования неоднородного чугунного лома в качестве шихты, а также минимизации брака по несоответствию требуемой марке чугуна.