Дорошенко В.С. О новых способах ковшевого производства высококачественного чугуна в небольших литейных цехах. Часть II

Предложенный способ [1] удобен для цехов с применением вакуумирования, например при литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) или при вакуумно-пленочной формовке (ВПФ). Чтобы обойтись без груза над измельченным модификатором, расположенным на дне пустого ковша, модификатор герметизируют путем упаковки в фольгу из металла, или покрытием такой фольгой, и вакуумируют через металлическую трубу при заливке исходного чугуна в ковш. При этом технология упаковки измельченного модификатора аналогична изготовлению песчаного стержня методом ВПФ с тем отличием, что вместо традиционной синтетической пленки, покрывающей поверхность песчаного стержня из песка без связующего, применяют металлическую фольгу.

При вакуумировании упакованного в фольгу дробленого модификатора с поддержанием остаточного газового давления 30-70 кПа в его пористой среде используют перепад давления извне фольги (как на поверхность стержня при ВПФ) за счет атмосферного давления – около 100 кПа. Это создает прессующий перепад давления на фольгу, уплотняет пакет с модификатором и упрочняет его до камнеподобного состояния путем увеличения внутреннего трения частиц. Вакуум в порах между ними вместе с действием атмосферного давления спрессовывает этот пакет, который становится стержнем-модификатором (СМ). Такое же газовое давление 30-70 кПа в песчаной среде литейных форм является типовым для литья в вакуумируемые песчаные формы и применяется в сотнях литейных цехов. Таким образом, способ формообразования таких пакетов реакционных зарядов из зернистого модификатора аналогичен вакуумной упаковке в пакет из фольги.

По технической терминологии фольгой называют тонкий и гибкий металлический лист, например из алюминия, стали, никеля и т. п., что позволяет фольге быть пластичной и принимать различные формы. Часто для фольги из железа применяют слово «жесть». В частности, Уральский литейно-прокатный завод (Россия, Свердловская обл., г. Михайловский) по ГОСТ 618-2014 выпускает алюминиевую фольгу для технических нужд толщиной до 0,2 мм, а также 0,5 мм с шириной в рулоне 500-1200 мм. Пакет с модификатором, или СМ, упакованный в фольгу, удерживается на металлической трубе при вакуумировании, а для транспортировки с трубой без вакуумирования его следует обматывать синтетической пленкой сверху фольги, чтобы модификатор не высыпался из пакета.

Способ замедления реагирования модификатора с заполняемым ковш и удержания вакуумированного пакета без существенного разрушения на дне ковша основан на исследованиях [2]. Они показывают, что при модифицировании чугуна содержащими магний модификаторами сначала на поверхности частиц модификатора происходит «намерзание» чугуна, затем расплавление чугунной корки, после чего плавится модификатор. Аналогичное мнение о положительной роли специального покрытия – пленки на поверхности частиц или кусков, например, чистого магния, для технологии модифицирования исходного чугуна имеет д. т. н. Бубликов В.Б.

Поскольку вакуумированный модификатор в виде СМ выступает аналогично монолиту в пакете, то в контакте с фольгой, или частично расплавив фольгу, залитый в ковш металл «намерзает» на поверхности СМ чугунной коркой, которая присасывается вакуумом и охлаждается массивом модификатора. Времени задержки реагирования модификатора достаточно для заполнения ковша металлом. Затем вакуумирование отключают, трубу удаляют, а модификатор расплавляется и растворяется в заполненном металлом ковше.

Отсутствие металлического расплавляемого груза снижает температуру заливки исходного чугуна, что ведет к повышению степени усвоения магния при замедлении его парообразования и удаления из металла. Эксперименты показывают сравнительно медленное расплавление модификаторов ЖКМК-4Р и ФСМг4, а более быстрое – никель-магниевой лигатуры. Таким образом, создаваемая на поверхности СМ твердая корка чугуна (сплошной затвердевший слой) при помощи вакуума, присасывающего эту корку к СМ, защищает модификатор от преждевременного контакта с расплавом до момента заполнения ковша.

Вакуумируют СМ сквозь стальную трубу, которая входит в фольгу СМ и имеет на конце огнеупорный газопроницаемый фильтр, который не пропускает мелкую фракцию модификатора и расплав металла. СМ удерживается на этой трубе, выходящей за пределы ковша, а после отключения вакуумирования трубы ее вручную пошатывают в расплаве и из него удаляют.

Для присасывания (прижимания вакуумом) СМ ко дну ковша в период контакта его с заливаемым исходным чугуном разработаны два варианта размещения модификатора в ковше. При упаковке СМ в фольгу и размещении (установке) его на дне ковша с трубой без вакуумирования уплотняют стык фольги с поверхностью стенки и дна ковша путем легкого трамбования или приглаживания фольги деревянной или металлической трамбовкой, для чего пригодна металлическая ложка на длинной ручке для отбора проб металла. Проверяют пробным вакуумированием, чтобы не было щелей со значительным местным подсасыванием воздуха по стыку фольги с поверхностью ковша, а в месте ее стыковки (прилегания) к поверхности ковша выполняют газопроницаемые отверстия в фольге, например, расширением щели стыка листа фольги снизу и т. п. Эти отверстия при транспортировке СМ закрывают синтетической пленкой, которая затем плавится или сгорает в нагретом ковше, который, как правило, нагревают до температуры около 500 °С перед заливкой расплава. Сыпучий измельченный модификатор СМ при помещении в ковш легко обтекает дно, прилегающие стенки ковша и принимает его форму, а податливая фольга этому не мешает.

В другом варианте на дно ковша ставят трубу с вакуумным фильтром, насыпают измельченный модификатор, покрывают сверху фольгой и аналогично первому варианту уплотняют вручную легким трамбованием (прижатием) или приглаживанием стыка фольги к стенкам или дну ковша. Также возможна проверка упрочнения СМ с относительно мягкого сыпучего состояния без вакуумирования до твердого с вакуумированием СМ. Таким способом создают СМ, значительная нижняя часть поверхности которого при вакуумировании герметизируется поверхностью (футеровки) ковша, а другая часть – фольгой. Стыковка (примыкания) вакуумированного тела СМ к ковшу тем самым создает присасывания к нему. Например, на каждый элемент площади контакта 10 × 10 = 100 (см2 ) при остаточном давлении в порах СМ 50 кПа и разнице с атмосферным давлением 100 - 50 = 50 (кПа), что соответствует около 0,5 кгс/см2 , сила присасывания (аналогично действию пригружения) будет достигать не менее 50 кгс.

После заполнения ковша расплавом с вакуумируемым СМ и прекращением вакуумирования трубу вынимают из ковша, подрывая чугунную корку вокруг модификатора, чем интенсифицируют реагирование модификатора с расплавом. При этом постепенно частицы модификатора могут всплывать в металле, т. к. контакт нижних частиц с более холодным, чем металл, ковшом будет приводить к созданию на них корки.

Этот способ получения ВЧ удобен для цехов со средствами вакуумирования, при литье из небольших ковшей с массой ВЧ в ковше около 200-300 кг. Трубу извне ковша подключают гибким трубопроводом к вакуумному насосу для вакуумирования литейных песчаных форм. Таким способом из одних и тех же традиционных ковшей удобно лить и серый чугун, и модифицированный ВЧ. В этом способе понижается перегрев исходного чугуна за счет отсутствия массивного покровного материала, сокращаются продолжительность плавки, затраты энергии, это способствует повышению уровня усвоения сфероидизирующих графитовые включения элементов при уменьшении пироэффекта и задымления воздуха.

Для упаковки СМ пригодна алюминиевая фольга для технических нужд (ГОСТ 618-2014) толщиной до 0,2 мм. Расчетное количество модификатора ФСМг5, измельченного до фракции около 2 мм, рекомендуется в количестве 1,6 % от массы исходного чугуна около 150 кг с температурой 1360-1380 °С в открытом ковше для получения массовой доли остаточного магния 0,03-0,05 % с его усвоением не ниже 41-49 %. Применение мелкой фракции лигатуры обычно снижает расход модификатора, уменьшает пироэффект и повышает стабильность процесса. Для вакуумирования возможно использование водопроводной стальной трубы диаметром ¾ дюйма. Аналогично первому способу ее красили огнеупорной краской на основе муллита с добавлением графита. Краску наносят в несколько слоев и подбирают в зависимости от массы модифицируемого чугуна.

Обычно заливка исходного чугуна в открытый ковш из индукционной электропечи ИСТ 016 длится не более 30 с. Сразу после его заполнения следует отключить вакуумирование и после пошатывания трубы удалить ее из ковша. За это время она не успевает нагреться до получения признаков разрушения и после проверки качества фильтра из газопроницаемой песчаной смеси и покрытия может быть пригодной для повторного применения. Ковш после разливки ВЧ пригоден для литья других железоуглеродистых сплавов.

Также главным технологом ФТИМС НАНУ Раздобариным И. Г. опробован способ замешивания сыпучего модификатора с жидким стеклом, формовки такой «лепешки» в стык ко дну ковша и ее высушивание вместе с подогревом ковша. Жидким стеклом модификатор приклеивался ко дну и медленно растворялся в расплаве чугуна. На рисунке 1 показаны примеры типичных крановых ковшей с коромыслом для разливки различных видов чугуна, хорошо знакомые литейщикам, способы получения ВЧ в которых описаны в этой статье.

Предложенные способы подачи модификатора в придонный слой чугуна в типовых (неспециализированных) заливных ковшах ориентировочно емкостью от сотен килограмм до нескольких тонн при отработке в конкретных цеховых условиях сравнительно простых операций не оказывают осложнений по технике безопасности для плавильщиков или заливщиков металла. Надеемся, что эти способы ковшевого модифицирования позволят расширить технологическую палитру получения ВЧ с наращиванием объемов литья из такого высокотехнологичного сплава, обладающего еще не полностью раскрытым потенциалом.

Литература

1. Патент 131906 Україна, МПК С22С 37/04. Спосіб виробництва високоміцного чавуну / В. С. Дорошенко, В. О. Шинський. – Опубл. 11.02.2019, Бюл. № 3.
2. Суменкова В. В., Корниец И. В. Исследование процесса растворения сфероидизирующих лигатура в чугуне // Процессы литья. – 1993. – № 4. – C. 10-14.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 1 (63)