CC BY
13ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ДОМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Влияние продувки расплава газообразными веществами на поведение доменного чугуна при термической обработке
В.К. АФАНАСЬЕВ, академик РАЕН, профессор, докр техн. наук,
С.Н. ГОРЛОВА, аспирант, СибГИУ, Е.В. КУЗНЕЦОВА, аспирант, СибГИУ, Б.А. КУСТОВ, генеральный директор ООО «КОВА», В.Н. ТОЛСТОГУЗОВ, директор ОАО «Кузнецкие ферросплавы», г. Новокузнецк
В настоящее время свыше 80% всей продукции доменных печей составляют так называемые передельные чугу-ны, т.е. предназначенные для переработки в сталь. Основным препятствием для использования доменного чугуна в качестве доступного конструкционного материала с требуемыми физическими, химическими и механическими свойствами является наличие в его структуре включений графита. Возможность прямого выделения графита из жидких и твердых растворов долгое время была предметом острых дискуссий. Сейчас нет однозначной трактовки ряда процессов, связанных с графитообразова-нием (графитизация, образование графитных сферокрис-таллов и др.). Таким образом, природа включений графита до сих пор не выявлена и точно известно лишь то, что они уничтожают практически все свойства железа. Именно поэтому стал целесообразным дорогостоящий стальной передел.
Существует многолетний опыт регулирования количества, формы и характера распределения включений графита, предусматривающий, в конечном итоге, применение дефицитных легирующих элементов (Сг, Ni, Мо, V, Ti, Zr, Се и др.).
При анализе формирования свойств чугуна наименьшее внимание уделяе~ся влиянию "газов", т.е. водорода, азота и кислорода. Несмотря на большое количество сведений о значительном влиянии этих элементов [1, 2] на свойства чугуна, они до сих пор рассматриваются как примесные.
В настоящей работе изучалось влияние обработки расплава чугуна азотом и зодяным паром раздельно и совместно на микроструктуру и соотношение структурных составляющих до и после термической обработки. Для исследования был применен доменный чугун следующего химического состава, %: С - 4,2-4,4; Si - 0,7+0,8; Мп - 0,7-0,8; Р - 0,2; S - 0,02; Ti - 0,02; Сг - 0,06; РЬ - 0,002; Zn - 0,002.
Продувка чугуна проводилась в цехе изложниц ОАО «ЗСМК» на специально сконструированной установке. Чугун из доменного цеха поставлялся в цех изложниц и сливался в ковши-отстойники. В ковшах-отстойниках производилась корректировка химического состава путем введения ферросплавов. После окончания корректировки чугун выпускался в 60-тонные разливочные ковши. Температура чугуна для продувки азотом составляла 1280 - 1300°С [3]. После продувки расплава азотом в течение 5, 10 и 20 минут отбирались пробы с кристаллизацией в медной и земляной формах.
Продувка чугуна водяным паром проводилась на том же оборудовании с применением дополнительного устройства, обеспечивающего подачу водяного пара из цеховой магистрали. Падение температуры расплава составляло 2 - 3°С в минуту при продувке через одну фурму и 3 - 4°С в минуту при продувке через две фурмы. Давление пара пе-
6 №2 (27)2005 Й
ред продувкой составляло не менее 3-х атмосфер и постепенно повышалось при погружении фурмы в расплав до 4-х атмосфер и более. При достижении фурмой крайнего нижнего положения сопло ее находилось на расстоянии не более 0,5 м от футеровки днища ковша.
Далее обработка чугуна велась по визуальной оценке перемешивания металла в ковше. Нормальным считалось отсутствие разбрызгивания чугуна и шлака, сопровождаемое бурным выделением спеля. Расход водяного пара не превышал 20-40 м3/час для каждой фурмы. По окончании продувки производился подъем фурмы, и постепенно уменьшалось давление пара перед фурмой до 1,5 атм.
Время продувки водяным паром ограничивалось падением температуры расплава с 1270 до 1220°С и составляло ¿1 мин. Продувка чугуна смесью азота и водяного пара проводилась в течение 5, 10 и 20 минут. До и после продувки отбирались пробы, на которых проводился анализ изменения микроструктуры в сыром и термообработанном состояниях и количественный металлографический анализ на микроскопе "Эпиквант".
Продувка расплава азотом. В микроструктуре проб чугуна, закэисталлизованных в медной изложнице и земляной форме, наблюдалось уменьшение протяженности выделений графита, однако объемная доля графита оставалась практически постоянной вне зависимости от времени продувки. Наследственное влияние обработки расплава проявлялось наиболее ярко при последующей термической обработке. В этом случае наблюдались некоторые особенности изменения микроструктуры в зависимости от скорости кристаллизации. Это, прежде всего, касалось цементита в структуре образцов, закристаллизованных в медной форме и графита - в земляной. В обоих случаях кристаллизации с предварительной продувкой расплава выявлены температурные режимы нагрева и охлаждения, указывающие на принципиальную возможность растворения цементита и графита. Узловыми интервалами температур нагрева являлись 550-600, 700-730 и 900-930°С. Предварительные нагревы с охлаждением с печью и окончательные - с охлаждением в воде дали максимальный эффект уменьшения объемной доли графита. Так, например, совместное использование нагревов в интервале максимальной растворимости азота в железе [4] и перехода Ре(]( —»Ре7 позволили уменьшить объемную долю графита с 17,5% до 8,6% (время продувки 5 мин). Следует отметить, что увеличение времени продувки с 5 до 20 минут оказало стабилизирующее действие на выделения графита.
Продувка расплава водяным паром. Микроструктура чугуна после обработки водяным гаром по описанной выше методике характеризовалась увеличением протяженности выделений графита, изменением основы с ферритной на перлитную и образованием разрозненных выделений цементита (рис. 1). В табл. 1 показано изменение объемной
ДОМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
доли структурных составляющих доменного чугуна без продувки расплава (кристаллизация в земляной форме). Из приведенных данных следует, что повышение темгера-туры нагрева в случае отжига V закалки увеличивает объемную долю графита.
б
Рис. 1 Микроструктура чугуна без обработки расплава (а) и после продувки расплава водяным паром 22 мин (б).
Таблица 1
Влияние термической обработки на соотношение структурных составляющих доменного чугуна (время выдержки при нагревах 1 ч, кристаллизация в земляную форму)
Температура нагрева, °С Охлаждение Объемная доля графита, % Объемная доля основы, %
0 - 15,8 84,2
600 с печью 16,1 83,9
700 с печью 20,0 80,0
800 с печью 16,2 83,8
900 вода 22,2 77,8
1000 вода 26,2 73,8
Таблица 2
Влияние термической обработки на соотношение структурных составляющих доменного чугуна, продуого водяным паром (время выдержки при нагревах 1 ч, кристаллизация в земляную форму)
Температура нагрева, °С Охлаждение Объемная доля графита, % Объемная доля основы, %
0 - 30,7 69,3
600 с печью 14,9 75,1
700 с печью 10,9 89,1
800 с печью 19,8 80,2
900 с печью 21,5 78,5
900 вода 33,4 66,6
1000 вода 28,4 71,6
Продувка расплава водяным паром способствовала увеличению объемной доли графита с 15,8 до 30,7%, но при последующей термической обработке существенно уменьшало ее (табл. 2), т.е., продувка расплава чугуна водяным паром являлась фактором, провоцирующим растворение выделений графита.
Продувка расплава смесью азота и водяного пара. Влияние продувки расплава азотом и водяным паром проявлялось по-разному в зависимости от вида кристаллизации. Охлаждение в земляной форме исключило образование ледебурита и увеличивало объемную долю графита с увеличением времени продувки:
Время продувки, мин 0 5 20
Объемная доля графита, % 7,6 19,2 21,1
При кристаллизации в медную форму после продувки в течение 5 минут твердость чугуна повышалась на 10-12 НРС и продолжала плавно увеличиваться с увеличением времени продувки. Это обусловливалось тем, что продувка смесью азота и водяного пара полностью устраняет выделения графита.
В микроструктуре чугуна без продувки расплава закалка с 900°С при водила к уменьшению размера включений графита, причем часто наблюда лись компактные области с измельченным графитом (рис. 2а). Закалка с 1000°С уменьшила количество грубых выделений графита и общий размер всех выделений. В некоторых участках между выделениями графита повысилась травимость основы и появилась блочная структура, что свидетельствует о растворении графита (рис. 2 б, в). В микроструктуре чугуна, продутого в течение 5 минут и закаленного с 900°С, появились участки наибольшего разложения графита, в основном закалка приводила к образованию только ферритной основы и уменьшению размера графитовых пластин. На рис. За показана основная микроструктура, а на рис. 36 -участки наибольшего растворения графита.
г
Рис. 2 Микроструктура чугуна без обработки расплава после заливки в земляную форму, нагрева и охлаждения: 900°С, 1ч, вода (а); ЮОСГС, 1ч, вода (б, в).
№ 2 (27)2005 7
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ДОМЕ1II1ЫЕ ПРОЦЕССЫ
Повышение температуры нагрева под закалку до 1000°С резко увеличивало растворение графита, что сопровождалось образованием блочной структуры, появлению больших областей компактного графита. В центральной части образцов образовывались зоны с эвтектической структурой. На рис. 4 показана микроструктура приповерхностных слоев (а), переходной зоны (б) и центральной части (в) образцов. Увеличение времени нридувки до 10 мину| и последующая закалка с 900°С приводили к образованию участков мелких включений графита, окружающих крупные включения на ферритной основе (рис. 5 а, б).
Следует отметить, что для всех шлифов из чугуна, закаленного с таких высоких температур, характерно образование микро- и макропористости. Систематические исследования позволили установить факт преимущественного сильного измельчения графита около пор (рис. 5в) Увеличение времени продувки до 10 мин приводило к уменьшению переходной зоны с измельченным графитом и краевой зоны с пластинчатым графитом засчет существенного расширения зоны с эвтектической структурой (рис. 5г).
Рис. 3 Микроструктура чугуна, залитого в земляную форму после продувки смесью азота и водяного пара 5 мин, нагрева до 900°С, 1ч и охлаждения в воде (а, б).
Увеличение времени продувки до 10 минут создает эвтектическую структуру после закалки с 900еС, тогда как после продувки в течение 5 минут она наблюдалась лишь после закалки с 1000°С. Другими словами, увеличение времени продувки расплава до 10 минут снижало температуру начала образования эвтектической структуры.
В микроструктуре чугуна, продутого 20 мин, отмеченные изменения наблюдались в наибольшей мере. Зона эвтектической структуры здесь наибольшая, а по краям шлифов вместо крупных графитовых пластин образовывались области различной конфигурации с очень мелким графитом.
Влияние обработки расплава смесью азота и водяного пара ярко проявлялось для образцов, остывших в земляной форме, после термической обработки.
Рис. 4 Микроструктура чугуна, залитого в земляную форму после продувки смесью азота и водяного пара 5 мин, нагрева до 1000°С, 1ч и охлаждения в воде (а, б, в).
в г
Рис. 5 Микроструктура чугуна, залитого в земляную форму после продувки смесью азота и водяного пара 10 мин, нагреза до 900°С, 1ч и охлаждения в воде (а. б, в, г).
8
№ 2 (27) 2005
САПР
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Так, продувка в течение 20 мин и кристаллизация в земляную форму способствовали значительному растворению включений графита после термической обработки по режиму: нагрев в интервале 600 - 900°С, выдержка 1ч, охлаждение на воздухе.
Объемная доля графита б зависимости от температуры обработки изменяется следующим образом:
Температура нагрева, °С 600 700 800 900
Объемная доля графита, % 10,1 10,2 8,8 8,6
Растворение включений графита происходило плавно во времени и ускорялось с повышением температуры нагрева и увеличением времени продувки. Например, увеличение времени выдержки при 900°С с последующим охлаждением на воздухе изменяло объемную долю графита так:
Время выдержки, мин 15 30 45 60
Объемная доля графита, % 11,4 10,4 10,0 8,6
Результаты металлографических исследований позволили сделать вывод о том, что процесс растворения графита происходит в несколько стадий - от утонения выделений до образования областей значительной протяженности, состоящих из мелких глобулей графита.
В то же время действие продувки расплава смесью азота и водяного пара после высокотемпературной закалки имело обратный эффект: объемная доля графита увеличивалась. Повышение температуры нагрева под закалку до 1000°С несколько уменьшало ее, но не ниже исходного уровня. Так, объемная доля графита уменьшалась с 21% после закалки с 900°С до 14% - с 1000°С.
Растворение графита сопровождалось увеличением дисперсности глобулярных включений графита и образованием участков феррита дендритной конфигурации. Такой тип микрос-руктуры довольно широко распространен и характерен для многих эвтектических модифицированных сплавов. Ярким примером может служить микроструктура эвтектических силуминов. Поэтому по аналогии можно считать, что чугун с грубым пластинчатым графитом (без продувки расплава и высокотемпературного нагрева) -немодифицированный или размодифицированный, а чугун с очень мелким глобулярным графитом и участками феррита дендритной конфигурации - модифицированный.
Вывод. Продувка расплава азотом и водяным паром раздельно и совместно оказывает существенное влияние на поведение доменного чугуна при термической обработке и открывает принципиальную возможность растворения включений графита.
Литература
1. ЛакомскиР В.И., Явойский В.И. Газы в чугунах. - Киев. Государственное изд-во технической литературы, 1960. -173 с.
2. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства железо -углеродистых сплавов. - М.: Металлургия, 1982, - 230 с.
3. Кустов Б.А. Влияние продувки чугуна нейтральными газами на его характеристики / Изв. вузов. Черная металлургия. - 1989. - №8. - С. 111 - 114.
4. Аверин В.В., Ревякин A.B., Федорченко В.И. и др. Азот в металлах. - М.: Металлургия, 1976. - 224 с.
Автоматизация проектирования станочных приспособлений на основе твердотельного моделирования
Б. Б. ИЛЬИЦКИЙ, профессор, доктор техн. наук, БГТУ, а. Брянск
Промышленными предприятиями накоплен немалый опыт автоматизации локальных служб конструкторских и технологических подразделений. Несмотря на ограниченное применение средств САПР в реальной работе, результат очевиден - уровень владения новыми технологиями, знание различных прикладных систем, приобретенный реальный опыт работы плюс сотни (тысячи) разработанных чертежей, управляющих программ, моделей и т.п. Практически на каждом предприятии используются сети, ширится применение телекоммуникационных технологий (электронной почты, ИНТЕРНЕТ), автоматизированные системы проектирования постепенно становятся обычным и привычным инструментом конструктора и технолога. В условиях, когда сроки выполнения задания являются ос-новньм требованием заказчика, конкурентоспособное предприятие немыслимо без соответствующих средств автоматизации. Поэтому применение современных систем моделирования (САР/САМ/САЕ-технологии) различных машиностроительных объектов, процессов их изготовления и технических расчетов гозволяет на более высоком уровне подходить к процессам формирования конструкций технологической оснастки.
Использование САР-систем среднего и высокого уровня, таких как ОМАТРОЫ, воПсМогкБ, ТАехСАР, позволяет
быстро и наглядно построить твердотельную модель оснастки любой степени сложности с ее размерной параметризацией и параметризацией механических, физических и химических свойств. Использование параметризации позволяет создать одну базовую конструкцию, в которой при изменении определенных размеров и свойств меняется конструктивная форма, размеры и свойства. В связи с этим нет необходимости создавать большие электронные базы данных всей номенклатуры технологической оснастки. Возможно постэоение гибридных моделей, выполнение булевых операций над твердотельными объектами и поверхностями. Модели деталей и сборочных единиц могут быть объединены в сборку. Любые изменения, выполненные над редактируемой моделью (деталью), отразятся во всех сборках, содержащих этот объект. Это позволяет, например, при автоматизации сборки станочной оснастки из элементов универсально-сборных приспособлений (УСП) или сборно-разборных приспособлений (СРП), вся номенклатура которых превышает 40 тысяч единиц, быстро и качественно производить подбор определенных компоновок приспособлений с наименьшими за-ратами времени и потерями данных, а также упростить алгоритмы поиска оптимальных решений конструктивногс моделирования с определенными техническими и механическими параметрами.
№ 2 (27)2005 9
*
