способ получения чугуна с вермикулярным графитом

Формула изобретения

Способ получения чугуна с вермикулярным графитом, включающий нагрев расплава чугуна, выпуск расплава в ковш, на дно которого вводят модифицирующие добавки, отличающийся тем, что модифицирующие добавки помещают в карман днища ковша слоями, нижний из которых состоит из вермикуляризирующего комплексного быстроохлажденного модификатора, средний - из графитизирующего модификатора, верхний - из рафинирующего материала, в качестве которого используют железо-кремниевые лигатуры, содержащие редкоземельные металлы, образующие при взаимодействии с расплавом оксиды, причем модифицирующие добавки вводят в количестве от массы расплава: вермикуляризирующий комплексный быстроохлажденный модификатор - 0,4-2,0%, графитизирующий модификатор - 0,1-0,8%, рафинирующий материал - 0,2-0,8%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения высокопрочного чугуна, и может быть использовано при массовом производстве отливок из чугуна с вермикулярной формой графита.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения чугуна с вермикулярным графитом, включающий нагрев расплава в электропечи, выпуск расплава в ковш, первичное модифицирование чугуна путем введения на его дно присадок, содержащих редкоземельные металлы, вторичное модифицирование расплава ферросилицием. Расплав чугуна нагревают в печи до 1500-1550°С, выдерживают в течение 10-20 минут. На дно ковша перед выпуском металла дополнительно присаживают стальную обрезь и ферротитан в количестве, обеспечивающем получение в чугуне остаточного содержания титана 0,07-0,1 мас.% (патент RU 2188240, С21С 1/10). К недостаткам данного способа производства чугуна относится высокий перегрев расплава в электропечи (до 1500-1550°С) и необходимость выдержки расплава при этой температуре в течение 10-20 минут, что ведет к повышенному угару углерода. Эффект модифицирования сохраняется не более 15-16 минут. Чугун, полученный данным способом, имеет низкие механические характеристики (предел прочности при растяжении, относительное удлинение и др.).

Предлагаемое изобретение направлено на создание способа получения чугуна, обладающего высокими физико-механическими свойствами, отличающегося повышенной устойчивостью процесса модифицирования, на увеличение времени сохранения эффекта модифицирования, снижение расходных характеристик модификаторов и температуры модифицирования.

Для решения поставленных задач предлагается способ получения чугуна с вермикулярным графитом, включающий нагрев расплава и выпуск расплава в ковш, на дно которого вводят модифицирующие добавки. Добавки помещают в карман днища ковша слоями, нижний из которых состоит из вермикуляризирующего комплексного быстроохлажденного («чипс») модификатора, средний - из графитизирующего модификатора, верхний - из рафинирующего материала, в качестве которого используют железо-кремниевые лигатуры, содержащие редкоземельные металлы, образующие при взаимодействии с металлом оксиды, причем модифицирующие добавки вводят в количестве: вермикуляризирующий модификатор 0,4-2,0%, графитизирующий модификатор 0,1-0,8%, рафинирующий материал 0,2-0,8% от массы металла.

Способ производства чугуна в вермикулярным графитом основан на применении комплексного быстроохлажденного («чипс») модификатора вермикуляризирующего действия совместно с графитизирующим модификатором и рафинирующим материалом. Предлагается метод модифицирования в ковше. Ковши могут использоваться емкостью от 50 кг до 30 тонн. Схема способа получения чугуна с вермикулярным графитом представлена на чертеже. Очередность введения материалов в ковш: вермикуляризирующий комплексный модификатор, графитизирующий модификатор, рафинирующий материал. При наполнении ковша жидким чугуном, вначале взаимодействие происходит с верхним слоем введенных добавок. В качестве рафинирующего материала используют лигатуры на железо-кремниевой основе, содержащие редкоземельные материалы (типа ФСЗ0РЗМ30, ФСЗ0РЗМ20 и т.д.) фракцией 0,5-20 мм в количестве 0,2-0,8% от массы металла. В результате взаимодействия их с металлом в объеме расплава образуются комплексы оксидов редкоземельных металлов, которые осаждаются на подложках растущей графитной фазы. Ввод рафинирующего материала ниже нижнего уровня (менее 0,2%) не обеспечивает образования достаточного количества оксидов редкоземельных металлов, которые являются инициаторами формирования вермикулярного графита. Ввод рафинирующего материала выше верхнего уровня (более 0,8%) создает повышенное переохлаждение расплава, что приводит к образованию сложных карбидов.

Дальнейшее растворение графитизирующего модификатора обеспечивает создание необходимого количества центров графитизации, что снижает переохлаждение, создаваемое вермикуляризирующим модификатором. Расход графитизирующего модификатора в пределах 0,1-0,8%. Ниже нижнего уровня (0,1%), при колебаниях химического состава исходного чугуна и возрастающих добавках вермикуляризирующего модификатора, возможно образование карбидов. Выше верхнего уровня (0,8%) эффект графитизирующей обработки не усиливается.

Вермикуляризирующий модификатор в количестве 0,4-2,0%, растворяясь в чугуне, формирует вермикулярный графитный каркас на основе центров графитизации с оксидными комплексами редкоземельных металлов, что обеспечивает стабильность процесса. Ввод вермикуляризирующего модификатора ниже нижнего уровня (0,4%) не обеспечивает формирования вермикулярного графитного каркаса во всем объеме чугуна, что недопустимо. Количество вермикуляризирующего модификатора выше верхнего уровня (2,0%) способствует формированию графита в виде шаровидных включений и вызывает склонность к образованию карбидов.

Очередность растворения вводимых добавок обеспечивает устойчивое формирование вермикулярного графита в широком интервале температур исходного чугуна: от 1170 до 1600°С.

Отличие предлагаемого способа производства отливок из ЧВГ заключается в создании в объеме обрабатываемого жидкого чугуна оксидных соединений (оксиды и оксисульфиды) редкоземельных металлов, которые, осаждаясь на графитных включениях при действии вермикуляризирующего модификатора, создают условия стабильного формирования вермикулярного графита в чугуне.

Предлагаемый способ производства отливок из чугуна с вермикуляризирующим графитом может быть использован при плавке исходного (базового) чугуна в дуговых, индукционных электропечах, вагранках (коксовых и газовых), а также в любых сочетаниях дуплекс-процессов.

Расходные характеристики используемых материалов (вермикуляризирующий модификатор, рафинирующий материал, графитизирующий модификатор) определяются исходя из содержания примесей (сера, кислород) в исходном (базовом) чугуне. Время сохранения эффекта вермикуляризирующего модифицирования при данном способе обеспечивается в течение 30 минут с момента наполнения ковша до момента окончания заливки форм. В таблице 1 представлены оптимальные расходные характеристики модификаторов.

Реагенты укладываются в «карман» ковша, сформированного поперечной перегородкой из огнеупорного материала (кирпича). Выпуск металла (исходного чугуна) производится таким образом, чтобы «карман» с реагентами находился ближе к плавильному агрегату, тогда струя металла попадет на стенку ковша, и столб жидкого чугуна плавно «накроет» модификаторы.

Предлагаемый способ характеризуется отсутствием пироэффекта, выплеска металла, стабильностью результатов, простотой и надежностью. В таблице 2 представлены результаты проведения экспериментальных плавок по предлагаемому способу и по прототипу.

Таблица 1
№ п/п	Содержание серы в базовом чугуне, %	Вермикуляризи-рующий модификатор	Расход вермикуляриз. модификатора, %	Рафинирующий модификатор	Расход рафинирующего модификатора, %	Графитизирующий модификатор	Расход графитизирующего модификатора, %
1	До 0,02	Чипс-модификатор	0,4-0,6	ФС30РЗМ30	0,2	ФС75	0,1-0,3
2	0,02-0,04	Чипс-модификатор	0,7-0,9	ФС30РЗМ30	0,3	ФС75	0,2-0,4
3	0,04-0,06	Чипс-модификатор	1,0-1,2	ФС30РЗМ30	0,5	ФС75	0,3-0,5
4	0,06-0,08	Чипс-модификатор	1,3-1,7	ФС30РЗМ30	0,6	ФС75	0,4-0,6
5	Более 0,08	Чипс-модификатор	1,8-2,0	ФС30РЗМ30	0,8	ФС75	0,6-0,8

Таблица 2
№ варианта	Содержание серы в исход. чугуне	Расход вермикуляриз. модификатора, мас.%	Необходимая температура получения ЧВГ, °С	Время сохранения эффекта модифициров., мин	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительное удлинение, %
1	0,01	0,4	От 1170	30	450	2,0
2	0,02	0,6	От 1170	30	450	2,0
3	0,03	0,8	От 1170	30	440	2,2
4	0,04	1,0	От 1170	30	440	2,2
5	0,05	1,1	От 1170	30	430	2,8
6	0,06	1,3	От 1170	30	430	2,8
7 (прототип)	0,02	0,7	От 1500	15	425	0,8
8 (прототип)	0,03	1,0	От 1500	15	410	1,0
9 (прототип)	0,04	1,5	От 1500	15	400	1,5