RU2588965C1 - Method for modification of cast iron - Google Patents
Method for modification of cast iron Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588965C1 RU2588965C1 RU2015106439/02A RU2015106439A RU2588965C1 RU 2588965 C1 RU2588965 C1 RU 2588965C1 RU 2015106439/02 A RU2015106439/02 A RU 2015106439/02A RU 2015106439 A RU2015106439 A RU 2015106439A RU 2588965 C1 RU2588965 C1 RU 2588965C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cast iron
- modifier
- silicon
- production
- graphite
- Prior art date
Links
Landscapes
- Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к производству чугуна и может быть использовано для получения модифицированного чугуна с высокими качественными показателями.The proposed solution relates to the production of cast iron and can be used to produce modified cast iron with high quality indicators.
Как правило, чугун получают в вагранках или индукционных печах, и обычно он содержит от 2 до 4% углерода. Углерод равномерно распределяется в объеме чугуна. Форма, которую принимает графит в процессе кристаллизации чугуна, в значительной мере определяет качественные характеристики чугунных отливок. Графит может присутствовать в чугуне в чешуйчатой, мелкозернистой или сфероидальной формах и их комбинациях. Если углерод принимает форму графита, то чугун является мягким, хорошо поддается механической обработке и относится к серому чугуну. Сфероидальная форма углерода придает чугуну повышенную прочность и ковкость. Если углерод принимает форму карбида железа, то чугун относится к белому чугуну и обладает такими физическими характеристиками, как твердость и хрупкость, которые нежелательны в большинстве случаев применения.Typically, cast iron is obtained in cupola furnaces or induction furnaces, and usually it contains from 2 to 4% carbon. Carbon is evenly distributed in the volume of cast iron. The form that graphite takes in the process of cast iron crystallization largely determines the qualitative characteristics of cast iron castings. Graphite may be present in cast iron in scaly, fine-grained or spheroidal forms and their combinations. If carbon takes the form of graphite, then cast iron is soft, lends itself well to mechanical processing and refers to gray cast iron. The spheroidal form of carbon gives cast iron increased strength and ductility. If carbon takes the form of iron carbide, then cast iron belongs to white cast iron and has such physical characteristics as hardness and brittleness, which are undesirable in most applications.
Форму, размер и пространственное распределение графита, также как и количественное соотношение графита к карбиду железа, можно регулировать с помощью определенных добавок, которые определяют тип углеродной структуры в процессе кристаллизации чугуна. Эти добавки относятся к модификаторам, а их введение в чугун называется модифицированием. При отливке изделий из жидкого чугуна всегда существует риск образования карбидов железа в тонких профилях отливок. Образование карбида железа вызывается быстрым охлаждением тонких сечений по сравнению с более медленным охлаждением толстостенных профилей отливки. Образование карбида железа в изделии из чугуна профессионально принято называть «отбел». Количественно отбел характеризуется измерением его глубины. Использование модифицирования расплава в той или иной степени, в зависимости от активности модификатора, предотвращает образование отбела и уменьшает его глубину.The shape, size and spatial distribution of graphite, as well as the quantitative ratio of graphite to iron carbide, can be controlled using certain additives that determine the type of carbon structure during the crystallization of cast iron. These additives are modifiers, and their introduction into cast iron is called modification. When casting products from molten iron, there is always a risk of the formation of iron carbides in thin profiles of castings. The formation of iron carbide is caused by the rapid cooling of thin sections compared to the slower cooling of thick-walled casting profiles. The formation of iron carbide in a cast iron product is professionally called “bleached”. Quantitatively bleached is characterized by measuring its depth. The use of melt modification to one degree or another, depending on the activity of the modifier, prevents the formation of bleach and reduces its depth.
В чугуне, содержащем сфероидальный графит, активность модификаторов обычно измеряют количеством сфероидальных графитовых комплексов на единицу площади в литом состоянии. Бóльшее количество графитовых комплексов означает, что активность модификатора в процессе модифицирования является высокой с образованием достаточного количества центров кристаллизации.In cast iron containing spheroidal graphite, the activity of modifiers is usually measured by the number of spheroidal graphite complexes per unit area in the cast state. A greater number of graphite complexes means that the activity of the modifier during the modification process is high with the formation of a sufficient number of crystallization centers.
В настоящее время известны сотни модификаторов, используемых в производстве литейного чугуна. Так, известен «Комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом» по патенту RU №2323270 (С22С 35/00, дата приоритета - 07.04.2006). Комплексный модификатор по данному техническому решению содержит магний, кальций, алюминий, кремний, РЗМ (редкоземельные металлы) и железо, а также дополнительно марганец, оксид магния и оксиды РЗМ. В качестве РЗМ используют лантан, иттрий и церий. Все компоненты комплексного модификатора поддерживаются в определенном соотношении.Currently, hundreds of modifiers used in the production of foundry iron are known. So, it is known "Complex modifier for the production of castings from cast iron with vermicular and compact graphite" according to patent RU No. 2323270 (C22C 35/00, priority date - 04/07/2006). The complex modifier for this technical solution contains magnesium, calcium, aluminum, silicon, rare-earth metals (rare-earth metals) and iron, as well as additional manganese, magnesium oxide and rare-earth oxides. As REM, lanthanum, yttrium and cerium are used. All components of the complex modifier are supported in a specific ratio.
В целом, предложенный комплексный модификатор позволяет улучшить литейные свойства чугуна и повысить качество отливок, но его производство достаточно затратно и технологически сложно, что отрицательно сказывается на себестоимости литья.In general, the proposed complex modifier allows to improve the casting properties of cast iron and improve the quality of castings, but its production is quite costly and technologically difficult, which negatively affects the cost of casting.
В предполагаемом изобретении «Способ модифицирования чугуна» авторами предлагается использовать в качестве комплексного модификатора техногенный продукт - пыль газоочистки электротермического производства кремния. Использование данного техногенного продукта позволяет, как и в случае использования специально созданных модификаторов, повысить качество отливок из серого чугуна с получением оптимального соотношения прочности и твердости, однородности свойств по сечению отливок, а также значительно снизить себестоимость процесса модификации. Дополнительно решается проблема утилизации одного из видов промышленных отходов.In the alleged invention, “Method of modifying cast iron”, the authors propose to use as a complex modifier a technogenic product - dust of gas purification of electrothermal production of silicon. The use of this technogenic product allows, as in the case of using specially created modifiers, to improve the quality of gray iron castings to obtain the optimum ratio of strength and hardness, uniformity of properties over the cross section of castings, and also significantly reduce the cost of the modification process. Additionally, the problem of recycling one of the types of industrial waste is solved.
При производстве кремния на 1 т металла образуется более 700 кг пыли. Основными компонентами пыли являются двуокись кремния SiO2, не восстановленная до Si в процессе электротермического производства кремния, и углерод, в основном, в свободном состоянии. Технологическая пыль имеет следующий химический состав:In the production of silicon per 1 ton of metal, more than 700 kg of dust is formed. The main components of dust are silicon dioxide SiO 2 , not reduced to Si during the electrothermal production of silicon, and carbon, mainly in the free state. Technological dust has the following chemical composition:
Пыль г/о по химическому составу соответствует известным комплексным модификаторам, оказывающим наиболее сильное воздействие на качество чугуна. Последние не только изменяют параметры процесса кристаллизации чугуна, но и рафинируют расплав.According to its chemical composition, hot dust corresponds to the well-known complex modifiers that have the strongest effect on the quality of cast iron. The latter not only change the parameters of the crystallization of cast iron, but also refine the melt.
Основным компонентом известных комплексных модификаторов является кремний. Анализ экспериментальных данных показывает, что, например, при 1380°C более половины кремния растворяется в чугуне с образованием центров кристаллизации и графитизации и до 20% идет на образование карбида кремния.The main component of the known complex modifiers is silicon. An analysis of experimental data shows that, for example, at 1380 ° C, more than half of the silicon dissolves in cast iron with the formation of crystallization and graphitization centers and up to 20% goes to the formation of silicon carbide.
В предлагаемом модификаторе кремний представлен, в основном, в виде двуокиси кремния. Двуокись кремния отвечает общим требованиям к модифицирующим добавкам - образует большое количество локальных центров кристаллизации и соответствует структурной решетке основного металла.In the proposed modifier, silicon is presented mainly in the form of silicon dioxide. Silicon dioxide meets the general requirements for modifying additives - forms a large number of local crystallization centers and corresponds to the structural lattice of the base metal.
Известно, что при высокой степени окисленности металла действие свободного углерода как модификатора незначительно, поскольку кислород, адсорбируясь на поверхности графита, препятствует его растворению, затрудняет зародышеобразующее действие углерода. Наличие SiC в пыли газоочистки устраняет это, благодаря тому, что карбид кремния обладает раскисляющим действием как при низких, так и при высоких температурах. Известно, что оптимальное содержание карбида кремния в модификаторе около 10 мас. %; при этом содержании обеспечивается стабильность модифицирующего действия углерода при любой степени окисленности чугуна. Таким образом, количественное наличие карбида кремния в пыли газоочистки обеспечивает стабильное действие углерода как модификатора. Также карбид кремния способствует более равномерному распределению частиц модификатора в объеме расплава при образовании и всплывании пузырьков CO.It is known that with a high degree of metal oxidation, the effect of free carbon as a modifier is insignificant, since oxygen, adsorbed on the surface of graphite, prevents its dissolution, complicates the nucleating effect of carbon. The presence of SiC in the dust of gas cleaning eliminates this, due to the fact that silicon carbide has a deoxidizing effect at both low and high temperatures. It is known that the optimum content of silicon carbide in the modifier is about 10 wt. %; this content ensures the stability of the modifying action of carbon at any oxidation state of cast iron. Thus, the quantitative presence of silicon carbide in the dust of gas purification ensures the stable action of carbon as a modifier. Silicon carbide also contributes to a more uniform distribution of modifier particles in the melt volume during the formation and emergence of CO bubbles.
Известно, что наличие в составе модификатора до 15% суммарного углерода обеспечивает высокую стабильность графитизирующего эффекта; содержание же углерода менее 0,01% приводит к полному устранению влияния углерода на эффект модифицирования. Для чугуна, близкого по своему составу к эвтектическому, наиболее эффективно использовать модификатор с содержанием графита 7÷10%, кремния - 85÷90%. При таком соотношении компонентов складывается наиболее благоприятная синергетика процесса модифицирования.It is known that the presence of up to 15% of the total carbon in the modifier ensures high stability of the graphitizing effect; a carbon content of less than 0.01% completely eliminates the effect of carbon on the effect of modification. For cast iron, which is close in composition to eutectic, it is most effective to use a modifier with a graphite content of 7 ÷ 10%, silicon - 85 ÷ 90%. With this ratio of components, the most favorable synergetics of the modification process is formed.
Из производственного опыта чугунного литья известно, что с повышением содержания углерода и кремния склонность чугуна к образованию трещин заметно снижается, а также с увеличением содержания графитизирующих элементов снижается усадка чугуна.From the production experience of iron casting, it is known that with an increase in the carbon and silicon content, the tendency of cast iron to crack increases noticeably, and also with an increase in the content of graphitizing elements, shrinkage of cast iron decreases.
Поверхностное натяжение чугуна понижается с повышением содержания в нем углерода, в основном переходящего в раствор. Соответственно увеличивается жидкотекучесть расплава. Влияние углерода усиливается с повышением содержания фосфора.The surface tension of cast iron decreases with an increase in the content of carbon in it, mainly passing into the solution. Accordingly, the fluidity of the melt increases. The effect of carbon increases with increasing phosphorus content.
Небольшие количества химически активных металлов, например кальция, алюминия и т.п., образуют в расплаве окислы, сульфиды и солеподобные карбиды, которые коагулируют с графитовыми комплексами, образуя зародыши, и тем самым обеспечивают сильное и устойчивое повышение степени графитизации сплава.Small amounts of chemically active metals, such as calcium, aluminum, etc., form oxides, sulfides, and salt-like carbides in the melt, which coagulate with graphite complexes, forming nuclei, and thereby provide a strong and stable increase in the degree of graphitization of the alloy.
Кальций, в основном, взаимодействует с серой и кислородом, растворенным в металле. Кальций связывает серу, как нежелательный элемент в чугуне. Содержание кальция в модификаторе может колебаться в широком диапазоне, но превышение 10%-ного содержания нежелательно из-за значительного снижения жидкотекучести чугуна, повышения шлакообразования.Calcium mainly interacts with sulfur and oxygen dissolved in the metal. Calcium binds sulfur as an undesirable element in cast iron. The calcium content in the modifier can vary over a wide range, but an excess of 10% is undesirable due to a significant decrease in the fluidity of cast iron and an increase in slag formation.
Алюминий участвует в процессе создания центров кристаллизации графита в чугуне. Содержание алюминия менее 0,1% не оказывает положительного влияния на процесс модифицирования, а при содержании алюминия свыше 10% значительно ухудшаются технологические свойства чугуна - жидкотекучесть, формозаполняемость.Aluminum is involved in the process of creating centers of graphite crystallization in cast iron. An aluminum content of less than 0.1% does not have a positive effect on the modification process, and with an aluminum content of more than 10%, the technological properties of cast iron — fluidity, moldability, are significantly impaired.
Наличие в модификаторе магния, как известно, позволяет повысить предел прочности отливок за счет того, что магний способствует формированию вермикулярной формы графита. Количественное содержание оксида магния в модификаторе рекомендуется исходя из следующих соображений: менее 0,001% не обеспечивает усиления эффекта вермикуляризации графита, а выше 5% создает значительное переохлаждение в чугуне, в результате чего графит переходит в химическое соединение Fe3C (цементит) и более сложные карбиды. В итоге прекращается формирование вермикулярного графита из исходной пластинчатой формы.The presence of magnesium in the modifier, as you know, allows you to increase the tensile strength of castings due to the fact that magnesium contributes to the formation of the vermicular form of graphite. The quantitative content of magnesium oxide in the modifier is recommended on the basis of the following considerations: less than 0.001% does not enhance the effect of graphite vermicularization, and above 5% it creates significant supercooling in cast iron, as a result of which graphite passes into the chemical compound Fe 3 C (cementite) and more complex carbides . As a result, the formation of vermicular graphite from the initial plate form is stopped.
Принимая во внимание вышесказанное, можно сделать вывод, что предлагаемый модификатор для обработки чугуна является, по существу, комплексным модификатором с мощным синергетическим графитизирующим эффектом его компонентов, причем с пролонгированным действием.Taking into account the above, we can conclude that the proposed modifier for cast iron processing is essentially a complex modifier with a powerful synergistic graphitizing effect of its components, and with a prolonged action.
Пыль газоочистки с точки зрения гранулометрического состава имеет высокодисперсный состав. Ниже приведен характерный гранулометрический состав пыли газоочистки электротермического производства кремния, массовая доля, %:From the point of view of particle size distribution, gas cleaning dust has a finely divided composition. Below is a typical particle size distribution of the gas treatment dust of the electrothermal production of silicon, mass fraction,%:
Представленный гранулометрический состав (не выше 100 мкм) наиболее эффективен с точки зрения модифицирования, так как обеспечивает длительное по действию зародышеобразование в процессе кристаллизации чугуна и снижает разброс твердости по сечению отливки.The presented particle size distribution (not higher than 100 μm) is most effective from the point of view of modification, as it provides long-lasting nucleation in the process of cast iron crystallization and reduces the spread of hardness over the casting cross section.
Соединения кремния представлены, в основном, порошком ультрадисперсной фракции, на уровне наночастиц, что связано с особенностями процесса электротермического производства кремния, а именно: SiO2 и SiC - продукты газовой фазы.Silicon compounds are represented mainly by the powder of the ultrafine fraction, at the nanoparticle level, which is associated with the features of the process of electrothermal production of silicon, namely: SiO 2 and SiC are gas phase products.
Высокая дисперсность кремния приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации графита, а, значит к измельчению графита и, соответственно, уменьшению концентрации напряжений в чугуне. Одновременно происходит прирост доли перлита (износостойкой составляющей микроструктуры) и, как следствие, увеличение прочностных характеристик чугуна.High dispersion of silicon leads to the formation of additional centers of crystallization of graphite, and, therefore, to the grinding of graphite and, accordingly, a decrease in the concentration of stresses in cast iron. At the same time, there is an increase in the share of perlite (wear-resistant component of the microstructure) and, as a result, an increase in the strength characteristics of cast iron.
В составе свободного углерода пыли газоочистки также наблюдается значительное количество ультрадисперсных частиц, в том числе - наночастиц, причем были обнаружены нанотрубки, являющиеся одной из аллотропных модификаций углерода и представляющие из себя свернутые в трубку графеновые пластины. Углеродные нанотрубки являются наиболее активными центрами объемной графитизации чугуна.A significant amount of ultrafine particles, including nanoparticles, is also observed in the composition of free carbon in gas cleaning dust, and nanotubes, which are one of the allotropic modifications of carbon and which are graphene plates rolled into a tube, were discovered. Carbon nanotubes are the most active centers of bulk graphitization of cast iron.
Дисперсность модификатора оказывает значительное влияние на фазовые превращения при охлаждении чугуна. Известно, что с увеличением содержания графитизирующих элементов усадка чугуна снижается, а при использовании ультрадисперсных модификаторов эффект усиливается многократно, что объясняется увеличением центров графитизации.The dispersion of the modifier has a significant effect on phase transformations during cooling of cast iron. It is known that with an increase in the content of graphitizing elements, shrinkage of cast iron decreases, and when using ultrafine modifiers, the effect intensifies many times, which is explained by an increase in the centers of graphitization.
Также важный положительный эффект от применения ультрадисперсного модификатора заключается в том, что в расплаве образуются множественные зоны переохлаждения, расположенные равномерно по всему объему расплава. Причем зоны переохлаждения стабильны во времени за счет высокой седиментационной устойчивости ультрадисперсных частиц в расплаве, что и определяет высокую «живучесть» таких модификаторов. Отрицательной стороной многих известных модификаторов является недостаточная длительность их действия, что в итоге снижает качество модифицированного расплава, и переход на ультрадисперсные модификаторы эту проблему решают.Another important positive effect of the use of an ultrafine modifier is that multiple subcooling zones are formed in the melt, which are uniformly distributed over the entire volume of the melt. Moreover, the subcooling zones are stable in time due to the high sedimentation stability of ultrafine particles in the melt, which determines the high “survivability” of such modifiers. The negative side of many known modifiers is the insufficient duration of their action, which ultimately reduces the quality of the modified melt, and the transition to ultrafine modifiers solve this problem.
Известно, что трещиноустойчивость чугуна растет при уменьшении интервала кристаллизации, а использование ультрадисперсных модификаторов позволяет снизить время кристаллизации за счет увеличения центров кристаллизации. Повышенная скорость охлаждения, обеспечиваемая увеличением центров кристаллизации, увеличивает количество и дисперсность перлита, измельчает графитные включения, что приводит к улучшению механических и специальных свойств серого чугуна.It is known that the crack resistance of cast iron increases with a decrease in the crystallization interval, and the use of ultrafine modifiers reduces the crystallization time by increasing the crystallization centers. The increased cooling rate provided by the increase in crystallization centers increases the amount and dispersion of perlite, grinds graphite inclusions, which leads to an improvement in the mechanical and special properties of gray cast iron.
Результатом использования предлагаемого ультрадисперсного модификатора является обеспечение изотропности материала в разных сечениях отливки; обеспечение мелкодисперсной металлической матрицы с включениями мелкодисперсного графита по всему объему отливки. Это происходит благодаря одновременному появлению в расплаве большого количества центров кристаллизации с небольшой разницей в их начальных размерах, что и обеспечивает сохранение одинакового размера всех графитовых включений по мере их роста. При введении предлагаемого модификатора в расплав образуется громадное количество микрообъемов металла с зародышами критического размера, что облегчает графитизацию чугуна и препятствует образованию твердых высокоуглеродистых фаз (цементита).The result of using the proposed ultrafine modifier is to ensure the isotropy of the material in different sections of the casting; providing finely dispersed metal matrix with inclusions of finely dispersed graphite throughout the entire volume of the casting. This is due to the simultaneous appearance of a large number of crystallization centers in the melt with a small difference in their initial sizes, which ensures the preservation of the same size of all graphite inclusions as they grow. When the proposed modifier is introduced into the melt, a huge amount of microvolumes of metal with critical nuclei is formed, which facilitates graphitization of cast iron and prevents the formation of solid high-carbon phases (cementite).
Использование ультрадисперсных модификаторов позволяет значительно снизить количество вводимого модификатора.The use of ultrafine modifiers can significantly reduce the amount of input modifier.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является изобретение по авторскому свидетельству СССР №1590481 «Модификатор для чугуна» (С22С 35/00, дата приоритета 03.10.88). Предложенный модификатор содержит магний, кальций и/или барий, редкоземельные металлы, алюминий, углерод, цирконий, кремний, железо, а также азот и титан. Данный модификатор позволяет получать чугун с вермикулярным графитом.The closest in technical essence and the achieved result is the invention according to the USSR copyright certificate No. 1590481 "Modifier for cast iron" (C22C 35/00, priority date 03.10.88). The proposed modifier contains magnesium, calcium and / or barium, rare earth metals, aluminum, carbon, zirconium, silicon, iron, as well as nitrogen and titanium. This modifier allows you to get cast iron with vermicular graphite.
Однако данное изобретение имеет следующие недостатки:However, this invention has the following disadvantages:
- в составе присутствуют десферодизаторы графита - титан, цирконий, которые, накапливаясь в возврате чугуна, приводят к увеличению расходных характеристик для стабильного получения чугуна с вермикулярным графитом;- the composition contains graphite desferodizers - titanium, zirconium, which, accumulating in the return of cast iron, lead to an increase in flow characteristics for the stable production of cast iron with vermicular graphite;
- наличие азота ухудшает механическую обрабатываемость чугуна;- the presence of nitrogen affects the machinability of cast iron;
- время сохранения эффекта модифицирования не превышает 15 минут.- the time to save the effect of the modification does not exceed 15 minutes.
Техническая цель предполагаемого изобретения - увеличение времени, стабильности и эффективности действия модификатора за счет увеличения количества активных центров кристаллизации, расширяющих зону критического переохлаждения.The technical goal of the proposed invention is to increase the time, stability and effectiveness of the modifier by increasing the number of active crystallization centers that expand the critical supercooling zone.
Техническим результатом использования изобретения является получение широкой гаммы высококачественных серых чугунов с различными показателями механических свойств в соответствии с заданной маркой, даже на базе единого низкоуглеродистого расплава, за счет введения в расплав варьируемого в заявляемом пределе количества заявляемого модификатора.The technical result of using the invention is to obtain a wide range of high-quality gray cast irons with various indicators of mechanical properties in accordance with a given brand, even on the basis of a single low-carbon melt, by introducing into the melt the amount of the claimed modifier varied in the claimed limit.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе модифицирования чугуна комплексным модификатором, содержащим кремний, кальций, алюминий, магний, железо, углерод, в качестве модификатора используют пыль газоочистки электротермического производства кремния, содержащую компоненты модификатора в следующем соотношении, мас. %:This goal is achieved by the fact that in the proposed method of modifying cast iron with a complex modifier containing silicon, calcium, aluminum, magnesium, iron, carbon, gas purification dust of electrothermal production of silicon containing modifier components in the following ratio, wt. %:
при этом массу модификатора, направляемого на модифицирование, поддерживают в пределах 0,05÷0,1% от массы расплава.while the mass of the modifier directed to the modification is maintained within 0.05 ÷ 0.1% of the mass of the melt.
Использование при модифицировании чугуна пыли газоочистки электротермического производства кремния, в качестве комплексного модификатора, отличает заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».Use when modifying cast iron dust gas purification of electrothermal production of silicon, as a complex modifier, distinguishes the claimed solution from the prototype, which indicates the compliance of the proposed solution to the patentability criterion of "novelty."
Качественный и количественный состав предлагаемого модификатора соответствует современным представлениям в области модифицирования чугуна, то есть современному уровню техники, а использование в качестве модификатора пыли газоочистки электротермического производства кремния, что явно не следует из уровня техники, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».The qualitative and quantitative composition of the proposed modifier corresponds to modern ideas in the field of cast iron modification, that is, the modern level of technology, and the use of gas purification of electrothermal silicon production as a dust modifier, which clearly does not follow from the prior art, indicates that the proposed solution meets the patentability criterion of “inventive step” .
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с известными решениями в данной области показал следующее.A comparative analysis of the proposed technical solutions with known solutions in this field showed the following.
1. По патенту СССР №364169 известен «Способ модифицирования чугуна», где - в качестве кремнийсодержащей добавки вводят двуокись кремния с размером частиц 5-50 мкм и в количестве 0,001-0,01% от веса металла. Высокодисперсную двуокись кремния получают пирогенным способом в газовой фазе или влажным осаждением двуокиси кремния. В порошок SiO2 вводят добавки с целью утяжеления модификатора, например FeMn, железная стружка и т.п., а также газообразующие добавки. В качестве газообразующей добавки используют, например смесь солей, выделяющих азот, который способствует интенсивному перемешиванию и равномерному распределению двуокиси кремния.1. According to the USSR patent No. 364169, the "Method for modifying cast iron" is known, where - as a silicon-containing additive, silicon dioxide is introduced with a particle size of 5-50 microns and in an amount of 0.001-0.01% by weight of the metal. Highly dispersed silicon dioxide is obtained by a pyrogenic method in the gas phase or by wet deposition of silicon dioxide. Additives are added to the SiO 2 powder in order to weight the modifier, for example FeMn, iron chips, etc., as well as gas-forming additives. As a gas-forming additive, for example, a mixture of salts liberating nitrogen is used, which promotes intensive mixing and uniform distribution of silicon dioxide.
Существенным недостатком решения по вышеуказанному патенту является то, что увеличение содержания азота в чугуне за счет введения азотообразующих добавок, во-первых, приводит к получению отливок с большим количеством газовых раковин, а, во-вторых, азотирование чугуна за счет образования нитрида железа значительно повышает твердость отливок, что усложняет их дальнейшую механическую обработку.A significant disadvantage of the solution according to the above patent is that the increase in the nitrogen content of cast iron due to the introduction of nitrogen-forming additives, firstly, leads to the production of castings with a large number of gas sinks, and, secondly, nitriding of cast iron due to the formation of iron nitride significantly increases hardness of castings, which complicates their further machining.
По сравнению с вышеприведенным патентом в предлагаемом техническом решении с использованием пыли газоочистки вводится двуокись кремния в пределах 0,037÷0,095% от веса расплава, что на порядок выше. Одновременно с повышенным введением SiO2 с пылью газоочистки вводится карбид кремния, что, как отмечалось выше, позволяет отказаться от введения дополнительных примесей в виде газообразующих и утяжеляющих добавок, а, значит, использовать техногенный продукт без корректировок.Compared with the above patent, in the proposed technical solution using dust of gas purification, silicon dioxide is introduced in the range of 0.037 ÷ 0.095% of the weight of the melt, which is an order of magnitude higher. Simultaneously with the increased introduction of SiO 2, silicon carbide is introduced with the gas cleaning dust, which, as noted above, allows one to refuse from introducing additional impurities in the form of gas-forming and weighting additives, and, therefore, to use the technogenic product without adjustments.
Также необходимо отметить следующие преимущества предлагаемого способа модифицирования пылью газоочистки:It is also necessary to note the following advantages of the proposed method of modifying dust gas cleaning:
- для выравнивания качества чугуна в объеме важно увеличить количество центров кристаллизации. В предлагаемом способе это решается увеличением количества вводимого высокодисперсного модификатора до 0,05÷0,1% от массы расплава;- to equalize the quality of cast iron in volume it is important to increase the number of crystallization centers. In the proposed method, this is solved by increasing the amount of highly dispersed modifier introduced up to 0.05 ÷ 0.1% of the mass of the melt;
- наличие в предлагаемом модификаторе около 50% фракции менее 5 мкм повышает «живучесть» модификатора.- the presence in the proposed modifier of about 50% of the fraction of less than 5 microns increases the "survivability" of the modifier.
2. Известен патент RU №2049114 «Графитизирующий модификатор», согласно которому в качестве модификатора также используется отход производства, а именно: отработанная контактная масса прямого синтеза органогалогенсиланов, содержащая, в мас. %: Si -65÷90; Al - 2÷5; Cu -3÷15; С - 3÷20; Са - 0,1÷2; Fe -0,1÷2. Количество вводимого модификатора - 0,25% от массы обрабатываемого чугуна. Использование техногенного материала без предварительной переработки так же, как в предлагаемом , снижает стоимость модификатора. Но модификатор по патенту RU №2049114 содержит дисперсный порошок с фракцией до 150 мкм в количестве до 80%. В предлагаемом решении максимальная крупность пыли газоочистки значительно ниже, а именно: до 100 мкм, причем около 50% - фракция менее 5 мкм. Известно, что кремний модификатора создает огромное число микрообъемов с повышенной активностью углерода в них, что облегчает зародышеобразование графита. С уменьшением размера частиц кремния его растворение в расплаве замедляется, а, значит, повышенная активность углерода в таких расплавах сохраняется более длительное время. Этим объясняется высокая «живучесть» модификатора по предлагаемому решению с использованием пыли газоочистки электротермического производства кремния.2. Known patent RU No. 2049114 "Graphitizing modifier", according to which the waste product is also used as a modifier, namely: spent contact mass of direct synthesis of organohalogenosilanes containing, in wt. %: Si -65 ÷ 90; Al - 2 ÷ 5; Cu -3 ÷ 15; C - 3 ÷ 20; Ca - 0.1 ÷ 2; Fe -0.1 ÷ 2. The amount of modifier introduced is 0.25% by weight of the treated cast iron. The use of anthropogenic material without preliminary processing in the same way as in the proposed one reduces the cost of the modifier. But the modifier according to patent RU No. 2049114 contains a dispersed powder with a fraction of up to 150 microns in an amount of up to 80%. In the proposed solution, the maximum particle size of the gas cleaning dust is much lower, namely: up to 100 microns, with about 50% of the fraction less than 5 microns. It is known that silicon modifier creates a huge number of microvolumes with increased carbon activity in them, which facilitates the nucleation of graphite. With a decrease in the particle size of silicon, its dissolution in the melt slows down, which means that the increased carbon activity in such melts lasts longer. This explains the high “survivability” of the modifier according to the proposed solution using dust from gas purification of electrothermal silicon production.
3. Известны модификаторы, в объем которых лишь частично входит побочный продукт производства, например производства органгалогенсиланов по патенту RU №2373290 «Модифицирующая смесь» (С21С 1/08). Смесь по патенту состоит из высокодисперсного кремния, образованного в результате реакций при производстве органгалогенсиланов, и искусственного графита, подвергнутого высокотемпературной обработке (выше 5000°C), в соотношении соответственно: 35÷90 мас. % и 10÷65 мас. %. Средний размер частиц модификатора 0,12 мкм, а расход смеси для модифицирования 0,04÷0,08% от массы обрабатываемого расплава. Недостатком предлагаемого модификатора является наличие в смеси высокодисперсного искусственного графита, что значительно повышает стоимость предложенного модификатора и снижает рентабельность в промышленных масштабах использования.3. Modifiers are known, the volume of which only partially includes a by-product of production, for example, the production of organohalogenosilanes according to patent RU No. 2373290 “Modifying mixture” (C21C 1/08). The mixture according to the patent consists of highly dispersed silicon formed as a result of reactions in the production of organohalogenosilanes and artificial graphite subjected to high-temperature processing (above 5000 ° C), in the ratio, respectively: 35 ÷ 90 wt. % and 10 ÷ 65 wt. % The average particle size of the modifier is 0.12 μm, and the consumption of the mixture for modification is 0.04 ÷ 0.08% by weight of the processed melt. The disadvantage of the proposed modifier is the presence in the mixture of highly dispersed artificial graphite, which significantly increases the cost of the proposed modifier and reduces profitability on an industrial scale.
В результате поиска и сравнительного анализа не выявлены технические решения, характеризующиеся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, обеспечивающих достижение аналогичных результатов при использовании, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».As a result of the search and comparative analysis, technical solutions were not identified that are characterized by a combination of features similar to the proposed solution, ensuring the achievement of similar results when used, which allows us to conclude that the proposed technical solution meets the patentability criterion of "inventive step".
С целью определения эффективности модифицирования предлагаемым модификатором были проведены опытные плавки серого чугун марки СЧ25. Выплавку чугуна осуществляли в плавильной печи ИСТА-0,4/0,32-И2, а модифицирование - в ковше: объем печи -250 кг, ковш - 120 кг. Температура перегрева - 1460÷1480°C; температура модифицирования -1430÷1450°C; температура разливки - 1400÷1420°C. Состав чугуна перед модифицированием соответствует марке чугуна СЧ25 по ГОСТ 1412-85. Модификатор помещали на дно ковша перед заливкой его металлом. В разливочный ковш последовательно вводили возрастающее количество модификатора в заявленных пределах 0,05÷0,1% от массы расплава. Перемешивание (равномерное распределение по объему расплава) происходит само по себе при всплытии и барботаже модификатора.In order to determine the effectiveness of the modification with the proposed modifier, experimental melts of gray cast iron of the SCh25 grade were carried out. Cast iron was smelted in the ISTA-0.4 / 0.32-I2 melting furnace, and modification was carried out in a ladle: furnace volume -250 kg, ladle 120 kg. Superheat temperature - 1460 ÷ 1480 ° C; modification temperature -1430 ÷ 1450 ° C; casting temperature - 1400 ÷ 1420 ° C. The composition of cast iron before modification corresponds to the grade of cast iron SCH25 according to GOST 1412-85. The modifier was placed on the bottom of the bucket before pouring it with metal. An increasing amount of modifier was sequentially introduced into the casting ladle within the declared limits of 0.05–0.1% of the mass of the melt. Mixing (uniform distribution over the volume of the melt) occurs on its own during the ascent and bubbling of the modifier.
С каждой плавки заливались пробы для определения механических свойств чугуна. Эффективность предлагаемого модификатора оценивали по показателям предела прочности при растяжении (σв) цилиндрических образцов диаметром 25 мм и показателям твердости. Испытания на прочность, твердость производили стандартными методами. Полученные результаты приведены в табл. 1.Samples were poured from each heat to determine the mechanical properties of cast iron. The effectiveness of the proposed modifier was evaluated by indicators of tensile strength (σ in ) of cylindrical samples with a diameter of 25 mm and hardness. Strength and hardness tests were performed using standard methods. The results are shown in table. one.
Проведенные испытания показали, что использование предлагаемого модификатора в заявленных пределах позволило повысить в исходном чугуне предел прочности при растяжении (σв) в среднем до 30% при повышении твердости чугуна в среднем менее чем на 15%. В отливках из модифицированного чугуна (№2÷6, табл. 1) отбел либо значительно снижался, либо отсутствовал совсем.The tests showed that the use of the proposed modifier within the stated limits allowed to increase the tensile strength (σ in ) in the original cast iron by an average of 30% with an increase in the hardness of cast iron by an average of less than 15%. In castings from modified cast iron (No. 2–6, Table 1), bleached either decreased significantly or was completely absent.
Показатель качества чугуна характеризовали показателем качества Паттерсона (ПК), который в упрощенном виде является отношением показателей прочности и твердости чугуна. Из таблицы видно, что в заявленных пределах введения модификатора в расплав показатель качества чугуна повышается.The quality index of cast iron was characterized by the quality indicator of Patterson (PC), which in a simplified form is the ratio of the strength and hardness of cast iron. The table shows that in the declared limits of the introduction of the modifier into the melt, the quality index of cast iron increases.
Таким образом, предлагаемый способ модифицирования чугуна позволяет получить чугун с высокими прочностными свойствами при минимальном росте его твердости, что улучшает обрабатываемость отливок. А также позволяет получить чугун с достаточной однородностью механических свойств в сечениях отливок различной толщины. В результате значительно улучшается качество литья, снижается литейный брак, в том числе и по показателю «отбел».Thus, the proposed method for modifying cast iron allows to obtain cast iron with high strength properties with a minimum increase in its hardness, which improves the machinability of castings. And also allows you to get cast iron with sufficient uniformity of mechanical properties in sections of castings of various thicknesses. As a result, the quality of casting is significantly improved, foundry marriage is reduced, including in terms of “bleached”.
Claims (1)
при этом массу модификатора, направляемого на модифицирование, поддерживают в пределах 0,05÷0,1% от массы расплава чугуна. A method of modifying cast iron melt with a complex modifier containing silicon, calcium, aluminum, magnesium, iron and carbon, characterized in that the modifier is used in the form of dust from gas purification of electrothermal production of silicon containing components in the following ratio, wt. %:
while the mass of the modifier directed to the modification is maintained within the range of 0.05 ÷ 0.1% of the mass of the molten iron.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015106439/02A RU2588965C1 (en) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Method for modification of cast iron |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015106439/02A RU2588965C1 (en) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Method for modification of cast iron |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2588965C1 true RU2588965C1 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=56370866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015106439/02A RU2588965C1 (en) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Method for modification of cast iron |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2588965C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697136C1 (en) * | 2018-11-02 | 2019-08-12 | Константин Сергеевич Ёлкин | Cast iron modification method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4545817A (en) * | 1982-03-29 | 1985-10-08 | Elkem Metals Company | Alloy useful for producing ductile and compacted graphite cast irons |
| JPS6155578B2 (en) * | 1981-05-26 | 1986-11-28 | Yanmar Diesel Engine Co | |
| SU1590481A1 (en) * | 1988-10-03 | 1990-09-07 | Институт проблем литья АН УССР | Inoculator for iron |
| RU2323270C2 (en) * | 2006-04-07 | 2008-04-27 | Открытое акционерное общество "КАМАЗ-Металлургия" | Complex modifying agent for producing cast pieces of cast iron with vermiculite or compact graphite |
| RU2373290C2 (en) * | 2007-10-05 | 2009-11-20 | Андрей Владимирович Чайкин | Modifying mixture |
-
2015
- 2015-02-25 RU RU2015106439/02A patent/RU2588965C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6155578B2 (en) * | 1981-05-26 | 1986-11-28 | Yanmar Diesel Engine Co | |
| US4545817A (en) * | 1982-03-29 | 1985-10-08 | Elkem Metals Company | Alloy useful for producing ductile and compacted graphite cast irons |
| SU1590481A1 (en) * | 1988-10-03 | 1990-09-07 | Институт проблем литья АН УССР | Inoculator for iron |
| RU2323270C2 (en) * | 2006-04-07 | 2008-04-27 | Открытое акционерное общество "КАМАЗ-Металлургия" | Complex modifying agent for producing cast pieces of cast iron with vermiculite or compact graphite |
| RU2373290C2 (en) * | 2007-10-05 | 2009-11-20 | Андрей Владимирович Чайкин | Modifying mixture |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697136C1 (en) * | 2018-11-02 | 2019-08-12 | Константин Сергеевич Ёлкин | Cast iron modification method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2017287789B2 (en) | Cast iron inoculant and method for production of cast iron inoculant | |
| JP4974591B2 (en) | Graphite spheroidizing agent and method for producing spheroidal graphite cast iron using the same | |
| WO2013051698A1 (en) | Method for producing spheroidal graphite cast iron and vehicle component using said spheroidal graphite cast iron | |
| KR102494632B1 (en) | Cast iron inoculants and methods of producing cast iron inoculants | |
| JP6258336B2 (en) | Spheroidal graphite cast iron melt spheroidizing method and casting method | |
| KR102493172B1 (en) | Cast iron inoculants and methods of producing cast iron inoculants | |
| NO20161091A1 (en) | Cast Iron Inoculant and Method for Production of Cast Iron Inoculant | |
| CN104812922A (en) | Inoculant alloy for thick cast-iron parts | |
| CN109154030A (en) | Grey cast-iron inovulant | |
| CN102337452B (en) | Low-alloy heat-resisting cast iron and preparation method thereof | |
| US2750284A (en) | Process for producing nodular graphite iron | |
| CN103194665B (en) | Eutectic graphite grey cast iron continous-cast section material and manufacture method thereof | |
| JP2000512686A (en) | Composition for low sulfur rat pig iron inoculation | |
| RU2588965C1 (en) | Method for modification of cast iron | |
| JP4456058B2 (en) | Spheroidizing agent for ductile cast iron and spheroidizing method for ductile cast iron | |
| Patel et al. | Effect of Ca and Ba Containing Ferrosilicon Inoculants on Microstructure and Tensile Properties of IS-210, and IS-1862 Cast Irons | |
| RU2620206C2 (en) | Graphitizing modification method of iron | |
| Upadhyaya et al. | Effect of some inoculants on the structure and properties of thin wall ductile iron | |
| JP6548924B2 (en) | Hypoeutectic spheroidal graphite cast iron | |
| Guzenkov et al. | Increasing the structural strength of cast steel by powder modification | |
| JP2007327083A (en) | Spheroidal graphite cast iron and its production method | |
| RU2590772C1 (en) | Method for production of aluminium cast iron | |
| RU2704678C1 (en) | Method of cast iron modifying and modifier for implementation of method | |
| Edalati et al. | Influence of inoculant and/or SiC addition on characteristics of grey cast iron | |
| Janerka et al. | Various aspects of application of silicon carbide in the process of cast iron Melting |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200226 |