CC BY
20Magyar Tudomanyos Journal # 43, 2020
47
TECHNICAL SCIENCES
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ОТЛИВОК
Войнов А. Р.
кандидат технических наук Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск
MODERN TECHNOLOGIES FOR MANUFACTURING WEAR-RESISTANT CASTINGS
Voinov A.
candidate of technical Sciences Pacific state University, Khabarovsk
Аннотация:
В статье описаны современные технологии литья износостойкой стали. Модифицирование высокомарганцевой стали перенесено в литейную форму, поэтому сокращает расход материалов, необходимых для изготовления стали 110Г13Л. Параметры технологии исследованы по всем элементам.
Abstract:
The article describes modern technologies for casting wear-resistant steel. Modification of high-manganese steel was transferred to the casting mold, so it reduces the consumption of materials needed for the manufacture of stalt 110G13L. The technology parameters were investigated for all elements.
Ключевые слова: литая сталь; температура перегрева; технология; модифицирование; проект.
Keywords: cast steel; temperature of the overheating; technology; modification; project.
Защита поверхности мельниц элементами брони из износостойкой стали очень важна для горной отрасли. Сталь Гатфилда приобретает износостойкость благодаря содержанию марганца 14 - 22 % и другим элементам технологии изготовления отливок.
Продление ресурса работы элементов МШР 2700^3600 из броневых сталей до 800 часов - важная задача машиностроения. В известных литературных источниках [1-4] операциям плавки, разливки и упрочняющей обработки износостойких сталей с содержанием углерода и марганца в количествах свыше 1 : 10 уделено большое внимание. Все авторы сходятся в том, что остаточное содержание алюминия в стали 110Г13Л не должно быть выше 0,04 %, но достижение мелкозернистой структуры при наименьшем количестве дефектов рассматривается без учета комплексного подхода. Комплексный подход в проектировании нужен для получения наиболее высоких значений механических свойств [4] получаемых отливок.
Модифицирование осуществляют присадкой дорогостоящих модификаторов в печь, либо в ковш, что обусловливает их перерасход от прогнозируемого значения. Традиционная технология изготовления отливок из стали 110Г13Л ГОСТ 977-88 не обеспечивает гарантированного эксплуатационного ресурса броней дробящего и мелющего оборудования при ударно-истирающем характере нагрузок. Поверхности, контактирующие с измельчаемым материалом должны иметь мелкозернистую и предварительно деформированную структуру. Поскольку такие детали испытывают ударно-динамические нагрузки, то в процессе работы неравномерно распределяются контактные напряжения по площади и по массе материала. Особое внимание при исследовании уделялось методам повышения
сплошности литого элемента брони. Минимальное количество усадочных дефектов получают при организации направленного затвердевания отливок снизу вверх и компенсации питания усадки жидкой фазой. В то же время применение прибылей для отливок из сталей Гатфильда вызывает трудности их отделения от отливок. Отделение прибылей и других элементов литниково-питающей системы огневой резкой, кроме трудоёмкости и опасности выполняемых работ, осложняется возникновением местного перегрева. Местный перегрев формирует локальные очаги крупнозернистой структуры, даже в модифицированном металле.
Перегревать сталь над линией ликвидус чрезмерно не рекомендуется на любой стадии выплавки, во избежание образования транскристаллизационной дендритной структуры в отливках. Такие структуры не устраняет полностью даже последующая термическая обработка.
Концептуально плавку стали 110Г13Л выполняют с окислением и без окисления, а остаточное содержание алюминия в ней зависит от окисленно-сти стали в конце плавки при нормативном расходе алюминия.
Параметры модифицирования оптимизировали с заменой технологии ввода модификатора в стопорный разливочный ковш на внутриформенное модифицирование.
Залитая металлическим расплавом крупногабаритная литейная форма охлаждается на плаце, а после охлаждения до безопасных температур отливка из неё выбивается. После выбивки и очистки производится визуальный контроль отливки. Все годные отливки направляются на дальнейшие операции: обрубку зачистку и закалку на аустенит и отделку поверхности. Отделочной обработкой в этом случае можно считать очистку от пригара и окислов
с одновременным наклепом поверхности в дробе-мете и окраску, для защиты поверхности от коррозии.
Повышению количества бездефектных форм способствует увеличение галтелей на литейных моделях. При этом количество бездефектных съемов возрастает по мере повышения литейных радиусов, а масса отливок практически не изменяется. Максимальный эффект от изменения геометрии переходов стенок при апробации изменений в технологии наблюдается при увеличенных литейных радиусах Я15 - Я30. Скругление граней позволило снизить общую нагрузку на поверхность модели при формовке, что повышает количество бездефектных съемов, срок службы деревянных моделей, а также перераспределить общую нагрузку на поверхность отливки во время работы детали в элементах футеровки. Также были внесены изменения в конструкцию петли, предназначенной для захвата краном. Измененная конструкция снижает нагрузку и не позволяет отломиться петле до полной выработки элемента бронефутеровки. Добавлены ребра, что придает конструкции большую жесткость, и в целом облегчает установку и снятие, а также увеличивает срок службы элемента футеровки. Для обеспечения полной взаимозаменяемости деталей элементов футеровки с оригинальными, установочные размеры элемента футеровки не изменяли.
Применение формовки не требующей термической сушки литейной формы актуальный вопрос технологии литья. Отличие опробованной в условиях ООО «Амурметалл-Литьё» технологии также в том, что перед установкой стержней в литейную форму устанавливается чугунный холодильник для организации направленной кристаллизации и улучшения теплоотвода. Каждый холодильник окрашивается алюминиевой краской. Далее в форму устанавливаются стержни и в канале коллектора размещается модификатор.
При изготовлении стержней используется смесь из хромомагнезита, для других частей формы - единая жидкостекольная формовочная смесь и формовка на формовочной машине 234М. После снятия полуформ с машины и продувки С02 части формы и стержни красят быстросохнущей циркониевой спиртовой краской. Перед сборкой формы в коллекторе размещают модификатор.
Отделение огневой резкой элементов литни-ково-питающих систем от закаленных отливок вызывает необходимость проведения повторной термической обработки - закалка на аустенит с температурой нагрева 1250 °С.
Для выплавки стали 110Г13Л в качестве шихтовых материалов традиционно используется возврат собственного производства, стальной лом, чушковый чугун и ферросплавы.
Выплавка стали марки 110Г13Л в электродуговой печи ДСМ-3М методом окисления отличается тем, что шихту подбирают таким образом, чтобы содержание углерода по расплавлению было выше верхнего предела на 0,3 ± 0,15 %. В металлическую часть шихты сортируют 20 - 30 % металлолома мелкого, 40 - 60 % металлолома среднего, 20 - 30
Magyar Tudomanyos Journal # 43, 2020 % металлолома крупного. На дно завалочной корзины помещают металлолом: мелкий, затем тяжелый и средний, а наверх - снова мелкий стальной металлолом и чугун. Бой электродов или кокс загружают на подину печи перед завалкой. Известь свежеобожженую с количеством непогашенных зёрен не более 3 - 5 % присаживают перед завалкой шихты в печь в количестве 2 - 3 % от массы завалки. Включение печи «на расплавление» ведут на средней ступени напряжения, а после проплавле-ния колодцев под электродами, трансформатор переключают на максимально допустимую мощность. После полного расплавления отбирают пробу металла ПР1 для определения химического состава расплава и пробу шлака для определения основности и содержания в нем оксидов марганца и железа. Далее проводят либо рудное кипение металла, в процессе которого частично снижаются концентрации углерода и фосфора в расплаве, либо углерод выжигают кислородом. Для проведения рудного кипения в печь подают окислитель - окалину прокатных цехов в два-три приема из расчета 13 - 20 кг на тонну шихты. На каждые 10 кг окислителя вводят 5 кг извести. Образующийся жидко-подвижный шлак скачивают самотеком или посредством скребка и наводят новый в течение всего рудного периода. Спустя 15 мин после начала рудного кипения с интервалом в 10 мин отбирают пробы металла для определения его химического состава и расчета скорости выгорания углерода и дефосфорации. При достижении концентрации углерода выше верхнего предела на 0,05 % прекращают подачу окислителя в печь. После окончания рудного кипения шлак скачивают полностью и начинают период чистого кипения. Новый шлак наводят путем присадок извести и плавикового шпата в соотношении 4:1 из расчета получения 2 -3 % шлака от массы металла и основности не менее 2,0, в противном случае применяют меры по его корректировке. Задачей периода чистого кипения является получение требуемого содержания углерода в металле, удаление неметаллических включений и газов. В течение всего периода отбирают пробы металла и шлака для контроля содержания углерода и марганца в металле. Следующим технологическим этапом является раскисление металла и шлака. Сначала в ванну вводят 50 - 60 % расчетного количества ферромарганца, далее ферросили-коалюминий из расчета ввода 0,2 - 0,3 кг кремния на тонну металла и через 5 - 7 мин подают ферросилиций ФС45 или ФС65 из расчета получения заданного количества согласно марке стали. Затем через 5 - 7 мин вводят оставшееся количество ферромарганца. В случае, если концентрация кремния в металле находится ниже допустимой, то ферросилиций вводят непосредственно в ковш. Обработку печного шлака проводят раскислительной смесью состоящей из извести, ферросиликоалюминия или ферросилиция, кокса молотого, плавикового шпата. Дополнительно шлак раскисляют гранулированным алюминием, сечкой или другими алюминий-содержащими материалами. Окончив выплавку, от-
Magyar Tudomanyos Journal # 43, 2020 бирают пробу расплава для определения его химического состава, после чего производят либо корректировку, либо выпуск металла. В процессе выпуска расплава на его струю подают алюминий из расчета 0,8 - 1,2 кг/т стали. После наполнения разливочного стопорного ковша отбирают пробу ПР2 для определения химического состава плавки. Готовую к сливу плавку держать в печи более 15 мин не рекомендуется из-за изменения химического состава и температуры.
Первая стадия выплавки стали 110Г13Л методом переплава - расплавление шихты. Процесс по методу переплава ведется под белым шлаком без окисления металлической ванны, без полного скачивания окислительного шлака. К моменту полного расплавления металл должен быть покрыт шлаком. Для корректировки качества шлака используются известь и бой шамотного кирпича. В конце расплавления шихты в печь присаживается на каждую тонну жидкой стали 10 - 15 кг извести и 3 -5 кг восстановительной смеси, состоящей из мелкого ферросилиция и молотого кокса КМ 2 в соотношении 1:1. После полного расплавления шихты и прогрева металла ванна печи тщательно перемешивается металлическим скребком и отбирается предварительная проба «ПР 1»: а) для определения содержания С и Р; б) проба в стержневой стаканчик - для определения содержания Si, Mn, Cr, Cu спектральным методом. Проба в стержневой стаканчик после затвердевания освобождается от стержня и затем охлаждается в воде. Если получено повышенное содержание Si в предварительной пробе, то снижение его производится за счет скачивания не менее 50 % шлака и наведения нового. При получении в предварительной пробе содержания С более 1,5 % или Р более 0,12 % производится разбавление металла за счет добавки сухого низкоуглеродистого лома вручную через завалочное окно. При получении стали с завышенным содержанием Cr, Ni, Cu, металл следует слить в ковш и разлить по печам, если это разбавление обеспечит получение стали без отклонений по химическому составу. В противном случае расплав разливают на слитки, которые складируют с указанием на прикрепленной бирке химического анализа и учитывают в составе металлолома. Доводка плавки по химическому составу начинается с того, что после отбора первой пробы металла на экспресс-анализ в печь периодически до выпуска плавки присаживается сухая восстановительная смесь. После введения восстановительной смеси через рабочее окно ванна выдерживается в течение 6 - 8 мин. По окончании выдержки ванны металл и шлак тщательно перемешиваются, и отбирается проба шлака на раскисленность. Шлак при остывании должен рассыпаться в белый или серый порошок. Если белый или серый рассыпающийся шлак получить не удалось, то следует повторить присадку в печь на шлак восстановительной смеси с последующей выдержкой ванны в течение 6 - 8 мин. Одновременно с пробой шлака отбирается проба металла на температуру. Металл в ложке должен быть полностью открытым, а ложка полной. Образование пленки в ложке должно быть через 45
- 55 с, что соответствует 1520 - 1550 °С. Общее время выдержки металла под восстановительным шлаком должно быть не менее 35 мин. После рафинирования ванны под шлаком производят корректировку металла по химическому составу высокоуглеродистым ферромарганцем и силикомарган-цем. Силикомарганец считается хорошим комплексным раскислителем, минимально загрязняет сталь продуктом раскисления, поэтому, если позволяет содержание Si в стали, предпочтительнее использовать силикомарганец. Периодический контроль качества шлака и температуры металла продолжается вплоть до выпуска плавки. После корректировки по химическому составу и тщательного перемешивания ванны отбирается на повторный химический анализ проба «ПР 2» для определения содержания Si и Мп, а в случае необходимости и других элементов. Температура выпуска расплава из печи 1490 - 1500 °С приводит к потерям металла в настыли на ковше, но перегрев металла до температур выпуска обычных углеродистых сталей ведёт к получению дендритной структуры в отливках, поэтому для сокращения потерь металла и повышения количества плавок в компании производят подогрев ковшей пламенем длин-нофакельной газовой горелки сверху на специальном стенде. Выпуск плавки следует производить при образовании плёнки в ложке через 60 - 70 с.
Исследование наличия остаточного содержания алюминия в стали 110Г13Л показало, что алюминий присутствует в основном в виде оксида алюминия остроугольной формы.
После замены технологии ввода модификатора в стопорный разливочный ковш на внутриформен-ное модифицирование оптимизировали расход модификатора. Расход модификатора после оптимизации понижен на 25 %, а температура заливки металла повышена с 1450 °С до 1500 °С, что позволяет выпускать расплав из печи со значительным перегревом и сокращает потери металла в настыли. Повышение температуры выпуска расплава из печи оправдано не столько увеличением количества элементов литниково-питающей системы, сколько продлением срока службы разливочных ковшей.
Комплексный подход в разработке рациональной технологии изготовления элементов бронефу-теровки из износостойкой стали 110Г13Л заключается в обеспечении качества и снижения себестоимости литья на этапах проектирования конструкции отливки, выплавки металла, разливки, финишных и отделочных операций.
Расход модификатора, после замены технологии ввода модификатора в стопорный разливочный ковш на внутриформенное модифицирование, понижен на 25 %. Одновременно температура заливки металла в форму повышена с 1450 °С до 1500 °С, что позволяет выпускать расплав из печи со значительным перегревом и сокращает потери металла в настыли. Повышение температуры выпуска расплава из печи до 1520 - 1550 °С оправдано увеличением количества элементов литниково-питаю-щей системы и продлением срока службы разливочных ковшей.
Список литературы
1. Давыдов Н.Г. К вопросу повышения качества отливок из высокомарганцовистой стали 110Г13Л / Давыдов Н.Г., Благих Б.М., Бигеев А.М. // - Томск : изд-во ТГУ, 1972. - 139 с.
2. Ершов Г.С. Физико-химические основы рационального легирования сталей и сплавов / Ершов Г.С., Ю.Б. Бычков // - Москва : Металлургия, 1982. - 360 с.
3. Черняк С.С. Влияние дополнительного легирования и упрочняющих обработок ВТМО
Magyar Tudomanyos Journal # 43, 2020 НТМО ТЦО ИМО на структуру и свойства высокомарганцевых сталей / С.С. Черняк, В.Л. Бройдо, Л.Е. Агрызков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование - Иркутск: изд-во Ир-ГУПС - 2016. №1- С. 79-89.
4. Черняк С.С. Повышение эксплуатационной стойкости конструкций и деталей горных машин в условиях Севера / Черняк С.С., Бройдо В.Л., Бигеев А.М. // - Иркутск : изд-во ИГУ, 2001. - 352 с.
