Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Теплофізичні процеси утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТи

Актуальність теми. Розроблена Урядом України стратегія прискорення науково-технічного прогресу передбачає щорічне оновлення номенклатури машинобудівного комплексу на 1,0-1,5 тисяч одиниць і забезпечення високого техніко-економічного рівня і конкурентоспроможності машин і устаткування, що випускаються. У структурі заготовок, які забезпечують машинобудуванні України, виливки займають одне з провідних місць, що складає близько 35-40%.

Чавунні виливки складають більше 75 % світового випуску литва, причому частка виливків з високоміцного чавуну (ВЧ) безперервно збільшується. Це обумовлено тим, що міцностні характеристики ВЧ з кулястим графітом у кілька разів вищі в порівнянні з іншими видами чавунів, а іноді й перевершують властивості сталевих виливків. Теперішнього часу магній є основним модифікатором і входить до складу всіх лігатур, які застосовують для виробництва виливків із ВЧ. Проте, механізм утворення кулястого графіту досі є суперечливим і дискусійним, оскільки жодна з існуючих гіпотез не може пояснити: відсутність кулястого графіту при модифікуванні чавуну в автоклаві з тиском більше за 6·10⁵ Па; демодифікування при підвищеній кількості магнію; демодифікування при тривалому витримуванні розплаву в ковші; збільшення діаметра кулястих включення при тривалій кристалізації виливка; збільшення швидкості ультразвукових коливань у розплаві після модифікування магнієм тощо.

Тому вивчення даного питання є актуальним, особливо це стосується вальцеливарного виробництва України. Обсяг виробництва прокатних валків на ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків» і «Лутугинський державний науково-виробничий комбінат» складає ~ 21 тис. т на рік і продовжує збільшуватися у зв'язку із зростанням виробництва прокату в країні, відновленням експортних можливостей цих підприємств. Основним модифікатором при виробництві прокатних валків із чавуну з кулястим графітом є чистий магній.

Одним із видів браку при виробництві валків є наявність «чорних плям» - скупчень неметалевих включень MgS. Вони виявляються після механічного оброблення виливок у вальцетокарному цеху або при переточуваннях валків на прокатному стані. Через це збільшуються транспортні витрати, зменшується конкурентоспроможність заводу-виробника.

Таким чином, робота, яка спрямована на розроблення нової моделі утворення кулястого графіту, виведення розрахункових формул для визначення теплофізичних параметрів процесу формування зародків кулястого графіту, встановлення причин демодифікування і рекомендацій щодо зменшення браку у виливках із ВЧ, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами держбюджетної науково-дослідної роботи Національної металургійної академії України (тема Г522f20005 «Теплофізичні процеси кристалізації і формоутворення високоміцних чавунів», госрегістрація № ДР 0105U000704).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягала у розробленні теплофізичної моделі формування кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм, встановленні причини виникнення і рекомендацій методів зниження браку по «чорних плямах» у виливках з високоміцного чавуну.

Для досягнення мети в роботі були поставлені наступні завдання:

· розробити модель процесу утворення і зростання кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм;

· вивести розрахункові формули для визначення теплофізичних параметрів процесу формування зародка кулястого графіту;

· підтвердити розроблену модель процесу утворення і зростання кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм експериментальними дослідженнями і результатами робіт інших авторів;

· встановити особливості розподілу неметалевих включень MgS в прокатних валках з високоміцного чавуну, механізм утворення «чорних плям» і запропонувати методи їх зменшення.

Об'єкт досліджень. Процес утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм і неметалевих включень MgS в прокатних валках.

Предмет дослідження. Закономірності теплофізичних процесів утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм і особливості розподілу неметалевих включень MgS в прокатних валках.

Методи дослідження. Теоретична частина базується на теплофізичних розрахунках процесу теплообміну між магнієм, як модифікатором, і чавуном, утворення і зростання кулястого графіту з урахуванням зміни об'єму, тиску і температури, а також на виведених розрахункових формулах для визначення основних параметрів процесу формування зародків кулястого графіту. Експериментальна частина виконана з використанням сучасного устаткування і вимірювальної апаратури, яка пройшла метрологічний контроль. Під час вивчення кількісного розподілу включень MgS на сірчаних відбитках була використана програма Image Expert Pro 2.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

1. Вперше розроблена теплофізична модель процесу утворення і зростання кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм. На відміну від існуючих гіпотез встановлено, що нагрівання, плавлення і перехід магнію в пароподібний стан супроводжуються поглинанням такої кількості теплової енергії з навколишнього розплаву, яка призводить до твердіння і зменшення температури довколишніх об'ємів чавуну до 1103 ⁰С. Затверділий шар чавуну навколо пароподібного магнію кулястої форми створює поверхню розділу фаз і є зародком для подальшого зростання кулястого графіту.

2. Встановлено утворення мікропор кулястої форми в чавуні після модифікування магнієм. До виконання цієї роботи такі експериментальні дані були відсутні. Розміри отриманих пор (від 3 до 5 мкм) використовували для розрахунку процесу зростання кулястого графіту.

3. Вперше виведені розрахункові формули для визначення теплофізичних параметрів процесу формування зародків кулястого графіту. У попередніх роботах з питання формування кулястого графіту не розглядувалися теплофізичні процеси, що відбуваються при модифікуванні чавуну магнієм. Розраховані значення маси і товщини затверділого шару чавуну навколо пароподібного магнію кулястої форми підтвердили розроблену теплофізичну модель утворення кулястого графіту.

4. Вперше встановлені причини збільшення розмірів кулястого графіту при тривалій кристалізації виливків. Раніше цей процес пояснювався тільки з погляду дифузії вуглецю. Виведені розрахункові формули показали, що зменшення тиску в розплаві навколо чавуно-магнієвого комплексу призводить до порушення його стійкості і збільшення розмірів з ~4 до 44…90 мкм або в 11…23 рази у порівнянні з початковим діаметром комплексу після модифікування.

5. Вперше з погляду запропонованої моделі пояснене демодифікування при підвищеному вмісті магнію, при тривалому витримуванні розплаву перед заливанням у форму, вплив тиску і елементів-демодифікаторів на теплові процеси при модифікуванні чавуну магнієм. До виконання даної роботи жодна гіпотеза не пояснювала усю сукупність цих фактів. Розроблена теплофізична модель дозволяє прогнозувати вплив різних чинників на утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну.

6. Вперше кількісним аналізом розподілу включень MgS за сірчаними відбитками по радіусу і висоті прокатного валка масою 2200 кг встановлено спливання більшої частини включень MgS з нижньої шийки, бочки і верхньої шийки валка у надлив. До виконання даної роботи кількісну оцінку розподілу сульфідів магнію у виливках заввишки 2,9 м і такої маси не проводили. Це дозволило встановити точніші значення швидкості низхідних конвекційних потоків уздовж фронту твердіння і запропонувати рекомендації щодо правильного раз рахування шихти плавок для прокатних валків і інших виливків з високоміцного чавуну.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена теплофізична модель дозволяє прогнозувати вплив різних чинників на утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм. Результати досліджень частково впроваджені у вальцеливарному цеху ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків» (Україна, м. Дніпропетровськ): акт впровадження рекомендацій щодо розрахування шихти для плавок прокатних валків із чавуну з кулястою формою графіту від 02.04.2008 р. Крім того, результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес кафедр матеріалознавства та ливарного виробництва Національної металургійної академії України (довідка від 02.06.2008 р.).

Особистий внесок здобувача. За результатами роботи здобувачем опубліковані статті і тези доповідей в співавторстві з науковим керівником та іншими науковими співробітниками. Внесок здобувача був вирішальним при: розробленні моделі процесу утворення кулястого графіту, виведенні формул, виконанні експериментальних досліджень щільності зразків чавуну до і після модифікування, кількісному оцінюванні розподілу неметалевих включень MgS в прокатних валках з ВЧ.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих в співавторстві, полягає в наступному: [1] - розраховування і виведення формул для визначення теплофізичних параметрів процесу формування зародків кулястого графіту; [2] - виконання експериментальних досліджень щільності зразків чавуну до і після модифікування, встановлення впливу модифікування магнієм на щільність вибіленого чавуну; [3] - встановлення впливу процесу твердіння прокатних валків з чавуну з кулястою формою графіту на розподіл сульфідів магнію; [4] - встановлення впливу конвекційних потоків на розподіл включень MgS у виливках з ВЧ; [5] - встановлення процесу твердіння прокатних валків в комбінованих кокільно-піщаних формах на розподіл сульфідів магнію; [6] - розроблення моделі процесу утворення і зростання кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на міжнародних конференціях: «Будівництво, матеріалознавство, машинобудування» (м. Дніпропетровськ, 19-22 квітня 2004); X міжнародна науково-практична виставка-конференція «Литво 2003» (м. Запоріжжя, 12-16 травня 2003); IV міжнародна науково-практична виставка-конференція «Литво-2008» (м. Запоріжжя, 25-27 березня 2008), «Інформаційні технології в металургії і машинобудуванні» (м. Дніпропетровськ, 14-17 квітня 2008).

Матеріали дисертації в повному обсязі обговорені на науковому семінарі кафедри ливарного виробництва Національної металургійної академії України (2 червня 2008 р) і Національно технічного університету України «КПІ» (3 вересня 2008 р).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 6 наукових працях, з них 4 - у фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація викладена на 132 сторінках, містить 12 таблиць, 40 рисунків; складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел із 89 найменувань і трьох додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета роботи, завдання для її реалізації, викладена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також дані щодо апробації результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі проаналізовані літературні дані щодо гіпотез утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм. Однак, жодна з них не може пояснити відсутність кулястого графіту: при підвищеному у декілька разів вмісті магнію; після тривалого витримування між моментом модифікування і заливанням ливарної форми, а також зменшення щільності рідкого чавуну після модифікування магнієм; причини відсутності кулястого графіту при модифікуванні чавуну, що має підвищену температуру.

У другому розділі розглянуті матеріали і методика дослідження. Експерименти щодо визначення щільності чавуну проводили в умовах вальцеливарного цеху ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків». Метал масою ~25 т виплавляли у відбивній печі з кислою футеровкою. Проби чавуну відбирали з ковша до і після модифікування металевим магнієм. Заливання зразків діаметром 35 і товщиною 6 мм здійснювали в мідний кокіль. Щільність чавуну досліджували методом гідростатичного зважування зразків в чотириххлористому вуглеці і на повітрі на аналітичних вагах WA-21.

Для одержання сірчаних відбитків за методом Баумана прокатний валок масою 2200 кг з ВЧ розрізали на диски і подовжні темплети, поверхню яких шліфували. Кількісну обробку розподілу неметалевих включень MgS на сірчаних відбитках здійснювали за допомогою програми Image Expert Pro 2, яка є графічним аналізатором нового покоління.

Мікроструктуру чавунів досліджували на оптичному мікроскопі МІМ-8М і “Neophot” при збільшеннях 12...2500 після електролітичного травлення зразків. Кількісний аналіз мікроструктури зразків(площу, яку займали кулясті включення графіту, їх кількість і середній діаметр) визначали за допомогою цифрової камери і програми Quick PHOTO.

У третьому розділі розглянута теплофізична модель утворення кулястого графіту. Після введення в розплавлений чавун магнію відбувається його нагрівання, плавлення (649 ⁰С) і подрібнення на краплі. Під час переходу магнію в пароподібний стан (1103 ⁰С) частина великих бульбашок магнію з'єднуючись з сіркою і киснем, швидко спливає уверх, здійснюючи одночасно дегазацію металу. Тому хімічне сполучення і видалення поверхнево активних речовин з розплаву призводить до підвищення міжфазного натягу. Перехід магнію, що залишився в чавуні, в пароподібний стан супроводжується поглинанням значної кількості теплової енергії (128 кДж / моль).

При цьому відбувається зменшення температури шару чавуну, прилеглого до рідкої краплі магнію, до температури кипіння магнію (1103 ⁰С). Навколо пароподібного магнію (1) діаметром (Д_{Mg п}) утворюється затверділий шар чавуну (2) (рис. 1 в) товщиною (ДR). Таким чином, в розплаві до твердіння виливка знаходяться комплекси, що складаються з пароподібного магнію і швидко затверділого навколо нього шару чавуну, які й є зародками для подальшого утворення кулястого графіту.

При дослідженні чавунних зразків, залитих у мідний кокіль діаметром 35 і товщиною 6 мм до і після модифікування магнієм на ВАТ «Дніпропетровський завод прокатних валків», були встановлені пори кулястої форми розміром від 3 до 5 мкм (рис. 2).

Для доказу запропонованої моделі приведений розрахунок утворення затверділого шару чавуну навколо магнію. Сумарна теплота (Q_Mg?), що поглинається краплею магнію при її нагріванні та фазових перетвореннях з прилеглого шару чавуну, складає

Q_Mg? = Q_Mg1 + Q_Mg2 + Q_Mg3 + Q_Mg4 , (1)

де Q_Mg1 - теплота, що поглинається краплею магнію з чавуну при її нагріванні від 20 ⁰С до температури початку плавлення (649 ⁰С); Q_Mg2 - теплота плавлення магнію; Q_Mg3 - теплота, що необхідна для перегрівання рідкої краплі магнію до температури кипіння; Q_Mg4 - теплота кипіння магнію.

Загальна кількість тепла, що необхідна для твердіння і охолоджування чавуну до температури переходу магнію в пару (1103 ⁰С), складає

Q_ч? = Q_ч1 + Q_ч2 + Q_ч3 , (2)

де Q_ч1 - теплота, що виділяється при охолоджуванні чавуну від температури перегрівання до початку кристалізації; Q_{ч2 -} теплота, що виділяється при фазовому переході чавуну з рідкого стану в твердий; Q_ч3 - теплота, що виділяється при охолоджуванні затверділого чавуну до температури кипіння магнію.

Якщо зрівняти значення Q_Mg?=Q_ч? , то розрахована маса затверділого шару чавуну (m_ч) біля пароподібного магнію в ~14 разів більша за масу введеного в розплав магнію (m_Mgк)

. (3)

За об'ємом мікропори в реальному виливку визначали масу краплі магнію (m_{Mg к} = m_{Mg п})

m_Mgк = V_Mgп · . (4)

Радіус пароподібного магнію складає

R_Mgп = (5)

Радіус краплі магнію буде

R_{Mg к} = . (6)

Товщина затверділого шару чавуну навколо пароподібного магнію складає

ДR= . (7)

Після підстановки в розрахункові формули відомих значень, встановлено, що товщина затверділого шару чавуну складає ~0,2 радіуса пароподібного магнію, або ~0,34 радіуса початкової краплі магнію.

В процесі твердіння виливка відбувається збільшення розмірів чавуно-магнієвого комплексу. Тиск парів магнію (р₁) врівноважує тиск стовпа металу в ковші (р_м), атмосферний тиск (р₀) і тиск, обумовлений кривизною поверхні бульбашки (р_RM = 2у/R_{Mg п} )

р₁ = р₀+ р_М + р_RM . (8)

Тому при зменшенні тиску в розплаві навколо чавуно-магнієвого комплексу відбувається порушення його стійкості і збільшення розмірів з ~4 до 44...90 мкм або в 11 - 23 рази в порівнянні з початковим діаметром бульбашки після модифікування. Ці розрахункові дані підтверджуються кількісним аналіз мікроструктури зразків з бочки прокатного валка СШХН розміром Ш985х2135 мм на глибині 5, 20, 75, 155 мм від литої поверхні (табл. 1).

Таблиця 1. Кількісний аналіз мікроструктури зразків з бочки прокатного валка розміром Ш985х2135 мм на різній глибині від литої поверхні

Це також підтверджується дослідженнями мікроструктур бочки, нижньої і верхньої шийок чавунного прокатного валка виконання ЛШ-58 з хімічним складом, мас. %: С-3,17; Si-0,89; Mn-0,69; Р-0,19; Si-0,01; Mg_ост-0,04; Fe - решта (рис. 3). У нижній шийки кулястий графіт має правильнішу форму (див. рис. 3 в) в порівнянні з верхньою (див. рис. 3 г), що обумовлене великим тиском стовпа металу в нижній шийки, згідно (8).

Таким чином, із збільшенням тривалості твердіння виливка та інтервалу температур твердіння ліквідус-солідус розмір включень кулястого графіу у виливках збільшується.

Після утворення затверділого шару чавуну (1 на рис. 4) відбувається насичення його пароподібним магнієм. При цьому підвищується активність вуглецю і при температурі 1103 ⁰С знижується розчинність вуглецю, який виокремлюється в самостійну фазу на поверхні розділу затверділий чавун - пароподібний магній (2 на рис. 4). У свою чергу, виокремлення графіту на поверхні розділу фаз створює градієнт концентрацій і направлену дифузію вуглецю із зовнішньої частини затверділого шару чавуну у внутрішню частину чавуно-магнієвого комплексу. При збідненні зовнішнього шару чавуну вуглецем відбувається підвищення температури початку його плавлення і сповільнюється процес підплавлення оболонки чавуно-магнієвого комплексу.

При охолоджуванні виливка до температури ~1103 ⁰С відбувається зворотний процес переходу пароподібного магнію в рідкий стан (див. рис. 4 в). При цьому об'єм, який займе рідка крапля магнію, у декілька разів менший в порівнянні з кулястою порожниною, яку він утворив в пароподібному стані при модифікуванні. Послідовне заповнення порожнини чавуно-магнієвого комплексу графітом сприяє відтисненню рідкої краплі магнію у вільний простір центральної частини чавуно-магнієвого комплексу.

Це підтверджено експериментальними даними, отриманими Львом І.Е. (рис. 5) і Волощенко М.В. (рис. 6). Спектральним аналізом ними виявлений підвищений вміст магнію в центрі кулястого включення, а також в тонкому шарі чавуну, що межує з графітом. У решті частини матриці магній практично відсутній, оскільки при 1103 ⁰С відбувається його кипіння. Таким чином, наявність магнію тільки в шарі чавуну, що межує з графітом, підтверджує існування затверділого шару.

Ващенком К.І. та ін. встановлено (рис. 7), що відразу після модифікування чавуну магнієм відбувається зменшення температури солідус з ~1145 ⁰С до ~1103 ⁰С (див. 2 на рис. 7). Нами це пояснюється тим, що процес переходу пароподібного магнію в рідкий стан супроводжується виокремленням в 20 разів більшої прихованої теплоти пароутворення в порівнянні з прихованою теплотою переходу чавуну з рідкого в твердий стан.

При збільшенні часу витримки розплаву після модифікування відбувається спливання і руйнування оболонки чавуно-магнієвого комплексу, що обумовлює зниження залишкового вмісту магнію в розплаві. Тому температура солідус при збільшенні часу витримування модифікованого чавуну поступово підвищується і досягає значень температур твердіння сірого чавуну (див. 2 і 1 на рис. 7).

У четвертому розділі приведена експериментальна і аналітична апробація гіпотези утворення чавуно-магнієвого комплексу. Згідно з нашими розрахунками після модифікування в чавуні при високій швидкості охолоджування повинні утворитися пори кулястої форми. Для їх визначення досліджували щільність чавуну (12 плавок в умовах ВАТ «ДЗПВ») до і після модифікування за допомогою методу гідростатичного зважування зразків в чотириххлористому вуглеці і на повітрі. Встановлено утворення мікропористості в чавуні після модифікування магнієм.

Дослідження мікроструктури зразків чавуну і розрахунок щільності до і після модифікування з урахуванням зміни хімічного складу чавуну по сірці і магнію за методом адитивності (табл. 2) підтверджують факт утворення мікропористості після модифікуванні чавуну магнієм і висунуту нами гіпотезу утворення кулястого графіту.

Мікроструктура чавуну до модифікування має окремі включення графіту (рис. 8 а, в). Після модифікування структура металу уся біла (див. рис. 8 б, г). Тому щільність чавуну після модифікування відповідно мікроструктурі повинна підвищуватися, оскільки в ній менше графіту. Однак, результати досліджень показують зниження щільності.

Таким чином, приведені вище дослідження мікроструктури також підтверджують факт утворення мікропористості після модифікування чавуну магнієм і висунуту нами гіпотезу утворення кулястого графіту.

Зростання швидкості ультразвукових коливань (УЗК) після модифікування магнієм, встановлене Білаєм Г.Є., Іванушкіним Є.С. та ін., підтверджує утворення чавуно-магнієвого комплексу. При утворенні тільки «бульбашок» або кулястих включень графіту швидкість УЗК повинна зменшитися, а оскільки вона збільшилася, то це можливо тільки при проходженні хвиль по шару затверділого чавуну.

Таблиця 2. Щільність зразків чавуну до і після модифікування за експериментальними даними і за правилом адитивності

Згідно висунутій нами гіпотезі пояснений ефект демодифікування при витримуванні розплаву в ковші більше 8…10 хвилин. Розрахунок за формулою Стокса довів, що спливання чавуно-магнієвого комплексу відбувається впродовж ~7 хв., а розплавлення шару затверділого чавуну навколо пароподібного магнію призводить до появи невиражених форм графіту.

Підвищена кількість магнію при модифікуванні чавуну не призводить до утворення кулястого графіту через збільшення кількості чавуно-магнієвих комплексів, їх коагуляції і збільшенню швидкості спливання з розплаву згідно з розрахунками, виконаними за формулою Стоксу.

Встановлено, що причиною відсутності кулястого графіту при обробленні рідкого чавуну магнієм в автоклаві в разі підвищення тиску більше за 6·10⁵ Па (6 атм) є відсутність теплового ефекту при фазовому переході магнію з рідкого в пароподібний стан. Пояснити це можна, використовуючи експериментально встановлену залежність тиску пари магнію від температури його кипіння при модифікуванні чавуну. При тиску в автоклаві Р = 6·10⁵ Па температура кипіння магнію складе 1480 ⁰С. Таким чином, якщо температура кипіння магнію вища за температуру рідкого чавуну, утворення чавуно-магнієвого комплексу неможливе.

Однією з основних причин впливу хімічних елементів-демодифікаторів на утворення кулястого графіту є позитивні теплові ефекти реакцій їх взаємодії з киснем, що призводить до підплавлення затверділого шару чавуну навколо пароподібного магнію, а отже до порушення формування чавуно-магнієвого комплексу.

У п'ятому розділі розглянуті особливості розподілу сульфідів магнію у виливках з ВЧ. За сірчаними відбитками і макроструктурою встановлені місця зосередження сульфідів магнію, підвищена концентрація яких призводить до утворення браку «чорні плями».

Виконано кількісний аналіз розподілу включень MgS: середній діаметр, площа, периметр. Встановлено аномальне підвищення кількості і площі включень на глибині 20…30 мм від поверхні тепловідводу в кокільній частині бочки валка (рис. 9). Тому при механічній обробці виливків складно виявити такий вид браку як «чорні плями», виявлення яких може відбутися в процесі експлуатації прокатного валка під час його переточування на менший діаметр.

Встановлено, що у відомих літературних даних значення швидкості низхідних конвекційних потоків поблизу поверхні тепловідведення бочки прокатного валка є завищеними. Це підтверджують отримані нами результати досліджень розподілу MgS на сірчаних відбитках і макроструктурі від валка (рис. 10), а також розрахунками за формулами Стокса і Рабиновича.

Кількісний металографічний аналіз показав, що максимальний лінійний розмір сульфідів магнію на глибині 0…20 мм від поверхні тепло відведення на шийках валка складає 0,00170…0,00181 мм. Розрахована швидкість спливання частинок таких розмірів дорівнює 0,0113…0,0128 см/с. При висоті валка 2,9 м тривалість спливання MgS з нижньої шийки складе від 6,3 до 7 годин, а з верхньої шийки заввишки 1,2 м - 2,6…2,8 год. Таким чином, дрібні включення MgS можуть годинами витати в розплаві.

Кількісний аналіз розподілу включень MgS по сірчаних відбитках, знятих з прокатного валка масою 2200 кг, показав, що велика частина включень спливає з нижньої шийки, бочки і верхньої шийки валка в надлив, оскільки в усьому об'ємі нижньої шийки MgS складає 0,17 %, бочки - 0,71 %, верхньої шийки - 1,72 % і надливі - 48 %. Нами рекомендовано при шихтуванні плавок прокатних валків і інших виливків з ВЧ враховувати підвищений у декілька разів вміст сірки в надливі і корегувати кількість магнію, що вводиться при модифікуванні. Також при шихтуванні необхідно враховувати, що у валків, відпрацьованих на виробництві і повернених для переплаву, вміст сірки менший, ніж у хімічному складі, наведеному в паспорті валка.

ВИсновки

У дисертації виконано теоретичне узагальнення і запропоновано нове рішення науково-технічної задачі з виявлення особливостей утворення кулястого графіту при модифікуванні чавуну магнієм та розподілу неметалевих включень MgS в прокатних валках з високоміцного чавуну. Вирішення цієї задачі на базі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень дозволить поліпшити якість чавунних виливків з кулястою формою графіту.

1. Розроблена теплофізична модель формування чавуно-магнієвого комплексу при введенні магнію в чавун. Відмітною особливістю даної моделі є використання теплофізичних процесів нагрівання, розплавлення і переходу магнію в пароподібний стан, а при охолоджуванні виливка враховується зміна тиску в чавуно-магнієвому комплексі і перехід магнію з пари в рідину з виділенням теплоти фазового переходу.

2. Експериментально встановлено зменшення щільності білого чавуну після модифікування на 0,21…0,46%. Металографічним методом виявлено утворення пор кулястої форми розміром від 3 до 5 мкм, які є зародками для подальшого утворення кулястого графіту.

3. Виведені розрахункові формули і встановлені закономірності процесу формування чавуно-магнієвого комплексу. Маса затверділого шару чавуну в ~14 разів більша за масу введеного в розплав магнію, а його товщина складає ~0,2 радіусу пароподібного включення магнію.

4. Встановлено, що в процесі твердіння виливка відбувається зменшення тиску в розплаві навколо чавуно-магнієвого комплексу і це є причиною порушення його розмірів. Тому із збільшенням тривалості кристалізації виливка і інтервалу температур твердіння ліквідус-солідус розмір кулястого включення у виливках збільшується.

5. Обґрунтовано процес послідовного зростання графіту в порожнину чавуно-магнієвого комплексу із зовнішньої поверхні в середину. Він обумовлений насиченням пароподібним магнієм затверділого шару чавуну і зниженням при цьому розчинності вуглецю, який виокремлюється в самостійну фазу на поверхні розподілу затверділий чавун - пароподібний магній. У свою чергу, виокремлення графіту на поверхні розподілу фаз створює градієнт концентрацій і спрямовану дифузію вуглецю із зовнішньої частини затверділого шару чавуну у внутрішню частину чавуно-магнієвого комплексу. При збідненні зовнішнього шару чавуну вуглецем відбувається підвищення температури початку плавлення і сповільнюється процес підплавлення оболонки чавуно-магнієвого комплексу.

6. Встановлено, що при охолоджуванні виливка до температури ~1103^оС відбувається процес переходу пароподібного магнію в рідкий стан, який супроводжується виокремлення в 20 разів більшої прихованої теплоти паротворення в порівнянні з прихованою теплотою переходу чавуну з рідкого в твердий стан, що зіставлюване з графітизуючим відпалом ковкого чавуну. Послідовне заповнення порожнини чавуно-магнієвого комплексу графітом сприяє відтисненню рідкої краплі магнію у вільний простір центральної частини комплексу.

7. З позиції розробленої теплофізичної моделі утворення кулястого графіту пояснено: збільшення швидкості ультразвукових коливань після модифікування магнієм, демодифікування при тривалій витримці розплаву в ковші і підвищеній кількості магнію, причини впливу хімічних елементів-демодифікаторів на утворення кулястого графіту, відсутність кулястого графіту при обробці рідкого чавуну магнієм в автоклаві в разі підвищення тиску більше 6·10⁵ Па (6 атм).

8. У прокатних валках з високоміцного чавуну виявлені місця скупчення сульфідів магнію, підвищена концентрація яких призводить до утворення браку «чорні плями». За сірчаними відбитками і макроструктурою виконаний кількісний аналіз розподілу включень MgS (середній діаметр, площа, периметр) і встановлені зони зосередження усадкових раковин і пористості у виливку прокатного валка масою 2200 кг

9. Встановлено аномальне підвищення «чорних плям» на глибині 20…30 мм від поверхні тепловідведення в кокільній частині ливарної форми, які можуть бути виявлені в процесі експлуатації прокатного валка при його переточуваннях на менший розмір.

10. Металографічним аналізом і розрахунковими методами встановлено, що дрібні включення MgS (0,00170…0,00181 см на глибині до 20 мм від поверхні тепловідведення на шийках валка) можуть годинами витати в розплаві. Результати дослідження розподілу MgS на сірчаних відбитках і макроструктурах зразків від валка, а також розрахунки за формулами Стокса і Рабиновича показують, що у відомих літературних даних значення швидкості низхідних конвекційних потоків поблизу поверхні тепловідведення завищені у 8…11 разів.

11. Встановлено, що велика частина сульфідів магнію спливає в надлив валка, оскільки в усьому об'ємі нижньої шийки кількість MgS складає 0,17 %, бочки - 0,71 %, верхньої шийки - 1,72 % і в надливі - 48 %. Тому хімічний склад чавуну за вмістом сірки, наведений в паспорті валка, завищений, а для надливу - занижений. Запропоновано при шихтуванні плавок виливків з високоміцного чавуну враховувати підвищений у декілька разів вміст сірки в надливі і корегувати кількість магнію, що вводиться, при модифікуванні (акт впровадження на ВАТ «ДЗПВ»).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

графіт чавун кулястий виливка

1. Хрычиков В.Е., Меняйло Е.В., Дейнеко Л.Н. Теплофизические процессы образования шаровидного графита в высокопрочном чугуне // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2008. - №2.- С. 36-40.

2. Влияние модифицирования магнием на плотность отбеленного чугуна / Е.В. Меняйло, В.Е. Хрычиков, Л.Н. Дейнеко, Ю.А. Мушенков // Новини науки Придніпров'я. - 2006. - №5. -С. 28 - 32.

3. Неметаллические включения в отливках из высокопрочного чугуна / Е.В. Меняйло, Л.Н. Дейнеко, В.Е. Хрычиков, С.А. Шубина // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов. - Вып. 27.- ч. 2. -Днепропетровск, 2004. - С. 232 - 236.

4. Влияние конвективных потоков на распределение включений MgS в отливках из высокопрочного чугунка / Е.В. Меняйло, Л.Н. Дейнеко, В.Е. Хрычиков, А.Н. Гавриш // Теория и практика металлургии. -2004.-№5. -С. 7 - 11.

5. Меняйло Е.В., Дейнеко Л.Н., Хрычиков В.Е. Влияние процесса затвердевания отливок в комбинированных кокильно-песчаных литейных формах на распределение сульфидов магния // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Сб. науч. трудов X Международной научно-практической конференции.- Запорожье, 2003.- С. 161 - 164.

6. Хрычиков В.Е., Меняйло Е.В. Теплофизические процессы образования шаровидного графита в высокопрочном чугуне // Литье-2008: IV междунар. научно-практическая выставка-конференция. Запорожье, 25-27 марта 2008.- К.: Редакция журнала «Процессы литья», 2008.- С. 94 - 95.

Размещено на Allbest.ru