Способ модифицирования чугуна

 

Использование: для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Сущность: сфероидизирующее модифицирование чугуна соединениями магния с восстановителями осуществляется восстановлением оксида магния кремнием, содержащимся в чугуне, при температуре 1653 - 1753 К. В качестве источника оксидных соединений магния может служить футеровка разливочного ковша или ее отдельные части. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам получения чугуна с шаровидным графитом.

Основным модифицирующим элементом при получении чугуна с шаровидным графитом является магний. Обработка чугуна магнием сопровождается обычно образованием паров высокой упругости, что требует создания специальных устройств или применения низкопроцентных (по магнию) лигатур во избежание большого пироэффекта и выплесков металла. Ввод магния в чугун в виде химических соединений с восстановителями исключает процесс кипения магния. Выделяющийся в результате реакции восстановления атомарный магний находится в состоянии высокой химической активности и интенсивно взаимодействует с компонентами чугуна, не накапливаясь в самостоятельную фазу.

Известен способ ввода хлоридов и фторидов магния с силикокальцием или другими восстановителями в жидкий чугун (прототип), который обеспечивает протекание реакций восстановления магния: MgCl₂ + CaSi₂ Mg + CaCl₂ + 2Si, (1) MgF₂ + CaSi₂ Mg + CaF₂ + 2Si (2) и получение чугуна с шаровидным графитом. Этот способ обеспечивает высокую скорость восстановления магния, так как применяемые компоненты имеют температуры плавления: MgCl₂ 980 К, CaSi₂ 129 К, MgF 1536 К, ниже температур жидкого чугуна при обработке 1573-1673К. Известный способ не получил заметного применения из-за интенсивной возгонки соединений магния в процессе обработки, низкой степени усвоения магния в связи с его окислением с поверхности расплава и неполным восстановлением соединений магния. Разработка процесса обработки чугуна смесью хлористого магния с силикокальцием в турбулентном потоке жидкого металла позволила заметно повысить производительность процесса и степень усвоения магния, улучшить санитарно-гигиенические условия работы. Это дало возможность внедрить процесс при обработке больших количеств чугуна для получения металлургических изложниц на Южуралматзаводе. Однако возрастающие требования экологии, определенный дефицит хлористого магния и силикокальция сдерживают дальнейшее распространение способа.

Цель изобретения исключить трудности, связанные с экологией и дефицитом материалов, упростить и удешевить процесс.

Цель достигается тем, что в качестве соединения магния применяется более дешевый, недефицитный и не поддающийся возгонке оксид магния, а в качестве восстановителя кремний, находящийся в составе обрабатываемого чугуна.

В технологии получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с давних пор и до настоящего времени существует мнение, что для восстановления оксида магния в среде жидкого чугуна нужны температуры выше 1873 К и вакуум на уровне 10^-4 10^-6 мм рт.ст. (Горшков А.А. и др. Справочник по изготовлению отливок из высокопрочного чугуна. М. Машгиз, 1961). Однако в условиях, когда восстанавливаемый атомарный магний интенсивно взаимодействует с компонентами чугуна, не накапливаясь в самостоятельную фазу (т.е. в пределах растворимости магния в чугуне тысячные доли процента), реакция 2MgO + Si_Fe 2Mg_раст + SiO₂ (3) резко сдвигается вправо. Равновесные температуры при атмосферном давлении составляют 900-1000К. Трудности восстановления окиси магния в среде жидкого чугуна нужно отнести только за счет кинетических особенностей процесса. Оксид магния в отличие от хлорида и фторида имеет высокую температуру плавления (3073К), поэтому реакция (3) идет в твердой фазе и с весьма малой скоростью. Для осуществления реакции (3) в жидкой фазе может быть использована смесь из MgO + CaO + SiO₂, эвтектический состав которой имеет сравнительно низкую температуру плавления 1593К. При этом оксид кальция восстанавливается аналогично оксиду магния и дополняет сфероидицирующее действие последнего.

Для повышения эффективности использования присадки дополнительно предложен состав и способ ввода ее, обеспечивающий в процессе восстановления окиси магния и кальция прохождение изменяющегося состава присадки (на диаграмме состояния MgO-CaO-SiO₂) максимально через область наибольшей жидкотекучести. Наименьшие расходы присадки достигнуты (в пределах 2% от массы жидкого чугуна) при использовании смеси 27% MgO + 73% CAO в виде футеровки разливочного ковша.

П р и м е р о с у щ е с т в л е н и я 1. Модифицирующая смесь из оксида магния (обычный металлургический магнезит MgO не менее 88%), оксида кальция (извести, применяемой обычно в металлургии, СаО не менее 97%) и диоксида кремния (обычный формовочный песок SiO₂ не менее 95%) предварительно перемешивалась. В тигле переплавляли чугун состава, С 3,06; Si 2,40; Mn 0,70; Р 0,07; S 0,05. После расплавления металла на поверхность расплава вводилась приготовленная модифицирующая смесь и перемешивалась молибденовым прутком. Температура в процессе обработки колебалась в пределах 1653-1693К, продолжительность составила 30 мин. Перед разливкой добавлялась лигатура ФС30Р3М30 в количестве 0,7-0,8% от массы обрабатываемого чугуна или силикокальций 1% После этого расплав сливали в форму и получаемый слиток подвергали химическому и металлографическому анализу.

В другой серии опытов модифицирующую смесь вводили на дно тигля перед расплавлением чугуна. В третьей серии опытов на дно тигля вводили модифицирующую смесь из магнезита и извести. Продолжительность обработки составила 30-60 мин. Расход модифицирующей смеси в рассмотренных случаях при получении чугуна с шаровидным графитом составил 7-10% Остаточное содержание магния 0,0011-0,0014% содержание серы после обработки 0,014% П р и м е р 2. Модифицирующая смесь из магнезита, извести и формовочного песка приготовлялась в соотношении 1:2,73:2,93. Чугун переплавлялся в тигле состава, отмеченного в примере 1. Перед переплавкой чугуна на дно тигля вводилась модифицирующая смесь. Температура обработки 1653-1693К, продолжительность 30 мин. Перед разливкой добавлялась лигатура ФС30РЗМ30-0,7-0,8% от массы обрабатываемого чугуна. Расход модифицирующей смеси при получении чугуна с шаровидным графитом составил 3,5-4,0% Остаточное содержание магния 0,0011-0,0016% содержание серы 0,014% П р и м е р 3. Модифицирующая смесь из магнезита и извести приготовлялась в соотношении 1:2,70. Она вводилась на дно тигля и накрывалась графитовой сеточкой перед расплавлением чугуна состава, отмеченного ранее. Температура обработки 1653-1693К, продолжительность 30 мин. Перед разливкой добавлялась лигатура ФС30-РЗМЗО 0,7-0,8% Расход модифицирующей смеси при получении шаровидной формы графита составил 2,0-4,0% Остаточное содержание серы 0,014% П р и м е р 4. Из модифицирующей смеси с магнезитом и известью в соотношении 1:2,70 отфутеровывался тигель: частично, только дно, толщиной футеровки на одну порцию обрабатываемого чугуна; полностью, весь тигель, с толщиной футеровки на несколько плавок;
вставкой в него стакана, отдельно приготовленного.

Расплавление чугуна состава, отмеченного выше, производилось как обычно. После расплавления расплав выдерживался в течение 30 мин при температурах 1653-1693К. В процессе выдержки добавлялся ферросилиций марки ФС 75 в количестве 1% от массы чугуна. Перед разливкой добавлялась лигатура ФС30РЗМЗО 0,7% от массы чугуна. Расход модифицирующей смеси для получения чугуна с шаровидным графитом составил 2,0% Результаты экспериментов представлены в таблице.

Положительный эффект применения предлагаемого способа: упрощается процесс обработки расплава и улучшаются экологические условия; снижается расход присадки; исключается применение дефицитных материалов.

Формула изобретения

1. СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА преимущественно в разливочном ковше, включающий введение в жидкий чугун присадок в виде оксидных соединений магния или оксида магния в смеси с оксидом кальция и последующее восстановление в нем магния и кальция восстановителями, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют кремний, содержащийся в чугуне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что присадки используют в виде футеровки разливочного ковша или ее отдельных частей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2