Рябчиков И.В., Изосимов В.А., Усманов Р.Г.

Ресурсосберегающие технологии получения отливок из высококачественных чугунов.

В современных условиях особо важное значение имеет создание безотходного производства, предотвращающего загрязнение окружающей среды. При этом, главное в безотходном производстве - не переработка отходов, а применение новых технологий с наиболее полным использованием всех компонентов сырья. Необходимо не бороться с отходами производства, а по возможности, не допускать их образования на всех стадиях техпроцесса. В России на заводах автомобильной промышленности (ВАЗе, КамАЗе и др.) накоплен большой опыт производства отливок из чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ). Однако применяемые на этих заводах технологии трудно использовать в условиях единичного и мелкосерийного производств, широко распространенных в России. В статье сделана попытка выяснить возможность ресурсосбережения на всех стадиях процесса получения отливок из ЧШГ. Плавка чугуна. Традиционная технология плавки чугуна предполагает применение доменного передельного или литейного чушкового чугуна как основного компонента исходных шихтовых материалов. Для получения доменного чугуна используют кокс - продукт переработки дефицитного коксующегося угля. Вследствие истощения его запасов применение доменного чугуна и, особенно, кокса при плавке чугуна в вагранках не отвечает требованиям ресурсосбережения. Это подтверждает отечественный и зарубежный опыты плавки чугуна. Так, ни в одной вагранке фирмы Powertrain (Англия) не используют доменный чугун. В качестве шихты применяют стальной лом и собственный возврат. Фирма Duker (ФРГ) рекомендует обратить особое внимание на плавку чугуна без кокса в газовых вагранках или электропечах, поскольку производство кокса сопровождается выделением особо токсичных соединений: фенолов, цианидов, бензопирена и др. Отечественный опыт получения высококачественных отливок свидетельствует о перспективности выплавки синтетического чугуна (СИЧ). В отличие от ваграночных чугунов, СИЧ имеет более высокую прочность при одинаковой твердости и обрабатываемости и, что особенно важно, содержит меньше серы и газов. Для плавки СИЧ применяют стальной лом, в том числе стружку, мелкую обрезь, углеродсодержащие материалы (графит, отходы графитизации электродов и др.) и ферросплавы. В мелкосерийном производстве СИЧ можно плавить в индукционных электропечах промышленной, средней (обычно 250 или 500 Гц) и повышенной частоты. Последние (ИСТ-016; ИСТ-04) на 160 и 400 кг можно использовать для плавки чугуна и модификатора. Интенсивное перемешивание расплава в индукционных печах обеспечивает равномерное распределение по объему температуры и усреднение химсостава сплава. Важное преимущество - в резком сокращении загрязнений воздушного бассейна. Перевод на плавку чугуна в индукционных печах приводит к улучшению производственных показателей: угар элементов снижается, выход годного увеличивается с 60 до72%, улучшается качество чугуна. Появляется возможность плавки весьма перспективных малокремнистых чугунов, содержащих до 1% Si и 1,5...3,0%Al. Эти чугуны имеют высокие механические и эксплуатационные свойства при различных формах графита (пластинчатой, вермикулярной и сфероидальной). Так, ЧШГ, легированные AL, имеют прочность до 1000 МПа. Хорошая сопротивляемость термоудару, как результат высокой теплопроводности и мелкой структуры, указывает на возможность применения Al - чугуна для изготовления изложниц, кокилей, стеклоформ и фрикционных отливок. Плавка модификатора. В настоящее время ферросплавные заводы в России не производят модификаторы для ЧШГ, хотя плавка на основе жидкого первичного FeSi растворением в нем Mg и других компонентов - наиболее экономичная и ресурсосберегающая. Отсутствие централизованного производства обусловлено рядом экономических трудностей, главные из которых - относительно низкий и нестабильный спрос на модификаторы, необходимость применения герметичной установки и инертного газа. Необходимо, чтобы спрос на модификаторы достиг производительности одной печи (?70 т/сут.), выплавляющей ферросилиций, содержащий ~ 55% Si. При небольших масштабах производства и изменяющейся конъюнктуре рынка целесообразно применять индукционные печи, обеспечивающие гибкость процесса и получение различных сплавов. Практика показала, что даже без инертного газа в индукционных печах можно получать сплав с небольшим (+0,5%) колебанием содержания в нем Mg, что является непременным условием эффективного применения модификатора. Важные преимущества плавки в индукционных печах - возможность измерения и регулирования температуры расплава в процессе плавки и сокращения технологических стадий разливки модификатора. Медленное охлаждение расплава после отключения печи позволяет при практически постоянной температуре произвести выпуск и разливку модификатора. Это исключает операцию перелива расплава в ковш, как это принято на металлургических предприятиях. Плавка модификатора в индукционной печи позволяет переработать исходные материалы с исключением потерь сплава на "настыли". Подготовка модификатора к использованию. Применение на отечественных металлургических и машиностроительных заводах способа разливки модификаторов в крупные слитки (до 400 кг) обусловливают низкую скорость кристаллизации и значительную неоднородность химсостава получаемого сплава. Дробление крупных слитков и изготовление из них порошков с частицами 1...4 мм для внутриформенного модифицирования жидкого чугуна сопряжено со значительным переизмельчением сплава и образованием большого (40...50%) количества фракций < 1 мм. Это существенно повышает стоимость модификатора, а образующийся в большом количестве при дроблении слитка мелкодисперсный порошок с повышенным содержанием Мg (до 18% при изготовлении ФСМг5) создает пожаро- и взрывоопасную ситуацию. Использование модификатора мелких фракций для раскисления стали и модифицирования серого чугуна по опыту КамАЗа не отвечает указанным выше принципам ресурсосбережения. С целью осуществления непрерывной разливки жидкого модификатора и других высокотемпературных сплавов с химически активными компонентами (таблица), авторами разработано и запатентована новая конструкция кристаллизатора (получен патент N2101131 от 6.01.97). Подача расплава из печи непосредственно в зону кристаллизации позволила практически без потерь перерабатывать расплав в быстроохлажденный сплав. Полученный в этом виде модификатор легко измельчали с помощью валковых дробилок при низких энергозатратах. Выход годных фракций достигал 90%, а количество пылевидной и пожароопасной фракции (?0,05 мм) - 0,6%. Химическая неоднородность в быстроохлажденных модификаторах не обнаружена. На быстроохлажденный модификатор разработаны ТУ 14-5-248-93. В отличие от обычного, указанный модификатор допускает повышенное содержание Са и Вa с приемлемой для ковшового модифицирования скоростью растворения его в жидком чугуне. Промышленные испытания быстроохлажденного модификатора показали его высокую эффективность: пироэффект и удельный расход уменьшились по сравнению с использованием обычного модификатора. Микролегирование и модифицирование жидкого чугуна. В машиностроении широко применяют чугуны, экономно-легированные Cr, Ni и Сu. Большой интерес представляет чугун, легированный V. Однако применение феррованадия осложнено плохой его растворимостью в жидком чугуне (< 0,3%), микролегирование целесообразно осуществлять природно-легированным ванадиевым чугуном или ванадиевыми шлаками. О высокой эффективности микролегирования чугуна ванадием свидетельствует опыт ПО "УралАЗ". Износостойкость барабана из серого чугуна для автомобиля "Урал" при добавке 0,20...0,25% V возросла на 30%, а ?в при отрицательных температурах (до -50°С) - на 10... 12%. Склонность к отбелу чугуна с V, при прочих равных условиях, меньше, чем чугуна, легированного Cr, что снижает энергозатраты при термообработке отливок. Качество литых деталей из ЧШГ в значительной степени определяется технологией модифицирования. От способа введения модифицирующих добавок зависит их расход, эффективность и стабильность процесса. Наибольшее распространение получили два метода - ковшовое и внутриформенное модифицирование. Последний обеспечивает минимальный расход модификатора, т.е. модифицирование в форме, казалось бы, можно считать ресурсосберегающей технологией. Однако это положение справедливо лишь при условии использования модификатора с частицами 1...4 мм. Наличие в реакционной камере частиц < 1 мм и > 4 мм не допускается. Узкий гранулометрический состав модификатора обусловливает высокую трудоемкость его изготовления и низкий выход годного. Модифицирование в ковше позволяет расширить диапазон гранулометрического состава (до 30 мм) и эффективно использовать фракции менее 1 мм, непригодные для внутриформенного метода. Так, высокое усвоение Мg достигнуто при обработке чугуна в ковшах вместимостью до 70 кг модификатором с частицами 0,2...0,4 мм. B наших экспериментах хорошие результаты получены при модифицировании чугуна в ковше сплавами Fе-Si-Мg-РЗМ и Fе-Si-Са-Мg-РЗМ с частицами 0,3...3,2 мм. Приведенные данные свидетельствуют о том, что вследствие менее жестких требований к гранулометрическому составу, выход кондиционных классов крупности модификатора для ковшового метода выше, чем для внутриформенного. Например, при изготовлении промышленной партии быстроохлажденного модификатора, выход фракции 1 ...4 мм составил 38,7%, тогда как фракции 0,4 ...10 мм - 90,9%. Следует отметить, что преимущества модифицирования в форме реализуются лишь в крупномасштабном производстве. В условиях мелкосерийного производства модифицирование целесообразно осуществлять в ковшах. В отличие от внутриформенного, ковшовое модифицирование характеризуется гибкостью техпроцесса, возможностью изменения химического и гранулометрического состава модификатора и применения высокоэффективных смесевых модификаторов, позволяющих получать высококачественные чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом в одном цехе. Еще одно преимущество обработки расплава в ковше - возможность совмещения в нем процессов рафинирования и модифицирования чугуна применением быстрорастворимых модификаторов на основе Si и легкоплавких Аl-лигатур. При этом, дополнительный ввод в ковш 0,025...0,04% лигатуры Са-Аl позволил снизить расход магниевого модификатора до уровня, характерного для внутриформенного модифицирования. Наряду с этим открываются перспективы получения ЧШГ из чугуна с повышенным содержанием S (до 0,11% в исходном чугуне) рафинированием и модифицированием кальцийсодержащими сплавами. Получение отливок. Из основных техпроцессов литья (в песчано-глинистые, оболочковые формы, литье под давлением и в кокиль (КЛ) последний обеспечивает значительную экономию материалов, наиболее полно отвечает требованиям экологии и дает низкую себестоимость отливок. При оценке целесообразности получения отливок КЛ учитывают затраты на изготовление детали с учетом стоимости кокиля, трудоемкости механообработки и потерь металла в виде стружки. Среди недостатков КЛ - относительно высокая стоимость оснастки и возможность отбела в тонком сечении отливки. Стоимость изготовления кокиля увеличивается при получении отливок сложной конфигурации. Вместе с тем, она может быть существенно снижена при замене трудоемких процессов резания литьем. Так, на ПО "Кургансельмаш" разработана технология получения кокилей сложного рельефа литьем в керамические формы из магнезита, высокоглиноземистого шамота и других огнеупорных материалов. Освоение разработки позволило получить большой экономический эффект. Большие скорости охлаждения расплава в кокиле способствуют получению плотной и мелкозернистой структуры. С другой стороны, возможен поверхностный или сквозной отбел, устраняемый графитизирующим отжигом или модифицированием, т.е. введением в жидкий чугун графитизирующих элементов (Si, Са, Ва, Аl и др.). Метод модифицирования предпочтительнее и его можно отнести к ресурсосберегающему. Среди известных многочисленных составов графитизирующих модификаторов наибольший интерес представляют легкоплавкие сплавы на основе Аl. Авторами показано, что мощный графитизирующий эффект получили при расходе сплава Аl-РЗМ-ЩЗМ всего 0,07...0,10%. Отбел исключался даже в тонких кокильных отливках. Повышение стойкости кокиля может быть достигнуто плакированием его внутренней поверхности песчаной смесью толщиной 5...15 мм. Литье в облицованные кокили сочетает достоинства способов литья в кокили и оболочковые формы. Эффективность этого способа возрастает с увеличением размеров отливки. Кокиль изготовляют обычно из СЧ20, СЧ25 и легированных чугунов. Наиболее перспективны чугуны, легированные Аl. Стойкость стеклоформ из этого чугуна выше, чем из чугуна, легированного Мо, Тi и V. Так, образцы Аl-чугуна (1,8...3,0% Аl) не имели трещин после 110 теплосмен (нагрев до 600°С и охлаждение в воде), тогда как на образцах чугуна с Мо, Тi и V трещины появлялись уже после 10 циклов. Термообработка отливок. Термообработка наиболее эффективна при КЛ. Например, абразивная и эрозионная стойкость кокильной отливки из ЧШГ после изотермической закалки на 23% выше образцов, залитых в песчаные формы. Вместе с тем, в России изотермическая закалка пока не применяется из-за отсутствия экологически чистых технологий, высокой трудоемкости и энергоемкости процесса. Ресурсосберегающая закалка отливок из ЧШГ с получением структуры троостита, характеризующегося высокой износостойкостью и умеренно высокой твердостью (НRС 40...45), предложена в работе. Ресурсосбережение достигается за счет снижения температуры нагрева и продолжительности изотермической выдержки. В отличие от двухстадийных методов термообработки (изотермической закалки, улучшения) предлoженный способ осуществляют в одну стадию. Она характеризуется простотой и экологичностью.