Модифицирующий фильтр - RU2301836C2

Описание

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу модифицирования чугуна в завершающей стадии процесса отливки и к модификатору, который обеспечивает большую стабильность модифицирования чугуна в процессе отливки. Предложенный процесс отливки, указанный как модифицирование в литейной форме, включает в себя фильтрацию и модифицирование и объединяет преимущества обеих технологий для производства деталей, для которых желательно обеспечивать структуру, свободную от карбидов железа.

Чугун является достаточно универсальным конструкционным материалом на базе железо-углерод-кремниевых сплавов, которые используются во многих областях промышленности, в том числе при производстве механических деталей. Универсальность чугуна обуславливает использование этого материала в качестве конструкционного материала в областях применения, где однородность и стабильность чугуна оказывают критическое влияние на характеристики деталей. Отливка чистого однородного чугуна, в особенности серого или ковкого, является необходимым этапом в получении высококачественных конструкционных отливок. Вследствие важности этих литых изделий необходимо, чтобы чугун, особенно серый или ковкий, устойчиво отливался с однородной структурой, с минимальным содержанием примесей и с воспроизводимыми свойствами.

Чугун имеет необычную металлургическую структуру. Большинство металлов образуют монолитную металлическую кристаллическую структуру во время кристаллизации. Однако чугун имеет гораздо более сложную структуру во время кристаллизации. Кристаллические фазы, которые формируют структуру во время кристаллизации чугуна, зависят от скорости кристаллизации. Для большинства конструкционных отливок желательно формирование кристаллического графита в кристаллической решетке железа во время кристаллизации. Если чугун очень быстро кристаллизуется, то в отливке могут кристаллизоваться первичные карбиды железа. Первичный карбид железа является твердой хрупкой фазой, которая делает чугун очень трудным для механической обработки и изменяет физические и механические свойства первичного чугуна. Первичные карбиды железа, как правило, обозначаются как "отбел". Углерод, содержащийся в виде карбида железа, как правило, считается вредным в большинстве чугунов, тогда как углерод, присутствующий в виде графита, улучшает физические и механические свойства чугуна. Углерод может кристаллизоваться во время кристаллизации или как карбид железа, или как графит. Формирование любой фазы управляется посредством скорости кристаллизации и содержанием зародышей в жидком чугуне. Скорость кристаллизации связана с геометрией отливки, скоростью отвода теплоты от материала литейной формы и величиной перегрева чугуна, имеющего место при введении метала в литейную форму. Степень зародышеобразования связана с металлургической предысторией расплавленного железа. Углерод, представляющий собой графит, является благоприятной формой, а влияние на склонность углерода к кристаллизации в виде графита является текущей задачей традиционных литейных операций. Графит может быть представлен в нескольких структурных формах, включающих в себя шаровидную, как это имеет место в ковком чугуне, и пластинчатую, как это имеет место у серого чугуна.

Традиционная литейно-металлургическая практика включает в себя модифицирование, причем зародышеобразование и рост графита осуществляются при расходе карбида железа. Избирательное зародышеобразование значительно улучшает механические и физические свойства полученной отливки. Модификация обычно выполняется за счет добавления модифицирующих агентов или в разливочный ковш, или в струю металла, или в литейную форму. В разливочный ковш модифицирующий агент обычно добавляется посредством засыпки гранулированного модифицирующего агента, когда разливочный ковш заполнен жидким чугуном, тогда как к струе металла модификатор добавляется посредством впрыска или распыления тонкодисперсного порошка модифицирующего агента в струю расплавленного металла при выпуске расплавленного металла в литейную форму. Обычно является желательным добавление модифицирующего агента в расплавленный металл настолько поздно, насколько возможно, чтобы минимизировать снижение эффективности модифицирования. Недостаточная или неправильная модификация постоянно является одной из первых причин потерь вследствие плохого качества литейной операции.

Это может быть предпочтительным для формирования шаровидной формы графита, если необходим чугун со сфеическим графитом, называемый "SG" или "ковкий" чугун. Альтернативно, чугун с пластинчатым графитом требуется для "LG" или "серого" чугуна. Необходимым и преимущественным условием при этом является предотвращение образования первичного карбида железа.

С этой целью жидкий чугун подвергается в завершающей стадии отливки модифицирующей обработке, которая будет по мере охлаждения способствовать появлению графита, который предпочтительнее первичного карбида железа.

Поэтому модифицирующая обработка очень важна. Действительно общеизвестно, что модифицирование, какие бы модификаторы не использовались, эффективно для жидкого чугуна, но эта эффективность уменьшается со временем и, как правило, уменьшается на 50% уже через несколько минут. Чтобы достичь максимальной эффективности, любой специалист в данной области техники, как правило, применяет последовательное модифицирование, применяя с этой целью несколько добавок модификаторов на различных стадиях создания чугуна. Последняя добавка вводится в литейную форму во время подпитки расплавом литейных форм или даже в питающие каналы литейных форм посредством размещения на пути жидкого чугуна вставок, выполненных из материала модификатора. Эти вставки, как правило, используются совместно с фильтром; в этом случае они, как правило, имеют вполне определенную форму, чтобы иметь возможность установки в фильтре наиболее часто в адаптированную полость. Эти вставки определенной формы известны как "таблетки" или "стержни". Мы укажем под названием "комплект модифицирующего фильтра" элемент, составленный из таблетки и фильтра.

Существует два типа таблеток. "Отлитые" таблетки получены посредством отливки расплавленного модификатора. "Агломерированные" таблетки получены из спрессованного порошка, как правило, с очень мелким связующим веществом или даже без связующего вещества.

Промышленные модификаторы создают центры зародышеобразования при введении в расплав жидкого чугуна очень активных элементов. Активные элементы соединяются с кислородом и серой, растворенными в жидком чугуне, и полученные в результате продукты реакции выделяются из раствора, формируя в ходе кристаллизации центры зародышеобразования для графита. Эти продукты зародышеобразования продолжают расти в расплаве до тех пор, пока металл полностью не закристаллизуется. Эти частицы должны иметь размеры в узком диапазоне для того, чтобы увеличивалось количество зародышевых кристаллов графита. Таким образом, добавка в металл активных элементов в начальной стадии кристаллизации увеличивает вероятность того, что выделенные частицы остаются в узком размерном интервале, необходимом для зародышеобразования кристаллов графита. Образование кристаллического графита осуществляется вопреки кинетически предпочтительным продуктам. Критические параметры, которые влияют на модифицирование, не известны и до сих пор являются предметом научных дебатов. Способность квалифицированного изготовителя предсказать, а следовательно, улучшить эффективность модифицирования, весьма желательна в этой области техники.

Модифицирование при помощи таблеток, при котором расплавленный металл подвергается воздействию таблеток непосредственно перед фильтром, является известным, при этом используют основной материал, включающий в себя незначительное количество кальция, алюминия и редкоземельных металлов. Так как модифицирование продолжается в процессе отливки, то его эффективность изменяется со временем вследствие кинетики растворения модифицирующего агента из таблетки. Дополнительное осложнение модифицирования вносит его реализация, которая зависит от объемов и времени литья для различных производственных деталей, имеющих различные размеры. При длительном времени отливки способ модифицирования в ковше нежелателен вследствие снижения эффективности модификатора в ковше. При использовании короткого времени отливки времени может быть недостаточно для осуществления модифицирования за счет таблеток модификатора. Критерии, которые обеспечивают эффективную модификацию в потоке металле, не известны, и обычно подходящий рабочий диапазон подбирается экспериментально с большими затратами и потерей материала.

Патент FR 2692654 на имя Daussan описывает комплект модифицирующего фильтра, причем таблетка получена спеканием порошка предпочтительно от 0,5 до 2 мм. Эффективность данного комплекта модифицирующего фильтра довольно ограниченная.

Патент ЕР 234825 на имя Foseco описывает комплект модифицирующего фильтра, где модификатор представлен в виде порошкообразного не агломерированного порошка, заключенного в пластиковый пакет. Данный блок является более сложным для изготовления и использования не агломерированного порошка, смачиваемость которого относительно жидкого чугуна не всегда может контролироваться.

Попытки решить задачу эффективного модифицирования представлены в уровне техники с ограниченным успехом. Например, патентная публикация DE 4318309А1 описывает модифицирующую таблетку, вставленную в углубление фильтра. Фильтр с пористой структурой содержит поры от 1 до 8 мм. Данный комплект модифицирующего фильтра оказывается ограниченным в использовании применением собственно таблетки. Данный способ решает задачу модифицирования на завершающей стадии процесса, но не подавляет первичного выделения карбидов, связанного с эффективностью процесса модифицирования, описанного выше. Комбинация таблетка/фильтр была найдена для различных отливок, хотя это не обеспечивает никакого преимущества, кроме локализации таблетки.

Патент US 6293988 предусматривает модифицирующий агент, который содержит оксисульфиды. Предусмотренным преимуществом является исключение ферросилиция как среды носителя. Оксисульфидный модифицирующий агент медленно растворяется, и скорость модификации особенно вначале процесса отливки может быть неустойчивой и непредсказуемой. Медленно растворяющаяся таблетка является источником проблем, связанных с неэффективным модифицированием в начале процесса отливки, хотя проблема уменьшения эффективности может быть до некоторой степени ослаблена.

Модификаторы, использующие ферросилициевые носители для очень быстрого растворения, известны, а следовательно, широко распространено использование модифицирования в ковше. В этом способе на высокую скорость растворения, обеспечиваемую модификаторами на основе ферросилициевых носителей, не обращали внимание вследствие понимания того, что быстрая скорость растворения вызовет растворение таблетки раньше окончания процесса отливки, а следовательно, модификатор не будет эффективным на протяжении всего процесса отливки. Высокую скорость растворения модификаторов на основе ферросилиция сложно контролировать.

До настоящего изобретения изготовители были ограничены использованием модификаторов на основе ферросилиция в ковше инъекцией модификатора в текущий металл и модификаторов без ферросилиция в виде таблетки. Кроме того, изготовитель мог выбирать между замедленным при модифицировании в ковше неэффективным модифицированием в начале процесса отливки с помощью модификаторов в виде таблеток или механическими сложностями, связанными с инжекционной модификацией.

Долгое время в данной области техники существовала потребность в модифицирующем агенте и способе использования, который обеспечивает последовательное и предсказуемое модифицирование независимо от скорости, при которой отливается расплавленный металл. До настоящего изобретения это требование не было удовлетворено.

Объектом настоящего изобретения является модифицирующая таблетка, которая непрерывно модифицирует расплавленный чугун в широком рабочем диапазоне времени процесса отливки без замедленного или неэффективного модифицирования.

Другим объектом настоящего изобретения является комплект модифицирующего фильтра, состоящий из агломерированной модифицирующей таблетки и сопутствующего фильтра, соответствующие характеристики которого пригодны для реализации максимальной функциональности.

Другим объектом настоящего изобретения является система для модифицирования расплавленного чугуна, которая просто контролируется, не ограничивает процесс отливки и может быть использована практически со всеми существующими литейными системами с минимальными изменениями физической структуры и способов эксплуатации.

Другим объектом настоящего изобретения является модифицирующая таблетка, которая может быть использована для эффективного и равномерного модифицирования расплавленного чугуна в широком диапазоне скоростей потока. Это обеспечивает отдельные преимущества, поскольку литье может осуществляться в диапазоне, который продиктован производственными потребностями без ограничения эффективностью модифицирования.

Особенно предпочтительный вариант осуществления реализуется в способе модифицирования чугуна. Способ включает в себя прохождение расплавленного чугуна через узел фильтра со скоростью потока от приблизительно 1 до приблизительно 60 см/сек. Узел фильтра включает в себя фильтрующий элемент и модифицирующую таблетку, контактирующую с фильтрующим элементом. Таблетка имеет скорость растворения модификатора, по меньшей мере, 1 мг/сек, но не более 320 мг/сек и предпочтительно содержит приблизительно 40-99,9% (по массе) носителя, состоящего из ферросилиция. Кроме того, таблетка предпочтительно содержит, по меньшей мере, один модифицирующий агент в количестве приблизительно 0,1-60% (по массе), выбранный из редкоземельных элементов или из группы, включающей в себя церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, магний, титан, алюминий, лантан и серу.

В другом предпочтительном варианте осуществления реализуется узел, включающий в себя фильтр и таблетку для модифицирования чугунов при их заключительной фильтрации, причем упомянутая таблетка получена спеканием порошкообразного модифицирующего сплава, а упомянутый фильтр является тугоплавким пористым материалом, при этом упомянутый порошкообразный модификатор из упомянутой таблетки имеет гранулометрический состав, включающий в себя 100% (по массе) фракции менее чем 2 мм, 30-70% (по массе) фракции 50-250 мкм, и менее 25% (по массе) фракции меньше 50 мкм, а упомянутый фильтр пропускает частицы только меньше 10 мкм.

В другом предпочтительном варианте осуществления реализуется узел фильтра, включающий в себя пористый фильтр и модифицирующую таблетку. Модифицирующая таблетка содержит носитель и модифицирующий элемент. Носитель содержит, по меньшей мере, 30% (по массе) ферросилиция. Модификатор содержит, по меньшей мере, один модифицирующий агент, выбранный из редкоземельных элементов или из группы, включающей в себя церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, магний, титан, алюминий, лантан и серу.

Кроме того, другой предпочтительный вариант осуществления реализуется в способе для модифицирования расплавленного чугуна. Способ включает в себя прохождение расплавленного чугуна через узел фильтра со скоростью потока приблизительно 1-60 см/сек. Узел фильтра включает в себя фильтрующий элемент и модифицирующую таблетку, контактирующую с фильтрующим элементом. Модифицирующая таблетка содержит связующее вещество и приблизительно 0,1-60% (по массе) модификатора. Модификатор содержит, по меньшей мере, один модифицирующий агент, выбранный из редкоземельных элементов или из группы, включающей в себя церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, алюминий, лантан и серу. Таблетка имеет скорость растворения модификатора, по меньшей мере, 1 мг/сек, но не более 320 мг/сек.

Еще один предпочтительный вариант осуществления реализуется в способе литья чугуна, включающем в себя этапы:

а) плавки чугуна для получения расплавленного чугуна;

b) транспортировки расплавленного чугуна к узлу фильтра, причем узел фильтра включает в себя фильтрующий элемент и модифицирующую таблетку, соединенную с фильтрующим элементом, и при этом модифицирующая таблетка содержит носитель и приблизительно 0,1-60% (по массе) активного модификатора, содержащего, по меньшей мере, один модифицирующий агент, выбранный из редкоземельных элементов или из группы, включающей в себя церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, магний, титан, алюминий, лантан и серу, и при этом таблетка имеет скорость растворения модификатора, по меньшей мере, 1 мг/сек, но не более 320 мг/сек;

с) прохождения расплавленного чугуна через узел фильтра со скоростью от приблизительно 1 до приблизительно 60 см/сек, измеренную в поперечном сечении, составляющем 30,25 см², для формирования модифицированного фильтрованного чугуна; транспортировки модифицированного фильтрованного чугуна к литейной форме, в которой формируется отливка, и

d) охлаждения отливки для формирования литого чугуна.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления реализуется таблетка для модифицирования железа в литейной форме. Таблетка содержит приблизительно 40-99,9% (по массе) носителя и приблизительно 0,1-60% (по массе) модификатора. Носитель содержит, по меньшей мере, около 30% (по массе) ферросилиция. Модификатор содержит, по меньшей мере, один модифицирующий агент, выбранный из редкоземельных элементов или из группы, включающей в себя церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, магний, титан, алюминий, лантан и серу. Таблетка имеет скорость растворения модификатора, по меньшей мере, приблизительно 2-250 мг/сек, измеренную в потоке чугуна, имеющем площадь 30,25 см², при скорости потока 15 см/сек.

Настоящее изобретение относится к модифицирующей таблетке, системе и способу ее применения, который значительно увеличивает стабильность, с которой расплавленный металл, преимущественно чугун, может быть модифицирован. Технология модифицирования посредством таблетки прежде осуществлялась с ограниченным успехом. Таблетки не на основе ферросилиция, как например описано в патенте US 6293988, медленно растворяются, а полученный в результате чугун по-прежнему содержит отбел, связанный с недостаточным модифицированием. В уровне техники отсутствует теория, на основании которой может быть создана модифицирующая таблетка на основе ферросилиция, которая может быть использована в широком диапазоне скоростей потока или скоростей подачи, с достижением достаточной модификации и минимальным снижением эффективности модифицирования. Благодаря многочисленным исследованиям такая теория представлена здесь.

Специалисту в данной области техники понятно, что при выполнении модифицирования на различных стадиях разработки чугуна используются продукты, которые являются тем более мелкими, чем позднее они добавляются в расплав в виде модификатора. Логичным является то, что добавляемые ранее в поток продукты имеют достаточно времени для растворения и, что когда они достигают входного отверстия литейных форм, имеют несколько секунд перед кристаллизацией.

Гранулированные частицы с размером 2-10 мм в настоящее время используются в предварительном модифицировании, гранулированные частицы с размером 0,2-2 мм используются во время обработки в ковше, а гранулированные частицы с размером 0,2-0,7 мм используются во время модифицирования в струе в процессе отливки. Заявитель заметил неожиданное явление при проведении испытаний. Для одинаковых доз модификатора количество зародышей графита, образующихся в жидком чугуне, увеличивается с количеством частиц модификатора в определенной массе модификатора. Поэтому, если два ковша чугуна обрабатывают в одинаковых условиях с одним и тем же модификатором с двумя различными размерами частиц, то чугун, обработанный самым мелким продуктом, будет содержать больше графитовых зародышей, чем тот, который был обработан более крупным продуктом. Кроме того, эти зародыши будут меньшего размера.

Тот же самый эффект наблюдался при обработке в литейной форме агломерированными таблетками. Чугун, обработанный с помощью таблетки, полученной из более мелкого порошка, содержал больше зародышей графита, чем чугун, который был обработан с помощью таблетки, полученной из более крупного порошка. Кроме того, эти зародыши были меньшего размера.

Чтобы таким способом получить таблетки, которые имеют максимальную эффективность в условиях модифицирования, заявителем был подготовлен порошок фракцией от 0 до 2 мм, имеющей особый внутренний гранулометрический состав частиц, заданный следующим образом: частицы до 2 мм 100%; частицы между 50 мкм и 250 мкм от 30 до 70%, более предпочтительно от 40 до 60%; частицы меньше 50 мкм менее 25%, более предпочтительно менее 20%.

Порошок этого типа легко агломерируется, что делает возможным использование малых количеств связующего вещества. Таким образом, небольшого количества силиката натрия, являющегося широко известным связующим веществом, в количествах от 0,3 см³ на 100 г порошка до 3 см³ на 100 г порошка достаточно согласно используемому давлению, которое может варьироваться от 50 до 500 МПа, так что механические характеристики таблеток достигаются легко. Процентное отношение параметров давления и связующего вещества может быть использовано для регулирования скорости растворения таблетки, а не ее механических характеристик.

Эксперимент показал, что гранулометрический состав частиц, описанный выше, не может быть получен обычным дроблением. Подготовка порошка такого гранулометрического состава частиц требует дозирования фракций гранулометрического состава, подготовленных отдельно.

Фильтр, объединенный с таблеткой, является керамическим фильтром, содержащим непрерывные или полунепрерывные поры или каналы, пропускающие металл, в которых задерживаются любые частицы с размером более 10 мкм, а предпочтительнее более 3 мкм.

Регулирование скорости растворения, допускаемое в широком диапазоне скоростей потока или скоростей подачи, теперь позволяет прогнозировать модифицирование без учета скоростей потока в рабочем диапазоне 1-60 см/сек, измеренных в поперечном сечении потока, которое составляет 30,25 см².

Эффективный компонент согласно настоящему изобретению включает в себя ферросилициевый носитель и, по меньшей мере, один активный элемент. Ферросилициевый носитель является низкоактивным элементом, который растворяется в расплавленном чугуне без значительного формирования зародышей кристаллизации. Активный элемент представляет собой элемент или комбинацию элементов, которые растворяются в расплавленном чугуне и вступают в реакцию с элементами расплавленного чугуна, формируя зародыши кристаллизации, на которых кристаллизуется преимущественно графит.

Эффективный компонент модифицирующей гранулы предпочтительно содержит 40-99,9% (по массе) носителя и 0,1-60% (по массе) активного элемента. Особенно предпочтительными носителями являются носители, приготовленные из ферросилиция, содержащего не реакционноспособные примеси. Ферросилиций в промышленности получают из различных источников. Ферросилиций обычно изготавливается как "75% ферросилиций", который показывает, согласно номенклатуре в данной области техники, что материал содержит приблизительно 75% (по массе) кремния и 25% (по массе) железа. Ферросилиций широко доступен в виде 50% ферросилиция, который содержит приблизительно 50% (по массе) кремния и 50% (по массе) железа. Для целей настоящего изобретения связующее вещество включает в себя только немодифицирующие элементы. Более предпочтительно, чтобы носитель содержал, по меньшей мере, 30% (по массе) ферросилиция. Предпочтительно добавлять связующее вещество к эффективным компонентам перед формированием гранулы. Связующее вещество, например силикат натрия, широко известно из уровня техники как вспомогательное вещество при гранулировании порошка.

Активные элементы согласно настоящему изобретению содержат, по меньшей мере, один редкоземельный или, по меньшей мере, один модифицирующий агент, выбранный из группы, включающей в себя церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, магний, титан, алюминий, лантан и серу. Особенно предпочтительные модифицирующие агенты содержат, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей в себя стронций, алюминий, лантан, цирконий, кальций и марганец. Модификатор предпочтительно содержит приблизительно 0,1-60% (по массе) модифицирующего агента. Более предпочтительно модификатор содержит приблизительно 0,1-40% (по массе) активного модифицирующего агента. Еще более предпочтительно модификатор включает в себя приблизительно 0,1-20% (по массе) активного модифицирующего агента.

Скорость потока является фактическим показателем, общеизвестным в промышленности, который обозначает объем металла, проходящего в фильтр и через него. Как очевидно любому среднему специалисту в данной области техники, скорость потока определяется при постоянной площади поперечного сечения потока. Для целей настоящего изобретения все скорости потока рассчитываются при площади поперечного сечения, составляющей 30,25 см², если не указано иное. Для любого среднего специалиста в данной области техники очевидно, что различные площади поперечного сечения порождали бы различные скорости потока, однако скорость потока может легко сравниваться с упомянутыми здесь скоростями посредством простого пересчета, как известно в данной области техники.

Скорость растворения модификатора определяется как количество модифицирующего агента, расходуемое как функция от времени. Исследование некоторых модификаторов является затруднительным, поэтому скорость растворения основана на исследовании определяющего элемента или модификатора или трасера. Весовое отношение определяющего элемента к другим модифицирующим агентам принимается таким, чтобы в чугуне оно было таким же, как весовое отношение в исходной таблетке. Для целей настоящего изобретения в качестве модифицирующего определяющего элемента используется цирконий. Поэтому общее количество модификатора в чугуне определяется как количество циркония плюс другие модификаторы в чугуне. Например, если модификатор имеет 1 часть (по массе) циркония к 1 части (по массе) марганца, и количество циркония в чугуне составляет 20 ppm, то количество марганца также будет 20 ppm для общего количества модификатора, равного 40 ppm. Концентрация циркония и марганца, которая составляет 40 ppm, деленная на время процесса отливки, равняется скорости растворения модификатора.

Скорость растворения модификатора, по меньшей мере, около 1 мг/сек необходима для обеспечения достаточного модифицирования при скорости потока 1-60 см/сек. Ниже 1 мг/сек наблюдается недостаточная скорость модифицирования, особенно в начале процесса отливки для обеспечения минимального отбела или его отсутствия и для, по существу, устранения образования карбидов железа. Альтернативно, скорость потока должна быть понижена до уровня, который является нецелесообразным со скоростью растворения модификатора ниже приблизительно 1 мг/сек. Более предпочтительно скорость растворения модификатора является не менее 10 мг/сек. Более предпочтительно скорость растворения модификатора является не менее 20 мг/сек. Скорость растворения модификатора не более приблизительно 320 мг/сек необходима для обеспечения достаточно медленной скорости растворения, для того чтобы таблетка сохранялась на протяжении всего процесса отливки со скоростями потока 1-60 см/сек. Выше приблизительно 320 мг/сек таблетка может разрушаться преждевременно, следовательно, отсутствует модификация более поздних порций отливки. Альтернативно, скорость потока должна быть увеличена до уровня, который является нецелесообразным. Более предпочтительно скорость растворения модификатора является не более приблизительно 250 мг/сек. Еще более предпочтительно скорость растворения модификатора является не более приблизительно 200 мг/сек.

Доступные в промышленности модификаторы на основе ферросилиция разрушаются при скорости растворения, которая превышает 320 мг/сек. Хотя они непосредственно подходят для модифицирования в ковше, но они оказались непригодными для использования в таблетке в месте фильтрации. До настоящего изобретения скорость растворения для модификаторов на основе ферросилиция не была исследована вследствие понимания в данной области техники того, что скорость была слишком высока, чтобы применяться в этом способе. Настоящее изобретение показывает, что может быть приготовлен модификатор на основе ферросилиция, который, если подготовлен для ограниченного диапазона скорости растворения, может быть использован в качестве модифицирующей таблетки, а получающийся чугун будет иметь низкий уровень отбела. Кроме того, надлежащая скорость растворения, которая ранее не была реализована в данной области техники, допускает вышеупомянутую модификацию с минимальным модифицирующим агентом. Это по существу уменьшает стоимость модификации и увеличивает прогнозируемость. Кроме того, другим преимуществом предлагаемой здесь теории является возможность определять подходящее количество модифицирующей таблетки для достижения надлежащей модификации.

Скорость растворения от приблизительно 1 до приблизительно 320 мг/сек предусматривает модифицирующую таблетку для использования при скоростях потока 1-60 см/сек без уменьшения эффективности или при модификации на любой стадии процесса отливки. Это в настоящее время является недоступным в данной области техники без использования очень больших таблеток, которые только частично используются, или скоростей потока, которые нежелательны. Более предпочтительно скорость растворения от приблизительно 1 до приблизительно 320 мг/сек при скоростях потока от приблизительно 1 до приблизительно 40 см/сек. Еще более предпочтительно могут быть использованы скорости потока от 10 до 30 см/сек, а наиболее предпочтительно может быть использована скорость потока 15-25 см/сек с предпочтительной скоростью растворения таблетки от 2 до 250 мг/сек. Особенно предпочтительная скорость растворения таблетки находится в диапазоне от 2 до 150 мг/сек.

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения скорость растворения таблетки определяется при скорости потока 15 см/сек, измеренной в площади поперечного сечения, составляющей 30,25 см². При скорости потока 15 см/сек таблетка предпочтительно имеет скорость растворения, по меньшей мере, от приблизительно 2 мг/сек, но не более приблизительно 200 мг/сек.

Пропускная способность фильтра может регулироваться между 0,01 кг/(с·см²) и 0,5 кг/(с·см²). В соответствии с заявкой более предпочтительно между 0,04 кг/(с· см²) и 0,24 кг/(с·см²).

Вследствие обычно требуемой степени модифицирования, которая составляет 0,05-0,15%, и вследствие производительности фильтра согласно изобретению, которая составляет 1-1,5 кг жидкого чугуна на 1 см², комплект модифицирующего фильтра подбирается по размеру с отношением (масса таблетки в г/фильтрующая поверхность в см²) между 0,75 и 1,5. Например, подходящих размеров был бы комплект модифицирующего фильтра, изготовленный из таблетки массой 25 г и фильтра площадью 30 см².

Скорость растворения таблетки регулируется за счет структуры и плотности упаковки. Когда плотность упаковки увеличивается, скорость растворения уменьшается. Для целей настоящего изобретения, чтобы получить диапазон растворения, требуемый для изобретения, подходит связующее на базе ферросилиция, сжимаемое для обеспечения плотности от приблизительно 2,3 г/см³ до приблизительно 2,6 г/см³. Такой результат может быть получен при регулируемой плотности таблетки, которая может быть получена между 60 и 80% абсолютной плотности модифицирующего сплава таблетки, изготовленной в зависимости от давления, используемого при агломерации, которое может варьироваться от 50 до 500 МПа. Комплекты модифицирующего фильтра в соответствии с изобретением могут быть подобраны по размеру для обработки потока расплавленного чугуна со скоростью от 1 до 25 кг/с.

Керамические элементы фильтра представляют собой пористые элементы, содержащие непрерывные или полунепрерывные поры или каналы, через которые проходит металл и в которых задерживаются частицы. Пористые керамические элементы фильтра предпочтительно изготовлены посредством способа, описанного в патенте US 4056586, включенном в описание в качестве ссылки. Кроме того, развитие способов изготовления керамических элементов фильтра предоставлены в патентах US 5673902 и US 5456833, которые также включены в качестве ссылок.

Примеры реализации изобретения приведены в последующем описании экспериментов.

Эксперименты 1-5 относятся к ковкому чугуну. Эксперимент 6 относится к серому чугуну.

Эксперимент 1

Партия "А" промышленно применимых, агломерированных модифицирующих таблеток, известных из уровня техники, была получена и проанализирована. Установлено, что состав таблетки Si=72,1%, Al=2,57% и Са=0,52%. Партия расплавленного модификатора для анализа, настолько сходного с анализом предыдущей партии, насколько возможно была синтезирована в индукционной печи из FeSi 75, прочность которого была скорректирована посредством добавления силицида кальция, алюминия, затем железа. Эта партия модификатора затем была отлита в литые таблетки весом 25 г. Отбор образцов и анализ этой партии таблеток, обозначенной "В", показал следующий состав: Si=72,4%, Al=2,83% и Са=0,42%. С использованием стандартной технологии была подготовлена серия квадратных фильтров из карбидокремниевой керамики с площадью 30,32 см². Органический вспененный материал был покрыт шликером так, чтобы все поры были заполнены. Органический вспененный материал затем был сжат для выдавливания избытка шликера. Покрывающий органический вспененный материал, покрытый шликером, затем был высушен и прокален. Для вставки таблетки частично в поверхности фильтра была вырезана округлая полость с диаметром 24 мм.

Эксперимент 2

Шихта чугуна была расплавлена в индукционной печи и обработана в ковше посредством сплава типа FeSiMg с 5% Mg, 2% Ca и 2% всех редкоземельных элементов (РЗМ) при расходе 20 кг на 1600 кг чугуна. Анализ этого жидкого чугуна показал состав: C=3,7%, Si=2,5%, Mn=0,09%, P=0,03%, S=0,003%, Mg=0,042%. Его эвтектическая температура составляла 1141°С. Этот чугун был использован для отливки деталей с массой около 1 кг, размещенных по группам в 20 отдельных отливочных формах, питаемых посредством впускного канала, в котором была расположена литая таблетка из партии "В". Количество графитовых включений, наблюдаемых с помощью металлографии в поперечном сечении деталей, составляло 184/мм².

Эксперимент 3

Эксперимент № 2 был воспроизведен в идентичной последовательности с единственным отличием в том, что литая заготовка, взятая из партии "В", была заменена агломерированной таблеткой в соответствии с известным уровнем техники, полученной при прессовании порошка от 0 до 2 мм, полученного обычным дроблением литых таблеток, взятых из той же партии "В", что и таблетка, использованная в предыдущем эксперименте. Гранулометрический состав частиц этого порошка был: частиц до 2 мм 100%; частиц до 0,4 мм 42%; частиц до 0,2 мм 20%; частиц до 50

Эксперимент 4

Эксперимент № 3 был воспроизведен в идентичной последовательности с единственным отличием в том, что литая заготовка взята из партии "А". Количество графитовых включений, наблюдаемых с помощью металлографии в поперечном сечении таблеток, составляло 170/мм².

Эксперимент 5

Эксперимент № 3 был повторен со следующими условиями. Партия в 25 кг литых заготовок из партии "В" была подвергнута дроблению до 0-1 мм. Фракции 0,63-1 мм; 0,40-0,63 мм; 0,25-0,40 мм; 0,05-0,25 мм и 0-0,05 мм были разделены посредством просеивания. Было получено 3,5 кг фракций с размером 0,63-1 мм; 3,9 кг - 0,40-0,63 мм; 4,2 кг - 0,25-0,40 мм; 7,1 кг - 0,05-0,25 мм и 6,1 кг - 0-0,05 мм. Порошок был подготовлен смешиванием: 2 кг 0,63-1 мм; 2 кг 0,40-0,63 мм; 2 кг 0,25-0,40 мм; 7 кг 0,05-0,25 мм; и 2 кг 0-0,05 мм. К этим 15 кг порошковой смеси было добавлено 150 см³ силиката натрия и 150 см³ 10-нормального гидроксида натрия. Полученная смесь была использована для изготовления цилиндрических агломерированных таблеток с диаметром 24 мм и толщиной 22 мм. Давление, оказываемое на таблетку при ее формировании, составляло 285 МПа в течение 1 секунды. Сформированные таблетки выдерживались при температуре 25°С в течение 8 часов в тщательно вентилируемом месте, а затем были подвергнуты сушке в печи при температуре 110° С в течение 4 часов. Полученные таблетки с массой 25 г составили партию, обозначенную "С". Эксперимент № 3 был затем повторен с таблетками, взятыми из партии "С", смонтированными с керамическим вспененным фильтром, идентичным используемому в эксперименте № 2. Количество графитовых включений, наблюдаемых с помощью металлографии в поперечном сечении деталей, составляло 234/мм².

Эксперимент 6

Эксперимент № 5 был повторен со следующими условиями. Шихта из 1600 кг чугуна была расплавлена в индукционной печи. Из жидкого металла была взята и проанализирована проба. Анализ показал: C=3,15%, Si=1,82%, Mn=0,71%, P=0,15%, S=0,08%. Эвтектическая температура была 1136°С. Данный чугун был использован для литых деталей с массой около 1 кг, размещенных по группам в 20 отдельных литейных формах, питаемых посредством впускного канала, в котором была расположена литая таблетка, установленная в фильтре с площадью 30,25 см², выполненном из тугоплавкого вспененного материала, идентичного используемому в других примерах. Литая заготовка была из партии "С". Количество эвтектических участков, наблюдаемых с помощью металлографии в поперечном сечении деталей, составляло 310/мм².

Эксперимент 7 согласно изобретению

С использованием стандартной технологии была подготовлена серия квадратных фильтров из карбидокремниевой керамики с площадью 32,25 см². Органический вспененный материал был покрыт шликером, чтобы заполнить все поры. Затем органический вспененный материал был сжат для удаления из него избыточного шликера при оставлении органического вспененного материала, покрытого шликером. Затем покрывающий органический вспененный материал шликер был высушен и прокален. Для вставки таблетки частично в поверхности фильтра была вырезана округлая полость с диаметром 24 мм.

Была подготовлена серия цилиндрических таблеток с толщиной приблизительно 20,5 мм и диаметром приблизительно 25,4 мм, созданная из сплава активных компонентов с кремнием и железом. Сплав был выплавлен, подвергнут дроблению, измельчен до порошка, отсортирован по размеру и смешан с силикатом натрия для формирования таблетки. Порошок был помещен в литейную форму и сжат до уровня, достаточного для получения требуемой плотности приблизительно 2,3-2,6 г/см³. Затем таблетка была вставлена в округлую полость керамического фильтра.

Тестирующая литейная форма содержала 5 камер одинакового размера, причем каждая камера последовательно заполнялась и была использована для определения скорости растворения комплекта таблетка/фильтр на всем протяжении процесса отливки. Комплект таблетка/фильтр был вставлен в тестирующую литейную форму перед камерами, и 29,51 кг расплавленного железа было отлито в литейную форму в течение различных периодов времени. Температуры в течение процесса отливки были установлены в диапазоне 1335-1470° С без существенного различия, отмеченного в пределах этого температурного диапазона.

Множество образцов было отобрано из пластин, отлитых в первую, третью и пятую камеры тестирующей литейной формы, и образцы были растворены и анализированы на цирконий посредством индуктивно связанной плазменной спектрометрии. Средний уровень циркония был определен как средняя модификация (AI). Скорость потока (AV), которая является скоростью металла на передней кромке фильтра, была рассчитана из следующего уравнения:

AV=PW/(D*EFA*t),

где PW - вес отливки в граммах; D - металлическая плотность в граммах на кубический сантиметр, EFA - эффективная площадь фильтра в см², или площадь поверхности фильтра, которая не закрыта таблеткой, и t - время в секундах. Средняя скорость (ADR) растворения была определена как общая масса модифицирующего агента, поступающего в металл, на основании анализа на концентрацию циркония на протяжении всего времени процесса отливки. Результаты представлены в таблице 1.

После завершения процесса отливки таблетка не была больше видна в фильтре. Наличие достаточной модификации в первой и последней пластинах показывает, что скорость растворения была достаточной для эффективной модификации во время всего процесса отливки без отбела вследствие плохой модификации в любом образце.

Анализ чугуна показывает, что все соответствующие изобретению образцы имели достаточную модификацию, о чем свидетельствует величина средней модификации (AI), которая основана на концентрации циркония в чугуне.

Сравнительный эксперимент

Ферросилициевая таблетка была подготовлена как в эксперименте согласно изобретению, за исключением размера частиц и комплекта, который обычно используется в модификаторах на основе ферросилиция. Скорость растворения была рассчитана посредством анализа уменьшения веса таблетки и процентного содержания модифицирующего элемента. Результаты приведены в таблице 2.

Скорость растворения была слишком высока для эффективного модифицирования.

Сравнительный пример 2

Круглый модифицирующий диск с диаметром 26,4 мм и толщиной приблизительно 17 мм был вставлен в карбидокремниевый фильтр SELEE®. Модифицирующий диск содержал 15-49% (по массе) кремния; 7-22% (по массе) кальция; 2,5-10% (по массе) серы; 2,5-7,5% (по массе) магния; и 0,5-5% (по массе) алюминия. Образцы из 20-29 кг серого чугуна были отлиты через фильтр со скоростью потока приблизительно 12-18 см/сек. После завершения процесса отливки оставшаяся таблетка была проанализирована посредством SEM/EDS (сканирующий электронный микроскоп/энерго-дисперсионный спектрометр). Аналогичный анализ не был возможен в примерах согласно изобретению, поскольку таблетка не была больше различима. Анализ показал образование сложных шлаковых формирований, включающих в себя смеси силикатов и сульфидов кальция, магния и алюминия.

Независимый анализ чугуна, использующий сравнительную таблетку, показал образование карбидов железа с минимальным формированием чешуйчатого графита, характеризующего неэффективность модифицирования.

Из описания и экспериментов очевидно, что эффективное модифицирование может быть проведено с использованием таблеток на основе ферросилиция в контакте с фильтрующим элементом. Неожиданным явилось на основе знания в данной области техники, что комбинация была пригодна. Дополнительной неожиданностью явилось наблюдение того, что может быть достигнута более ранняя модификация, причем формирование карбидов по существу устранено, а регулирование доли отбела является прекрасным на всем протяжении процесса отливки. Это усовершенствование в данной области техники, которое противоположно ожиданиям квалифицированных изготовителей и основано на управлении свойствами модификаторов на основе ферросилиция, которые не были заранее разработаны из-за ранее устоявшихся убеждений в данной области техники, что таблетированный модификатор с таблетками на основе ферросилиция считается неподходящим.

Изобретение было описано с особым акцентом на предпочтительные варианты осуществления. Для среднего специалиста в данной области техники было бы очевидно, что альтернативные варианты осуществления могли быть реализованы без выхода за рамки изобретения, которое сформулировано далее в формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам позднего модифицирования чугуна таблетированным модификатором в процессе разливки его через узел фильтрации со скоростью потока от 1 до 60 см/с с получением отливки. Узел фильтрации содержит таблетку в виде агломерированного порошкового модифицирующего сплава и фильтра в виде тугоплавкого пористого материала, который пропускает частицы только менее 10 мкм, а порошковый модифицирующий сплав таблетки имеет гранулометрический состав, содержащий 100% по массе частиц менее 2 мм; 30-70% по массе частиц между 50-250 мкм и менее 25% по массе частиц меньше 50 мкм. Модифицирующая таблетка имеет скорость растворения, по меньшей мере, 1 мг/с, но не более 320 мг/с и содержит приблизительно 40-99,9% по массе носителя, содержащего ферросилиций. Модифицирующая таблетка дополнительно содержит приблизительно 0.1-60% по массе, по меньшей мере, один модифицирующий агент, выбранный из группы, включающей церий, стронций, цирконий, кальций, марганец, барий, висмут, магний, титан и алюминий, или из редкоземельных металлов. Изобретение позволяет использовать модифицирующие таблетки на основе ферросилиция в контакте с фильтрующим элементом и получать литейный чугун со структурой, свободной от карбидов железа. 5 н. и 40 з.п. ф-лы, 2 табл.

Формула