Комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом
Владельцы патента RU 2323270:
Открытое акционерное общество "КАМАЗ-Металлургия" (RU)
Открытое акционерное общество "КАМАЗ" (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составу модификаторов для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом. Комплексный модификатор содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: магний 0,5-10, кальций 0,1-10, алюминий 0,1-10, кремний 30-80, сумма иттрия и церия 0,5-15, марганец 0,1-15, лантан 0,001-10, оксид магния 0,001-5, сумма оксидов РЗМ 0,001-10, железо остальное. Изобретение направлено на стабильность производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, снижение литейных напряжений и повышение теплопроводности чугуна. 2 табл.
Настоящее изобретение относится к черной металлургии, в частности к составу модификаторов для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом.
Известен «Модификатор для чугуна» (а.с. 1590481, МПК С22С 35/00), используемый при производстве чугуна с вермикулярным графитом, содержащий магний, кальций, редкоземельные металлы, алюминий, углерод, цирконий, кремний, железо, азот и титан.
Однако данное изобретение имеет следующие недостатки:
- в составе присутствуют десферодизаторы графита (титан, цирконий), которые, накапливаясь в возврате чугуна, приводят к увеличению расходных характеристик для стабильного получения чугуна с вермикулярным графитом;
- наличие азота ухудшает механическую обрабатываемость чугуна;
- время сохранения эффекта модифицирования не превышает 15 минут.
Заявляемое техническое решение направлено на стабильность производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, снижение литейных напряжений и повышение теплопроводности чугуна.
Для этого комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, содержащий магний, кальций, алюминий, кремний, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит марганец, оксид магния и сумму оксидов РЗМ, а в качестве РЗМ - сумма иттрия и церия и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: магний 0,5-10, кальций 0,1-10, алюминий 0,1-10, кремний 30-80, сумма иттрия и церия 0,1-15, лантан 0,001-10, марганец 0,1-15, оксид магния 0,001-5, сумма оксидов РЗМ 0,001-10 и железо остальное.
Ведение в состав комплексного модификатора для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом магния менее 0,1% не обеспечивает воздействия на образование графита в виде вермикулярной или компактной формы, а при введении магния более 10% происходит формирование шаровидного графита и повышенное переохлаждение в чугуне, что вызывает образование карбидов.
Наличие в составе кальция менее 0,1% не обеспечивает свою основную функцию - связывание серы, как нежелательного элемента в чугуне; наличие же кальция более 10% значительно снижает жидкотекучесть чугуна, повышая шлакообразование.
Содержание алюминия менее 0,1% не обеспечивает необходимого количества центров кристаллизации графита в чугуне, а при содержании алюминия свыше 10% значительно ухудшаются технологические свойства чугуна - жидкотекучесть, формозаполняемость, происходит образование оксида алюминия, вызывающего подкорковую пористость в отливках.
Менее 30% кремния в смеси повышает необходимую температуру чугуна для усвоения модификатора, снижает растворимость и не обеспечивает равномерного распределения в структуре модификатора остальных элементов, введение свыше 80% кремния нецелесообразно, так как ухудшает способ производства модификатора, повышается вязкость при разливке модификатора на кристаллизующие валки, повышается неоднородность структуры модификатора.
В качестве редкоземельных металлов используют иттрий, церий и лантан, при этом количественное значение иттрия и церия объединено общим интервалом (сумма иттрия и церия), а пределы лантана указаны отдельно.
Наличие менее 0,1% суммы иттрия и церия не обеспечивает совместно с магнием формирование вермикулярной формы графита, а более 15% создает значительное переохлаждение в чугуне, в результате чего графит переходит в химические соединения (Fe3С и более сложные карбиды) и прекращается формирование вермикулярного графита.
Добавление в состав лантана менее 0,001% не влияет на видоизменение в чугуне исходной пластинчатой формы в вермикулярную или компактную форму, а добавление более 10% лантана в сочетании с другими активными элементами (магнием, церием, иттрием) нецелесообразно, поскольку качественного улучшения вермикулярной формы графита не происходит.
Введение в состав комплексного модификатора для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом менее 0,1% марганца не обеспечивает основную функцию в составе модификатора - повышение растворимости в чугуне, а при введении более 15% марганца прекращается эффект улучшения растворимости модификатора в чугуне.
Наличие оксида магния менее 0,001% не обеспечивает усиления эффекта вермикуляризации графита в сочетании с другими элементами (магний, церий, иттрий, лантан), более 5% оксида магния в составе модификатора ухудшает равномерность распределения активных элементов в модификаторе, что ослабляет эффект вермикуляризации графита в чугуне.
Введение оксидов редкоземельных металлов (оксиды иттрия, церия и лантана) менее 0,001% не обеспечивает стабилизации вермикулярной формы графита в чугуне под воздействием активных элементов (магний, иттрий, церий, лантан), более 10% оксидов редкоземельных металлов блокируют активные элементы (магний, иттрий, церий, лантан), препятствуя равномерному образованию вермикулярного графита в чугуне.
Железо обеспечивает технологичность производства комплексного модификатора для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом и является его металлической основой.
Отличительной особенностью заявляемого химического состава является наличие активных вермикуляризирующих графит элементов, а именно магния, лантана, суммы иттрия и церия, действие которых стабилизируется наличием оксидов магния и суммы РЗМ в сочетании с кальцием, алюминием и марганцем, без применения десферодизаторов графита (титан, цирконий). Сочетание активных элементов (магний, лантан, сумма иттрия и церия) и их оксидов позволяет увеличить эффект сохранения модифицирующего действия («живучесть») до 30 минут с момента взаимодействия модификатора с жидким металлом до момента заливки модифицированным чугуном литейных форм.
Модификатор изготавливают в виде быстроохлажденных пластин («чипс-модификатор») толщиной до 3 мм. Толщина модификатора обеспечивает однородность структуры модификатора и равномерность распределения элементов в модификаторе, а также создает оптимальные химические, кинетические и термодинамические условия усвоения модификатора в чугуне, в широком интервале температур от 1170 до 1600°С при отсутствии пироэффекта и выплесков металла из ковша.
Фракционный размер частиц пластин модификатора составляет 0,1...50 мм, именно такой диапазон обеспечивает спокойное устойчивое усвоение модификатора в чугуне без повышенного шлакообразования.
Эффективность действия предлагаемого модификатора проверена в опытно-производственных условиях литейного цеха на исходном чугуне, содержащем мас.%: углерод 3,8...4,0; сера 0,014...0,017; марганец 0,35...0,60; кремний 1,70...1,95; хром 0,06...0,09; никель 0,06...0,08; медь 0,06...0,08; титан 0,015...0,019; фосфор 0,04...0,06.
Модифицирование проводили в открытых ковшах чайникового типа. Емкость ковша 2,2 тонны. Модификатор засыпали на дно ковша. Фракция модификатора 0,1...50 мм. Толщина пластин модификатора 3 мм. Температура модифицирования 1480...1500°С. Расход модификатора 0,6% от массы жидкого чугуна. Для устранения отбела в чугуне в ковш добавили 0,6% графитизирующего модификатора - ФС75. Заливку форм проводили при температуре 1440...1460°С.
Литейные напряжения определяли на пробах-решетках, теплопроводность измеряли на установке ИТС-400 (образцы диаметром 15 мм и высотой 30 мм).
Составы предлагаемого и известного модификаторов приведены в табл.1, а свойства чугуна на их основе - в табл.2.
Использование заявляемого химического состава позволяет повысить стабильность производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, а именно:
- увеличить время сохранения эффекта модифицирования в 1,7...2,0 раза за счет введения в состав модификатора оксида магния и суммы оксидов редкоземельных металлов;
- снизить литейные напряжения в 1,2...1,4 раза за счет отсутствия в составе модификатора титана, циркония и за счет наличия в модификаторе марганца, который повышает растворимость в чугуне;
- повысить теплопроводность чугуна в 1,4...1,6 раза за счет более равномерной структуры вермикулярного графита, обеспечиваемой наличием оксидов магния и редкоземельных металлов.
Заявляемое техническое решение имеет ряд преимуществ:
1. Модификатор имеет низкую температуру усвоения чугуном - от 1170°С.
2. Имеет эффект сохранения модифицирования до 30 минут.
3. Отсутствие в составе модификатора десферодизаторов (титана, циркония, азота) не препятствует параллельному производству в цехе чугуна с вермикулярным графитом и чугуна с шаровидным графитом.
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| Состав модификатора | Содержание в модификаторе, мас.% | ||||||||||||||
| Mg | Са | Ва | сумма Y и Ce | La | Al | Si | С | Zr | N | Ti | Fe | MgO | сумма (РЗМ)2O2 | Mn | |
| 1 | 3,5 | 0,1 | - | 5,4 | 0,4 | 0,1 | 50 | - | - | - | - | остальное | 0,5 | 2,1 | 2,4 |
| 2 | 2,8 | 1,2 | - | 6,2 | 0,6 | 0,5 | 46 | - | - | - | - | остальное | 1,3 | 0,8 | 1,7 |
| 3 | 0,1 | 7,5 | - | 10,4 | 0,7 | 2,1 | 49 | - | - | - | - | остальное | 4,4 | 0,001 | 8,9 |
| 4 | 9,7 | 0,2 | - | 0,1 | 0,001 | 8,8 | 38 | - | - | - | - | остальное | 4,9 | 3,7 | 12,7 |
| 5 | 2,4 | 9,9 | - | 4,9 | 9,6 | 1,2 | 56 | - | - | - | - | остальное | 0,001 | 4,5 | 2,9 |
| 6 | 0,9 | 0,9 | - | 14,8 | 1,8 | 1,4 | 42 | - | - | - | - | остальное | 0,9 | 8,1 | 2,1 |
| 7 | 5,5 | 0,9 | - | 5,9 | 4,1 | 1,5 | 35 | - | - | - | - | остальное | 2,9 | 1,6 | 0,9 |
| 8 | 3,8 | - | - | 7,1 | 2,2 | 9,9 | 47 | - | - | - | - | остальное | 0,1 | 9,7 | 5,2 |
| 9 | 3,1 | 0,6 | - | 4,9 | 2,0 | 0,5 | 78 | - | - | - | - | остальное | 0,3 | 0,9 | 3,1 |
| 10 известный | 2,1 | 1,2 | 3,2 | 3,2 | - | 0,5 | 58 | 0,31 | 2,10 | 0,008 | 0,12 | остальное | - | - | - |
| 11 известный | 2,8 | 0,2 | 0,6 | 1,8 | - | 3,2 | 46 | 0,02 | 0,08 | 0,09 | 1,3 | остальное | - | - | - |
| 12 известный | 0,4 | - | 4,4 | 4,7 | - | 2,5 | 46 | 0,10 | 3,10 | 0,06 | 1,1 | остальное | - | - | - |
| Таблица 2 | ||||||||||||
| Свойства чугуна | Характеристики чугуна с модификатором состава | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
| известный | известный | известный | ||||||||||
| Литейные | 0,92 | 0,95 | 0,84 | 0,91 | 0,86 | 0,89 | 0,87 | 0,90 | 0,88 | 1,1 | 1,2 | 1,1 |
| напряжения, | ||||||||||||
| кг/мм2 | ||||||||||||
| Теплопроводность, | 0,158 | 0,162 | 0,164 | 0,149 | 0,161 | 0,159 | 0,163 | 0,157 | 0,160 | 0,105 | 0,104 | 0,102 |
| кал/см·с·град | ||||||||||||
| Предел | ||||||||||||
| прочности | 380 | 350 | 350 | 420 | 400 | 440 | 360 | 380 | 390 | 300 | 300 | 350 |
| при | ||||||||||||
| растяжении, | ||||||||||||
| мПа | ||||||||||||
| Относительное | 2,2 | 2,4 | 2,5 | 2,0 | 2,0 | 1,8 | 2,3 | 2,2 | 2,2 | 2,0 | 2,0 | 1,6 |
| удлинение, | ||||||||||||
| % | ||||||||||||
| Время сохранения | 26 | 27 | 30 | 32 | 29 | 26 | 30 | 32 | 31 | 15 | 14 | 16 |
| эффекта | ||||||||||||
| модифицирования, мин | ||||||||||||
Комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, содержащий магний, кальций, алюминий, кремний, РЗМ и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец, оксид магния и оксиды РЗМ, а в качестве РЗМ - лантан, иттрий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| магний | 0,5-10 |
| кальций | 0,1-10 |
| алюминий | 0,1-10 |
| кремний | 30-80 |
| сумма иттрия и церия | 0,1-15 |
| лантан | 0,001-10 |
| марганец | 0,1-15 |
| оксид магния | 0,001-5 |
| сумма оксидов РЗМ | 0,001-10 |
| железо | остальное |
