Дынин А.Я (НПП Технология),
Мухоморов И.А. (Транспневматика),
Токарев А.А. (НПП Технология)
Аннотация
Технология ковшевого модифицирования, как и многие другие способы обработки металла модификаторами, является восприимчивой к технологическим параметрам. Для получения правильной формы шаровидного графита необходимо учитывать внешние и внутренние факторы.
В докладе перечислены технологические факторы и возможные отклонения от них, описана степень их влияния на форму графита. Проведено условное разделение этих факторов:
- факторы, влияющие в ходе ковшевой обработки (химический состав металла, конфигурация ковша, реакционная камера, укрывной материал, наличие шлака в ковше при обработке, температура металла при обработке, дозирование массы металла);
- факторы, зависящие от модификатора (влияние химического и гранулометрического составов модификаторов).
Раскрывается степень влияния этих факторов на формирование графита в отливках из высокопрочного чугуна, приводятся примеры и последствия их соблюдения/несоблюдения. Раскрывается необходимость в соблюдении технологической дисциплины. Внепечная обработка металла с точки зрения производственного процесса - это технологические операции, имеющие свои контролируемые параметры. Совокупность всех этих параметров складывается в результат – получение отливки с заданными свойствами. В зависимости от того, на сколько широк или узок диапазон этих параметров, зависит воспроизводимость получаемых свойств.
Чем выше требования к производимым отливкам, тем более узкими должны быть технологические параметры процесса внепечной обработки. При не соблюдении этого условия, будут регулярно появляться отклонения в производимых отливках по требуемым свойствам. При этом будет сложно определить, что в большей степени повлияло на появление дефекта, технологические нарушения или применяемый модификатор.
Условным временным пределом внепечной обработки базового чугуна сфероидизирующими модификаторами в ковше является 15 минутный интервал. За это время необходимо произвести обработку базового чугуна модификаторами и осуществить заливку металла в формы. Этот период крайне важен, так как оказывает ключевое влияние на получаемый результат.
В данной статье будет идти речь о внепечной обработке при производстве отливок из высокопрочного чугуна, но ряд этих закономерностей сохраняется и для других марок чугуна. Рассмотрим подробнее, что именно происходит в эти 15 минут.
Традиционно подбирая модификатор ориентируются на стандартный перечень технологических параметров, таких как концентрация серы в металле, температура обработки металла, количество обрабатываемого металла, но существуют и другие параметры, которые необходимо учитывать.
Для начала перечислим факторы и параметры, влияющие на внепечную обработку и раскроем их смысл:
- контроль массы обрабатываемого металла в ковше (количество модификатора постоянно, а в случае, если количество металла изменяется, что снижает расчетное количество вводимого модификатора)
- обработка металла магниевым модификатором при высокой/низкой температуре металла (высокие температуры металла
- размер фракции (крупные частицы модификатора не успевают расплавляться и всплывают. В результате, окончание реакции проходит на “зеркале” металла и не осуществляет его обработку)
- наличие остатков металла в ковше (незначительное количество жидкого металла приводит к спеканию модификатора в “монолитный” кусок, который при взаимодействии с металлом ведет себя аналогично крупным частицам)
- наличие реакционной камеры в ковше, геометрические размеры ковша (высота и размеры ковша должны обеспечивать отсутствие реакции модификатора на зеркале металла)
- количество вводимого модификатора несоответствующее технологическому процессу (в погоне за экономией модификатора устанавливают заниженную навеску модификатора, которой недостаточно для обеспечения устойчивого процесса сфероидизации графита)
- концентрация серы в металле перед обработкой (высокая концентрация серы приводит к нейтрализации магния из модификатора)
- качество укрытия модификатора (использования стружки приводит увеличению количество “шлака” после обработки модификатором)
- скорость наполнения ковша металлом (при слишком интенсивной скорости наполнения ковша металлом, частицы модификатора всплывают и окончание реакции проходит на “зеркале” металла и не оказывает воздействия на металл)
- направление струи металла (место падения струи металла должно обеспечивать турбулентное перемешивание модификатора в расплавленном металле)
- начало обратного отсчета (необходимо вести обратный отсчет времени после окончания реакции модифицирования, а не после установки ковша на заливочное устройство, доставки ковша на плац заливки)
- косвенный показатель остаточного магния (измерение концентрации магния в металле показывает общее количество магния, в том числе соединения магния с кислородом, серой и другими примесями; высокие концентрации магния способствует развитию усадочных дефектов)
- целостность дозирующих тар при объемном дозировании (износ дозирующих емкостей при технологии внутриформенного модифицирования приводит к снижению количества вводимого модификатора). При объемном дозировании необходимо следить за состоянием тар
- скорость ввода порошковой проволоки/соотношения объема металла и конфигурации ковша(скорость ввода проволоки и конфигурация ковша влияют на “зону раскрытия” проволоки, чем ниже “зона раскрытия” проволоки, тем выше усвоение элементов из наполнителя порошковой проволоки);
- сегрегация сыпучих материалов(сегрегация частиц модификатора влияет на крупность частиц и изменение насыпной плотности материалов);
- условия хранения модификаторов(модификатор содержащий в своем составе активные элементы, часть из них взаимодействует с влагой из окружающей среды).
Соблюдение этих параметров в необходимых пределах должно гарантировать получение требуемого результата. Но, на практике иногда получаются иные результаты.
Например, когда внезапно возникает тот или иной дефект в отливке, но при анализе технологических переделов, выясняется, что отклонения отсутствуют. Затем по прошествии короткого промежутка времени этот дефект пропадает так же внезапно, как и появился.
Большинство из вышеперечисленных параметров имеют свой диапазон, который можно измерить и контролировать. Данные диапазоны устанавливаются техническим персоналом в ходе разработки технологии получения отливок. Эти диапазоны, как правило, устанавливаются эмпирическим путем, либо исходя из производственного опыта технического персонала. После установления этих диапазонов они анализируются на протяжении длительного периода времени и утверждаются в технологических инструкциях.
Совокупность параметров с индивидуальными диапазонами складывается в общую устойчивость технологии производства отливок. Чем шире диапазон каждого параметра, тем больше будет разброс окончательных результатов. Причиной этому является, то, что в большинстве случаев устанавливаемый диапазон рассматривается как отдельно взятый и редко в совокупности с другими диапазонами, что не позволяет учесть их возможного совокупного отрицательного влияния.
Для примера можно проанализировать технологические параметры со следующими диапазонами:
- обработка металла в 500 кг ковше
- температура металла при обработке модификатором 1480 – 1530оС
- концентрация серы в металле до обработки модификатором не более 0,02%
- фракция модификатора 1 – 15 мм
- навеска модификатора 10 кг (2% на тонну жидкого металла)
- время доставки обработанного металла к месту заливки 3 минуты
- время разливки металла по формам не более 12 минут
- отбор проб металла для анализа концентрации Mg в металле после окончания реакции модификатора.
Примем за фактические параметры верхние пределы технологических параметров. Внепечная обработка прошла в следующих условиях: контроль массы металла осуществлялся визуально, температура металла при обработке модификатором 1530 оС, концентрация серы 0,02%, транспортировка металла 3 минуты, разливка металла составила 12 минут.
В данной ситуации вероятно развитие следующего сценария: в силу высокого износа футеровки ковша, вместимость ковша составила 570 кг; обработка металла модификатором при высоких температурах приведет к снижению усвоения магния из модификатора; концентрация серы на верхнем пределе приведет к снижению эффективности действия магния при образовании шаровидного графита;
Набор навески модификатора осуществлялся с вновь открытого мешка. В ходе транспортировки по причине сегрегации крупная фракция модификатора оказывается на поверхности биг –бэга, в связи с этим произошло естественное укрупнение фракции в большую сторону. По причине укрупнения фракции модификатор не успеет полностью прореагировать в металле, и окончание реакции произойдет на “зеркале” металла, таким образом, активные элементы не полностью перейдут в металл; время доставки 3 минуты.
При отборе пробы металла для химического анализа металла вначале заливки, анализ пробы металла показал концентрацию магния в интервале 0,04%, учитывая, что анализ металла показывает не “чистую” концентрацию магния, а так же суммирует магний в соединения с серой и кислородом данная концентрация магния может быть недостаточной. На протяжении заливки металла сфероидизирующий эффект снизится до минимума. Как следствие, все это выльется в отклонения по форме графита в отливках заливаемых ближе к окончанию заливки.
Моделировать аналогичные ситуации можно огромное количество раз и в условиях каждого производства их вариации могут быть различны.
Очень важно, что бы технология внепечной обработки обеспечивала получение требуемого результата при любых совокупностях крайних пределов внутри технологических параметров. Только в таком случае, будет обеспечена устойчивость технологического процесса и воспроизводимость результатов.