Влияние технологических отклонений на результат сфероидизирующей обработки

Влияние технологических отклонений на результат сфероидизирующей обработки

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:

  1. 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);
  2. 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:

  1. контроль массы обрабатываемого металла в ковше (количество модификатора постоянно, а в случае, если количество металла изменяется, что снижает расчетное количество вводимого модификатора)
  2. обработка металла магниевым модификатором при высокой/низкой температуре металла (высокие температуры металла
  3. размер фракции (крупные частицы модификатора не успевают расплавляться и всплывают. В результате, окончание реакции проходит на “зеркале” металла и не осуществляет его обработку)
  4. 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)
  5. наличие реакционной камеры в ковше, геометрические размеры ковша (высота и размеры ковша должны обеспечивать отсутствие реакции модификатора на зеркале металла)
  6. количество вводимого модификатора несоответствующее технологическому процессу (в погоне за экономией модификатора устанавливают заниженную навеску модификатора, которой недостаточно для обеспечения устойчивого процесса сфероидизации графита)
  7. концентрация серы в металле перед обработкой (высокая концентрация серы приводит к нейтрализации магния из модификатора)
  8. качество укрытия модификатора (использования стружки приводит увеличению количество “шлака” после обработки модификатором)
  9. 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)
  10. направление струи металла (место падения струи металла должно обеспечивать турбулентное перемешивание модификатора в расплавленном металле)
  11. 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)
  12. 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)
  13. 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
  14. 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);
  15. сегрегация сыпучих материалов(сегрегация частиц модификатора влияет на крупность частиц и изменение насыпной плотности материалов);
  16. 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.


Другие Чугун: