Особенности плавки и заливки форм
Плавка чугуна осуществляется при высоких температурах и сопровождается сложными физико-химическими процессами взаимодействия расплава, флюсов, шлаков, печных и атмосферных газов, футеровки печи.
Методы плавки разнообразны. Выбор метода плавки и типа плавильного агрегата определяется составом и свойствами чугуна, объемом производства, массой отливок, требованиями к их качеству, технико-экономическими показателями процесса. В литейных цехах обычно чугун выплавляют в вагранках, индукционных и дуговых печах. Ниже рассмотрим плавку чугуна в каждой из них.
Плавка в вагранке
По конструктивным признакам вагранки классифицируются:
· по применяемому топливу - на коксовые, коксогазовые и газовые;
· по степени отчистки газов - на открытые, полузакрытые и закрытые;
· по подогреву дутья - на вагранки без подогрева (на холодном дутье) и с подогревом дутья.
Кроме того, вагранки могут иметь копильники, подогреваемые и без подогрева, а также работают с индукционными канальными миксерами.
Как шахтная печь, вагранка имеет высокие тепловой КПД и производительность, а также она проста по конструкции, что в значительной мере определяет до настоящего времен и ее конкурентоспособность среди чугуноплавильных агрегатов.
Вагранке присущи недостатки: трудности перегрева металла и производства чугуна повышенных марок, выделение в атмосферу большого количества вредных газов и пыли на открытых вагранках, значительные капитальные вложения в строительство газоочистных сооружений и повышенные расходы на эксплуатацию вагранок закрытого типа. В меньшей степени эти недостатки присущи газовой вагранке, в которой можно получать чугуны повышенных марок с низким содержанием углерода и серы. При этом на незначительно снижается объем выделяемых газов. В то же время эта вагранка обладает пониженной стойкостью футеровки, в ней трудно проводить регулирование содержания углерода и температуры, невозможно проводить термовременную выдержку для получения высококачественного чугуна. Чугун, выплавленный в газовой вагранке, может быть доведен до кондиции, если затем его подвергнуть термовременной обработке и доводке в индукционной печи.
Из-за низкой производительности и практически не применяемой очистки отходящих газов от пыли и токсичных газов вагранки производительностью до 5 т/ч на холодном дутье не могут конкурировать с более экологически чистыми плавильными средствами - индукционными и дуговыми электрическими печами.
Современные высокопроизводительные вагранки выполняются с системами газоочистки и дожигания отходящих ваграночных газов и имеют большую производительность. Такие вагранки, по существу, являются ваграночными комплексами, включающими в себя собственно вагранку (систему очистки газов от пыли и вредных газов, устройство для подогрева и подачи дутья), систему автоматического дозирования и загрузки шихтовых, материалов, системы автоматического управления и контроля за ходом плавки, а также вспомогательные устройства для грануляции жидкого шлака и уборки отходов после выбивки вагранки.
Конкурентоспособность таких комплексов связана с тем, что они работают с частичной заменой чушковых чугунов на металлолом.
Использование только вагранки для плавки чугуна не может обеспечить получение качественного чугуна для отливок из-за значительных колебаний химического состава чугуна по углероду (0,06 – 0,14 %), кремнию (0,14 -0,20 %), хрому (0,015 – 0,05 %) и марганцу (0,04- 0,07 %). Такие колебания в химическом составе наряду с влиянием других технологических факторов обусловливают значительный разброс показателей механических свойств, отливок. Это и вынуждает для обеспечения стабильных и высоких свойств отливок использовать дуплекс-процессы, стабилизирующие химический состав металла.
Плавка в дуговой печи
Дуговые печи имеют высокий КПД в период плавления (60 - 70 %), но сравнительно небольшой при перегреве металла (доводке) (26 %). Дуговые печи отличаются эксплуатационной надежностью. В них можно расплавлять разнообразную шихту как по габаритам, так и по составу, в том числе загрязненную мусором, что затруднительно осуществлять в ваграночной плавке. В дуговых печах можно проводить рафинирование металла и получать расплав для специального чугуна. В шихту дуговой плавки с чушковым чугуном и возвратом можно использовать значительное количество стального лома, а для получения требуемого содержания углерода в плавку вводится карбюризатор в виде электродного боя, пекококсовой мелочи и графита. Для обеспечения экономической эффективности дуговой плавки в ней целесообразно использовать до 18 % чугунной и стальной стружки. Технология ведения плавки чугуна в электродуговых печах несколько проще, чем технология плавки стали. Однако плавка в дуговых печах сопровождается значительным угаром углерода (5 – 10 %), который возрастает с увеличением расхода карбюризатора. Отмечается значительный угар марганца – 15 - 20 % в печах с кислой футеровкой и 10-15 % в печах с основной футеровкой.
Плавка в дуговых печах связана со значительным воздействием на окружающую среду и обслуживающий персонал. Электродуговые печи выделяют большое количество тепла, газа и пыли, а также отличаются повышенным уровнем шума в период расплавления шихты. Кроме того, наблюдается повышенное газонасыщение металла водородом и азотом из-за высоких температур и ионизации газов в районе горения дуг. Расплав в дуговых печах перемешивается слабо, что может сказаться на неравномерности химического состава получаемого металла.
Плавка в индукционной печи
Более экономичным следует считать моно- или дуплекс-процессы выплавки чугуна в индукционных печах.
Доля специального чугуна, выплавляемого в индукционных тигельных печах, растет весьма значительно. Такая тенденция связана с очевидными достоинствами этих плавильных агрегатов. Выплавка чугуна в них связана с минимальными угарами элементов в процессе плавки, она обеспечивает получение качественного жидкою металла и высоких механических свойств отливок, позволяет использовать в шихте стальной лом и карбюризатор вместо литейных чушковых чугунов и дефицитного кокса. Индукционные печи меньше всего загрязняют окружающую среду как тепловыми, так и пылегазовыми выделениями. Они имеют достаточно высокий КПД, особенно при перегреве и доводке чугуна. Высокий КПД в процессе расплавления шихты достигается за счет частичного опорожнения печи, так называемая плавка с «болотом», когда из печи сливается примерно одна треть жидкого металла, а на оставшуюся жидкую ванну присаживают твердую завалку. Индукционные печи поддаются автоматизации в связи с тем, что в них хорошо регулируются энергетический и материальный балансы плавки. Индукционные печи часто оборудуются системой автоматического взвешивания шихты.
Не лишены индукционные печи для чугуна и определенных недостатков: повышенный расход электроэнергии на плавку, более высокие капитальные затраты на строительство плавильного участка и большие потребности в площадях, ограничение подводимой удельной мощности на печах промышленной частоты из-за возможных выбросов металла за счет электромагнитных сил, периодичность выпуска металла на заливку форм.
Технология выплавки чугуна в индукционной печи достаточна проста и сводится к загрузке шихты, расплавлению, доводке и термовременной выдержке металла и последующего выпуска
Интенсификация плавки чугуна в индукционных печах связана с предварительным подогревом металлошихты за счет газовых горелок, что ведет к сокращению расхода электроэнергии на плавку и, следовательно, к сокращению длительности плавки; с применением кислородных горелок, устанавливаемых над ванной индукционной печи; с применением крышек под горловиной печи; с установлением оптимальной массы остатка жидкого металла в печи.
Наряду с индукционными тигельными печами для плавки чугуна применяют индукционные канальные печи барабанного типа. Такие печи имеют хорошие теплотехнические, электротехнические показатели (КПД 83-85 % и cos j близок к 1). Подводимая мощность, а следовательно, производительность этих печей в 2 раза больше, чем у тигельных печей той же емкости. Канальные индукционные печи чаще всего используются в качестве вторичных агрегатов дуплекс-процесса – миксеров.
Индукционные печи, в том числе и канальные, имеют значительно меньшие металлургические возможности из-за присутствия в печи холодного шлака, нагреваемого за счет жидкого металла.
Производительность печи ИЧКМ изменяется в очень широких пределах от 7 до 116 т/ч при. В то же время удельная мощность канальных печей снижается с увеличением их вместимости, а расход электроэнергии находится в пределах 35-40 кВт ч/т.
Плавка чугуна дуплекс-процессами
Как отмечалось выше, в современной практике для получения чугуна высокого качества используются и широко распространены дуплекс-процессы.
Ваграночный чугун по своим свойствам все меньше удовлетворяет повышенным требованиям, предъявляемым к металлу и отливкам, поэтому для улучшения его свойств в отечественной и зарубежной практике все шире используются дуплекс-процессы, связанные с получением жидкого чугуна в вагранках и последующей его доводкой и перегревом в электрических печах. При этом достигаются высокая производительность, хорошее качество и низкие энергетические затраты на процессы. Здесь возможно применение дуплекс-процессов: вагранка - дуговая электропечь, вагранка - индукционная тигельная печь и вагранка - индукционный канальный миксер.
Дуплекс-процесс дуговая электрическая печь - дуговая электрическая. Такой дуплекс-процесс позволяет получать любые марки чугунов хорошего качества.
Дуплекс-процесс дуговая электропечь - индукционный канальный миксер или индукционная тигельная печь применяют в современных литейных цехах большой мощности; в качестве первичного агрегата для выплавки чугуна используют дуговые электропечи большой вместимости (26 - 30 т), на которых установлены трансформаторы высокой удельной мощности. В качестве вторичного агрегата используют индукционные печи - канальный миксер для усреднения химического составе и корректировки температуры металла или индукционную тигельную печь для корректировки состава металла, ввода легирующих с целью получения чугунов различных марок. Такая схема дуплекс-процесса обеспечивает расход электроэнергии примерно на 16-20 % ниже по сравнению с плавкой в одной индукционной печи промышленной частоты. При этом в качестве шихты для плавки в дуговой печи можно использовать низкосортные металлические отходы, что тоже улучшает экономические показатели процесса.
Применение в качестве вторичного агрегата индукционной тигельной печи расширяет металлургические возможности воздействия на расплав аналогично дуплекс-процессу вагранка - индукционная тигельная печь. Экономически более выгодным можно признать использование в качестве вторичного агрегата индукционного тигельного миксера, который имеет меньшую мощность трансформатора, что приводит к уменьшению кабальных затрат. В этих миксерах можно производить коррекцию химического состава чугуна и производить подогрев металла.
В качестве шихты для плавки специальных чугунов используют стальной лом, возврат, передельный чугун, науглероживающие присадки, а для легирования и модифицирования - чистые металлы и ферросплавы: медь, никель, сурьму, алюминий, ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферромолибден и др.
Литейные чугуны в зависимости от марки содержат 1,2 - 3,6 % Si. Чугун каждой марки может поставляться 4 групп, отличающихся содержанием марганца, 5 классов - по содержанию фосфора, 4 категорий - по содержанию серы (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Марки и химический состав литейных чугунов (ГОСТ 4832-80)
| Марка чугуна | Содержание элементов, % | ||||
| Si | для групп | ||||
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | ||
| Л1 Л2 Л3 Л4 Л5 Л6 | св.3,2 до 3,6 св.2,8 до 3,2 св.2,4 до 2,8 св.2,0 до 2,4 св.1,6 до 2,0 св.1,2 до 1,6 | до 0,3 | св. 0,3 до 0,5 | св. 0,5 до 0,9 | св. 0,9 до 1,5 |
Окончание табл. 8.1
| Марка чугуна | Содержание элементов, % | ||||||||
| P для классов | S для категорий | ||||||||
| А | Б | В | Г | Д | |||||
| Л1 Л2 Л3 Л4 Л5 Л6 | 0,08 | 0,12 | 0,3 | св. 0,3 до 0,7 | св. 0,7 до 1,2 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 |
Передельные чушковые чугуны (ПЛ) для литейного производства отличаются прежде всего низким содержанием кремния (менее 1,2 %), а также пониженным, по сравнению с обычными передельными чугунами, содержанием фосфора (табл. 8.2).
Ферросплавы и лигатуры для легирования чугуна приведены в табл. 8.3.
При выплавке специальных чугунов в электропечах с использованием в шихте большого количества стальных отходов и ферросплавов науглероживание расплава производят добавкой в шихту углеродосодержащих материалов – карбюризаторов (табл. 8.4).
Главной особенностью плавки легированного чугуна является введение легирующих элементов, имеющих различную способность к окислению, что характеризуется сравнительными данными DG реакции окисления вводимых элементов по сравнению с DG реакции окисления железа. Такое сравнение для условий окисления кислородом показывает, что меньшую, чем у Fe, склонность к окислению имеют Ni, Co, Си, а все остальные элементы окисляются более активно, особенно Ti, Al, Ca, Mg, V, Nb.
Таблица 8.2
Марки и химический состав передельных чугунов для литейного производства (ГОСТ 805-80)
| Марка чугуна | Содержание элементов, % | ||||
| Si | Mn для групп | ||||
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | ||
| ПЛ1 | св.0,8 до 1,2 | до 0,3 | св.0,3 до 0,5 | св.0,5 до 0,9 | св.0,9 до 1,5 |
| ПЛ2 | св.0,5 до 0,8 | до 0,3 | св.0,3 до 0,5 | св.0,5 до 0,9 | св.0,9 до 1,5 |
Окончание табл. 8.2
| Марка чугуна | Содержание элементов, % | |||||||
| Р (не более) для классов | S (не более) для категорий | |||||||
| А | Б | В | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | |
| ПЛ1 | 0,08 | 0,12 | 0,3 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 |
| ПЛ2 | 0,08 | 0,12 |
Таблица 8.3
| Материал | Содержание элементов, % | |||||
| Углерод | Кремний | Фосфор | Сера | Основной элемент | Другие элементы | |
| не более | ||||||
| Ферросилиций (ГОСТ 1415-78) | ||||||
| ФС90 | 0,1 | - | 0,3 | 0,02 | 87-95 | Al£3,5; Mn£0,3 |
| ФС75 | 0,1 | - | 0,04-0,05 | 0,02 | 74-80 | Al£3,0; Mn£0,4 |
| ФС70 | 0,1 | - | 0,04 | 0,02 | - | - |
| ФС65 | 0,1 | - | 0,05 | 0,02 | 65-68 | Al£2,5; Mn£0,4 |
| ФС45 | 0,2 | - | 0,05 | 0,02 | 41-47 | Al£2,0; Mn£1,0 |
| ФС20 | 0,1 | - | 0,10 | 0,02 | 19-23 | Al£1,0; Mn£1,0 |
| Ферромарганец (ГОСТ 4755-91 | ||||||
| ФМн90 | 0,5 | 1,8 | 0,05-0,30 | 0,02 | 85-95 | - |
| ФМн88 | 2,0 | 3,0 | 0,10-0,40 | 0,02 | 85-95 | - |
| ФМн78 | 7,0 | 6,0 | 0,05-0,70 | 0,02 | 75-82 | - |
| ФМн70 | 7,0 | 6,0 | 0,30-0,70 | 0,02 | 65-75 | - |
| Феррохром (ГОСТ 4757-91) | ||||||
| ФХ001А | 0,01 | 0,8 | 0,02 | 0,02 | >68 | Al<0,2 |
| ФХ100А | 1,0 | 2,0 | 0,03 | 0,02 | >65 | - |
| ФХ650А | 6,5 | 2,0 | 0,05 | 0,06 | >65 | - |
| ФХ800Б | 8,0 | 2,0 | 0,05 | 0,08 | >65 | N>4,0 |
| ФХН100А | 0,06 | 1,0 | 0,02 | 0,02 | >65 | Al<0,2 |
| ФХН400А | 0,06 | 1,0 | 0,03 | 0,04 | >65 | N>4,0 |
| ФХН600А | 0,03 | 1,0 | 0,04 | 0,04 | >60 | N>6,0 |
| Ферромолибден (ГОСТ 4759-91) | ||||||
| ФМо58 | 0,08 | 7,0 | 0,06 | 0,12 | - | |
| ФМо55 | 0,10 | 1,5 | 0,10 | 0,15 | - | |
| ФМо50 | 0,50 | 5,0 | 0,10 | 0,20 | - | |
| Силикомарганец (ГОСТ 4756-91) | ||||||
| МнС27 | 0,2 | 26,0-32,0 | 0,05 | 0,03 | - | |
| МнС17 | 2,5 | 14,0-16,9 | 0,10-0,35 | 0,03 | - | |
| МнС12 | 3,5 | 14,0-16,9 | 0,20-0,35 | 0,03 | - | |
| Ферротитан (ГОСТ 4761-91) | ||||||
| ФТи70С05 | 0,2 | 0,5 | 0,05 | 0,05 | - | |
| ФТи35С5 | 0,2 | 5,0 | 0,04 | 0,04 | 28-40 | Al 8,0; Cu 2,0 |
| ФТи25 | 1,0 | 5,0-30 | 0,08 | 0,03 | 20-30 | Al 5,0-25,0 |
| Ферровольфрам (ГОСТ 17293-82) | ||||||
| ФВ80а | 0,10 | 0,8 | 0,03 | 0,02 | Мо<6,0; Al<3,0 | |
| ФВ70а | 0,20 | 2,0 | 0,06 | 0,06 | Мо<7,0; Al<6,0 | |
| ФВ70 | 0,5 | 0,8 | 0,06 | 0,10 | Мо<2,0 | |
| ФВ65 | 0,7 | 1,2 | 0,1 | 0,15 | Мо<6,0 | |
| Алюминий (ГОСТ 295-79) | ||||||
| АВ97 | S примесей Cu, Zn, Mg, Si, Pb, Sb, неболее 3,0-13,0 | >97 | S примесей неболее 3,0-13,0 | |||
| АВ86 | S примесей Cu, Zn, Mg, Si, Pb, Sb, неболее 3,0-13,0 | >87 | S примесей неболее 3,0-13,0 |
Окончание табл. 8.3
| Материал | Содержание элементов, % | Другие элементы | ||||
| Углерод | Кремний | Фосфор | Сера | Основной элемент | ||
| не более | ||||||
| Никель и никелевые сплавы (ГОСТ 492-73) | ||||||
| НП1 | 0,01 | 0,03 | - | - | 99,1 | - |
| НПА11 | - | - | - | - | 99,4 | S примесей<0,6 |
| НМц1 | - | - | - | - | 98,5 | Mn 0,5-1,0 |
| НК0,2 | - | 0,15-0,25 | - | - | 99,4 | - |
| Медь (ГОСТ 859-78) | ||||||
| МВЧк | - | - | 0,0005 | 0,002 | 99,993 | - |
| М00к | - | - | 0,0005 | 0,002 | 99,99 | - |
| М1 | - | - | - | 0,045 | 99,9 | - |
| М2 | - | - | - | 0,01 | 99,1 | - |
| Феррофосфор (ТУ 14-5-72-80) | ||||||
| ФФ14 | - | 2,0 | 14,0 | 0,5 | - | - |
| Сурьма (ГОСТ 1089-82) | ||||||
| СУ1 | - | - | - | 0,10 | 99,4 | - |
| СУ2 | - | - | - | 0,10 | 89,8 | - |
| Феррованадий (ГОСТ 27139-86) | ||||||
| ВД1 | 0,75 | 2,0 | 0,10 | 0,10 | - | |
| ВД2 | 0,75 | 3,0 | 0,20 | 0,10 | - | |
| ВД3 | 1,0 | 3,5 | 0,25 | 0,10 | - | |
| Феррониобий (ГОСТ 16773-91) | ||||||
| ФН660 | - | 1,5 | 0,10 | 0,03 | 55,0-65,0 | Al<3,0; Ta<1,0; Ti<1,0 |
| ФН6158 | 0,10 | 1,5 | 0,15 | 0,05 | 50,0-65,0 | Al<6,0; Ta<1,0; Ti<1,0 |
| Силикокальций (ГОСТ 4762-85) | ||||||
| СК10 | 0,2 | 0,02 | - | >10,0 | Fe>25; Al 1,0 | |
| СК15 | 0,2 | 0,02 | - | >15,0 | Fe>20; Al 1,0 | |
| СК30 | 0,5 | <50 | 0,02 | - | >30,0 | Fe<6,0; Al 2,0 |
| Ферросиликохром (ГОСТ 11861-91) | ||||||
| ФСХ20 | 4,5 | 16,0-23,0 | 0,04 | 0,02 | - | |
| ФСХ33 | 0,9 | 30,0-37,0 | 0,005 | 0,02 | - |
Таблица 8.4
Карбюризаторы
| Карбюризатор | Массовая доля примесей, % | Влажность, % | Усвоение углерода, % | |
| летучие | зола | |||
| Электродный бой | - | 1,0-1,5 | до 0,5 | 90-95 |
| Электродный порошок | 1,0-3,0 | 1,0-3,0 | 2,0-4,0 | 90-95 |
| Графитированный коксик | до 0,1 | 8,0-10,0 | 3,0-5,0 | |
| Графит: серебристый черный тигельный бой древесный уголь | 1,0-2,0 2,0-4,0 1,0-2,0 5,0-10,0 | 6,0-10,0 12,0-16,0 2,0-5,0 1,0-2,0 | до 1,0 до 1,0 до 1,0 5,0-10,0 | 75-80 80-85 |
| Кокс: литейный металлургический сланцевый термоантрацит уголь донецкий | 2,0-4,0 2,0-4,0 4,0-8,0 1,0-3,0 20,0-30,0 | 10,0-15,0 10,0-15,0 3,0-5,0 5,0-10,0 15,0-20,0 | 4,0-6,0 4,0-6,0 2,0-4,0 3,0-6,0 3,0-6,0 | 75-80 |
Низколегированные чугуны можно получить как в вагранках, так и в электропечах. При этом возможны два метода введения легирующих элементов: путем шихтовки природнолегированными чугунами и путем добавки ферросплавов. В табл. 8.5 приведены основные рекомендации по введению легирующих элементов при плавке легированных чугунов.
Низколегированные чугуны, содержащие хром и никель, обычно получают, используя природно-легированные чушковые чугуны марки. Титан и медь в низколегированные чугуны вводятся с природно-легированными чугунами.
Плавка высоколегированных чугунов имеет ряд особенностей, и во всех случаях ее целесообразно производить в электропечах с основной футеровкой.
Весьма эффективно применение молотого хромомагнезитового кирпича, бывшего в употреблении. По данным Брянского завода ирригационных машин, стойкость футеровки, полученной путем размола прокаленного кирпича, повышается на 25 - 30 % по сравнению с выполненной из порошкового магнезита. Кроме того, в этом случае резко снижается угар хрома. Кирпичи предварительно разбивают на куски 30 - 50 мм, а затем размалывают в специальных бегунах емкостью 50 - 70 кг.
Традиционный ввод ферросплавов вместе с электродным боем на дно печи приводит к значительному окислению легирующих элементов при плавке. В процессе 1,5 - часовой плавки угар элементов по хрому составляет 12 - 15, по ванадию 10, по молибдену 12 и по углероду 20 - 25 %. При получении чугуна в кислой индукционной печи ИСТ-0,4 70 % электродного боя вводили в виде гранул размером 15 мм, остальные 30 % ступенчато — по 10 % в период нагрева металла. Это позволило сократить угар углерода до 10 % и предотвратить переход в расплав кремния из футеровки (повышение содержания кремния в белых хромистых чугунах до 1,0 - 1,1 % вызывает снижение прочности, твердости и износостойкости). Для ускорения плавки размер кусков ферросплавов не должен превышать 50 мм.
При плавке не рекомендуется перегревать металл выше 1500° С, так как в противном случае отливки из белого чугуна получаются со сквозной транскристаллизацией и с грубой крупнозернистой структурой. Особенно склонны к транскристаллизации чугуны с высоким содержанием хрома (около 30 %) при 2,5 - 3,0 % Мn. Модифицирование белых чугунов различными присадками, содержащими Ti, Zr, Nb, B, лантаноиды, способствует измельчению первичной структуры отливок. Азот добавляют в виде азотированных феррохрома, феррованадия, ферромарганца. Однако его высокое содержание приводит к дефектам газового происхождения. Кроме того, необходимо учитывать стабилизацию аустенитной фазы в легированных чугунах под влиянием азота.
Отрицательно влияют на механические свойства отливок оксиды железа в шихте (например, ржавчина) и оксиды, образующиеся при газовой резке отходов на мерные куски. В этом случае шихту необходимо очищать в галтовочных барабанах. Поэтому в качестве стальной шихты лучше применять неокисленную высечку - отходы штамповки или обрезь листового и сортового проката. Применение однородных шихтовых материалов исключает колебания химического состава по углероду и другим элементам.
При выплавке хромистых чугунов расплав загрязняется пленами типа FeCr2O4, поэтому его необходимо раскислять. Наиболее полное раскисление достигается присадкой на дно ковша алюминия в расчете 0,2 – 1,0 кг на тонну расплава или лигатуры ФЦМ-6, которая способствует адсорбированию плен Сг2О3 включениями сульфидов сложного состава и оксидами церия и магния с переводом их в шлак. Оптимальная добавка лигатуры составляет 0,4 - 0,5 %. Процесс сопровождается газовыделением, поэтому его следует проводить при наличии хорошей вытяжной вентиляции. Помогает избежать попадания плен в отливки установка в литниковой системе огнеупорной сетки с размером ячеек 2 - 3 мм.
Ухудшает свойства отливок из хромистых чугунов наличие в их структуре первичных карбидов. Одним из источников первичных заэвтектических карбидов является высокоуглеродистый феррохром, используемый для выплавки таких чугунов. Поступающие в расплав из него крупные карбиды хрома не успевают раствориться в процессе плавки чугуна и остаются в структуре отливок после их затвердевания. В табл. 8.5 представлены экспериментальные данные, показывающие целесообразность использования при выплавки хромистых чугунов низкоуглеродистых марок феррохрома.
Таблица 8.5
Влияние марок феррохрома при выплавке белого чугуна ИЧ280Х25ГНТД на его износостойкость
| № п/п | Марка феррохрома | Количество первичных карбидов, % | Общее количество карбидов, % | Твердость HRC | Kи |
| ФХ025 | 2,6 | 35,0 | 9,0 | ||
| ФХ100 | 4,7 | 34,0 | 7,3 | ||
| ФХ650 | 13,7 | 35,0 | 6,8 | ||
| ФХ800 | 15,8 | 35,0 | 6,3 | ||
| ФХ025 + ФХ650 (50%) (50%) | 6,1 | 34,0 | 8,2 | ||
| ФХ025 + ФХ850 (50%) (50%) | 8,3 | 35,0 | 8,0 |
Однако использование феррохрома с низким содержанием углерода не всегда может быть экономически оправдано. В таком случае можно применять феррохром двух марок – низкоуглеродистый и высокоуглеродистый. При использовании для приготовления белого чугуна высокоуглеродистых марок феррохрома ФХ650 и ФХ800 можно рекомендовать для улучшения свойств гомогенизирующую выдержку расплава при температуре 1500–1550°С в течение 5–15 мин. Это также снижает количество первичных карбидов и повышает износостойкость.
В табл. 8.6 показано влияние температуры и времени выдержки на количество первичных карбидов, твердость и износостойкость чугуна ИЧ280Х25ГНТД при использовании в шихте для плавки феррохрома марки ФХ800.
Немаловажным фактором в формировании структуры и свойств отливок является температура заливки чугуна в формы. Она должна быть оптимальной, не более20 – 50 °С выше температуры ликвидус и зависит от конфигурации и массы отливок.
Немаловажным фактором в формировании структуры и свойств отливок является температура заливки чугуна в формы. Она должна быть оптимальной, не более20 – 50 °С выше температуры ликвидус и зависит от конфигурации и массы отливок.
Таблица 8.6
Влияние гомогенизирующей выдержки при выплавке
на износостойкость белого чугуна ИЧ280Х25ГНТД
| № п/п | Температура, °С | Время выдержки, мин. | Кол-во первичных карбидов, % | Твердость HRC | Kи |
| 10,4 | 53,0 | 6,9 | |||
| 9,6 | 55,0 | 7,4 | |||
| 8,0 | 55,0 | 8,0 | |||
| 4,0 | 57,0 | 8,4 | |||
| 3,4 | 59,0 | 9,0 | |||
| 3,0 | 58,0 | 9,0 | |||
| 3,0 | 58,0 | 8,9 | |||
| 3,0 | 59,0 | 9,1 | |||
| 2,6 | 59,0 | 9,5 |
Увеличение температуры заливки сверх оптимальной приводит к появлению зоны столбчатых кристаллитов, огрублению структуры и нежелательной морфологии карбидов. Карбиды выделяются крупными, разветвленных форм и неравномерно распределяются в структуре. Появляются участки оголенной матрицы. Это снижает свойства отливок (табл. 8.7).
Таблица 8.7
Влияние температуры заливки на износостойкость
белого чугуна ИЧ280Х25ГНТД
| Свойство | Температура заливки, °С | |||||||
| Kи | 8,9 | 8,8 | 8,5 | 8,5 | 7,6 | 7,1 | 7,0 | 7,0 |
| HRC |
Кроме этого, высокие температуры заливки способствуют образованию пригара, в ряде случаев трудноудалимого, и трещин.
Скорость охлаждения – наиболее существенный фактор, определяющий характеристики первичной литой структуры белых износостойких чугунов. Определяя переохлаждение, при котором начинается кристаллизация, скорость охлаждения отливки меняет кристаллизационные параметры – скорость образования центров и линейную скорость роста кристаллов. Скорость охлаждения отливки определяется главным образом приведенной толщиной отливки, типом литейной формы, температурой заливки и неодинакова на поверхности и в центре отливки, особенно массивной. Номенклатура отливок из износостойких высокохромистых чугунов по массе и толщине стенок достаточно широка. Соответственно широк и диапазон скоростей охлаждения реальных отливок в интервале кристаллизации. Он составляет 0,5–200 °С/мин. Вследствие этого могут существенно меняться структура и свойства одного и того же состава чугуна при изготовлении из него различных отливок. Знание характера изменения этих свойств позволяет управлять конечной литой структурой сплавов и прогнозировать их свойства.
Влияние толщины стенки на свойства отливок из износостойких чугунов, залитых в песчано-глинистые формы и чугунные кокили, представлено в табл. 8.8 и на рис. 8.1.
Увеличение толщины стенки отливки (снижение скорости охлаждения) приводит не только к укрупнению карбидов, но и к увеличению дендритов первичного аустенита и расстояния между карбидами в эвтектике. Это снижает свойства чугунов.
При анализе изменения свойств в зависимости от скорости охлаждения было установлено, что для небольших толщин отливок (до 30 мм) разница в свойствах и структуре невелика как для песчано-глинистых форм, так и для кокиля. При толщине отливки 10 мм и в том, и другом случае структура представляет собой мартенситную или мартенситно-трооститную матрицу с раздробленными карбидами М7С3 и МС небольших размеров.
Рис. 8.1. Влияние приведенного размера отливки и типа литейной формы на абразивную износостойкость, твердость и размер карбидов белых чугунов
Увеличение толщины стенки приводит к снижению скорости охлаждения отливки и изменению строения металлической матрицы и карбидов, что особенно характерно при литье в песчано-глинистые формы. В структуре появляется остаточный аустенит, и его доля тем больше, чем массивнее отливка. Укрупняются, причем резко при толщине стенки 50 и более миллиметров, карбиды, переходя в веерообразную форму. Образуются участки оголенной матрицы. Свойства снижаются.
Кроме этого, для отливок с толщиной стенки более 50 мм характерно существенное различие в дисперсности литой структуры на поверхности и в центре, где структура более грубая. Но это менее заметно сказывается на износостойкости, так как интенсивному износу подвергаются поверхностные слои отливок.
Таблица 8.8
Влияние толщины стенки отливки и типа литейной формы
на износостойкость, твердость и средний размер карбидов
| Чугун | Габаритные размеры отливки, мм | Приведенный размер отливки, мм | Тип формы | Kи | HRC | Средний размер карбидов, мкм |
| ИЧ300Х24МФДР | 35´35´10 | 3,18 | ПГФ | 9,14 | 5,10 | |
| 35´35´10 | 3,18 | кокиль | 11,31 | 3,62 | ||
| 35´35´20 | 4,70 | ПГФ | 9,17 | 5,21 | ||
| 35´35´30 | 5,50 | ПГФ | 8,51 | 6,04 | ||
| 35´35´30 | 5,50 | кокиль | 11,00 | 3,83 | ||
| 35´35´35 | 5,83 | ПГФ | 8,19 | 5,41 | ||
| 70´70´10 | 3,90 | ПГФ | 9,10 | 5,35 | ||
| 70´70´10 | 3,90 | кокиль | 11,03 | 4,00 | ||
| 70´70´20 | 6,40 | ПГФ | 8,01 | 5,50 | ||
| 70´70´30 | 8,08 | ПГФ | 7,69 | 5,91 | ||
| 70´70´30 | 8,08 | кокиль | 10,41 | 4,42 | ||
| 70´70´50 | 10,30 | ПГФ | 7,22 | 8,20 | ||
| 70´70´70 | 11,70 | ПГФ | 7,00 | 11,60 | ||
| ИЧ280Х25ГНТД | 35´35´10 | 3,18 | ПГФ | 8,79 | 5,51 | |
| 35´35´10 | 3,18 | кокиль | 10,12 | 3,70 | ||
| 35´35´20 | 4,70 | ПГФ | 8,31 | 5,54 | ||
| 35´35´30 | 5,50 | ПГФ | 8,00 | 5,80 | ||
| 35´35´30 | 5,50 | кокиль | 9,87 | 4,00 | ||
| 35´35´35 | 5,83 | ПГФ | 7,74 | 5,82 | ||
| 70´70´10 | 3,90 | ПГФ | 8,47 | 5,70 | ||
| 70´70´10 | 3,90 | кокиль | 9,94 | 4,31 | ||
| 70´70´20 | 6,40 | ПГФ | 7,65 | 6,00 | ||
| 70´70´30 | 8,08 | ПГФ | 7,04 | 6,33 | ||
| 70´70´30 | 8,08 | кокиль | 9,38 | 4,80 | ||
| 70´70´50 | 10,30 | ПГФ | 6,47 | 9,20 | ||
| 70´70´70 | 11,70 | ПГФ | 5,81 | 12,40 |
Раскисление ферросилицием и ферротитаном приводит к загрязнению жидкого чугуна силикатами сложного состава, карбонитридами и карбо-сульфонитридами титана, что подтверждается данными рентгеноспектрального локального анализа. При раскисление ферротитаном, содержащим до 10 % Аl и 7 % Si, образуются также плохо удаляющиеся в шлак включения алюмосиликатов.
Легированный белый чугун для отливок можно получать путем ввода добавок в доменный чугун. Это существенно снижает себестоимость изготовления литья при требуемом его качестве.
Разливочные ковши должны быть тщательно просушены, а затем подогреты до 600 - 700 °С, что позволяет снижать температуру перегрева металла в печи. Кроме того, более плавный прогрев ковшей повышает срок службы футеровки, которая при таком режиме эксплуатации меньше растрескивается.