Спосіб термічної обробки металевого розплаву

1. Спосіб термічної обробки рідкого металевого розплаву, що включає нагрівання розплаву в печі і випуск його частинами у ківш із співвідношенням температур, що забезпечує температуру після змішування у ковші, рівну температурі заливання розплаву у форму, який відрізняє ться тим, що в донну частину ковша випускають частину більш гарячого розплаву і зменшують швидкість його охолодження чи C2 2 82164 1 3 82164 нагрітого нижче температури Тр, кластери можуть перетворитися в зародки кристалізації [4, - с.341, мал.9.1] («гени» кристалізації по образному вираженню автора роботи [5]). При цьому кластери мають будівлю подібну до металу вихідної ши хти і стають переносниками властивостей від матеріалу шихти до кінцевого металопродукції. Термічна обробка розплавів виробляється з метою усунення впливу не завжди сприятливих властивостей ви хідної шихти на якість металу. Крім цього задача такої обробки складається в підвищенні його експлуатаційних властивостей. Відомий спосіб програмованої термочасової обробки розплаву (ПТЧО) (наприклад, [1 -с. 171 181; с. 188 - 191]). Розглянемо його на прикладі стали 80Х20НС, виплавленої в електродуговий 10 т печі [1, - с. 188 - 191],- перший випадок, і в індукційної 1-т печі [1, - с 177 - 181],- другий випадок. В обох прикладах, при серійній технології плавки, розплав нагрівають у печі до (1680°С, вводять у розплав звичайні технологічні добавки і випускають у ківш для розливання по формах. У дослідних варіантах метал нагрівають у печі до більш високої температури - 1700 - 1720°С, витримують при цій температурі 5 -30 хвилин, а потім прохолоджують перед випуском із плавильного агрегату. У першому випадку дослідної технології розплав охолоджують у печі в прийнятому технологічному режимі (різні добавки в ванну чи шлак) зі швидкістю 2,88град./мін. В другому випадку дослідної технології розплав охолоджують зі швидкістю 17град./мін. шляхом короткочасного занурення в нього масивних металевих штанг. В усі х випадках плавки (за серійною технологією і дослідної з підвищеним перегрівом розплаву) зразки твердого металу випробували при різних температурах від 900 до 1200°С. Автори зробили висновок, що «зменшення фізико-хімічної неоднорідності литого металу з ПТЧО і поліпшення його пластичних властивостей дозволило істотно підвищити технологічну пластичність стали при куванні і прокатці і поліпшити якість мікроструктури деформованого металу» [1 – с. 191]. Особливо треба звернути увагу на те, що при охолодженні металу зі швидкістю 2,88 град./мін. міцність металу на розрив змінювалася в межах 150 ¸ 50МПа [1 мал.71], а при швидкості 17град./мін. вона істотно збільшилася до меж 200 ¸ 80МПа [1 - мал.69]. Отже, збільшення швидкості охолодження перегрітого розплаву в печі з 2,88 до 17град./мін. приводить до підвищення його механічних властивостей приблизно в 1,5 рази. Недолік відомого способу ПТЧО, полягає в тім, що важко без утрат металу і зменшення продуктивності плавильного агрегату збільшити швидкість його охолодження в печі. Так, наприклад, в електропечі (найчастіше ці печі виготовляють з поворотним зводом) чи в індукційній печі занурення металевих штанг у розплав приводить до його наморожуванню на штангах, тобто до зниження виходу придатного металу. Якщо збільшити час занурення штанг у розплав, то наморожений шар розчиниться. Однак 4 цей захід приведе до зменшення продуктивності плавильного агрегату. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб, запропонований А. Г. Спаським [6]. У цьому способі частина металевого розплаву з плавильної печі (маса печі не зазначена в статті[6]) випускають у ківш і о холоджують. Потім на охолоджений розплав з печі заливають гарячий розплав. Співвідношення між холодною і гарячою частинами розплаву вибирається таким, щоб при змішанні була «досягнута температура, установлена для заливання сплаву у форми». Цей спосіб автори роботи [6] прийняли « для практики фасонного лиття ». Однак необхідно відзначити наступне. З практики металургії й інших природничих наук відомо, що якщо в рідині температура внизу її об'єму більше, ніж у верхній частині, то виникає конвекція розплаву, що приводить до стаціонарного перерозподілу температури,- угорі більш гарячий розплав, а внизу більш холодний[7, - с.8 - 12]. Те ж саме явище описане в іншому літературному джерелі [8, - с.217] так: « коли нагріте тіло віддає тепло в замкнутому об'ємі, нагріта рідина піднімається нагору, що приводить до стратифікації середовища: більш гаряча і, отже, більш легка рідина розташовується над холодною, тобто більш важкою рідиною. Якщо відключити підведення тепла, течія припиниться, а в середовищі буде існувати градієнт температури при розташуванні легкої рідини над більш важкою». У способі А. Г. Спаського [6] з печі «частину розплаву виливають у ківш і прохолоджують». Після цього роблять «доливання ковша сплавом, що залишився в печі» (тобто більш гарячим). При такому несприятливому для змішування гарячої i холодної частин розплаву режимі воно може цілком не відбутися. Тому ефект поліпшення якості обробленого розплаву може бути не досягнуто. Позитивні результати способу А. Г. Спаського [6], що були отримані в деяких випадках, можна пояснити малими масами оброблюваного розплаву, при яких могло відбутися повне змішання гарячої і холодної частин розплаву навіть при несприятливому розташуванні їх др уг стосовно друга. Так, наприклад, у кольоровій металургії, для якої був запропонований спосіб А. Г. Спаського [6], використовують ковші малої ємності 80кг - 5 т [9, -с. 392 - 395]. Розливання стали в ливарному виробництві виробляються з ковшів ємністю 0,5 - 90 т [10 - с. 179 - 180], а в чорній металургії з ковшів 90 - 480 т [11, - с. 113]. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб термічної обробки металевого розплаву, у якому за рахунок зміни послідовності операцій досягається прискорення і збільшення швидкості охолодження розплаву в ковшах будь-якої ємності, що дозволить поліпшити властивості затверділого металу. Для рішення поставленої задачі в способі термічної обробки рідкого металевого розплаву, що містить нагрівання металу в печі і випуск його в ківш частинами зі зміною співвідношень температур, що забезпечують температуру 5 82164 змішування рівну температурі заливання сплаву у форми, відповідно до винаходу, у донну частину ковша випускають частину гарячого металу і зменшують швидкість його охолодження чи додатково підігрівають, щоб потім залишилася в печі частина металу яку прохолоджують і випускають на гарячий метал у ківш. Причому температуру нагрівання стали в печі встановлюють рівної 1,1-1,3 температури разупорядження кластерів, кельвін. При цьому випуск гарячого металу в ківш здійснюють у кількості 40 - 60% від його загальної маси. А також зменшення швидкості охолодження металу в ковші і додатковому нагріванні його здійснюють до 1,05 - 1,10 температури разупорядження кластерів, кельвін, а охолодження іншої частини металу в печі до 0,80 0,95 температури разупорядження кластерів. Крім того, співвідношення температур між частинами металу, що випускається в ківш, встановлюють у межах, що забезпечують температуру змішування на 50 - 70% більше температури ліквідує металу. При запропонованій послідовності дій виникає природна конвекція рідини, більш нагрітий розплав піднімається знизу нагору, а більш холодний опускається зверху вниз. У результаті холодна частина металу швидко, протягом декількох хвилин [7, - с 10 - 11], остудить гарячу, метал досягне необхідної температури заливання у форму, а після його затвердіння якість металовиробів покращиться в порівнянні зі звичайною технологією виплавки і розливання. Для того, щоб виконати поставлену задачу необхідно: а)зменшити швидкість охолодження першої частини розплаву, випущеної в ківш із печі чи навіть при необхідності її підігріти і б)збільшити швидкість охолодження частини розплаву, що залишилася, у печі перед випуском її в ківш. У результаті цих операцій, наприкінці випуску розплаву з печі в ківш, більш гарячий розплав розташується в нижній частині об'єму ковша, а більш холодний - у верхній частині. Для зменшення швидкості охолодження першої частини розплаву в ковші розігрівають його футеровку відомими способами до високих температур, наприклад, для сталі до 800°С в роботі [11, - с.334] чи іноді навіть 1350°С [13]. Додатковий розігрів металу в ковші, при необхідності, може бути зроблений і іншими доступними засобами [14, - с. 118] (для сталі це добавка 1кг алюмінію на 1 т сталі забезпечує підігрів на 23 - 25°С, продувка розплаву киснем і т.п.). Для захолодження розплаву, що випускається у верхню частин у ковша з плавильної печі, у піч уводять деформовану ши хту в кількості 1 - 5% від маси рідкого металу. Використання деформованої шихти (прокат, кування) переслідує дві мети: а)остудити розплав і б)викликати позитивну спадковість у затверділому металі, тобто поліпшити його якість [15]. Розрахунки показали, що ступінь охолодження металевого розплаву в печі при однаковому відсотку добавки 6 охолоджувача залежить від теплових характеристик металу. Так, наприклад, для заліза, міді, алюмінію і цинку, з температурою ліквідує відповідно 1535°С, 1083°С, 660°С і 419°С, один відсотокмаси твердого дрібнозернистого охолоджувача з того ж металу сприяє охолодженню ванни відповідно на 14,4 град., 12,5 град., 8,4 град, і 5,4 град. С Ці цифри отримані при використанні теплофізичних параметрів металів (теплота плавлення, теплоємність твердого і рідкого металу з роботи [16, -с. 307 - 308]). Приведені цифри можна вважати в практиці проведення обговорюваного процесу як орієнтовані; вони можуть бути уточнені відповідно до конкретних характеристик сплавів. При здійсненні пропонованого способу термічну обробку рідкого металу проводять у такий спосіб: а) Досягають вихідного стану рідкого металу в печі шляхом нагрівання його до температури (1,1 1,3)ТР (Т р - температура разупорядження кластерів розплаву, К) і витримують при цій температурі 5 30хв.; при такому режимі нагрівання в розплаві всі кластери руйнуються і він стає цілком мікрооднорідним [1, - с. 28, 29]; б) Випускають із плавильної печі частина металевого розплаву, - 40 -60% загальної маси,- у розігрітий ківш до температури 600 - 1300°С. Модельні експерименти на парафиностеаринової суміші показали, що найкращий теплообмін і взаємна зміщуваність двох об'ємів рідини з різними властивостями настає в тому випадку, коли співвідношення їхніх мас приблизно дорівнює 50% : 50%. Якщо об'єм однієї з частин металу, що змішують, менше 40% чи більш 60%, то помітно погіршується масообмін у рідині. в) Перегрівають розплав у ковші різними способами до температури (1,05¸1,10)Tp (плазмові і газові пальники, вугілля, присадки екзотермічних матеріалів, наприклад, для сталі присадки алюмінію і т.п.). г) Прохолоджують розплав, що залишився, у печі добавками твердої дрібнокристалічної деформованої шихти ( прокат, [5] к ування ) у кількості 1 - 5% від маси плавки з метою охолодження її до температури 0,80¸0,95 температури разупорядження кластерів розплаву Тр, К. Потім охолоджений розплав з печі заливають на більш гарячий розплав у ковші. Обсяги і температури гарячої і холодної частин розплаву підбираються таким чином, щоб після їхнього зсуву в ковші була досягнута оптимальна температура заливання розплаву в ливарні форми, тобто на 50 - 70°С більше температури ліквідує металу [17, - с.289]. Якщо температура розплаву більше температури ліквідує сплаву на 30 - 50°С, то метал може цілком не розлитися по формах; ефект поліпшення якості затверділого металу не досягається. Якщо температура розплаву перед заливанням його у форми на 70 і більш градусів перевищує його ліквідує, то ефект винаходу також не досягається, структура твердого металу стає гр убозернистою і знижується його механічні властивості. Приклад 7 82164 Різні варіанти способів здійснюють у 25 - т дуговій сталеплавильній печі на Маріупольському заводі важкого машинобудування. Марка сталі 20ГЛ по ОСТ 32.183 - 2001; її склад по стандарту мас. %: 0,17-0,25°С; 0,30-0,50 Si; 1,10-1,40 Мn; S£ 0,040; Р£ 0,040; Cr£ 0,3; Ni£ 0,3; Cu£ 0,6. Ме ханічні властивості: межа міцності на руйнування sу не менш 490 МРа, відносне подовження δ не менш 20%. Температура ліквідує стали 1528°С=1773К. За заводською технологією звичайна температура заливання стали 1590±10°С (1863±10К). По кривої роботи [3]відносна температура кластерів розплаву Тр/Тл=1,08. Отже нагрівши в печі до кінця плавки повинний бути 1915К=1642°С. Першу частину розплаву з печі випускають у ківш, футеровка якого була розігріта газовими пальниками. Підігрів першої частини розплаву в нижній частині ковша, при необхідності, здійснюють добавками чушкового алюмінію. Охолодження другої частини розплаву в печі роблять твердими добавками обрізі, прокату (рейки, балки і т.п.). При проведенні способу враховували наступні цифри: при введенні алюмінію в метал у кількості 1кг/т температура розплаву підніметься на 24°; добавка у ванну розплаву 1мас. % холодильника прохолоджує її на 15°. Отримані результати приведені в таблиці. Стовпці 4-7 відносяться до першої частини розплаву, випущеної в ківш; стовпці 8-10 відносяться до другої частини розплаву, оброблюваної холодильниками в печі перед випуском її в ківш. Як видно з таблиці, у варіантах 1-4 температура металу в печі після введення холодильників (стовпець 10) помітно менше температури металу в нижній частині ковша (стовпець 7).Після змішання обох частин розплаву в ковші в ньому досягається оптимальна температура заливання розплаву у форму (стовпець 11). При такому режимі обробки розплаву механічні властивості металу найвищі (стовпці 12 і 13). У варіантах 5 і 6 після змішання обох частин розплаву, випущеного раніше в ківш і залишився в печі й охолодженого добавками, його температура виявилася не в межах оптимальної температури заливання розплаву у форму і механічні властивості металу виявилися заниженими. Порозумівається це відхилення від заявленого співвідношення 0,4¸0,6 розплаву, що випускається, у ківш і залишається в печі. Список літератури 8 1. Жидкая сталь / Баум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В. и др. М.: Металлургия, 1984.-208с. 2. Скребцов A.M. Новые способы определения характеристик разупорядочения кластеров металлического расплава.- Известие ВУЗов. Черная металлургия.- 2003.-№9.-с.3-6. 3. Скребцов A.M. Разные представления авторов об разупорядочении кластеров металлического расплава.- Процессы литья.2005.-№3.-с.3-10. 4.Флеминс М. Процессы затвердевания. М.:Мир,- 1977.- 423с. 5. Никитин В.И. Наследственность и технологии генной инженерии в литых сплавах. Литейное производство.- 2002.-№10.-с.9-10. 6. Спасский А.Г., Фомин Б.А., Олейников СИ. Температурная обработка жидких металлов и влияние ее на механические свойства отливок.Литейное производство.- 1959.-№10.-с.35-37. 7. Скребцов A.M. Конвекция и кристаллизация металлического расплава в слитках и отливках. М.: Металлургия,-1993.-142с. 8. Джалурия И. Естественная конвекция. Тепло и массообмен. М.:Мир, 1983.-400с. 9. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Ма шиностроение, 1977.- 510с. 10. Василевский П.Ф. Технология стального литья. М.: Машиностроение, 1974.-408С. 11. Справочник по разливке черных металлов/ Власов Н.Н., Король В.В, Радя B.C. Μ.: Металлургия, 1981.-240с. 12. Качество слитка спокойной стали / Колосов М.И., Строганов А.И., Смирнов Ю.Д., Охримович Б.П. М.: Металлургия, 1973.-408с. 13. Муравинский А.С. Применение промежуточного ковша для разливки малобессемеровской стали.Литейное производство.-1954.-№7.-с.27-28. 14. Процессы непрерывной разливки / Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Минаев А.А., Момот СВ., Белобров Ю.Н. Донецк :ДонНТУ, 2002.-536с. 15. Никитин В.И. Управление наследственностью структуры ши хты и расплавов - важнейший раздел повышения качества отливок.- Литейное производство.- 1988.-№9.-с.56. 16. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Часть 1. М.: Машиностроение.- 1976.-328с. 17. Иванов В.Н. Словарь - справочник по литейному производству. М.: Машиностроение.1990.-384с.