Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к машинам и технологиям литейного производства.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату, принятому за прототип, является способ получения отливок из железоуглеродистых сплавов восстановлением из окалины (Малкин Б.В., Воробьев А.А. Термитная сварка. - М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1963, 105 с; см. стр. 58-60). Термитной смесью из алюминиевого порошка и металлургической окалины заполняют тигель, расположенный над формой. Зажигание термитной смеси в тигле производят дугой, специальным запалом или термоспичками; начавшееся горение протекает быстро, в течение нескольких секунд, охватывая последовательно весь объем термитной смеси, и проходит по реакции:

3Fe₃O₄+8Al=4Al₂O₃+9Fe

После окончания в тигле окислительно-восстановительной реакции и некоторой выдержки железоуглеродистый расплав выпускают из тигля в литейную форму. Через несколько минут форму снимают и срубают литники и прибыли.

Данный способ позволяет рационально использовать железную окалину, являющуюся технологическим отходом металлургического производства, сократить площади ее складирования, получать отливки из железоуглеродистых сплавов.

Однако рассматриваемый способ имеет ряд недостатков. При получении изделий из железоуглеродистых расплавов рассматриваемым выше способом крайне сложно обеспечить их требуемый химический состав и свойства ввиду высоких температур продуктов окислительно-восстановительной реакции (около 3000°C). При использовании такого способа возможность получения железоуглеродистого сплава требуемого химического состава регламентируется точным подбором исходных компонентов шихты, ее объемов, конкретными теплофизическими условиями процесса: толщиной стенки тигля, высотой его заполнения шихтой, наличием инертных наполнителей в термитной шихте и т.д. Рассматриваемый способ исключает возможность проведения дополнительных операций после прохождения экзотермической реакции, например легирования, раскисления и т.д., перед разливкой расплава в формы. Указанные факторы снижают вероятность получения требуемого состава и свойств железоуглеродистых сплавов из термитной шихты.

Задачей заявляемого изобретения является производство отливок из железоуглеродистых сплавов требуемого химического состава, которые получены из термитной шихты, а также повышение стойкости тигля.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в возможности производства отливок из железоуглеродистых сплавов требуемого химического состава, которые получены из термитной шихты, а также повышении стойкости тигля.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения отливок из железоуглеродистых сплавов с применением термитной шихты включает подготовку термитной шихты, содержащей окалину, алюминиевую крошку в качестве восстановителя и металлосодержащие наполнители, проведение восстановительной реакции с получением в тигле железоуглеродистого расплава и шлака, согласно изобретению шлак скачивают из тигля и выпускают железоуглеродистый расплав в терморегулируемый промежуточный ковш, в котором производят контроль химического состава железоуглеродистого расплава и температуры, доводку железоуглеродистого расплава по химическому составу и температуре.

Новым в заявленном способе является то, что после получения в тигле из термитной смеси железоуглеродистого расплава и шлака:

- скачивают из тигля шлак,

- выпускают железоуглеродистый расплав в терморегулируемый промежуточный ковш,

- в терморегулируемом промежуточном ковше производят контроль химического состава железоуглеродистого расплава и температуры,

- в терморегулируемом промежуточном ковше производят доводку железоуглеродистого расплава по химическому составу и температуре.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Благодаря сливанию шлака он не попадает в терморегулируемый промежуточный ковш.

Благодаря выпуску железоуглеродистого расплава в терморегулируемый промежуточный ковш и проводимому в нем контролю химического состава и температуры железоуглеродистого расплава регулируют химический состав и температуру железоуглеродистого расплава, что позволяет получить отливку требуемого химического состава и свойств. Благодаря тому, что выпуск железоуглеродистого расплава из тигля в терморегулируемый промежуточный ковш осуществляют сразу после получения расплава, сокращается время его контакта с внутренней поверхностью тигля, что приводит к повышению стойкости тигля.

Известно устройство для получения отливок из железоуглеродистых сплавов по патенту РФ №2551336, принятое заявителем за прототип. Данное устройство представляет собой тигель с выполненными в нем летками для скачивания шлака и скачивания железоуглеродистого расплава. Данное устройство позволяет получать в нем железоуглеродистый расплав, но не позволяет осуществлять в нем контроль химического состава полученного железоуглеродистого расплава, регулировать химический состав и температуру полученного железоуглеродистого расплава на основе проведенного контроля расплава.

Задачей заявляемого изобретения является производство отливок из железоуглеродистых сплавов требуемого химического состава, которые получены из термитной шихты, а также повышение стойкости тигля.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в возможности производства отливок из железоуглеродистых сплавов требуемого химического состава, которые получены их термитной шихты, а также повышения стойкости тигля.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения отливок из железоуглеродистых сплавов с применением термитной шихты, содержащем огнеупорный тигель, выполненный в виде перевернутого усеченного конуса с леткой для скачивания шлака и леткой для скачивания железоуглеродистого расплава, согласно изобретению тигель выполнен с возможностью наклона от вертикальной оси для скачивания шлака и железоуглеродистого расплава через соответствующие летки, устройство дополнительно содержит терморегулируемый промежуточный ковш, выполненный в виде перевернутого усеченного конуса, внутренний объем которого в 8-15 раз меньше внутреннего объема тигля, терморегулируемый промежуточный ковш расположен ниже тигля, в дне терморегулируемого промежуточного ковша для слива железоуглеродистого расплава выполнено отверстие, в котором установлена втулка с выпускным отверстием, в выпускном отверстии втулки установлена заглушка в виде перевернутого усеченного конуса.

Кроме того, внутренняя стенка тигля выполнена с уклоном под углом 12-15°.

Кроме того, тигель выполнен с внутренней полостью высотой, равной 1-1,5 диаметра основания его внутренней полости.

Кроме того, терморегулируемый промежуточный ковш выполнен с внутренней полостью высотой, равной 1,5-2 диаметрам основания его внутренней полости.

Новым в заявленном устройстве является то, что

- тигель выполнен с возможностью наклона от вертикальной оси для скачивания шлака и железоуглеродистого расплава через соответствующие летки,

устройство дополнительно содержит терморегулируемый промежуточный ковш, выполненный в виде перевернутого усеченного конуса, внутренний объем которого в 8-15 раз меньше внутреннего объема тигля,

- терморегулируемый промежуточный ковш расположен ниже тигля,

- в дне терморегулируемого промежуточного ковша для слива железоуглеродистого расплава выполнено отверстие, в котором установлена втулка с выпускным отверстием,

- в выпускном отверстии втулки установлена заглушка в виде перевернутого усеченного конуса.

Благодаря тому, что тигель выполнен с возможностью наклона от вертикальной оси, осуществляется возможность скачивания шлака с поверхности железоуглеродистого расплава и самого железоуглеродистого расплава через соответствующие летки.

Благодаря тому, что устройство дополнительно содержит терморегулируемый промежуточный ковш, выполненный в виде перевернутого усеченного конуса, осуществляется возможность слива из тигля расплава сразу после его получения, что позволяет сократить время контакта тигля с расплавом, поэтому повышается стойкость тигля.

Согласно результатам исследований минимальная насыпная плотность термитной шихты 700 кг/м³, а максимальная насыпная плотность термитной шихты 1900 кг/м³ [Сапченко И.Г., Комаров О.Н., Жилин С.Г. Использование термитных материалов в технологиях получения стальных отливок // Владивосток. Дальнаука. 2008. 166 с.; см. с. 69-71]. Средняя плотность железоуглеродистого расплава (например, с содержанием углерода до 2,14% по массе) составляет 7800 кг/м³. Экспериментально установлено, что в продукте реакции около 50-75% массы занимает железоуглеродистый расплав, остальное - шлак. Экспериментально установлено, что при плотности термитной шихты 1900 кг/м³ массовый выход железоуглеродистого расплава составляет 50%, при этом внутренний объем промежуточного терморегулируемого ковша меньше внутреннего объема тигля в 8 раз. Экспериментально установлено, что при плотности термитной шихты 700 кг/м³ массовый выход железоуглеродистого расплава составляет 75%, при этом внутренний объем промежуточного терморегулируемого ковша меньше внутреннего объема тигля в 15 раз.

Благодаря тому, что терморегулируемый промежуточный ковш расположен ниже тигля, достигается обеспечение слива железоуглеродистого расплава из тигля в промежуточный терморегулируемый ковш.

Благодаря тому, что в дне терморегулируемого промежуточного ковша для слива железоуглеродистого расплава выполнено отверстие, в котором установлена втулка с выпускным отверстием, достигается регулируемый поток железоуглеродистого расплава при его сливе в литейную форму, что обеспечивает равномерность химического состава и свойств отливки.

Благодаря тому, что в выпускном отверстии втулки установлена заглушка в виде перевернутого усеченного конуса, обеспечивается возможность ее выбивки снизу для реализации слива железоуглеродистого расплава в литейную форму.

Благодаря тому, что внутренняя стенка тигля выполнена с уклоном под углом 12-15°, обеспечивается возможность удаления продуктов реакции из тигля в случае их застывания. Уклон стенки менее 12° недопустим, т.к. процесс удаления шлаковой корки или частей застывшего железоуглеродистого сплава может привести к повреждению тигля. Уклон стенки более 15° недопустим, т.к. возрастает вероятность зависания термитной смеси в верхней части тигля ввиду замедления продвижения реагирующих и образующихся фаз в пристеночной зоне, неполное прохождение экзотермической реакции с образованием пояса трудноудалимой застывшей смеси из продуктов неполной реакции, что приводит к износу огнеупорного тигля

Благодаря тому, что тигель выполнен с внутренней полостью высотой, равной 1-1,5 диаметра основания его внутренней полости, обеспечивается максимальный массовый выход железоуглеродистого расплава, что установлено экспериментально.

Благодаря тому, что терморегулируемый промежуточный ковш выполнен с внутренней полостью высотой, равной 1,5-2 диаметра основания его внутренней полости, обеспечивается устранение ликвационной неоднородности и равномерность химического состава железоуглеродистого расплава перед его выпуском в литейную форму. Экспериментально определено, что при несоблюдении этого диапазона в расплаве появляется ликвационная неоднородность, а химический состав распределяется неравномерно.

Способ осуществляется с помощью устройства, представленного на чертеже. На фиг. 1 схематично представлено устройство, на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

Устройство содержит огнеупорный тигель 1, выполненный в виде перевернутого усеченного конуса с леткой 2 для скачивания металла и леткой 3 для скачивания шлака. Тигель 1 размещен на опоре 4 с возможностью поворота от вертикальной оси. При этом внутренняя стенка тигля 1 может быть выполнена с уклоном под углом 12-15°, а высота внутренней полости тигля 1 может быть больше диаметра основания его внутренней полости в 1-1,5 раза. Устройство содержит изложницу 5 для шлака, терморегулируемый промежуточный ковш 6. При этом высота внутренней полости терморегулируемого промежуточного ковша 6 может быть больше диаметра основания его внутренней полости в 1,5-2 раза. Терморегулируемый промежуточный ковш 6 расположен ниже тигля 1 и выполнен в виде перевернутого усеченного конуса, внутренний объем которого в 8-15 раз меньше внутреннего объема тигля 1. В дне терморегулируемого промежуточного ковша 6 выполнено отверстие 7 для установки огнеупорной втулки 8 с выпускным отверстием 9, для регулирования скорости заливки форм металлом. В выпускное отверстие 9 вставлена заглушка 10 для исключения преждевременного выпуска металла в форму. После подготовки расплава и доведения его до необходимого состояния заглушка 10 выбивается снизу и всплывает на поверхность металла, а металл заполняет форму 11, установленную соосно под терморегулируемым промежуточным ковшом 6. Ковш 6 снабжен устройством подведения и отвода тепла 12. В верхней части огнеупорного реактора располагают устройство для активации окислительно-восстановительной реакции, например газопламенную горелку 13.

Способ получения стали из термитной шихты осуществляют при помощи устройства следующим образом. Для осуществления способа тигель 1 выполнен с внутренним объемом, превышающим внутренний объем терморегулируемого промежуточного ковша 6 в 10 раз. При этом уклон внутренней стенки тигля 1 может быть выполнен с углом 14°, а высота внутренней полости тигля 1 может быть в 1,25 раза больше, чем диаметр ее основания. При этом высота полости промежуточного терморегулируемого ковша 6 может быть в 1,75 раза больше, чем диаметр ее основания. В огнеупорный тигель 1 помещают термитную шихту, состоящую из железоалюминиевого термита (17-25% алюминиевого порошка, 75-83% окалины). Окалина содержит оксиды железа с различной степенью окисленности. Термитную шихту в огнеупорном тигле 1 воспламеняют активатором 13 и запускают в тигле 1 окислительно-восстановительную реакцию. Процесс восстановления стали начинается на поверхности термитной шихты, далее фронт горения последовательно продвигается по всему объему термитной шихты. Так как одним из продуктов реакции является Al₂O₃, то в общем виде для Fe_nO_m формула прохождения экзотермической реакции выглядит следующим образом:

2mAl+3Fe_nO_m=mAl₂O₃+3nFe

В процессе прохождения термитной реакции из термитной шихты образуется расплав, который выдерживается после прохождения экзотермического процесса в тигле 1 до момента разделения металла и шлака. Затем, посредством наклона огнеупорного тигля 1 в одну сторону через летку 3 для скачивания шлака, с поверхности расплава убирают шлак в изложницу 5. Железоуглеродистый расплав посредством наклона тигля 1 в противоположную сторону сливают через летку 2 для скачивания металла в терморегулируемый промежуточный ковш 6, в котором производят замер температуры расплава и отбор его пробы для анализа химического состава. При помощи устройства подведения и отвода тепла 12 регулируют температуру расплава в ковше 6. Устройство 12 может быть выполнено, например, в виде водоохлаждаемого индуктора, позволяющего проводить нагрев или охлаждение железоуглеродистого сплава.

Для производства отливок с требуемым химическим составом необходима коррекция набора исходных компонентов в зависимости от начальных условий получения конкретной отливки (материала и габаритов оснастки, температуры подогрева формы, скорости реакции). После анализа химического состава пробы железоуглеродистого расплава производят его коррекцию путем добавления недостающих компонентов в ковш 6 (ферросплавов, лигатур или металлосодержащих наполнителей). Изначально требуемый химический состав железоуглеродистого сплава обеспечивается введением в термитную шихту металлосодержащих наполнителей и ферросплавов на основании расчетов. Содержание металлосодержащих наполнителей и ферросплавов в термитной шихте определяют по формуле:

где m_ф - масса ферросплава, кг; m_т - масса термита, кг; ϕ - выход термитного металла; Э, Э_тс, Э_ф и Э_н - среднее содержание химического элемента соответственно в металле прибыли, исходном термитном металле, ферросплаве и наполнителе, %; m_н - масса наполнителя, кг [Новохацкий В.А., Жуков А.А., Макарычев Ю.И. Малоотходная технология получения стальных отливок с экзотермическими прибылями. - М.: Машиностроение, 1986, 64 с.]

В качестве ферросплава может быть использован, например, для получения отливки из железоуглеродистого сплава по химическому составу соответствующей Ст45 порошок ферросилиция ФС-45 фракции 0,5 мм, с содержанием кремния 44%, остальных элементов не более: S=0,02%, P=0,05%, Al=2%, Mn=0,6%, Cr=0,5%, C=0,2%.

По завершении доводки железоуглеродистого расплава в ковше 6 производят его выпуск в литейную форму 11.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать отливки из железоуглеродистых сплавов требуемого химического состава, которые получены их термитной шихты с широким диапазоном химического состава; сократить время пребывания получаемого расплава в тигле, что позволит повысить его стойкость.