Способ обработки расплава чугуна

Авторы патента:

Афанасьев Владимир Константинович (RU)

Загородний Александр Александрович (RU)

C21C1/08 - получение литейного чугуна

Владельцы патента RU 2458995:

Кольба Александр Валерьевич (RU)
Загородний Александр Александрович (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "ФЕРРОБАНК-ИНЖИНИРИНГ" (RU)
Афанасьев Владимир Константинович (RU)
Эртман Сергей Александрович (RU)

Изобретение относится к металлургии. Способ включает расплавление чугуна в плавильном агрегате или загрузку жидкого чугуна в плавильный агрегат, перегрев расплава чугуна до температур 1460-1560°C. На зеркало расплава подают гранулы диамида угольной кислоты (карбамида) в количестве 0,1-0,5% от массы расплава при одновременном перемешивании расплава. Продукты разложения диамида растворяются в расплаве чугуна. В качестве исходного чугуна для такой обработки в плавильном агрегате может использоваться жидкий ваграночный чугун, содержание углерода в котором составляет обычно 2,9-3,3 мас.%. При этом перед обработкой проводят науглероживание чугунного расплава, поступившего в плавильный агрегат с вагранки. Расплав науглероживают до содержаний углерода в чугуне 3,4-4,2 мас.%. Достигается повышение твердости, предела прочности, удароустойчивости и относительной износостойкости чугуна. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии и может использоваться для повышения свойств чугунных отливок.

Известны способы обработки расплава чугуна, включающие расплавление шихтовых материалов и введение в полученный жидкий чугун азот- и водородсодержащих компонентов продувкой азотом или совместной продувкой азотом и водяным паром [патент РФ №2130081] с целью повышения свойств чугуна.

За прототип выбран способ легирования чугуна азотом, включающий расплавление чугуна в индукционной печи, перегрев расплава чугуна до 1360°C, обработку расплава чугуна карбамидом, с предварительным нагревом карбамида без доступа воздуха до 600-850°C [а.с. СССР №1786088].

Недостатком этого способа являются низкие механические свойства - временное сопротивление и твердость.

Задачей изобретения является повышение свойств чугуна, в частности одновременно твердости, временного сопротивления (предела прочности), удароустойчивости и относительной износостойкости.

Поставленная задача достигается тем, что в способе обработки расплава чугуна, включающем расплавление чугуна в плавильном агрегате, или загрузку жидкого чугуна в плавильный агрегат, перегрев расплава чугуна осуществляется до температур 1460-1560°C, при этих температурах и перемешивании расплава в расплав вводится диамид угольной кислоты (карбамид) в количестве 0,1-0,5% от массы расплава.

В качестве исходного чугуна для такой обработки в плавильном агрегате может использоваться жидкий ваграночный чугун, содержание углерода в котором составляет обычно 2,9-3,3 мас.%. При этом достигается увеличение производительности способа (сокращение затрат электроэнергии и временных затрат на расплавление твердой шихты), и чтобы обеспечить повышенную твердость и износостойкость чугунных отливок, перед обработкой проводится науглероживание чугунного расплава, поступившего в плавильный агрегат с вагранки. Расплав науглероживается при температурах 1460-1560°C до содержаний углерода в чугуне 3,4-4,2 мас.%.

Введение диамида угольной кислоты в количестве более 0,5% от массы расплава вызывает появление пористости в чугунных отливках и уменьшает прочность и удароустойчивость отливок. Введение диамида угольной кислоты в количестве менее 0,1% от массы расплава не приводит к необходимому повышению механических свойств. Использование перегрева с температурой расплава менее 1460°C не обеспечивает повышенных механических свойств. Температуру расплава более 1560°C применять не следует ввиду увеличения энергетических и временных затрат (расходуется дополнительное количество электроэнергии и время на остывание расплава перед заливкой), а также ввиду ускоренного износа футеровки печи при повышенных температурах. Исключение операции науглероживания расплава низкоуглеродистого ваграночного чугуна до содержаний углерода 3,4-4,2 мас.% приводит к пониженным значениям твердости и относительной износостойкости чугунных отливок. Содержание углерода в чугуне свыше 4,2 мас.% не обеспечивает уровень прочности чугуна σ_в более 390 МПа. Отсутствие перемешивания расплава с вовлечением продуктов разложения карбамида внутрь расплава не обеспечивает достаточное усвоение азота (продукты разложения диамида угольной кислоты в большей степени выгорают, не вовлекаясь в расплав).

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Обработка расплава чугуна проводится путем введения диамида угольной кислоты в нагретый до повышенных температур - 1460-1560°C - и перемешиваемый при этом чугунный расплав. Нагреваемый диамид угольной кислоты при 600-850°C термически разлагается на азот, водород и окись углерода [а.с. СССР №1786088]. Перемешивание расплава осуществляется любым технологически возможным путем.

При повышении температуры расплава интенсифицируются диффузионные процессы, и повышается растворимость газов в расплаве (азота и водорода, входящих в состав продуктов разложения карбамида и воздушной атмосферы). Перемешивание чугунного расплава, нагретого до повышенных температур, усиливает эти эффекты. В результате этого происходит увеличение содержания азота в чугуне, повышающего прочностные характеристики чугунных отливок [Леви Л.И. Азот в чугуне для отливок. - М.: Машиностроение, 1964. - 231 с.]. Азот является элементом, который может повышать стабильность карбидов в чугуне. С повышением температуры расплава растворимость азота в чугуне плавно увеличивается [Справочник по чугунному литью. - 3-е изд. перераб. и доп. / Под ред. Н.Г.Гиршовича. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 758 с.]. Элементы внедрения - азот, водород и углерод, могут в той или иной степени вызывать общее повышение механических свойств, располагаясь в кристаллической решетке структурных составляющих чугуна - цементите и феррите.

Пример. Расплавление шихтового чугуна и обработку расплава проводили в промышленной индукционной двухтигельной печи с емкостью одного тигля 3 тонны (по чугуну). Диамид угольной кислоты использовался в виде гранул размерами 1-3 мм, плотностью 1,25-1,32 г/см³. Контроль температуры расплава чугуна осуществляли термопарой погружения ТВР (вольфрам-рений). Увеличение температуры расплава до 1460-1560°C проводилось за счет повышения мощности индукционной печи. Повышение мощности приводило также к интенсивному перемешиванию чугунного расплава и выпуклости «зеркала» расплава с вовлечением расплавившегося и разложившегося диамида угольной кислоты (на азот, водород и окись углерода) потоками жидкого чугуна в толщу расплава, как показано на рисунке. Расплавившийся карбамид и продукты его разложения частично захватывались потоками жидкого чугуна, причем в большем количестве на участках поверхности расплава возле стенок тигля (футеровки). Потоки перемешивающегося чугуна двигались в тигле включенной (с высокой мощностью) индукционной печи по траекториям (см. рисунок), способствующим выравниванию химического состава металла в объеме ванны и более быстрому растворению элементов, находящихся на поверхности расплава. При этом диффузионные процессы в расплаве в таком перегретом состоянии происходили более активно, чем в малоподвижном расплаве с низкой температурой. Обработка чугуна, перегретого до 1460-1560°C, продуктами разложения карбамида, вовлекаемыми с поверхности расплава чугуна в толщу чугунного расплава приводила к повышению механических свойств.

В одном тигле расплавляли 2 тонны шихтового чугуна с химическим составом в мас.%: углерод - 3,55; кремний - 1,21; марганец - 0,55; фосфор - 0,083; сера - 0,101; железо - остальное. После расплавления чугуна и снятия шлака температуру расплава доводили до 1460°C. При увеличенной мощности печи (около 0,9 МВт), обеспечивающей интенсивное перемешивание расплава, на выпуклое «зеркало» расплава постепенно высыпали гранулы карбамида в количестве 0,3 мас.%, которые быстро скатывались к стенкам тигля (как показано на рисунке) и в областях расплава возле стенок тигля окончательно расплавлялись и разлагались с вовлечением продуктов разложения карбамида в расплав. Частично продукты разложения выгорали. При завершении обработки температура расплава составляла 1560°C.

В другой тигель барабанным ковшом наливали 2 тонны жидкого ваграночного чугуна с химическим составом в мас.%: углерод - 3,2; кремний - 0,8; марганец - 0,5; фосфор - 0,08; сера - 0,1; железо -остальное. Таким образом, вторая плавка представляла собой элемент дуплекс-процесса. С поверхности расплава снимали шлак и температуру расплава доводили до 1460°C. При увеличенной мощности печи, обеспечивающей интенсивное перемешивание расплава, на выпуклое «зеркало» расплава постепенно высыпали науглероживатель до получения в пробах чугуна содержаний углерода 4,15 мас.%, и после этого вводили гранулы карбамида в количестве 0,35 мас.% в условиях перемешивания расплава чугуна. В качестве науглероживателя использовали измельченный электродный бой. При завершении обработки температура расплава составляла 1560°C.

После проведения обработки расплав из каждого тигля охлаждали до 1460°C и заливали в чугунные кокили и в землю. У полученных отливок - шаров диаметром 60 мм и цилиндров диаметром 30 мм, высотой 300 мм определяли механические свойства, износостойкость и содержание азота. Кроме того, проводили металлографический анализ полученных отливок.

Результаты этого и других примеров приведены в таблице.

Как видно из приведенных результатов эффективность данного способа обработки расплава чугуна выше по сравнению с известным способом.

За счет предлагаемой обработки расплава чугуна повышаются свойства чугуна, в частности твердость до 523 НВ, временное сопротивление σ_в до 470 МПа, удароустойчивость до 214-302 ударов, относительная износостойкость в 5-6 раз.

Как известно, графит ухудшает прочностные характеристики сплавов Fe-C [Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.]. Предлагаемая обработка расплава позволяет предотвратить появление графита в чугунных отливках, несмотря на повышенное содержание углерода в этом чугуне - 4,2 мас.%. За счет предлагаемой обработки расплава чугун приобретает ледебуритную структуру без графита, кроме того минимизируются литейные дефекты в чугунных отливках - усадочные раковины уменьшаются в размерах или полностью исчезают.

На рисунке изображена схема электродинамической циркуляции металла в тигле индукционной печи с подачей карбамида (F - электродинамические силы), где:

1 - расплав чугуна, 2 - направления потоков чугуна, 3 - гранулы карбамида, 4 - направление движения карбамида, 5 - зона вовлечения расплавившегося и разложившегося карбамида в чугунный расплав, 6 - зона наиболее интенсивного насыщения расплава продуктами разложившегося карбамида.

Таблица
Обработка расплава чугуна	σ_в, МПа	НВ	Удароустойчивость (количество ударов до разрушения)¹	Относительная износостойкость²	Содержание азота в чугуне, мас.%
По предлагаемому способу:
включающему расплавление чугуна³ в индукционной печи, перегрев⁴ расплава чугуна до 1460-1560°C с его интенсивным перемешиванием⁵ и введение диамида угольной кислоты при этих температурах и перемешивании в количестве от массы расплава чугуна, %:
0,05	366	240	40	1,64	0,0070
0,1	398	458	181	2,02	0,0085
0,3	450	480	302	2,11	0,0150
0,5	505	515	214	2,34	0,0216
0,6	386	512	36	2,30	0,0233
включающему загрузку жидкого ваграночного чугуна в тигель индукционной печи, перегрев этого чугуна до 1460-1560°C с интенсивным перемешиванием⁵, науглероживание до содержания углерода⁶ в чугуне 4,0 мас.% и введение диамида угольной кислоты в количестве 0,35% от массы расплава чугуна при этих температурах и перемешивании	470	523	231	2,51	0,0171
По известному способу: включающему расплавление чугуна в индукционной печи, перегрев расплава чугуна⁷ до 1360°C и введение диамида угольной кислоты при этих температурах в количестве 0,32% от массы расплава чугуна.	391	241	-	0,38
¹⁾ Определялась на маятниковом копре (вес бойка - 200 кг, высота падения бойка - 85 мм, энергия удара - 166 Дж, образцы для испытаний - отлитые в кокиль чугунные шары ⌀60 мм).
²⁾ За единицу принята износостойкость белого чугуна с химическим составом, мас.%:
С 2,5; Si 1,0; Mn 0,5; S 0,1; P 0,1.
³⁾ Химический состав исходного чугуна (усредненный по каждому элементу из нескольких проб), мас.%: С 3,55; Si 1,21; Mn 0,55; S 0,101; P 0,083.
⁴⁾ Введение диамида угольной кислоты в количестве 0,15% при температуре расплава 1450°C приводит к значениям прочности σ_в=375 МПа, твердости - НВ 235.
⁵⁾ Отсутствие перемешивания не приводит к необходимому усвоению продуктов разложения карбамида и достижению требуемых механических свойств.
⁶⁾ Содержание углерода в чугуне свыше 4,2 мас.% не обеспечивает уровень прочности чугуна σ_в более 390 МПа.
⁷⁾ Химический состав исходного чугуна, мас.%: С 3,5; Si 2,01; Mn 0,45; S 0,100; P 0,038.

1. Способ обработки расплава чугуна, включающий расплавление чугуна в плавильном агрегате, перегрев расплава чугуна и введение диамида угольной кислоты, отличающийся тем, что введение диамида угольной кислоты в количестве 0,1-0,5% от массы расплава осуществляют при температуре расплава 1460-1560°C, при перемешивании расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного чугуна используют жидкий ваграночный чугун, при этом чугун подвергается науглероживанию в плавильном агрегате до 3,4-4,2 мас.%.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению ковкого чугуна. .

Способ получения отливок из износостойкого белого чугуна // 2412780

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению отливок из белого чугуна, используемых в качестве деталей, стойких к истиранию, например мелющих тел шаровых мельниц, износостойкой футеровки, сменных деталей нефтегазодобывающего оборудования.

Способ ваграночной плавки на тощих углях // 2407804

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий. .

Модификатор для серого чугуна // 2404277

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам модификаторов, используемых в производстве серого чугуна. .

Порошковая проволока для внепечной обработки расплавов на основе железа (варианты) // 2396359

Изобретение относится к области металлургии и предназначено для десульфурации и модифицирования железоуглеродистого расплава для изготовления изделий из серого чугуна, а также чугуна с графитом шаровидной и вермикулярной формы.

Науглероживатель // 2380428

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для корректировки состава чугуна и стали по содержанию углерода, используемых в литейном и сталеплавильном производстве.

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на тощих углях и антраците // 2378388

Изобретение относится к литейному производству и производству минераловатных изделий. .

Модифицирующая смесь // 2373290

Изобретение относится к области металлургии и литейному производству и может быть использовано для внепечной обработки жидкого чугуна. .

Модификатор для серого чугуна // 2367704

Способ модифицирования серого чугуна // 2367688

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при модифицировании серого чугуна. .

Способ науглероживания чугуна с использованием наноструктурированного науглероживателя // 2494152

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к получению чугуна с высоким содержанием углерода. Способ включает выплавку исходного расплава чугуна в печи, инжекционный ввод науглероживателя и выпуск расплава металла, при этом выплавку исходного расплава чугуна в электродуговых, индукционных печах или в газовых вагранках с копильником осуществляют перегрев расплава при температуре выше температуры ликвидуса на 10…400°С и используют науглероживатель с расположенными на его поверхности наноструктурированными частицами графита с размером 0,00001…0,01 мкм и в количестве 0,0001-0,01%, обеспечивающем образование заданной концентрации центров зарождения графитной фазы. Изобретение обеспечивает получение железоуглеродистого сплава с высокими физико-механическими свойствами, высокой степенью науглероживания, длительным эффектом сохранения степени науглероживания, отсутствием пироэффекта, а также улучшает экологические условия производства чугуна. 1 табл.

Лигатура для производства отливок из серого чугуна // 2529148

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении и тракторостроении при производстве отливок из серого чугуна с перлитной структурой металлической основы. Лигатура содержит компоненты, мас.%: медь 45,0-65,0, олово 5,5-15,0, кремний 15,0-20,0, кальций 0,5-3,0, алюминий 0,1-1,0, барий 0,5-2,0, редкоземельные металлы 1,0-3,0 и железо остальное. Изобретение позволяет рафинировать серый чугун от неметаллических включений и вредных примесей. Кроме того, достигается высокая однородность состава лигатуры даже при дроблении ее до фракций размером не менее 0,3 мм. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Способ графитизирующего модифицирования серого чугуна в процессе заполнения литейных форм из ковша // 2547069

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении, автомобиле- и тракторостроении при производстве отливок из серого чугуна с пластинчатой формой графита. Способ включает слив из печи расплава чугуна в ковш, замер температуры расплава чугуна в ковше, заполнение расплавом чугуна первой литейной формы с одновременным проведением операции графитизирующего модифицирования, Определяют степень модифицирования по ширине полуотбеленной зоны на разломе клиновой пробы, при этом при ее соответствии нормативному значению для конкретной отливки производят дальнейшую разливку расплава упомянутого чугуна из ковша по литейным формам с подачей на струю первоначально установленной навески модификатора с учетом прерывания его подачи перед началом заполнения стояка и заливочной чаши каждой литейной формы, а при несоответствии ширины полуотбеленной зоны нормативному значению - первую литейную форму изолируют и утилизируют, затем повторно замеряют температуру чугуна в ковше и при ее несоответствии требованиям технологического процесса производят слив расплава из ковша и его повторное наполнение из печи, корректируют расход упомянутого модификатора, заливают следующую литейную форму и повторно определяют степень модифицирования. Изобретение позволяет определить степень модифицирования расплава серого чугуна при его обработке мелкодисперсным модификатором на струю в процессе разливки расплава чугуна из ковша по литейным формам и уменьшить расход графитизирующего модификатора.

Шлакообразующая смесь для плавки чугуна // 2576967

Изобретение относится к области металлургии. Шлакообразующая смесь содержит, мас. %: известняк 70-75 и шлам от закалочных баков 30-25. Обеспечивается снижение содержания серы в выпускаемом чугуне и увеличение металлической составляющей. 1 табл.

Способ получения дроби из чугуна посредством переработки стальной стружки // 2614227

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению чугунной дроби. Стальную стружку смешивают с графитом, смесь размещают в отверстиях фильеры и нагревают в печи до температуры 1150-1200°С, обеспечивают науглероживание стали с превращением ее в чугун, расплавляют чугун, а затем проводят охлаждение его в воде с получением дроби. Обеспечивается переработка стальной стружки с получением дроби со структурой белого чугуна. 2 ил., 1 пр.

Лигатура для обработки чугуна // 2618956

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам лигатуры, которая может быть использована в производстве чугуна. Лигатура, мас. %: алюминий 6,0-9,0, кремний 6,0-9,0, гафний 21,0-23,0, бор 0,2-0,3, углерод 0,5-1,5, рутений 0,5-1,5, кобальт 26,0-30,0, железо остальное. Изобретение позволяет повысить прочность чугуна. 1 табл.

Способ графитизирующего модифицирования чугуна // 2620206

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к графитизирующему модифицированию, и может быть использовано в литейном производстве. В способе осуществляют выпуск чугуна из плавильного агрегата в ковш и подачу в ковш модификатора в процессе выпуска чугуна. В качестве модификатора используют комплексную смесь в количестве 0,15-0,5% от массы расплава чугуна, состоящую из углеродсодержащего и карбидкремниевого материалов, при этом в качестве карбидкремниевого материала комплексная смесь содержит карбид кремния с содержанием SiC 70-99 мас.% в количестве не менее 65 мас.%, а в качестве углеродсодержащего материала - графит искусственный с содержанием серы менее 0,05% в количестве не более 35 мас.%. Изобретение позволяет повысить стабильность качества отливок и их механические свойства, снизить отбел и твердость отливок из чугуна при снижении себестоимости внепечной обработки чугуна, а также повысить “живучесть” модифицирующего эффекта и общую графитизирующую способность модификатора. 1 табл., 4 пр.

Компактированный реагент для обработки валкового расплава // 2625379

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для внепечной обработки высоколегированного чугуна для рабочего слоя центробежнолитых валков. Компактированный реагент содержит, мас. %: карбид кальция 20-30, кальцинированную соду 10-15, плавиковый шпат 15-30, магниевую лигатуру остальное. В качестве магниевой лигатуры используют сплав, содержащий 50% кремния, 10% кальция, 10% магния, железо остальное. Изобретение позволяет получить высоколегированный чугун с минимальными показателями содержания серы в его составе, неметаллических включений, с однородной структурой и свойствами, что гарантирует повышение эксплуатационных показателей валков в среднем на 20%. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Модификатор // 2631930

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для модифицирования отливок из ковкого чугуна. Модификатор содержит смесь порошков, мас. %: карбида кремния 30-40; алюминия 20-30; карбида бора остальное. Изобретение обеспечивает усиление модифицирующего эффекта и повышение механических свойств изделий из ковкого чугуна. 2 табл.

Способ получения чугунных мелющих тел // 2634535

Изобретение относится к производству чугунных изделий, в частности к получению чугунных мелющих тел, и может быть использовано для утилизации отходов медеплавильного производства. Способ включает подготовку шихты, содержащей в своем составе отходы медеплавильного производства, ее плавление с получением чугуна, разливку его в формы и извлечение из них чугунных отливок в виде мелющих тел. В качестве исходных материалов шихты используют смесь из шлака от медеплавильного производства, содержащего медь от 0,7 до 2,4%, и углеродистого восстановителя, из полученной массы изготавливают окатыши, которые высушивают и обжигают в восстановительной среде до получения металлизированных окатышей, которые загружают в дуговую печь и плавят с получением чугуна. Изобретение позволяет снизить стоимость изготовления мелющих шаров из чугуна, содержащего серу в количестве до 2%, при обеспечении их высокой износостойкости. 2 пр., 2 табл.