CC BY
148
Kadnikov Sergey Vladimirovich - New Technologies - EC Ltd. E-mail: mail@novtexn,ru
Timofeev Vladimir Andreevich - chif steelmaking department metallogical plant «Red Oktober», Volgograd.
Matveev Anatoliy Nikolaevich - engineer steelmaking department metallurgical plant «Red October», Volgograd.
Abstract. lifetime of ingot moulds feebly depend from number cast ingot mould during work time, day of production. bat depend long time ageing and intensive exploitations of ingots moulds
Keywords: lifetime of ingot, cooling time of mould, long time ageing and exploitations
♦ ♦ ♦
УДК 669.621.1.74
Леушин И.О., Коровин В.А., Ульянов В.А., Токарникова О.В., Шигин В.Е.
ВЛИЯНИЕ ВНЕПЕЧНЫХ МЕТОДОВ ВОЗДЕЙСВИЯ НА МЕДНЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА
Аннтотация В настоящее время в промышленности были и остаются необходимыми и востребованными детали из медных сплавов. При этом качество литых заготовок - механические свойства и их структуры, во многом определяются чистотой и условиями кристаллизации сплава. Поиск решения проблемы получения качественной литой заготовки привел исследователей к необходимости применения различных внешних воздействий на жидкий и затвердевающий металл. В работе в качестве внешних методов обработки медных сплавов были исследованы:
1 направление - воздействие упругих колебаний на расплав в ковше;
2 направление - воздействие вибрации на затвердевающий в металлической форме сплав;
3 направление - воздействие рафинирующе-модифицирующей смеси на расплав в ковше.
По первому направлению в статье приведены результаты промышленных исследований обработки бронз упругими колебаниями в ковше в течение одной и трех минут и выявлено благоприятное влияние на структурные изменения.
По второму направлению в статье приведены исследования по приложению вибрации к кокилям с расплавом бронзы и выявлено измельчение структуры и повышение механических свойств.
По третьему направлению в статье приведены исследования термодинамики карбонатов бария, стронция и кальция, а также результаты промышленных исследований обработки расплава латуни в ковше рафинирующе-модифицирующей смесью на основе карбонатов. Результаты проведенных исследований показывают возможность и эффективность рафинирования и модифицирования расплава латуни смесью карбонатов бария и стронция, что сопровождается повышением механических свойств и улучшением микроструктуры заготовок.
Таким образом, предложены различные варианты технологических решений по повышению качества медных сплавов и получены при этом опытные партии заготовок.
Ключевые слова: медные сплавы, расплав, внепечная обработка, структура, механические свойства, упругие колебания, вибрация, рафинирование, модифицирование, качество заготовок.
В настоящее время в промышленности были и остаются перспективными и востребованными детали из сплавов медной группы. Они являются основой большинства современных литейных сплавов для заготовок тел вращения, что связано с исключительно благоприятным сочетанием их литейных, механических и эксплуатационных свойств. При этом структура и свойства литого металла заготовок во многом определяются его чистотой и условиями его кристаллизации. Поэтому поиск решения проблемы - получение качественной литой заготовки - ведет исследователей к необходимости применения различных внешних воздействий на жидкий и затвердевающий металл [1-5].
В работе в качестве внепечных методов обработки медных сплавов были использованы для исследо-
ваний: воздействие упругих колебаний на расплав в ковше, воздействие вибрации на затвердевающий металл в форме и воздействие рафинирующе-модифицирующей смеси на расплав в ковше.
Первый вариант внепечной обработки расплав медных сплавов - воздействие упругих колебаний на жидкий металл.
В качестве исследуемых сплавов использовались деформируемые бронзы БрМц5 и БрКМц3-1, выплавляемые в канальной индукционной печи под слоем флюса (составляет 2-3% от массы шихты) по стандартной методике из свежих металлов. После расплавления меди и нагрева до температуры 1150-1170°С расплав раскисляют фосфористой медью, после раскисления расплава в него вводят подогретые до 100-120°С соответствующие элементы и переме-
шивают до полного растворения элемента и нагревают до заданной температуры. При выдаче сплава из печи в ковш перед разливкой расплав окончательно раскисляют остатком фосфористой меди для освобождения ее от окислов.
Разливочный ковш с жидким металлом ёмкостью 1 т помещают под устройство генерации упругих колебаний, которые вводятся в расплав с помощью погруженного стального волновода, затем с поверхности расплава удаляют образовавшийся шлак и разливают по формам. Для лучшего удаления шлака с поверхности расплава в ковш добавляют кварцевый песок, который сгущает шлак.
На рисунке показано устройство генерации упругих колебаний, которое использовалось в ходе исследований.
Устройство генерации упругих колебаний: 1 - корпус электроразрядной камеры; 2 - электрод; 3 - вода; 4 - излучатель-волновод; 5 - мембрана;
6, 8 - кольца; 7 - полухомуты; 9 - уплотнения; 10 - профильная насадка; 11 - обычная подвеска; 12 - резонансная подвеска
После заполнения разрядной камеры водой подают от генератора импульсных токов на положительный электрод импульсы тока высокого напряжения 50 кВ с заданной частотой следования 5 имп/с. При высоковольтном пробое водного промежутка между оконечностью положительного электрода и верхней частью излучателя-волновода, являющегося отрицательным электродом, возникают явления, характеризующие электрогидравлический эффект в ограниченном объеме. Ударные волны и мощные гидропотоки взаимодействуют с мембраной и верхним торцом волновода-излучателя и через последний передаются в расплавленный металл. Акустическое поле в расплаве приводит к возникновению локальных акустических давлений за счет распространения импульса сжатия. Взаимодействие фронта ударной волны с различными неоднородно-стями расплава приводит к возникновению локальных
разрывов сплошности, возникновению кавитацион-ных полостей, способствующих дегазации расплава и всплыванию неметаллических включений.
Основные параметры воздействия при энергии в импульсе 1 кДж:
- нарастание в течение 1 мс скорости перемещения мембраны до 6 м/с при ускорениях до 1300 g;
- основные гармоники акустических волн в пределах 0,8-3,4 кГц.
Ниже приведены результаты промышленных исследований обработки бронз упругими колебаниями в разливочном ковше в течение 1 и 3 мин.
В табл. 1 показаны средние значения размеров литого зерна и дендритной ячейки, а также механических свойств литой заготовки диаметром 100 мм.
Виброимпульсное воздействие благоприятно влияет на структурные изменения литого сплава. В связи с этим изменение расстояния между дендритными осями становится важной характеристикой структуры и качества литья. При этом наблюдается выравнивание механических свойств медного сплава по сечению заготовки.
Второй вариант внепечной обработки расплава медных сплавов - воздействие вибрации на затвердевающий металл в форме.
Проведен цикл экспериментов на участке получения бронзового литья. При проведении этих экспериментов использовали приложение вибрации на ко-кили, предназначенные для получения заготовок из бронзы.
Было установлено, что при прочих равных условиях количество удаляемых газов при вибрации (в зависимости от параметров вибрации и технологических условий) увеличивается на 10-20%, измельчается макро-, микроструктура и зерно и повышаются механические свойства на 15-20%.
Объяснение, например, факта улучшения удаления газов может быть следующим. При зарождении в
Таблица 1
Влияние упругих колебаний на параметры литой заготовки из БрМц5
Время Площадь Размер Ширина зоны Предел Относитель- Твёрдость
воздейст- литого дендритной столбчатых прочно- ное удлине- по Виккер-
вия, мин зерна, мм ячейки, мкм кристаллов, мм сти, МПа ние, % су, HV
0 6,7 22,7 31 290 24 37
1 2,1 13,1 14 370 35 44
3 0,9 6,9 8 395 34 49
гомогенной жидкости газовых пузырьков вследствие малого радиуса (~10-6 м) они испытывают значительные знакопеременные давления, состоящие из атмосферного Ратм, ферростатического Рф и капиллярного [2]:
Р
общ
= Рф
Г
где ст - межфазное натяжение расплава; г - радиус пузырька.
Если это давление больше некоторого значения Рпр, при котором пузырек может достигнуть критического размера, зарождение газовых пузырьков, способных к выходу из металла, не происходит. Возникающие при воздействии вибрации импульсы давлений «раскачивают» внутреннюю структуру расплава и ослабевают прочность жидкости. В определенной фазе виброимпульса происходит сокращение расстояния между мелкими пузырьками настолько, что приводит к образованию полостей, заполняемых растворенным в расплаве газом, которые способны удаляться из расплава.
В настоящее время не существует однозначного мнения о влиянии вибрации на процесс кристаллизации и зародышеобразования. Общеизвестно, что вибрационная обработка расплава приводит к интенсивному зарождению новых кристаллов. При этом предполагаются два механизма зарождения кристаллов под действием вибрации.
В первом - при соответствующих параметрах вибрации образуются зародыши, по размерам соизмеримые с размерами критического зародыша, т.е. идет процесс спонтанного зародышеобразования. При этом есть две причины этого процесса. Первая - изменение давления внутри металла. Вторая - вибрационное смещение зародышей при «раскачивании» внутренней структуры расплава, облегчающее их образование и дальнейший рост.
Во втором - при создании определенных параметров вибрации кокиля создаются условия для возникновения обломков кристаллов, и причем процесс может усиливаться при возникновении резонансных колебаний. Обломки кристаллов захватываются конвективными потоками расплава, возникающими вследствие движения струи жидкого металла из ковша в кокиль, и разносятся по объему формы.
Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что под действием вибрации происходит диспергирование элементов структуры расплава и размывание от шихтовых материалов. Влияние данного вида обработки сохраняется в течение длительного времени и проявляется в измельчении структурных составляющих и повышении механических свойств в литых заготовках.
Третий вариант внепечной обработки расплава медных сплавов - воздействие рафинирующе-модифицирущей смеси на расплав в ковше.
Метод совместного проведения модифицирования и рафинирования можно успешно применять для очистки и повышения физико-механических свойств расплавов меди, бронз и латуней.
Учитывая склонность этого сплава к поглощению газов, плавку необходимо вести форсированно, сохраняя нейтральную или слегка окислительную атмосферу.
В работе исследовали влияние обработки расплава латуни в ковше карбонатами на кинетику и эффективность модифицирования и рафинирования при
изменении ковшевой атмосферы в строну окислительной, отразившейся на микроструктуре и физико-механических свойствах.
Объектом исследования являлась латунь Л59. Ее плавили в индукционной печи из готовой шихтовой заготовки. По расплавлении шихты и подогрева до заданной температуры расплав выдавали в ковш, где и обрабатывали карбонатами. Емкость ковша-5 кг. Количество модифицирующе-рафинирующей смеси (карбоната) - 0,025 кг. Температура заливки - 850°С. Использованные карбонаты: бария (Ва С03), стронция ^г С03), кальция (Са С03). Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты эксперимента по обработке расплава латуни карбонатами
№ Карбонат Количество, % Предел проч- Относительное
п/п ности, кг/мм2 удлинение, %
1 Без обработки Без обработки 43,95 13,3
2 Ва СОэ 0,5 52,23 10,3
3 Sr СО3 0,5 45,22 22,67
4 Са СО3 0,5 42,68 17,3
Как следует из данных табл. 2, процесс модифи-цирующе-рафинирующего воздействия на расплав латуни протекает эффективно при применении карбоната бария и карбоната стронция.
В процессе ковшевой обработки сплава выделяющиеся пузырьки углекислого газа при разложении карбонатов механически увлекают за собой растворенные газы и удаляют их из жидкого сплава. Барий и стронций оказывают модифицирующий эффект. Карбонат кальция (Са С03) не успевает раствориться в расплаве латуни.
Результаты лабораторных экспериментов показывают возможность рафинирования и модифицирования расплава латуни карбонатами бария и стронция с повышением при этом физико-механических свойств и улучшением микроструктуры.
Список литературы
1. Тихонов Б.С. Тяжелые цветные металлы и сплавы. Справочник: в 2 ч. М.: ЦНИИЭИцветмет, 1999. Ч. 1. 386 с.
2. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марк. Справочник. М.: Машиностроение, 2004. 336 с.
3. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии, 2004. 782 с.: ил.
4. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. Влияние внешних воздействий на процессы формирования слитков и заготовок. М.: Металлургия, 1991. 160 с.
5. О перспективах применения вибрации в процессах внепечной обработки бронзы / В.А. Ульянов, О.В. Токарникова, И.В. Гей-ко, В.А. Коровин, Д.А. Фатеев, А.И. Щербаков // Литейное производство сегодня и завтра: труды IX Всероссийской научно-практической конференции. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. С. 316-318.
Сведения об авторах
Леушин Игорь Олегович - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8(831) 436-43-95.
Коровин Валерий Александрович - д-р техн. наук, доц. кафедры металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8(831) 436-43-95. E-mail: [email protected]
Ульянов Владимир Андреевич - д-р техн. наук, проф. кафедры металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8(831) 436-43-95.
Токарникова Ольга Валерьевна - аспирант, инженер II категории кафедры металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8(831) 436-43-95.
Шигин Вячеслав Евгеньевич - ст. преп. каф. металлургических технологий и оборудования НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Тел.: 8(831) 436-43-95.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
INFLUENCE OF EXTRA OVEN METHODS OF INFLUENCE ON THE COPPER ALLOYS FOR INCREASE OF THEIR QUALITY
Leushin Igor Olegovich - D. Sc. (Eng.), the Head of the chair "Metallurgical technologies and the equipment" NGTU of R. E. Alekseev. Phone: 8 (831) 436-43-95.
Korovin Valery Aleksandrovich - D. Sc. (Eng.), Associate Professor NGTU of R. E. Alekseev. Phone: 8 (831) 436-43-95, v.korovin2015 @yandex. ru
Ulyanov Vladimir Andreevich - D. Sc. (Eng.), Professor NGTU of R. E. Alekseev. Phone: 8 (831) 436-43-95. Tokarnikova Olga Valeryevna - graduate student, the engineer of the II category of "Metallurgical technologies and equipment" chair of NGTU of R. E. Alekseev. Phone: 8 (831) 436-43-95.
Shigin Vyacheslav Evgenyevich - Assistant Professor NGTU of R.E. Alekseev. Phone: 8 (831) 436-43-95.
Abstract. Now in the industry were and there are necessary and demanded details from copper alloys. Thus quality of cast preparations - mechanical properties and their structures, in many respects are defined by purity and conditions of crystallization of an alloy. Search of a solution of the problem of receiving high-quality cast preparation resulted researchers in need of application of various external impacts on liquid and hardening metal. In work as external methods ofprocessing of copper alloys were investigated:
1 direction - impact of elastic fluctuations on fusion in a ladle;
2 direction - impact of vibration on an alloy hardening in a metal form;
3 direction - impact of refining-modifying mix on fusion in a ladle.
In the first direction in article results of industrial researches of bronze processing by elastic fluctuations are given in a ladle within one and three minutes and beneficial effect on .structural changes is revealed.
In the second direction in article researches on the appendix of vibration are given to chill molds with bronze fusion, and crushing of structure and increase of mechanical properties is revealed.
In the third direction in article researches of thermodynamics of carbonates of barium, strontium and calcium, and also results of industrial researches of processing of fusion of brass are given in a ladle by refining-modifying mix on the basis of carbonates. Results of the conducted researches show opportunity and efficiency of refinement and modifying of fusions of brass by mix of carbonates of barium and strontium that is accompanied by increase of mechanical properties and improvement of a microstructure of preparations.
Thus: various versions of technological decisions on improvement of quality of copper alloys are offered, and experience batches of preparations are received thus.
Keywords: copper alloys, fusion, extra oven processing, structure, mechanical properties, elastic fluctuations, vibration, refinement, modifying, quality of preparations.
References
1. Tikhonov B.S. Tyazhelye tsvetnye metally i splavy [Heavy non-ferrous metals and alloys]. Moscow: TSNIIEItsvetmet, 1999, pt.1, 386 p.
2. Osintsev O.E., Fedorov V.N. Med' i mednye splavy. Otechestvennye i zarubezhnye marki [Copper and copper alloys. Domestic and foreign brands]. Moscow: Mashinostroenie, 2004, 336 p.
3. Yefimov V.A., Eldarkhanov A.S. Tekhnologii sovremennoj metallurgii [Technologies of modern metallurgy]. Moscow: New technologies, 2004, 782 p.
4. Skvortsov A.A., Akimenko A.D., Ulyanov V.A. Vliyanie vneshnikh vozdejstvij na protsessy formirovaniya slitkov i zagotovok [Influence of external influences on processes of formation of ingots and preparations]. Moscow: Metallurgy, 1991, 160 p.
5. Ulyanov V.A., Tokarnikova O.V., Geiko I.V., Korovin V.A., Fateev D.A., Scherbakov A.I. About prospects of application of vibration in processes of extra oven processing of bronze [Foundry production today and tomorrow: works IX of the All-Russian scientific and practical conference].
S.-Peterburg: Publishing house of Polytechnical University, 2012, pp. 316-318.
♦ ♦ ♦
