CC BY
82
Ш//;пи-г: г: mtrr.
I 2 (42), 2007 -
ГГГ г*
л
ИТЕИНОЕ
ПРОИЗВОДСТВО
The mechanism of remelting of cast-iron chip scraps in induction furnaces is investigated and optimized.
Д. А. ВОЛКОВ, А. П. МЕЛЬНИКОВ, А. Д. ВОЛКОВ,
А. С. ГЛАМАЗДИН, НП РУП «Институт БелНИИлит»,
М. Л. ГЕРМАН, Научно-исследовательское и проектное РУП «Бел ТЭИ»,
Э. А. СТЕБЛОВА, ИТМО HAH Беларуси УДК 669.1
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕПЛАВА ЧУГУННОЙ СТРУЖКИ В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ
Одно из эффективных решений использования чугунной стружки в промышленности -применение ее в качестве шихтового материала в литейных цехах машиностроительных заводов без длительной транспортировки и безвозвратных потерь металла. В этом направлении, исходя из имеющегося парка плавильных печей, представляется возможным использование следующих технологических схем:
• брикетирование чугунной стружки с легирующими и шлакообразующими добавками и плавка брикетов в вагранке;
• брикетирование стальной стружки и плавка брикетов в дуговых печах (ДСП);
• плавка чугунной и стальной стружки россыпью и в виде брикетов в индукционных печах.
Использование дешевых металлоотходов для плавки чугуна позволяет снизить его себестоимость на 25-30% по сравнению с обычными чугунами вторичного переплава [1].
Наиболее перспективной при использовании собственных отходов является индукционная плавка. Конструкция индукционных печей позволяет вести нагрев и расплавление кусковой шихты по всему объему тигля, а плавка на промышленной частоте создает в жидком расплаве гидродинамические потоки, дающие возможность замешивать в расплав легковесную шихту [2]. Это позволяет в печах типа ИЧТ плавить на «болоте» до 2030% стружки россыпью (свободной). Однако на практике промышленные предприятия не переплавляют стружку из-за отсутствия технических рекомендаций и решений. С другой стороны, разработчики индукционных печей («Рэлтек», «Индуктор» (РФ), «Термолит» (Украина), JUNKER, АВР (Германия) и др.) являются электротехническими фирмами и соответственно не занимаются внедрением технологий по переплаву стружки.
В Республике Беларусь ряд предприятий уже имеют индукционные плавильные печи: РУП «Гомельский литейный завод «Центролит»; РУП «Завод литья и нормалей» (г. Гомель); ОАО «Лидский литейно-механический завод» (г. Лида); РУПП «Полесьеэлектромаш» (г. Лунинец); РУП «Завод «Могилевлифтмаш» (г. Могилев); БСЗ ЗАО «Атлант» (г. Барановичи). Другие предприятия производят запуск индукционных печей в производство или предусматривают их приобретение в планах технического перевооружения. Поэтому очень актуальны в настоящее время вопросы исследования процессов, происходящих при переплаве стружки в индукционных печах, и оптимизация технологии такого переплава.
В зависимости от частоты используемого тока индукционные тигельные печи имеют различные физические показатели на отдельных этапах нагрева и расплавления шихты, а также перемешивания жидкого металла по объему тигля [3]. В индукционных печах средней и высокой частот перемешивание жидкого металла является малоэффективным, в то время как в печах промышленной частоты перемешивание металла происходит по всему объему тигля с разрывом зеркала металла.
Благодаря садочному режиму работы индукционной печи, при котором металл не подвергается многократному перегреву, и щадящему температурному режиму выдержки чугуна в период разливки в расплаве сохраняются центры кристаллизации, что способствует формированию мелкозернистой структуры в отливках.
Для моделирования процессов, происходящих при индукционной плавке, на базе НП РУП «Институт БелНИИлит» были проведены экспериментальные плавки в лабораторных условиях на плавильной печи мод. ИСТ-016 (рис. 1, емкость тигля
/ iok
- 2 (02), 2007/ l£U
Для поиска наиболее эффективного способа расплавления стружки использовали различные составы шихты: шихту, состоящую полностью из сухой стружки; брикетов; стружки и чугунного лома; брикета и чугунного лома; стружки или брикетов, загружаемых на переходную ванну («болото»).
Плавки на «сухой» тигель показали неэффективность переплава стружки как насыпной, так и в брикетах: стружка в течение 1 ч нагревалась до высокой температуры (800—900 °С), но не расплавлялась и только при наличии жидкой фазы, полученной при загрузке стружки с кусковой шихтой или от переходной ванны предыдущей плавки, происходило расплавление (рис. 2).
Рис. 1. Индукционная плавильная печь ИСТ-016, использованная для проведения экспериментов
— 160 кг, частота наведения токов — 2500 Гц) с использованием в шихте чугунной стружки и отливка опытной партии заготовок специальными методами литья.
При проведении плавок регистрировали следующие параметры: массу шихты; химический состав выплавленного металла; расход электроэнергии (по показаниям приборов, находящихся на щите управления); массу расплава и шлака; время плавки; температуру металла перед разливкой; структуру металла на отдельно вырезанных образцах. Особое внимание при этом уделяли таким вопросам, как эффективность расплавления стружки (как дисперсного материала) вторичными токами; степень влияния перемешивания жидкого металла на расплавление стружки; влияние исходного состояния стружки (брикет, насыпная) на процесс плавки и возможное наибольшее ее удельное содержание в шихте; металлургический выход; эффективность плавки с переходной ванной «болото» или чистым «сухим» тиглем.
В качестве шихтового материала применяли сухую стружку, полученную при обработке бесстержневых отливок «Втулка», изготовленных литьем в оболочковые формы, а также стружку из экспериментального цеха института, полученную при обработке корпусных заготовок, отлитых в холоднотвердеющие формы и брикеты плотностью 4,7-5,2 г/см3 с остаточной влажностью до 2%, изготовленные на БСЗ ЗАО «Атлант» (г. Барано-вичи) на холоднобрикетирующем прессе фирмы METALL (Австрия).
Рис. 2. Загрузка стружки с чушкой
Малоэффективным оказался процесс перемешивания расплава индукционными токами в высокочастотной печи, поэтому после очередной загрузки стружки проводили дополнительное механическое перемешивание расплава. При включении печи под нагрузку верхний слой стружки в тигле располагался вдоль линий магнитного поля (рис. 3).
Рис. 3. Воздействие магнитного поля индуктора на загруженную в печь стружку
19В Г.ЪШ.УГГП
Ш£шЧМ / 2 (42). 2007 -
В дальнейшем все контрольные плавки с содержанием в шихте стружки проводили на нагретом «горячем» тигле с использованием в садке со стружкой кусковой шихты в виде чугунного лома. Были проведены четыре конт-
Фактический угар стружки составил 4—11% (для сравнения угар лома — 1,24—1,5%). Химический состав не отличается резко в четырех контрольных плавках и находится в пределах, допустимых ГОСТ 1412-85: С - 3,3-3,5%; 81 -2,3-2,5; Мп - 0,6-0,7%. После проведения плавок весь расплав был разлит в оболочковые формы для изготовления опытных отливок «Втулка». Брак после механической обработки не превышал 1%.
Необходимо отметить, что в условиях промышленного производства наиболее рациональным методом использования сухой стружки является ее переплав в собственном литейном производстве, благодаря чему во время плавки происходят небольшие потери в шлак. Напротив, при переплаве больших партий стружки сторонних организаций потери значительно возрастают за счет неметаллических примесей и окисления стружки с остаточной влажностью до 2% за счет ее возгорания при плавке. То же самое происходит и со стружкой, имеющей остаточную влажность до 2%. Это подтверждает плавка брикетов, изготовленных на БСЗ ЗАО «Атлант», которая сопровождалась постоянным горением без возгонов и значительными потерями в шлаки и на угар (рис. 4, 5).
Таким образом, по результатам экспериментальных плавок чугуна с использованием в шихте чугунной стружки, проведенных в лабораторных условиях на плавильной печи мод. ИСТ-016, можно сделать следующие выводы.
1. Стружка насыпная и в брикетах не расплавляется под воздействием высокочастотных индукционных токов. Для ее расплавления необходима дополнительная жидкая фаза.
2. Наличие электромагнитного перемешивания расплава в высокочастотных печах не способствует вовлечению в расплав стружки с его поверхности.
рольные плавки с содержанием в шихте 100% чугунного лома (холодный тигель); 33% насыпной стружки; 29% чугунного брикета; 46% насыпной стружки. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Рис. 4. Возгорание масел в брикете при нагреве его свыше 400 °С
Рис. 5. Расплав чугуна с использованием в шихте брикетов (повышенное содержание шлаков)
3. Увеличение образования шлака происходит за счет окисления стружки и неметаллических включений.
4. При плавке стружки резко повышается (в 3—10 раз) удельный угар из-за ее мелкодисперсной фракции по сравнению с кусковым ломом.
5. Использование брикетов уменьшает время загрузки шихты в тигель по сравнению с насып-
Таблица 1. Результаты контрольных плавок
Номер плавки Длительность плавки Температура перегрева, °С Расход электроэнергии, кВт (на 1 т) Масса шихты , кг Масса стружки, кг Масса расплава, кг Масса шлака, кг Угар по шихте, кг
1 1 ч 35 мин 1350 101,2 (632,6) 161 - 155 4 2
2 1 ч 30 мин 1340 107,2 (670,1) 167 55 158 4 5
3 1 ч 35 мин 1380 110,8 (692,2) 162 47 150,5 6 6,5
4 1 ч 40 мин 1387 118,9 (743) 167,5 77 160 3,5 4
* Без учета 1 кг углеродного боя на каждую плавку.
ГГ
г^шлтгта/107
- 2 (02). 2007 /
ной стружкой, однако процессы расплавления брикета и кускового лома различны, поэтому расплавление брикета эффективно при его содержании в шихте не более 10-15%.
Нарастание массы стружки в составе шихты вызывает увеличение длительности плавки, что ведет к перерасходу электроэнергии, поэтому наиболее оптимальной является плавка в индукционной печи с содержанием в шихте стружки насыпной до 30%.
Исходя из полученных результатов по приготовлению расплава чугуна с использованием в шихте насыпной сухой стружки и брикетов, было проведено около двух десятков экспериментальных и больше сотни опытно-промышленных плавок с использованием в шихте 10—15% сухой насыпной чугунной стружки для изготовления отливок на НП РУП «Институт БелНИИлит».
Анализ качества отливок деталей-представителей «Втулка» (рис. 6) и трубных заготовок диаметром 400x400 мм и массой 80 кг, полученных центробежным способом, показал следующее:
• общий брак после полной механической обработки отливок не превышал 0,5%, причем ожидаемый брак по неметаллическим включениям, рассредоточенной пористости и усадке вообще не был выявлен;
• что касается анализа качества трубных заготовок, изготовленных центробежным способом литья на машине мод. 4986 М1 при оборотах ротора 660 об/мин, то на изломе отливки не замечены неоднородности металла (ликвации) или шлаковые включения;
• длина отбеленных концов с обоих торцов (индикатор повышенного содержания цементита) не превышает допустимые 15—17 мм.
В литейном цехе ОАО «Лидский литейно-механический завод» при участии службы главного технолога, работников литейного цеха, ЦЗЛ и специалистов НП РУП «Институт БелНИИлит» проведены экспериментальные плавки чугунной стружки в индукционной печи промышленной
Рис. 6. Куст отливок «Втулка», изготовленный литьем в оболочковые формы, и деталь после механической обработки
частоты мод. ИЧТ-2,5 с изготовлением опытной партии гильз цилиндров.
Исследовали следующие параметры процесса плавки легированного чугуна: угар шихты и ферросплавов; изменение химического состава расплава по ходу плавки; расход электроэнергии; продолжительность плавки.
Для проведения опытных плавок в качестве шихты использовали сухую стружку, образующуюся на участке черновой обработки при обработке внутренней поверхности заготовки «Гильза» ГАЗ-66 и ЗИЛ-130. Были проведены три контрольные плавки: без стружки; с 10 и 20% стружки. Химический состав выплавляемого чугуна контролировали на приборе ЭМАС-200Д, микроструктуру — на микроскопе мод. МИМ-10.
В табл. 2 приведен микроструктурный анализ образцов № 1—3, взятых из плавильной печи ИЧТ-2,5 из металла без содержания в шихте стружки, с 10 и 20% стружки, а также образцов № 4—6, вырезанных из отливки «Гильза» для модели ГАЗ 66-1002021-04 из металла без содер-
жания в шихте стружки, с 10 и 20% стружки. Таблица 2. Микроструктурный анализ образцов № 1—6
-1омер образца Содержание химических элементов, % Длина включений графита, мкм Содержание перлита в структуре чугуна, % Содержание феррита в структуре чугуна, % Дисперсность перлита в структуре чугуна (расстояние между пластинами цементита), мкм
С Р Сг Мп V т; № 81 Си
1 3,32 0,25 0,3 0,7 0,019 0,02 0,07 2,3 0,38 15-60 80-90 10-20 От 0,3 до 0,8
2 3,33 0,26 0,29 0,73 0,021 0,024 0,06 2,34 0,4 15-30 От 98 До 2 0,3
3 3,36 0,25 0,33 0,69 0,02 0,024 0,08 2,3 0,45 30-60 94-98 2-6 0,3
4 3,36 0,2 0,28 0,68 0,018 0,022 0,06 2,3 0,4 15-30 От 98 До 2 До 0,3
5 3,36 0,27 0,31 0,66 0,02 0,021 0,09 2,3 0,4 15-60 94-98 2-6 До 0,3
6 3,32 0,25 0,3 0,7 0,022 0,021 0,05 2,29 0,43 30-60 От 98 До 2 От 0,3 до 0,8
Кроме того, получены следующие результаты деление включений графита - колонии пластин-обработки образцов №1-6: форма включений чатого графита; количество включений графита — графита — пластинчатая прямолинейная; распре- от 8 до 12%; вид структуры металлической
19Я ПМЛШР,
■ЖвО / 2 (42), 2007 -
основы чугунов — перлит пластинчатый; строение включений фосфидной эвтектики — тройная мелкозернистая; распределение включений фосфидной эвтектики — разорванная сетка.
Таким образом, по результатам исследований механизма переплава чугунной стружки в индукционных печах установлено следующее.
1. Эффективность переплава чугунной стружки в виде холоднопрессованных брикетов ниже, чем при переплаве стружки в насыпном виде (по энергозатратам, угару шихты и времени плавки).
2. Использование в шихте до 20% сухой чугунной стружки не вызывает дополнительного угара химических элементов в расплаве чугуна и не требует увеличения расхода ферросплавов.
3. Качество сплава по неметаллическим включениям, физико-механическим характеристикам, ликвациям и структурным составляющим не ухудшается.
4. Для эффективного переплава стружки необходим ее интенсивный захват под зеркало расплава и перемешивание по всему объему металла в тигле, поэтому плавки должны вестись на
переходной ванне (болоте) в объеме до 30% тигля. Конструктивно заложенным механизмом перемешивания обладают только печи промышленной частоты ИЧТ.
5. Для работы плавильных участков, предусматривающих переплав стружки, необходимы индукционные печи нового поколения с регулируемой частотой тока на внешнем контуре индуктора. В период расплавления плавка стружки должна вестись на промышленной частоте, а чушки и лома - на средней. Доводка расплава и перегрев должны проводиться на средней частоте.
6. Для достижения максимальных показателей при плавке стружка должна быть обезвожена.
Литература
1. Батышев К.А. Синтетический чугун и переработка металлических отходов // Рынок вторичных металлов. 2006. № 5/37. С. 33-35.
2. Л узгин В.И., Петров А.Ю., Рачков С.А.,Яку-шев К.В. Индукционные среднечастотные плавильные комплексы с печами вместимостью 1—16 тонн для литейного производства // Литье Украины. 2006. №5(69).
3. Лузгин В.И., Петров А.Ю., Фаерман Л.И. Индукционные печи средней частоты нового поколения // Черные металлы. 2006. С. 14—25.
