Шляхи підвищення якості чавунних литих тіл, що мелють

The results of theoretical and experimental investigations of liquid cast iron crystallizations on conveyer - kokil machine are presented and recommendations as for cooling regime that allows inner structure changing and improving of milling bodies exploitation characteristics are given.

На Макіївському ливарному заводі (ЗАТ "МЛЗ") відливаються в кокіль тіла, що мелють, (МТ) зі зносостійкого білого чавуна, виплавлюваного у вагранках продуктивністю 14 т/ч. Номенклатура лиття - кулі діаметром 60 мм і параболоїди типорозмірів Т1 - Т9 з діаметром підстави від 30 до 60 мм.

Відливаються МТ у пофарбовані металеві кокілі на карусельно- і конвейорно-кокільних машинах .

Одним зі шляхів підвищення якості МТ із нелегованого білого чавуна є зміна макро- і мікроструктури виливків шляхом мікролегування, модифікування, фільтрації рідкого чавуна через керамічні фільтри, а також зміна режиму охолодження під час перебування чавуна в металевому кокілі.

На ЗАТ "МЛЗ" проводилися дослідження з впливу різних модифікаторів, що вводяться в заливальний ківш перед подачею його на конвейорно-кокільну машину. Модифіковані ультрадисперсними порошками тіла, що мелють, при іспиті на копрі з енергією удару 436 джоулів показали збільшення ударостійкості в 1,8 рази в порівнянні зі звичайними МТ, а твердість зросла на 4-8 % [1].

З метою зменшення змісту неметалічних включень у виливках МТ, що впливають на службові характеристики, відливалися кулі діаметром 60 мм параболоїди з діаметром підстави 60 мм через керамичні фільтри виробництва Чехії фірми KERAMTEH. Дослідження різних зразків МТ, відлитих через фільтр, показали, що твердість у площині зразка, перпенликулярної поверхні МТ, підвищилася незначно і знаходилася в межах 49-53HRC, а мікротвердість, обмірювана в площині зразка МТ на глибині 0,1 і 10 мм від поверхні, збільшилася в середньому на 25%, що порозумівається зниженням розмірів дендритів видозміненого аустеніту. Забруднення неметалічними включеннями в зразках фільтрованої кулі, оцінювана критерієм И в відповідності з ДСТ 1778-70, знизилася з 0,030 до 0,023, що привело до підвищення корозійної стійкості : по питомій зміні маси (Кm ) c 222, 3 до 191,2 г/м²ч і об'ємному показникові по кількості водню, що виділився, (Кv х 103) з 36,70 до 20,89 мол/м²ч [2].

Аналогічні дослідження з впливу фільтрації були проведені при виливку параболоїдів через керамічні фільтри. При цьому максимальна твердість на поверхнях МТ, що стикаються з поверхнею кокілю, зросла з Значення корозійної стійкості для серцевини (Кm ) знизилося з 317 до 270 г/м2ч.520 до 530 НВ, а мінімальна твердість на відкритій поверхні МТ (розливання у відкриті кокілі) збільшилася з 155 до 175 НВ. Дослідження мікроструктури фільтрованих і звичайних зразків показало, що зміст перліту значно збільшився (приблизно в 2 рази) у фільтрованих зразках, у результаті чого збільшилася мікротвердість на осьовій частині МТ у середньому на 15%.

Значення корозійної стійкості для серцевини (Кm ) знизилося з 317 до 270 г/м²ч.

З метою поліпшення таких характеристик, як твердість і ударостійкість МТ, був досліджений вплив способу загартування МТ після їхнього випадання з осередків кокілю. Загартування партії МТ вироблялися в окремих ємностях, як в індустріальній олії, так і у воді.

За існуючою технологією відразу після заливання чавуна з температурою 1310-1360 ˚С в осередки вироблялося інтенсивне охолодження водою відкритої поверхні кокілю. Середньмассова температура тіл, що мелють, перед вибівкою з осередків кокілю складала 600-650 ˚С , при цьому швидкість охолодження складала 6-7˚С /с. Час охолодження як у воді, так і в кокілі, склало 20-60 с. Охолоджені МТ випробувалися на твердість, ударостійкість, а також досліджувалися на структуру. Дослідження показали, що твердість МТ після загартування збільшується на 5-10%, ударостійкість знижується приблизно в 2 рази в порівнянні зі звичайними. Структура тіл, що мелють, після загартування була у всіх зразках однакова і складалася з перліту і лідебуріта. Таким чином, при охолодженні тіл, що мелють, при такому режимі їхні службові характеристики погіршуються.

По літературним даним [3] показано, що при прискореному охолодженні виливків з чавуна від температур 800-900˚С до температур нижче 100˚С зі швидкістю більш 10˚С /з можна попередити дифузійний розпад аустеніту. Завдяки цьому у виливках зберігається підвищена кількість аустеніту, унаслідок чого присутній усередині виливка метастабільний аустеніт підвищує в'язкість чавуна, що може благотворно позначитися на стійкості МТ при ударних впливах у кульових млинах. У місці ударного впливу аустеніт випробує мартенситне перетворення, що різко підвищує локальну твердість чавуна і перешкоджає зношуванню й утворенню тріщин.

Для забезпечення середньомассової температури МТ перед їх вибівкою з кокілю, що складає 800-900 ˚С , необхідно зменшити швидкість охолодження кокілів із залитим чавуном в осередках на конвейорно-кокільній машині.

З метою вибору оптимальної інтенсивності охолодження МТ у кокілі була розроблена математична модель, що дозволяє досягти середньомассову температуру МТ на виході з конвеєра, що складає 800-900 ˚С . Для складання математичної моделі був використаний метод кінцевих різниць [4].

Зміна температурного стану металу в часі можна визначити , вирішуючи диференціальне рівняння теплопровідності, що з урахуванням впливу температури на теплофізичні властивості рідкого і твердого чавуна, для тривимірного температурного поля запишеться у виді

где с_м- теплоємність чавуна, Дж/кг• К; - щільність чавуна, кг/м3; -коефіцієнт теплопровідності чавуна, Вт/м• К; L_кр - схована теплота кристалізації чавуна, Дж/кг; -відносна кількість твердої фази .

За початкові умови для чавуна, що заливається в кокіль, приймалися теплофізичні параметри рідкого металу в момент розливання, тобто при t=0. При розробці математичної моделі були прийняті додаткові граничні умови, що враховують утворення зазору між тілом, що меле, і кокілем, вплив яких на теплообмін були описані в роботі [5].

При досягненні на поверхні тіла t_охл тіла, що мелють, прохолоджуються в проточній холодній воді. Процес охолодження тіл, що мелють, описується диференціальним рівнянням (1). За початкові умови приймалася розбіжність температури по обсязі тіла в момент часу, при якому температура поверхні стає рівній температурі t_охл.

Граничні умови запишуться у виді:

=

где t_ср- температура охолодної води, ˚С ; t_nx, t_ny ,t_nz - температура поверхні тіла, що меле, уздовж осей ,x, у, z; α_охл - коефіцієнт тепловіддачі від води і поверхні тіла, Вт/(м² К).

Диференціальне рівняння теплопровідності вирішувалося за неявною схемою. Розрахунок вироблявся для двох граничних нижніх і верхніх температур розливання - 1300 і 1450 ˚С. Середньомассова температура МТ наприкінці конвеєра була прийнята рівної 800 ˚С , а температура охолодної води - 20 ˚С , при якій коефіцієнт тепловіддачі α_охл = 1000 Вт/(м2 К) [6].

Результати розрахунку охолодження тіл, що мелють, у кокілі й у воді приведені на малюнку 1. З малюнка видно, що для одержання середньомассової температури МТ наприкінці конвеєра 800 ˚С час перебування кокілів на конвеєрі повинне бути: при початковій температурі розливання 1300 ˚С - 50 з, а при температурі 1450 ˚С - 70 с.

У виробничих умовах середньомассова температура МТ наприкінці конвеєра складає 600 - 650 ˚С . Для такої температури час, розрахований по математичній моделі складає 1300 і 1450 ˚С .

Для одержання середньомассової температури МТ, рівної 800 ˚С наприкінці конвеєра можна двома шляхами: змінювати інтенсивність охолодження кокілів із залитим в осередку чавуном на самому конвеєрі або регулювати швидкість руху конвеєра.

Оптимальні швидкість охолодження кокілів і рух конвеєра можна установити досвідченим шляхом з урахуванням даних розрахунків, отриманих з використанням математичної моделі.

Перелік посилань

1. Троянский А.А. , Жук В.Л., Туяхов А.И., Пахомов А.А., Игнатов В.А., Ярмоленков В.И. Совершенствование технологии производства мелющих тел из износостойкого чугуна, отливаемых на конвейерно-литейных машинах./ Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов международной научно-технической конференции. - Донецк: ДонНТУ, 2002.Т.3 - С.79-82.
2. Мельник А.А., Непочатов А.В., Жук В.Л., Туяхов А.И. Использование модификаторов при производстве чугунных мелющих тел, отливаемых в открытых кокилях./ Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов международной научно-технической конференции. Том 3, Донецк 2006-с 42-44.
3. Алимов В.И., Шутов В. В., Баранов Д.А. Ресурсосберегающее упрочнение литых деталей из высокоуглеродистых сплавов // МТОМ. - 2001,№1. - С. 50-52.
4. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. - М. : Наука. 1971. - 352с.
5. Троянский А.А., Игнатов В.А., Гинкул С.И., Жук В. Л., Туяхов А.И. Исследование процесса кристаллизации чугунных мелющих тел эллипсоидной формы с использованием математической модели // Теория и практика металлургии. - 2001, №5. - С.52-56.
6. Казанцев Е.И. Промышленные печи. - Металлургия, 1975. -368с.