WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Образовавшийся диоксид углерода вступает в реакцию (1), при этом парциальное давление СО увеличивается, что в соответствии с формулой (8) приводит к повышению равновесной концентрации углерода в расплаве железа.

Образовавшийся оксид кальция может вступать на поверхности ванны с серой и фосфором по известным реакциям. При этом происходит очистка чугуна от примесей, что оказывает благоприятное действие на процесс науглероживания.

При взаимодействии углерода с окисидами железа на поверхности расплава возможно их восстановление по реакции:

(FeO)+[C]=[Fe]+CO (9)

(10)

Реакции с выделением диоксида и оксида углерода способствуют увеличению парциального давления СО и, тем самым, науглероживанию расплава через газовую фазу.

Таким образом, ввод карбонатов щелочноземельных металлов в состав углеродсодержащего материала оказывает положительное комплексное воздействие на процесс науглероживания расплава.

Кинетический механизм науглероживания через газовую фазу включает этапы:

  1. Адсорбция молекул СО на поверхности железа

СО(г)+Fe(ж) FeСО(адс) (11)

  1. Образование активного, легкорастворимого сажистого углерода и СО2 за счет столкновения молекул СО с сильно деформированными молекулами в адсорбционном слое

FeСО(адс)+ СО(г)FeС(адс)+СО2(г) (12)

Разрозненные атомы углерода, возникшие в адсорбционном слое, непрерывно перемещаются на поверхности и переходят в расплав.

Образовавшийся диоксид углерода снова вступает в реакцию с науглероживателем с образованием монооксида углерода.

Параллельно происходит растворение частиц науглероживателя. Стадиями, лимитирующими процесс растворения, могут быть разрушение кристаллической решетки графита, а также диффузионный пограничный слой, который представляет собой сопротивление массопереносу углерода от частицы науглероживателя в расплав. При переходе углерода в расплав по газовому механизму диффузионного пограничного слоя нет, что может интенсифицировать процесс науглероживания.

С целью экспериментальной проверки теоретических выводов проведена серия опытов по науглероживанию расплава в печи ИСТ-0,16. В качестве шихты применяли стальной лом марки ст. 40. Температура расплава колебалась в пределах 1500-1550°С.

На рисунке 2 приведены зависимости изменения содержания углерода в образцах от времени и вида науглероживателя. Сравнительный химический анализ показал, что ввод карбонатов в составе шихты стабилизирует количество связанного графита. Поведение Ссвяз, при применении только угольной стружки, имеет сложную концентрационную зависимость, вероятно связанную с изменением ближнего порядка в расплаве.

Металлографический анализ подтвердил, что при применении только угольной стружки, в структуре образцов присутствуют недорастворившиеся частицы графита, а с вводом СаСО3 недорастворившегося графита в поле шлифа очень мало. Включения графита становятся более мелкими. При применении науглероживателя в виде древесного угля с ВаСО3 в поле шлифа графит полностью отсутствует и наблюдается структура – цементит.

Кроме того, измерения содержания газов в зоне реакции газоанализатором показали, что ввод карбонатов увеличивает количество СО.

На основании проведенных экспериментов была составлена следующая кинетическая схема процесса (рис. 3):

Рис. 3. Кинетическая схема процесса науглероживания.

СА, СВ, СС, Сd – концентрация по массе соответственно науглероживателя на поверхности расплава, газовой фазы СО в атмосфере печи, растворенного графита в расплаве Ссвяз, недорастворившегося графита в расплаве Ссвоб;

к1, к2, к3,к4 – константы скоростей реакций.

а

б

Рис. 2. График изменения содержания углерода в зависимости от времени и вида науглероживателя, построенный по экспериментальным данным

1 – Собщ – общее содержание углерода в образцах ();

2 – Ссвоб – содержание свободного углерода в образцах (5);

3 – Ссвяз - содержание связанного углерода (Fe3C) в образцах (<).

а – при применении в качестве науглероживателя угольной крошки

б – при применении в качестве науглероживателя смеси угольной крошки и карбоната кальция

Используя закон сохранения масс, с учетом того, что скорости элементарных реакций будут:,,, ; где V1, V2, V3, V4 – скорости изменения концентрации соответственно веществ СА, СВ, СС, Сd; запишем систему дифференциальных уравнений, которые в общем виде связывают временное изменение концентраций компонентов реакции СА и СС при участии промежуточных продуктов СВ и Сd со скоростями элементарных реакций V1, V2, V3, V4:

(13)

Решение системы (12), с учетом начальных условий приводит к следующей математической модели процесса науглероживания:

(14)

Полученная модель использовалась в работе для решения некоторых прикладных задач. В частности, было определено время, при котором количество СО над зеркалом металла достигает максимума, изучено поведение функций, составляющих систему уравнений (14) на больших временных интервалах (t), вариант перехода углерода только по одному из рассмотренных механизмов, а также некоторые частные случаи (например, равенства скоростей науглероживания по обоим механизмам и установившегося процесса).

Полученные результаты решения задач в дальнейшем использовались при разработке промышленной технологии выплавки синтетического чугуна для отливок ответственного назначения.

В третьей главе приведены результаты исследования качества отливок ответственного назначения «Коленчатый вал» из чугуна марки ВЧ 50, массой 4,5 тонны получаемых в условиях ОАО «РУМО» (г. Н.Новгород) до внедрения новых технических решений. Проведен анализ дефектов. Металлографическими, акустическими и химическими исследованиями показана неизбежность неоднородности материала отливки, обусловленная отрицательными эффектами науглероживания расплава при выплавке синтетического чугуна.

Для исследования выбирали отливку и разрушали ее в местах, где УЗК показал наличие несплошностей. Исследования коленчатых валов выявили, что наряду с дефектами газоусадочного характера в изломе наблюдаются макродефекты, связанные с неоднородностью материала отливки.

Для исследования структурной неоднородности из шейки коленвала изготавливали макрошлиф и делали серный отпечаток. На отпечатке четко обозначились три зоны с различной структурой (рис. 4).

Рис. 4. Серный отпечаток макрошлифа коренной шейки коленчатого вала.

Дополнительно проводился химический анализ и измерения акустических свойств каждой зоны (таблица 1).

Таблица 1

Химический анализ и акустические свойства различных зон по сечению отливки

Зона

скорость звука м/сек

Массовая доля элементов, %

С

S

P

Cr

Si

Mn

Mg

Ti

1

Сигнал отсутствует

4,21

0,035

0,05

0,16

2,69

0,50

0,09

0,03

2

5100

4,49

0,009

0,06

0,15

2,79

0,48

0,07

0,03

3

5420

3,39

0,007

0,06

0,13

2,81

0,43

0,04

0,03

Зона 1 отличается более высоким содержанием серы в 4-5 раз не только по сравнению с зонами 2 и 3, но и относительно допустимого верхнего предела по требованиям, предъявляемым к коленчатым валам, которая составляет S0,025. Это свидетельствует о всплывании сульфидов магния по сечению отливки.

Исследования образцов, отобранных по ходу промышленных плавок на печах ИЧТ-10М2 при получении коленчатых валов, включающие в себя отбор металла в пробы и вырезку образцов, после загрузки и проплавления каждого компонента шихты, определения количества связанного, свободного и общего содержания графита и исследования микроструктур полученных образцов показали, что наряду с отдельными мелкими включениями во всех образцах, отобранных по ходу плавки, сохраняются крупные недорастворившиеся включения графита, с размерами 90-180 мкм, а в пробе от «болота» - до 360мкм, которые способствуют образованию спели.

Анализ микроструктур, показывает, что графитовые включения в исследуемых образцах, имеют форму неправильных многогранников с острыми углами, что характерно для недорастворившегося графита. Так как скорость затвердевания массивных узлов невысокая, графит успевает всплыть верхнюю часть сечения отливки и образовать колонии, которые не пропускают УЗ волны. В итоге при УЗ контроле дефект классифицируется как усадочная раковина.

Проведенные исследования показали, что дефектами крупногабаритных отливок, выявляемыми методами УЗК, являются макронесплошности в толстостенных сечениях, вызванные не только газоусадочными, но и ликвационными явлениями. Графитовая спель в теле отливки образуется в результате выделения графита при затвердевании из расплава, либо в результате неполного растворения частиц науглероживателя.

Подобные дефекты относятся к неустранимым, и для их профилактики необходимо снижать содержание серы в расплаве и повышать степень однородности чугуна путем устранения крупных недорастворившиеся включений графита и увеличения количества центров графитизации.

В четвертой главе приведены результаты сравнительных исследований структуры материала коленчатого вала неразрушающими методами: -графированием и ультразвуковым воздействием. Показано, что предпочтительной является ультразвуковая зеркально-теневая методика.

Ввиду большого разнообразия марок и, соответственно, различия по характеру и количеству структурных составляющих матрицы чугунов скорость звука и его затухание колеблются в очень широких пределах. Волна рассеивается на структурных фрагментах материала (зернах, графитовых включениях), появляется «структурный шум», препятствующий широкому применению УЗ контроля по стандартизованным методикам. Считается, что из-за своей структурной неоднородности чугун неконтролепригоден для классической УЗ дефектоскопии.

Дефекты литья имеют объемный характер, в связи с чем, применение стандартной эхо-импульсной УЗ-методики не эффективно, так как амплитуда ультразвуковых эхо-импульсов от таких дефектов практически не зависит от направления прозвучивания, от места ввода колебаний, от типа волны, используемой частоты и имеет малое превышение над уровнем фона. Это связано с тем, что поверхность раковин отливок получается шероховатой, неправильной, а сама раковина окружена, как правило, большим числом мелких пор. Поэтому ультразвуковая волна не отражается от такого дефекта, а рассеивается во всех направлениях. Амплитуда эхоимпульса становится ниже предельной чувствительности дефектоскопа и не идентифицируется на экране, либо значение амплитуды так незначительно превышает уровень фиксации, что ее нельзя использовать как критерий размеров дефекта.

В этой ситуации, когда дефекты имеют плохие отражательные свойства, в работе предлагается использовать затеняющее воздействие дефектных мест на амплитуду прошедшего импульса. С учетом конструктивных особенностей коленчатого вала это затеняющее действие несплошностей чугуна на эхоимпульс от задней стенки объекта («зеркально-теневая» УЗ-методика).

С целью определения практической возможности применения такой методики для контроля качества массивных чугунных коленчатых валов:

  • отбирали коленвалы для диагностики;
  • проводили контроль методом -графирования с целью определения дефектных мест и их размеров;
  • проводили дубль контроль этих же коленвалов по зеркально-теневой УЗ-методике;
  • в местах обнаружения дефектов производили излом и осуществляли визуальный контроль.

В ходе этих работ использовали следующие диагностические признаки эхо-сигналов:

1 – на экране дефектоскопа не наблюдаются эхо-сигналы (затеняющее действие несплошностей чугуна на эхо-импульс от задней стенки объекта);

2 – на экране дефектоскопа наблюдается только первый отраженный от донной поверхности импульс (уровень отраженного донного сигнала);

3 – на экране дефектоскопа наблюдается отраженный импульс от дефектов (уровень отраженного сигнала от дефекта).

На основании исследований проводили математическую обработку результатов. Значение коэффициента корреляции, полученное при использовании в качестве диагностического признака – отсутствие эхо-сигнала, с данными -графирования составило 0,85. Результаты исследований по предлагаемому принципу совпали также с результатами визуального контроля, проведенного после разрушения отливок по месту расположения дефектов. При этом рыхлоты в чугуне, заполненные неметаллическими включениями, плохо выявлялись радиационным контролем и уверенно определялись по зеркально-теневой УЗ-методике.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»