Воздействие «Фирам-процесса» на расплав чугуна.

( Э. Б. Тен,. Л. 3. Киселев, А. В. Козлов и др., ж. "Литейное производство" №12, 1988 г.)

В литейных цехах, особенно при производстве чугунных отливок, широко при­меняется «Фирам-процесс», основанный на очистке жидкого металла сетчатым фильт­ром в процессе заполнения литейной формы. В качестве фильтра при этом используют тканую сетку из кремнеземного стекловолокна марки KC-11-ЛA. Рафинирующее дей­ствие такого фильтра связывали с удалением суспензированных в расплаве неметалли­ческих фаз (НМФ) за счет сеточного и адгезионного эффектов, т. е. с механическим удержанием экзогенных шлаковых и песчаных частиц, размер которых превышает размер ячейки сетки, и экстракцией мелких эндогенных включений путем адгезии их к поверхности фильтрующего материала. Однако при такой трактовке механизма рафи­нирующего действия на расплав «Фирам-процесса» не удается объяснить эксперимен­тально установленные ранее эффекты повышения поверхностного натяжения и сниже­ния вязкости фильтрованного расплава чугуна, измельчения в нем графитовых вклю­чений и повышения дисперсности перлита при условии уменьшения содержания неме­таллических включений, которые могли бы выполнять роль гетерогенных зародышей при кристаллизации.

Исследования показали, что при фильтровании металлических расплавов кроме указанных выше сеточного и адгезионного рафинирующих эффектов имеет ме­сто и раскислительный эффект, который проявляется в снижении содержания рас­творенного кислорода. Повышение раскисленности расплава при фильтровании без дополнительного ввода раскислителя обусловлено тем, что в присутствии фильтрую­щего материала устраняются трудности гомогенного образования зародышей при вы­делении НМФ: реакция раскисления реализуется на поверхности фильтра, как на готовой подложке, и поэтому она протекает полнее.

Содержание кислорода, растворенного в расплаве чугуна, О_р при температуре фильтрования определяется реакцией его раскисления кремнием

[Si] + 2[O] = (SiO₂). (1)

При охлаждении жидкого чугуна в ковше после выпуска из печи равновесие ре­акции (1) смещается вправо. Поскольку содержание кремния в чугуне при этом не из­меняется, расплав становится неравновесным, пересыщенным кислородом и создаются объективные предпосылки для реализации реакции (1). Но процесс этот связан с выде­лением в расплаве новой неметаллической фазы в виде включений SiO₂ и может протекать лишь при наличии подложки. Самопроизвольное, спонтанное их образование затруднено и воз­можно только в сильно пересыщенных расплавах. На готовых подложках продукты раскисления выделяются значительно легче и быстрее, но количества их в расплавах обычно недостаточно для полного снятия их пересыщения по кислороду. Поэтому процесс взаимодействия растворенного в жидком металле раскислителя и кислорода запаздывает во времени и пересыщенность расплава кислородом полностью не устраняется. Это обусловливает большее, чем следует из равновесия реакции (1), содержание О_р при температуре фильтрования.

В этих условиях роль готовой подложки выполняет поверхность фильтра. Кремнеземная сетка КС-11-ЛА, используемая при «Фирам-процессе», по составу (94-96% SiO₂) мало отличается от продукта раскисления чугуна кремнием и является готовой гомо­генной подложкой. Поэтому для реализации реакции (1) на поверхности фильтра дос­таточно обеспечить доставку реагирующих компонентов - кислорода и кремния. Это достигается путем дробления потока металла на мелкие струйки и создания развитой поверхности контакта чугуна с фильтром при обтекании струйками фильтрующей сре­ды.

Таким образом, при «Фирам-процессе» имеются благоприятные термодинами­ческие и кинетические условия для реализации на поверхности фильтра реакции рас­кисления расплава чугуна кремнием. Следствием этого процесса является снижение содержания растворенного в расплаве кислорода, т. е. повышение степени раскисленности чугуна.

Экспериментально раскислительный эффект «Фирам-процесса» выявляли пу­тем измерения активности кислорода методом ЭДС. В качестве датчика активности кислорода использовали твердый электролит из ZrO₂, стабилизированный Y₂O₃, с электродом сравнения 90% Мо и 10% МoО₂. Активность кислорода рассчитывали по измеренным в процессе заполнения форм значениям температуры и ЭДС активометра.

Чугун плавили в индукционной тигельной печи. В разовой форме с полостями (рисунок 1), футерованными шамотным припасом 2, через общий стояк 3 сифонной заливкой получали по две отливки - одну из фильтрованного и другую из нефильтро­ванного чугуна.

Принятая схема разливки обеспечивает минимальное вторичное раскисление чугуна и позволяет четче выявить рафинирующий эффект фильтрования. Фильтро­вальную кремнеземную сетку 6 из кремнеземного волокна с ячейками 1,65 х 1,65 мм устанавливали в разъем формы. Датчики активности 4 опускали в расплав сверху в полость каждой отливки, а термопару 5 - в полость массивного стояка. Одновременно отбирали пробы для определения общего содержания кислорода О₂, которое анализировали вакуум-плавлением на приборе RO-17 фирмы Leco (США).

Полученные экспериментальные значения активности кислорода в нефильтро­ванном (значения в числителе) и фильтрованном (значения в знаменателе) чугунах приведены ниже (во всех составах чугуна содержится 0,8-1,1 % Mn; 0,08-0,1 % S; 0,15-0,2% Р).

Статистическая обработка полученных данных показала, что измерения активности ки­слорода в двух вариантах выполнены с одина­ковой точностью и средние значения в них раз­личаются закономерно. Используя эксперимен­тально полученные значения активности кисло­рода в чугуне, оценивали эффективность «Фи­рам-процесса» в устранении пересыщенности расплава кислородом. Об этом судили по изме­нению степени пересыщения. В нефильтрован­ном чугуне степень пресыщения α = 58... 121, в фильтрованном α = 19... 46. При однократном фильтровании чугуна α уменьшается на 49-67%.

О рафинирующем воздействии «Фирам-процесса» судили также по измене­нию общего содержания кислорода в чугуне. При фильтровании чугуна оно уменьша­ется на 30%. Ниже приведено изменение содержания кислорода в нефильтрованном (значения в числителе) и фильтрованном (значения в знаменателе) чугунах (О_св - свя­занный кислород). Содержание кислорода, %: 0,0100/0,007 О_о; 0,0031/0,002 О_D; 0,0069/0,005 О_св.

По изменению содержания О_р и О_св оценивали роль адгезионного и раскислительных эффектов рафинирующего действия «ФИРАМ-процесса». Согласно расчетам количество О_р в нефильтрованном чугуне составляет 0,0025-0,004%, в фильтрован­ном - 0,0014-0,0028%, а равновесное содержание его на порядок меньше - 0,0003%.

Одинарный фильтр из кремнеземной тканой сетки задерживает ~40% раство­ренного в чугуне сверх равновесия кислорода и ~30% кислорода, связанного в неме­таллические включения.

Факт очистки жидкого чугуна от кислорода является доказательством более глубокого рафинирующего воздействия «Фирам-процесса», чем это представлялось прежде. При этом повышение степени раскисленности чугуна достигается без заг­рязнения расплава продуктами раскисления. Выявленный новый механизм фильтраци­онной очистки чугуна позволяет объяснить закономерности изменения физических свойств и структуры чугуна при его фильтровании. Поверхностное натяжение фильт­рованного чугуна на 70-110 МН/м выше, чем нефильтрованного. Повышение степе­ни раскисленности чугуна без дополнительного загрязнения расплава продуктами рас­кисления способствует снижению его вязкости.

Достигаемое при «Фирам-процессе» повышение степени раскисленности чугу­на эквивалентно вводу в расплав 0,03- 0,1 % Al, Ca или церия, являющихся сильны­ми модификаторами. Этим, очевидно, объясняется тот факт, что фильтрованный чугун имеет короткие и завихренные включения графита и дисперсную перлитную матрицу. В этом смысле может идти речь также о модифицирующем воздействии «Фирам-процесса» на расплав чугуна.

Таким образом, при «Фирам-процессе» рафинирующий эффект обусловлен не только сеточным и адгезионным, но и раскислителышм эффектом, который проявля­ется в снижении содержания О_р без дополнительного ввода в расплав раскислителя и загрязнения жидкого металла продуктами раскисления - оксидными включениями. Предпосылкой этого является пересыщенность расплава чугуна кисло­родом из-за трудности гомогенного зарождения центров кристаллизации продуктов раскисления и дефицита гетерогенных зародышей. Поэтому при пропускании расплава через фильтр последний не только улавливает суспензированные в жидком чугуне включения, но и выполняет роль готовой подложки для выделения продуктов раскис­ления из пересыщенного расплава непосредственно на поверхности фильтра. Близость природы фильтра и продукта раскисления обеспечивает более полное протекание ре­акции раскисления и соответственно снижение содержания О_р. При этом модифици­рующее действие «Фирам-процесса» является следствием рафинирования распла­ва чугуна от О_р.

Вернуться в раздел "Техническая информация"