CC BY
13
живая тем самым чрезмерное образование пыли и газов. Окислительный период в завершающей стадии расплавления позволяет экономить электрическую энергию, однако эта экономия себя не окупает, если достигается за счет угара полезных составляющих шихты. В ДППТНП при использовании качественной шихты окислительный период может не проводиться, в этом случае производительность системы пылегазоудаления определяется требованиями первого периода. Значительным преимуществом ДППТНП является отсутствие заметных тепловых потерь с отходящими газами. Это удешевляет систему пы-легазоочистки и позволяет повысить ее эффективность.
Для более крупных печей строительство пылегазоо-чистки потребуется, но ее мощность и производительность уменьшены.
При плавке цветных металлов вредное влияние на экологию при получении высококачественного литья уменьшается за счет резкого уменьшения испарения цветных металлов и их угара. При плавке сплавов на основе алюминия или переработке вторичного сырья высокое качество металла, связанное с глубоким удалением газов и неметаллических включений, достигается без использования хлоро- и фторсодержащих флюсов.
Промышленные характеристики ДППТНП
НТФ "ЭКТА" предлагает реконструкцию действующего парка ДСП любой емкости с реализацией описанных выше показателей. Кроме того, разработан и сертифицирован типовой ряд новых печей, параметры которого также соответствуют параметрам реконструируемых ДСП.
Типовой ряд включает в себя печи ДППТУ-0,5; 1,5; 3; 6; 12; 25 с соответствующей емкостью по стали, чугуну, меди, никелю, кобальту и по сплавам на основе алюминия - 0,5; 1,5; 3; 5; 10 т. Средний удельный расход электроэнергии на расплавление черных металлов - 420-460 кВт.ч/т, сплавов на основе алюминия и меди - 340-380 кВт.ч/т. Удельный расход графитированных электродов -не более 1,5 кг/т жидкого.
Среднее время расплавления под током черных металлов - 35-45 минут, сплавов на основе алюминия и меди 20-30 минут. Пылегазовыбросы из печей, как правило, ниже уровней ПДВ и ПДК при работе с вентиляцией без газоочистки. Угар шихты не выше 1,5 %, потери ферросплавов на 70-95 % ниже потерь в ДСП. Уровень шума на 15-20 дБА ниже шума ДСП.
На базе типоряда могут быть поставлены дуговые миксеры постоянного тока. Для Ярославского моторного завода (ОАО "Автодизель") разработан миксерный агрегат ДМПТУ-12АГ с параметрами: емкость 12 тонн, часовая производительность по чугуну - 40 т, установленная мощность - 4,5 МВА, 2 ванны миксерования.
На ДППТНП возможен переплав любого вида шихты, включая стружку, шлаковые съемы, крупногабаритный лом.
При производстве черных металлов за счет "быстрых технологий", обеспеченных возможностями печей, обработка расплава с окислительным и восстановительным периодами не превышает 30-40 минут.
Как правило, механические свойства металла, выплавленного в ДППТНП, выше механических свойств металлов, получаемых из печей других типов. Основные преимущества ДППТНП перед другими печами следуют из изложенного выше материала.
По желанию Заказчика НТФ "ЭКТА" может разработать ДППТНП любой емкости. Фирма имеет лицензии Госстроя и Госгортехнадзора России на право ведения всего объема проектноконструкторских работ и поставку оборудования с дальнейшим шефмонтажом и пускона-ладкой.
М.Д. Филинков
Курганский государственный университет
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА СЕРОГО ЧУГУНА МОДИФИЦИРОВАНИЕМ SI-РЗМ-ЛИГАТУРОЙ
Приведены результаты исследования влияния редкоземельной лигатуры ФС 50 РЗМ 30 на газосодержание отливок из РЗМ-чугуна. Установлена зависимость степени дегазации расплава от продолжительности выдержки его в ковше, температуры и величины гранул модификатора. Разработана и реализована промышленная технология модифицирования.
Существенное влияние на качество машиностроительной продукции оказывают изделия литейного производства. От качества отливок, оцениваемого уровнем механических свойств, геометрической точностью, газосодержанием металлов, величиной припусков на механическую обработку и усадку, наличием литейных дефектов различного происхождения, в значительной мере зависит объем затрат, производительность труда и себестоимость механосборочного производства. Брак отливок, возникающий в процессе производства, составляет существенную долю в общих потерях металла [1].
Интенсификация технологических процессов, ускоренная разработка и внедрение прогрессивных методов производства высококачественных отливок из конструкционных чугунов с более высокими технико-экономическими показателями по качеству, размерной точности, снижению массы и др. является неотъемлемой задачей специалистов литейного производства.
Трудоемкость заготовительной стадии производства литых изделий в машиностроении составляет около (32-35)% суммарной трудоемкости основного технологического процесса, и доля ее постоянно возрастает [1]. Это подтверждает основную тенденцию развития современного машиностроения к перемещению формообразования деталей из механообрабатывающих цехов в заготовительные, где создаются новые и совершенствуются действующие технологические процессы, обеспечивающие максимальное приближение формы и размеров отливки к готовой детали.
Качество отливок, а соответственно и создание оптимального технологического процесса во многом определяется своевременным устранением вышеназванных причин.
Согласно изложенному целью настоящей работы является обобщение материалов исследования, разработки и промышленного освоения прогрессивной технологии изготовления корпусных отливок из серого чугуна путем его модифицирования малыми добавками Si-РЗМ-лигатуры.
Для получения РЗМ-чугуна при индукционной плавке в расплав исходного серого чугуна марок СГ20, Сг25, ГОСТ 1412-79, вводили лигатуру, выплавляемую на одном из предприятий г. Челябинска (т. 462-13-38) на основе кремния и церия марок ФС (30-50) РЗМ20 по ТУ 14-5167-87, в состав которой входили церий (20%), лантан (6,5%), неодим (3,0%)и празеодим (3,5%).
В процессе работы были установлены некоторые закономерности влияния РЗМ-лигатуры, вводимой в расплав чугуна в количестве 0,08-0,10%, на его газосодержание, структурное состояние, механические свойства и размерную точность отливок.
Температуру расплава измеряли платино-платино-родиевой термопарой погружения и перед введением
РЗМ-лигатуры в количестве 10, 30, 50, 70, 90 Г/100 кГ (по массе) расплава поддерживали в пределах 1390 -1420°С. Для ускорения растворения модификатора и увеличения поверхности взаимодействия его вводили кусочками 3 - 5 мм. Из каждой плавки заливали пробы, в которых определяли содержание газов и твердость по Бри-неллю.
Изменение общего содержания газов при модифицировании жидкого чугуна РЗМ-лигатурой определяли эмиссионным спектральным анализом. Этот метод не позволяет определить абсолютный объем газовых включений в металле, однако с достаточно высокой точностью дает возможность оценить изменение их содержания и в первую очередь кислорода в зависимости от количества вводимой добавки РЗМ-лигатуры и времени выдержки модифицированного расплава в ковше.
На опытных плавках, проведенных в 50 кг индукционной печи, определяли оптимальные технологические параметры модифицирования. Шихтовым материалом является серый чугун следующего состава, %: С = 3,4 -3,8, Si = 1,9 - 2,2, Мп = 0,8 - 1,0, S = 0,04, Р = 0,08.
Малые добавки в жидкий металл РЗМ-лигатуры оказывали существенное влияние на газосодержание: увеличение количества вводимой лигатуры до 1% (весовых) способствовало заметному снижению газосодержания металла, благодаря образованию тугоплавких оксидов и других неметаллических включений, частично всплывающих в шлак.
Анализ качественного изменения содержания газов в чугуне проводили на установке, в состав которой входили спектроскопическая, электрическая и вакуумная части: спектрограф ИСП-51 с фотографической регистрацией спектра, 2-линзевая система освещения, генератор ЭГС-61, работающий в режиме низковольтной искры и осветительной лампы. Вакуумная часть включила герметичную камеру, форвакуумный насос ВН-461, прибор Мак-леода для измерения давления в камере после откачки воздуха, баллон с газом - наполнителем, создающим атмосферу разряда.
Если в исследуемых образцах присутствует газовая составляющая, изменяющаяся в зависимости от исходных факторов свою концентрацию, то имеется возможность качественной оценки уровня ее содержания.
На основании опытных данных установлено, что малые добавки в жидкий металл РЗМ-лигатуры оказывают существенное влияние на газосодержание сплава. Наряду с этим установлена зависимость степени дегазации и количества удаленных газов от времени выдержки в разливочном ковше модифицированного расплава. Увеличение количества вводимой лигатуры до 0,1% (массовых) способствовало существенному ускорению дегазации. Количество удаленных газов при этом возрастает. Этот процесс завершается образованием оксидов и других неметаллических включений, всплывающих в шлак.
Время выдержки расплава, обработанного в ковше РЗМ-лигатурой, в количестве 0,08% (по массе), существенно влияет на изменение количества кислорода, растворенного в чугуне. При выдержке до 4 - 5 мин его содержание снижалось в среднем на 45%. С увеличением выдержки свыше 5 мин содержание газов в расплаве несколько возрастало и затем стабилизировалось.
Введение РЗМ-лигатуры возрастающими от 0,03 до 0,1% добавками способствовало более интенсивной де-азотации. Содержание азота в чугуне также снижалось на 27-30%. Образование стойких нитридов в расплаве происходило при вполне определенном соотношении между концентрациями редкоземельных металлов и азота в чугуне, определяемой константой равновесия
реакции образования нитридов. В связи с высоким химическим сродством РЗМ к кислороду образование оксидов происходило даже при малых добавках лигатуры. Всплывание оксидов в шлак обеспечивало снижение кислорода в чугуне на 40-45% даже при малом содержании РЗМ (0,08%).
Повышенная химическая активность и сорбционная способность редкоземельных металлов по отношению к водороду способствовала уменьшению его содержания в чугуне. РЗМ растворяют водород как при комнатной, так и при высоких температурах.
Рафинирующее воздействие малых добавок РЗМ-лигатуры, приводящее к снижению газосодержания металла, обеспечивало существенное улучшение механических свойств серого чугуна и повышение их равномерности и стабильности.
Установленный характер изменения содержания газов в чугуне, выдержанном перед заливкой заданное время в 100 кг ковше, является следствием частичного поглощения газов из атмосферы и образующейся газовой фазой из продуктов взаимодействия расплава с РЗМ. При этом увеличение времени выдержки приводит к существенному замедлению образования оксидов и нитридов в металле.
Оптимизация продолжительности выдержки модифицированного РЗМ-лигатурой расплава серого чугуна в ковше по газовым раковинам и пористости способствовала некоторому улучшению физико-механических свойств металла.
Анализ кинетических кривых раскисления чугуна показывает, что с увеличением добавки лигатуры процессы протекают более интенсивно и при введении 0,1% лигатуры от массы металла взаимодействие заканчивается уже через 2 - 3 минуты. При этом достигаются минимальные концентрации кислорода в чугуне (0,0022%). Вид кинетических кривых свидетельствует о том, что элементы, входящие в лигатуру, обладают большим сродством к кислороду.
Обращает внимание существенное различие в скорости удаления кислорода. За две-три минуты из металла его удаляется до 85 - 90%. Это обстоятельство, очевидно, косвенно свидетельствует о значительно большей скорости удаления оксидов. Известно, что мелкодисперсные продукты взаимодействия сильных раскислителей с кислородом в условиях конвективного перемешивания достаточно быстро удаляются из металла. Этот факт подтвержден и в нашей работе.
На основании экспериментальных данных и результатов термодинамического анализа взаимодействия РЗМ с примесями чугуна выполнено описание механизма модифицирования чугуна малыми добавками Si-РЗМ лигатуры.
Термодинамический анализ взаимодействия церия с кислородом расплава показал, что в жидком чугуне возможно образование оксидов церия даже при незначительных добавках РЗМ в металл. Более того, реальные концентрации примесей в металле (0,1%S, 0,015%О и 0,003%^ обеспечиваются ничтожными концентрациями РЗМ в металле (< 10-6%). Опытные плавки, проведенные с целью определения остаточных концентраций РЗМ в металле, показали, что при добавках лигатуры 0,01 -0,1 % от массы металла остаточная концентрация РЗМ составляет 0,002 - 0,005%. Учитывая, что эти содержания значительно больше равновесных, а также принимая во внимание, что метод определения РЗМ в металле дает только их общее содержание в растворе, следует предположить, что в расплаве РЗМ практически не остается, и они находятся в неметаллической фазе. Анализ
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4
67
кинетических кривых удаления кислорода показал, что оксиды удаляются практически полностью, и процесс заканчивается через 2 - 3 мин при введении 0,1% лигатуры.
Содержание кислорода в исходном чугуне составляло 0,015%. Для определения оптимальной дозы вводимого модификатора его количество изменяли от 20 до 100 г на 100 кг металла.
[Се, %]-103
1
6
5
0 2 4 6 8 х-102, %
Рис. 1. Зависимость остаточной концентрации РЗМ от количества вводимой лигатуры
В большинстве работ, посвященных модифицированию редкоземельными элементами, последние рассматриваются как расчетные технологические добавки, без учета их остаточного содержания в металле. Это не позволяет сделать надежные выводы о влиянии определенного количества РЗМ на свойства металла. Остаточные содержания РЗМ в металле определяли химико-спектральным методом, предусматривающим значительное повышение абсолютной чувствительности линий РЗМ в спектре. Заштрихованная область на рис.1 соответствует остаточным концентрациям РЗМ в чугуне в зависимости от количества вводимого модификатора после трехминутной выдержки металла в печи. Существенно маленькие остаточные концентрации РЗМ в жидком чугуне и специальные меры предосторожности, принятые для того, чтобы избежать окисление лигатуры за счет атмосферы печи (погружение лигатуры в патронах на дно печи), свидетельствует о том, что РЗМ энергично провзаимодей-ствовали с примесями чугуна.
Специальную серию плавок проводили с целью изучения кинетики процессов раскисления чугуна малыми добавками лигатуры. Пробы металла отбирали кварцевыми трубками при температуре чугуна 1380 - 1400°С. На рис. 2 представлены характерные кинетические кривые раскисления чугуна РЗМ-лигатурой, из которых следует, что ее увеличение способствует более интенсивному протеканию процесса. И наконец, обнаружено значительное влияние температуры на эффективность мо[О, %]103 дифицирования. При нагреве чугуна до 1400 - 1410°С наблюдается наибольший модифицирующий эффект. Последнее также может найти объяснение, если принять, что механизм модифицирования связан с образованием взвеси неметаллических включений в расплаве. При температуре 1340 - 1360°С чугун представляет двухфазную жидкость, содержащую нерастворившиеся графитовые включения, которые подавляют действие образовавшихся мелкодисперсных частиц. При 1400-1410°С
графитовых включений в чугуне значительно меньше и неметаллические включения, образовавшиеся при модифицировании, начинают играть решающую роль при формировании структуры чугуна при затвердевании.
[О, %]-103_
15
0 6 12 18 т-10-1, %
Рис. 2. Кинетические кривые раскисления чугуна лигатурой Si-РЗМ (каждая точка - среднее значение из трех-четырех экспериментов), добавляемой в количестве: 1 - 0,02%; 2 - 0,08%; 3 - 0,10%
Выводы: Таким образом, экспериментальные факты свидетельствуют о том, что механизм модифицирования чугуна малыми добавками РЗМ лигатуры связан с образованием взвеси неметаллических включений, продуктов взаимодействия РЗМ с примесями чугуна, которые являются активными центрами кристаллизации. Это позволило установить оптимальные параметры процесса, выбрать температурный интервал плавки и определить время выдержки расплава после модифицирования.
Список литературы
1. Мосталыгин Г.П., Толмачевский Н.Н. Технология машиностроения. -
М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
2. Рябова Д.З., Гладков М.И. Этелис Л.С. и др. Спектральный анализ
остаточных содержаний РЗЭ в стали. - Заводская лаборатория. -№11. - 1971. - С. 13-36.
3. Куликов Н.С. Раскисление металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 503.
С илл.
С.И. Казаков
Курганский государственный университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РЕШЕТЧАТЫХ МОСТОВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРУБЧАТЫХ ПРОФИЛЕЙ
На кафедре «Технология и автоматизация сварочного производства» ведутся исследования по совершенствованию конструкций автодорожных, железнодорожных стальных решетчатых мостов с пролетами от 30 до 150 метров. Мосты железнодорожные (наиболее совершенные конструкции) таких пролетов возводятся в настоящее время по типовым проектам 1956 года и широко эксплуатируются в России, надежно выполняя свои функции мостовых переходов через небольшие реки на равнинной местности России. Однако конструкции типовых решетчатых мостов, разработанные более 50 лет назад, уже морально устарели.
а
4/1 2 ^
3 /
