CC BY
824
лггтт^ г: ктпглпТЕ / ео
-3(67), 2012/ U U
The technology of production of iron-carbon alloys grit of JSc «BELNIILIT» are studied.
д. а. волков, а. п. мельников, а. д. волков, оао «белниилит», п. с. Гурченко, бнту
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТОЙ ДРОБИ ИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ ОАО «БЕЛНИИЛИТ»
Разработка технологий и оборудования для производства высококачественной стальной дроби связана с резким повышением требований, предъявляемых к качеству поверхностей узлов и деталей. Применяемая чугунная дробь не обеспечивает качество поверхности обрабатываемых деталей, имеет малую оборотность и повышенный износ лопаток дробеметных аппаратов. Выбор стальной дроби варьируется по трем параметрам: размер, форма и твердость дроби. Дробь может быть термически обработана на различных режимах с повышением отдельных технологических свойств. Основной химический состав изготавливаемой дроби: 0,8-1,0% С; 0,8-1,0% Si и 0,4-0,6% Мп. При необходимости возможно изготовление дроби с другим химическим составом. Разработанная технология имеет преимущества перед известными способами грануляции расплавленного металла.
Краткое описание технологии
Жидкий металл через лоток попадает на вращающийся гранулятор (рис. 1), дробится на капли,
Рис. 1. Схема дробелитейной машины: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - воронка; 4 - гранулятор; 5, 7 - привод; 6 - крыльчатка; 8 - элеватор; 9 - рама
которые отбрасываются к стенкам корпуса в слой воды, образуемый вращением крыльчатки. В это время происходит формирование капель жидкого металла в дробинки. Охлажденная дробь скатывается по конусной части корпуса в элеватор, откуда происходит ее выгрузка. Поверхность воды, вовлеченной во вращение крыльчатки, приобретает форму параболоида. Установленная в крышке диафрагма обеспечивает постоянный слой воды толщиной не менее 225 мм. Избыточная часть воды переливается через диафрагму и через патрубок уходит в оборотную систему на охлаждение. Таким образом, вода постоянно циркулирует и охлаждается. Пар, образующийся при охлаждении дроби, принудительно отсасывается через паровой патрубок и может использоваться для цеховых нужд.
За период разработки технологии были созданы дробелитейные машины производительностью 0,2, 1, 5 т/ч, которые внедрены на ОАО «Белоозер-ский энергомеханический завод» (производительность 0,2 т/ч), ОАО «Полтавский турбомеханиче-ский завод», ОАО «Росабразив» (г. Екатеринбург), ООО «ЛЦ» (г. Канаш) (производительность 1 т/ч), РУП «МАЗ», РУП «МоАЗ» (производительность 5 т/ч) с установкой для сушки дроби и предварительным рассевом дробемассы.
Процесс изготовления дроби на РУП «МАЗ» состоит из следующих операций (рис. 2):
1. Плавка стали в дуговых печах ДСН-6 и ее транспортировка 6-тонным ковшом 1 от плавильных печей к металлоприемнику 2 дробелитейной машины 3
2 . Разливка стали при помощи дробелитейной машины 3, основной частью которой является центробежный гранулятор с вертикальной осью вращения. Струя металла, вытекающая из метал-
I 3 (67), 2012-
Рис. 2. Схема комплекса оборудования для литья дроби мод. 46145: 1 - ковш; 2 - желоб металлоприемника; 3 - дро-белитейная машина; 4 - наклонный элеватор; 5 - приемная воронка; 6 - бункер печи; 7 - барабанная печь; 8 - блок го-релочной печи; 9 - агрегат рассева дроби; 10 - элеватор;
11 - вибросита; 12 - тара для сбора дроби по фракциям
лоприемника, через калиброванное отверстие падает на диск вращающегося гранулятора и под действием центробежной силы разбрасывается в виде гранул в воду.
Наклонным элеватором 4 дробемасса транспортируется из ванны дробелитейной машины и через воронку 5 подается в бункер 6 специальной сушильной барабанной печи 7. Рассев высушенной дроби по фракциям производится на агрегате рассева 8.
Для изготовления дроби в СЛЦ-2 МАЗ применяется производимая в цехе сталь 40 со следующим содержанием химических элементов: 0,37-0,40% С, 0,45-0,90% Мп, 0,20-0,52% Si (ГОСТ 977-88). Используются для производства дроби и плавки стали, которые по тем или иным причинам по химическому составу выходят за указанные пределы.
Исследования физико-механических свойств дроби проводили в Центральной заводской лаборатории РУП «МАЗ». Для этого отбирали 1 кг дро-бемассы из каждой плавки и рассеивали через набор сит согласно ГОСТ 11964-81.
Изучение фракционного состава (табл. 1) показало, что литая стальная дробь, производимая в СЛЦ-2 РУП «МАЗ», по форме состоит из круглой фракции на 70%, овальной - на 25 и каплевидной - на 5%. Сравнение формы дроби производства МАЗ и французской фирмы «Wheelabrator АПеуаМ», взятой из рекламного проспекта фирмы, позволяет сделать вывод, что дробь производства МАЗ отличается более гладкой поверхностью и сферической формой. Фракционный состав стальной литой дроби МАЗ приведен в табл. 1. Плотность выплавляемой на МАЗ стальной литой дроби составляет 7650 кг/м3, что значительно превышает нижний порог плотности, оговариваемый ГОСТ 11964-81 (7200 кг/м3 не менее).
Таблица 1. Фракционный состав стальной литой дроби, выплавляемой на РУП «МАЗ»
Диаметр фракции, мм Среднее содержание в дробемассе,%
2,5-3,8 34,4
1,6-2,5 37,4
1,0-1,6 15,5
0,63-1,0 8,0
0,1-0,63 4,5
Прочность всех типов литой дроби определяли статистической нагрузкой до разрушения дробины на универсальной разрывной машине ZD 10/90 при сдавливании между твердосплавными пластинами в специально разработанном приспособлении. Испытания проводили для номеров дроби 0,3-2,2 на 10 дробинах диаметром 2 мм. Образец для определения формы, усадочной рыхлоты, раковин, трещин, микроструктуры и твердости дроби изготавливали методом заливки. Для этого из пробы, прошедшей ситовый анализ, отбирали по 20 дробин номеров дроби 0,1-1,8 и по 10 дробин номеров дроби 2,2 и выше, а также по 10 дробин диаметром 3,40 мм номеров дроби 2,8 и выше, засыпали их в медную трубку и заливали сплавом Вуда с температурой плавления 68 °С. Прочность литой дроби производства МАЗ при сжатии до разрушения для фракции 2 мм составляет 45006250 Н, прочность дроби фирмы «Wheelabrator АПеуаМ», испытанной по этой же методике для диаметра 2 мм, - 3000-4500 Н. Металлографические исследования выполнены на металлографическом комплексе МКИ-2М-1, оснащенном системой видеонаблюдения с выводом изображения на ПК для его дальнейшей обработки и распечатки. Твердость измеряли на приборе ПМТ-3. В результате микроанализа установлено также, что в литом состоянии в структуре дроби наблюдаются дефекты: трещины и поры. Выявленные дефекты образуются в процессе кристаллизации жидких капель стали при попадании их в поток воды и неизбежны для всех способов получения литой дроби. Высокая плотность дроби, выплавляемой на МАЗ, свидетельствует о небольшом количестве пор и рыхлот.
Исследования износостойкости стальной литой дроби, не подверженной термической обработке, показали, что износостойкость зависит от ее химического состава. При увеличении содержания углерода до 0,6% и выше стойкость дроби повышается, что может быть объяснено ростом в структуре остаточного аустенита, благодаря которому твердость и хрупкость снижаются. Аналогичное влияние оказывает содержание кремния и марганца. Высокая стойкость дроби - 800 циклов уста-
Рис. 3. Установка для термической обработки дроби методом индукционного нагрева
новлена при содержании меньше 0,1% кремния и 0,1-0,2% марганца. Содержание хрома 0,050,15% при низком содержании углерода, кремния и марганца обеспечивает наибольшую стойкость до 900 циклов.
Повышенное содержание фосфора в дроби снижает ее стойкость до 200 циклов, а увеличение концентрации никеля выше 0,5% значительно улучшает эксплуатационные свойства дроби, сглаживая отрицательное влияние повышенного содержания хрома.
Для улучшения эксплуатационных свойств в ЦЗЛ УГМет МАЗ разработаны режимы и оборудование для термообработки дроби при индукционном нагреве (рис. 3).
Установка представляет собой стальную вращающуюся трубу диаметром 200 мм и длиной 2 м, помещенную в индуктор высокочастотной установки с определенным уклоном. Индукционный нагреватель запитан от преобразователя частоты ВПЧ 100/8,0. Отнимаемая при нагреве мощность 50 кВт при частоте вращения трубы 17 об/мин обеспечивает производительность установки 540600 кг/ч.
В ходе проведения опытных работ с различными температурой и временем термической обработки была установлена зависимость твердости и структуры обрабатываемой дроби от температуры и длительности нагрева.
Микроанализ показал, что грубая структура крупноигольчатого мартенсита, формируемая при закалке в воду из жидкого состояния, претерпевает при отпуске полный или частичный распад в зависимости от температуры. Уже в первые 5-7 мин индукционного нагрева до температур 280 °С происходит частичный распад мартенсита, из него выделяются мелкодисперсные карбиды, тетраго-нальность мартенсита уменьшается и это приводит к снижению хрупкости дроби. Структура
г: пкшотггта / ее
-3 (67), 2012/ 1111
представляет собой мартенсит отпущенный. Твердость дроби при этом остается высокой - 600 НУ и более. При нагреве до температур 320-360 °С структура имеет вид троостомартенсита с точечными включениями карбидов и твердостью 540575 НУ. При нагреве до 420-450 °С в процессе дальнейшего распада мартенсита формируется дисперсная трооститная структура твердостью менее 400 НУ. Твердость дроби, как и структура, интенсивно изменяется также в первые минуты нагрева, а затем падение твердости замедляется. Быстрое изменение структуры и твердости в первые минуты является особенностью протекания процессов термообработки при индукционном нагреве, что обусловлено быстрым прогреванием всей массы дроби под одновременным воздействием радиационного и контактного теплообмена с нагретой трубой, воздействием электромагнитного поля высокой частоты и быстрого непрерывного перемешивания дроби в процессе нагрева. Дробь производства МАЗ, термообработанная при индукционном нагреве при температуре 320-360 °С в течение 5-7 мин, по своим параметрам (твердость - 540-575 НУ, структура - троостомартен-сит и точечные карбиды) близка к дроби фирмы «Wheelabrator А^уаМ» с содержанием углерода 0,90% (твердость - 540-575 НУ, структура - тро-остомартенсит + незначительное количество точечных карбидов).
Индукционный нагрев при термообработке дроби производится свободным доступом в зону нагрева окружающего атмосферного воздуха, который при температуре термической обработки обладает значительными окислительными свойствами. Благодаря малому времени нагрева воздействие окислительной среды приводит к образованию оксидной пленки, которая в дальнейшем предохраняет поверхность дроби от коррозии. Термообработанная дробь имеет приятный сине-серый цвет и в дополнительных защитных покрытиях не нуждается.
Испытание термообработанной дроби проводили в цехе серого чугуна и СЛЦ-1 Минского автозавода при очистке отливок деталей автомобиля в очистной дробеметной камере ДК-8. По предварительным результатам стойкость термообрабо-танной на твердость 450-540 НУ дроби по сравнению с литой увеличилась в 3-5 раз.
Стальная литая дробь, производимая на Минском автозаводе с использованием дробелитейного комплекса, отличается выходом дроби (70%) правильной сферической формы с гладкой поверхностью.
Вновь разработанные малогабаритные машины имеют уменьшенный диаметр рабочего бака
ЕС //7ГГТТг^ г: гсшгш?тптгг
U и / 3 (67), 2012-
Рис. 4. Дробелитейная машина с модернизированной системой управления
почти в 2,0-2,5 раза. Это связано с тем, что при центробежном способе гранулирования переход капли из жидкого состояния в твердое происходит уже на расстоянии 0,5-0,7 м от оси вращения гра-нулятора, что позволило создать малогабаритную дробелитейную машину нового поколения производительностью 200 кг/ч.
Дробелитейные машины производительностью 200 кг/ч внедрены на ОАО «Лидский литей-но-механический завод» и ОАО «Белоозерский энергомеханический завод». В случае необходимости перехода изготовления стальной дроби на чугунную и обратно ранее внедренные машины требовали проведения трудоемких операций смены скорости вращения гранулятора. В связи с этим в настоящее время на ОАО «БЕЛНИИЛИТ» были модернизированы системы управления дробелитей-ными машинами, что позволило изменять скорость вращения гранулятора от 1000 до 2000 об/мин в течение нескольких секунд. Такая машина внедрена на ОАО «Севмаш» (г. Северодвинск) в 2011 г. и поставлена на фирму К^Ы Compresюn S. А. (Аргентина) (рис. 4).
Особенность внедрения дробелитейной машины на фирме К^Ы Compresion S. А. (Аргентина) состояла в том, что она должна была работать в технологическом комплексе производительностью 1 т/ч (плавка, сушка, термическая обработка, предварительный и окончательный рассев), при этом может использоваться только оборотная вода для охлаждения дроби; изготавливаемая дробь должна была использоваться для очистки изделий от окалины и ржавчины в собственном производстве, а также на внешнем рынке, где давно приобретается дробь, изготавливаемая бразильской и американской компаниями. Поэтому в производимой дроби основная масса должна быть фракции диаметром от 0,425 до 1,4 мм (по классификации SAE
S 170, S 230, S 280, S 330, S 390, S 460, S 550), а фракции от 1,4 до 3 мм считаются некондиционной дробью и подлежат возврату на переплав, в то время как в литейном производстве, для чего первоначально и создавались дробелитейные машины конструкции ОАО «БЕЛНИИЛИТ», такая фракция считается годной. В связи с необходимостью увеличения производительности машины в 2,0-2,5 раза большое внимание уделялось увеличению скорости охлаждения ванны машины, стойкости расходуемых огнеупорных материалов, применяемых в грануляторе и воронке, так как от стабильности размера диаметра калиброванного отверстия и формы гранулятора зависят фракционный состав выпускаемой дроби и ее физико-механические характеристики.
В результате проведенных экспериментов и запуска в производство дробелитейной машины была усилена система охлаждения воды за счет увеличения мощности воздушных охладителей в 2 раза, что позволило производить первую заливку стали при температуре 1550-1600 °С в объеме 500-550 кг в течение 15-17 мин с последующим перерывом для охлаждения, в целом весь цикл разливки стали в объеме 1 т длился не более 45-50 мин, при этом выяснилось, что очень важным является не только стабильность размера диаметра калиброванного отверстия, но и постоянство формы канала, так как изменение формы канала с цилиндрической на постоянно меняющуюся неопределенную конфигурацию, полученную в результате взаимодействия металла и огнеупорного материала, приводит к захвату воздуха в период падения струи на гранулятор, увеличению разбрызгивания металла и т. д., что вызывает образование крупных пустотелых дробинок, а это в свою очередь требует изменения уровня столба металла в воронке. В результате проведенных 30 экспериментальных плавок выяснилось, что стойкость гранулятора из шамота и калиброванного отверстия из набивной массы, которые изготавливаются в Аргентине, уступают при разливке стали по стойкости материалам, изготовленным в Российской Федерации. Несмотря на одинаковую огнеупорность (1650 °С), более высокие физико-механические характеристики при испытании при температурах 1000, 1450 °С, более высокое содержание Al2O3 шамотный гранулятор, изготовленный фирмой Ceramika Industrial Avellaneda S. A., уступает при разливке стали гранулятору, изготовленному Боровичским комбинатом огнеупоров. Стойкость гранулятора фирмы Ceramika Industrial Avellaneda S. A. - 1 плавка (1 т), стойкость гранулятора Боровичского комбината огнеупоров - 2 плавки (2 т). По результа-
там проведенных исследований можно сделать вывод, что основной причиной пониженной стойкости гранулятора является наличие в материалах крупной фракции (4-5 мм) и их количественное содержание, которое превышает в 3 раза содержание крупной фракции в грануляторах Российской Федерации. В то же время деталь с калиброванным отверстием, изготовленная из гранулятора фирмы Ceramika Industrial Avellaneda S. A., для замены набивного материала в воронке сохраняет форму канала. Поэтому можно сделать вывод, что при тепловом воздействии огнеупорные материалы, изготовленные в России, более эффективны при разливке стали при динамической нагрузке на гранулятор, а материалы фирмы Ceramika Industrial Avellaneda S. A. только при статической.
Исследования, проведенные на лабораторной установке фирмы ERVIN по методике этой же фирмы, показали, что циклическая стойкость дроби, полученная на дробелитейной машине конструкции ОАО «БЕЛНИИЛИТ», после термической об-
аггг^ г: п^штптп / С7
-3 (67), 2012 / U И
работки при температуре 380-420 °С достигает 5000-5100 циклов.
Выпускаемая литая стальная дробь, изготовленная на оборудовании ОАО «БЕЛНИИЛИТ», по своим характеристикам соответствует лучшим мировым аналогам известных фирм (WHEELA-BRATOR ALLEVARD SPECIFICATIONS (Франция), VULKAN и METALLTECHNIK (Германия) и др.), а малогабаритное оборудование, которое легко поддается демонтажу, размещается на значительно меньших производственных площадях и имеет возможность быстрой переналадки для литья разных фракций дроби.
Основные физико-механические свойства дроби приведены в табл. 2.
Таблица 2. Физико-механические свойства дроби
Гранулометрический состав, мм 0,6-6,0
Фактор формы 0,85-1,0
Плотность, г/см3 7,2-7,5
Твердость НЕС (в зависимости от вида термообработки) 45-61
