SU1741617A3 - Способ автоматического контрол получени чугуна с заданной структурой - Google Patents

Description

ленном материале у стенки сосуда, рекалесценции у стенки сосуда (rekv). положительной разницы между температурой у названной стенки и в центре отобранного количества ( АТ+) и температурного градиента в пробе за фронтом эвтектического роста , выраженного как () (Тс макс)

(приблизительно посто нен по крайней мере в течение короткого периода времени во врем  роста эвтектики в центре отобранного количества ()с 0), произвольно

Сс С

выраженного в виде наибольших отрицательных значений (ДТмакс) температурной разницы, в том числе, когда расплавленна  ванна имеет недостаточное количество центров кристаллизации, в нее вводитс  агент, повышающий зародышеобразование графита . Когда обнаруживаетс , что центры кристаллизации имеютс  в избытке, последний уменьшаетс . Морфологи  выделени  графита определ етс  по известным эталонным величинам применительно к такому же способу отбора пробы при помощи кристаллизационной температуры в центре ванны (Тс ), рекалесценции в центре (rekc) и при максимальной температуре роста (Тс макс). Присутствующее количество модифицирующего структуру агента корректируетс  так, что графит во врем  затвердевани  чугунного расплава после заливки выдел етс  в червеобразном виде.

На фиг. 1 представлен график, содержащий диаграмму затвердевани , выведенную при измерении величин, полученных при производстве червеобразного чугуна; на фиг, 2-4 - различные примеры вариантов пробоотборных сосудов, подход щих дл  использовани  при осуществлении предлагаемого способа.

На фиг. 1 показаны кривые температуры (Т) и времени (т), из которых крива  I показывает ход затвердевани  вблизи стенки пробоотборного сосуда, а крива  II - процесс затвердевани  в центре пробы в сосуде.

Точки ai, 32 Обозначают спад температуры за единицу времени благодар  теплу, выделившемус  при образовании первичной аустенитной фазы. Точка б на кривой II иллюстрирует момент, в который кристаллы аустенита (в дендритном (разветвленном) виде) образовались во всем отобранном количестве . В дальнейшем расплавленный ма- териэл пробы между аустенитными кристаллами обогащаетс  углеродом (и другими легирующими элементами) так, что постепенно с продолжением понижени 

температуры в пробе достигаетс  эвтектический состав.

Точка в на кривой I обозначает момент, в который прекращаетс  падение темперэтуры . Кристаллы графита образуютс  на стенке сосуда при достаточном переохлаждении , и эти кристаллы графита растут вместе с железной фазой в эвтектической смеси. После этой стадии в процессе затвер0 девани  расплавленна  проба повторно нагреваетс  (за счет рекалесценции) до равновесной температуры эвтектической смеси на фиг. 1(она обозначена пунктирной линий TEU). Однако на этой ранней стадии

5 эвтектической реакции еще не полностью достигаетс  устойчивое состо ние роста из- за механизмов подавлени  роста, и скорость , с какой имеет место рекалесценци , обозначает по существу число активных за0 родышей графита на единицу объема. Подо- бным образом точка г на кривой II обозначает максимальное переохлаждение Тс , точка д - кривую рекалесценции; точка е - обычную температуру роста на устано5 вившейс  стадии в центре пробоотборного сосуда. Эти данные обеспечивают информацию относительно механизма роста на стадии эвтектического затвердевани .

Температура у стенки представл ет со0 бой моментальное изображение хода кри- сталлизации в ограниченном объеме расплавленного материала (тонка  стенка), а температура в центре сосуда - интегральное изображение термического поведени 

5 всего внутреннего обьема пробы. Температура вдоль радиуса в отобранном количестве между двум  точками измерений включает в себ  температурную волну, котора  распростран етс  вперед и отражает

0 последовательность роста вдоль направленного внутрь фроьта эвтектического затвердевани . Это значит, что нагруженный термоэлемент регистрирует процесс затвердевани , соответствующий процессу в

5 тонкостенных отливках, когда как централь- ный термоэлемент обеспечивает информацией , относ щейс  к характеру затвердевани  в толстых част х отливки. Только при рассмотрении такой комбиниро0 ванной информации можно сделать заключение относительно возможности расплавленного материала образовывать требуемую структуру в отливках различной толщины во врем  процессов заливки и за5 твердевани ,

Описание процессов затвердевани  главным образом относитс  к заэвтектиче- ским составам чугуна. Однако способ может быть также применен к чугуну эвтектического и заэвтектического составов При затвердевании эвтектической композиции не происходит роста первичных кристаллов, а в случае заэвтектических составов он происходит , но только в виде выделений первичного графита.

Экспериментально найдено, что при недостаточном переохлаждении, слабой рекалесценции и высокой температуре роста, преобладающих во врем  процесса затвердевани , образуетс  хлопьевидный графит.

Если преобладают высока  температура переохлаждени , небольша  рекалесценци  и низка  температура роста, то графит затвердевает в шарообразном виде, в результате получают чугун с шаровидной формой графита.

Когда во врем  затвердевани  выдел етс  вермикул рный графит, то имеетс  сильное переохлаждение, сильна  рекалесценци  и высока  температура роста.

Демонстрируемые кривыми отклонени  достаточны, чтобы сделать точные заключени  по этим главным группам в результате возможно предсказание образовани  чер- веообразного графита с высокой степенью точности, что в свою очередь дает возможность контролировать процесс в узких пределах .

Допуска , что внешние услови  остаютс  одинаковыми от случа  к случаю, можно сделать сравнение между двум  величинами , зарегистрированными устройствами измерени  температуры расположенными вблизи стенки пробоотборного сосуда и в центре расплавленного отобранного количества , и между различными испытани ми расплавленной ванны. Необходимо, чтобы различи  в технике и геометрии пробоотборного сосуда и помещенного в него материала были бы так малы, чтобы можно было получить воспроизводимые и сравнимые результаты дл  различных проб.

Некоторое число пробоотборных сосудов , подход щих дл  использовани  при выполнении испытаний на затвердевание. описано на фиг. 2-4 Примен ема  методологи  должна быть одинакова дл  каждой пробы или дл  каждого испытани  чтобы между расплавленным материалом и пробо- отборным сосудом достигалось температурное равновесие. Температура вокруг пробоотборного сосуда регулируетс  так, чтобы тепло тер лось пробоотборным сосудом способа, который позвол ет расплавленному материалу затвердевать в течение 0,5-10 мин. Нижний предел зависит от того факта, что более быстра  скорость охлаждени  приводит к образованию цементита в соответствии с метастабильной диаграммой . Более медленное охлаждение чем за 10

мин непрактично с точки зрени  производительности и, кроме того, ухудшаетс  точность измеренных результатов за счет имеющих место других реакций вокруг сосуда и за счет конвекции. Идеальный период охлаждени  составл ет 2-4 мин, Размеры пробоотборника или испытательного сосуда не  вл ютс  настолько критическими, хот  из практических соображений диаметр сосуда

0 должен быть не менее 2 и не более 10 см Подход щий диаметр составл ет 3-6 см. Сосуд удобно заполн ть на высоту нескольких сантиметров Высота полной пробы должна быть больше ее диаметра. Предпочтитель5 но, чтобы тепло от пробоотборного сосуда отходило в основном в радиальном направлении Это можег быть достигнуто изол цией верхней и нижней поверхностей отобранного количества.

0

Высвобождение скрытого тепла и рост фронта эвтектики (который зависит от соответствующего механизма роста) и теплопроводность затвердевшего сло ,

5 расположенного за фронтом, в большей степени завис т как от числа кристаллов графита в эвтектической структуре, так и от формы названных кристаллов. Подход щий способ определени  этой сложной функции получа0/ «Т -.

етс  определением наклона ( ), по (A Ј

лученного во врем  затвердевани  посредством действи  измер ющего температуру устройства, расположенного р дом со стен5 кой сосуда, в течение того периода времени, во врем  которого измер ющее температуру устройство, расположенное в центре сосуда , записывает температуру плато, соответствующую температуре установив0 шейс  эвтектической стадии Тс макс перио- , а Т ч да времени, в течение которого ()

равно нулю. Эта сложна  функци  может быть также определена путем измерени 

5 максимальной разницы (ДТмакс) между двум  кривыми во врем  процесса затвердевани . Найдено, что в обоих случа х величины измен ютс  дл  различных форм графита в чугуне. Серый чугун, включающий в себ 

0 хлопьевидный графит, дает небольшие температурные различи  между двум  кривыми затвердевани . Шаровидный чугун показывает большие величины ДТмакс, тогда как чугун, затвердевающий в виде червеобраз5 ного чугуна, дает величины между ними, чем обеспечиваетс  хороша  возможность дифференциальной оценки про вленных при затвердевании свойств соответствующих расплавленных ванн.

При эвтектоидном превращении (в твердой фазе из аустенита в феррит и цементит , точка ж скорость и, следовательно, окончательна  структура могут быть исследованы детально сравнением отклонений от двух измеренных точек, особенно сравнением времени смещени  и величины производных функций.

В дополнение к упом нутой возможности записывани  двойных кривых затвердевани  от неизвестной пробы и сравнени  конфигураций этих кривых с соответствующими кривыми, получаемыми от проб с известными кристаллическими характеристиками (или графически, или любым другим способом записи, например, цифровым процессором), следующие свойства  вл ютс  характерными при получении чугуна, содержащего графит, который затвердевает в червеобразной форме.

Наиболее надежным способом определени  червеобразной формы роста  вл етс  использование с этой целью переохлаждени  в центре (Тс ), рекалесцентной последовательности (rekc) и максимальной температуры эвтектического роста

(Тс макс).

Действительна  степень дисперсности (определ ема  здесь как количество кристаллов графита на единицу объема) может быть определена с помощью рекалесцентной последовательности у стенки (rekv),

А-rЯ Т ч-р

АТС макс ИЛИ ПО ДРУГОМУ-- ) при Тс макс ПО

М. V

температурной кривой начальных стадий образовани  эвтектики.

Начальные стадии образовани  эвтектики обычно встречаютс  при степени переохлаждени  Ту, но при очень эффективном образовании графита задержка на кривых охлаждени  показывает образование небольших количеств хлопьевидного графита.

Все перечисленные величины могут быть измерены с точностью и воспроизводимостью , которые делают возможным дать оценку кристаллизационным свойствам, характерным дл  расплавленной ванны, стандартных кривых с записанными кривыми, основанными на измерении полученных величин , хот  эти величины также могут быть сравнены в цифровом виде при помощи автоматической обработки данных.

С целью по снени  этих различных возможностей фиг. 1 иллюстрирует графические кривые, на которых две кривые построены с разницей по времени г: крива  I минус крива  II AT (здесь область положительных значений ДТ показана штриховкой ); дл  двух кривых построено ( -- ), где

СХ t/

названные значени  даны в виде лроизвод- ных rekv и гекс(показаны заштрихованными

област ми положительных значений.

Таким образом, возможно считывание с графических кривых тех измерений, которые должны быть вз ты, чтобы получить требуемый результат, а затем, чтобы показать,

0 что требуемые результаты должны быть достигнуты произвольно или отбором дополнительных проб, или выполнением дополнительных испытаний. Знание кристаллизационных свойств расплавленной

5 ванны дает возможность выполнени  необходимых добавлений или необходимых удалений соответствующих веществ. Опыт заключаетс  в том, чтобы измерить кристаллизационные свойства совершенно

0 автоматически, а затем автоматически корректировать состав расплавленной ванны с помощью программирующей техники, чтобы получить червеообразный чугун. Скорость затвердевани  зависит от тепло5 проводности стенки сосуда, толщины стенки , соотношени  объема и поверхности пробы и окружающей температуры. Хот  все эти параметры могут измен тьс , они должны быть приспособлены так, чтобы

0 дать возможность осуществл ть способ пробоотбора или испытани  практическим образом, а также приспособлены дл  заданных отливок различных размеров.

Пробоотборный сосуд охлаждаетс  при

5 комнатной температуре, хот  можно продлить процесс затвердевани , производ  затвердевание в печи при температуре между точкой плавлени  чугуна и окружающей температурой. Врем  затвердевани  также

0 может быть продлено путем изолировани  пробоотборного сосуда или при помощи помещени  сосуда в изолирующую рубашку во врем  процесса затвердевани . При желании , процесс затвердевани  может бьть

5 также ускорен при помощи охлаждени  воздухом , туманными брызгами или любым подобным способом.

Перед началом процесса измерени  все устройство, пробоотборный сосуд, темпера0 турна  камера и имеющийс  расплавленный материал должны находитьс  в температурном равновесии с температурой, превышающей температуру плавлени  пробы . Она составл ет примерно 1200-1400°С

5 в случае чугуна.

Состо ние равновеси  может быть достигнуто , например, изготовлением пробоотборного сосуда вместе с измер ющим температуру устройством способом, который дает возможность погружать их в расплавленную ванну, нагретую до температуры примерно 1200-1400°С и выдерживать в ванне, пока все устройство не нагреетс  до этой температуры, а затем извлечь из ванны и произвести охлаждение. При этом измер ющее температуру устройство соединено с каким-либо видом записывающего устройства , которое фиксирует измеренные данные в аналоговой или цифровой форме.

На фиг. 2 показан пробоотборный или испытательный сосуд дл  погружени  в гор чую расплавленную ванну. Данный сосуд представл ет собой корпус 1 из огнеупорного материала (подходит керамический материал ). Корпус 1 присоединен к трубчатому элементу 2, при помощи которого сосуд может удерживатьс  и погружатьс  в ванну. Корпус 1 снабжен отверстием 3, через которое расплавленный материал может втекать в корпус. В корпусе 1 предусмотрены два термоэлемента 4 и 5. один из которых расположен в непосредственной близости от стенки корпуса (4), а другой (5) в центре корпуса. Термоэлементы соединены с записывающим устройством (не показано) при помощи проводников 6

На фиг. 3 показан другой предпочтительный вариант пробоотборного или испытательного сосуда, который может быть заполнен гор чим материалом с целью производства анализа Сосуд этого варианта представл ет собой корпус 7 с измер ющи ми температуру устройствами 8 и 9, введенными через его дно Одно (8) из названных измер ющих температуру устройств размещаетс  р дом со стенкой корпуса а другое (9) размещаетс  в центре корпуса Сосуд окружен нагревающей катушкой 10 дл  предварительного нагрева сосуда Измер ющие температуру устройства 8 и 9 соединены с записывающими устройствами (не показаны) при помощи проводников 11

На фиг. 4 показан еще один вариант пробоотборного или испытательного сосуда , представл ющий собой корпус 12, который окружен высокочастотным нагревающим устройством 13 дл  повторного нагрева сосуда и содержащейс  в нем пробы Расплавленный материал может подаватьс  в сосуд при помощи ковша. Корпус 12 устроен так, чтобы взаимодействовать с крышкой 14, снабженной направл ющими 15 дл  размещени  крышки на корпусе 12, и выт нутыми вниз измер ющими темпера- туру устройствами 16 и 17, которые соединены с записывающим устройством (не показано) при помощи проводников 18. Крышка, несуща  измер ющие температуру устройства, размещаетс  на корпусе 12 после нагрева сосуда и содержащейс  в нем пробы до необходимой температуры.

При практическом осуществлении способа готов т обычную ванну расплавленного чугуна, химический состав которой регулируют до требуемых величин в соответствии с химическим анализом. Затем из ванны отбирают пробу дл  термического анализа в соответствии с изобретением и

0 записывают кривые затвердевани . Оценивают существующую зародышеобразую- щую способность расплавленной ванны. Дл  того, чтобы получить первичную заро- дышеобразующую способнрсть, ввод т

5 необходимые добавки оксидо-сульфидооб- разующих агентов. Примеры подход щих оксидо- и сульфидообразующих добавок включают в себ  кальций, алюминий и магний Другим предварительным требовани0 ем дл  образовани  зародышей графита  вл етс  то. чтобы углеродный эквивалент УЭ был бы достаточно высок Следовательно, зародышеобразование может быть облегчено введением вещества, которое совместно

5 повышает углеродный эквивалент (УЭ), например ферросилиций, кварц или карбид кремни  Хот  введение зародышеобразую- щих агентов хорошо известно в промышленности , ранее не было возможно с помощью

0 известных способов измерени  устанавливать с достаточной точностью необходимость производства таких добавок перед литьем.

После калибровки системы по функци м

5 TV . rekv и ДТ получают конкретную важную информацию относительно зародышеобра- зующей способности. Недостаток зароды- шеобразующих агентов может сказатьс  в увеличении переохлаждени . Это увеличе0 ние в некоторых случа х бывает таким большим , что у краев пробоотборного сосуда происходит переход в метастабильное состо ние При затвердевании белого чугуна имеет место чрезвычайно быстра  рекалес5 ценци . Дл  того, чтобы образовалс  шаровидный чугун, должно образовыватьс  в сотни раз больше зародышей, чем требуетс  дл  образовани  хлопьевидного графита. Дл  того, чтобы получить червеобразный чу0 гун, зародышеобразовательна  способность должна быть меньше, чем требуетс  дл  образовани  шаровидного чугуна, подход щей  вл етс  величина, равна  одной дес той. Если измерена чрезвычайно низ5 ка  зародышеобразовательна  способность , то может быть добавлено вещество, стимулирующее зародышеобразование. Если желательно понизить зародышеобразо- вательную способность, расплавленна  ванна просто выдерживаетс  в течение заданного периода времени, так как зароды- шеобразовательна  способность уменьшаетс  с увеличением времени выдержки.

Количество активных модифицирующих структуру веществ регулируетс  в зависимости от переохлаждени  в центре материала (Тс), максимальной температуры роста (Тс макс) и рекалесценции в центре материала (rekc). Когда проба затвердевает, присутствующее количество активных модифицирующих структуру веществ контролирует кристаллический рост. При образовании шаровидного графита рост ограничиваетс  в трех направлени х, когда выделение графита достигает определенного уровн . Но если количество активных модифицирующих структуру веществ немного уменьшаетс  относительно того, какое требуетс  дл  получени  шаровидного графита, то кристаллический рост ограничиваетс  только в двух направлени х, оставл   возможность дл  кристаллического роста из расплавленного металла в третьем направлении . Когда имеет место такой кристаллический рост, образуютс  червевидные графитовые кристаллы. Анализ приведенных величин (Тс , rekc и Тс макс) показывает, содержит или нет расплавленна  ванна достаточно модифицирующих структуру веществ . Когда такое содержание найдено недостаточным, модифицирующие структуру элементы должны быть добавлены. Дл  этой цели может служить магний в возможном сочетании с редкоземельными металла- ми. например церием Чрезвычайно высокое содержание модифицирующих структуру веществ может быть понижено окислением, которое может быть выполнено введением кислорода в ванну или введе- нием окисл ющих агентов, например магнетита. Окисление может быть также осуществлено выдерживанием поверхности металла на воздухе в течение нескольких минут. С целью уменьшени  содержани  активных модифицирующих структуру веществ в ванну могут быть также добавлены ингибиторы, например титан.

Предлагаемое изобретение направлено в основном на решение проблем контролировани  процессов лить  дл  затвердевани  с выделени ми червеобразного

графита. Кроме того, способ предлагает также различные возможности точного опреде- лени  степени распределени  при производстве серого чугуна с одновременным контролем типа выделени  хлопьевидного графита. Также возможно точно определ ть количество модифицирующих структуру веществ и необходимую степень дисперсности при производстве сфероидально-шаровидного чугуна, за счет чего имеетс  возможность экономии при использовании дорогих добавок

Отклонени  в кривой затвердевани , полученные при измерении в центре пробы,

к концу фазы затвердевани  могут также указать на возможность образовани  карбида, что в свою очередь дает ценное указание об имеющемс  недостатке заро- дышеобразующего агента в сочетании с

присутствием карбидостабилизирующего элемента, образующего скоплени  в микроструктуре ,

Claims (2)

1.Способ автоматического контрол  получени  чугуна с заданной структурой,

включающий выплавку чугуна, его модифицирование , отбор жидкого чугуна пробоотборником с помещенным в центре его термопарным спаем, термический анализ

чугуна, запись и автоматическую выдачу результатов в числовом виде и в виде кривых в зависимости от времени затвердевани  пробы, сравнение полученных результатов с эталонными и последующую корректировку расплава путем присадки модификаторов , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности анализа и улучшени  экспрессности, в пробоотборник вблизи стенки металлоприемника дополнительно

устанавливают термопарный спай, а пробоотборник ввод т в анализируемый расплав и выдерживают в нем до достижени  им термического равновеси .

2.Способ по п. 1 отличающийс  тем, что пробы отбирают из ванны анализируемого расплава и перенос т в металло- приемник сосуда, вблизи стенки которого дополнительно устанавливают термопарный спай, а жидкий чугун в сосуде нагревают до температуры ванны анализируемого расплава.

Ж

фиг. 1

Фаг. 2

12

ZZZZZZZZ Фие.4

Составитель Н.Косторной Техред М.Моргентал

Корректор Т.Палий

Редактор А.Петрова

Заказ 2095ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35. Раушска  наб., 4/5

12

Корректор Т.Палий