Влияние шихтовых материалов и условий плавки на кристаллизацию чугуна

В практике можно часто наблюдать, что при изменении состава шихты и переходе от чугуна одной доменной печи к чугуну другого происхождения структура и свойства получаемых отливок, в том числе степень графитизации и глубина отбела, меняются даже при, казалось бы, неизменном химическом составе металла. Такую связь между свойствами исходных сырых материалов и свойствами отливок иногда называют «наследственностью». Этот термин, не совсем удачно заимствованный из органической жизни, по смыслу означает тенденцию сохранять в отливках структуру и свойства исходных материалов. Однако здесь нет ничего «генетического» и тем более духовного. Влияние это чисто материалистическое и объясняется тем, что в исходных материалах всегда имеется то или иное количество редких элементов, газов, неметаллических включений и разных комплексов, не контролируемых обычным химическим анализом и сохраняемых в той или иной степени при переплаве и перегреве металла в печи. Все это создает сравнительно устойчивую зародышевую фазу или просто микролегирование, оказывающие определенное влияние на кристаллизацию чугуна. Поэтому имеется тенденция к образованию в отливке структуры, аналогичной структуре исходных материалов.

Разные исследователи приписывают в этом вопросе наибольшую роль то одним, то другим факторам. Так, например, А.А. Горшков и П.П. Лузан придают особое значение неметаллическим включениям (наряду с SiO2 и FeS), количество которых в древесноугольных чугунах в 3,5—8 раз меньше, чем в коксовых. Согласно этим взглядам, меньшее количество включений в древесноугольном чугуне приводит к меньшему количеству вынужденных зародышей, большему переохлаждению в процессе кристаллизации и, следовательно, получению более мелкого графита. Эта точка зрения поддерживается и А.Е. Кривошеевым, который считает, что зародышевую фазу составляют главным образом окислы, хотя его собственные данные показывают, что количество неметаллических включений в двух резко различных по природе чугунах — коксовом и древесноугольном — может сильно колебаться в зависимости от условий плавки (в первом от 0,035 до 0,366%, во втором — от 0,039 до 0,310%).

Поэтому нужно считать, что кроме количества и состава включений значительную роль играет их состояние, форма, размеры. Кроме того, следует, очевидно, принять, что коксовый чугун в некоторых условиях плавки может не уступать по качеству древесноугольному. В.П. Чернобровкин и др. придают большое значение газам, содержание которых в чушковых чугунах разных доменных печей различно. Большая разница в содержании газов наблюдается также в коксовом и древесноугольном чугунах, как это видно из следующих данных (в см3/100 Г):

При этом особенно большая роль приписывается азоту, в частности большее содержание его в древесноугольном чугуне выдвигается Л.И. Леви как причина тонкой структуры и высоких свойств отливок при плавке на этом материале. Вместе с тем другие исследователи отрицают не только разницу в содержании газов в коксовом и древесноугольном чугунах, но и какое-либо различие в свойствах отливок, выплавленных на этих материалах. Очевидно, что все это зависит от условий доменной и ваграночной плавок.

Ряд исследователей уделяет большое внимание количеству и характеру графита в чушковом чугуне, который при прочих равных условиях является, по существу, функцией зародышевой фазы в жидком металле. Особенно большие исследования в этом отношении провел Л.И. Гольденберг, показавший, какой вред в отношении структуры и свойств отливок приносят чушковые чугуны, загрязненные спелью. В зависимости от объема доменной печи, ее форсировки, давления и температуры дутья, состава шлаков и шихты меняются состав, количество и дисперсность зародышевой фазы, а следовательно, и условия кристаллизации чушковых чугунов. В связи с этим замечено, что при плавке на южных чугунах наиболее благоприятный по размерам и распределению графит в отливках получается при применении в шихте чугунов завода Запорожсталь. Менее благоприятный графит получается при плавке на чугуне, выплавленном в доменных печах металлургических заводов Криворожского, Коммунарского, Макеевского и Днепродзержинского. По тем или иным причинам чугуны Урала (Магнитогорский), средней России (Новотульский) и Севера (Череповецкий) на некоторых машиностроительных заводах считают недостаточно качественными. Однако эта характеристика не является постоянной, она изменяется в зависимости от условий доменной плавки, разливки и внепечной обработки на металлургических заводах. Она меняется также в зависимости от условий плавки в вагранке, поэтому сравнительная оценка качества чушковых чугунов меняется во времени и различна даже в разных литейных цехах.

Влияние на качество отливок структуры шихтовых материалов является причиной того, что для ваграночной шихты стремятся избегать применения чугунов одного завода, в особенности чугунов е большим содержанием кремния и спели. По этой причине Г.И. Клецкин предпочитает плавку на большом количестве стального скрапа, Н.А. Баринов — на малокремнистом передельном чугуне, целесообразность использования которого подтверждена также работами автора совместно с А.Я. Иоффе — для серого чугуна и опытом завода им. Лeпce — для ковкого чугуна, хотя по другим данным плавка на шихте из белого чугуна дает иногда худшие результаты, чем плавка на сером чугуне. Таким образом, все зависит от зародышевой фазы чугунов и их склонности к переохлаждению. Однако, как правило, можно утверждать, что исходные материалы с мелким графитом или вовсе без графита проявляют тенденцию к образованию такой же структуры в отливках. Поэтому плавка на белом чугуне, т. е. с малым количеством зародышей графита, дает, как видно из рис. 110, более крупное зерно в отливках, а также больший отбел. По той же причине замена коксового чугуна древесноугольным приводит к большей величине чистого отбела (х), уменьшению промежуточной зоны (г) и увеличению показателя отбеливаемости:

Поэтому в течение ряда лет считалось обязательным применение древесноугольных чушковых чугунов для наиболее ответственного литья (отбеленного, ковкого). Однако нельзя считать, что неблагоприятная структура исходных материалов должна обязательно вызывать соответствующую неблагоприятную структуру в отливках. Перегрев жидкого чугуна при плавке, продувка газами, обработка восстановительными шлаками в корне изменяют жидкое состояние чугуна, его зародышевую фазу и условия кристаллизации. Благодаря этому удалось почти во всех случаях отказаться от плавки на более дорогом древесноугольном чугуне и получать качественные отливки при плавке на коксовом чугуне.

Указанные мероприятия, однако, большей частью не эффективны, если низкое качество чушковых чугунов обусловлено наличием вредных примесей (Pb, As, Sb, Ti, Bi, Sn и др.), которые в последнее время стали считать важнейшей причиной плохой «наследственности», при изготовлении как серого, так и высокопрочного чугуна.

Особый интерес представляет использование чугуна, выплавленного на керченской руде ввиду наличия в нем мышьяка и титана. Проведенные П.П. Лузаном исследования показали, что демодифицирующее действие мышьяка возрастает при медленном охлаждении и при повышенном содержании серы (>0,02%), кремния (>3,5%) и особенно титана (>0,04%). Поэтому в присутствии 0,04—0,05% Ti уже достаточно 0,04% As для образования графита смешанной формы, в то время как в его отсутствие мышьяк проявляет свое отрицательное влияние только при концентрациях около 0,1%. Нейтрализация влияния мышьяка может быть произведена, как обычно, путем присадки церия или другого ремодификатора, а титана — теми же средствами или просто повышенным количеством магния (рис. 111).

Структура и свойства чугуна в значительной степени зависят также от условий и режима плавки даже при одном и том же перегреве. Уже указывалось, например, что повышение влажности дутья при плавке в вагранке ведет к насыщению чугуна водородом и увеличению глубины отбела в отливках. Большое значение имеет также характер атмосферы в печи и состав шлаков, особенно при плавке в отражательных и электрических печах, где реагенты вследствие более высокой температуры действуют интенсивнее. Указанное влияние в той или иной степени проявляется и при плавке в вагранке. Отмечается, например, что окислительный характер атмосферы в печи затягивает последующий процесс отжига ковкого чугуна. Еще большее влияние в этом отношении оказывают азот и водород. Поэтому плавка в вакууме, понижая содержание этих газов (табл. 10), увеличивает число зародышей и ускоряет отжиг ковкого чугуна.

Указанное влияние на скорость графитизации и структуру ковкого чугуна обусловлено теми изменениями, которые вносят условия плавки в строение исходного белого чугуна. Как показали исследования В. Паттерсона и Р. Деппа, высокий перегрев в печи, длительная выдержка металла в жидком состоянии, глиноземистая футеровка печи, некоторые примеси (Bi) и, по-видимому, дегазация и вакуумная плавка способствуют большему переохлаждению, объемной кристаллизации, образованию плитообразной (игольчатой) эвтектики, большему количеству зародышей, а следовательно, и более быстрой графитизации.

Точно так же и в сером чугуне плавка в вакууме повышает степень графитизации, в том числе и количество феррита в структуре, размельчает графит и повышает тенденцию к его выделению в междендритной форме вследствие большего переохлаждения (примерно на 5—7 град), как это было показано Ф. Н. Тавадзе и И.А. Байрамишвили, И.В. Кузьминым и В.П. Черно-бровкиным и др.

Значительное уменьшение газосодержания (до 50—75%) и соответствующее изменение структуры и свойств чугуна может быть также достигнуто вакуумированием. Как показал В.П. Мигай, уже после двухминутного вакуумирования заметно увеличивается количество феррита в структуре. По опытам Лутугинского чугунолитейного завода, вакуумирование снижает глубину чистого отбела и переходного слоя на валках примерно в 1,5 раза и уменьшает размеры эвтектического зерна и выделений графита в серой зоне отливки. Точно также и при вакуумировании белого чугуна получается большее число включений углерода отжига и требуется меньше времени для отжига, как это наблюдается и при плавке в вакууме. Следует, однако, иметь в виду, что указанное влияние вакуума и вакуумирования является результатом не только дегазации, по и ряда других процессов: понижения содержания С, Si, Mn, S, уменьшения количества неметаллических включений вследствие обессеривания, диссоциации окислов и нитридов и т. п. Поэтому становится возможным увеличение числа зародышей, несмотря на увеличение переохлаждения.

Количество, форма, состав и распределение неметаллических включений в чугуне в значительной степени зависят также от шлакового режима плавки, который поэтому оказывает определенное влияние на характер кристаллизации и структуру чугуна.

В частности, при основных шлаках получается меньше окислов в чугуне, большее переохлаждение, более мелкий графит и больше феррита в матрице:

Такое же влияние оказывает плавка под шлаком, содержащим окись титана. Интересно влияние магнезиальных шлаков, которые, согласно давно проведенным исследованиям Ф.Н. Тавадзе, способствуют кристаллизации графита в шаровидной форме, что, вероятно, обусловлено большим переохлаждением металла вследствие уменьшения в нем количества активных зародышей, а возможно, и вследствие восстановления магния.

Особенно важным является шлаковый режим в производстве валков, где в зависимости от жидкого состояния металла можно получать отливки с разной величиной отбела или при постоянной глубине чистого отбела — разную величину переходной зоны, а значит и разную отбеливаемость. Исследования показывают, что длительная выдержка хорошего по качеству чугуна под окислительным шлаком с большим содержанием FeO (34—38%) приводит к увеличению числа зародышей, понижению глубины отбела и уменьшению отбеливаемости. В то же время такая обработка плохого по качеству чугуна имеет своим следствием обратный эффект — уменьшение числа зародышей и вытекающее отсюда изменение глубины отбела и отбеливаемости. В том же направлении, но значительно слабее действует раскисленный шлак (10—15% FeO).