Влияние способа ввода модификатора и гранулометрического состава на результат модифицирования. Токарев А.А.

Влияние способа ввода модификатора и гранулометрического состава на результат модифицирования. Токарев А.А.

Влияние способа ввода модификатора и  гранулометрического состава на результат модифицирования. Токарев А.А. (Компания НПП Технология).

Разработка технологии модифицирования стали и чугуна включает в себя обоснованный выбор состава модификатора и способа его ввода, который может обеспечить решение поставленной задачи в пределах используемой технологии. К таким, наиболее часто возникающим проблемам, относятся: устранение дефектов газоусадочного характера, улучшение механических свойств отливок, снижение загрязнённости их неметаллическими включениями, повышение хладо - и жаростойкости литья и др.[1].

Технические показатели модифицирования определяются, главным образом, содержанием в металле активных элементов (кальция, РЗМ, магния, титана и др.).

Поэтому разрабатываемая технология модифицирования должна обеспечить решение двух основных задач:

  • максимальное и стабильное усвоение активных элементов жидким расплавом;
  • оптимальные концентраций активных элементов, т.е. оптимизация удельного расхода модификатора.

На основании опыта, полученного сотрудниками Компании НПП в ходе исследовательских работ по внепечной обработке железоуглеродистых сплавов, мы приводим следующие рекомендации:

1. Модификаторы должны присаживаться в предварительно раскисленный металл, чтобы исключить непосредственное взаимодействие активных элементов (Ca, РЗМ и др.) с кислородом расплава и сохранить их для модифицирования неметаллических включений и формирования необходимой структуры металлической матрицы.

Хотелось бы отметить, что при длительном нахождении раскисленного алюминием металла в печи или в раздаточном ковше, особенно с кислой футеровкой при наличии окислительного шлака, химический состав металла к концу разливки может заметно измениться по сравнению с её началом. В частности, происходит увеличение концентрации азота, существенное снижение содержания алюминия и марганца. Может происходить также уменьшение концентрации активных элементов (Ca, РЗМ, Ti и др.), в результате чего эффект модифицирования становится не стабильным или может даже снижаться. Поэтому необходимо предварительно оценить изменение химического состава металла.

2.Следующая рекомендация связана с выбором оптимального гранулометрического состава применяемых модификаторов. Максимальный размер используемого модификатора определяется степенью его усвоения, которая, в свою очередь, зависит от температуры заливаемого сплава, мощности струи, от ёмкости ковша и продолжительности его наполнения. При слишком крупном размере присаживаемых материалов они не успевают раствориться в металле и сгорают на его поверхности в ковше.

Например, при использовании Si-Ca-Ba-cодержащей лигатуры с подачей её в виде крупки в ковши ёмкостью 1,0..1,5т хладостойкость отливок возрастала при переходе от фракции минус 5,0мм к фракции 1,0…10,0мм, а максимальной она была при фракции 3,0…10,0мм; в ”чипсовом” варианте фракция 1,0…15,0 мм оказалась лучше по сравнению с 1,0…10,0мм. Для ковшей ёмкостью 400кг оптимальными оказались фракции 1,0…10,0мм в ”чипсовом” варианте и 0,8…3,0мм - при использовании крупки[1].

3.Третья рекомендация связанна с определением регламента времени присадки модификаторов. При использовании малых ковшей (при коротком сливе) модификаторы задаются в ковш в самом начале выпуска. При наполнении крупных ковшей рекомендуется порционная присадка фракционированных материалов под струю, начиная примерно с одной четверти-трети высоты ковша и заканчивая при наполнении ковша на две трети.

В обоих случаях не допускается предварительная засыпка материалов в горячий ковш, что приводит к преждевременному взаимодействию модификаторов с окружающей средой, их угару и окислению.

По данным Ю.Я. Скока в следствии сильного угара активных элементов, усвоение РЗМ при введении в ковш составляет 10…30%, а кальция всего 3…5%. При использовании для введении в ковш присадок кальция и РЗМ, заформованных в проволоку или ленту, величины их усвоения соответственно возрастают: - 40…50 и 10…15%. При более «позднем» модифицировании и вводе реагентов в изложницу в раздробленном виде с размерами гранул 5…10мм РЗМ усваиваются на 70…80%, кальций – на 20…25%[2].

4) Усвоение многих элементов модификатора находится в прямой зависимости со способом  и местом ввода в жидкий металл.

Для снижения угара элементов и более полного усвоения модификатора при ковшевом методе модифицирования, используются такие технологические приемы, как:

1)принудительные методы ввода модификатора в жидкий металл (на штанге в печь или ковш, «в колокольчике», в виде порошковой проволоки);

2) изменением места ввода ферросплавов - на дно ковша, на струю металла в ходе его разливки, “сэндвич”- процессов и т.п.;

Одним из распространенных методов изменением места ввода модификаторов, с целью повышения усвоения и стабилизации содержания, при производстве железоуглеродистых сплавов, является способ ввода с помещением модификатора на дно разливочного ковша в место противоположное месту падения струи металла, выпускаемого из печи (рисунок 1).

Рисунок 1 Метод введения материалом в разливочный ковш 1 – модификатор;
2 –укрывной материал;
3 – струя стали, выпускаемой из печи;
4- стопор;
5- место падения струи металла [3].

Рисунок 1 Метод введения материалом в разливочный ковш.

Модификатор присыпают небольшим слоем (10-15 мм) прокаленной чугунной дроби или стальной высечки, которая должна предохранить модификатор от преждевременного взаимодействия с расплавом до наполнения ковша. Применение этих технологии обеспечивают увеличение степени усвоения и использования активных элементов.

К одному из  методов  увеличивающему усвоение, относится метод введения легкоокисляющихся добавок (в том числе, содержащих редкоземельные металлы) в металл в ходе его разливки [3]. Данный метод  был разработан и многократно опробован нами, в ходе исследовательской работы в области внепечной обработки стали.

Рисунок 2. Установка для ввода добавок в струю металла в процессе разливки 1 – бункер-дозатор;
2 – материалопровод;
3 – ковш;
4 – струя металла

Рисунок 2. Установка для ввода добавок в струю металла в процессе разливки.

Для проведения операции модифицирования дозатор навешивается на ковш до или после выпуска металла из печи. После выпуска металла в ковш и его транспортировки к месту разливки на дозатор подсоединяется подающая труба, которая подводится к месту выхода струи металла из ковша[3].

Наиболее современным из принудительных методов является, способ введения в жидкую сталь смесей и сплавов в виде порошка, спрессованного в стальную трубчатую оболочку - проволоку. Проволоку вводят в металл находящийся в ковше, с заданными скоростью и расходом материала, при помощи специальных аппаратов (трайб-аппаратов).

Установки обработки проволокой позволяют получать информацию о содержании серы в первичном чугуне, реальном весе чугуна в каждом ковше, температуре чугуна и о содержании остаточного магния для конкретного производства (рисунок 3). Система автоматически рассчитывает оптимальную длину погружаемой проволоки для обработки первичного чугуна на основании результатов анализов, полученных при предыдущих обработках. Поставляются также упрощенные установки с ручным введением данных

Эти операции обеспечивают высокое качество произведенного сфероидального чугуна.

Стандартная установка для обработки порошковой проволоки включает:

  • камеру для обработки чугуна;
  • систему отвода газов;
  • машину для ввода проволоки;
  • компьютер для ввода и обработке данных;

Рисунок 3. Установка для обработки порошковой проволокой

Рисунок 3. Установка для обработки порошковой проволокой

Такой способ ввода предотвращает взаимодействие реагента с расплавом в верхних слоях металла, способствуя плавлению реагента в нижних горизонтах жидкого металла, что увеличивает время контакта и позволяет более эффективно использовать элементы, имеющие низкие температуры плавления, кипения и низкую растворимость в металле. При этом стальная оболочка проволоки при прохождении через слой шлака покрывающего металл, обеспечивает соответствующую жесткость, необходимую для прохождения металлического и шлакового слоев, что позволяет путем изменения скорости введения проволоки, и толщины ее оболочки регулировать глубину погружения модифицирующих и легирующих добавок в металл. Оболочка защищает порошкообразные реагенты от взаимодействия атмосферы, влаги во время хранения и транспортировки, предохраняет от окисления.

Необходимо учитывать, что при длительном хранении на воздухе обычных кусковых модификаторов, содержащих кальций и барий, в результате взаимодействия с влагой атмосферы происходит их разложение с образованием значительного количества мелочи. Это может привести к нестабильности результатов модифицирования. 

Указанным недостатком в меньшей степени обладают быстроохлаждённые (”закалённые”) микрокристаллические модификаторы, имеющие увеличенный (относительно кусковых модификаторов) срок хранения.

5. По нашему мнению, при выявлении преимуществ технологии модифицирования и оценке её технико-экономических показателей целесообразно учитывать следующие рекомендации:

– использование комплексных и фракционированных модификаторов существенно упрощает подготовку материалов к использованию: исключаются операции просушивания, дробления, рассева, смешения отдельных компонентов; устраняются пылеобразование и пожаровзрывоопасность;

– необходимо сопоставительная оценка всего комплекса качественных показателей модифицированного и обычного металла, а также изменений технологии их производства.

 К примеру, при сравнении качества только по величине аустенитного зерна стали 100Г13Л положительного эффекта не наблюдается, более того, при модифицировании его размер может возрасти. Но при этом за счёт очищения границ ударная вязкость отливок существенно повышается [4].

Другой пример. Повышение жидкотекучести модифицированного металла приводит к улучшению его разливаемости, особенно в конце разливки. Одновременно оно позволяет снизить температуру металла и за счёт этого – уменьшает брак по трещинам, устраняет пригар, улучшает качество поверхности отливок, позволяет экономить эл. энергию и др.

Довольно часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда на различных предприятиях казалось бы,  при одинаковой технологии получения железоуглеродистого сплава и применении одного и того же модификатора при равном расходе, дает различные результаты. Причиной этому является то, что при отработке процесса модифицирования приходится учитывать такие влияющие факторы как: место присадки, химический состава первичного сплава, реальный вес модифицируемого металла, количество модификатора, его гранулометрический состав, температуру заливаемого металла, температуру разливочного ковша, время разливки. Положительный результат модифицирования зависит от того на сколько учтены особенностей данного производства.

В заключение хотелось бы отметить, большинство из приведенных выше рекомендаций получены на основе опыта использования комплексных модификаторов производства ООО НПП Технология. Наше организация не только изготавливает лигатуры, самого различного состава, с поставкой готовых к использованию фракционированных материалов требуемом потребителем виде (крупка, ”чипсы”, кусок, порошковая проволока), но и оказывает заказчику инжиниринговые услуги, связанные с испытанием и использованием поставляемых модификаторов.

Литература:

1. Шуб Л.Г., Ахмадеев А.Ю. О целесообразности модифицирования стального литья./ Металлургия машиностроения. 2006. №5.

2. Скок Ю.Я., Мовчан М.Б., Алымов А.А. и др. Модифицирование неметаллических включений в стали 17ГС./ Сталь. 1983. №8.

3. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. -Челябинск, 2006.

4. Аникеев В.В. Промышленные испытания модификаторов при внепечном модифицировании углеродистых, низколегированных, марганцовистых и коррозионностойких сталей в условиях ОАО ”Самарский сталелитейный завод”./ Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей: сб. докладов Литейного  консилиума №1. Челябинск, 2006.


Другие Сталь: