Спосіб модифікування залізовуглецевого розплаву

Реферат: Спосіб модифікування залізовуглецевого розплаву включає його обробку дисперсними частками порошків тугоплавких сполучень. Обробку розплаву здійснюють фракцією порошку з максимально близьким до рівномірного розподілом розміру його часток. UA 72038 U (12) UA 72038 U UA 72038 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до металургії й може бути використана для регульованої кристалізації розплаву. Для поліпшення фізико-механічних характеристик залізовуглецевих сплавів широко застосовують модифікатори другого роду (інокулятори) - тверді частки, що вводяться в розплав для одержання дрібнозернистої структури в процесі кристалізації. При цьому більш значимий ефект досягається при введенні нанорозмірних порошків, частки яких порівняні з розміром зародка кристалізації (десятки нанометрів). Відомий спосіб модифікування чавунів і сталей, що включає введення в розплав суміші тугоплавких дисперсних неметалічних часток і речовини-протектора, у вигляді порошку з розміром тугоплавких дисперсних часток не більш 0,1 мкм, отриманого спільним помелом суміші тугоплавких дисперсних неметалічних часток і речовини-протектора [Пат. 2121510 6 Российская Федерация, МПК С21С 1/00, 7/00, С22С 35/00. Способ модифицирования чугунов и сталей/ Черепанов А.Н., Полубояров В.А., Жуков М.Ф. и др. - № 96122580/02; заявл. 27.11.96; опубл. 10.11.98]. Недоліками цього способу є те, що одержання й зберігання нанорозмірних дисперсних порошків технологічно складно й дорого, технологія введення їх у розплав також утруднена. У цей час застосовуються також способи ефективного модифікування залізовуглецевих розплавів не нанодисперсними, а відносно великими порошками тугоплавких сполучень (розміром від часток до декількох мікронів), здатних при уведенні в розплав, розчинятися й ставати додатковими центрами кристалізації до моменту її початку, що забезпечує одержання дрібнодисперсної структури литого металу. Відомий спосіб модифікування чавуну, що включає обробку розплаву плакованою парафіном сумішшю ультрадисперсного порошку оксиду заліза з порошком алюмінію, графіту, 7 молібдену з розміром часток 10-100 мкм [Пат. 2254377 Российская Федерация, МПК С21С 1/08, С22С 37/00. Способ модифицирования чугуна / Викулин В.В., Турина Т.В., Шкарупа И.Л. № 2003137255/02; заявл. 23.12.2003; опубл. 20.06.2005]. Недоліками цього способу є те, що оптимальні технологічні параметри при його застосуванні встановлюють тільки дослідним шляхом для кожного варіанта обробки, що технологічно складно, важко відтворено й тому ефективність здійснення способу невисока. Найбільш близьким по технічній сутті й одержуваному результату до пропонованої корисної моделі є спосіб модифікування дисперсними порошками, при якому попередньо визначають розмір часток, що вводяться, залежно від температури уведення й швидкості охолодження [Пат. 55314 Україна, МПК (2009) С21С 7/00. Спосіб модифікування розплаву/ Фірстов CO., Троцан А.І., Каверинський В.В. та ін. - U201006746; заявл. 01.06.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 23]. Даний спосіб дозволяє підвищити ефективність модифікування розплаву, однак у ньому не враховується характер розподілу розмірів часток порошку, що вводиться, що за даними наших досліджень може дозволити значно збільшити ефективність модифікування. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу модифікування залізовуглецевого розплаву дисперсними порошками, у якому завдяки зміні умов здійснення способу досягається підвищення його ефективності. Поставлена задача вирішується тим, що в способі модифікування залізовуглецевого розплаву, що включає його обробку дисперсними частками порошків тугоплавких сполучень, відповідно до корисної моделі, обробку розплаву здійснюють фракцією порошку з максимально близьким до рівномірного розподілом розміру його часток. На основі проведених досліджень були побудовані кінцеворізницева й імовірнісна математичні моделі розчинення часток модифікатора в залізовуглецевому розплаві з урахуванням фізико-хімічних характеристик середовища й часток, що вводяться. Була розглянута зміна розподілу по розмірах часток TiN, TiC, NbN, NbC, ZrN у ході їхнього розчинення залежно від вихідного характеру розподілу часток по розмірах (нормального або рівномірного). На фіг. 1, 2 як приклад показаний характер розподілу в розплаві по розмірах часток TiN з початковими розмірами 1…2 мкм. Розподіл даний в абсолютних значеннях (кількість часток у групі). У випадку нормального розподілу (фіг. 1) максимум з ходом розчинення зміщається убік більшої в цей момент складової. Сама крива зміщається вліво (розмір всіх часток зменшується). Максимум на кривій розподілу по ходу розчинення стає більш розпливчастий і менш виражений. Рівномірний вихідний розподіл часток у ході розчинення переходить у близьке до трапецеїдальному (фіг. 2). Через більш інтенсивне розчинення дрібної фракції, її частка виявляється меншою. На кривій у ході розчинення з'являється виражений максимум, що відповідає найбільшому в даний момент розміру. 1 UA 72038 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Порівнюючи фіг. 1 й фіг.2 можна відзначити, що у випадку вихідного рівномірного розподілу, кількість часток, що зберігаються через 5 і особливо через 10 секунд, значно більше, ніж при нормальному (це виражається площами під кривими). Даний ефект більш наочно можна помітити на фіг. 3 та фіг. 4. З фіг. 3 видно, що час розчинення порошку як у випадку нормального, так і у випадку рівномірного розподілу часток по розмірах, розрізняється незначно, але хід процесу розрізняється більш значно. Через 10 с у випадку вихідного рівномірного розподілу, відповідно до наших розрахунків, у розплаві 11 зберігаються 8,1810 часток, тоді як випадку вихідного нормального розподілу ця кількість 11 становить 1,8710 - тобто, в 4,3 рази менше. Отже, рівномірний розподіл часток усередині фракції модифікатора, що вводиться, дозволяє значно збільшити число часток у розплаві, здатних ставати додатковими центрами кристалізації, у порівнянні з випадком нормального розподілу. На фіг. 4 представлене відношення кількості часток, що перебувають у розплаві через певний час, при вихідному нормальному розподілі (nн.р.) до кількості часток, що перебувають у розплаві через той же час при вихідному рівномірному розподілі (n р.р.), з якого видно, що спочатку кількість часток у випадку вихідного нормального розподілу буде більше. Ця перевага збільшується в продовж 1-ї секунди, досягаючи максимуму, потім починає знижуватися. Через приблизно 4 секунди кількість часток, що перебувають у розплаві буде однаковим незалежно від початкового розподілу. У весь період, що залишився (більш ніж 2/3 від часу життя часток) кількість часток, які знаходилися в розплаві у випадку рівномірного вихідного розподілу, буде більш, ніж для випадку вихідного нормального. По мірі ходу процесу перевага рівномірного розподілу стає усе більш значним і через ~12 секунд становить більше 5 разів. Наявність максимуму на графіку (у районі першої секунди) пояснюється наступним. Тому що дрібні частки розчиняються швидше, то убування їхньої кількості в перші моменти обумовлено розчиненням найбільш дрібної фракційної складової. У випадку вихідного рівномірного розподілу кількість найбільш дрібних часток значно більше, ніж таких же часток при нормальному розподілі. Отже, зменшення кількості часток у випадку вихідного рівномірного розподілу буде інтенсивніше. У той же час ці найбільш дрібні частки, що розчинилися в перший момент, у значно більшому ступені підвищать концентрації титана й азоту в розплаві в тому з випадків, у якому їх було більше, тобто при вихідному рівномірному розподілі. Це приведе до більшого зниження градієнта концентрації елементів розчинних сполучень між поверхнею часток і розплавом у випадку рівномірного розподілу. Наслідком цього є уповільнення розчинення й уповільнення убування часток за рахунок розчинення. Далі виявляється також перехід до зникнення часток середніх фракцій. їх значною мірою більше у випадку нормального розподілу. Таким чином, розчинення часток того ж початкового середнього розміру у випадку вихідного нормального розподілу веде до значно більшої втрати кількості часток і, крім того, за зазначеними вище причинами (більшому градієнту концентрацій) відбувається швидше. На графіку (фіг. 4) це відбито як зниження переваги нормального розподілу (що зростає в перші моменти) і перехід до переваги вихідного рівномірного розподілу. Вищеописані закономірності справедливі й для інших фракцій і типів порошкових модифікаторів. Дані про загальний час життя часток і про кількість часток, що перебувають у розплаві через 1, 5, 10, 15, 20, 30 секунд, а також у початковий момент для різних модифікаторів наведені в таблиці. Наведена таблиця може служити орієнтиром для раціонального вибору модифікатора, його фракції й моменту уведення. При рівномірному розподілі часток усередині фракції, що вводиться, їхня кількість, яка зберігається в розплаві й здатна утворювати додаткові центри кристалізації, в 2,0-5,0 разів більше (залежно від типу модифікатора й розмірів часток), чим при вихідному нормальному розподілі. Пропонований спосіб модифікування залізовуглецевого розплаву дисперсними пороками був випробуваний у промислових умовах при розливанні ст. 20ФЛ в виливницю. Порошки нітриду ніобію розміром 1-5 мкм із вихідним нормальним розподілом розміру часток порошку усередині фракції, що вводиться, й спеціально приготовлені порошки з рівномірним розподілом розміру часток усередині тої ж фракції, отримані методом гравітаційного поділу в потоці повітря, уводилися в розплав під струмінь. Контроль розміру часток порошку й характер їхнього розподілу проводився на аналізаторі зображень SIAMS 600 з автоматичним підрахунком кількості контрольованих часток і їхнього розподілу по розміру. Порівняння результатів експерименту показало наступне. У немодифікованій сталі 20ФЛ відстань між областями дендритів другого порядку склало 180-220 мкм. В обробленій при розливанні ст. 20ФЛ дисперсним порошком з нормальним розподілом розміру часток усередині 2 UA 72038 U 5 10 фракції, відстань між областями дендритів другого порядку склало 150-180 мкм; границя міцності збільшилася на 7, 0-10,0 %, границя текучості на 8, 0-12,0 %; відносні подовження й звуження зросли в 1,2-1,3 рази. При уведенні в розплав ст. 20ФЛ спеціально приготовленого порошку нітриду ніобію з рівномірним розподілом часток по розмірах усередині фракції, відстань між областями дендритів другого порядку склало 110-130 мкм; границя міцності збільшилася на 12, 0-16,0 %, границя текучості на 15, 0-18,0 %; відносні подовження й звуження зросли в 1, 41,6 раз. Таким чином, застосування пропонованої корисної моделі дозволяє поліпшити механічні характеристики отриманого металу і тим самим підвищити ефективність обробки залізовуглецевого розплаву дисперсними частками порошків тугоплавких сполучень. Таблиця Час життя й зміна кількості часток у розплаві в ході розчинення для різних модифікаторів з урахуванням характеру розподілу часток по розмірах усередині фракції Маса Тип модифікатора, модифікатора кг/т Розмір часток 1…2…2 1…3…3 TiN 0,12 2…4…4 1…5…5 1…2…2 1…3…3 TiC 0,20 2…4…4 1…5…5 1…2…2 1…3…3 NbN 0,36 2…4…4 1…5…5 1…2…2 1…3…3 NbC 1,7 5…8…8 2…10…10 Розподіл по Час життя розмірах часток, з Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне Нормальне Рівномірне 3 0,51-13,82 0,48-13,41 0,41-36,55 0,40-26,48 1,87-18,39 1,83-17,33 0,37-31,80 0,38-27,01 0,39-21,99 0,38-22,77 0,32-54,41 0,30-39,41 1,54-32,36 1,49-29,15 0,30-60,55 0,25-55,95 0,37-14,23 0,35-10,85 0,33-34,90 0,30-63,25 1,62-57,25 1,55-43,80 0,31-63,74 0,30-72,45