СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОГО ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 629.4

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОГО ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Алимухамедов Шовкат Пирмухамедович ТГТрУ, доктор. техн. наук, проф., alimukhamedov47@mail.ru

Юнусов Салохиддин Зунунович ТГТрУ, доктор. техн. наук, проф., ysz1979@gmail.com

Турсунов Нодиржон Каюмжонович ТГТрУ, канд. техн. наук, доц. u nadir@mail.ru

Туракулов Мурот Рустамович ТГТрУ, старший преподаватель, m.r.turakulov1982@gmail.com

Аннотация. В статье рассматривается методы снижения вредных примесей в составе синтетического чугуна и повышение прочностных характеристик чугуна. Для этого предлагается новый способ выплавки синтетического чугуна с использованием стального лома в качестве шихтовых материалов в индукционных тигельных печах, включающий завалку металлошихты, вместе с передельным чугуном, возвратом собственного производства, карбюризаторами и ферросплавами с целью науглероживания и легирования до требуемого химического состава. Разработана эффективная технология получения синтетического чугуна в индукционной печи с различной долей стального лома в составе металлошихты. Установлены зависимости удельного расхода электроэнергии, твердости экспериментального образца, продолжительность плавки от процентного содержания стального лома в металлошихте.

Annotatsiya. Maqolada sintetik quyma choyan tarkibidagi zararli aralashmalarni kamaytirish va quyma choyan ning mustahkamlik xususiyatlarini oshirish usullari muhokama qilinadi. Shu maqsadda sintetik cho'yanni induksion tigelli pechlarda zaryadlovchi material sifatida po'lat qoldiqlari yordamida eritishning yangi usuli taklif etilmoqda, jumladan, metallni cho'yan bilan birga zaryadlash, karbyurizatorlar va ferroqotishmalarni karburizatsiya qilish va qotishmalarga qaytarish uchun. zarur kimyoviy tarkib. Metall zaryadi tarkibida po'lat qoldiqlarining boshqa nisbati bo'lgan induksion pechda sintetik quyma temir ishlab chiqarishning samarali texnologiyasi ishlab chiqilgan. O'ziga xos quvvat sarfi, eksperimental namunaning qattiqligi, erish muddati metall zaryadidagi po'lat qoldiqlarining foiziga bog'liqligi aniqlandi.

Annotation. The article discusses methods for reducing harmful impurities in the composition of synthetic cast iron and increasing the strength characteristics of cast iron. To this end, a new method is proposed for smelting synthetic cast iron using steel scrap as charge materials in induction crucible furnaces, including charging the charge metal, together with pig iron, returning own production, carburizers and ferroalloys in order to carburize and alloy to the required chemical composition. An effective technology has been developed for producing synthetic cast iron in an induction furnace with a different proportion of steel scrap in the composition of the metal charge. The dependences of the specific power consumption, the hardness of the experimental sample, the duration of melting on the percentage of steel scrap in the metal charge were established.

Ключевые слова. Синтетический чугун, твердость, время плавки, механические

свойства, тигельная печь, карбюризаторы, ферросплавы и доля стального лома в составе металлошихты.

Kalit so'zlar. Sintetik quyma choyan, qattiqlik, erish vaqti, mexanik xususiyatlari, tigel pechi, karbürizatorlar, ferroqotishmalar va metall zaryadi tarkibidagi po'lat qoldiqlarining nisbati.

Keywords. Synthetic cast iron, hardness, melting time, mechanical properties, crucible furnace, carburizers, ferroalloys and the proportion of steel scrap in the composition of the metal charge.

ВВЕДЕНИЕ

Выплавка синтетических чугунов является основным средством подъема чугунолитейного производства на качественно новый этап, так как их можно отнести к конструкционным материалам, существенно отличающимся от применяемых ваграночных чугунов не только прочностными свойствами, но природой и технологией получения [12].

Сущность процесса выплавки синтетического чугуна состоит в металлургическом обогащении жидкого железа углеродом и кремнием в заданных пропорциях, а также в применении высокотемпературной обработки, что позволяет получать сплавы с заранее заданными химическим составом и свойствами. Для формирования высоких свойств чугуна в отливках необходимо разрушение несовершенной структуры исходных шихтовых материалов. Применение для выплавки синтетического чугуна индукционных печей позволяет осуществлять глубокую термовременную обработку, рафинирование, модифицирование и легирование жидкого металла [2].

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Индукционные печи обладают высокой технологической гибкостью, т. е. позволяют получать чугун любого химического состава, выпускать жидкий металл произвольными порциями, длительно хранить металл без изменения его свойств, использовать шихтовые материалы малого объемного веса, механизировать и автоматизировать процессы выплавки. Для получения синтетического чугуна в основном используют стальной и чугунный лом, возврат собственного производства, листовой обрез, стружка и другие низкосортные металлоотходы. В настоящее время использования металла в машиностроении составляет 70 %, т. е. 30% металла идет в отходы, большая часть которых имеет низкую насыпную плотность, что затрудняет их дальнейшую переработку [3].

Проблема эффективного использования металлоотходов малого объемного веса наиболее рационально решается при организации выплавки синтетического чугуна. Достоинством такой выплавки является возможность переплавки отходов непосредственно на месте их образования - в литейных цехах машиностроительных заводов без длительной транспортировки и безвозвратных потерь металла. Доменные чушковые чугуны вообще исключаются из состава шихты, что высвобождает соответствующие мощности металлургического производства. Использование дешевых металлоотходов для выплавки синтетического чугуна обеспечивает снижение его себестоимости на 25...30% по сравнению с обычными чугунами вторичного переплава. Синтетического чугуна целесообразно использовать для производства высококачественных чугунов, особенно с шаровидным графитом, учитывая низкое содержание в них демодифицирующих примесей [3].

В настоящее время из синтетического чугуна изготавливают разнообразные детали ответственного и особо ответственного назначения, например, колодки локомотивные и

вагонные, клинья фрикционые, коленчатые валы, блоки цилиндров, головки двигателей внутреннего сгорания, износостойкие отливки станочное литьё и др. работающие при высоких нагрузках и повышенных температурах [2].

Основным фактором, определяющим содержание стратегии развития современного литейного производства, является использование современных технологических процессов, особенно технологии плавки. В первую очередь это касается производства чугунных отливок, составляющих 65 % массы всех сплавов. С 2000 года в России резко сократилось количество лома чугуна, значительно возросла стоимость литейного чугуна и затраты на их транспортировку. Это привело к увеличению материальных затрат при производстве отливок из синтетического чугуна, который в основном получали в тигельных индукционных печах. Кроме того, стали возникать проблемы с использованием кислой футеровки как наиболее дешевой и прочной, так как в металлошихте стало использоваться повышенное количество стального лома, и по этой причине температура плавки была поднята выше 1450°С. Резко снизилась долговечность футеровки, увеличились простои, связанные с ее заменой. Все это отрицательно сказалось на эффективности производства отливок из синтетического чугуна [4].

Чугун, самый распространённый тип черного материала для литья под давлением, также в настоящее время является наиболее широко используемым материалом в литейном производстве. В частности, это хорошие технологические свойства (хорошая текучесть, малая склонность к усадке, малая склонность к напряжениям), а также приемлемые механические свойства и хорошая обрабатываемость. Точно так же его физические свойства позволяют изготавливать отливки с хорошими удельными характеристиками, в частности, тепло и жаростойкие, износостойкие отливки с особыми механическими свойствами. Недостатком серого чугуна является его высокая хрупкость. Эта особенность обусловлена производством чугуна с шаровидным графитом. Еще одним недостатком является относительно высокая дисперсия свойств, в частности механических, даже в стабильном составе [5].

В настоящей статье представлены результаты исследования влияния хрома, молибдена и алюминия на структуру и отдельные механические свойства М^п-^ чугуна в литом и термообработанном состояниях. Все необработанные отливки имели аустенитную матрицу с относительно низкой твердостью, что делало материал пригодным для механической обработки. Добавки хрома и молибдена привели к более высокой склонности к твердым пятнам. Однако небольшое добавление алюминия несколько ограничивало эту тенденцию. Термическая обработка, заключающаяся в выдержке отливок при 500 °С в течение 4 ч, привела к частичному превращению аустенита в игольчатый, перенасыщенный углеродом феррит, аналогичный бейнитному ферриту. Степень этого превращения зависела не только от величины эквивалента никеля (его меньшее значение приводило к большей степени превращения), но и от содержания Сг и Мо (степень превращения увеличивалась с увеличением суммарной концентрации обоих элементов).. Добавление Сг и Мо привело к снижению термодинамической стабильности аустенита, поэтому это оказалось благоприятным решением. По этой причине отливки, содержащие наибольшее суммарное количество Сг и Мо с добавкой 0,4 % А1 (для уменьшения склонности к появлению трещин), показали наивысшую прочность на растяжение [6].

В работе [7] рассмотрены вопросы долговечности применяемых в практике термонапряженных отливок. Необходимо детально знать значение термического напряжения чугуна, а также условия термического напряжения (уровень рабочей

температуры, или ее колебания, т.е. тепловой режим) для правильного выбора химического состава и структура (макро- и микро) материала. В настоящее время предложено успешное решение этой проблемы помощью программы моделирования, в том числе оптимизации конструкции деталей (отливок). Это требует комплексного теоретического анализа значения термического напряжения, т. е. влияния различных физических параметров на его возникновение, протекание и величину.

Было изучено затвердевание чугуна с низким содержанием серы (<0,05%) и очень низким содержанием алюминия (<0,005%), расплавленного и перегретого в индукционных печах без футеровки кислотных тиглей, а также влияние перегрева на качество чугуна при эффективной металлургической обработке для использования в этих условиях [8]. Переохлаждение при затвердевании увеличивается с увеличением перегрева, что связано со значительными изменениями химического состава, например С, Si, Мп, А1 и Zr, участвующих в образовании графита. Концепция в этой статье поддерживает трехэтапную модель зародышеобразования чешуйчатого графита. В синтетическом чугуне есть три важные группы элементов [раскислитель/Мп, S/модифицирующий] и три стадии процесса [перегрев/предварительная подготовка базового железа/окончательная модификация]. Для предварительной обработки расплава железа с целью контроля уровней окисления и стимуляции центров зародышеобразования графита использовались различные материалы, включая углеродные материалы и металлургический карбид кремния. Особое внимание уделялось сохранению извлечения А1 и Zr в плавильном цехе из-за их влияния на структуру чугуна. Двойная обработка с использованием элементов, образующих сильные оксиды, таких как А1 и Zr, для предварительной обработки с последующей модификацией снижает параметры переохлаждения эвтектики. Эта обработка улучшила характеристики графита и предотвратила образование карбидов. Для литейных применений рекомендуется использовать соединение (Мп,Х^, совместимое с графитовым зародышеобразователем с меньшим эвтектическим переохлаждением. Обращает на себя внимание обеспечение контрольного коэффициента (%Мп) х (%S) в пределах 0,03-0,06 при содержании А1 и/или Zr в модифицированном сером чугуне 0,005-0,010%.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Известен способ выплавки синтетического чугуна в электропечах, заключающийся в расплавлении в индукционных электропечах шихты, состоящей из железоуглеродистых материалов, ферросплавов и науглероживателя, нагреве в них жидкого чугуна и его доводке по химическому составу путем введения в него ферросплавов и науглероживателя [2].

Недостатком этого способа является повышенный угар шихты и их элементов вследствие произвольного введения материалов в шихту и жидкий металл их совместного расплавления, что приводит к нестабильному составу выплавляемого чугуна, снижению его свойств, повышению стоимости.

Известен способ выплавки синтетического чугуна в индукционных печах, по которому металлошихту после расплавления прогревают до температуры (1550-1600) °С и затем вводят ферросплавы, в том числе и ферросилиций [9].

Однако этот способ малоэффективен, так как необходимость высокого перегрева расплава приводит к повышенному расходу электроэнергии.

Недостатком известного способа является наличие отбела чугуна в отливках, что снижает физико-механические свойства металла с низким содержанием кремния.

Известен способ выплавки чугуна в индукционных электропечах, заключающийся

в том, что в качестве шихты используют остаток в печи жидкого чугуна в количестве 2080% ее емкости, который нагревают до 1710-1750°С, после чего в печь загружают науглероживатель и выдерживают при данной температуре 8-12 мин. Затем в печь загружают железоуглеродистый лом и осуществляют расплавление всей шихты, а потом вводят ферросплавы и добавки. При температуре 1470-1600 °С вводят ферросплавы и последовательно добавляют по Мп, №, Со, Си, Р, Mo, W, а при температуре 1700-1750оС -ферросплавы и добавки для доводки чугуна последовательно по С, Si, Сг, Sb, Sn, V, Т^ Zr, В, Л!, Ce, Mg, Ca и Ba [10].

Недостаток этого способа в том, что повышается угар шихты и элементов, а также повышенный расход электроэнергии вследствие загрузки науглероживателя и выдержки в приданной температуре 8-12 мин. Наиболее близким к предлагаемому является способ выплавки синтетического чугуна из металоотходов в индукционных печах, промышленной частоты в ее тигле наводят ванну расплава с уровнем, составляющим 50100% высоту до верхнего уровня среза силовых катушек индуктора печи, и затем загружают в ванну расплава металлическую стружку, причем загрузку стружки производят порциями величиной 8-10% от массы находящегося в тигле расплава, а каждую порцию подают в печь при достижении расплавом 1300-1350оС [11].

Недостатком известного способа является наличие отбела чугуна, что снижает физико-механические свойства металла вследствие увеличения междентритного графита (до 80-100%), кроме того, выдержка металла в печи для охлаждения снижает производительность индукционной печи.

Нами предложена новая концепция технологии плавки чугуна в индукционной тигельной печи, которая позволяет получить синтетический чугун с использованием стального лома в составе металлошихты. Состав шихты должен обеспечивать после расплавления содержание всех элементов, близкое к заданному в готовом металле. В качестве исходных шихтовых материалов применяют литейные и предельные чугуны, возврат собственного производства, лом стальной, стружку, карбюризаторы и ферросплавы. С целью разбавления металла по фосфору и серы в ванну добавляют стальной лом. Расчет металлошихты целесообразно начинать с определения количества отходов, стального лома и карбюризаторов в период расплавления, легирующих ферросплавов, необходимых для присадки в технологический период с учетом получения необходимого состава жидкого чугуна близким к требуемому.

Способ выплавка синтетического чугуна в индукционных тигельных печах, заключается в том, что перед расплавлением необходимо произвести расчет шихты с учетом доли карбюризаторов, стального лома и ферросплавов. Плавка металла начинается с завалки передельного чугуна в количестве 20-30% от общей вместимости тигля индукционной печи. Жидкий металл нагревается до 13500С в течение 20-30 мин в соответствии с количеством загруженного передельного чугуна. Затем добавляется карбюризатор, норма расхода которого при различной доле стального лома определяется с помощью общего расчета шихты. В таблице-1 приводятся рекомендуемая норма расхода карбюризаторов при различной доле стального лома в металлошихте.

Таблица 1

Норма расхода карбюраторов с определенной долей стального лома _в металлошихте, кг_

Доля стального лома в металлошихте, % 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Карбюризаторы (С) Усво Расход карбюризаторов, кг

ение, %

Электродный бой 98,5 90 11 26 41 55 70 85 99 114 129

Электродный порошок 93 90 12 27 43 59 74 90 105 121 136

Графитированны й коксик 87 80 14 33 52 70 89 108 126 145 164

Серебристый графит 87 75 15 35 55 75 95 115 135 155 175

Черный графит 81 75 16 38 59 81 102 123 145 166 188

Тигельный бой 91 80 14 32 49 67 85 103 121 139 157

Древесный уголь 82 80 15 35 55 75 95 114 134 154 174

Литейный кокс 78 70 18 42 66 90 114 137 161 185 209

Металургический кокс 78 75 17 39 62 84 106 128 150 173 195

Сланцевый кокс 84 80 15 34 54 73 92 112 131 150 170

Термоантрацит 81 75 16 38 59 81 102 123 145 166 188

Колчедан 50 60 33 77 12 0 16 3 207 250 293 337 380

Нефтяной пек 50 50 40 92 14 4 19 6 248 300 352 404 456

Стойкость футеровки ИЧТ-10 при различной доли стального лома в металлошихте, плавок

Доля стального лома в металлошихте, % 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Стойкость футеровки, плавок 120 15 110 100 95 90 85 80 75 70 60

Во избежание сильного окисления углерода осуществляется подвалка стального лома, который удерживает карбюризатор в чугунном расплаве, при этом общая доля которого не должна превышать 40% от общей вместимости тигля. Температуру металлического расплава необходимо выдерживать в пределах 1390-1410оС. По мере осаждения стального лома проводиться подвалка возврата собственного производства с ферросплавами.

Нами были проведены экспериментальные исследования физико-химических свойств синтетического чугуна с различной долей стального лома в металлошихте, а также удельный расход электроэнергии на плавку были определены в производственных условиях в индукционной тигельной печи вместимостью 6 тонн. Для оценки механических свойств выбран экспериментальный образец с требуемой твердостью от 230 до 300 НВ. Доля стального лома в металлошихте варьировалась в пределах от 0 до 40 %. Результаты эксперимента зависимости технологических параметров синтетического чугуна от доли стального лома сведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты эксперимента зависимости технологических параметров синтетического чугуна от доли стального лома

Доля Продолжительность Удельный Твердость, Выход

стального плавки, расход НВ годного,

лома, % мин электроэнергии, кВт/ч. %

1-эксперимент 0 65 502 210 97,5

2-эксперимент 10 74 510 234 97,33

3-эксперимент 20 81 521 247 97,24

4-эксперимент 30 88 534 279 97,15

5-эксперимент 40 94 542 296 97,05

С помощью графоаналитического метода провели анализ полученных результатов эксперимента в зависимости технологических параметров синтетического чугуна и доли стального лома. Были построены графические зависимости, которые представлены на рис. 1-4.

На рис. 1 представлен график зависимости удельного расхода электроэнергии от процентного содержания стального лома в металлошихте. Как видно из рис.1 с увеличением процентного содержания стального лома от 0 до 40 % в металлошихте удельный расход электроэнергии на плавку увеличивается от 502 до 543 кВтч/т соответственно.

Анализ показывает, что увеличение доли стального лома в составе металлошихте влияет положительно на твердость экспериментального образца. Как видно из рис. 2 с увеличением процентного содержания стального лома от 0 до 40 % в металлошихте твердость экспериментального образца увеличивается соответственно от 210 до 298 НВ. Для достижения требуемой твердости экспериментального образца необходимо иметь в составе металлошихте от 10 до 40 % стального лома.

550

540

тт

о

X

,530

520

£

510

500

490

0

10 20 30

Доля стального лома, %

40

Рис.1 - Зависимость удельного расхода электроэнергии от процентного содержания стального лома

Рис.2 - Зависимость твердости экспериментального образца от доли стального лома

Зависимость выхода годного жидкого чугуна от процентного содержания стального лома в металлошихте приведен на рис. 3, где с увеличением процентного

содержания стального лома от 0 до 40 % в металлошихте выход годного жидкого чугуна уменьшается.

Приведена зависимость продолжительности плавки от доли стального лома, выявлено что доля стального лома в металлошихте прямо пропорциональна, то есть при росте процентного содержания доли стального лома в металлошихте также наблюдается рост продолжительности времени плавки, графическая зависимость которого представлена на рис. 4. При увеличении процентного содержания стального лома от 0 до 40 % в металлошихте продолжительность плавки также растет от 65 до 94 мин.

Рис.4 - Зависимость продолжительности плавки от доли стального лома

Рис.3 - Зависимость удельного выход годного жидкого чугуна от доли стального лома

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана эффективная технология получения синтетического чугуна в индукционной печи с различной долей стального лома в составе металлошихты. Установлены зависимости удельного расхода электроэнергии, твердости экспериментального образца, продолжительности плавки от процентного содержания стального лома в металлошихте. Выявлено, что с увеличением стального лома в металлошихте увеличивается время плавки, удельный расход электроэнергии, продолжительность плавки, твердость экспериментального образца, а выход годного жидкого чугуна уменьшается. Для достижения требуемой твердости экспериментального образца необходимо иметь в составе металлошихте от 10 до 40 % стального лома.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабилюс В.В., Моцкайтис И.И., Жельнис М.В. / Науглероживание и десульфурация синтетического чугуна, выплавленного в печах промышленной частоты. // Литейное производство, 1968.

2. Шумихин В.С., Лузан П.П., Жельнис М.С. / «Плавка синтетического чугуна в индукционных печах и ее технология на Каунасском литейном заводе» «Центролит», // Вильнюс, Минтис, 1974, 297 с.

3. Туракулов М.Р., Турсунов Н.К., Алимухамедов Ш.П., Тоиров О.Т., / Разработка эффективной технологии получения синтетического чугуна в индукционной тигельной печи // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 6(99).

4. Kukartsev V. A. et al. Increasing the Efficiency of Production of Synthetic Cast Iron Castings //Key Engineering Materials. - Trans Tech Publications Ltd, 2021. - Т. 904. - С. 3-8.

5. Futas P. et al. The study of synthetic cast iron quality made from steel scrap //International multidisciplinary Scientific Geo Conference surveying geology and mining

ecology management. - 2018. - T. 18. - C. 321-329.

6. Medyñski D., Janus A. Effect of Cr, Mo and Al on Structure and Selected Mechanical Properties of Austenitic Cast Iron //Archives of Foundry Engineering. - 2019.

7. Futás P. et al. The GIST of thermal stresses of cast iron castings //Manufacturing technology. - 2013. - T. 13. - №. 2. - C. 173-178.

8. Riposan I., Chisamera M., Stan S. / Enhanced quality in electric melt grey cast irons // ISIJ international. - 2013. - T. 53. - №. 10. - C. 1683-1695.

9. Author's certificate (patent) of the USSR № 372269, class. C 21 B 11/10, 1970.

10. Author's certificate (patent) of the USSR № 1759885, class. C 21 C 1/10, 1992.

11. Author's certificate (patent) of the USSR №1470771, class. C 21 B 11/10, 1970