Разработка и освоение технологии раскисления литейных сталей титаносодержащими прессованными псевдолигатурами

На правах рукописи

Янбаев Фатих Мискадесович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАСКИСЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ ТИТАНОСОДЕРЖАЩИМИ ПРЕССОВАННЫМИ ПСЕВДОЛИГАТУРАМИ

Специальность 05.16.04 – Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2006

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете (НГТУ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Тимофеев Г.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Чернышов Е.А., НГТУ

- кандидат технических наук Сенопальников В.М.

ООО «Проммет»

Ведущая организация - ОАО “Горьковский металлургический завод”,

г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится « » 2006 г. в « » час. в ауд. на заседании диссертационного совета Д.212.165.07 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, ГСП-41, г.Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » октября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.А. Ульянов.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Выплавка стали в индукционных печах малой емкости, получила широкое распространение при производстве стального литья. В большинстве случаев в этих агрегатах используется кислая футеровка, а технологический процесс сводится к переплаву компонентов известного состава с последующим раскислением – предварительным (Мn, Si) и окончательным(Al, силикокальцием, Тi, РЗМ и др.). В условиях рыночных отношений, наряду с техническими факторами, существенную роль в оптимизации технологии выплавки стали для литья играет стоимость раскислителей. В работе предложен один из путей снижения стоимости раскислителей, основанный на использовании в качестве исходных материалов отходов машиностроения, в частности стружки титановых сплавов (85-99%Ti).

Это определяет актуальность работы по разработке эффективных, дешевых раскислителей и методов их ввода в расплав. Требование к вновь разрабатываемому раскислителю можно сформулировать следующим образом - низкая стоимость при не меньшей, чем у существующих раскислителей эффективности.

В настоящее время стружка титана в значительном количестве образуется на предприятиях оборонной отрасли. Эти отходы не применяются при плавке титановых сплавов. Использование для раскисления стали в ковше брикетов из стружки титановых сплавов не обеспечивает эффективности и стабильности результатов. Это особенно ярко проявляется при выпуске стали из малых печей. Брикеты, имея малую плотность и продолжительность растворения, превышающую время наполнения ковша, всплывают на поверхность расплава и ошлаковываются. Обдирочная, «грубая» стружка применяется при выплавке ферротитана в индукционных печах. Использование тонкой стружки, образующейся после чистовой обработки деталей, для этих целей в связи со значительным её угаром и опасностью воспламенения в печи затруднительно, чем и определяется высокая стоимость получаемого ферротитана. Применение этих отходов в качестве одного из компонентов комплексного раскислителя, без процесса сплавления позволит резко снизить потери титана в машиностроении и стоимость продукции. Поскольку известно, что наилучшие результаты по раскислению стали обеспечиваются при использовании титана совместно с алюминием, целесообразно в качестве второго компонента раскислителя применить производственные отходы сплавов алюминия в виде стружки. В этом случае алюминий является и раскислителем и связующим материалом, значительно облегчающим процесс прессования брикета. Одновременно это позволит устранить основной недостаток брикетов из титановой стружки – значительную продолжительность их растворения в стали. Брикет псевдолигатуры распадается по достижении температуры плавления алюминия. При этом в объем стали будут внесены дисперсные частицы титана,

4

значительная поверхность контакта которых с расплавом обеспечит высокую скорость и эффективность раскисления.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Федерального агентства по образованию России, перечнем критических технологий, комплексными договорами о сотрудничестве между НГТУ и ОАО “Горьковский автомобильный завод” (ГАЗ), г. Нижний Новгород и заводскими программами по решению актуальных проблем литья.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка и освоение технологии раскисления литейных сталей, выплавленных в индукционных печах малой емкости титаносодержащими прессованными псевдолигатурами, изготовленными по предложенной в работе ресурсосберегающей и рациональной технологии использования титановых отходов в виде чистовой стружки.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

• установить особенности технологии получения ферротитановых лигатур плавлением и термодинамические закономерности процесса раскисления сталей;
• провести термодинамический расчет оптимального соотношения титана и алюминия в комплексной псевдолигатуре;
• провести расчет необходимого количества псевдолигатуры для раскисления заданного объема стали на базе термодинамического анализа;
• расчетным путем оценить скорость растворения частиц стружки титанового сплава в жидкой стали и определить допустимые размеры этих частиц;
• расчетным путем оценить геометрические размеры брикета;
• разработать технологию изготовления псевдолигатуры;
• разработать технологию раскисления стали с помощью псевдолигатуры;
• провести промышленное опробование разработанной технологии и оценку качества литья, получаемого в условиях её применения.

Научная новизна

• на основе термодинамического анализа определены оптимальные соотношения титана и алюминия в комплексной лигатуре;
• проведенные физико-химические расчеты позволили определить равновесную концентрацию кислорода в расплаве стали при раскислении псевдолигатурой с учетом сопутствующих реакций: взаимодействие титана с кислородом, азотом и углеродом; взаимодействие алюминия с кислородом и азотом;

5

• на основе изучения механизма массопередачи определены оптимальные размеры частиц стружки в псевдолигатуре, обеспечивающие полное растворение титана при раскислении стали, выплавленной в печах малой емкости;
• путем решения задачи теплопроводности разработана методика расчета геометрических размеров брикета псевдолигатуры.

Практическая ценность

• разработан технологический процесс изготовления комплексного раскислителя в виде брикета, изготовленного методом прессования, с использованием в качестве шихты измельченной стружки титановых и алюминиевых сплавов. Технология позволяет утилизировать отходы и практически полностью исключить угар компонентов, имеющий место при изготовлении лигатур методом сплавления;
• опробован в производстве, разработанный соискателем технологический процесс раскисления стали марки 40Л, выплавленной в индукционных печах малой емкости с кислой футеровкой. Обеспечено качественное раскисление стали, получение более благоприятной структуры, а также повышение механических свойств стали. Ожидаемый экономический эффект по литейному цеху ОАО “ГАЗ” составил 350 руб. на одну тонну годного литья.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двух Международных конференциях: “Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов” г. Хабаровска, “Нелинейная динамика и прикладная синергетика” г. Комсомольска-на-Амуре и трех Межвузовских Региональных научно-технических конференциях и семинарах г. Н. Новгорода.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе в центральных изданиях. Получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 125 наименований и приложений. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста, 24 рисунка и 27 таблиц.

6

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность данной работы для современной теории и практики литья, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ технологии выплавки электростали в индукционных тигельных печах малой емкости с кислой футеровкой, получившей широкое применение в цехах литья по выплавляемым моделям. Рассмотрены этапы плавки, а также преимущества и недостатки выплавки стали в подобных агрегатах. Подробно рассмотрен процесс осаждающего раскисления (способы, элементы-раскислители, комплексное раскисление), а также технологические особенности, возникающие при проведении этой операции. По литературным данным приведены интервалы значений остаточного содержания различных элементов-раскислителей (РЗМ, Mn, Ti, Al и др.) в низкоуглеродистой стали марки 40Л, обеспечивающие наилучшие механические свойства сплава. Так концентрация остаточного титана составляет 0,02-0,04 %, а концентрация остаточного алюминия - 0,03-0,06 %.

Рассмотрены основные термодинамические положения раскисления стали титаном, алюминием, РЗМ и другими элементами. Приведена раскислительная способность этих элементов при их введении в расплав стали по отдельности. Выяснено, что титан является одним из эффективных раскислителей стали.

Приведены типы включений образующиеся в расплаве после раскисления, размеры неметаллических включений (НМВ), их плотность и конфигурация, а также величины углов смачивания продуктов реакции раскисления. Определено влияние различных НМВ на механические свойства стали. Выяснено, что основная масса НМВ, встречающаяся в твердой стали, принадлежит к классу эндогенных, образующихся в результате сложных физико-химических процессов в жидком, затвердевающем и твердом металле.

Рассмотрены методы производства комплексных лигатур, в том числе получаемых прессованием исходных материалов (псевдосплавов). Известно, что псевдолигатуры успешно используются в производстве сплавов на алюминиевой основе. В главе показана перспективность применения титаносодержащей прессованной псевдолигатуры, изготовляемой из отходов титановых сплавов в виде стружки при производстве стали в малых индукционных печах. Также показаны преимущества и экономичность прессового способа по сравнению с традиционными – сплавлением и алюмотермическим способом.

Проведенный анализ литературы и ознакомление с практическим опытом производства, показали – вопросы комплексного раскисления и механизма глобуляризации включений изучены не достаточно. Поэтому большой практический интерес представляют исследования по разработке рациональной технологии комплексного раскисления и её влияния на механические свойства стали.

7

В заключение главы ставятся задачи исследования и обосновываются пути их решения.

Во второй главе приводятся результаты теоретического исследования процесса раскисления стали 40Л титаносодержащей псевдолигатурой, на основе термодинамического анализа. Осуществлен выбор и расчет основных параметров процесса раскисления ( - активности элементов-раскислителей, продуктов реакций взаимодействия, - константы равновесия, - коэффициента активности), их значения приведены в таблице 1.

В работе представлены химические реакции взаимодействия титана и алюминия с кислородом стали. По этим реакциям рассчитано необходимое количество раскислителя.

При исследовании термодинамики раскисления стали важно определить влияние концентрации элемента-раскислителя на содержание и активность растворенного в металле кислорода. Псевдолигатура содержит два сильных раскислителя, отношение которых в ее составе не одинаково.

Таблица 1 Значения основных параметров процесса раскисления

Соединение	Значения параметров
Ti3O5		-	0,684
TiN		-	0,714
TiC		-	0,827
Al2O3	-		0,641
AlN	-		0,672

В работе проведены термодинамические расчеты по определению раскислительной способности титана и алюминия стали марки 40Л, при условии их совместного ввода (раскисление псевдолигатурой), результаты которых приведены на рисунке 1. Проведенные физико-химические расчеты показали, что из-за неодинакового влияния компонентов стали марки 40Л на коэффициент активности кислорода, титан имеет меньшее химическое сродство к кислороду, чем алюминий, а следовательно и меньшую раскислительную способность. Дополнительно были проведены расчеты раскислительной способности брикетов псевдолигатуры различных составов и различного содержания в массе раскисляемого расплава стали марки 40Л, результаты приведены на рисунке 1.

Проведен расчет, равновесной концентрации кислорода в расплаве стали при заданных содержаниях титана и алюминия по следующим выражениям констант химического равновесия для реакций:

8

, (1)

Совместное решение уравнений в системе (1) имеет следующий вид:

, (2)

По данным решения уравнения (2) построен график зависимости концентрации остаточного кислорода в стали от процентного содержания брикетов псевдорлигатуры в массе раскисляемого металла и от содержания титана и алюминия в брикете раскислителе (рисунок 1).