CC BY
47
УДК 621.19
В.Е. Овсянников, канд. техн. наук, (3522-56-10-33), pa.nz12@rambler.ru (Россия, Курган, КГУ),
В.А. Фролов, канд. техн. наук, (3522-41-10-12), у1к9 800@yandex.ru (Россия, Курган, КГУ),
Ю.Г. Гуревич, д-р техн. наук, проф., (3522-41-10-12), ygg@rambler.ru (Россия, Курган, КГУ)
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОГО ПОРОШКА
Рассмотрены теоретическое обоснование и вопросы практической реализации новой технологии изготовления стального порошка на основе диффузионного окисления порошка серого чугуна при взаимодействии с железной окалиной при нагреве.
Ключевые слова: окалина, стальной порошок, чугун, диффузионное окисление.
Стальной порошок широко используется в порошковой металлургии, однако традиционные методы его получения [1] достаточно сложные в своей технической реализации, т.к. они основаны на использовании печей со специальной атмосферой (отжиг порошка производится в среде водорода), кроме того, процесс отжига порошка занимает значительное время. Широко известно то, что проблема переработки стружки является довольно существенной в практике машиностроения, и имеющиеся на сегодняшний день технические решения в данной области зачастую экономически нерентабельны.
Целью настоящей работы является разработка простой, надежной и экономически эффективной технологии изготовления стального порошка, основанной на применении отходов металлообрабатывающей промышленности.
В работе [2] было установлено, что содержащая кислород сталь при нагреве без доступа воздуха склонна к сильному поверхностному обезуглероживанию, причем в процессе обезуглероживания большое участие принимает кислород, входящий в состав включений ^еО). Исходя из этого, было сделано предположение, что в случае нагрева порошка чугуна в контакте с железной окалиной будет происходить окисление углерода, марганца и кремния, входящего в состав основы чугуна.
С целью теоретического обоснования возможности осуществления процесса был произведен термодинамический анализ взаимодействия элементов основы чугуна с железной окалиной. В системе должны протекать следующие реакции:
^]т + 2FeOт = SiO2т + 2Feт, (1)
^еО)т + [Мп]т = Feт + (МпО)т, (2)
FeOт + [С]т = Feт + СОг. (3)
166
Выражения для определения значений констант равновесия для реакций (1) - (3) имеют вид [3]
18К1 = \yT_2 _ 2,317, (4)
18 K 2 = 6^ - 0,496, (5)
1В K 3 =- + 7,849. (6)
Результаты расчета термодинамической вероятности окисления элементов основы чугуна в контакте с железной окалиной при температурах 1173... 1373 К приведены в табл. 1.
Таблица 1
Термодинамическая вероятность окисления элементов основы чугуна
№ реакции Т, К 18 K ДG, Дж/моль
1 1173 14,416 -3.23105
1273 13,102 -3.19105
1373 11,979 -3.15105
2 1173 4,934 -1.11105
1273 4,507 -1.09105
1373 4,143 -1.08105
3 1173 1,236 -2.77-104
1273 1,755 -4.27104
1373 2,199 -5.77-104
Как можно видеть из табл. 1, значения энергии Гиббса (ДG) имеют большие отрицательные показатели для всех рассматриваемых реакций в заданном диапазоне температур.
Полученные данные были проверены экспериментально. Для экспериментов был использован порошок серого чугуна СЧ20 (химический состав чугуна, %: С-3,6; Si-2,2; Мп-0,7; S-0,12; Р-0,15). Исходный порошок был получен измельчением чугунной стружки, полученной в производственных условиях в шаровой мельнице и предварительным отжигом в течение 30 мин с целью удаления смазочно-охлаждающей жидкости.
Порошки окалины и серого чугуна с размерами частиц 8ср < 0,063 мм в течение 15 мин смешивались в шаровой мельнице, помещались в контейнер и нагревались до температур 1173.1373 К. Содержание углерода, марганца и кремния в сплаве после выдержки 4 и 8 часов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Содержание углерода, марганца, кремния в сплаве
Т, К т, ч С% Мп% Si%
1173 8 0,137 0,18 1,9
1273 4 0,100 - -
1273 8 0,022 0,12 1,5
1373 4 0,015 - -
1373 8 0,014 0,12 1,4
Как следует из приведенного расчета, кремний, марганец и углерод могут практически полностью окисляться окалиной и превращать чугун в сталь. Механизм процесса состоит в том, что диффундирующий вглубь кислород окисляет диффундирующие ему навстречу марганец, кремний и углерод. Эксперименты показали, что содержание углерода после окисления соизмеримо с равновесным, а содержание марганца и кремния гораздо больше равновесного. Результаты эксперимента подтвердили, что поверхность чугуна может превратиться в углеродистую сталь.
Вывод
Разработанный способ окисления элементов основы серого чугуна и основанная на этом сравнительно простая технология получения стального порошка открывают новые возможности расширения области использования отходов металлообрабатывающей промышленности с целью подготовки исходного сырья для порошковой металлургии. Результаты определения технико-экономических характеристик разработанной технологии, проведенные в работе [4], показывают, что предлагаемые решения более чем на 50 % эффективны по сравнению с существующими аналогами.
Список литературы
1. Способ подготовки порошка на основе железа: патент 2196659 Рос. Федерация.
2. Гудремон Э. Специальные стали Т.1 / пер. с нем. М.: Научно-техн. изд-во. по черной и цветной металлургии, 1959. 952 с.
3. Германюк Н.В. Термодинамический анализ процесса хлорирования окислов железа и хрома // Теория и технология процессов порошковой металлургии. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1978. С.37-41.
4. Гуревич Ю.Г., Овсянников В.Е., Фролов В.А. Разработка инновационной технологии поверхностного упрочнения деталей из серого чугуна // Инновационные технологии в автоматизированном машиностроении и арматуростроении: материалы международной научно-технической кон-
168
ференции (Курган, 8-10 декабря 2010 г). Курган, Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. С. 195-201.
V.E. Ovsyannikov, V.A. Frolov, Ju.G. Gurevich
INNOVATIVE MANUFACTURING TECHNIQUES OF THE STEEL POWDER The theoretical substantiation and questions of practical realisation of new manufacturing techniques of a steel powder on the basis of diffusive oxidation of a powder of grey cast-iron cooperating with a ferrous dross at heating are considered Key words: dross, steel powder, cast-iron, diffusive oxidation.
Получено 26.12.11
УДК 621.7-1; 621.98; 621.9.01
А.В. Кутергин, асп., 8-910-703-76-66, Lizard 1371 @yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.С. Ямников, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-32-10, Yamnikovas@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПОЛЫХ ШЕСТИГРАННЫХ КОРПУСОВ
Обозначены проблемные позиции в технологии изготовления шестигранных корпусов исследовательских ядерных реакторов. Показано, что трудности в обеспечении заданной точности вызваны явлениями технологической наследственности из-за больших остаточных напряжений при гибке и сварке листовых заготовок.
Ключевые слова: гибка листа, сварка, точность, неплоскостность, шестигранный корпус, механическая обработка.
Основной задачей работы является создание технологии изготовления шестигранного корпуса, усечённого по одной стороне из листового проката, гнутого, с одним сварным швом при обеспечении заданной точности. Данное изделие применяется в качестве корпуса активной зоны реактора ИБР-2. Ядерный исследовательский реактор ИБР-2 средней мощностью 1,5 МВт является импульсным реактором периодического действия на быстрых нейтронах. Он используется в качестве импульсного источника нейтронов для научных исследований во многих областях физики с применением метода спектрометрии по времени пролета. Исходя из того, что ИБР-2 относится к особому классу реакторов, а корпус является одной из наиболее ответственных частей установки, к выбору конструкционных материалов, контролю качества при изготовлении и точности предъявляются жесткие требования. Корпус реактора представляет собой комбинированный сосуд, работающий под давлением Pmax<3 кгс/см2 при темпера-
