ВЫПЛАВКА СИНТЕТИЧЕСКОГО ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ С УЧЕТОМ НОРМЫ РАСХОДА КАРБЮРИЗАТОРОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются методы снижения вредных примесей в составе синтетического чугуна и повышение прочностных характеристик чугуна, для чего 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.

ABSTRACT

This article discusses methods for reducing harmful impurities in the composition of synthetic cast iron and increasing the strength characteristics of cast iron, for which a new method is proposed for smelting synthetic cast iron using scrap steel as charge materials in induction crucible furnaces, including filling the metal charge, together with pig iron, returning its own production, carburizers and ferroalloys for the purpose of carburization and alloying to the required chemical composition.

Ключевые слова: синтетический чугун, доля стального лома, твердость, время плавки, механические свойства.

Keywords: synthetic cast iron, proportion of steel scrap, hardness, melting time, mechanical properties.

Введение. Сущность процесса выплавки синтетического чугуна состоит в металлургическом обогащении жидкого железа углеродом и кремнием в произвольных 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 [1].

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, листовая обрез, стружка и другие низкосортные металлоотходы. В настоящее время использование металла в машиностроении составляет 70 %, т. е. 30% металла идет в отходы, большая часть которых имеет низкую насыпную плотность что затрудняет их дальнейшую переработку [2].

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 [2].

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 [3].

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 промышленной частоты (ИТП). 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 старый 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 (отличная текучесть, малая склонность к усадке и их образованию, малая склонность к напряжениям), а также приемлемые механические свойства и хорошая обрабатываемость. Точно так же его физические свойства и свойства позволяют изготавливать отливки с отличными удельными характеристиками, в частности тепло- и жаростойкие, износостойкие и отливки с особыми физическими 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].

Представлены результаты исследования влияния хрома, молибдена и алюминия на структуру и отдельные механические свойства Ni-Mn-Cu 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 Cr и Mo (степень превращения увеличивалась с увеличением суммарной концентрации обоих элементов). Отливки с наибольшей степенью твердости показали наибольшую твердость, а прирост твердости, вызванный термической обработкой, был наибольшим у отливок с наибольшей степенью превращения аустенита. Добавление Cr и Mo привело к снижению термодинамической стабильности аустенита, поэтому это оказалось благоприятным решением. По этой причине отливки, содержащие наибольшее суммарное количество Cr и Mo с добавкой 0,4 % Al (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. С 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 C, Si, Mn, Al и Zr, участвующих в образовании графита. Концепция в этой статье поддерживает трехэтапную модель зародышеобразования чешуйчатого графита [зародыши типа (Mn,X)S]. В электрическом чугуне есть три важные группы элементов [раскислитель/Mn, S/модифицирующий] и три стадии процесса [перегрев/предварительная подготовка базового железа/окончательная модификация]. Для предварительной обработки расплава железа с целью контроля уровней окисления и/или стимуляции центров зародышеобразования графита использовались различные материалы, включая углеродные материалы и металлургический карбид кремния. Особое внимание уделялось сохранению извлечения Al и Zr в плавильном цехе из-за их влияния на структуру чугуна. Двойная обработка с использованием элементов, образующих сильные оксиды, таких как Al 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 (Mn,X)S, совместимое с графитовым зародыше образователем с меньшим эвтектическим переохлаждением. Обращает на себя внимание обеспечение контрольного коэффициента (%Mn) × (%S) в пределах 0,03‒0,06 при содержании Al и/или Zr в модифицированном сером чугуне 0,005‒0,010%.

Свойственные показатели и способ получения синтетического чугуна. Теоретической основой современной металлургии является физическая химия и особенно ее составные части-термодинамика и кинетика процессов. Синтетическим называют чугун, получаемый в индукционных печах путём переплавки стружки, стальной обрезы и других малоценных отходов с дальнейшим науглероживанием расплава и доведением его химсостава до заданного. При получении синтетического чугуна (СЧ) номенклатура шихтовых материалов и их окисленность влияет на общий угар металла, а также немаловажную роль играет каким способом вводятся ферросплавы и карбюризаторы, температура нагрева и выдержка металла. Известно, что при выплавке синтетических чугунов из чугунной стружки угар метала больше 2-2,5 раза по сравнению с выплавкой из стальной стружки. При этом вводе ферросплавов и карбюризатора в завалку он меньше в 1,3-1,5 раза, чем при вводе в жидкий металл. Это объясняется тем, что стружка всегда в какой-то степени загрязнена, различают весовой и истинный угар металла. По этим данным можно планировать и рассчитывать количество окислов Fe, Mn,Cr, Si вносимых шихтой, а разница относится на засоренность шихты, в этом случаи истинный угар металла меньше на 20-25% [9].

При выплавке синтетических чугунов из стальной стружки составляет от 0,3 до 6,2%, а из чугунной 5,3-9,0%. Если сравнит механические свойства синтетических и ваграночных чугунов с равными углеродными эквивалентами, то можно отметить, зависимость от исходных шихтовых материалов, состава, температуры нагрева и выдержки металла. Так, у чугунов, полученных из стальной стружки, включения графита крупные, изолированные и компактные, либо это очень длинные слабо завихренные пластины с притупленными окончаниями. Напротив, у чугунов, полученных из чугунной стружки, пластины графита мелкие и средние, сильно завихренные, пересекающиеся между собой. Разница в количестве и форме графита при равном углеродными эквивалентами и близких температурах заливки сказывается на механических свойствах: у чугунов, выплавленных из стальной стружки, они более высокие, чем у чугунов из чугунной стружки. С увеличением углеродных эквивалентов прочность при разрыве и изгибе, а также твёрдость уменьшаются, в связи с появлением феррита в структуре стрела прогиба увеличивается. При перегреве чугуна не изменяется прочность при разрыве, но снижается твёрдость, увеличивается прочность при изгибе и стрела прогиба, это можно объяснит с уменьшением в металле неметаллических включений и газовых содержаний, в частности азота [10].

Подготовка печи к предстоящей плавке начинается ещё в период проведения предыдущей плавки. Для сохранения тепла футеровки печи, его рационального использования для нагрева шихты и сокращения периода плавления, необходимо быстро и качественно провести заправку футеровки печи и завалку шихты. Подготовка к плавке включает расчет шихты на конкретную марку стали, точное взвешивание составляющих шихты, проверку наличия и исправности инструмента и машин для очистки и заправки футеровки печи, доставку огнеупорных заправочных материалов, дозировку необходимых ферросплавов и раскислителей, обеспечение графитированными электродами и ниппелями для свинчивания и многие другие операции [11].

Подготовку шихты, ферросплавов, заправочных огнеупорных материалов и необходимого инструмента заканчивают не позднее чем за 1 ч до выпуска предыдущей плавки. Шихтовкой плавки называют составление перечня подлежащих завалке материалов с указанием их массовых количеств, определяемых в зависимости от марки выплавляемой стали. Шихтовку рассчитывают с учетом особенностей действующей технологической инструкции [12].

Необходимым условием для составления шихтовки является знание химического состава компонентов шихты, плановых норм расхода материалов (легированные отходы, ферросплавы, чугун, лом), учёт угара элементов при плавке. Важнейшая операция подготовки шихты к плавке – точное взвешивание ее составляющих [11-13]. На рис. 2. приводится норма расхода карбюризаторов (углеродосодержащих материалов) при выплавке синтетического чугуна в индукционной тигельной печи в виде графиков.

Рисунок 1. Норма расхода карбюризаторов (углеродосодержащих материалов) при выплавке синтетического чугуна в индукционной тигельной печи

Процентная доля стального лома при получения синтетического чугуна имеет важную роль, доля которого не должна превышать 40% от общей массы металлошихты. расхода карбюризаторов (кг) как, электродный бой, графит, кокс, колчедан и нефтяной пек прямо пропорционально доли стального лома в метталлошихте, то есть варьированием этих составляющих метоллошихты можно рассчитать и планировать процесс плавки синтетического чугуна. Полученный материал должен соответствовать по твердости, отбели, газовые поры, шлаковые включения и низкой стойкости футеровки.

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 передельные чугуны, возврат собственного производства, лом стальной и 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.

Таблица 1

Норма расхода карбюраторов с определенной долей стального лома в металлошихте, кг

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 1350^oС 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.

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 1390-1410^oС. По мере осаждения стального лома проводиться подвалка возврата собственного производства с ферросплавами.

Технологическая процесс выплавки синтетического чугуна в индукционной тигельной печи вместимостью 6 т., заключается в том, что перед расплавлением необходимо произвести расчет шихты с учетом доли карбюризаторов, стального лома и ферросплавов. Накоплен большой экспериментальный материал, который в сочетании с теоретическими разработками позволяет на научной основе организовать производство разнообразных чугунных сплавов [14,15].

На рис. 3 представлена технологическая цепочка выплавки синтетического чугуна в индукционной тигельной печи вместимостью 6 т. Рассмотрим технологию выплавки синтетического чугуна.

Загрузка шихты в ИТП до - 5 мин, Шихта состоит из чугунного лома, собственного возврата, стального лома и кокса (состава шихты, % С, Si, Mn, P, S и т.д.). Перед загрузкой шихты необходимо проверить состояние тигля и леточной керамики, работу всех механизмов, систем водоохлаждения и сигнализации. Период расплавления длится - 80 мин (T=1350˚С), при выплавке чугуна в индукционной тигельной печи доля стального лома не должно превышать 40 %. При сравнении чугунов одинакового химического состава. По мере плавления и оседания шихты подгружают часть её (“подвалка”), не поместившуюся при завалке.

Удаление шлака - 5 мин. После расплавление чугуна плавильшик скачивает шлак с поверхности жидкого сплава, и с помощью термопары определяется температура. При достижении температуры 1350 0С, снимается шлак, отбираются пробы из печи на твердость и химический анализ с помощи сухой ложкой и заливают в сухой пробник (состав металла, %С, Si, Mn, P, S и т.д.). Отметим, что при выплавке чугуна в индукционной тигельной печи, предназначенной для выплавки, стали не должна превышать 30% от мощность печи, так как при ускоренном расплавлении металла углерод переходит из свободного в связанное состояние (т.е. образуется цементит Fe3C и карбиды марганца, хрома и т.д), которое приводит к торможению графитизации, что ведет к повышению механических свойств чугуна.

Легирование - 5 мин. При выплавке чугуна в индукционной тигельной печи t перегрева жидкого металла не должна превышать 1400 С. т.к. увеличение t перегрева жидкого чугуна более установленной t, приводит размельчению графитовых включений и увеличению количества связанного углерода, что ведет к повышению механических свойств чугуна. При доводке чугуна в индукционной тигельной печи, необходимо выдерживать нормы по сере и фосфору. Увеличение содержания фосфора, способствует выделению фосфидной эвтектики в виде крупных включений или сетки по границам зерен, которое ведет к снижению механических свойств чугуна (НВ состав металла, % С, Si, Mn, P, S и т.д.).

Выпуск плавки в ковш - 5 мин (T=1340˚±10°С) Время заливки форм определяет при помощи секундомера контролёр ОТК, заливку форм производить полной струей, при подходе металла к прибылям струю уменьшить, чтобы металл заполнял форму постепенно, край носка необходимо очищать от настылей металла при помощи металлического ломика, не допускать попадание шлака в форму при заливке. Заливку чугуна начинать по команде мастера плавильного участка, ковш установить над литниковой воронкой на минимально возможной высоте, но не более 250 мм от нижней кромки ковша, ось отверстия стаканчика должна совпадать с осью стояка формы, во время наполнения форм расплавом разливщик, в зависимости от наполнения воронки, увеличивает или уменьшает скорость заливки регулировкой величины струи.

Рисунок 2. Технологическая цепочка выплавки синтетического чугуна в ИТП вместимостью 6 т.

Разливка чугуна в формы – При заливке форм запрещается: прерывать струю металла; переливать металл через верх воронки; продолжать заливку формы при уходе металла в разъем, под воронку, и в других случаях, ведущих к браку. В середине разливки необходимо взять ковшевую пробу для химического анализа. Температура заливки чугуна 1320±10 ℃.

Экспериментальные исследования физико-химических свойств синтетического чугуна с различной доли стального лома в металлошихте, а также удельный расход электроэнергии на плавку были проведены в производственных условиях в индукционной тигельной печи вместимостью 6 тонн.

Для оценки механических свойств выбран экспериментальный образец с требуемой твердостью от 230 до 300 HB. 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

С помощью графоаналитического метода провели анализ полученных результатов эксперимента зависимости технологических параметров синтетического чугуна от доли стального лома. Анализ показывает, что увеличения доли стального лома в составе металлошихте влияет положительно на твердость экспериментального образца, с увеличением процентного содержания стального лома от 0 до 40% в металлошихте твердость экспериментального образца увеличивается соответственно от 210 до 298 HB. Для достижения требуемой твердости экспериментального образца необходимо иметь в составе металлошихте от 10 до 40 % стального лома.

Заключение

Разработана эффективная технология получения синтетического чугуна в индукционной печи с различной долей стального лома в составе металлошихты. Установлено зависимости удельного расхода электроэнергии, твердости экспериментального образца, продолжительность плавки от процентного содержания стального лома в металлошихте.

Выявлено, что с увеличением стального лома в металлошихте увеличивается время 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.

Список литературы:

1. 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.
2. 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).
3. Бабилюс В.В., Моцкайтис И.И., Жельнис М.В. / Науглероживание и десульфурация синтетического чугуна, выплавленного в печах промышленной частоты. // Литейное производство, 1968.
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. – Т. 18. – С. 321-329.
6. Medyński 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. Futáš P. et al. The GIST of thermal stresses of cast iron castings //Manufacturing technology. – 2013. – Т. 13. – №. 2. – С. 173-178.
8. Riposan I., Chisamera M., Stan S. / Enhanced quality in electric melt grey cast irons // ISIJ international. – 2013. – Т. 53. – №. 10. – С. 1683-1695.
9. Futáš, P., Pribulová, A., Fedorko, G., Molnár, V. / Influence of steel scrap in the charge on the properties of gray cast iron  // (2017) ISIJ International, 57 (2), pp. 374-379. https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/57/2/57ISIJINT-2016-270/pdf
   doi: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-270
10. Shao, S., Dawson, S., Lampic, M. / The mechanical and physical properties of compacted graphite iron // (1998) Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 29 (8), pp. 397-411. http://www3.interscience.wiley.com/journal/60500231/home doi: 10.1002/mawe. 19980290805
11. Balobanov, V., Lindroos, M., Andersson, T., Laukkanen, A. / Crystal plasticity modeling of grey cast irons under tension, compression and fatigue loadings // (2022) Crystals, 12 (2), № 238. DOI: 10.3390/cryst12020238
12. Riposan, I., Chisamera, M., Stan, S. New developments in high quality grey cast irons (2014) China Foundry, 11 (4), pp. 351-364.
13. Alekseevich, K.V., Ivanovich, C.A., Viktorovich, K.V., Sergeevich, M.A., Yurievich, M.I. / Increasing the efficiency of production of synthetic cast iron castings // (2021) Key engineering materials, 904 KEM, pp. 3-8.
14. Turakulov, M., Tursunov, N., Alimukhamedov, S. / Development of technology for manufacturing molding and core mixtures for obtaining synthetic cast iron (2023) // E3S Web of Conferences, 365, статья № 05006.
15. Tursunov, N.K., Semin, A.E., Sanokulov, E.A. / Study of desulfurization process of structural steel using solid slag mixtures and rare earth metals // (2016) Chernye Metally, (4), pp.