Екзотермічна суміш для живлення виливків з високолегованих марганцевих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стаття з теми:

Екзотермічна суміш для живлення виливків з високолегованих марганцевих сталей

Ю.Ю. Жигуц, к.т.н. (Ужгородський національний університет)

Вступ

У 30-x роках минулого століття вперше було запропоновано метод отримання рідкої сталі у результаті горіння термітної суміші [1], а через два десятиліття в роботі М.З. Золковера [2] говориться про одне з перших впроваджень у промислову практику ливарного виробництва алюмінотермічного плавлення сталі та отримання на її основі фасонних виливків. Сучасні дослідження в галузі металотермії значно розширили діапазон синтезованих сплавів [3,4]. Найбільшого поширення термітний метал і екзотермічні суміші для його синтезу набули у технологіях живлення виливків за допомогою термітних ливарних додатків [5,6].

Недоліком існуючих складів екзотермічних сумішей для синтезу високолегованих матеріалів є неможливість їх використання для живлення виливків з високолегованих сталей у зв'язку із значною ліквацією (наприклад, для сталі 110ГІЗЛ). Одночасно потрібно враховувати характерну особливість процесу синтезу - введення лігатури у шихту викликає занадто низькі температури її горіння, інколи навіть недостатні для плавлення глиноземних та кременистих шлаків [6-8]. В той же час існує можливість відновлення легуючих елементів у результаті металотермічних реакцій з більш дешевої і менш дефіцитної сировини.

Завдання роботи полягало в отриманні високомарганцсвої сталі 110ГІЗЛ з металотермічної шихти з добуванням марганцю з відходів виробництва.

Поставлене завдання досягалося таким чином, що екзотермічна суміш для живлення виливків з високолегованих сталей складалася з багатих перекисом марганцю пус'єр-відходів електродугового плавлення високомарганцевої сталі, а також залізоалюмінієвого терміту, додаткової кількості алюмінію у вигляді порошку або стружки або порошку вуглецю.

Матеріали і методика проведення експерименту

Для визначення маси металевого зливка і виходу металу з шихти на першому етапі дослідження були проведені мікроплавлення при масі шихти 250-300 г у металевому тиглі діаметром 80 мм з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Ініціювання процесу горіння проводилося спеціальним титановим запалом, виготовленим з порошку титанового хімічного ПХ-2 ТУ 48-10-78-83. Випробовування на розтяг виконувалося у відповідності до ГОСТу 1215-59 на машині УМ-20, взірців виготовлених з нижньої центральної частини отриманих виливків. Твердість досліджувалася на приладі Роквела за ГОСТом 9012-59.

Металографічні дослідження проводилися на мікроскопі МИМ-8М зі збільшенням у 100-1350 разів. Заготовки для шліфів виготовлялися з головок взірців, вилитих для механічних випробовувань.

Під час виконання роботи були використані матеріали: сажа ацетиленова (технічний вуглець ТУ 14-7-24-80), порошок алюмінієвий ПА-3-ПА-4 (ГОСТ 6058-73), просіяне мливо алюмінієвої стружки та ін. Порошкова шихта просушувалася, перемішувалася і ущільнювалася і після цього розміщувалася у металотермічному тиглі.

У даній роботі використовувалася класична термітна реакція, що ґрунтується окисннені алюмінію і відновленні заліза:

.

Отримання необхідного складу сталі проводилося введенням у шихту домішок вуглецю, легуючих елементів і флюсів.

Для досягнення зазначеної мети були використані у складі металотермічної шихти пус'єри (пил), що вловлюються фільтрами з диму, який виділяється з дугової сталеплавильної печі у процесі плавлення високомарганцевої сталі. Ці пус'єри мають такий хімічний склад (в мас. %): перекис марганцю - 35-40; оксид заліза - 15-25; оксид кальцію - 4-7; інші сполуки.

Даний хімічний склад пус'єр дозволяє скласти на їх основі екзотермічну суміш, здатну самовільно горіти з утворенням рідкої сталі типу 110Г13Л. Відповідні термохімічні розрахунки із урахуванням коефіцієнтів засвоєння компонентів шихти були проведені з використанням спеціально складеної програми. В результаті пропонується екзотермічна суміш, яка складається із (% за масою) залізоалюмінієвого терміту - 70-76; пус'єр - 20,5-25; алюмінієвого порошку - 3,0-3,7; порошку вуглецю - 0,5-0,7. Алюмінієвий порошок у подальшому замінявся мливом стружки, а за вуглець використовувався порошок графіту, сажа та ін.

Адіабатична розрахункова температура горіння зазначеної суміші складала 1840-28900С. При вмісті у суміші менше ніж 21% пус'єр адіабатична температура горіння підвищується, але вміст марганцю знижується нижче від нижньої границі за ГОСТом 2176-77 (менше ніж 11,5%). Це вимагало застосування замість частини пус'єр, що вміщують марганець, феромарганцю. При вмісті ж у суміші понад 25% пус'єр адіабатична температура горіння знижувалася нижче від допустимої (1840), а вміст марганцю перевищував верхню межу за ГОСТом 2176-77 (понад 15,0%).

Задані границі домішок вуглецю у екзотермічну суміш відповідають границям вмісту вуглецю у високомарганцевій сталі (0,9-1,5%) із урахуванням випалу вуглецю, який досягає 7-8,5%.

Границі вмісту алюмінієвого порошку (млива стружки) обумовлені термохімічними розрахунками, виходячи з необхідності відновлення з пус'єр марганцю і заліза (але не інших елементів - алюмінію, кальцію, кремнію та ін.).

Якщо пус'єри мають малий вміст перекису марганцю, то їх можна використовувати, поєднуючи у необхідних пропорціях запропоновану суміш із звичайною екзотермічною легованою сумішшю, залізоалюмінієвим термітом і високовуглецевим феромарганцем або суміші порошків алюмінію та піролюзиту.

Для використаної залізної окалини у термітному процесі вміст сірки і фосфору незначний, що в цілому позитивно впливає на властивості сплаву.

Для взірців, виготовлених з термітної сталі Г13Л, встановлено фізико-механічні властивості, показані в табл. 1, та хімічний склад - табл. 2.

Термічна обробка цієї сталі полягала у гартуванні з 10500С і подальшому охолодженні у воді.

сталь залізо виплавляння пус'єр

Таблиця 1 - Фізико-механічні властивості термітної сталі Г13Л, отриманої в умовах мікроплавлень

У результаті проведених досліджень вдалося отримати високолеговану термітну сталь з відходів металургійного виробництва.

Таблиця 2 - Хімічний склад синтезованої термітної cталi Г13Л (% за масою)

У подальшому у дослідно-промислових умовах були використані пус'єри Чебоксарського агрегатного заводу, що виплавляє сталь 110Г13Л для виготовлення траків гусениць тракторів. Хімічний склад використаних пус'єр (у мас. %): МnО2 - 36,4; Fe2О3 - 19,9; СаО - 5,4; інші невідновні сполуки.

Необхідна домішка алюмінієвої стружки (чистотою 93-95% за металічним алюмінієм) на 1 кг пус'єр визначалася спочатку за стехіометричним складом реакцій (1) і (2) з подальшою корекцією за результатами дослідних мікроплавлень:

3МnО2+Аl=2Аl2О3+3Мn, (1)

Fe2О3+2Аl=Аl2О3+2Fе. (2)

Відомо, що вихід термітного заліза (сталі) зі стандартного залізоалюмінієвого терміту (Fe2О3+Al) складає приблизно 50%.

Тоді, щоб провести навуглецьовування, необхідно було ввести 1,2% вуглецю (у вигляді графіту) з урахуванням випалу вуглецю 7%.

У ливарній лабораторії Чебоксарського заводу промислових тракторів було проведено термітне плавлення на основі шихти зазначеного вище розрахункового складу. Суміш запалювалася порошком титану, який, у свою чергу, підпалювався звичайним сірником.

Титан при цьому спалюється до ТіО2 і не відновлюється алюмінієм і тому потрапляє у шлак, а не до складу термітної високолегованої сталі. Отриманий виливок високомарганцевої сталі масою 1,5 кг був підданий хімічному аналізу, який дав результати, показані в табл. 3.

Таблиця 3 - Хімічний аналіз виливка з високомарганцевої термітної cталі

Як бачимо з табл. 1-3, отримано сталь марки 110Г13Л у межах хімічного складу, регламентованого стандартом з механічними властивостями, не гіршими, ніж у сталі, виготовленої промисловими методами.

Переваги запропонованого способу синтезу високолегованої марганцевої сталі і складу екзотермічної шихти дозволяють: отримувати ремонтне литво зі сталі 110Г13Л (110Г12Л) в умовах майстерень та інших виробничих приміщень, не пристосованих для звичайних методів плавлення сталі, проводити термітне зварювання деталей з високомарганцевої сталі, виконувати живлення виливків з цієї ж сталі за допомогою термітних ливарних додатків.

Проведена експериментальна робота свідчить про широкі перспективи синтезованих сплавів. Враховуючи, що їх спосіб виготовлення має повну автономність, а саме: не вимагає джерел електроенергії, складного обладнання (пристроїв для синтезу, в яких підтримується необхідна температура, тиск і співвідношення реагуючих компонентів), він може широко використовуватися у неспеціалізованому виробництві та інших галузях.

Висновки

Теоретично й експериментально доведена принципова можливість термітного виплавляння високолегованої марганцевої сталі.

Дослідження механічних властивостей термітної сталі показало, що вона відрізняється від аналогічних традиційних сплавів. Ударна в'язкість литої термітної сталі на 14% вища, ніж у чорних сплавів звичайної виплавки. Це, очевидно, пов'язано із дорозкисленням сталі алюмінієм, який входить до складу шихти.

Summary

The synthesis of alloys oп the basis of metallotermy and SHS (self-propagating high temperature synthesis іs described in the paper. The greatest attention is paid to cast higil alloy manganese steels.

The results obtained during investigation of a way of synthesizing, and also the mechanical cliaracteristics of tile synlliesized nialenuls allow discussing on their possible brunches of using. I'or more detail discussing oftlie aspects of synthesis calculating compositions of the burdens and summary delta of output of syntlieslzed alloy out of tile burden are given.

Список літератури

1. Беляев Л.И. Николай Николаевич Бекетов. - М.: Металлургиздат, 1953.- 137с.

2. Фасонное литье из термитной стали/ М.З. Золковер, А.С. Гридунов, С.О. Быльницкий-Бируля и др. -М.: Дориздат, 1950. -48с.

3. Жигуц Ю.Ю., Рибак В.Я. Синтез швидкорізальних сталей "комбінованими" (СВС+металотермія) методами//Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроении. Знание Украины.- 1994.- С. 133.

4. Zhiguts Yu.Yu. Thermit Smelting of Cooper Alloys/Acta metallurgica Slovaca/ Kosice Rosnik 5.- 1999.- №.2.- Р.419-421.

5. Жуков Л.А., Новохацкий В.А., Жигуц Ю.Ю., Гольдштейн В.А. Термитные прибыли для питания отливок из высокопрочного чугуна//Литейное производство.-1988.-№7.-С.32-33.

6. А. с. 548684. - Экзотермическая смесь для обогрева прибыльных частей литейных форм. Б.И., 1978. - №11.-С.29.

7. Жуков А.А., Ильинский В.А., Жигуц Ю.Ю., Костылева JI.B. Взаимодействие и массоперенос в жидком чугуне//Литейное производство.- 1986.- №2.- С. 7-9.

8. А с. 425727. Экзотермическая смесь для легирования чугуна хромом в ковше. Б.И., 1974.- №16.-С. 38.

Размещено на Allbest.ru