авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение эффективности процесса науглероживания расплава при изготовлении массивных отливок ответственного назначения из синтетического чугуна

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КАЛИСТОВ СЕРГЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАУГЛЕРОЖИВАНИЯ РАСПЛАВА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МАССИВНЫХ ОТЛИВОК ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

ИЗ СИНТЕТИЧЕСКОГО ЧУГУНА

Специальность 05.16.04 – Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Н.Новгород – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Тимофеев Геннадий Иванович

доктор технических наук,

профессор Леушин Игорь Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Колесников Михаил Семенович

ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» (г. Набережные челны)

кандидат технических наук,

доцент Зиновьев Юрий Александрович ГОУ ВПО «Нижегородский государственный

технический университет им. Р.Е. Алексеева»

(г. Нижний Новгород)

Ведущая организация: ОАО «ГАЗ» (г. Нижний Новгород)

Защита состоится « 7 » _ноября_2008г., в 13-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603100 г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан « 03 »_октября_ 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Ульянов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Одним из путей снижения себестоимости литья является выплавка чугуна на дешевой шихте, в частности, замена дорогостоящих литейных и передельных чугунов стальным ломом. Стальные отходы – в определенном смысле значительно более качественные материалы, свободные от вредных примесей и включений, чем литейные и передельные чугуны. Однако их применение в составе шихты ведет к необходимости проведения науглероживания расплава для получения синтетического чугуна. Процесс науглероживания расплава при этом приобретает важную роль в многозвенной цепочке получения отливок, и повышение его эффективности является важной задачей. Ранее ее решением занимались такие ученые, как Вертман А.А., Владимиров Л.П., Есин О.А., Жуков А.А., Козлов Л.Я., Рист А., Самарин А.М, Чипмэн Д., Шумихин В.С., и др. Ими отмечается повышение механических и эксплуатационных свойств металла при получении отливок из синтетического чугуна, в то же время наблюдаются и отрицательные явления: повышенная усадка, пониженная жидкотекучесть, склонность к отбелу. В связи с этим требуются дополнительные исследования процесса науглероживания расплава.

В рамках данной работы проведены такие исследования и предложен технологический метод повышения эффективности науглероживания за счет применения в составе науглероживающей смеси с графитсодержащими материалами карбонатов щелочноземельных металлов.



Целью работы является повышение качества чугунных массивных отливок ответственного назначения посредством повышения эффективности процесса науглероживания расплава при получении синтетического чугуна.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

  • Систематизация и критическая оценка существующих методов науглероживания;
  • Исследования поведения углерода в расплаве по ходу плавки в процессе получения синтетических чугунов;
  • Выявление физико-химических условий перехода углерода в расплав через газовую фазу;
  • Построение кинетической схемы науглероживания расплава и разработка на ее основе математической модели процесса для двух механизмов: при механическом замешивании частиц науглероживателя в расплав с дальнейшим их растворением и с использованием карбонатов щелочноземельных металлов;
  • Разработка и внедрение в действующее производство технологии процесса науглероживания синтетических чугунов с применением в качестве науглероживателя смеси углеродсодержащего материала и карбонатов щелочноземельных металлов на примере изготовления крупногабаритных коленчатых валов;
  • Совершенствование методов ультразвукового контроля качества чугунных отливок, обеспечивающих выявление внутренних дефектов и позволяющих оценить степень однородности структуры материала.

Научная новизна

  • Выявлены физико-химические особенности процесса науглероживания расплава через газовую фазу;
  • Показано, что использование карбонатов щелочноземельных металлов в составе науглероживающей смеси способствует переходу углерода в расплав через газовую фазу, а также снижению содержания в чугуне вредных примесей серы и фосфора;
  • Построена кинетическая схема науглероживания, на основании которой получена математическая модель, позволяющая прогнозировать состояние системы в любой момент времени, а также решать задачи оптимизации рассматриваемого процесса;
  • Показана принципиальная возможность применения в ультразвуковой дефектоскопии чугунного литья таких диагностических параметров, как отсутствие эхо-сигнала и дисперсия коэффициента затухания.

Практическая ценность работы:

  • Разработан новый состав науглероживателя для получения качественного синтетического чугуна, включающий карбонаты щелочноземельных металлов;
  • Разработана и внедрена в действующее производство на ОАО «РУМО» с экономическим эффектом технология процесса науглероживания синтетических чугунов с применением нового науглероживателя на отливке «Коленчатый вал»;
  • Разработаны и внедрены в производство методы ультразвукового контроля чугунного литья по новым диагностическим признакам.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 6-й Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» 20-22 июня г. Санкт-Петербург 2006г.; 2-м межрегиональном литейном консилиуме «Теория и практика металлургических процессов» 4-6 декабря г. Челябинск 2006г.; 8-м съезде литейщиков 23-27 апреля г. Ростов-на-Дону 2007г.; IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» 22-28 октября г. Москва 2007г, научных семинарах факультета материаловедения и высокотемпературных технологий НГТУ им. Р.Е.Алексеева в течение 2004-2008 г.г., ежегодных региональных НТК по проблемам заготовительных производств машиностроения, г. Н.Новгород, 2006-2008г.г. и защищена патентом на изобретение № 2324742 РФ. Основные положения работы прошли эксплуатационную проверку и внедрение на ОАО «РУМО».

Личное участие

Личное участие в научно-исследовательских работах, на результатах которых основана диссертация, состояло: в исследовании влияния карбонатов щелочно-земельных металлов на процесс науглероживания синтетического чугуна; в проведении теоретической оценки влияния газовой фазы на процесс науглероживания (физическое и математическое моделирование, термодинамический анализ); в проведении экспериментальных и промышленных исследованиях процесса науглероживания; исследовании ультразвуковых характеристик чугуна; исследовании дефектов массивных отливок; в реализации разработанных технологий на производстве; промышленном внедрении. Основные научные результаты, представленные в диссертации, являются итогом труда автора.

Публикации

По теме диссертации имеется 14 публикаций, в том числе 5 в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение № 2324742 РФ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 138 источников и 9 приложений.

Диссертация содержит 154 страницы машинописного текста, 39 рисунков, 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, обсуждены ее научная ценность и практическая значимость.

В первой главе на основании литературного и патентного обзора рассмотрены особенности применения углеродсодержащих материалов при науглероживании металлического расплава. Представлены различные модели и схемы, описывающие процесс науглероживания синтетических чугунов, проведен анализ факторов влияющих на изучаемый процесс. Дан обзор существующих методов дефектоскопии чугунных отливок.

В качестве науглероживателя при получении синтетического чугуна используют материалы как искусственного происхождения – нефтяной и каменноугольные коксы, древесный уголь, графитную крошку различных марок, так и природные – чешуйчатый графит, различные угли, в том числе антрацит и термоантрацит.

Современные представления о процессе науглероживания металлического расплава при получении синтетического чугуна основаны на изучении кинетики диффузионного растворения углерода в жидком чугуне.

Науглероживание через газовую фазу рассматривается в процессах химико-термической обработки – цементации.

Имеются работы, где использовали графитсодержащие материалы, активированные карбонатами. При этом их влияние связывают с микролегированием расплава щелочноземельными металлами или с перемешиванием расплава образующимися в результате диссоциации, пузырьками СО2.

Практические исследования поведения углерода в реальных расплавах методами рентгеноструктурного анализа показали, что твердый углерод не полностью растворяется. При температурах плавления и доводки промышленных чугунов углерод может находиться в расплаве, как в растворенном состоянии, так и виде микровключений. Последние образуют зародышевую фазу, на которой до затвердевания металла кристаллизуется крупный графит, имеющий тенденцию всплывать и образовывать скопления, так называемую спель.

Диагностика дефектов такого рода представляет серьезную задачу в особенности для массивных чугунных отливок ответственного назначения. На практике разрушающие методы в этом случае часто неприемлемы. Сравнения неразрушающих методов показало, что УЗК обладает более высокой чувствительностью, оперативнее в 15-20 раз и производительнее в 2-4 раза по сравнению с традиционными методами радиографического контроля. Затраты при этом меньше в 2-6 раз и он более безопасен в работе. При этом в качестве диагностических признаков для чугуна используют относительные измерения параметров ультразвуковых характеристик. Однако надежность и достоверность получаемых результатов контроля, особенно при проведении оценки однородности структуры материала не всегда удовлетворительная. Поэтому УЗ диагностика чугунного литья не получила широкого распространения и до настоящего времени применяется небезопасный радиационный контроль.

В результате проведенного литературного обзора были сформулированы основные цели и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены физико-химические аспекты науглероживания расплава, как при традиционном растворении твердого углерода, так и при вводе в состав углеродсодержащих материалов карбонатов щелочноземельных металлов. Здесь же представлены кинетическая схема и математическая модель процесса.

Процесс науглероживания расплава без или с участием карбонатов щелочноземельных металлов (например, Са или Ва) выглядит следующим образом. После ввода науглероживателя на зеркало металла образуется слой, в котором условно можно выделить пять зон (рис. 1).

В зоне 1 (область низких температур) на поверхности науглероживателя, контактирующего с атмосферой, где температура составляет менее 400С, равновесный состав газа СО-СО2 содержит почти 100% СО2.

Зона 2 (область умеренных температур) – в слое науглероживателя. Температура находится в пределах 400Сt1000С. В равновесном газе содержатся в соизмеримых концентрациях оба окисла (СО и СО2).

В зоне 3 (область высоких температур), непосредственно прилегающей к поверхности жидкого металла, температура t>1000С. Равновесный газ содержит около 100% СО и возможно протекание реакций только с образованием монооксида углерода.





В зоне 4 на границе металл – науглероживатель происходит насыщение расплава углеродом по двум механизмам: в атомарном виде через газовую фазу и при механическом замешивании частиц науглероживателя в расплав с дальнейшим их растворением.

В зоне 5 происходит диффузионное растворение частиц графита увлеченных в объем ванны потоками металла.

Рис. 1. Теоретическая физико-химическая модель процесса науглероживания:

tпов – температура на поверхности науглероживатель - атмосфера;

tрасп – температура на поверхности науглероживатель – расплав.

Важную роль в процессе науглероживания играет реакция газификации углерода, которая может протекать в двух направлениях: с образованием оксида углерода в области высоких температур, а на поверхности расплава с образованием диоксида углерода и атомарного углерода.

Процесс образования СО на гранулах науглероживателя описывается реакцией:

Cтв+CO2 = 2CO (1)

(2)

Константа равновесия реакции (1) определяется выражением:

(3)

где – активность углерода,

– парциальное давление CO2,

– парциальное давление CO.

На поверхности металлического расплава выделившийся СО реагирует с жидким чугуном по реакции:

2CO = [C]Fe+CO2 (4)

(5)

где [C]Fe – углерод, растворенный в чугуне.

В реальном процессе реакции (1) и (4) протекают в одном и том же месте одновременно. Поэтому при анализе процесса они должны суммироваться:

Cтв = [C]Fe (6)

(7)

Полученное итоговое выражение (7) характерно как для прямого растворения графита в металле, так и для перехода углерода в металл через газовую фазу. При температурах, характерных для науглероживания (Т=16231723К) <0, что соответствует представленной выше модели.

Выразим уравнение константы равновесия для реакции (4) через :

(8)

где - концентрация углерода в расплаве,

- коэффициент активности углерода в расплаве.

Отсюда следует, что для перехода углерода из газовой фазы в расплав железа необходимо поддержание высокой концентрации СО в газовой фазе, а для того, чтобы реакция (1) протекала в направлении образования монооксида углерода необходимо иметь постоянный источник кислорода, например в виде диоксида углерода. Таковым источником может служить карбонат кальция СаСО3 диссоциирующий при температуре выше 910С на СаО и СО2.

Образовавшийся диоксид углерода вступает в реакцию (1), при этом парциальное давление СО увеличивается, что в соответствии с формулой (8) приводит к повышению равновесной концентрации углерода в расплаве железа.

Образовавшийся оксид кальция может вступать на поверхности ванны с серой и фосфором по известным реакциям. При этом происходит очистка чугуна от примесей, что оказывает благоприятное действие на процесс науглероживания.

При взаимодействии углерода с окисидами железа на поверхности расплава возможно их восстановление по реакции:

(FeO)+[C]=[Fe]+CO (9)

(10)

Реакции с выделением диоксида и оксида углерода способствуют увеличению парциального давления СО и, тем самым, науглероживанию расплава через газовую фазу.

Таким образом, ввод карбонатов щелочноземельных металлов в состав углеродсодержащего материала оказывает положительное комплексное воздействие на процесс науглероживания расплава.

Кинетический механизм науглероживания через газовую фазу включает этапы:

  1. Адсорбция молекул СО на поверхности железа

СО(г)+Fe(ж) FeСО(адс) (11)

  1. Образование активного, легкорастворимого сажистого углерода и СО2 за счет столкновения молекул СО с сильно деформированными молекулами в адсорбционном слое

FeСО(адс)+ СО(г)FeС(адс)+СО2(г) (12)

Разрозненные атомы углерода, возникшие в адсорбционном слое, непрерывно перемещаются на поверхности и переходят в расплав.

Образовавшийся диоксид углерода снова вступает в реакцию с науглероживателем с образованием монооксида углерода.

Параллельно происходит растворение частиц науглероживателя. Стадиями, лимитирующими процесс растворения, могут быть разрушение кристаллической решетки графита, а также диффузионный пограничный слой, который представляет собой сопротивление массопереносу углерода от частицы науглероживателя в расплав. При переходе углерода в расплав по газовому механизму диффузионного пограничного слоя нет, что может интенсифицировать процесс науглероживания.

С целью экспериментальной проверки теоретических выводов проведена серия опытов по науглероживанию расплава в печи ИСТ-0,16. В качестве шихты применяли стальной лом марки ст. 40. Температура расплава колебалась в пределах 1500-1550°С.

На рисунке 2 приведены зависимости изменения содержания углерода в образцах от времени и вида науглероживателя. Сравнительный химический анализ показал, что ввод карбонатов в составе шихты стабилизирует количество связанного графита. Поведение Ссвяз, при применении только угольной стружки, имеет сложную концентрационную зависимость, вероятно связанную с изменением ближнего порядка в расплаве.

Металлографический анализ подтвердил, что при применении только угольной стружки, в структуре образцов присутствуют недорастворившиеся частицы графита, а с вводом СаСО3 недорастворившегося графита в поле шлифа очень мало. Включения графита становятся более мелкими. При применении науглероживателя в виде древесного угля с ВаСО3 в поле шлифа графит полностью отсутствует и наблюдается структура – цементит.

Кроме того, измерения содержания газов в зоне реакции газоанализатором показали, что ввод карбонатов увеличивает количество СО.

На основании проведенных экспериментов была составлена следующая кинетическая схема процесса (рис. 3):

 Кинетическая схема процесса-17

Рис. 3. Кинетическая схема процесса науглероживания.

СА, СВ, СС, Сd – концентрация по массе соответственно науглероживателя на поверхности расплава, газовой фазы СО в атмосфере печи, растворенного графита в расплаве Ссвяз, недорастворившегося графита в расплаве Ссвоб;

к1, к2, к3,к4 – константы скоростей реакций.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.